引言：发动机抛负载问题常常出现于汽车、船舶、飞机等载体中，抛负载过压会受到来自发电机特性、负载电流等多项因素的影响，尤其是在船用发动机中，由于其抛负载过压的脉冲峰值处于较大的幅度，并且源内的电阻较小，以至于在出现抛负载问题时会对发动机内部设施造成巨大影响。
1.船用发动机仪表抛负载
在船用发动机的组成结构中，核心为蓄电池，其是为电子设备、柴油机等提供动力的设备组件，此外，还有发电机在发动机的运行过程中为蓄电池充电，以此保障蓄电池的电源供应，推动发动机的正常运行。通常情况下，发电机对蓄电池进行充电时电压维持在恒定额度下，不会产生过载电压，但是当发电机的设备出现老化等问题，发电机与蓄电池的连接就会出现不稳定，进而在内部形成浪涌电压，这一现象往往会持续几十到几百毫秒，并且脉冲峰值较高，我们将这种现象成为抛负载，他的出现会对发动机的电子设备造成不可逆的伤害，影响设备的正常运行。尤其在船用发动机中，由于其长期处于高盐、高湿、高温的环境下，线路的老化速度会大大提升，抛负载出现的几率也大大增加。
我们将抛负载的波形峰值电压、初始供电电压进行设定，在坐标系中将通用的抛负载电压与脉冲时间进行分析，最终得出波形图，其中在0.1~0.9（US-UA）中，抛负载电压上升较快，维持时间较短，在0.9~0.1（US-UA）中，抛负载电压下降较慢，所用时间较长[1]。
2.针对船用发动机仪表的抛负载过压保护手段
2.1无源器件保护
以我国目前对船用发动机抛负载过压保护的研究来看，TVS这一类的瞬态抑制二极管无源过压保护器件较常被使用，这是因为TVS的反应速度快、瞬间的功率较大、并且不会出现老化等优质特性，因此在当前的船用发动机抛负载过压保护中得到了广泛应用，但是其也存在着一定的残压以及承受功率的弊端。
在船用发动机中，抛负载过压保护的器件往往与负载电路处于串联的连接状态，一旦发生抛负载过压问题，保护器件的电阻就会发生变化，其电阻降低，这时的电路中的保护器件就要承受较大的电流。以船用发动机为例，其使用的电源多为24V蓄电池，在这样的电压环境下，设计电路的方案就会受到限制，无源器件的可供选择类型较少。这是由于24V蓄电池的抛负载脉冲峰值较高，但是源内阻较小，脉冲能量处于较高水平。以TVS无源过压器件为例，在船用发动机中，使用了单个的TVS器件，在进行抛负载过压保护试验时，将Us设为200V，td设为350ms，Ri设为1Ω，在这种参数下，保护器件会受到损害。这是由于无源器件的瞬间功率虽然较大，但是其功率限制在10~1000μs的区间内，当浪涌脉宽不断提升时，其功率也会产生大幅的下降。
2.2基于控制器的电路保护
除却无源器件的抛负载过压保护，有源过压保护控制器也是一种有效的保护手段，这类控制器能够将船用发动机的外部电路进行调节，以便其与内部的电路电压相分离，保障其能够在较高的电压环境下工作，电压区间甚至能够达到500V。在进行船用发动机仪表抛负载过压保护时，这类控制器能够将输出的电压限制在箝位电压下，用N沟道的两端去承载过压的电压，以此保障其在负载状态下仍能够继续运行。
这类有源过压保护控制器与无源过压保护器件的保护方式不同，它是通过控制外部的N沟道中的电阻来实现的，将超出负载的电压利用此N沟道的器件实现共担，保证在发动机中的电源电压电流的均衡，并且这种方式在串联电路中也不需要另外增设大电流的元件。
当发生船用发动机仪表的抛负载过压问题时，共担器件承受了实际电压与箝位电压之间的差值电压，若此器件的承载能力较差，为了保证其使用寿命，要对器件经过的电压电流进行限制，保证其在安全区间下。并且过压保护的时间要进行控制，当超过额定时间时，有源控制器自动关闭，几秒后再自动重启，以此保障共担器件的设备冷却，延长其使用寿命，以免器件损坏。
