CN101392689A - 一种微小型涡轮喷气发动机的控制装置及其起动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对微小型涡轮喷气发动机的控制装置及其起动控制方法，该装置包括采集发动机转速的转速传感器、采集排气温度的温度传感器、开关控制器、油门控制器、电子控制单元(ECU)以执行机构。其中，执行机构包括起动电机、热火塞、丙烷气阀、燃油保护阀和燃油齿轮泵。控制方法为ECU通过传感器监测发动机工作状态，并输出脉宽调制信号到功率驱动电路控制起动电机、热火塞、丙烷气阀、燃油保护阀、燃油齿轮泵，完成发动机起动控制，发动机起动完成后由燃油齿轮泵实现建立油压和调节油量双重功能，精确供油从而使发动机运转于预期的工作状态。本发明可用于微型运载工具，其执行机构结构简单，体积小，重量轻，易实现对发动机的可靠、高效控制。

Description

一种微小型涡轮喷气发动机的控制装置及其起动控制方法

技术领域：

本发明涉及一种发动机的控制装置及其起动控制方法，具体的说，是指一种测量微小型涡轮喷气发动机的控制装置及其起动控制方法，属于航空发动机燃油控制技术领域。

背景技术：

航空发动机控制装置的工作目的就在于使其在任何环境条件和任何工作状态下都能稳定、可靠地运行，并且充分发挥其性能效益。传统的涡轮喷气发动机大多数采用机械液压式的控制装置，其执行机构采用的是电液伺服阀控制随动活塞的压差来改变油泵斜盘倾角，随着科学技术的进步，步进电机开始用于执行机构控制油阀开度，以达到控制供油量的作用。但其执行机构仍都需采用油阀和油泵相互配合才能达到控制供油量的目的。这些控制装置结构复杂、成本高、稳定性差、可靠性低、发动机敏感参数难以达到理想值。传统的控制装置难以满足微小型涡轮喷气发动机的要求。所以设计出简单、精确控制发动机各工况的控制装置及满足微小型涡轮喷气发动机特性的起动控制方法对提高发动机性能十分重要。

发明内容：

基于上述原因，本发明公开一种微小型涡轮喷气发动机控制装置及其起动控制方法。其控制装置使用电子控制单元(以下简称ECU)输出脉宽调制信号(以下简称PWM)控制燃油齿轮泵的转速，从而完成控制供油量的目的。由于燃油齿轮泵的使用，使执行机构与其它控制装置相比结构上大大简化，易于操作，提高了控制性能的可靠性。其起动控制方法采用电机起动，然后通入丙烷气使发动机转速迅速升高到指定转速，再通入燃油经油气混合燃烧到充分燃烧过程使发动机达到预期转速。整体解决了传统微小型涡轮喷气发动机控制装置结构复杂、可靠性能差、发动机起动困难、起动不稳定等缺点。

本发明的一种微小型涡轮喷气发动机的控制装置，包括采集发动机转速的转速传感器、采集排气温度的温度传感器、启动运行的开关控制器、发动机完成起动慢车后的油门控制器、对电池电压进行监测的电源保护器、对整个运行状态进行控制的ECU、以及起动电机、热火塞、丙烷气阀、燃油保护阀、燃油齿轮泵。其中起动电机、热火塞、丙烷气阀、燃油保护阀、燃油齿轮泵构成执行机构，发动机起动控制的不同时刻起动不同的执行器；而ECU又包括数字信号调理电路、电平转换电路、模拟信号调理电路、放大滤波电路、单片机(以下简称MCU)和功率驱动电路。其转速传感器输出端经数字信号调理后的PWM输出至MCU；其开关控制器输出端经电平转换输出后的PWM输出至MCU；其温度传感器的输出端经放大滤波后的电压信号输出至MCU；其油门控制器输出端经模拟信号调理后的电压信号输出至MCU；MCU接受信号后进行处理，经功率驱动输出PWM控制起动电机、热火塞、丙烷气阀、燃油保护阀、燃油齿轮泵，精确的调节发动机的供油量，从而完成整个微小型涡轮喷气发动机起动状态、最大工作状态、慢车状态、加减速工作状态的控制。

