舒凱躍

（浙江國(guó)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(jì)

項(xiàng)目中的硬件部分，采用ATMega16作為主控模塊。項(xiàng)目中需要涉及到ATMega16的三個(gè)計(jì)數(shù)/定時(shí)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(dòng)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(jì)

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(cè)信號(hào)的上升沿（下降沿）作為輸入捕捉的觸發(fā)信號(hào)。

我們還要考慮兩個(gè)因素：T/C1的溢出和不同頻率范圍下的外部脈沖測(cè)量精度問(wèn)題。我們首先來(lái)看一下最簡(jiǎn)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(shí)鐘，那么T/C1的系統(tǒng)時(shí)鐘就是125KHz，TCNT1將在這個(gè)頻率下進(jìn)行加1計(jì)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€(gè)上升沿出現(xiàn)時(shí)，假設(shè)TCNT1=m1，當(dāng)?shù)诙€(gè)上升沿出現(xiàn)時(shí)TCNT1=m2。那么外部脈沖的一個(gè)周期耗時(shí)：

上面的計(jì)算公式中的(m2-m1)沒(méi)有考慮到16位定時(shí)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(gè)概念：T/C1的溢出、外部脈沖計(jì)數(shù)值的溢出。這是兩個(gè)不同的概念。具體如下：

情況【A】：沒(méi)有發(fā)生T/C1溢出中斷，這也是最簡(jiǎn)單的情況；

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

情況【C】：發(fā)生了T/C1溢出中斷，已經(jīng)無(wú)法存放超過(guò)65536個(gè)系統(tǒng)脈沖的個(gè)數(shù)；

所以代碼中有如下判斷依據(jù)：

因此計(jì)算的公式應(yīng)該根據(jù)T/C1是否溢出來(lái)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(shí)。

最后一點(diǎn)，我們還需要提高對(duì)外部脈沖頻率計(jì)算的精度。外部脈沖的頻率非常高時(shí)，如果僅僅檢測(cè)兩個(gè)相鄰上升沿，那么容易發(fā)生在捕捉上升沿時(shí)出現(xiàn)過(guò)慢或者過(guò)快的情況，這種情況導(dǎo)致對(duì)外部脈沖周期計(jì)數(shù)的 T/C1系統(tǒng)時(shí)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(jì)算的不準(zhǔn)確性。為了提高精度，我們可以取N個(gè)外部脈沖周期，對(duì)這個(gè)N個(gè)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(gè)對(duì)精度也不會(huì)造成大的影響。

由于轉(zhuǎn)速很有可能在短時(shí)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(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰上升沿即可(即外部脈沖的一個(gè)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(shí)際轉(zhuǎn)速特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)的時(shí)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(shí)候，由于此時(shí)N=60，故而會(huì)發(fā)生計(jì)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(wú)效數(shù)據(jù)，然后將N改變?yōu)?，使其在下一次計(jì)算中能不發(fā)生計(jì)數(shù)溢出，代碼如下：

3 啟動(dòng)流程階段細(xì)則

當(dāng)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)處于僅靠燃油維持運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（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(dòng)力的來(lái)源一定是燃油的化學(xué)能。那么化學(xué)能如何轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)轉(zhuǎn)子的力矩呢。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)基于這樣的一個(gè)循環(huán)工作方式：燃油對(duì)轉(zhuǎn)子總成中的渦輪做功帶動(dòng)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(guò)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(guò)程，解壓縮后的空氣膨脹對(duì)渦輪做功是轉(zhuǎn)子獲得能量的過(guò)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(shí)會(huì)獲得更多的能量”。這部分多余的能量就用來(lái)提供推力，換句話說(shuō)，燃料借助壓縮空氣膨脹的這條途徑來(lái)釋放自己所蘊(yùn)含的化學(xué)能，并通過(guò)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(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行提供以下三個(gè)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(shí)，該混合物才能被點(diǎn)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(gè)區(qū)（燃燒區(qū)和冷卻區(qū)），壓縮空氣的燃燒不是在整個(gè)燃燒室內(nèi)進(jìn)行，而是只能限制在特定的區(qū)域中。通過(guò)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(shí)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(duì)其壓縮時(shí)更大的膨脹力。燃燒室的冷卻區(qū)：但是這個(gè)膨脹力還是太熱了，就需要進(jìn)行冷卻，這個(gè)氣體的冷卻就由燃燒室的冷卻區(qū)來(lái)完成?，F(xiàn)在：比壓縮空氣更大的膨脹力得到了，溫度也被降下來(lái)了，就可以利用它來(lái)對(duì)渦輪做功推動(dòng)渦輪，來(lái)獲得比壓縮它更大的功。所以，我們?cè)俅螐?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(guò)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(guò)程中一定要保持橫截面燃燒的均勻，因?yàn)槿紵淖罱K目的就是對(duì)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(shí)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(diǎn)火階段：

本階段之所以被稱為點(diǎn)火階段是因?yàn)?，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(diǎn)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(dòng)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?yàn)橐坏┻M(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(diǎn)火階段帶來(lái)的燃燒室溫度來(lái)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(dòng)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?yàn)?，將完成?duì)蒸發(fā)管的預(yù)熱，使得當(dāng)后續(xù)階段的主油路供油時(shí)，從蒸發(fā)管出來(lái)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(shí)，從蒸發(fā)管出來(lái)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?yàn)楫?dāng)主油路開始供油時(shí)，熱火頭早已經(jīng)關(guān)閉，此時(shí)的主油路霧化和燃燒都是預(yù)熱階段后的燃燒室溫度來(lái)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(dòng)電機(jī)”“啟動(dòng)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(dòng)電機(jī)模塊進(jìn)一步提高啟動(dòng)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(shí)降低主油路流量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段的特點(diǎn)進(jìn)行了詳盡的闡述。在本文中，以多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的現(xiàn)象與數(shù)據(jù)為依據(jù)，將控制系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決問(wèn)題所采用的方法進(jìn)行了充分論證。但是，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制性，對(duì)渦噴怠速以上的試驗(yàn)研究方法還需要進(jìn)一步完善，以期在對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行環(huán)節(jié)的特點(diǎn)研究過(guò)程中得到更好的發(fā)現(xiàn)。