CN112814788A - 基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制系统及其方法，煤油流量的控制精度是微发起动成功与否的关键之一。本发明提出了一种小流量供油控制方法，在微型涡喷的煤油点火起动阶段可以实现更为精确的油路供油控制。提出了一种更加稳定、可靠、迅速的煤油点火器点火方法。公开一种微型涡轮发动机的煤油点火起动控制方法。与传统丙烷助燃起动相比，煤油点火起动微发的温度上升更加平稳，超温现象显著改善，起动到慢车时间也得以缩短。精简了微发起动系统，提高了安全性、便携性。

Description

基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制系统及其方法

技术领域

本发明是一种基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制方法，属于微型涡轮发动机控制技术领域。

背景技术

微型涡轮发动机（Micro Turbine Engine，MTE）体积小、重量轻、推重比大，可用于高级航模、无人机、航拍等领域，也可用作导弹等的动力，近年来得到学术界和工业界越来越多的关注和研究。结构上微发不具备燃油雾化装置，也没有专门的电子打火装置，故而直接利用航空煤油点火具有一定难度。通常微发起动时都是先向其燃烧室通入丙烷气体，点燃丙烷气体进行预燃，再通入航空煤油，煤油在微发的毛细蒸发管被丙烷火焰加热汽化，之后被点燃并在燃烧室燃烧作功。这种起动方式需要额外的点火燃料，并且其起动过程较为复杂，还存在一些安全隐患。

发明内容

本发明提出的是一种基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制方法，包括利用开关电磁阀提高小流量供油精度技术，点火器的点火方法，以及基于煤油点火器的发动机的慢车起动控制方案。相比丙烷气预燃点火的方式，新方法使用单一燃料，并且更加安全、便捷、稳定、迅速。

本发明的技术解决方案：微型涡轮发动机起动控制系统，其结构包括电子控制器、燃油泵、主油阀、点火阀、微型涡轮发动机和三通接头，所述微型涡轮发动机上安装有起动电机和煤油点火器，燃油泵将油箱里的航空煤油抽到三通接头，三通接头将燃油分成点火油路和主油路，点火油路连接煤油点火器进油接头，配有点火阀独立控制点火油路通断，主油路连接微型涡轮发动机燃烧室，配有主油阀独立控制主油路通断；其中，电子控制器的PWM信号输出端连接燃油泵信号输入端，调节微型涡轮发动机燃油流量，微型涡轮发动机开关信号输出端分别连接主油阀、点火阀的信号输入端，控制点火阀和主油阀的开闭，辅助调节两路油路的供油量，控制信号输出端分别连接起动电机、煤油点火器的信号输入端，控制电机转速及煤油点火器开闭，微型涡轮发动机的状态参数输出端连接电子控制器的信号输入端，接收微型涡轮发动机的状态参数如排气温度或转速。

所述煤油点火器结构包括点火器壳体、陶瓷点火芯、以及进油接头，点火器壳体内壁具有螺纹引流槽，煤油从进油接头进入，经过引流以及重力作用均匀地分布在点火芯的表面发热部分；点火器壳体与发动机壳体通过外螺纹连接，将煤油点火器固定在微型涡轮发动机上。

所述煤油点火器的稳定点火方式包括如下步骤：

1) 以陶瓷点火芯的额定直流电压给其供电，点火芯温度随之升高，随后温度稳定；

2)通过进油接头向点火器通入适量航空煤油，经过点火器内部引流结构以及重力作用，煤油均匀覆盖于点火芯发热部位，液体煤油会被炽热的点火芯迅速加热成煤油蒸气并被点燃；

3)提高供油量，点火器端部的火焰尺寸会随之增大，并有向前喷射的特征。

所述起动电机为高速直流电机，起动电机转动时，端部紧压在微型涡轮发动机轴承转轴上，从而带动微型涡轮发动机转子旋转。

所述点火阀和主油阀为小型直流开关电磁阀，响应时间为毫秒级；该电磁阀没有开度调节，只有常开和常闭两种状态，通过电平信号驱动。本发明提出利用连续变化的高低电平信号控制阀的开闭状态，此时电磁阀处于连续的打开和关闭状态，频率由驱动电平信号的变化频率决定。类比于PWM信号调节，电磁阀在一个周期内的开启时间占整个变化周期的时间比例即为占空比，通过改变占空比可以改变流过电磁阀的燃油量大小，近似调节开度，采用此方法调节供油量，可以在不更换设备的情况下，将能够稳定控制的最小燃油流量量级优化到原来的几分之几甚至十几分之一（由电磁阀的最低响应时间决定）。从而可以精确调节两路油路的煤油流量。

