公交車發動機艙溫度預警系統的優化和應用

摘要：介紹了一款升級優化的公交車發動機艙溫度預警系統。利用處理器分析公交車發動機艙的溫度值和溫度上升速率等信息，并綜合車輛等因素進行研究，當發動機工作溫度過高時，可通過語音、燈光等方式發出報警信息提醒駕駛員，避免危險發生。

關鍵詞：公交車；發動機艙；溫度速率；溫度預警系統

中圖分類號：U469 收稿日期：2023-09-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.026

1 前言

隨著城市化進程的加速，公交車作為城市交通的重要組成部分，其安全性和可靠性直接關系到市民的出行體驗。公交車發動機正常的工作溫度是車輛正常運轉工作的重要保證。發動機艙體后置當溫度過高時容易造成諸多的不利影響，比如，潤滑油的粘度下降，致使潤滑情況惡化；電路線圈變形損壞和斷裂；與高溫直接接觸的零部件由于大量吸熱而熱膨脹，導致部件之間的配合間隙變小，磨損增加；發動機功率下降，工作不穩定從而降低發動機動力性和可靠性；易引發起自燃患造成嚴重事故。

本文通過對溫度場實驗得出發動機艙工作溫度測試和變化速率，結合CFD仿真分析艙體內部溫度數值分布和上升速率變化的特征，判斷溫度傳感器的布置方位，改進完善溫度預警系統的設計。運用預先設定的檢測程序和電路，實時監控測量發動機艙溫度數值及溫度上升速率，通過綜合判定溫度、溫度上升速率和預設三者的數值進行對比，當超過預設標準值時，立即發出預警信號［1］。需要說明的是，艙體內溫度數值與溫度上升速率觸發預警的數值要根據不同的車輛型號進行判斷。

2 CFD仿真結果數值分析

2.1 發動機艙溫度測試點的布置和實驗

公交車發動機艙的正常工作溫度一般在80～90 °C之間，但是高強度、高溫度的發動機工作溫度通常達到90～100 °C以上。隨著科技的發展，發動機安裝的零部件不斷增多，艙體內空間越來越狹小，機艙散熱的挑戰不斷增大。在整車開發前期，針對這一問題提出解決方案，借助實驗測量與CFD仿真發動機艙相結合，利用溫度場測試出溫度分布及變化速率，通過仿真分析及驗證方案的有效性，以及安裝溫度傳感器，以此提高溫度預警系統的性能和可靠性。GB 13094-2017《客車結構安全》針對發動機艙內的溫度監控規定：后置發動機艙內應裝配溫度預警系統和自動滅火裝置[2]。選取日常進站檢測的公交車（金龍客車），抽取100臺不同型號的客車發動機的艙內溫度數值，通過分析可知，如圖1所示，同一款車型不同的型號，其發動機在工作運行時的溫度值上有很大的差異。如果按同一預警數作為標準，容易出現失誤。

實驗過程中，試驗區溫度為28 °C，選取車身長度9 m的金龍牌公交車作為測試車輛，將便攜式車載數據采集器、溫度采集顯示儀安裝于試驗用車上。在底盤測功機上通過模擬工況法進行發動機熱平衡實驗，結合多年實地工作經驗總結分析，在發動機艙分為如圖2所示的3處橫截面，將27個測量點設置在前部、中部、后部，且每處截面裝上9個表面測點，如圖3所示。

啟動控制電機，經測控系統處理，將底盤測功機調整至多工況加載模式，模擬車輛行駛阻力，進行實驗公交車在道路路面上行駛時低速爬坡、高速爬坡、急速行駛3種工況的測試試驗，使實驗公交車發動機的工作狀態接近最大扭矩和最大功率，當發動機艙內部趨近于熱平衡狀態時，測量并有序記錄各檢測點的溫度數值。實驗車艙溫度分布如圖4所示。