所述的微小型涡轮喷气发动机的控制装置，其燃油齿轮泵由燃油齿轮泵电机、主动齿轮、从动齿轮、主动轴、从动轴组成。MCU通过PWM控制燃油齿轮泵电机的转速，使得燃油齿轮泵电机带动安装于主动轴上的主动齿轮转动，从动齿轮随主动齿轮转动而转动，使得燃油齿轮泵进油口的流量随主动齿轮和从动齿轮转速的变化而变化，从出油口流出涡轮喷气发动机所需的油量。燃油齿轮泵同时完成了建立油压和调节油量的功能，调节燃油齿轮泵转速直接实现了油量的精确调节。

所述的微小型涡轮喷气发动机的控制装置，其燃油保护阀安装在涡轮喷气发动机和燃油齿轮泵之间的供油通路上，当燃油齿轮泵工作状态出现错误或者失去控制时，可以及时地关闭油路，对油路和涡轮喷气发动机起到及时监控和安全保护作用。

所述的微小型涡轮喷气发动机的控制装置，其燃油滤清器安装在油箱和燃油齿轮泵之间供油通路上，有效滤除发动机燃油系统中的有害颗粒和水份，保护燃油齿轮泵、减少磨损、避免堵塞。

所述的微小型涡轮喷气发动机的控制装置，其丙烷气阀在发动机起动过程中工作，最初丙烷气阀呈脉动开启状态，控制丙烷气流量来调节丙烷气和发动机燃烧室内空气浓度比例，以保证丙烷气点火燃烧，可靠燃烧后丙烷气阀呈全开状态。丙烷气阀完成对流入发动机的丙烷气流量进行调节控制和安全保护的作用，为发动机的起动提供足够能量。

所述的微小型涡轮喷气发动机的控制装置，其电源保护器起到了欠压保护和过流保护的作用，对系统进行报警或指示，同时为整个系统供电。

所述的微小型涡轮喷气发动机的起动控制方法，其起动过程主要分为四个步骤：

第一步，打开起动电机，由起动电机拖动发动机，这时发动机转子转速迅速提高，提高到一定转速之后，就关闭起动电机，同时脉动式开启丙烷气阀门，然后起动热火塞开始点火，确定点火成功之后，丙烷气阀全部开启，同时关闭热火塞。

第二步，当发动机转速达到燃油齿轮泵起动转速预设值(这个值也可根据实际实用进行调整)之后，打开燃油齿轮泵和燃油保护阀，此后，发动机在燃油和丙烷气的混合燃烧作用下，转速继续上升，经过一段时间的加速之后，转速达到一定数值，关闭起动电机，同时关闭丙烷气阀，此后发动机完全在燃油燃烧作用下，在接下来的过程中，燃油齿轮泵电压持续增加，发动机转速继续增加直到达到发动机标定转速。

第三步，当发动机达到标定转速后，开始起动发动机标定过程，保持标定转速并估算发动机稳态运行时的供油量，完成发动机的标定。

第四步，标定过程完成后，燃油齿轮泵电压开始调整，之后发动机转速由标定转速调节到发动机慢车转速，此时，发动机完全完成整个起动过程。

在微小型涡轮喷气发动机起动运行状态的加速过程中发动机采用较富的供油量，通过调节燃油齿轮泵的供油实现发动机的转速闭环控制。涡轮功率大于压气机功率，二者之差使发动机加速。完成整个启动过程后，发动机转为油门控制器控制，油门位置信号为发动机负荷调节机构，本发明中ECU采用的是电位器调节。电位器输出电压的不同对应发动机不同负荷。油门控制器在发动机完成起动慢车后，开始起作用。

