裝甲車輛燃氣輪機工作狀態(tài)精確監(jiān)測與實時控制

劉健，魏曙光

（陸軍裝甲兵學院 兵器與控制系，北京 100072）

隨著裝甲車輛全電化的不斷推進，車內用電模塊的功率大幅度增加，電壓等級與供電模式發(fā)生重大變化，需要功率密度更高，動力輸出更穩(wěn)定的動力源，燃氣輪機憑借其高功率密度、低噪聲、良好的加速性和扭轉特性，取代了傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機，大規(guī)模應用于目前的主戰(zhàn)裝備中。而在裝甲車輛中應用燃氣輪機，需要對其控制方式、布局結構等進行改造，以適應裝甲車內部空間，由此帶來了布局、監(jiān)測與控制的難題。為了解決上述難題，設計了一種集監(jiān)測、控制為一體的電氣適配裝置，將復雜的邏輯控制關系集中到此裝置中，操作方便，提高了裝甲車輛的作戰(zhàn)性能。

1 狀態(tài)監(jiān)測與實時控制

燃氣輪機作為裝甲車輛的主動力源，其工作的狀態(tài)直接影響裝甲車的作戰(zhàn)性能，為此，必須要對燃氣輪機的工作狀態(tài)進行精確監(jiān)測與實時控制，包括對其溫度、轉速、滑油狀態(tài)等多種要素進行監(jiān)測，以及實時控制燃氣輪機冷轉、啟動、帶氣啟動等，以保證燃氣輪機工作在正常狀態(tài)。

1.1 燃氣輪機工作狀態(tài)監(jiān)測思路

發(fā)動機溫度監(jiān)測。燃氣輪機工作在高溫狀態(tài)下，其輸出功率隨進氣溫度的增加而提高，熱效率也隨之提高，然而過高的溫度會損壞熱通道的部件，影響燃氣輪機正常工作，增加損失。通過燃氣輪機發(fā)動機溫度傳感器輸出信號與駕駛員操縱面板適配盒相連，監(jiān)測到超溫時，電壓信號輸入操縱面板，繼電器接到電壓信號動作，接通超溫顯示指示燈和溫度故障信號燈，溫度調節(jié)裝置動作，通過排氣冷卻等操作降低發(fā)動機溫度。

滑油狀態(tài)監(jiān)測包括：燃氣輪機滑油溫度、滑油壓力以及當前油量狀態(tài)的監(jiān)測?；蛪毫驕囟冗^高時會導致效率不增反降，嚴重時甚至引發(fā)事故?；陀土坎蛔銜r，發(fā)動機無油故障指示燈亮，提示加油操作?；蛪毫εc溫度故障時，相應滑油壓力表與滑油溫度表接收到直流電壓信號，顯示當前滑油狀態(tài)，同時故障指示燈亮。

轉速監(jiān)測。裝甲車輛燃氣輪機轉速監(jiān)測包括低壓轉速、高壓轉速和動力渦輪轉速監(jiān)測，測速開關的三層接線分別接轉速傳感器的三個引腳，依據不同轉速狀態(tài)下頻率不同，從傳感器接收到的不同的方波信號驅動轉速表，測得當前轉速。

其他監(jiān)測。燃氣輪機系統(tǒng)復雜，對其狀態(tài)的精確監(jiān)測還需要對系統(tǒng)開啟狀態(tài)、工作時間、電池電量、自動除塵等狀態(tài)進行監(jiān)測。開啟指示燈是在燃氣輪機系統(tǒng)開啟后，輸入信號點亮此燈；工作時間表接表頭計時電源、氣動清理裝置和滑油壓力表、滑油溫度表均接溫度調節(jié)裝置供電，監(jiān)測到電量不足時，電池不足指示燈亮；燃氣輪機的除塵濾芯是把工作介質的污染控制在要求的范圍內，以延長系統(tǒng)的使用壽命，提高系統(tǒng)工作的可靠性，當監(jiān)測到需要除塵時，自動除塵開關動作，自動除塵顯示燈亮等。

1.2 燃氣輪機系統(tǒng)實時控制

根據燃氣輪機系統(tǒng)工作特性，同時結合其電氣系統(tǒng)工作狀態(tài)，對其控制需要設計6種工作模式，分別是怠速、啟動、冷轉、帶氣啟動、溫度監(jiān)測和信號監(jiān)測（轉速監(jiān)測單獨設計）。其控制思路如圖1。

首先對燃氣輪機電氣系統(tǒng)進行初始化設置，接通電源并監(jiān)測燃氣輪機系統(tǒng)各部件狀態(tài)，無故障情況則接通怠速電源進入怠速狀態(tài)；出現故障時，需要監(jiān)測是滑油故障、溫度故障還是其他故障，相應狀態(tài)控制器工作，消除故障。尤其是出現溫度故障時，溫度控制器及時工作，使溫度保持在正常工作范圍，保證燃氣輪機效率，防止出現損壞等故障。燃氣輪機各開關配置好后，啟動指令輸出電壓為低電平時，發(fā)動機無點火，只進行冷轉。燃氣輪機啟動時需要先進行帶氣啟動，燃氣輪機進行點火啟動，同時氣動清理裝置輸出高電平，進行排氣，實現帶氣啟動過程。當開啟指示燈熄滅后，將開關檔位打至啟動模式，向啟動電機提供電壓，之后點火器熄滅，啟動電機電壓下降，啟動電機關閉，完成啟動。