其控制方法包括如下步骤：

1）点火准备阶段：煤油点火器通电预热和打开起动电机，控制起动电机转速维持较低的转速（1000~1500RPM），给煤油点火器提供合适的空气流量，便于点火；

2）点火阶段：预热完成后打开油泵，电子控制器控制油泵PWM占空比和点火阀占空比，向煤油点火器通入合适的燃油量，此时点火器喷出火焰；

3）热机阶段：调节起动电机转速和点火油路供油量以增大火焰尺寸，尾气温度升高；

4）燃烧阶段：尾气温度达到80℃，打开主油路油阀，调节油阀驱动信号的占空比，控制主油路燃油流量，主油路煤油流入微发的毛细蒸发管被煤油点火器的火焰加热蒸发从而燃烧做功；

5）慢车阶段：逐渐增大主油路燃油流量使微发转速逐渐上升，控制微型涡轮发动机运行至慢车。

所述步骤2）点火阶段中，对点火阀的控制是以10Hz的频率连续开闭，占空比为60%，既可保证点火初期燃油流量可以稳定控制，也可保证在提高油泵占空比进行热机时点火油路燃油流量不会太大而导致点火器滴油现象。

所述步骤3）热机阶段中，电机转速随尾气温度按某线性关系提高，油泵占空比维持在4%，点火阀占空比从60%逐渐提高到100%。

所述步骤4）燃烧阶段中，此时油泵占空比为4%，油阀占空比从20%逐步增加到100%，与尾气温度线性相关，此时主油路燃油会流入微发燃烧室内的毛细蒸发管内，初始时的流量很小，易被煤油点火器的火焰加热蒸发从而引燃。

所述步骤5）慢车阶段中，微发起动经过上述步骤后，燃烧室内已形成连续燃烧的火焰，此时点火阀与主油阀的占空比均为100%，即为常开状态，为避免调节油泵造成过量液态煤油从煤油点火器直接流入燃烧室造成燃烧不充分的问题，需要关闭点火阀，断开煤油点火器电源。之后调高油泵PWM信号占空比，提高进入微发毛细蒸发管内的煤油流量，增大燃烧强度，使之对涡轮做功能力提高，发动机逐步驶入慢车状态。

本发明的有益效果：

1）避免了高压电磁脉冲点火方法的强电磁干扰、电热丝点火器容易烧毁等可靠性问题，具有寿命长、可靠性高的优点。

2）提出了煤油点火器点火方法，使其点火稳定、可靠、快速。

3）提出了一种基于电磁阀的小流量燃油控制方法，大大提高了小流量供油的控制精度。

3）精简了微发起动控制系统，提高了便携性，缩短了起动时间，并使微发起动更加安全、便捷、稳定、迅速。

4）采用小型直流开关电磁阀，利用连续变化的高低电平信号控制阀的开闭状态，用此方法调节供油量，可以在不更换设备的情况下，将能够稳定控制的最小燃油流量量级优化到原来的几分之几甚至十几分之一（由电磁阀的最低响应时间决定）。从而可以精确调节两路油路的煤油流量。

附图说明

附图1是煤油点火器结构图。

附图2是微型涡轮发动机起动控制系统结构图。

附图3是微型涡轮发动机燃油系统图。

附图4是油阀PWM调节图。

附图5是油泵油阀调节供油量图。

附图6是微发煤油点火起动的控制流程图。

具体实施方式

应用于微型涡喷发动机点火起动的煤油点火器，其结构主要有点火器壳体、陶瓷点火芯、以及进油接头。点火器的壳体内壁具有螺纹引流槽，煤油从进油接头进入，经过引流以及重力作用可以均匀地分布在点火芯的表面发热部分；点火芯的铜套内侧卡在点火器壳体内部设计的凸台上，外侧则通过六角螺母与点火器壳体外螺纹连接进而固定陶瓷点火芯，防止其窜动；点火器壳体与进油接头通过螺纹连接，同时进油接头上设计了六角螺母以及外螺纹，方便工具装卸操作以及固定进油管路；点火器壳体与发动机壳体通过外螺纹连接，可将煤油点火器固定在发动机上。相关连接处均有铜质垫片用于密封煤油。