本发明的控制系统与现有发动机的控制系统相比有以下一些优点：

(1)结构简单：传统控制系统结构复杂，本发明中只使用一个燃油齿轮泵同时完成了建立油压和调节油量的功能，并且精确控制供油量，有效的精简了控制装置。

(2)重量轻：本发明所涉及的控制装置大大简化，有效地利用了发动机现有部件，减小了整个发动机的总质量，为发动机其它部件的设计提供了更大的发展空间。

(3)可靠性高：独立使用燃油齿轮泵，设计简单、原件使用少、提高可靠性能。使得本发明的可靠性要远高于传统的控制系统。

(4)成本低：本发明所涉及的控制系统，尽可能的使用发动机已有机械部件，并大量采用电子器件，相对一些复杂的机械原件制造有效地降低了整个控制系统的成本。

(5)控制精度高：随着计算机技术的日益成熟和计算精度的不断提高，电子控制器的控制精度非常高。

(6)安全性好：本发明使用电源保护器，对系统进行监测、报警和指示。

附图说明：

图1是本发明控制装置组成结构框图；

图2是本发明ECU电路的结构框图；

图3是本发明燃油齿轮泵的结构示意图；

图4是本发明发动机起动过程时序图。

图中：                 1.发动机                   2.ECU3.起动电机             4.热火塞                   5.温度传感器6 .转速传感器          7.开关控制器               8.油门控制器9 .电源保护器          10.丙烷气阀                11.丙烷气罐12.燃油保护阀          13.燃油齿轮泵              14.燃油滤清器15.油箱                16.主动齿轮                17.从动齿轮18.主动轴              19.从动轴

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

微小型涡轮喷气发动机所需油量0.1kg/h。根据涡轮喷气发动机控制装置设计要求和特点，使航空发动机在任何环境条件和任何工作状态下都能稳定、可靠地运行，并且充分发挥其性能效益。实现供油定量和发动机的良好起动控制直接影响发动机的性能，关系到发动机能否可靠、高效的运转于预期的工作状态。针对微小型涡轮喷气发动机，本发明提出一种新型的采用燃油齿轮泵独立完成了建立油压和调节油量的双重功能的控制装置和适合于微小型涡轮喷气发动机起动的控制方法。

请参见图1所示，一种微小型涡轮喷气发动机的控制装置，包括发动机1的ECU 2、起动电机3、热火塞4、发动机的尾喷管气体温度传感器5，发动机涡轮转速传感器6，启动运行的开关控制器7、发动机完成起动慢车后的油门控制器8、对电池电压进行监测的电源保护器9、丙烷气阀10、丙烷气罐11、燃油保护阀12、燃油齿轮泵13、燃油滤清器14和油箱15组成。其中起动电机3、热火塞4、丙烷气阀10、燃油保护阀12、燃油齿轮泵13构成执行机构，发动机起动控制的不同时刻起动不同的执行器。本发明中，打开开关控制器8，由起动电机3拖动发动机1，ECU 2监测由温度传感器5采集的发动机尾喷管气体温度、转速传感器6采集的发动机涡轮转速、控制系统的电源电压，将信号输入至ECU2，根据控制算法产生控制数据，控制数据经过转换算法产生PWM，从而控制起动电机3、热火塞4、丙烷气阀10、燃油保护阀12、燃油齿轮泵13，精确的调节发动机的供油量，从而完成整个微小型涡轮喷气发动机起动状态、最大工作状态、慢车状态、加减速工作状态的控制。

所述的微小型涡轮喷气发动机1的控制装置，其燃油保护阀12安装在涡轮喷气发动机1和燃油齿轮泵13之间的供油通路上，当燃油齿轮泵13工作状态出现错误或者失去控制时，可以及时地关闭油路，对油路和涡轮喷气发动机1起到及时监控和安全保护作用。

所述的微小型涡轮喷气发动机1的控制装置，其燃油滤清器14安装在油箱15和燃油齿轮泵13之间供油通路上，有效滤除发动机燃油系统中的有害颗粒和水份，保护燃油齿轮泵13、减少磨损、避免堵塞。

所述的微小型涡轮喷气发动机1的控制装置，其丙烷气阀10在发动机1起动过程中工作，最初丙烷气阀10呈脉动开启状态，控制丙烷气流量来调节丙烷气和发动机1燃烧室内空气浓度比例，以保证丙烷气点火燃烧，可靠燃烧后丙烷气阀10呈全开状态。丙烷气阀10完成对流入发动机1的丙烷气流量进行调节控制和安全保护的作用，为发动机1的起动提供足够能量。

