基于微型渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)啟動階段控制特點的研究

舒凱躍

（浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江·舟山 316000）

1 主控部分設(shè)計

項目中的硬件部分，采用ATMega16作為主控模塊。項目中需要涉及到ATMega16的三個計數(shù)/定時器：其中TC0與TC2為8位，TC1為16位。硬件上的分配如下：

（1）TC0（PB3）分配給啟動電機(jī)；

（2）TC1（PD6）分配給轉(zhuǎn)速，完成輸入捕獲功能；

（3）TC2（PD7）分配給油泵。

2 轉(zhuǎn)速部分設(shè)計

Atmega16的T/C1具有外部脈沖捕獲的功能（PD6引腳），T/C1的工作原理可以總結(jié)為：將被測信號的上升沿（下降沿）作為輸入捕捉的觸發(fā)信號。

我們還要考慮兩個因素：T/C1的溢出和不同頻率范圍下的外部脈沖測量精度問題。我們首先來看一下最簡單的一種情況：

晶振為8MHz，將其64分頻后作為T/C1的系統(tǒng)時鐘，那么T/C1的系統(tǒng)時鐘就是125KHz，TCNT1將在這個頻率下進(jìn)行加1計數(shù)。我們將外部輸入脈沖的上升沿作為觸發(fā)條件，那么當(dāng)?shù)谝粋€上升沿出現(xiàn)時，假設(shè)TCNT1=m1，當(dāng)?shù)诙€上升沿出現(xiàn)時TCNT1=m2。那么外部脈沖的一個周期耗時：

上面的計算公式中的(m2-m1)沒有考慮到16位定時器T/C1的溢出情況，我們需要將各種情況歸納總結(jié)如下：

在分析前我們首先要搞清楚兩個概念：T/C1的溢出、外部脈沖計數(shù)值的溢出。這是兩個不同的概念。具體如下：

情況【A】：沒有發(fā)生T/C1溢出中斷，這也是最簡單的情況；

情況【B】：發(fā)生了T/C1溢出中斷，但是沒有超過16位計數(shù)器的計數(shù)值極限；

情況【C】：發(fā)生了T/C1溢出中斷，已經(jīng)無法存放超過65536個系統(tǒng)脈沖的個數(shù)；

所以代碼中有如下判斷依據(jù)：

因此計算的公式應(yīng)該根據(jù)T/C1是否溢出來進(jìn)行改變，為此我們使T/C1的溢出中斷，并在溢出中斷的ISR中置位用戶溢出中斷標(biāo)識。

最后一點，我們還需要提高對外部脈沖頻率計算的精度。外部脈沖的頻率非常高時，如果僅僅檢測兩個相鄰上升沿，那么容易發(fā)生在捕捉上升沿時出現(xiàn)過慢或者過快的情況，這種情況導(dǎo)致對外部脈沖周期計數(shù)的 T/C1系統(tǒng)時鐘脈沖數(shù)目增多(捕捉慢了)或者減少(捕捉快了)，從而造成外部脈沖計算的不準(zhǔn)確性。為了提高精度，我們可以取N個外部脈沖周期，對這個N個脈沖周期的兩端上升沿進(jìn)行捕捉，這樣即便多數(shù)或者少數(shù)幾個對精度也不會造成大的影響。

由于轉(zhuǎn)速很有可能在短時間內(nèi)發(fā)生突變，在轉(zhuǎn)速高的情況下我們N取60，在低轉(zhuǎn)速情況下測量兩個相鄰上升沿即可(即外部脈沖的一個周期)所以N取1，通用公式如下，外部脈沖的頻率：

結(jié)合我們渦噴的實際轉(zhuǎn)速特點，發(fā)動機(jī)剛啟動的時候轉(zhuǎn)速一定很低，所以一開始N=1，當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖頻率大于用戶設(shè)定值以后，將切換到N=60，但這里要特別注意的是，當(dāng)渦噴轉(zhuǎn)速脈沖頻率從很高的值突然下落到很低值得時候，由于此時N=60，故而會發(fā)生計數(shù)溢出現(xiàn)象，即上述情況【C】，一旦發(fā)生，我們就判定為此次得到的為無效數(shù)據(jù)，然后將N改變?yōu)?，使其在下一次計算中能不發(fā)生計數(shù)溢出，代碼如下：

3 啟動流程階段細(xì)則

當(dāng)渦噴發(fā)動機(jī)處于僅靠燃油維持運(yùn)轉(zhuǎn)時（自主運(yùn)行階段），渦噴之所以能夠僅靠燃油維持自轉(zhuǎn)的原因：根據(jù)能量守恒，動力的來源一定是燃油的化學(xué)能。那么化學(xué)能如何轉(zhuǎn)變?yōu)閷D(zhuǎn)子的力矩呢。渦噴發(fā)動機(jī)基于這樣的一個循環(huán)工作方式：燃油對轉(zhuǎn)子總成中的渦輪做功帶動轉(zhuǎn)子總成旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子總成前端的壓氣輪在旋轉(zhuǎn)中吸入空氣通過擴(kuò)壓器產(chǎn)生一定的氧壓比，該壓縮氧氣與燃燒室中的霧化燃油混合后燃燒，空氣被壓縮是轉(zhuǎn)子消耗能量的過程，解壓縮后的空氣膨脹對渦輪做功是轉(zhuǎn)子獲得能量的過程。那么如何才能使得后者的能量大于前者呢，秘密就在于“壓縮的混合空氣受熱后再次膨脹時會獲得更多的能量”。這部分多余的能量就用來提供推力，換句話說，燃料借助壓縮空氣膨脹的這條途徑來釋放自己所蘊(yùn)含的化學(xué)能，并通過渦輪轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。