应用于微型涡喷发动机点火起动的煤油点火器，其外部稳定点火包括如下步骤：1) 以6V的直流电源给煤油点火器供电，约6s后点火器的陶瓷点火芯温度升高并基本稳定下来；2)通过进油接头向点火器通入极少量煤油，点火器头部会迅速产生火焰；3)提高供油量，点火器火焰尺寸会随之增大，并有向前喷射的特征。

基于上述煤油点火器起动的微型涡喷发动机慢车起动控制包括如下步骤： 1)打开煤油点火器供电电源，控制起动电机转速维持在2000RPM; 2)6s后打开油泵，控制油泵的PWM信号维持在合适值，控制向煤油点火器供油的油路点火阀维持在60%占空比； 3)线性提高油泵的PWM信号占空比，控制起动电机转速随尾气温度的升高而升高；4)尾气温度达到80℃以上时，维持油泵PWM信号、电机转速，点火阀占空比不变。这个状态下尾气温度会进一步升高；4)尾气温度大于100℃时，打开控制煤油进入微发燃烧室毛细蒸发管的油路主油阀，使其初始占空比为20%，逐渐增大主油阀占空比，直至100%。5）增大油泵PWM信号占空比从而增大微发转速，使其驶入慢车。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明：

图1为所用煤油点火器结构图，主要由三部分组成：点火器壳体、进油接口和点火芯。煤油管路与进油接头连接，之后流入壳体内部，经导流结构均匀覆盖于点火芯表面。壳体尾部会插入到微发燃烧室处，火焰会喷射到燃烧室内部加热蒸发管。

本发明优化了煤油点火器点火方法，其主要步骤如下：1）煤油点火器上电预热，此时切断油路通道，待点火芯温度稳定；2）点火器预热完毕后不要切断电源，打开油路，向点火器通入少量煤油，点火器的端部会立刻产生肉眼可见的火焰；3）点火器的火焰稳定后逐渐加大供油量火焰尺寸会随之增大。此点火方法可以大大缩短点火时间，点火成功率也非常高，并且不会产生白烟（煤油蒸汽）。

图2是微型涡轮发动机起动控制系统结构，主要包括ECU（电子控制器）、燃油泵、主油阀、点火阀、微型涡轮发动机。电子控制器输出PWM信号用于控制油泵的功率，是改变微发燃油流量的主要调节方式。ECU还可以输出两路开关信号控制点火阀和主油阀的开闭，用于辅助调节两路油路的供油量。电机转速及煤油点火器开闭也由ECU控制。同时接收发动机的排气温度和转速等状态参数。

图3是微型涡轮发动机的燃油系统，油泵将油箱里的航空煤油抽到三通接头，燃油分成点火路和主油路，分别流向点火器进油接头和微发燃烧室，油路配有点火阀和主油阀两个开关电磁阀。在煤油点火起动阶段，两个油路的供油时间、流量大小、变化均不相同，为此通过控制油阀的开启关闭达到调节燃油流量的效果。

图4是油阀PWM调节示意图，图中横坐标为时间轴，纵坐标0表示电磁阀关闭，1表示电磁阀开启。图中表示电磁阀的三种状态。Ⅰ是关闭状态，此时油路完全关闭；Ⅱ是打开状态，油路完全开启，燃油流量仅受油泵控制；Ⅲ是PWM状态，此状态下油阀连续快速开闭，ECU可以改变其占空比。这种状态下的燃油量受油泵PWM信号占空比和电磁阀PWM信号占空比联合控制，可以实现更为精确的燃油流量控制。并提高了燃油流量的可控制范围。

图5是油泵油阀调节供油量图，本实验室油泵的最低PWM控制信号的占空比为4%，当驱动油泵的PWM信号占空比低于3.5%时，油泵的工作状态极不稳定，会间歇性停止工作，油泵在4%的占空比下工作时，燃油流量超出煤油点火器点火所需要的供油量。所以需要电磁阀的联合调节。如图5所示，燃油流量受点火阀占空比和油泵占空比联合调节，在小流量下，将油泵的占空比控制在4%，采用前文所述的方法调节油路上的电磁阀开度，在油路的终端，燃油流量大小精确可控，足以满足煤油点火器工作的各个阶段所需的燃油流量供应。

