CN105971737A - 一种提高冲压发动机点火成功率的时序控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高冲压发动机点火成功率的时序控制方法，在点火前按照飞行器马赫数的不同，对燃料喷嘴设置不同的工作时序。燃烧室点火时，按照飞行器的速度，燃料喷嘴按照时序执行相应的动作，保证燃料的点火以及稳定燃烧，实现宽马赫数范围内的点火。在点火后，实时监测燃烧室状态，判断点火是否成功，及是否发生熄火故障。如果点火失败或熄火，执行再次点火操作，提高发动机点火成功率。合适的温度、压力是燃料在燃烧室内稳定燃烧的关键因素，本发明在点火后，实时检测燃烧室的温度、压力，当压力、温度匹配相应条件时，执行对应的匹配点火时序，即实现匹配控制，保证燃料稳定燃烧，防止出现熄火故障。

Description

一种提高冲压发动机点火成功率的时序控制方法

技术领域

本发明属于冲压发动机领域，尤其涉及一种提高冲压发动机点火成功率的时序控制方法。

背景技术

冲压发动机是一种依靠高速迎面空气流的减速增压作用进行工作的空气喷气发动机，其构造简单，没有像涡轮喷气发动机的压气机和涡轮那样的复杂转动部件，进入发动机的空气压缩是靠高速气流的滞止(冲压增压)来获得的。因此，进入冲压发动机燃烧室的气流速度很快，通常大于声速，而且发动机工作在高空中，环境温度低、空气密度很低，这些因素导致燃烧室点火困难、稳定燃烧也比较困难。

为了解决超声速气流中的点火和火焰稳定问题，通常利用局部亚声速低速区形成点火源，依靠亚声速燃烧区加热并点燃超音流。在目前已有的冲压发动机燃烧室中，在壁面设置凹腔是最常用的点火与火焰稳定方式。超声速气流流过凹腔会在凹腔内形成回流区，能够使火焰始终驻留在其中，并作为新的火源持续点燃上游来的燃料，从而实现火焰稳定。

凹腔结构一般都是放在燃烧室壁面处，有利之处是凹腔内的流动稳定，容易实现点火，凹腔在壁面处对主流影响小，流阻损失低。但是，对于流道面积大的冲压发动机，凹腔处的燃油和火焰不易向流道中心扩散，导致点不着超声速的主流。而且，如果点火时，冲压发动机的飞行马赫数较大，凹腔内的气流速度同样很快，点火也十分困难。

为解决上述问题，最新的冲压发动机在燃烧室凹腔前增加燃料喷嘴，促进燃料和空气的充分混合，保证在超声速气流下燃料的点火以及稳定燃烧。但是由于燃料喷嘴使用固定，只能针对特定马赫数实现有效点火，无法实现宽范围马赫数的点火。而且不具有燃烧室监测功能，不能判断点火是否成功，燃烧室是否熄火。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种提高冲压发动机点火成功率的时序控制方法。

技术方案

一种提高冲压发动机点火成功率的时序控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：发动机工作前，针对不同的马赫数，在发动机控制器内设置各马赫数对应的点火时序、匹配点火时序和点火压力阈值；所述点火时序包括：燃料喷嘴动作及时间，燃油喷嘴喷注的燃料量；所述匹配点火时序包括：燃料喷嘴动作及时间，燃油喷嘴喷注的燃料量，执行条件；所述点火压力阈值为发动机点火成功时燃烧室的临界压力值；所述执行条件为燃烧室内温度传感器测量的燃烧室温度数值与压力传感器测量的燃烧室气压数值的相与或相或；

步骤2：发动机点火时，控制器读取飞行器机身上测速传感器的飞行器马赫数，依据马赫数选择对应的点火时序；

步骤3：控制器执行点火时序中的内容，打开对应燃料喷嘴、喷注相应的燃料，实现点火；

步骤4：点火后，控制器取出燃烧室内压力传感器测量的燃烧室压力，将压力传感器的测量值与该压力传感器的有效范围值进行比较，若测量值位于该压力传感器的有效范围值内，测量值有效；

若测量值位于该压力传感器的有效范围值外，以该压力传感器的有效范围值的最大值为有效测量值；

步骤5：将有效测量值与点火阈值进行比较，如果判定时间内出现测量值小于点火阈值，则认为点火失败或发生熄火故障，需再次点火；

重复步骤2～步骤5至点火成功；

步骤6：在点火成功后，控制器取出燃烧室内温度传感器测量的燃烧室温度，及压力传感器测量的燃烧室气压，按照步骤4的程序得到压力传感器的有效测量值；

将温度传感器的测量值与该温度传感器的有效范围值进行比较，若测量值位于该温度传感器的有效范围值内，测量值有效；

若测量值位于该温度传感器的有效范围值外，以该温度传感器的有效范围值的最小值为有效测量值；

步骤7：当步骤6得到的温度有效测量值、压力有效测量值满足匹配时序中的执行条件时，执行匹配点火时序，根据燃烧室内温度、压力的变化调整燃料喷嘴的开关，进而改变燃料的喷注位置，以及燃料的喷注量，使得燃料跟空气充分混合，保证燃料稳定燃烧，实现温度、压力的匹配控制。

