CN112228182A - 一种无人机用发动机滑油冷却控制系统及控制方法 - Google Patents

一种无人机用发动机滑油冷却控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无人机用发动机滑油冷却控制系统及控制方法，滑油冷却控制系统根据发动机不同的运行状态及反馈的滑油温度实时调整滑油冷却气道开度，以达到调节滑油散热器冷却进气量，发动机滑油温度合理控制的目的。发动机运转后，在滑油温度较高时，控制系统自动增大气道门开度，直至全开，增加冷却空气量；滑油温度较低时自动减小气道门开度，直至全关，减小冷却空气量。此方法有效避免因滑油润滑效果差造成发动机运动副磨损甚至损坏，实现了对滑油温度的自动闭环控制，使发动机尽可能工作在高效区；同时，提高了滑油散热器机上布置的灵活度，合理设置冷却气道冲压进气口，减少无人机气动阻力。

Description

一种无人机用发动机滑油冷却控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于无人机用发动机滑油冷却技术领域，特别是涉及一种以航空活塞发动机为动力的无人机滑油冷却控制系统和控制方法。
背景技术
采用独立润滑的无人机航空活塞发动机，为使发动机工作达到持续有效润滑的目的，发动机工作后需对滑油温度进行冷却控制。滑油冷却主要分为气冷和油冷两种方式，而中小型无人机因受结构、重量等限制，较多利用外界空气对滑油进行气冷，即空气吹拂滑油散热器。
为保证滑油散热器有效散热，空气通过无人机冷却气道引入散热器迎风面。通常在无人机高速飞行时，发动机大功率运转，速度冲压使大量空气进入冷却气道，滑油冷却效果明显；而发动机功率较低时，滑油温度不高，引入大量空气冷却会造成滑油温度偏低，甚至低于发动机运转所需滑油温度极限，易造成发动机工作不稳定、甚至损坏发动机运动部件。
发明专利申请201811533430.4“一种串联式滑油冷却装置”中螺旋桨飞机分别使用空气与燃油两种介质散热器对发电机滑油进行冷却，当滑油温度低于设计值时，利用旁通阀和手动开关控制滑油不经散热器直接进入发电机。此方法结构较复杂，系统重量增大，且手动开关无法用于无人机空中滑油温度冷却控制切换。
如何根据发动机运转的实际工况，合理冷却滑油，使其温度始终适于发动机舒适运转，不超出使用限制，在现有的无人机技术中还无简单有效的冷却控制方法和控制系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机滑油温度冷却调节控制系统和控制方法，设置简单调节机构、制定有效控制逻辑，解决独立润滑的航空活塞发动机工作过程中滑油温度合理冷却的问题，使发动机空中可靠工作。
本发明的技术方案是：一种采用航空活塞发动机为动力的无人机滑油冷却控制系统，包括冷却气道、气道门、气道舵机、滑油散热器、滑油温度传感器、滑油泵、舵机控制器和滑油箱；所述气道舵机包括舵机执行机构和舵机摇臂；
所述冷却气道为设置在无人机机身蒙皮上的气动开口与内部冷却气流通道；冷却气道前端设置气道门；
所述气道舵机位于冷却气道内靠近进气入口处，舵机执行机构根据舵机控制器的指令控制舵机摇臂不同角度运动，舵机摇臂控制气道门开启不同角度；
所述滑油散热器位于冷却气道底部，进口端通过管路与滑油箱连接，出口端通过管路与发动机滑油泵入口连接，输出冷却后的滑油；
所述滑油温度传感器安装于发动机滑油泵上，用于将采集的滑油温度信号通过电缆实时输送给舵机控制器；
所述舵机控制器连于无人机动力系统控制电路，实现对上位机指令的执行控制、滑油温度判定与气道舵机摇臂位置信息反馈分析。
本发明进一步的技术方案是：一种采用航空活塞发动机为动力的无人机滑油冷却控制方法，包括以下步骤：
步骤1：设计合理冷却风道有效面积，满足发动机工作滑油最大散热需求；
步骤2：根据无人机机身外形气动特点与滑油散热器安装位置设计冲压进气口位置与外形，减少飞机气动阻力，同时满足滑油最大冷却进气需求；
