工程机械发动机启停状态监控探究

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摘要：随着大型工程数量逐渐增多，工程机械需求也与日俱增。工程机械作为施工企业主要生产资料，日常运营维护是一项较大的成本支出。由于工程机械作业任务复杂性，不同作业状态下，发动机具体情况各不相同；若无法准确掌握各作业状态作业时长，就会导致工程机械使用状态处于无法测算，不受监控状态，给企业日常管理、计划核算带来极大不便。因此，对于工程机械的使用调度情况需要更加准确的进行控制，以确保工程机械利用率达到最大；而工程机械监控需要监测发动机的运行状态，才能得到最准确的运行情况。目前，工程机械发动机监测方法较为稀缺，而传统的私家车发动机有成熟的监控方法，优先尝试把成熟私家车发动机监控方法移植到工程车辆上，但是过去传统的发动机监控技术并不一定适合工程机械，因此需要选择一种合适的监控方法。

关键词：工程机械启停监控运行状态

1发动机常规监测方法

常规的发动机运行状态监测方法通常包括以下六部分内容。

1.1发动机温度监测

发动机温度监测是通过发动机温度变化来监测。当发动机启动后，温度会显著升高；在发动机关闭后，温度理会逐渐降至周围温度。因此，可以用温度传感器来监测发动机启停状态，在设定好温度传感器恰当阈值后，当发动机正常工作后，发动机温度上升，当发动机温度突破设定阈值，将触发温度传感器，传感器判断发动机启动；当发动机关闭后，发动机温度降低至温度传感器设定阈值下，温度传感器判断发动机关闭。因此温度传感器的阈值设置是判断发动机启停的关键。发动机启动后，发动机内部汽油、柴油燃烧产生的温度大约能达到2000℃～2500℃，但是燃烧产生的温度并不会直接传到气缸上，而是在发动机冷却系统作用下发动机整体工作温度在90℃～130℃之间。因而，温度传感器的阈值上限应不高于90℃；阈值下限需要整体考虑当地温度情况，定出合适的阈值下限。同时，阈值的具体设定需要考虑发动机到达阈值所需的时间。

1.2发动机油耗监测

发动机油耗监测一般是通过在进油口处安装流量计传感器来计算发动机实时的油耗信息。油量传感器一般利用霍尔感应原理来进行测量，能够在一定时间内测量出通过进油口的油量，再除以设定时间，就能实时得出发动机的油耗信息。

1.3蓄电池电压监测

发动机蓄电池主要分为镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池和铅酸电池，蓄电池在车辆内的作用如下：第一，在发动机启动时，可以产生10A左右的电流协助发动；第二，在汽车发电机发电功率不足时，可以给车内设备供电；第三，蓄电池还能作为稳压器，向车内设备提供稳定电压；第四，在发电机的电势能大于蓄电池时，蓄电池会储存多出的电能。因此，在蓄电池端并联上电压传感器，就能判断发动机的启停状态。

1.4发动机振动监测

发动机在启动后，会因为活塞运动带来周期性振动，所以可以通过振动传感器来监测发动机，进而判断发动机的启动状态；发动机停止后，也能设置在一段时间后判断发动机处于停止状态。如果发动机长时间处于高温状态，传感器必须要拥有一定耐高温能力。目前，市面上的高温振动传感器一般有以下两种类型。

1.4.1IEPE式高温振动传感器：

该传感器内部集成了电路元件，由于电路元件无法承受过高温度，所以传感器无法承受高于170℃的温度。但是安装使用方便，成本较低，选择合适安装位置不会超过其温度承受上限。

1.4.2电荷式高温振动传感器

电荷式的传感器使用的陶瓷材料，最高可以承受不高于482℃的温度。可是陶瓷元件其自身有非常高的阻抗，需要在传感器尾部附加一个电荷转换装置，把振动电荷信号转换成标准电信号。

1.5发动机加速度监测

发动机启动，一般伴随着车辆运行；发动机熄火后，车辆会在阻力作用下逐渐停止，这使得利用加速度传感器监控发动机启停状态成为了可能。车辆在启动后，在发动机带动下，加速度突然增加；之后在阻力作用下，发动机驱动力等于阻力，加速度为零。加速度传感器可以通过这个信号判断发动机启动；在车辆刹车时，阻力增大，加速度变为负数，在车辆停下后，加速度变为零，此时可以判断为发动机停止。加速度传感器一般分为压电式、压阻式、电容式和伺服式，一般使用电容式传感器，既保证小巧又保证了较低的成本。