2.3电路抛负载功耗
在船用发动机的电路抛负载功耗测试中，将Us的区间设定为150V~202V，将td的区间设定为100ms~350ms。依照抛负载衰减的规律，可以发现抛负载的上升时间小于衰减时间，当衰减10%时，抛负载的电压可以通过公式（1）来计算。
U=US×e- （1）
在此公式中，US为抛负载的电压峰值，T为发电机的时间常数。在有源控制器进行船用发动机仪表抛负载过压保护时，共担器件将所有的超载电压全部承担，由此发现，此器件的质量与型号选择十分重要，同时由于共担器件中的承受电流与负载电流相同，当出现抛负载过压问题时，此器件中的平均功耗可以以过载电流的计算方式得出。在船用发动机中，由于定制产品占据了较大的比重，因此在进行发电机的参数收集时困难较大，正因如此，利用抛负载脉冲计算共担器中的电流是一种较为便利的方式[2]。
2.4电源系统的保护测试
2.4.1过压箝位电压
在进行船用发动机的过压箝位电压的测试时，我们可以以LTC4366-2来作为核心芯片，依照船用发动机的额定电压24V，配置箝位电压为40V，设置抛负载过压保护的时间为400ms，并检查电路，确保在进行测试时仪表不会出现断电问题，电压共担器可以选用IRFS4229PbF，负载电流的仪表设置为0.6A。
在进行测试时要先构建测试装置，装置由五个部分构成，分别是24V、60V直流电源各一个、电源开关、两个二极管、示波器。
在进行测试时，将24V直流电源与60V直流电源同时打开，之后将60V电流的开关关闭，使24V电流为保护仪表供电。同时将示波器设置成上升沿捕捉模式，当仪表进入稳定工作状态后，将60V电流开关打开，令其对保护仪表进行供电，此时开启示波器，令其捕捉电流的脉冲。通过这样的测试可以发现，当电流电压为24V时，共担器不会出现降压问题，而电流电压为60V时，输出的箝位电压为40V，时间为400ms，基于输入的过电电压没有终止，保护仪表将输出电压切断，以此保护共担器。在这一套保护流程中，输出电压始终维持在额定的40V，不存在超脉冲电压以及残压，能够为保护仪表的电源电路提供稳定的电压电流。
2.4.2抛负载
在进行船用发动机的抛负载测试时，要将内阻、峰值电压、脉冲维系时间等进行限制，在本次测试中，内阻设为1Ω，峰值电压为200V，时间为350ms，在这样的额定条件下，若共担器的负载功能得到了有效发挥，且内部的组件不会受到损害影响，仪表能够实现正常的运转，则能够说明这项抛负载过压保护设计的科学性与合理性。
当船用发动机的电路参数处于科学的区间范围内，有源过压保护电路能够将输出的电压进行有效控制，无源过压保护器件中不会形成残压，并且这类抛负载过压保护设计能够抵抗ISO16750-2脉冲5a的冲击，对于船用发动机的抛负载过压能够实现充分控制，保障电压的稳定，维系电路的正常运转。
结论：综上所述，船用发动机中一旦出现抛负载过压问题会对发动机的组件造成损害，尤其是针对24V蓄电池电源系统，其危害程度更高，甚至会影响船舶的正常运行。针对于此，对发动机进行抛负载过压测试是对其进行保护的重要手段，文中提出的几种保护手段是当前主要的保护技术，也是未来需要强化的主要方向。
参考文献：
[1]郭华礼.某船用发动机曲轴模态分析[J].机械工程师,2021(12):21-23+26.
[2]覃慧.双燃料船用发动机控制技术[J].船舶物资与市场,2020(06):3-4.
作者简介：张浈淄；男；1997年7月；甘肃天水；汉族；本科；助理工程师；研究方向：轮机工程