步骤3：根据发动机可靠运转滑油温度限制范围，制定气道门开度-滑油温度控制逻辑，包括以下子步骤：
子步骤3.1：定义滑油各个阶段温度和气道门状态：
滑油温度t0为发动机工作时目标温度，控制调整气道门开度使滑油温度向t0调节；
滑油温度t1为发动机工作时最低保护温度，滑油温度低于t1气道门关闭；
滑油温度t2～t3为发动机工作时理想温度区间，在此温度范围下气道门开度保持不变；
滑油温度t4为发动机工作时最高保护温度，滑油温度高于t4气道门全开；
且滑油温度：t1＜t2＜t0＜t3＜t4；
子步骤3.2：发动机工作，开始实施滑油温度控制：
当舵机控制器收到滑油温度传感器采集的滑油温度t＜t1，则控制气道舵机作动，舵机摇臂移动使气道门全关；
当舵机控制器收到滑油温度传感器采集的滑油温度t＞t1，则舵机控制器判断是否t2＜滑油温度t＜t3，如滑油温度在此范围，气道舵机保持气道门开度不变；
当舵机控制器收到滑油温度传感器采集的滑油温度不在t2～t3区间范围，则舵机控制器判断是否滑油温度t＞t4，满足条件，则控制气道舵机作动，舵机摇臂移动使气道门全开；如不满足滑油温度t＞t4，舵机控制器则按预置的发动机工作滑油温度变化规律进行解算，控制气道舵机作动，调整气道门开度使冷却后的滑油温度向目标温度t0调节；
步骤4：发动机运转，舵机控制器根据发动机工作状态、滑油温度传感器采集的滑油温度控制舵机执行气道门打开位置调整，从而控制无人机滑油冷却进气量，使滑油以合适的温度润滑发动机，实现滑油温度冷却的闭环控制。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明提供了一种无人机用发动机滑油冷却控制系统和控制方法，能够根据发动机运行的不同状态及反馈的滑油温度实时调整滑油冷却气道开度，以达到调节滑油散热器冷却进气量，发动机滑油温度合理控制的目的。
采用以上控制系统和控制方法，有效避免滑油温度过低粘滞或过高稀释甚至蒸发，润滑效果差造成发动机运动副磨损甚至损坏，实现了对滑油温度的自动闭环控制。发动机运转后，滑油温度较高时，控制系统自动增大气道门开度，直至全开，增加冷却空气量；滑油温度较低时自动减小气道门开度，直至全关，减小冷却空气量，最终无需冷却。此方法增加了无人机活塞发动机工作的舒适性与可靠性，减少了发动机运动部件的磨损风险，使发动机工作在高效区；同时，提高了滑油散热器机上布置的灵活度，合理设置冷却气道冲压进气口，减少无人机气动阻力。
附图说明
图1滑油冷却控制系统示意图，图中粗实箭头为滑油流动方向，虚线为控制电路：
图2气道门开度-滑油温度控制逻辑框图
附图标记说明：1.冷却气道2.气道门3.气道舵机4.滑油散热器5.滑油温度传感器，6.滑油泵7.舵机控制器8.发动机9.滑油箱，301.舵机执行机构302.舵机摇臂
具体实施方式
本控制系统与控制方法应用于某型以航空活塞发动机为动力的无人机滑油冷却控制的设计中，使发动机工作过程中的滑油温度得到有效的闭环控制与调节，发动机从地面到高空运转平稳可靠。
下面参照图1、图2，通过具体应用实例对本滑油冷却控制系统和方法进行完整说明。
根据无人机总体布局与气动布局，本发明设计的滑油冷却系统包括：冷却气道1、气道门2、气道舵机3、滑油散热器4、滑油温度传感器5、滑油泵6、舵机控制器7和滑油箱9。
设置可调节的滑油冷却系统，制定简单、有效的冷却气道调节控制逻辑，通过滑油温度变化实时调节冷却气道开度，合理闭环冷却滑油。
一种采用航空活塞发动机为动力的无人机滑油冷却控制系统，其特征包括：
冷却气道、气道门、气道舵机、滑油散热器、滑油温度传感器、滑油泵、舵机控制器和滑油箱。所述气道舵机包括：舵机执行机构和舵机摇臂。
所述冷却气道为综合考虑无人机整体气动布局、发动机滑油冷却需求与发动机舱气动外形等因素而设置在无人机机身蒙皮上的气动开口与内部冷却气流通道；冷却气道前端设置气道门；
