装甲车辆燃气轮机工作状态精确监测与实时控制

刘健，魏曙光

（陆军装甲兵学院 兵器与控制系，北京 100072）

随着装甲车辆全电化的不断推进，车内用电模块的功率大幅度增加，电压等级与供电模式发生重大变化，需要功率密度更高，动力输出更稳定的动力源，燃气轮机凭借其高功率密度、低噪声、良好的加速性和扭转特性，取代了传统的柴油发动机，大规模应用于目前的主战装备中。而在装甲车辆中应用燃气轮机，需要对其控制方式、布局结构等进行改造，以适应装甲车内部空间，由此带来了布局、监测与控制的难题。为了解决上述难题，设计了一种集监测、控制为一体的电气适配装置，将复杂的逻辑控制关系集中到此装置中，操作方便，提高了装甲车辆的作战性能。

1 状态监测与实时控制

燃气轮机作为装甲车辆的主动力源，其工作的状态直接影响装甲车的作战性能，为此，必须要对燃气轮机的工作状态进行精确监测与实时控制，包括对其温度、转速、滑油状态等多种要素进行监测，以及实时控制燃气轮机冷转、启动、带气启动等，以保证燃气轮机工作在正常状态。

1.1 燃气轮机工作状态监测思路

发动机温度监测。燃气轮机工作在高温状态下，其输出功率随进气温度的增加而提高，热效率也随之提高，然而过高的温度会损坏热通道的部件，影响燃气轮机正常工作，增加损失。通过燃气轮机发动机温度传感器输出信号与驾驶员操纵面板适配盒相连，监测到超温时，电压信号输入操纵面板，继电器接到电压信号动作，接通超温显示指示灯和温度故障信号灯，温度调节装置动作，通过排气冷却等操作降低发动机温度。

滑油状态监测包括：燃气轮机滑油温度、滑油压力以及当前油量状态的监测。滑油压力或温度过高时会导致效率不增反降，严重时甚至引发事故。滑油油量不足时，发动机无油故障指示灯亮，提示加油操作。滑油压力与温度故障时，相应滑油压力表与滑油温度表接收到直流电压信号，显示当前滑油状态，同时故障指示灯亮。

转速监测。装甲车辆燃气轮机转速监测包括低压转速、高压转速和动力涡轮转速监测，测速开关的三层接线分别接转速传感器的三个引脚，依据不同转速状态下频率不同，从传感器接收到的不同的方波信号驱动转速表，测得当前转速。

其他监测。燃气轮机系统复杂，对其状态的精确监测还需要对系统开启状态、工作时间、电池电量、自动除尘等状态进行监测。开启指示灯是在燃气轮机系统开启后，输入信号点亮此灯；工作时间表接表头计时电源、气动清理装置和滑油压力表、滑油温度表均接温度调节装置供电，监测到电量不足时，电池不足指示灯亮；燃气轮机的除尘滤芯是把工作介质的污染控制在要求的范围内，以延长系统的使用寿命，提高系统工作的可靠性，当监测到需要除尘时，自动除尘开关动作，自动除尘显示灯亮等。

1.2 燃气轮机系统实时控制

根据燃气轮机系统工作特性，同时结合其电气系统工作状态，对其控制需要设计6种工作模式，分别是怠速、启动、冷转、带气启动、温度监测和信号监测（转速监测单独设计）。其控制思路如图1。

首先对燃气轮机电气系统进行初始化设置，接通电源并监测燃气轮机系统各部件状态，无故障情况则接通怠速电源进入怠速状态；出现故障时，需要监测是滑油故障、温度故障还是其他故障，相应状态控制器工作，消除故障。尤其是出现温度故障时，温度控制器及时工作，使温度保持在正常工作范围，保证燃气轮机效率，防止出现损坏等故障。燃气轮机各开关配置好后，启动指令输出电压为低电平时，发动机无点火，只进行冷转。燃气轮机启动时需要先进行带气启动，燃气轮机进行点火启动，同时气动清理装置输出高电平，进行排气，实现带气启动过程。当开启指示灯熄灭后，将开关档位打至启动模式，向启动电机提供电压，之后点火器熄灭，启动电机电压下降，启动电机关闭，完成启动。