要達(dá)到上述目的，我們需要為渦輪發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行提供以下三個條件：

（1）正確的油氣混合比：燃料只有處于霧化的狀態(tài)才能與壓縮氧氣混合，當(dāng)油氣比濃度滿足燃燒條件時，該混合物才能被點燃；

（2）壓縮空氣膨脹解壓后要獲得能量必須要在壓縮空氣處于壓縮的狀態(tài)下引燃。燃燒室分為兩個區(qū)（燃燒區(qū)和冷卻區(qū)），壓縮空氣的燃燒不是在整個燃燒室內(nèi)進(jìn)行，而是只能限制在特定的區(qū)域中。通過燃燒室的外觀也可以看到，冷卻區(qū)的開孔比較大。燃燒室的燃燒區(qū)——燃燒室的冷卻區(qū)——燃燒室外部的渦輪區(qū)。燃燒室的燃燒區(qū)：真正燃燒的區(qū)域，實現(xiàn)油氣混合，壓氣輪壓縮的空氣與燃油混合然后燃燒釋放出比對其壓縮時更大的膨脹力。燃燒室的冷卻區(qū)：但是這個膨脹力還是太熱了，就需要進(jìn)行冷卻，這個氣體的冷卻就由燃燒室的冷卻區(qū)來完成。現(xiàn)在：比壓縮空氣更大的膨脹力得到了，溫度也被降下來了，就可以利用它來對渦輪做功推動渦輪，來獲得比壓縮它更大的功。所以，我們再次強(qiáng)調(diào)，渦輪區(qū)是做功區(qū)，而非燃燒區(qū)。如果熱懸掛導(dǎo)致的火焰已經(jīng)在渦輪部分看到了，那么意味著它已經(jīng)超過了燃燒室的冷卻區(qū)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)離了燃燒區(qū)。

（3）燃燒的過程中一定要保持橫截面燃燒的均勻，因為燃燒的最終目的就是對渦輪做功，一旦燃燒不均勻那么渦輪受力就不均勻，渦輪的總體效率就很低，如果出現(xiàn)燃燒不均勻的現(xiàn)象，在排除機(jī)械故障的可能性下，那么很大的原因就應(yīng)該時燃燒室內(nèi)的油氣混合不均勻，一部分混合濃度較高，而另一部分混合濃度較低。

點火階段：

本階段之所以被稱為點火階段是因為，此階段的火源由熱火頭提供，當(dāng)油氣混合滿足條件后，在熱火頭的作用下燃燒發(fā)生，由于已經(jīng)有了熱火頭的協(xié)助，所以本階段的難點在于將油氣混合濃度調(diào)節(jié)到可以被引燃的比例。油霧的濃度由油泵電機(jī)PWM模塊控制，氧壓由啟動電機(jī)PWM模塊控制。

本階段需完成的目標(biāo)：

將燃燒室內(nèi)的溫度加熱至霧化柴油能燃燒的溫度，因為一旦進(jìn)入下一階段的“預(yù)熱階段”后，霧化柴油的燃燒就不再依靠熱火頭引燃，而是靠點火階段帶來的燃燒室溫度來引燃?？偨Y(jié)一下就是：將燃燒室的溫度加熱到可以引燃霧化油氣（啟動油路）的程度。

預(yù)熱階段：

本階段之所以被稱為預(yù)熱階段是因為，將完成對蒸發(fā)管的預(yù)熱，使得當(dāng)后續(xù)階段的主油路供油時，從蒸發(fā)管出來的燃油能直接氣化，為下階段主油路的供油做好準(zhǔn)備。

本階段需完成的目標(biāo)：

第一：將蒸發(fā)管預(yù)熱，使得當(dāng)后續(xù)階段的主油路供油時，從蒸發(fā)管出來的燃油能直接氣化；第二：將燃燒室內(nèi)的溫度繼續(xù)加熱，因為當(dāng)主油路開始供油時，熱火頭早已經(jīng)關(guān)閉，此時的主油路霧化和燃燒都是預(yù)熱階段后的燃燒室溫度來完成。從本階段開始，要保證燃燒限制在燃燒室的主燃區(qū)域。

供油階段：

主油路電磁閥打開，開始供油。轉(zhuǎn)子在“啟動電機(jī)”“啟動油路”“主油路”三者的共同作用下加速運(yùn)行。

操作步驟：

步驟1：采用啟動電機(jī)模塊進(jìn)一步提高啟動電機(jī)轉(zhuǎn)速，然后開始供入主路柴油；

步驟2：主路柴油供入后尾噴管溫度驟升，此時降低主油路流量。

4 結(jié)束語

本文對微型渦輪發(fā)動機(jī)啟動階段的特點進(jìn)行了詳盡的闡述。在本文中，以多次現(xiàn)場試驗的現(xiàn)象與數(shù)據(jù)為依據(jù)，將控制系統(tǒng)開發(fā)過程中遇到的問題和解決問題所采用的方法進(jìn)行了充分論證。但是，由于實驗條件的限制性，對渦噴怠速以上的試驗研究方法還需要進(jìn)一步完善，以期在對微型渦噴發(fā)動機(jī)整個運(yùn)行環(huán)節(jié)的特點研究過程中得到更好的發(fā)現(xiàn)。