浅议一种发动机故障保护装置

摘 要： 针对车辆在运行过程中出现的一些影响安全行车及设备安全的常见故障，如车辆行驶途中水泵皮带突然断裂;起动机主触点黏连;离合器不当操作（半联动使用）等，通过加装并采集传感器数据，达到提示故障点及控制故障进一步发展，以保护设备安全为目的所设计并制作了发动机故障保护装置。文章旨在分析这几种故障产生的危险及防范控制措施，以及故障保护装置本身的技术特点并探讨该装置的应用范围。

关键词： 故障危害;装置结构;控制措施及预防

一、 几种故障出现时对设备造成的危害

（一）水泵皮带断裂

该故障出现时，冷却系统停止工作，发动机温度急剧上升，车辆上虽然装有水温表，但有时驾驶人员限于路面情况疏于观察仪表或者仪表已损坏，无法正确显示水温，则很容易造成发动机活塞膨胀并出现拉缸现象，严重时甚至会捣坏发动机，造成严重的设备故障。仅某公司车辆2013年一年就出现此类故障6起，因驾驶人员发现及时，未造成严重后果，但驾驶人员普遍反映迫切需要一种能在水泵皮带断裂瞬间立即报警的装置，以便能专注于路面情况而不是分心观察仪表影响行车安全。

（二）起动机主触点黏连

该故障出现在车辆启动之后，尽管主触点出现黏连，但车辆状态一切正常，仪表也无法报警或指示该故障，又由于目前客车绝大多数为后置式发动机，即使是有经验的驾驶人员也无法从发动机响声和气味方面来察觉此故障。由于起动机工作时的大电流，触点黏连后造成起动线路严重过载，时间稍长即会造成起动机烧毁和车辆线路烧坏，出现此类故障往往要等到驾驶人员闻到异味或车辆熄火后再次发动时才能发现，而此时起动机及线路往往已经烧毁，车辆无法启动，影响设备安全及正常行车。据不完全统计，仅仅南京江北地区三家客运企业2013年全年即出现此类故障26起。

（三）离合器半联动使用

该情况不能属于故障，应该属于驾驶人员的不良操作习惯，但它对离合器的使用寿命影响很大。会造成离合器片超常磨损，严重时甚至会对离合器压盘造成损伤，影响车辆安全，也造成车辆故障率的上升。同时广大修理人员也对这种操作习惯深恶痛绝，强烈要求加装报警装置，以杜绝驾驶人员的不良操作习惯，减轻劳动强度，提高车辆完好率。

二、故障预防的对策及改造方法

由于以上三种故障危及设备安全、影响安全行车，因此设想通过制作一种类似PLC的控制装置，采集传感器信号并进行分析判断，在确实有故障出现时，通过报警装置及执行机构来控制故障的发生及蔓延，达到保护设备的目的。下面分别对三种故障的预防对策做分析：

对于车辆行驶途中水泵皮带断裂故障，通过对各种车型的客车结构进行分析，发现可以用发电机作为监测水泵皮带断裂的传感器，因为绝大多数发动机水泵与主发电机共用一根皮带，水泵皮带断裂后发电机随之不发电，因此可以用发电机的辅助输出电源线作为传感器的信号线，作为报警及控制信号。

对于起动机主触点黏连的故障，用起动机的ST控制线作为监测起动机主触点是否黏连的信号线，因为触点发生黏连时ST线上一定有24V的电压，但此方式存在不确定性，因为当起动机正常工作时ST线上也有电压，对此需要进行逻辑判断以确定到底是正常工作还是发生黏连，具体实现方式见第3点。

对于离合器半联动操作方式，采用在离合器踏板拐臂两侧合理位置固定一个光电式感应开关，当离合器不用时，光线被离合器拐臂遮挡，光电传感器无信号输出;当离合器处于半联动位置时，光电传感器输出信号，控制指示灯点亮，同时蜂鸣器鸣叫，提示驾驶人员处于半联动的不当操作中。