所述的微小型涡轮喷气发动机1的控制装置，其电源保护器9起到了欠压保护和过流保护的作用，对系统进行报警或指示，同时为整个系统供电。

请参见图2所示，本发明的ECU由数字信号调理电路、电平转换电路、模拟信号调理电路、放大滤波电路、MCU和功率驱动电路组成。其转速传感器6的输出端经数字信号调理后的PWM输出至MCU；其开关控制器7的输出端经电平转换输出后的PWM输出至MCU；其温度传感器5的输出端经放大滤波后的电压信号输出至MCU；其油门控制器8的输出端经模拟信号调理后的电压信号输出至MCU；MCU接受信号后进行处理，经功率驱动输出PWM控制起动电机3、热火塞4、丙烷气阀10、燃油保护阀12、燃油齿轮泵13，由燃油齿轮泵13转速的变化控制发动机1的供油量，流出涡轮喷气发动机1所需油量，由起动电机3、热火塞4、丙烷气阀10、燃油保护阀12、燃油齿轮泵13之间的相互配合控制发动机1的起动。

请参见图3所示，本发明涡轮喷气发动机控制装置中的燃油齿轮泵13由由燃油齿轮泵电机、主动齿轮16、从动齿轮17、主动轴18、从动轴19组成。燃油齿轮泵13中有一对啮合的主动齿轮16和从动齿轮17，主动齿轮16安装在主动轴18上，从动齿轮17安装在从动轴19上，并与主动齿轮16对准啮合，燃油齿轮泵电机安装在主动轴18的延长轴上。MCU通过PWM控制燃油齿轮泵电机的转速，从而使燃油齿轮泵电机带动安装于主动轴18上的主动齿轮16转动，从动齿轮17随主动齿轮16转动而转动，从而燃油齿轮泵13的转速发生变化，使得燃油齿轮泵13进油口的流量随主动齿轮16和从动齿轮17转速的变化而变化，从出油口流出涡轮喷气发动机1所需的油量。燃油齿轮泵13同时完成了建立油压和调节油量的功能，大大简化了发动机供油量的控制使用燃油齿轮泵13直接实现了油量的精确调节。

请参见图4所示，发动机的起动过程是整个控制装置中最为关键的环节，发动机起动过程中需要控制的执行器是最多的。起动时序是其中的重点，必须按照时序在合适的时刻起动不同的执行器。本发明一种微小型涡轮喷气发动机的起动控制方法主要分为以下四个步骤：

第一步，打开起动电机3，由起动电机3拖动发动机1，这时发动机1转子转速迅速提高，提高到一定转速(最低起动转速，这个值可根据实际实用环境调整，但最小值一般不能小于3500r/min)之后，就关闭起动电机3，同时脉动式开启丙烷气阀门10，然后起动热火塞4开始点火，确定点火成功之后，丙烷气阀10全部开启，同时关闭热火塞4。

第二步，当发动机1转速达到燃油齿轮泵13起动转速预设值(这个值也可根据实际实用进行调整)之后，打开燃油齿轮泵13和燃油保护阀12，此后，发动机1在燃油和丙烷气的混合燃烧作用下，转速继续上升，经过一段时间的加速之后，转速达到一定数值(此时转速在30000r/min左右)，关闭起动电机3，同时关闭丙烷气阀10，此后发动机1完全在燃油燃烧作用下，在接下来的过程中，燃油齿轮泵13电压持续增加，发动机1转速继续增加直到达到发动机1标定转速。

第三步，当发动机1达到标定转速(55000～60000r/min)后，开始起动发动机1标定过程，保持标定转速并估算发动机1稳态运行时的供油量，完成发动机1的标定。

第四步，标定过程完成后，燃油齿轮泵13电压开始调整，之后发动机1转速由标定转速调节到发动机1慢车转速，这里慢车转速取36000r/min。此时，发动机1完全完成整个起动过程。

在微小型涡轮喷气发动机1起动控制运行状态的加速过程中发动机采用较富的供油量，通过调节燃油齿轮泵13的供油实现发动机1的转速闭环控制。涡轮功率大于压气机功率，二者之差使发动机1加速。完成整个起动过程后，发动机1转为油门控制器8控制，油门位置信号为发动机1负荷调节机构，本发明中ECU 2采用的是电位器调节。电位器输出电压的不同对应发动机不同负荷。油门控制器8在发动机1完成起动慢车后，开始起作用。除此之外，控制装置还必须时刻监控发动机1状态，防止起动过程中的异常情况，如发动机1转速过低，在规定的时间内不能达到预设值，发动机1排温过高，点火系统故障等，必须根据不同的情况进行相应的紧急处理。

Claims (5)