所述气道舵机位于冷却气道内靠近进气入口处，舵机执行机构接收舵机控制器的指令，控制舵机摇臂运动，从而控制气道门开启不同角度；
所述滑油散热器位于冷却气道底部，进口端通过管路与滑油箱连接，出口端通过管路与发动机滑油泵入口连接，输出冷却后的滑油；
所述滑油温度传感器安装于发动机滑油泵上，用于将采集的滑油温度信号通过电缆实时输送给舵机控制器；
所述舵机控制器连于无人机动力系统控制电路，实现对上位机指令的执行控制、滑油温度判定与气道舵机摇臂位置信息反馈分析等。
一种采用航空活塞发动机为动力的无人机滑油冷却控制方法，其特征在于以下步骤：
步骤1：根据无人机整体气动布局、发动机舱气动外形与内部结构、发动机滑油冷却需求等合理设计冷却风道有效面截积，满足发动机工作滑油最大散热需求。
步骤2：根据无人机机身外形气动特点与滑油散热器安装位置设计冲压进气口位置与外形，减少飞机气动阻力，同时满足滑油最大冷却进气需求。
步骤3：根据发动机可靠运转滑油温度限制范围，制定气道门开度-滑油温度控制逻辑。
子步骤3.1：定义滑油各个阶段温度和气道门状态：
所述滑油温度t0为发动机工作时目标温度，控制调整气道门开度使滑油温度向t0调节；
所述滑油温度t1为发动机工作时最低保护温度，滑油温度低于t1气道门关闭；
所述滑油温度t2～t3为发动机工作时理想温度区间，在此温度范围气道门开度保持不变；
所述滑油温度t4为发动机工作时最高保护温度，滑油温度高于t4气道门全开；
所述滑油温度：t1＜t2＜t0＜t3＜t4；
子步骤3.2：发动机工作，开始实施滑油温度控制：
当舵机控制器收到滑油温度传感器采集的滑油温度t＜t1，则控制气道舵机作动，舵机摇臂移动使气道门全关；
当舵机控制器收到滑油温度传感器采集的滑油温度t＞t1，则舵机控制器判断是否t2＜t＜t3，如滑油温度在此范围，气道舵机保持气道门开度不变；
当舵机控制器收到滑油温度传感器采集的滑油温度不在t2～t3区间，则舵机控制器判断是否滑油温度t＞t4，满足条件，则控制气道舵机作动，舵机摇臂移动使气道门全开；如不满足滑油温度t＞t4，舵机控制器则按预置的发动机工作滑油温度变化规律进行解算，控制气道舵机作动，调整气道门开度使冷却后的滑油温度向目标温度t0调节。
步骤4：发动机运转，舵机控制器根据发动机工作状态、滑油温度传感器采集的滑油温度控制舵机执行气道门打开位置调整，从而控制无人机滑油冷却进气量，使滑油以合适的温度润滑发动机，实现滑油温度冷却的闭环控制。
具体的，机身表面冲压进气口为冷却气道1入口，根据机身外形气动特点与滑油散热器安装位置设计冲压进气口位置与外形，以减少无人机飞行的气动阻力；
具体的，气道入口处安装转轴式气道门2，气道门2的旋转开启由安装在其附近无人机结构上的气道舵机3通过摇臂302控制，摇臂302长度满足舵机执行机构301有效行程内气道门完全开合到位；
具体的，冷却气道1内型由无人机气动布局、发动机舱气动外形及内部结构、滑油散热器4安装位置与滑油冷却散热量综合考虑；
具体的，为提高散热效率滑油散热器4布置在进气风道1底部，发动机8附近，正对来流方向；
具体的，舵机控制器7集成在无人机控制器内部，通过控制电缆指令气道舵机3执行机构301工作，并实时采集安装于发动机8滑油泵6上滑油温度传感器5测得的滑油温度。
滑油温度冷却闭环控制方法：在发动机8起动与工作过程中，无论地面与空中，按照图2控制逻辑对气道门2进行控制调节，保证滑油温度有利于发动机运转。
具体的，发动机起动前，动力系统加电，舵机控制器7根据采集的滑油温度t与t1的比较指令气道舵机3打开或关闭气道门2；
具体的，发动机点火成功，稳定工作后，滑油温度逐渐上升，舵机控制器7根据采集的滑油温度t与t1/t2/t3/t4的比较，通过其内置控制规律的解算，实时调整气道门2开度，保证在发动机小功率状态滑油温度t较低时气道门2关小，当t＜t1时，气道门2全关；发动机大功率工作时滑油温度迅速上升，舵机控制器7及时调整气道门2开大，当t＞t4时，气道门2全开，保证充足的冷却空气进入吹拂滑油散热器4；无人机飞行过程中，当时飞行姿态与发动机功率状态下，滑油温度t处于t2～t3之间，说明滑油温度调节理想，发动机工作舒适，此时气道门2控制保持不变，直至滑油温度超出理想范围，舵机控制器7调节气道门2使滑油温度t向目标值t0接近；如此循环调节，直至发动机停车，实现滑油冷却的闭环控制调节。
