CN104047783A

CN104047783A - 一种压电晶体燃油喷射器及其喷射控制方法

Info

Publication number: CN104047783A
Application number: CN201410268517.9A
Authority: CN
Inventors: 张奇; 杜发荣; 韩树军; 闵敏; 丁水汀
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beijing Lingdong Guochuang Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2034-06-16
Also published as: CN104047783B

Abstract

本发明提出了一种基于压电晶体的燃油喷射系统，其属于小排量活塞发动机燃油喷射领域，特别是小型航空活塞发动机方面。本发明的喷射系统主要包括壳体、压电晶体执行器、活塞、进油簧片阀、簧片螺栓、出油单向球阀、锥形弹簧与喷油通道，压电晶体通过形变产生机械位移实现泵油、加压、喷射的全部功能。基于本发明的压电晶体喷射系统，本发明还公开了相应的控制调节算法，通过完整次数的脉冲和不完整次数的脉冲控制实现发动机工作循环喷油量的精确调节。

Description

一种压电晶体燃油喷射器及其喷射控制方法

技术领域

本发明涉及小排量活塞发动机电控燃油喷射系统，特别是小型无人机用航空活塞发动机缸内直喷系统。

背景技术

现在，典型的活塞发动机电控燃油喷射系统按照燃料不同，基本上分为汽油机电控燃油喷射系统和柴油机电控燃油喷射系统。其中，汽油机电控燃油喷射系统又分为两种，一种是低压的进气道喷射系统，一种是高压的缸内直喷系统；而柴油机电控燃油喷射系统则基本上是高压的缸内直喷系统。其实，不管是汽油机还是柴油机，不论是高压或者低压，现在的电控燃油喷射系统基本上都采用油泵－油管－喷嘴的结构型式，油泵从油箱中抽取燃油并加压，油管实现高压燃油到喷嘴的输送，喷嘴在控制系统的驱动脉冲作用下完成喷射功能。上述喷射系统结构在大排量发动机上使用是没有问题的，但是对于无人机特别是微小型无人机动力系统来说，发动机排量非常小，采用上述结构的喷油系统，部件数目多，连接复杂，系统功耗大，这基本上是不可能的。

发明内容

本发明提出一种压电晶体控制的喷油器，为小排量活塞发动机特别是小型航空活塞发动机提供一种喷油控制更加精确简单可靠，喷射压力更高并且可以实现缸内直喷的燃油喷射器。

一种压电晶体燃油喷射器，包括壳体、压电晶体执行器、活塞、进油簧片阀、簧片螺栓、出油单向球阀、锥形弹簧与喷油通道。

壳体内部上方是加压喷射的高压油腔，下方是压电晶体执行器腔、低压油腔。压电晶体执行器在最下方，活塞下端和压电执行器耦合，上端和单向进油簧片阀通过簧片螺栓固定在一起。活塞内开有进油孔。在壳体上还有进油口，低压油腔与壳体内空腔之间有O型密封环。

壳体顶部是燃油喷嘴部分，喷嘴上方设置有喷射通道，喷射通道内由下至上依次设置有出油单向球阀与锥形弹簧；其中，出油单向球阀位于喷口处。

在进油簧片阀一端，进油口与低压油腔相连；在进油簧片阀的另一端，高压油腔与喷口相连。低压油腔与高压油腔通过进油簧片阀连通。

系统不工作时，压电晶体处于原始状态，进油簧片阀关闭，出油单向球阀也关闭，燃油不能从低压油腔到高压油腔流动，喷射过程不能进行。

系统工作时，控制系统对压电晶体发出触发脉冲，压电晶体开始向上形变伸长，此时进油簧片阀关闭，活塞向上运动，对高压油腔进行加压，当高压油腔压力超过出油单向球阀的弹簧预紧力时，出油单向球阀打开，燃油由喷射通道喷出；活塞运动到上限位置时，喷射过程结束，此时控制系统关闭触发脉冲，压电晶体开始向下形变回复到初始状态，此时，出油单向球阀关闭，进油簧片阀打开，燃油通过进油口然后由和簧片阀相连的进油孔从外界低压油腔进入高压油腔，完成进油功能。

本发明的压电晶体喷射器，集成了传统喷射系统的泵－管－嘴功能于一体，集成度高；同时由于采用了压电晶体作为执行器，响应速度快，喷射压力可以很高，可以直接实现燃油缸内喷射的要求。