有益效果

本发明提出的一种提高冲压发动机点火成功率的时序控制方法，利用最新燃烧室结构凹腔前的燃料喷嘴，在点火前按照飞行器马赫数的不同，对燃料喷嘴设置不同的工作时序。不同的马赫数，对应的燃料供应量及燃料的喷注位置不同。燃烧室点火时，按照飞行器的速度，燃料喷嘴按照时序执行相应的动作，保证燃料的点火以及稳定燃烧，实现宽马赫数范围内的点火。在点火后，实时监测燃烧室状态，判断点火是否成功，及是否发生熄火故障。如果点火失败或熄火，执行再次点火操作，提高发动机点火成功率。合适的温度、压力是燃料在燃烧室内稳定燃烧的关键因素，本发明在点火后，实时检测燃烧室的温度、压力，当压力、温度匹配相应条件时，执行对应的匹配点火时序，即实现匹配控制，保证燃料稳定燃烧，防止出现熄火故障。

本发明能够达到如下效果：

1、根据飞行器速度的不同，执行不同的点火时序，实现宽马赫数范围内的可靠点火；

2、适时监测燃烧室状态，如果点火失败及出现熄火故障后，执行再次点火操作；

3、在点火后，根据压力、温度变化，执行匹配点火时序，保证燃料的稳定燃烧，防止出现熄火故障。

附图说明

图1本发明方法流程图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

发动机具有配备一个控制器，控制器能够存储、执行发动机工作的时序。发动机燃烧室中需安装有温度传感器、压力传感器，发动机燃烧室的点火机构需具备多次点火能力。飞行器机身上需安装有测量飞行器飞行马赫数的测速传感器。

发动机工作前，针对不同的马赫数，在控制器中分别存储其对应的工作时序，时序包括：点火时序、匹配点火时序。发动机需要执行点火操作时，按照飞行器的马赫数，执行对应的点火时序。各燃料喷嘴的开启/关闭，喷注燃料的多少，完全按照控制器中的设定点火时序工作。在点火过程中，控制器依据压力传感器测量的燃烧室气压实时监测燃烧室状态，判断点火是否成功，及是否发生熄火故障。如果点火失败或发生熄火故障，则执行新的点火操作。由于温度、压力决定燃料能否在燃烧室稳定燃烧，在点火后，实时监测燃烧室内的温度、压力，当温度压力满足条件时，执行匹配点火时序，实现温度、压力的匹配控制，保证燃料稳定燃烧，防止出现熄火故障。

下面详细阐述本发明的时序点火、熄火判断、匹配控制工作流程：

时序电火流程：

1、发动机工作前，针对不同的马赫数，在发动机控制器内分别设置各马赫数对应的点火时序、匹配点火时序。

2、发动机点火时，控制器读取飞行器机身上测速传感器测量的飞行器马赫数，依据马赫数选择对应的点火时序；

3、控制器执行点火时序中的内容，打开对应燃料喷嘴、喷注相应的燃料，实现点火。

熄火判断流程：

1、点火后，控制器取出燃烧室内压力传感器测量的燃烧室压力，对测量的压力值进行滤波处理。为保证控制器读取压力的可靠性，对测量值进行有效性判断；

2、控制器将测量的压力值与点火阈值进行比较。如果判定时间内出现测量值小于点火阈值的次数达到一定数量，则认为点火失败，或发生熄火故障，需再次点火。控制器再次读取此时的飞行器马赫数，并执行对应的点火时序。

匹配控制流程：

1、在点火后，控制器取出燃烧室内温度传感器测量的燃烧室温度，及压力传感器测量的燃烧室气压。为保证控制器读取温度、压力的可靠性，同样需要对测量的压力、温度值进行滤波处理，及需要对测量值进行有效性判断(此处的压力传感器可以与熄火判断流程中的压力传感器可使用相同的传感器，测量燃烧室内的压力)；

2、当温度、压力满足匹配条件时，执行匹配点火时序，根据燃烧室内温度、压力的变化调整燃料喷嘴的开关，进而改变燃料的喷注位置，以及燃料的喷注量，使得燃料跟空气充分混合，保证燃料稳定燃烧，实现温度、压力的匹配控制。

具体实施例：

发动机燃烧室内安装有两个压力传感器P₁、P₂，两个温度传感器T₁、T₂，飞行器机身上安装有一个测速传感器S₁。在发动机控制器中针对马赫数为4.5M及以上、3～4.5M、3M及以下，分别设置点火时序1，匹配点火时序1；点火时序2，匹配点火时序2；点火时序3，匹配点火时序3。各时序的具体内容如下：