依据无人机设定的发动机工作流程，实施以上滑油冷却控制逻辑，可以有效提高发动机的起动效率、调节发动机工作后的滑油温度，保证发动机运动部件的可靠润滑，并适当延长发动机的维护周期与使用寿命。
以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种采用航空活塞发动机为动力的无人机滑油冷却控制系统，其特征在于，包括冷却气道(1)、气道门(2)、气道舵机(3)、滑油散热器(4)、滑油温度传感器(5)、滑油泵(6)、舵机控制器(7)和滑油箱(9)；所述气道舵机(3)包括舵机执行机构(301)和舵机摇臂(302)；
所述冷却气道(1)为设置在无人机机身蒙皮上的气动开口与内部冷却气流通道；冷却气道(1)前端设置气道门(2)；
所述气道舵机(3)位于冷却气道(1)内靠近进气入口处，舵机执行机构(301)根据舵机控制器(7)的指令控制舵机摇臂(302)不同角度运动，舵机摇臂(302)控制气道门(2)开启不同角度；
所述滑油散热器(4)位于冷却气道(1)底部，进口端通过管路与滑油箱(9)连接，出口端通过管路与发动机滑油泵(6)入口连接，输出冷却后的滑油；
所述滑油温度传感器(5)安装于发动机滑油泵(6)上，用于将采集的滑油温度信号通过电缆实时输送给舵机控制器(7)；
所述舵机控制器(7)连于无人机动力系统控制电路，实现对上位机指令的执行控制、滑油温度判定与气道舵机(3)摇臂(302)位置信息反馈分析。
2.基于权利要求1所述一种采用航空活塞发动机为动力的无人机滑油冷却控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设计合理冷却风道有效面积，满足发动机工作滑油最大散热需求；
步骤2：根据无人机机身外形气动特点与滑油散热器安装位置设计冲压进气口位置与外形，减少飞机气动阻力，同时满足滑油最大冷却进气需求；
步骤3：根据发动机可靠运转滑油温度限制范围，制定气道门开度-滑油温度控制逻辑，包括以下子步骤：
子步骤3.1：定义滑油各个阶段温度和气道门状态：
滑油温度t0为发动机工作时目标温度，控制调整气道门开度使滑油温度向t0调节；
滑油温度t1为发动机工作时最低保护温度，滑油温度低于t1气道门关闭；
滑油温度t2～t3为发动机工作时理想温度区间，在此温度范围下气道门开度保持不变；
滑油温度t4为发动机工作时最高保护温度，滑油温度高于t4气道门全开；
且滑油温度：t1＜t2＜t0＜t3＜t4；
子步骤3.2：发动机工作，开始实施滑油温度控制：
当舵机控制器收到滑油温度传感器采集的滑油温度t＜t1，则控制气道舵机作动，舵机摇臂移动使气道门全关；
当舵机控制器收到滑油温度传感器采集的滑油温度t＞t1，则舵机控制器判断是否t2＜滑油温度t＜t3，如滑油温度在此范围，气道舵机保持气道门开度不变；
当舵机控制器收到滑油温度传感器采集的滑油温度不在t2～t3区间范围，则舵机控制器判断是否滑油温度t＞t4，满足条件，则控制气道舵机作动，舵机摇臂移动使气道门全开；如不满足滑油温度t＞t4，舵机控制器则按预置的发动机工作滑油温度变化规律进行解算，控制气道舵机作动，调整气道门开度使冷却后的滑油温度向目标温度t0调节；
步骤4：发动机运转，舵机控制器根据发动机工作状态、滑油温度传感器采集的滑油温度控制舵机执行气道门打开位置调整，从而控制无人机滑油冷却进气量，使滑油以合适的温度润滑发动机，实现滑油温度冷却的闭环控制。
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