2.2 實驗數值結果分析

結合圖4所示的數據分析：

a.渦輪增壓器、發動機和渦輪增壓等熱力生產部件存在，截面B的幾處測試點溫度均大于90 ℃。

b.實測數據變化走向：從上到下溫度呈下降趨勢，從左到右溫度呈下降趨勢。

c.按照下式計算平均溫度[5]：

求得艙體內部的平均工作溫度數值大于70 ℃。

2.3 CFD仿真艙體內部溫度分布數值

發動機艙體類似一個半封閉的空間，內部結構具有一定的復雜性，存在許多油、水、電管道。這是一個復雜的艙內流動計算問題，就目前國內外的CFD水平，還無法對其進行完全真實形狀的數據模擬計算分析。因此，在保證反映艙內真實流動特性分析計算的前提下，對艙內一些對試驗影響不大的管道、電線等進行局部簡化。由CFD分析后的數值可得出結論：發動機艙內的工作運行溫度由上至下、從左至右呈遞減的趨勢，和實驗的分析結果基本一致［3］。

3 溫度預警系統優化設計

3.1 溫度傳感器布置

為提高系統的抗干擾能力和穩定性，分析產品各相關指標：定位、包裝、價格、市場目標受眾、競爭優勢；產品策略制、行業技術及相關技術發展；原料供應商。然后將溫度傳感器的數量定位為1個。選擇安裝位置時要參考以下內容：

a.艙體溫度數值達到熱平衡后，該測試點的溫度數值是否相對穩定。

b.艙體溫度的最大值是否在該點附近。

c.該點是否能夠有效遠離電磁干擾和大量的熱輻射。

結合以上三方面再通過測功機試驗數值和CFD仿真結果，可將該車型傳感器布置在截面B的TB2位置。

3.2 系統預警預設值和溫度上升速率的確定

A1為預警溫度預設值，A2為實驗或所得某車型熱平衡后對比實驗環境溫度的上升值，A3為車輛正常工作模式運轉時的溫度常量。

預警溫度預設值的設定需要保證發動機的安全性。過高的溫度預設值可能會使發動機面臨嚴重的故障風險，而過低的溫度預設值可能會導致誤報。合適的溫度預設值可以避免誤報，同時也可以及時發現異常情況，避免故障的進一步擴大。實驗點TB2測得的最高溫度數值是90 ℃，車輛正常工作模式運轉時的溫度常量值是26 ℃，TB2測得的最高溫度數值減去車輛正常工作模式運轉時的溫度常量值90 ℃-26 ℃=64 ℃，即得出本實驗車型的預警預設值是64 ℃。

依據截面B的測點溫度，發動機進入工作運轉模式后艙體內溫度均大于80 ℃，選取大于80 ℃的區域溫度數值分析，可得出上升速率小于0.3 ℃/s。

3.3 系統硬件電路的組成

本文設計優化的系統硬件電路如圖6所示，其中溫度傳感器是溫度預警系統中的關鍵組件，其精度和相應速度直接影響到系統的性能。為了提高溫度傳感器的性能，本方案選擇技術參數值為±0.1 ℃，接口電路和處理器集成均安裝于總線處理器中，處理器的功能是數據分析和預警判斷［4］。

根據處理器分析的溫度值和溫度上升速率等因素，當存在潛在的工作溫度過高的危險時，系統將發出報警信息，以提醒駕駛員，如圖7所示。

4 結語

該方案在實驗公交車上進行了多次科學嚴謹的驗證，并且通過人為設置冷卻系統故障，滿載高速運行一段時間后緊急停車熄火等，結果發現，當發動機艙異常高溫或異常溫度快速上升時，預警系統均能準確及時進行預警提示。實驗公交車在5萬km的道路行駛實驗過程中，未發生預警系統誤報情況，準確率達100％，有效地降低了后置發動機艙體溫度過高造成的不利影響，保障了公交車的安全穩定運行。

參考文獻：

[1]羅丹峰.發動機后置車型艙體降溫實驗研究[J].人民公交，2006（4）：49-50.

[2]GB 13094-2017 客車結構安全[S].

[3]沈凱，徐向陽，王先勇，等.后置客車發動機艙溫度場實驗[J].同濟大學學報：自然科學版，2013，41（5）：779-783.

[4]王忠，歷寶錄，黃成海，等.后置發動機客車機艙空間溫度場的實驗研究[J].汽車工程，2006，28（3）：262-266.

作者簡介：

陳秋娜，女，1981年生，工程師，研究方向為機動車安全性能檢測及道路運輸車輛達標核查檢測。