图6是微发煤油点火起动的控制流程图。第一步是点火准备阶段，包括点火器通电预热和打开起动电机，为燃烧室通入足够的空气便于点火。预热结束后是点火器点火阶段，主要是控制油泵PWM占空比和点火阀占空比，向点火器通入合适的燃油量。点火器点火成功后是热机阶段，此时调节电机转速和点火路供油量增大火焰尺寸，尾气温度迅速升高。尾气温度达到80℃后，打开主油路油阀并控制燃油流量，主油路煤油流入蒸发管被加热蒸发从而燃烧做功。接下来逐渐增大主油路燃油流量使微发转速逐渐上升，并依次关闭起动电机和油泵，最终运行至慢车。

Claims (6)

1.基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制系统，其特征是其结构包括电子控制器、燃油泵、主油阀、点火阀、微型涡轮发动机和三通接头，所述微型涡轮发动机上安装有起动电机和煤油点火器，燃油泵将油箱里的航空煤油抽到三通接头，三通接头将燃油分成点火油路和主油路，点火油路连接煤油点火器进油接头，配有点火阀独立控制点火油路通断，主油路连接微型涡轮发动机燃烧室，配有主油阀独立控制主油路通断；其中，电子控制器的PWM信号输出端连接燃油泵信号输入端，调节微型涡轮发动机燃油流量，微型涡轮发动机开关信号输出端分别连接主油阀、点火阀的信号输入端，控制点火阀和主油阀的开闭，辅助调节两路油路的供油量，控制信号输出端分别连接起动电机、煤油点火器的信号输入端，控制电机转速及煤油点火器开闭，微型涡轮发动机的状态参数输出端连接电子控制器的信号输入端，接收微型涡轮发动机的状态参数如排气温度或转速。

2.根据权利要求1所述的基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制系统，其特征是所述煤油点火器结构包括点火器壳体、陶瓷点火芯、以及进油接头，点火器壳体内壁具有螺纹引流槽，煤油从进油接头进入，经过引流以及重力作用均匀地分布在点火芯的表面发热部分；点火器壳体与发动机壳体通过外螺纹连接，将煤油点火器固定在微型涡轮发动机上。

3.根据权利要求2所述的基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制系统，其特征是所述煤油点火器的稳定、快速点火方式包括如下步骤：

1）以陶瓷点火芯的额定直流电压给其供电，点火芯温度随之升高，等待温度稳定；

2）通过进油接头向点火器通入适量航空煤油，经过点火器内部引流结构以及重力作用，煤油均匀覆盖于点火芯发热部位，液体煤油会被炽热的点火芯迅速加热成煤油蒸气并被点燃；

3）提高供油量，点火器端部的火焰尺寸会随之增大，并有向前喷射的特征。

4.根据权利要求1所述的基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制系统，其特征是所述点火阀和主油阀为小型直流开关电磁阀，响应时间为毫秒级；该电磁阀没有开度调节，只有常开和常闭两种状态，通过电平信号驱动；利用连续变化的高低电平信号控制阀的开闭状态，此时电磁阀处于连续的打开和关闭状态，频率由驱动电平信号的变化频率决定，类比于PWM信号调节，电磁阀在一个周期内的开启时间占整个变化周期的时间比例即为占空比，通过改变占空比可以改变流过电磁阀的燃油量大小，近似调节开度。

5.如权利要求1所述的基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制系统的控制方法，其特征是包括如下步骤：

1）点火准备阶段：煤油点火器通电预热和打开起动电机，控制起动电机转速维持2000~3000RPM的低转速，给煤油点火器提供合适的空气流量，便于点火；

2）点火阶段：预热完成后打开油泵，电子控制器控制油泵PWM占空比和点火阀占空比，向煤油点火器通入合适的燃油量，此时点火器喷出火焰；

3）热机阶段：调节起动电机转速和点火油路供油量以增大火焰尺寸，尾气温度升高；

4）燃烧阶段：尾气温度达到80℃以上，打开主油路油阀并控制燃油流量，主油路煤油流入蒸发管被加热蒸发从而燃烧做功；

5）慢车阶段：逐渐增大主油路燃油流量使微发转速逐渐上升，控制微型涡轮发动机运行至慢车。

6.根据权利要求1所述的基于煤油点火器的微型涡轮发动机起动控制系统的控制方法，其特征是所述步骤2）点火阶段中，对点火阀的控制是以10Hz的频率连续开闭，占空比为60%，既可保证点火初期燃油流量可以稳定控制，也可保证在提高油泵占空比进行热机时点火油路燃油流量不会太大而导致点火器滴油现象。

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