1.一种微小型涡轮喷气发动机的控制装置，包括采集发动机转速的转速传感器、采集排气温度的温度传感器、启动运行的开关控制器、发动机完成起动慢车后的油门控制器、对电池电压进行监测的电源保护器、对整个运行状态进行控制的电子控制单元、燃油滤清器、油箱以及在发动机起动控制的不同时刻起动的不同执行器，包括起动电机、热火塞、丙烷气阀、燃油保护阀；其特征在于，该控制装置还包括燃油齿轮泵，该燃油齿轮泵独立完成建立油压和调节油量的双重任务，其燃油保护阀安装在涡轮喷气发动机和燃油齿轮泵之间的供油通路上，当燃油齿轮泵工作状态出现错误或者失去控制时，及时地关闭油路，对油路和涡轮喷气发动机起到及时监控和安全保护作用，其燃油滤清器安装在油箱和燃油齿轮泵之间供油通路上，起滤除发动机燃油系统中的有害颗粒和水份作用，其丙烷气阀在发动机起动过程中工作，最初丙烷气阀呈脉动开启状态，控制丙烷气流量来调节丙烷气和发动机燃烧室内空气浓度比例，以保证丙烷气点火燃烧，可靠燃烧后丙烷气阀呈全开状态，丙烷气阀完成对流入发动机的丙烷气流量进行调节控制和安全保护的作用，为发动机的起动提供足够能量，其电源保护器起到了欠压保护和过流保护的作用，对系统进行报警或指示，同时为整个系统供电。

2.如权利要求1所述的微小型涡轮喷气发动机的控制装置，其特征在于：所述的执行机构由起动电机、热火塞、丙烷气阀、燃油保护阀和燃油齿轮泵构成。

3.如权利要求1所述的一种微小型涡轮喷气发动机的控制装置，其特征在于：所述的其电子控制单元又包括数字信号调理电路、电平转换电路、模拟信号调理电路、放大滤波电路、单片机和功率驱动电路；其转速传感器输出端经数字信号调理电路调理后的脉宽调制信号输出至单片机；其开关控制器输出端经电平转换电路转换后的脉宽调制信号输出至单片机；其温度传感器的输出端经放大滤波电路放大滤波后的电压信号输出至单片机；其油门控制器输出端经模拟信号调理电路调理后的电压信号输出至单片机；单片机接受信号后进行处理，经功率驱动电路输出脉宽调制信号控制起动电机、热火塞、丙烷气阀、燃油保护阀、燃油齿轮泵。

4.如权利要求1或3所述的一种微小型涡轮喷气发动机的控制装置，其特征在于：所述燃油齿轮泵由燃油齿轮泵电机、主动齿轮、从动齿轮、主动轴、从动轴组成，燃油齿轮泵中有一对啮合的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮安装在主动轴上，从动齿轮安装在从动轴上，并与主动齿轮对准啮合，燃油齿轮泵电机安装在主动轴的延长轴上，单片机通过脉宽调制信号控制燃油齿轮泵电机的转速，从而使燃油齿轮泵电机带动安装于主动轴上的主动齿轮转动，从动齿轮随主动齿轮转动而转动，进而使燃油齿轮泵的转速发生变化，使得燃油齿轮泵进油口的流量随主动齿轮和从动齿轮转速的变化而变化，最终控制涡轮喷气发动机的油量。

5.一种微小型涡轮喷气发动机的控制装置的起动控制方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，由起动电机拖动发动机，当发动机提高到一定转速时，关闭起动电机，同时脉动式开启丙烷气阀门，然后起动热火塞开始点火，确定点火成功之后，丙烷气阀全部开启，同时关闭热火塞；

第二步，当发动机转速上升到燃油齿轮泵起动转速预设值时，打开燃油齿轮泵和燃油保护阀，此后，发动机在燃油和丙烷气的混合燃烧作用下，转速继续上升，当转速达到一定数值时，关闭起动电机，同时关闭丙烷气阀，此后发动机完全在燃油燃烧作用下，燃油齿轮泵电压持续增加，发动机转速继续增加直到达到发动机标定转速；

第三步，当发动机达到标定转速后起动发动机标定过程，保持标定转速并估算发动机稳态运行时的供油量，完成发动机的标定；

第四步，标定过程完成后，发动机转速由标定转速调节到慢车转速，发动机完成整个起动控制过程，此后发动机转为油门控制器控制。

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