公交车发动机舱温度预警系统的优化和应用

摘要：介绍了一款升级优化的公交车发动机舱温度预警系统。利用处理器分析公交车发动机舱的温度值和温度上升速率等信息，并综合车辆等因素进行研究，当发动机工作温度过高时，可通过语音、灯光等方式发出报警信息提醒驾驶员，避免危险发生。

关键词：公交车；发动机舱；温度速率；温度预警系统

中图分类号：U469 收稿日期：2023-09-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.026

1 前言

随着城市化进程的加速，公交车作为城市交通的重要组成部分，其安全性和可靠性直接关系到市民的出行体验。公交车发动机正常的工作温度是车辆正常运转工作的重要保证。发动机舱体后置当温度过高时容易造成诸多的不利影响，比如，润滑油的粘度下降，致使润滑情况恶化；电路线圈变形损坏和断裂；与高温直接接触的零部件由于大量吸热而热膨胀，导致部件之间的配合间隙变小，磨损增加；发动机功率下降，工作不稳定从而降低发动机动力性和可靠性；易引发起自燃患造成严重事故。

本文通过对温度场实验得出发动机舱工作温度测试和变化速率，结合CFD仿真分析舱体内部温度数值分布和上升速率变化的特征，判断温度传感器的布置方位，改进完善温度预警系统的设计。运用预先设定的检测程序和电路，实时监控测量发动机舱温度数值及温度上升速率，通过综合判定温度、温度上升速率和预设三者的数值进行对比，当超过预设标准值时，立即发出预警信号［1］。需要说明的是，舱体内温度数值与温度上升速率触发预警的数值要根据不同的车辆型号进行判断。

2 CFD仿真结果数值分析

2.1 发动机舱温度测试点的布置和实验

公交车发动机舱的正常工作温度一般在80～90 °C之间，但是高强度、高温度的发动机工作温度通常达到90～100 °C以上。随着科技的发展，发动机安装的零部件不断增多，舱体内空间越来越狭小，机舱散热的挑战不断增大。在整车开发前期，针对这一问题提出解决方案，借助实验测量与CFD仿真发动机舱相结合，利用温度场测试出温度分布及变化速率，通过仿真分析及验证方案的有效性，以及安装温度传感器，以此提高温度预警系统的性能和可靠性。GB 13094-2017《客车结构安全》针对发动机舱内的温度监控规定：后置发动机舱内应装配温度预警系统和自动灭火装置[2]。选取日常进站检测的公交车（金龙客车），抽取100台不同型号的客车发动机的舱内温度数值，通过分析可知，如图1所示，同一款车型不同的型号，其发动机在工作运行时的温度值上有很大的差异。如果按同一预警数作为标准，容易出现失误。

实验过程中，试验区温度为28 °C，选取车身长度9 m的金龙牌公交车作为测试车辆，将便携式车载数据采集器、温度采集显示仪安装于试验用车上。在底盘测功机上通过模拟工况法进行发动机热平衡实验，结合多年实地工作经验总结分析，在发动机舱分为如图2所示的3处横截面，将27个测量点设置在前部、中部、后部，且每处截面装上9个表面测点，如图3所示。

启动控制电机，经测控系统处理，将底盘测功机调整至多工况加载模式，模拟车辆行驶阻力，进行实验公交车在道路路面上行驶时低速爬坡、高速爬坡、急速行驶3种工况的测试试验，使实验公交车发动机的工作状态接近最大扭矩和最大功率，当发动机舱内部趋近于热平衡状态时，测量并有序记录各检测点的温度数值。实验车舱温度分布如图4所示。