本发明应用对象主要面向小排量的活塞发动机，发动机每循环所需喷油量都较小，在几个μL左右，而压电晶体的形变伸缩量也比较小，还直接和单次喷油量相关，因此基于喷射器的工作原理，本发明在发动机应用上控制方法也与传统喷射系统不一致。

采用本发明的压电晶体喷射器，其控制调节算法包括以下步骤：

步骤1：根据传感器计算确定发动机工作循环所需喷油量Q_n；

控制系统ECU根据发动机进气压力、进气温度传感器或者直接的进气质量流量计得到发动机进气量，根据其他相关传感器修正，最终根据理论空燃比计算得到发动机工作循环所需喷油量Q_n；

步骤2：确定喷射器工作循环内的理想喷射次数C_n；

由于压电晶体喷射器的单次喷射量P是一定的，由工作循环所需喷油量Q_n，可以得到喷射器该工作循环内需要工作的喷射次数C_n，将C_n分为整数和小数部分，整数部分是喷射器每次完全喷射产生的完整控制脉冲次数，也即压电晶体每次产生最大位移，每次喷射量为P，小数部分则是不完整控制脉冲，压电晶体此次不产生最大位移，此次喷射量小于P。

步骤3：确定喷射器喷油正时；

本发明的喷射器由于是主要面对小排量活塞发动机的缸内直喷应用，喷油正时非常关键。喷油正时仍然由控制系统ECU计算得出，ECU根据曲轴位置传感器或者凸轮轴传感器得到发动机进气相位信息，根据程序空间的MAP数据，查表插值得到喷油正时角度信息，然后通过程序延时发出系列触发脉冲。触发脉冲首先是C_n整数部分的完整控制脉冲，然后才是不完整控制脉冲。

本发明的优点在于：

1、本发明中的喷射器中压电晶体执行器行程短，响应速度快，典型的压电晶体执行器在最大驱动电压下，可以膨胀自身1/1000的距离，也就是说压电晶体在100微秒内可以膨胀100微米，相比于常规喷油器，压电晶体喷油器对喷射量的控制更加精确，速度更快，特别适合高频喷射的小型航空活塞发动机上；

2、喷油压力高。在压电执行器最大行程一定的情况下，最大喷油压力与最大喷油量成反比，其公式表示如下F为压力，Δx为行程。按照现有压电晶体技术指标，本发明的压电晶体喷射器喷射压力可以达到27MPa,甚至可以达到70MPa，在该喷射压力的情况下，完全适合进行少量多次快速缸内喷射的小型航空活塞发动机上；

3、本发明中的喷油器相对于现有的喷油器，结构更加简单、体积更小，质量更轻、功耗也更小，对于小型航空活塞发动机的推重比提高的影响更明显；

4、本发明控制方法的喷油控制更为精确，既可以实现完整的高压脉冲喷射，也可以通过不完整脉冲实现小数次数的燃油喷射调整，使发动机始终保持在稳定工作状态，故这种喷射控制方式更加适合于对可靠性要求高的小型航空活塞发动机领域；

5、本发明的喷射器由于对发动机燃油供给采用了缸内直喷的工作方式，燃油经济性得到极大提高，对于小型航空活塞发动机的长航时提供了良好基础。

附图说明

图1为本发明压电晶体喷射器结构剖视图；

图2为本发明压电晶体喷射器的控制脉冲和喷射量关系图

图3为本发明压电晶体喷射方法流程图；

图中：

1-壳体	2-压电晶体执行器	3-活塞	4-进油簧片阀
				5-出油单向球阀	6-锥形弹簧	7-喷射通道	8-簧片固定螺栓
9-密封环	101-进油口	102-低压油腔	103-高压油腔
				104-喷口	105-压电晶体执行器腔	106-进油孔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种高集成度的压电晶体燃油喷射器，如图1所示，包括壳体1、压电晶体执行器2、活塞3、进油簧片阀4、出油单向球阀5、锥形弹簧6、喷射通道7、簧片固定螺栓8、密封环9。

