满足无人驾驶拖拉机长保养周期的专用发动机设计探讨

2021-12-10周立春杨国涛杨明波

农业技术与装备 2021年10期

关键词：液位电控机油

周立春，杨国涛，杨明波，王凯

（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061）

随着整车控制单元（ECU）运算处理能力的提高，传感器、卫星定位等关键技术的研究与发展，国内外许多研究机构开始围绕无人驾驶拖拉机展开研究工作。无人驾驶拖拉

机具有节省作业时间、提高生产效率、增加用户收益等优点。无人驾驶拖拉机在机械自动化基础上进一步降低人力成本和时间成本，特别适合大型农场的自动化作业，对现代高端农业装备的发展具有重要的促进作用。

1 柴油机在无人驾驶拖拉机中的特殊要求

柴油机作为拖拉机的核心部件，是实现无人驾驶功能的关键组成部分。无人驾驶拖拉机的一个重要特点是长时间不间断作业，据了解某高端重型无人驾驶拖拉机项目，理论每天作业可以达到20 h，全年工作时间预计4 000 h。为更好地适应长时间作业的需要，柴油机的应用开发必须满足长保养周期要求，主要包含2 个方面：机油的更换周期、燃油滤清器的保养周期。

1.1 延长机油更换周期的方法探讨

目前常见的大功率拖拉机每年工作时间约500 h，与此配套的柴油机通常是500 h 更换机油，这对于普通拖拉机是足够的。但对于每天可以工作20 h 以上的无人驾驶拖拉机来说，就显得保养太频繁，不满足连续不间断工作的需要，影响工作效率。

现有技术，为延长保养周期，通常是加大油底壳轮廓，增加容量，使油底壳可以储存更多的机油。但此方法具有很大的局限性，例如，重型大功率拖拉机大多数使用有架式结构，在柴油机下有铸造的大型托架进行前后桥的连接，并起到承载作用，柴油机使用不受力的冲压油底壳。因为托架形状限制，油底壳和托架间需要保证安全距离，因此，油底壳体积不能做的很大。如果拖拉机使用无架式结构，柴油机使用铸铁油底壳，起承载作用。为满足拖拉机各种工况的可靠性要求，防止油底壳断裂、漏油，油底壳整体结构会做的非常厚重，这样的设计会导致油底壳内腔实际机油储量较少。

针对于上述方案的局限性，现提出以下自动补油的优化方案。

原机械油标尺位置更换成机油液位传感器，机油液位传感器通过线束连接到柴油机电控单元（ECU）。机油液位传感器的油量与电压信号的对应关系可以根据不同车型的油底壳油量进行标定。根据设计需求设定机油下刻线和机油上刻线，计算出上刻线与下刻线之间的机油量，此定量为固定补油量。

在油标尺附近安装补油口接头，接头大小可以根据设计补油量和设计补油时间进行确定。

拖拉机上方设置机油补油箱，补油箱出口与补油口中间使用胶管连接。补油箱出油口设置电磁阀，电子阀通过线束连接到电控单元（ECU）。

当拖拉机开始工作，电控单元（ECU）通过机油液位传感器检测机油液位，如果机油液位高于下刻线，可以正常启动。如果检测到机油液位低于下刻线，此时仪表盘机油液位低警示灯常亮，电控单元（ECU）控制补油箱出油口电磁阀打开，机油通过重力作用流入油底壳。根据设定的补油量确定电磁阀打开时间，到达设定时间后电磁阀自动关闭，仪表盘机油液位低警示灯同步熄灭。此时补油过程完成，可以正常启动发动机。结构示意和运行过程，见图1。

图1 补油功能运行过程示意图Fig.1 The schematic diagram of operation process of oil replenishment function

此方案的优点：补油全过程自动完成，无需人工操作，满足无人驾驶拖拉机的长时间作业要求；在油底壳体积大小不改变情况下，通过增加补油箱自动补油，延长保养周期。根据补油箱设计大小，保养周期可以延长1倍。

1.2 延长燃油滤清器保养周期的方法探讨

柴油机的正常运转离不开燃油，如果燃油里的水或杂质没有过滤干净，会造成燃油系统的零部件损坏。目前常见的燃油滤清器会在底部安装透明储水杯，当分离水达到一定高度，驾驶员手动将水杯放水阀打开，将积水排出。对于无人驾驶拖拉机来说，频繁手动放水会影响作业效率。

针对手动放水的局限性，可以采用以下自动放水的优化方案。

新型燃油粗滤器底部带有自动放水水杯，水杯内设有积水液位传感器、放水电磁阀。水位传感器用于检测燃油滤清器中的水位信息，并将水位信息通过线束传输到柴油机电控单元（ECU），电控单元（ECU）通过线束控制放水阀开启关闭。放水水杯中的液位传感器根据每个机型不同进行标定，设置上液位和下液位。

当拖拉机开始工作，电控单元通过水杯内积水液位传感器检测积水液位，如果在上液位与下液位之间，此时是合理状态，发动机可以正常启动。如果检测到积水液位高于上液位，说明此时积水较多需要放水。这时发动机油中有水指示灯常亮，电控单元（ECU）控制水杯放水阀打开，积水通过引流管排出。当积水液位到达下液位时，放水阀关闭停止放水，油中有水指示灯熄灭，本次放水过程结束，可以正常启动发动机。结构示意和运行过程，见图2。