滿足無人駕駛拖拉機長保養周期的專用發動機設計探討

周立春，楊國濤，楊明波，王 凱

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著整車控制單元（ECU）運算處理能力的提高，傳感器、衛星定位等關鍵技術的研究與發展，國內外許多研究機構開始圍繞無人駕駛拖拉機展開研究工作。無人駕駛拖拉

機具有節省作業時間、提高生產效率、增加用戶收益等優點。無人駕駛拖拉機在機械自動化基礎上進一步降低人力成本和時間成本，特別適合大型農場的自動化作業，對現代高端農業裝備的發展具有重要的促進作用。

1 柴油機在無人駕駛拖拉機中的特殊要求

柴油機作為拖拉機的核心部件，是實現無人駕駛功能的關鍵組成部分。無人駕駛拖拉機的一個重要特點是長時間不間斷作業，據了解某高端重型無人駕駛拖拉機項目，理論每天作業可以達到20 h，全年工作時間預計4 000 h。為更好地適應長時間作業的需要，柴油機的應用開發必須滿足長保養周期要求，主要包含2 個方面：機油的更換周期、燃油濾清器的保養周期。

1.1 延長機油更換周期的方法探討

目前常見的大功率拖拉機每年工作時間約500 h，與此配套的柴油機通常是500 h 更換機油，這對于普通拖拉機是足夠的。但對于每天可以工作20 h 以上的無人駕駛拖拉機來說，就顯得保養太頻繁，不滿足連續不間斷工作的需要，影響工作效率。

現有技術，為延長保養周期，通常是加大油底殼輪廓，增加容量，使油底殼可以儲存更多的機油。但此方法具有很大的局限性，例如，重型大功率拖拉機大多數使用有架式結構，在柴油機下有鑄造的大型托架進行前后橋的連接，并起到承載作用，柴油機使用不受力的沖壓油底殼。因為托架形狀限制，油底殼和托架間需要保證安全距離，因此，油底殼體積不能做的很大。如果拖拉機使用無架式結構，柴油機使用鑄鐵油底殼，起承載作用。為滿足拖拉機各種工況的可靠性要求，防止油底殼斷裂、漏油，油底殼整體結構會做的非常厚重，這樣的設計會導致油底殼內腔實際機油儲量較少。

針對于上述方案的局限性，現提出以下自動補油的優化方案。

原機械油標尺位置更換成機油液位傳感器，機油液位傳感器通過線束連接到柴油機電控單元（ECU）。機油液位傳感器的油量與電壓信號的對應關系可以根據不同車型的油底殼油量進行標定。根據設計需求設定機油下刻線和機油上刻線，計算出上刻線與下刻線之間的機油量，此定量為固定補油量。

在油標尺附近安裝補油口接頭，接頭大小可以根據設計補油量和設計補油時間進行確定。

拖拉機上方設置機油補油箱，補油箱出口與補油口中間使用膠管連接。補油箱出油口設置電磁閥，電子閥通過線束連接到電控單元（ECU）。

當拖拉機開始工作，電控單元（ECU）通過機油液位傳感器檢測機油液位，如果機油液位高于下刻線，可以正常啟動。如果檢測到機油液位低于下刻線，此時儀表盤機油液位低警示燈常亮，電控單元（ECU）控制補油箱出油口電磁閥打開，機油通過重力作用流入油底殼。根據設定的補油量確定電磁閥打開時間，到達設定時間后電磁閥自動關閉，儀表盤機油液位低警示燈同步熄滅。此時補油過程完成，可以正常啟動發動機。結構示意和運行過程，見圖1。

圖1 補油功能運行過程示意圖Fig.1 The schematic diagram of operation process of oil replenishment function

此方案的優點：補油全過程自動完成，無需人工操作，滿足無人駕駛拖拉機的長時間作業要求；在油底殼體積大小不改變情況下，通過增加補油箱自動補油，延長保養周期。根據補油箱設計大小，保養周期可以延長1倍。

1.2 延長燃油濾清器保養周期的方法探討

柴油機的正常運轉離不開燃油，如果燃油里的水或雜質沒有過濾干凈，會造成燃油系統的零部件損壞。目前常見的燃油濾清器會在底部安裝透明儲水杯，當分離水達到一定高度，駕駛員手動將水杯放水閥打開，將積水排出。對于無人駕駛拖拉機來說，頻繁手動放水會影響作業效率。

針對手動放水的局限性，可以采用以下自動放水的優化方案。

新型燃油粗濾器底部帶有自動放水水杯，水杯內設有積水液位傳感器、放水電磁閥。水位傳感器用于檢測燃油濾清器中的水位信息，并將水位信息通過線束傳輸到柴油機電控單元（ECU），電控單元（ECU）通過線束控制放水閥開啟關閉。放水水杯中的液位傳感器根據每個機型不同進行標定，設置上液位和下液位。

當拖拉機開始工作，電控單元通過水杯內積水液位傳感器檢測積水液位，如果在上液位與下液位之間，此時是合理狀態，發動機可以正常啟動。如果檢測到積水液位高于上液位，說明此時積水較多需要放水。這時發動機油中有水指示燈常亮，電控單元（ECU）控制水杯放水閥打開，積水通過引流管排出。當積水液位到達下液位時，放水閥關閉停止放水，油中有水指示燈熄滅，本次放水過程結束，可以正常啟動發動機。結構示意和運行過程，見圖2。

圖2 放水功能運行過程示意圖Fig.2 The schematic diagram of operation process of drainage function

此方案的優點：放水全過程自動完成，無需人工操作，滿足無人駕駛拖拉機的長時間作業要求；放水只在每次啟動上電時進行，防止放水污染土地。

2 結語

無人駕駛拖拉機技術已成為現代農業發展的主導方向，對農業裝備的科技化、智能化發展具有重要的意義。以上發動機的設計探討，是針對于無人駕駛拖拉機延長保養周期方面所做的想法與嘗試。今后，還需要著重研究拖拉機各系統間智能化匹配，進一步的為實現無人駕駛拖拉機落地而努力。