1.6发动机转速监测

发动机转速测量一般都是通过在车轮安装霍尔传感器测量车轮转速来实现的。在车轮处安装相应磁性元件，当车轮转动时，磁性元件经过霍尔传感器，此时传感器就感应到车轮转过了一圈。通过转过圈数和时间比值就能得到发动机的转速。

2用于工程机械发动机的监测方法分析

2.1可行分析

2.1.1发动机温度监测

环境温度25℃，发动机使用普通水冷系统，在发动机的壳体处安装pt100接触式温度传感器，以此传感器测出发动机启动的温度—时间曲线；发动机停止的温度—时间曲线。根据测试采样结果，当温度传感器阈值设定在65℃，发动机启动后3.47min达到设定阈值；发动机正常工作后关闭10.28min后，可以在工程机械上正常使用。

2.1.2发动机油耗监测

把霍尔传感器安装在进油口处，当进油口有油量运动时，霍尔传感器立即能监测到数据，可以在工程机械上正常使用。

2.1.3发动机蓄电池电流监测

把电压传感器并联安装在蓄电池的输出端，发动机运行后，发动机端的电势和蓄电池端电势总会存在一定电势差，因此会形成电压差。因此，工程机械的发动机与普通发动机在正常发动时，在温度、油耗与蓄电池电流上具有相似性，使用可以用于工程机械发动机监测。

2.2不可行分析

2.2.1发动机震动监测

在工程机械工作工况下，会存在各种各样的震动环境，如挖掘机、钻机施工环境，并且是用于不同工作场景，工况会经常发生变化，无法实现有效滤波，无法根据发动机震动情况判断发动机工作状况。

2.2.2发动机加速度监测

加速度传感器只能监控车辆加速度情况，而加速度传感器缺点在于无法判断车辆当前速度情况，如车辆在较高速度下，刹车把速度降低再匀速行驶，此时加速度传感器会判断发动机停止。鉴于单独加速度传感器缺点，不能在工程车辆上使用加速度传感器来监控发动机启停状态。

2.2.3发动机转速监测

发动机转速监控确实能够及时准确地监测工程车辆当前运动情况，但是考虑到工程车辆工作特殊性，工程车辆会有很长一段时间在一个地方工作，然后再转移到下一个地方，因此在工程车辆原地施工时，发动机转速传感器会误判为发动机关闭，监控的准确性得不到保障。因此，在工程施工特殊环境下，工程车辆运行情况与私家车存在差异，发动机震动、加速度及转速监测都不能准确判断出发动机的启停状态。

3三种可行的监测方式对比分析

3.1发动机温度监测分析

工程机械发动机的温度监测，需要在发动机外壳处安装温度传感器，但是因为发动机出的温度较高，胶水安装容易失效；并且温度监测容易发生监测滞后，刚启动发动机时，温度达不到设定阈值，无法监测出发动机已经启动，而熄火后也需要一定时间才能使温度降至设定值，无法及时有效判断出发动机状态。

3.2发动机油耗监测分析

工程机械油耗监测需要在发动机进油口处安装流量计，优点在于能够准确及时地监测发动机启动停止状态，但是无法在不破坏进油口结构下安装流量计，而果破坏进油口结构又有可能会影响密封性。

3.3蓄电池电压监测分析

工程机械蓄电池电压状态监测，该监测方式需要在蓄电池的输入端并联一个电流传感器，可以在发动机启动或停止时监测电流变化，从而监测出发电机状态。而且安装电流传感器无需破坏发动机机构，不会影响其密封性，安装方便且能及时监测发动机的状态。因此在一般情况下，可以优先选择工程机械电流状态监测方式。

4结语

在传统私家车发动机六种监控方法中，只有温度监测、油耗监测与蓄电池电压监测能移植到工程机械上；蓄电池电压监测无需破坏发动机及车辆的整体结构，使用的传感器也更为便宜，可以有效降低成本。在综合考虑成本、传感器安装难易程度以及最终监测效果等方面，更倾向于使用蓄电池电压监测来判断发动机的启停状态。

作者：林凤涛 邓卓鑫 胡伟豪 王松涛 杨世德 单位：华东交通大学