冷德龍，孫連明，蘇朋軍

（中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，吉林 長(zhǎng)春 130011）

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，隨著冷卻系統(tǒng)水溫升高，散熱器中盛不下的冷卻液會(huì)回流到膨脹水箱，防止水箱壓力過(guò)高而損壞冷卻系零件；相反，膨脹水箱還可以在散熱器水溫過(guò)低時(shí)補(bǔ)充水位。所以，一般在膨脹水箱側(cè)壁上有一些刻度，用于檢查膨脹水箱的液位［1］。當(dāng)膨脹水箱液位過(guò)低時(shí)將直接威脅到發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，所以在組合儀表中設(shè)計(jì)了報(bào)警指示燈，以便及時(shí)提醒駕駛員補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液。膨脹水箱液位過(guò)低報(bào)警系統(tǒng)一般包括傳感器或液位開(kāi)關(guān)、液位控制器、組合儀表，如圖1a所示。

實(shí)際上，駕駛員并不關(guān)注膨脹水箱中具體液位是多少，只要能夠在系統(tǒng)液位過(guò)低的時(shí)候得到有效提醒就足夠了。另外，為了降低成本，提高零部件功能集成度，將液位開(kāi)關(guān)集成到膨脹水箱上，將液位控制器集成到儀表的信號(hào)采集電路中，實(shí)車(chē)采用的方案如圖1b所示。

但是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在問(wèn)題，主要表現(xiàn)為：天氣較冷或剛起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，組合儀表上出現(xiàn)了液位過(guò)低報(bào)警燈常亮的異常情況。本文首先分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并通過(guò)試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)問(wèn)題現(xiàn)象。接下來(lái)針對(duì)問(wèn)題原因提出兩種解決方案，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證方案的合理性，并且在實(shí)車(chē)得以應(yīng)用，通過(guò)大量對(duì)標(biāo)說(shuō)明行業(yè)現(xiàn)狀。最后對(duì)膨脹水箱液位報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。

圖1 膨脹水箱液位報(bào)警系統(tǒng)原理圖

1 液位報(bào)警系統(tǒng)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

1.1 系統(tǒng)介紹

實(shí)車(chē)膨脹水箱液位開(kāi)關(guān)采用雙金屬片形式，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。其工作原理為：液位開(kāi)關(guān)位于膨脹水箱下端，線(xiàn)束插接器直接連接在液位開(kāi)關(guān)上。液位開(kāi)關(guān)由兩段金屬極片構(gòu)成，且外部覆蓋有工程塑料，金屬極片材料為321不銹鋼，工作原理就是利用冷卻液的導(dǎo)電性判斷當(dāng)前液位是否過(guò)低。當(dāng)液位正常時(shí)，金屬極片浸入冷卻液中，導(dǎo)通電阻在160 kΩ左右；當(dāng)液位過(guò)低時(shí)，金屬極片從冷卻液中漏出，處于懸空狀態(tài)，達(dá)到報(bào)警條件。

相應(yīng)地，組合儀表采樣端口接口電路如圖3所示。開(kāi)關(guān)量采集，通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)信號(hào)采樣端口電壓高于2.6 V時(shí)，液位報(bào)警信號(hào)電阻高于160 kΩ，此時(shí)對(duì)應(yīng)液位過(guò)低狀態(tài)，進(jìn)行報(bào)警。

圖2 雙金屬片液位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 組合儀表液位報(bào)警采樣電路

1.2 問(wèn)題原因分析

將故障車(chē)上的膨脹水箱拆下并將雙金屬片液位開(kāi)關(guān)局部拆解，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)電極 （正極）明顯變黑，如圖4所示?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果表明金屬極片上變黑的附著物主要成分是炭，由于采樣接口電路對(duì)膨脹水箱始終施加一定的電壓，推測(cè)膨脹水箱內(nèi)發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，使得雜質(zhì)聚積在金屬極片上，影響了導(dǎo)電性，從而引起誤報(bào)警。

另外，通過(guò)圖4也看出，膨脹水箱內(nèi)部環(huán)境并非很干凈，某些情況甚至雜質(zhì)特別多，所以電化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題是不得不考慮的問(wèn)題。

圖4 金屬極片變黑示意圖

1.3 臺(tái)架試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)

根據(jù)整車(chē)線(xiàn)束原理搭建連接電路進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，如圖5所示。以下試驗(yàn)過(guò)程中，均采用新膨脹水箱進(jìn)行試驗(yàn)。

1）試驗(yàn)一：常溫連續(xù)通電測(cè)試1周未復(fù)現(xiàn)，但是將膨脹水箱插接器拔掉，同時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)試雙金屬片兩端電壓，發(fā)現(xiàn)液體中存在電壓，并且逐漸減小，說(shuō)明隨著對(duì)冷卻液通電施加電壓時(shí)間增加，液體內(nèi)達(dá)到電平衡，此時(shí)導(dǎo)電性會(huì)逐漸下降；當(dāng)拔掉外接線(xiàn)束，冷卻液又開(kāi)始放電。圖6為雙金屬片液位開(kāi)關(guān)兩側(cè)的電壓變化情況，說(shuō)明液體“充放電”過(guò)程很快完成。由于液體中雜質(zhì)較少，測(cè)試時(shí)間較短，所以問(wèn)題并未直接復(fù)現(xiàn)。