圖1 燃氣輪機電氣系統(tǒng)控制思路

2 燃氣輪機實時控制開關設計

結合燃氣輪機電氣系統(tǒng)工作特性及控制思路，設計工作模式開關及轉速監(jiān)測開關。

2.1 工作模式開關設計（圖2）

圖2 工作模式開關狀態(tài)

依據設置的電氣系統(tǒng)控制思路設計如圖2所示的6檔位開關，每個檔位對應6層開關狀態(tài)，開關動作時會讓每個檔位的1、2層對接，3、4層對接，5、6層對接，通過不同取舍使得每個檔位接通實現不同功能。

（1）怠速模式時，模式選擇開關置于1檔，開關2層d和e怠速接地，開關1層引腳連接小油門電磁閥，實現怠速，啟動自動清理裝置。（2）啟動時，模式選擇開關置于2檔，開關1層將點火啟動模式高壓信號傳給啟動指令，燃氣輪機點火啟動，當氣動清理裝置為高電壓信號時，氣動控制器為高電平狀態(tài)。（3）冷轉時，模式選擇開關置于3檔，啟動指令輸出低電平，燃氣輪機只進行發(fā)動機冷轉，無點火過程。（4）帶氣啟動時，模式選擇開關置于4檔，開關1層接通后，點火啟動信號輸出，排氣指令輸入氣動清洗裝置，排氣指令為高，進行排氣操作，實現帶氣啟動。（5）溫度監(jiān)測時，模式選擇開關置于5檔，開關1層接通，系統(tǒng)電源經過繼電器與溫度調節(jié)裝置連接，進入溫度監(jiān)測模式。（6）信號監(jiān)測時。模式選擇開關置于6檔，開關1、3層接通，電源信號經過二極管分別驅動電池不足、溫度故障、超溫顯示、自動除塵指示燈以及無油指示燈，進行指示燈監(jiān)測。

2.2 測速開關設計（圖3）

測速開關單獨控制，設計三種工作模式，包括低壓轉速（TX1）、高壓轉速（TX2）和動力渦輪轉速（TX3）三個檔位，每個狀態(tài)的設計分別接不同傳感器，依據各轉速狀態(tài)電壓頻率不同，產生不同的方波，驅動轉速表動作，在轉速表TX中顯示轉速，達到轉速監(jiān)測的目的。

3 樣機設計與試驗

圖4 燃氣輪機電氣適配控制盒

針對上述思路，設計了如圖4所示的燃氣輪機電氣適配控制盒，采用5個繼電器與2個檔位開關，實現了燃氣輪機電氣系統(tǒng)的轉速監(jiān)測與其他6中工作模式。采用大功率供電線路徑優(yōu)先原則及相關性功能及元件就近原則設計數字電路板，將燃氣輪機操縱機構與執(zhí)行機構復雜的邏輯控制關系集中到一個適配裝置中，減小了體積結構，方便安置，提高了電氣系統(tǒng)的可靠性。

實車啟動試驗，首先監(jiān)測機油位置，無缺油問題進行儀表監(jiān)測，工作模式開關置6檔，監(jiān)測電池電量不足、溫度故障顯示、超溫顯示等指示燈是否亮，監(jiān)測發(fā)現無故障。燃氣輪機長時間放置，首次啟動時需要將模式開關置于3檔，依次打開自動開啟開關、起動機開關以及電源開關，按下燃油泵開關，運行于冷轉模式，冷轉結束依次關閉開關，將模式開關置于4檔，再依次打開冷轉前的開關，開啟緊急停機開關，按下帶氣啟動開關，執(zhí)行帶氣啟動過程，開啟指示燈熄滅后關閉緊急停機開關，啟動電機及點火器，當啟動電機兩側電壓增加至48V后30秒，點火器熄滅，之后電壓下降為24V時，關閉啟動電機，完成啟動。進行轉速監(jiān)測時，僅需將轉速開關置于相應檔位，根據接受到電壓信號的方波頻率不同，不同檔位驅動信號不同，實現對燃氣輪機低壓轉速、高壓轉速和動力渦輪轉速的分別監(jiān)測。

試驗結果表明：該電氣適配裝置可以實現對燃氣輪機電氣系統(tǒng)的溫度、轉速、滑油狀態(tài)等多方面特性進行精確監(jiān)測，出現故障時，故障指示燈亮，同時繼電器快速響應，相應狀態(tài)控制器及時工作，排除故障。燃氣輪機工作狀態(tài)監(jiān)測是貫穿其整個電氣系統(tǒng)工作的過程中，實車控制試驗包含了燃氣輪機的狀態(tài)監(jiān)測，同時根據燃氣輪機當前的狀態(tài)完成冷轉、帶氣啟動、啟動等工作模式，實現了對燃氣輪機的實時控制。

4 結語

（1）將燃氣輪機操縱機構與執(zhí)行機構復雜的邏輯控制關系集中到一個適配裝置中，減小了對裝甲車內部的體積占用，采用分布式結構方便布局。（2）實現了轉速、溫度、滑油狀態(tài)等的實時監(jiān)測，以及燃氣輪機工作狀態(tài)的實時控制，提高了裝甲車輛的工作性能。（3）采用大功率供電線路徑優(yōu)先原則及相關性功能與原件，對電路板進行優(yōu)化設計，提高了整個電氣系統(tǒng)的安全系數。