三、 具体实现方式及技术特点

根据以上思路，采用STC89C52单片机为核心控制器，用其P1口加上两个中断口提供八路输入，用其P2口作为输出，提供六路输出信号。同时在电路上设置RS232口作为程序写入装置（ISP），电源部分由FM5-24S05型DC-DC直流转换模块提供5V电源。在电路中设置了六个报警灯，作为故障出现时的故障指示灯（目前只用三个）及系统工作指示灯。程序以C51语言编制，集成开发环境采用Keil uVision2平台。电路原理图及PCB用Protel 99SE软件设计绘制。发动机故障保护电路原理图，如图1所示。

当水泵皮带发生断裂时，发电机辅助电源线失压，J1的12脚上无电压，P1.3脚为高电平，程序在检测到该脚为高电平后，先做一个6秒的延时处理（延时时间可调，延时主要是为了保证正常起动时防止误报警），延时后再次检测P1.3脚的电平，如果仍然为高电平，说明水泵皮带断裂，则从STC89C52的P2.0脚输出低电平、从P2.2脚输出高电平、从P2.6脚输出低电平。P2.0脚的低电平使蜂鸣器得电开始鸣叫;同时P2.2脚的高电平使水泵皮带报警灯（红）点亮、并且P2.6脚的低电平经过ULN2003的转换使得系统灯（绿）熄灭。由于此时红灯点亮并且蜂鸣器鸣叫，以声光的形式提醒驾驶员有故障发生，驾驶员依据对应红灯的显示可以判断出水泵皮带发生故障，可以采取熄火措施并排除故障。

当起动机主触点发生黏连时，则ST线上有24V的电压，该电压使输入继电器KI3保持吸合，使P1.2为低电平，此时程序也做一个6秒的延时（延时也是为了保证正常起动发动机时不报警），延时后若P1.2仍为低电平，程序据此判断起动机的主触点发生黏连故障，于是从STC89C52的P2.0脚输出低电平、从P2.3脚输出高电平，P2.3脚的高电平点亮起动机黏连故障报警灯;P2.0脚的低电平使蜂鸣器得电开始鸣叫，配合起动机黏连故障报警灯以声光的形式提醒驾驶员有故障发生，驾驶员根据对应红灯的指示，知道起动机主触点发生黏连故障，采取熄火断电措施，达到保护起动机的目的。

对于离合器半联动操作发生时，光电传感器的输出端有24V电压从J1的10脚输入，此电压将STC89C52单片机的P1.4脚拉至低电平，程序据此判断出离合器处于半联动状态，于是程序做一个0.5秒的延时，采用延时的意思是避开离合器的正常操作，0.5秒后程序再次对STC89C52的P1.4脚的电平进行判断，如果仍然是低电平，则说明此时离合器处于半联动状态，于是从STC89C52的P2.0脚输出低电平，从P2.4脚输出高电平、从P2.6脚输出低电平。P2.0脚和P2.6脚的低电平使蜂鸣器鸣叫、系统灯（绿）熄灭;P2.4脚的高电平经过ULN2003的转换，从其12脚输出低电平，该低电平使离合器半联动报警灯（红）点亮，配合蜂鸣器提醒驾驶员不要采取半联动操作。

四、保护装置产生的效果及适用范围

该保护装置自装车使用以来，有效避免了上述三种故障的发生40余次，获得了驾驶人员的好评，由于该装置的通用性强、拓展性好，可以装设在绝大多数商用车上来保护类似故障的发生。

五、结语

在后续改进中，通过外接传感器，内部修改控制程序，该装置又增設了对气压式刹车故障报警及发动机舱火灾故障的报警功能，以及水泵皮带断裂和起动机触点黏连时发动机自动熄火功能。集成以上五种报警功能的故障报警及保护装置于2017年5月获国家发明专利。

参考文献：

[1]徐爱钧，彭秀华.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]黎小桃，刘祖明.Protel 99 SE入门与提高[M].北京：电子工业出版社，2009.

作者简介：  李劲，南京钢铁四通运输有限责任公司。