基于微型渦輪噴氣式發動機啟動階段控制特點的研究

舒凱躍

（浙江國際海運職業技術學院 浙江·舟山 316000）

1 主控部分設計

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/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；

（2）TC1（PD6）分配給轉速，完成輸入捕獲功能；

（3）TC2（PD7）分配給油泵。

2 轉速部分設計

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為：將被測信號的上升沿（下降沿）作為輸入捕捉的觸發信號。

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的系統時鐘，那么T/C1的系統時鐘就是125KHz，TCNT1將在這個頻率下進行加1計數。我們將外部輸入脈沖的上升沿作為觸發條件，那么當第一個上升沿出現時，假設TCNT1=m1，當第二個上升沿出現時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、外部脈沖計數值的溢出。這是兩個不同的概念。具體如下：

情況【A】：沒有發生T/C1溢出中斷，這也是最簡單的情況；

情況【B】：發生了T/C1溢出中斷，但是沒有超過16位計數器的計數值極限；

情況【C】：發生了T/C1溢出中斷，已經無法存放超過65536個系統脈沖的個數；

所以代碼中有如下判斷依據：

因此計算的公式應該根據T/C1是否溢出來進行改變，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，那么容易發生在捕捉上升沿時出現過慢或者過快的情況，這種情況導致對外部脈沖周期計數的 T/C1系統時鐘脈沖數目增多(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行捕捉，這樣即便多數或者少數幾個對精度也不會造成大的影響。

由于轉速很有可能在短時間內發生突變，在轉速高的情況下我們N取60，在低轉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：

結合我們渦噴的實際轉速特點，發動機剛啟動的時候轉速一定很低，所以一開始N=1，當轉速脈沖頻率大于用戶設定值以后，將切換到N=60，但這里要特別注意的是，當渦噴轉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，故而會發生計數溢出現象，即上述情況【C】，一旦發生，我們就判定為此次得到的為無效數據，然后將N改變為1，使其在下一次計算中能不發生計數溢出，代碼如下：

3 啟動流程階段細則

當渦噴發動機處于僅靠燃油維持運轉時（自主運行階段），渦噴之所以能夠僅靠燃油維持自轉的原因：根據能量守恒，動力的來源一定是燃油的化學能。那么化學能如何轉變為對轉子的力矩呢。渦噴發動機基于這樣的一個循環工作方式：燃油對轉子總成中的渦輪做功帶動轉子總成旋轉，在轉子總成前端的壓氣輪在旋轉中吸入空氣通過擴壓器產生一定的氧壓比，該壓縮氧氣與燃燒室中的霧化燃油混合后燃燒，空氣被壓縮是轉子消耗能量的過程，解壓縮后的空氣膨脹對渦輪做功是轉子獲得能量的過程。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含的化學能，并通過渦輪轉變為機械能。

要達到上述目的，我們需要為渦輪發動機的正常運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才能與壓縮氧氣混合，當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下引燃。燃燒室分為兩個區（燃燒區和冷卻區），壓縮空氣的燃燒不是在整個燃燒室內進行，而是只能限制在特定的區域中。通過燃燒室的外觀也可以看到，冷卻區的開孔比較大。燃燒室的燃燒區——燃燒室的冷卻區——燃燒室外部的渦輪區。燃燒室的燃燒區：真正燃燒的區域，實現油氣混合，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：但是這個膨脹力還是太熱了，就需要進行冷卻，這個氣體的冷卻就由燃燒室的冷卻區來完成。現在：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，我們再次強調，渦輪區是做功區，而非燃燒區。如果熱懸掛導致的火焰已經在渦輪部分看到了，那么意味著它已經超過了燃燒室的冷卻區，已經遠遠遠離了燃燒區。

（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，如果出現燃燒不均勻的現象，在排除機械故障的可能性下，那么很大的原因就應該時燃燒室內的油氣混合不均勻，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，當油氣混合滿足條件后，在熱火頭的作用下燃燒發生，由于已經有了熱火頭的協助，所以本階段的難點在于將油氣混合濃度調節到可以被引燃的比例。油霧的濃度由油泵電機PWM模塊控制，氧壓由啟動電機PWM模塊控制。

本階段需完成的目標：

將燃燒室內的溫度加熱至霧化柴油能燃燒的溫度，因為一旦進入下一階段的“預熱階段”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。總結一下就是：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。

預熱階段：

本階段之所以被稱為預熱階段是因為，將完成對蒸發管的預熱，使得當后續階段的主油路供油時，從蒸發管出來的燃油能直接氣化，為下階段主油路的供油做好準備。

本階段需完成的目標：

第一：將蒸發管預熱，使得當后續階段的主油路供油時，從蒸發管出來的燃油能直接氣化；第二：將燃燒室內的溫度繼續加熱，因為當主油路開始供油時，熱火頭早已經關閉，此時的主油路霧化和燃燒都是預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域。

供油階段：

主油路電磁閥打開，開始供油。轉子在“啟動電機”“啟動油路”“主油路”三者的共同作用下加速運行。

操作步驟：

步驟1：采用啟動電機模塊進一步提高啟動電機轉速，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 結束語

本文對微型渦輪發動機啟動階段的特點進行了詳盡的闡述。在本文中，以多次現場試驗的現象與數據為依據，將控制系統開發過程中遇到的問題和解決問題所采用的方法進行了充分論證。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一步完善，以期在對微型渦噴發動機整個運行環節的特點研究過程中得到更好的發現。