2.2 实验数值结果分析

结合图4所示的数据分析：

a.涡轮增压器、发动机和涡轮增压等热力生产部件存在，截面B的几处测试点温度均大于90 ℃。

b.实测数据变化走向：从上到下温度呈下降趋势，从左到右温度呈下降趋势。

c.按照下式计算平均温度[5]：

求得舱体内部的平均工作温度数值大于70 ℃。

2.3 CFD仿真舱体内部温度分布数值

发动机舱体类似一个半封闭的空间，内部结构具有一定的复杂性，存在许多油、水、电管道。这是一个复杂的舱内流动计算问题，就目前国内外的CFD水平，还无法对其进行完全真实形状的数据模拟计算分析。因此，在保证反映舱内真实流动特性分析计算的前提下，对舱内一些对试验影响不大的管道、电线等进行局部简化。由CFD分析后的数值可得出结论：发动机舱内的工作运行温度由上至下、从左至右呈递减的趋势，和实验的分析结果基本一致［3］。

3 温度预警系统优化设计

3.1 温度传感器布置

为提高系统的抗干扰能力和稳定性，分析产品各相关指标：定位、包装、价格、市场目标受众、竞争优势；产品策略制、行业技术及相关技术发展；原料供应商。然后将温度传感器的数量定位为1个。选择安装位置时要参考以下内容：

a.舱体温度数值达到热平衡后，该测试点的温度数值是否相对稳定。

b.舱体温度的最大值是否在该点附近。

c.该点是否能够有效远离电磁干扰和大量的热辐射。

结合以上三方面再通过测功机试验数值和CFD仿真结果，可将该车型传感器布置在截面B的TB2位置。

3.2 系统预警预设值和温度上升速率的确定

A1为预警温度预设值，A2为实验或所得某车型热平衡后对比实验环境温度的上升值，A3为车辆正常工作模式运转时的温度常量。

预警温度预设值的设定需要保证发动机的安全性。过高的温度预设值可能会使发动机面临严重的故障风险，而过低的温度预设值可能会导致误报。合适的温度预设值可以避免误报，同时也可以及时发现异常情况，避免故障的进一步扩大。实验点TB2测得的最高温度数值是90 ℃，车辆正常工作模式运转时的温度常量值是26 ℃，TB2测得的最高温度数值减去车辆正常工作模式运转时的温度常量值90 ℃-26 ℃=64 ℃，即得出本实验车型的预警预设值是64 ℃。

依据截面B的测点温度，发动机进入工作运转模式后舱体内温度均大于80 ℃，选取大于80 ℃的区域温度数值分析，可得出上升速率小于0.3 ℃/s。

3.3 系统硬件电路的组成

本文设计优化的系统硬件电路如图6所示，其中温度传感器是温度预警系统中的关键组件，其精度和相应速度直接影响到系统的性能。为了提高温度传感器的性能，本方案选择技术参数值为±0.1 ℃，接口电路和处理器集成均安装于总线处理器中，处理器的功能是数据分析和预警判断［4］。

根据处理器分析的温度值和温度上升速率等因素，当存在潜在的工作温度过高的危险时，系统将发出报警信息，以提醒驾驶员，如图7所示。

4 结语

该方案在实验公交车上进行了多次科学严谨的验证，并且通过人为设置冷却系统故障，满载高速运行一段时间后紧急停车熄火等，结果发现，当发动机舱异常高温或异常温度快速上升时，预警系统均能准确及时进行预警提示。实验公交车在5万km的道路行驶实验过程中，未发生预警系统误报情况，准确率达100％，有效地降低了后置发动机舱体温度过高造成的不利影响，保障了公交车的安全稳定运行。

参考文献：

[1]罗丹峰.发动机后置车型舱体降温实验研究[J].人民公交，2006（4）：49-50.

[2]GB 13094-2017 客车结构安全[S].

[3]沈凯，徐向阳，王先勇，等.后置客车发动机舱温度场实验[J].同济大学学报：自然科学版，2013，41（5）：779-783.

[4]王忠，历宝录，黄成海，等.后置发动机客车机舱空间温度场的实验研究[J].汽车工程，2006，28（3）：262-266.

作者简介：

陈秋娜，女，1981年生，工程师，研究方向为机动车安全性能检测及道路运输车辆达标核查检测。