尹中明， 孙文欣, 李雅琪， 李 鑫， 高 诠， 张国彦

(1．中国北方车辆研究所，北京 100072；2.大连理工大学，大连 116000)

随着特种车辆技术发展，车载辅机电源在二线特种车辆应用非常普遍，正逐步向一线特种车辆推广.车载辅机电源技术源于移动电站，但装备于特种车辆上后则隶属于特种车辆电气系统，其部分操作、显示、保护与车辆电气系统深度融合，在设计上一方面受限于特种车辆空间布置及系统约束上，另一方面又依赖电气系统的系统设计和车辆的有人操作、值守，尤其是系统的安全保护方面：辅机发动机自身的安全保护设计不全面，导致在车辆无人状态时车载辅机电源故障后仅能报警，而不能自动停机，需依赖操作人员的操作方可停机.

某特种车辆样车进行出厂鉴定试验，使用车载辅机电源为全车供电进行特种科目试验，由于某种异常外因，辅机发动机冷却风扇皮带断裂，发动机无冷却散热，驾驶员显控终端显示发动机过热报警.此时驾驶室内无驾驶员，无人对辅机发动机过热报警进行相应的人工停机操作，直至发动机拉缸、自动停机.

特种车辆未来发展趋势是智能化、网络化和无人化，要求车辅机电源具有一定的智能化，可实现无线遥操作和无人值守，意味着车载辅机电源具有完善的自动安全保护功能，以适应无人车的无人操作和无人值守使用模式.

1 辅机发动机安全保护设计

GJB235A-1997《军用交流移动电站通用规范》3.14条，要求移动电站有过载保护和短路保护[1]；

GJB1488-1992《军用内燃机电站通用试验方法》，其中“方法309 检查过速度保护功能”、“方法311 检查过热保护功能”、“方法312 检查低油压保护功能”等，明确要求检查电站发动机过速保护、过热保护和低油压保护[2].

GJB674A-1999《军用直流移动电站通用规范》3.17条，要求直流移动电站具有过载保护、短路保护、低油压保护、高水温(过热)保护、过速度保护等装置[3].

GJB204A-1992《军用交流移动电站额定功率、电压及转速》明确移动电站包括汽车电站、挂车电站、移动式发电机组.从移动电站界定看，移动电站与特种车辆车载辅机电源从承载平台、使用环境、使用模式等方面有较大差别.移动电站目前有较为翔实的国标、国军标进行约束，而特种车辆车载辅机电源缺乏相应的标准[4].

车载辅机电源一方面缺乏相应的标准，另一方面与特种车辆的电气系统深度融合，过流保护、短路保护依托电气系统实现，过压保护、限流保护等通过发电机调压器实现，发动机报警通过总线上传至显控终端显示，依托驾驶员观察到报警后进行人工干预停机.在正常使用模式下不存在问题，在异常情况下，如驾驶员不在位时，发动机报警后无人工干预，发动机长期处于报警后可导致发动机故障.

针对现有特种车辆存在的问题，借鉴军标对移动电站要求，完善车载辅机电源安全保护.车载辅机电源一般已具有过载保护、过压保护等保护功能，主要缺少发动机安全保护，主要有油温高(或水温高)保护、油压低保护、超速保护等几方面.

现代发动机，已基本实现了由机械调速向电子调速的发展应用，目前少量先进发动机已开始向高压共轨技术发展过渡[5].普通电子调速发动机，一般采用线性电磁阀、调速电机调节发动机油门，车载发动机安全保护可通过发动机ECU盒断电实现发动机自动停机，如图1所示.

图1 发动机自动停机安全保护示意图

发动机安全保护单元核心芯片为单片机，信号调理板采集发动机油温(或水温)保护信号、油压保护信号、速度信号，调理、隔离后送至单片机，利用单片机强大的计算、逻辑功能，计算发动机转速，判断发动机转速信号、油温信号、机油压力信号等是否达到保护门限，并持续一定时间.若保护，则输出保护信号，执行单元动作，切断发动机ECU盒电源，发动机停机.实现发动机转速信号的采集、计算和保护功能逻辑判断由单片机进行判断处理保护与否.

1.1 控制逻辑

辅机电源安全保护单元一上电，发动机油温高保护、超速保护和过电压、限电流即投入运行.此时发动机尚未起动，发动机机油油压未建立.当发动机起动后，通过机油泵循环机油、以冷却发动机，机油油压建压.发动机起动时，起动电机拖动发动机转速一般为160～200 r/min，故当检测到发动机转速大于500 r/min时，表明此时发动机已起动(发动机怠速设定一般在600～1 500 r/min范围内)，发动机油压低保护投入运行.

保护逻辑如图2所示.

图2 辅机电源部分安全保护逻辑示意图

1.2 油温高(或水温高)保护

油温报警、油压报警信号采集电路图如图3所示.发动机一般均内置油温(或水温)传感器，其输出为开关量信号.正常时为悬空，油温高时传感器闭合，输出为地信号.通过光耦对油温(或水温)高保护信号进行隔离，送单片机I/O口直接进行处理.单片机接收到保护信号，采集到信号要持续2～5 s进行保护.延时保护，一是保证保护信号非干扰信号，二是短时间内发动机不至于损坏，同时可提醒操作人员进行必要的卸载、关机处理.

图3 油温报警、油压报警信号采集电路图

1.3 油压低保护

发动机一般均内置油压传感器，其输出为开关量信号.正常时为悬空，发动机停机或油温低时传感器闭合，输出为地信号.

油压低保护电路及逻辑同油温高保护.

1.4超速保护

超速保护主要用于发动机转速失控，如飞车时对发动机进行停机保护.转速信号采集电路图如图4所示.采集发动机转速信号，首先用触发器对发动机转速信号波形进行整形，再通过光耦隔离后送至单片机进行处理.后端硬件保护电路与油温高、油压低保护共用一套保护电路.

调理后,转速信号送单片机的捕获单元，由捕获单元进行比较计算，得出发动机转速，其流程图如图5所示.

图4 转速信号采集电路图

图5 转速信号采集电路图

2 台架试验

用一台辅机发动机进行安全保护台架试验.发动机正常起动、升速至全速.首先模拟油温高信号，直接在安全保护单元油温高信号输入端接入模拟地信号，发动机经正常延时自动停机；再次起动辅机发动机，升速，直接在安全保护单元油压低信号输入端接入模拟地信号，发动机经正常延时自动停机.辅机发动机安全保护台架试验示意框图见图6.

通过台架安全保护试验，验证了该方案的可行性.

图6 辅机发动机安全保护台架试验图

3 结束语

通过对现有特种车辆车载辅机电源发动机安全保护故障缺陷进行分析，借鉴军标对移动电站安全保护要求，采用基于单片机及信号处理技术，采集发动机油温、油压、转速等信号，通过软件判断发动机保护与否，再通过控制发动机ECU电源通断，实现发动机自动保护，从而实现车载辅机电源无人值守自动安全保护.台架试验结果表明该设计方案可行.