壳体1内部上方是高压油腔103，下方是压电晶体执行器腔105、低压油腔102；壳体上与低压油腔102相处开有进油口101。压电晶体执行器2，在壳体内腔105的最下方。活塞3与进油口101对齐，活塞3下端与压电晶体执行器2处于竖直方向耦合状态，压电晶体执行器2在触发脉冲左右下膨胀形变，从而带动活塞3运动；活塞3的上端与进油簧片阀4，通过簧片螺栓连接在一起来；活塞3的周边上开有与低压油腔102相连的进油孔106，这些进油孔可以使燃油从低压油腔102通过活塞3进入高压油腔103。进油簧片阀4将低压油腔102与高压油腔103隔开，进油簧片阀4与活塞3之间保持极小的接触力，低压油腔102与高压油腔103内有极小的压力差，就可以打开进油簧片阀；在喷射时，进油簧片阀4要承受极高的喷油压力。在低压油腔102与压电晶体执行器腔105之间有密封环9，防止燃油泄漏。

壳体1顶部开有喷口104，喷口104与高压油腔103连通，喷口104上方设置有喷射通道7，喷射通道7内由下至上依次设置有出油单向球阀5与锥形弹簧6。其中，出油单向球阀5位于喷口104处。通过压电执行器2与活塞3的运动使高压油腔103中的液体加压，高压燃油通过出油单向球阀5压缩锥形弹簧6后，从喷射通道7中喷出，出油单向球阀7用来防止液体从喷射通道7中回流到高压油腔103，在喷射完毕后，活塞回位，高压油腔中压力减小，锥形弹簧还原将出油单向球阀5复位。

喷油器在不工作时，处于低压油腔102与高压油腔103之间的进油簧片阀4由于有一定的接触预紧力，燃油不能从低压油腔102进入到高压油腔103。喷油器高压油腔103的起始充油，也即自吸功能通过喷射过程进行或者直接从外部通过低压油腔加压，直到克服进油簧片阀4的预紧力，然后再克服出油单向球阀5的弹簧预紧，实现充油。

喷油器开始工作时，一个脉冲信号由电控单元(ECU)发出，压电晶体执行器2膨胀推动活塞3向上运动，压缩高压油腔103中的燃油，与此同时，关闭进油口和进油簧片阀4并保持关闭状态。高压油腔中的压力很快升高，直到高压燃油推开出油单向球阀5，从喷射通道7中开始燃油喷射。

喷射结束后，压电晶体上升到最大上限位置，然后控制系统ECU关闭触发脉冲，压电晶体恢复到初始自然状态，活塞下移，高压油腔中出现真空，此时进油簧片阀4由于高压油腔103与低压油腔102的压差打开，出油单向球阀则由于外界压力和高压油腔103的压差而关闭，燃油由低压油腔经过活塞3的进油孔106重新填充到高压油腔103。

在整个燃油喷射过程中，进油簧片阀4本身的惯性增强了进油簧片阀的快速反应能力。压电晶体膨胀活塞压缩燃油时，进油簧片阀的质量惯性产生阻碍活塞运动的力，关闭进油簧片阀，因此增大了关闭进油簧片阀的压力，有助于防止燃油泄漏。喷射结束后，压电晶体恢复到自然状态的过程中，进油簧片阀惯性有助于进油簧片阀5快速打开，提高了燃油填充速度。由于进油簧片阀惯性的存在，压电晶体控制的喷射器更加适应于高速小型活塞发动机中。

由于压电晶体的形变伸缩量和加在两端的电压成正比，本发明的压电晶体和活塞连在一起，因此可以通过加到压电晶体两端电压的方式来控制活塞位移大小，从而控制调节单次喷油量大小。对于结构一定的压电晶体来讲，其最大形变量是确定的，因此采用其作为执行器的喷射器，单次最大喷射量也是确定的，也即实际应用在发动机上时，需要根据发动机排量大小确定本发明的压电晶体喷射器关键尺寸参数。现在，用在发动机燃油喷射系统的压电晶体形变量都是几十个μm，一般不超过100μm,因此本发明的压电晶体喷射器，其单次喷射量最大值基本上在几个μL，一般不超过3μL，单次喷射量大小可以在最大喷射量范围通过压电晶体两端电压值进行调节，这是相对于常规喷射器难以实现的关键优势。图2即是压电晶体控制脉冲电压和喷射量之间的波形图，当压电晶体驱动电压为最大电压值时，喷油量最大，当压电晶体为一定比例的最大电压值时，喷射量和最大喷射量也相应成比例，这也是采用本发明的喷射器，其控制调节算法和常规喷射器不一样的关键原因。采用本发明的喷射器，可以根据发动机工作循环所需喷油量的大小，直接计算喷射器工作次数，其中可以直接对小数部分进行控制，不再像常规控制喷射器那样进行小数部分的累积。