点火时序1：第1s打开燃料喷嘴1、喷嘴2，第1.5s开始喷嘴1以100g/s的速度喷注燃料并打开点火器、第3s喷嘴2以80g/s的速度喷注燃料；

点火时序2：第0.5s打开燃料喷嘴2、喷嘴3，第1.2s开始喷嘴3以70g/s的速度喷注燃料并打开点火器、第2.7s喷嘴2以50g/s的速度喷注燃料；

点火时序3：第1s打开燃料喷嘴3、喷嘴4，第1.7s开始喷嘴3以90g/s的速度喷注燃料并打开点火器、第2.5s喷嘴4以70g/s的速度喷注燃料；

匹配点火时序1：第1s关闭燃料喷嘴1、打开喷嘴3，第2s开始喷嘴2喷注燃料的速度改为100g/s、第3s喷嘴3以80g/s的速度喷注燃料；

匹配点火时序2：第1s关闭燃料喷嘴3、打开喷嘴4，第2s开始喷嘴2喷注燃料的速度改为110g/s、第3s喷嘴4以50g/s的速度喷注燃料；

匹配点火时序3：第1s关闭燃料喷嘴3、打开喷嘴1，第2s开始喷嘴4喷注燃料的速度改为900g/s、第3s喷嘴1以120g/s的速度喷注燃料；

本实例约定：P₁、P₂测量值的有效范围均为：0.1～9.0MPa。每5ms对传感器的测量数据进行一次判断，发生以下两种情况中任何一种则认为发生了一次熄火故障：

1、P₁、P₂的测量值均有效，且均低于4.3MPa；

2、P₁、P₂中一个传感器有效，一个传感器无效，且有效值低于4.3MPa。

如果100ms内故障的次数超过10次，控制器则认为发生了熄火故障，需执行再次点火操作。

T₁、T₂测量值的有效范围均为：200～800℃。当压力、温度满足以下条件时，执行对应的匹配点火时序。

1)P₁、P₂的测量值任一有效，且其值大于6.7MPa；

2)T₁、T₂的测量值任一有效，且其值大于580℃。

发动机执行点火操作前，控制器从S₁处读取飞行器的马赫数为3.7M，按照点火时序2进行点火。

在执行点火时序2过程中，控制器每5ms从P₁、P₂处读取压力传感器测的燃烧室气压，并采用算术平均滤波方法对P₁、P₂滤波，并判断其有效性，如果P₁、P₂的测量值满足条件1或条件2，则认为发生了一次熄火故障。如果100ms出现10次及以上故障，控制器认为发生了熄火故障，再次从S₁处读取飞行器的马赫数，执行新的点火操作。否则继续执行原点火时序。

在点火过程中，控制器每5ms从P₁、P₂处读取压力传感器测的燃烧室气压，并采用算术平均滤波方法对P₁、P₂滤波，并判断其有效性；每5ms从T₁、T₂处读取温度传感器测的燃烧室温度，并采用中位值滤波法对T₁、T₂滤波，并判断其有效性。如果P₁、P₂，T₁、T₂测量值匹配条件1)或条件2)，则认为满足匹配点火的条件，执行匹配点火时序2。否则继续执行原点火时序。

Claims (1)

1.一种提高冲压发动机点火成功率的时序控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：发动机工作前，针对不同的马赫数，在发动机控制器内设置各马赫数对应的点火时序、匹配点火时序和点火压力阈值；所述点火时序包括：燃料喷嘴动作及时间，燃油喷嘴喷注的燃料量；所述匹配点火时序包括：燃料喷嘴动作及时间，燃油喷嘴喷注的燃料量，执行条件；所述点火压力阈值为发动机点火成功时燃烧室的临界压力值；所述执行条件为燃烧室内温度传感器测量的燃烧室温度数值与压力传感器测量的燃烧室气压数值的相与或相或；

步骤2：发动机点火时，控制器读取飞行器机身上测速传感器的飞行器马赫数，依据马赫数选择对应的点火时序；

步骤3：控制器执行点火时序中的内容，打开对应燃料喷嘴、喷注相应的燃料，实现点火；

步骤4：点火后，控制器取出燃烧室内压力传感器测量的燃烧室压力，将压力传感器的测量值与该压力传感器的有效范围值进行比较，若测量值位于该压力传感器的有效范围值内，测量值有效；

若测量值位于该压力传感器的有效范围值外，以该压力传感器的有效范围值的最大值为有效测量值；

步骤5：将有效测量值与点火阈值进行比较，如果判定时间内出现测量值小于点火阈值，则认为点火失败或发生熄火故障，需再次点火；

重复步骤2～步骤5至点火成功；

步骤6：在点火成功后，控制器取出燃烧室内温度传感器测量的燃烧室温度，及压力传感器测量的燃烧室气压，按照步骤4的程序得到压力传感器的有效测量值；

将温度传感器的测量值与该温度传感器的有效范围值进行比较，若测量值位于该温度传感器的有效范围值内，测量值有效；

若测量值位于该温度传感器的有效范围值外，以该温度传感器的有效范围值的最小值为有效测量值；

步骤7：当步骤6得到的温度有效测量值、压力有效测量值满足匹配时序中的执行条件时，执行匹配点火时序，根据燃烧室内温度、压力的变化调整燃料喷嘴的开关，进而改变燃料的喷注位置，以及燃料的喷注量，使得燃料跟空气充分混合，保证燃料稳定燃烧，实现温度、压力的匹配控制。