圖5 臺(tái)架測(cè)試接線(xiàn)原理示意圖

圖6 液位開(kāi)關(guān)兩側(cè)電壓變化

2）試驗(yàn)二：常溫，通過(guò)更換儀表接口電路中電阻提高雙金屬片兩端電壓，連續(xù)通電測(cè)試1周，故障復(fù)現(xiàn)，此時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)試發(fā)現(xiàn)膨脹水箱兩端電壓確實(shí)達(dá)到了報(bào)警的臨界電壓，并且同樣存在試驗(yàn)一中的放電現(xiàn)象。

3）試驗(yàn)三：同時(shí)在常溫 （25℃）和低溫 （-30℃、-40℃）進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)1h內(nèi)低溫環(huán)境下的系統(tǒng)均出現(xiàn)了報(bào)警現(xiàn)象，結(jié)論匯總見(jiàn)表1。

表1 溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

通過(guò)試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)了低溫下該液位報(bào)警系統(tǒng)存在的問(wèn)題。同時(shí)驗(yàn)證了電化學(xué)反應(yīng)的存在，電極式液位開(kāi)關(guān)在通直流電的情況下液體易發(fā)生電離，陰、陽(yáng)離子分別向正、負(fù)極移動(dòng)，吸附在電極的兩端，覆蓋在電極上，導(dǎo)致電極式液位開(kāi)關(guān)失效。說(shuō)明實(shí)際應(yīng)用方案從原理方面存在問(wèn)題，需要進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)液位報(bào)警系統(tǒng)。

2 液位報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，避免電化學(xué)問(wèn)題的出現(xiàn)，除了比較成熟的交流電液位采集方法［2］外，我們另外設(shè)計(jì)了兩種方案：直流間歇供電液位采集、電液隔離液位采集，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 直流間歇供電液位采集

一般地，可采用振蕩器產(chǎn)生50～100 Hz的交流信號(hào)傳輸至傳感器端，進(jìn)行檢測(cè)。此處，考慮現(xiàn)有產(chǎn)品更改工作量，設(shè)計(jì)了另外一種檢測(cè)原理，即直流間歇供電液位采集，并設(shè)計(jì)了兩種接口電路，如圖7所示。

圖7方案 （a）中，LQY-1為單片機(jī)的雙態(tài)端口，即該端口周期性為輸入端 （信號(hào)采集端）和輸出端 （低電平端）。這樣，當(dāng)作為輸入端時(shí)，采集液位信號(hào)，當(dāng)LQY-1端電壓超過(guò)2.5 V進(jìn)行報(bào)警，此過(guò)程對(duì)電解液充電，液位極片上聚集正離子；當(dāng)作為輸出端時(shí)，電解液放電，選擇合適的占空比，可避免電化學(xué)反應(yīng)的累積效應(yīng)。

圖7方案 （b）中，通過(guò)控制端控制上拉電壓的有效時(shí)機(jī) （占空比10%左右），也可避免電化學(xué)反應(yīng)的累積，達(dá)到可靠地進(jìn)行液位報(bào)警的目的。

圖7 直流間歇供電液位采集接口電路

2.2 電液隔離液位采集

方案2.1中對(duì)信號(hào)采集電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，除了接口優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)與液位非接觸也是一種方案［3-4］。該方案從液位開(kāi)關(guān)著手，通過(guò)電磁隔離避免電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)原理如圖8所示，干簧管有兩種狀態(tài)或兩種電阻值，分別對(duì)應(yīng)正常液位和異常液位。當(dāng)液位異常時(shí)，液體中的浮子會(huì)隨著液位下降從而觸發(fā)干簧管的異常狀態(tài)電阻值，從而被組合儀表采集到進(jìn)行報(bào)警，通知駕駛員添加冷卻液。該方案原理從根本上對(duì)電液進(jìn)行了隔離，避免了電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生。

圖8 電液隔離液位采集結(jié)構(gòu)原理

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)用對(duì)標(biāo)

各試制3套樣件，參照?qǐng)D5搭建臺(tái)架進(jìn)行連續(xù)100 h試驗(yàn)測(cè)試，以上兩種方案均可有效地監(jiān)測(cè)膨脹水箱中的液位狀況，并且未發(fā)生誤報(bào)等異常情況。但是考慮到產(chǎn)品現(xiàn)狀，采用方案2.1。

對(duì)標(biāo)市場(chǎng)上車(chē)型液位報(bào)警系統(tǒng)方案，采用方案情況匯總?cè)绫?所示?？梢钥闯鰢?guó)外車(chē)型主流采用干簧管隔離方案，對(duì)于新設(shè)計(jì)車(chē)型可以考慮。

表2 市場(chǎng)車(chē)型液位報(bào)警系統(tǒng)方案對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)分析現(xiàn)狀問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并通過(guò)試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)問(wèn)題現(xiàn)象，驗(yàn)證了問(wèn)題根源。針對(duì)根本原因提出了兩種解決方案，并試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性，對(duì)現(xiàn)狀問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)對(duì)標(biāo)給出了行業(yè)現(xiàn)狀，提出新產(chǎn)品設(shè)計(jì)建議。同時(shí)為汽車(chē)行業(yè)、工業(yè)上的其他方面液位監(jiān)控系統(tǒng)提供了借鑒。