本发明的喷射器由于执行机构的特殊，其也需要特定的控制调节算法，其控制流程和算法如图3所示，具体通过下述步骤来实现：

步骤1：根据传感器计算确定发动机工作循环所需喷油量Q_n；

步骤2：确定喷射器工作循环内的理想喷射次数C_n；

由于压电晶体喷射器的单次喷射量P是一定的，由工作循环所需喷油量Q_n，可以得到喷射器该工作循环内需要工作的喷射次数C_n，将C_n分为整数和小数部分，整数部分是喷射器每次完全喷射产生的完整控制脉冲次数，也即压电晶体每次产生最大位移，每次喷射量为P，小数部分则是不完整控制脉冲，压电晶体此次不产生最大位移，此次喷射量和最大喷射量P有一定百分比关系。

步骤3：确定喷射器喷油正时；

本发明的喷射器由于是主要面对小排量活塞发动机的缸内直喷应用，喷油正时非常关键。喷油正时仍然由控制系统ECU计算得出，ECU根据曲轴位置传感器或者凸轮轴传感器得到发动机进气相位信息，根据程序空间的MAP数据，查表插值得到喷油正时角度信息，然后通过程序延时发出系列触发脉冲。触发脉冲首先是喷射次数C_n整数部分的完整控制脉冲，然后才是不完整控制脉冲。

Claims

1.一种压电晶体控制的喷油器，其特征在于：包括壳体、压电晶体执行器、活塞、进油簧片阀、簧片螺栓、出油单向球阀、锥形弹簧与喷油通道；所述壳体内部的上方设有加压喷射的高压油腔，壳体内部的下方是压电晶体执行器腔和低压油腔；所述压电晶体执行器设置于最下方的压电晶体执行器腔内，所述活塞下端和压电晶体执行器耦合，活塞上端和进油簧片阀通过簧片螺栓固定在一起，进油簧片阀与活塞间形成低压油腔，进油簧片阀将低压油腔与高压油腔隔开，低压油腔与压电晶体执行器腔之间设有O型密封环；所述活塞的周边上开有与低压油腔相连的进油孔；所述壳体上还设有与活塞对齐的进油口，进油口与低压油腔相通。壳体顶部是燃油喷口，燃油喷口与高压油腔连通，燃油喷口上方设置有喷油通道，喷油通道内由下至上依次设置有出油单向球阀与锥形弹簧；其中，出油单向球阀位于喷油通道的燃油喷口处。低压油腔与高压油腔通过进油簧片阀连通。

2.如权利要求1所述的压电晶体燃油喷油器，其特征在于：所述喷油器通过所述压电晶体执行器的压电晶体形变产生压力，压力值在20～70MPa之间。

3.如权利要求1所述的压电晶体燃油喷油器，其特征在于：所述燃油喷口的喷嘴直径在0.1～0.2mm之间。

4.如权利要求1－3中任一所述的压电晶体燃油喷油器的控制方法，其特征在于：控制方法由以下步骤组成：

步骤1：根据传感器计算确定发动机工作循环所需喷油量Q_n：

步骤2：确定喷射器工作循环内的理想喷射次数C_n：

喷射器在工作循环内需要工作的喷射次数C_n＝P/Q_n，其中P为压电晶体喷射器的单次喷射量，Q_n为工作循环所需喷油量，将C_n分为整数和小数部分，整数部分是喷射器每次完全喷射产生的完整控制脉冲次数，也即压电晶体产生最大位移每次喷射量为P的脉冲次数，小数部分则是不完整控制脉冲，压电晶体此次不产生最大位移，此次喷射量小于P。

步骤3：确定喷射器喷油正时：

控制系统ECU根据曲轴位置传感器或者凸轮轴传感器得到发动机进气相位信息，根据内部数据库查表插值得到喷油正时角度信息，然后通过程序延时发出系列触发脉冲。触发脉冲首先是C_n整数部分的完整控制脉冲，然后是不完整控制脉冲。