图1 燃气轮机电气系统控制思路

2 燃气轮机实时控制开关设计

结合燃气轮机电气系统工作特性及控制思路，设计工作模式开关及转速监测开关。

2.1 工作模式开关设计（图2）

图2 工作模式开关状态

依据设置的电气系统控制思路设计如图2所示的6档位开关，每个档位对应6层开关状态，开关动作时会让每个档位的1、2层对接，3、4层对接，5、6层对接，通过不同取舍使得每个档位接通实现不同功能。

（1）怠速模式时，模式选择开关置于1档，开关2层d和e怠速接地，开关1层引脚连接小油门电磁阀，实现怠速，启动自动清理装置。（2）启动时，模式选择开关置于2档，开关1层将点火启动模式高压信号传给启动指令，燃气轮机点火启动，当气动清理装置为高电压信号时，气动控制器为高电平状态。（3）冷转时，模式选择开关置于3档，启动指令输出低电平，燃气轮机只进行发动机冷转，无点火过程。（4）带气启动时，模式选择开关置于4档，开关1层接通后，点火启动信号输出，排气指令输入气动清洗装置，排气指令为高，进行排气操作，实现带气启动。（5）温度监测时，模式选择开关置于5档，开关1层接通，系统电源经过继电器与温度调节装置连接，进入温度监测模式。（6）信号监测时。模式选择开关置于6档，开关1、3层接通，电源信号经过二极管分别驱动电池不足、温度故障、超温显示、自动除尘指示灯以及无油指示灯，进行指示灯监测。

2.2 测速开关设计（图3）

测速开关单独控制，设计三种工作模式，包括低压转速（TX1）、高压转速（TX2）和动力涡轮转速（TX3）三个档位，每个状态的设计分别接不同传感器，依据各转速状态电压频率不同，产生不同的方波，驱动转速表动作，在转速表TX中显示转速，达到转速监测的目的。

3 样机设计与试验

图4 燃气轮机电气适配控制盒

针对上述思路，设计了如图4所示的燃气轮机电气适配控制盒，采用5个继电器与2个档位开关，实现了燃气轮机电气系统的转速监测与其他6中工作模式。采用大功率供电线路径优先原则及相关性功能及元件就近原则设计数字电路板，将燃气轮机操纵机构与执行机构复杂的逻辑控制关系集中到一个适配装置中，减小了体积结构，方便安置，提高了电气系统的可靠性。

实车启动试验，首先监测机油位置，无缺油问题进行仪表监测，工作模式开关置6档，监测电池电量不足、温度故障显示、超温显示等指示灯是否亮，监测发现无故障。燃气轮机长时间放置，首次启动时需要将模式开关置于3档，依次打开自动开启开关、起动机开关以及电源开关，按下燃油泵开关，运行于冷转模式，冷转结束依次关闭开关，将模式开关置于4档，再依次打开冷转前的开关，开启紧急停机开关，按下带气启动开关，执行带气启动过程，开启指示灯熄灭后关闭紧急停机开关，启动电机及点火器，当启动电机两侧电压增加至48V后30秒，点火器熄灭，之后电压下降为24V时，关闭启动电机，完成启动。进行转速监测时，仅需将转速开关置于相应档位，根据接受到电压信号的方波频率不同，不同档位驱动信号不同，实现对燃气轮机低压转速、高压转速和动力涡轮转速的分别监测。

试验结果表明：该电气适配装置可以实现对燃气轮机电气系统的温度、转速、滑油状态等多方面特性进行精确监测，出现故障时，故障指示灯亮，同时继电器快速响应，相应状态控制器及时工作，排除故障。燃气轮机工作状态监测是贯穿其整个电气系统工作的过程中，实车控制试验包含了燃气轮机的状态监测，同时根据燃气轮机当前的状态完成冷转、带气启动、启动等工作模式，实现了对燃气轮机的实时控制。

4 结语

（1）将燃气轮机操纵机构与执行机构复杂的逻辑控制关系集中到一个适配装置中，减小了对装甲车内部的体积占用，采用分布式结构方便布局。（2）实现了转速、温度、滑油状态等的实时监测，以及燃气轮机工作状态的实时控制，提高了装甲车辆的工作性能。（3）采用大功率供电线路径优先原则及相关性功能与原件，对电路板进行优化设计，提高了整个电气系统的安全系数。