CN113357068A - 一种航空活塞发动机冗余点火系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发动机点火控制技术领域，提供了一种航空活塞发动机冗余点火系统，包括：冗余的采集单元，用于感知发动机的工况(转速和负荷)信息和各种温度和压力等状态信息，监测发动机的运行状态；冗余的控制单元，用于接收所述采集单元所采集的所述状态信息，判断发动机的运行工况和运行状态，输出点火控制信号，驱动执行器动作；冗余的执行单元，用于在所述点火控制信号的作用下，对所述发动机进行点火控制；采用本发明技术方案，采集单元、控制单元和执行单元中重要部件的冗余设计提高了点火系统的可靠性，使得航空发动机在出现故障时点火系统仍能正常工作，保证发动机安全稳定的运行。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机点火控制技术领域，尤其涉及一种航空活塞发动机冗余点火系统。
背景技术
航空发动机的工作条件为高温、高压、高速和强烈的振动，其正常运行离不开各系统的相互配合，各系统部件的质量直接影响发动机的运行安全性，若部件出现问题将导致发动机运行出现故障，一旦发动机出现空中停车故障，将会对航空器和飞行人员造成严重风险。
一般部件原因导致航空活塞式发动机出现空中停车故障主要因素包括冷却故障、点火故障、进排气故障、燃油控制故障、油泵工作系统故障和发动机运动组件故障等。其中，点火系统是航空活塞式发动机的重要组成系统，需要在每个循环点火期间保证各零部件正常工作，其工作的状况直接影响到发动机的功率、起动性、经济性、可靠性以及工作的安全性。一旦点火装置出现故障，极可能影响发动机正常运转，使得发动机出现停车故障。在我国航空活塞发动机运行过程中最为常见的故障类型就是火花塞积铅故障；因此，发动机点火系统的可靠性研究，对发动机整机的安全性分析有着重要的意义。
目前容错或冗余设计已经越来越被重视，在航空发动机领域，已有冗余CAN总线、冗余数字控制器等针对某些系统的冗余设计，除此之外，还有针对航空发动机主动容错仿真研究。如何从点火系统自身的可靠性出发来降低航空活塞发动机故障发生率，是本领域急需探索的问题。
如何解决上述技术问题，是目前本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
为了从点火系统自身的可靠性出发来降低航空活塞发动机故障发生率，本发明提供了一种航空活塞发动机冗余点火系统。
一种航空活塞发动机冗余点火系统，包括：
冗余的采集单元，用于感知发动机的工况(转速和负荷)信息和各种温度及压力等状态信息，以监测发动机的运行状态；
冗余的控制单元，与所述冗余的采集单元连接，所述冗余的控制单元用于接收采集单元所采集的所述状态信息，以判断发动机的运行工况和运行状态，并输出点火控制信号；
冗余的执行单元，与所述冗余的控制单元连接，所述冗余的执行单元用于在所述点火控制信号的作用下，对所述发动机进行点火控制。
进一步地，所述冗余的采集单元包括节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度压力传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、排气温度传感器、排气氧传感器等监测发动机状态和环境信息的传感器；
所述节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度压力传感器、排气温度传感器均采用两个进行冗余设计。
进一步地，所述冗余的控制单元包括控制芯片和点火驱动电路；
所述控制芯片分别与节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度压力传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、排气温度传感器和排气氧传感器连接，以用于对监测的发动机状态和环境信息进行处理分析和判断，并输出点火控制信号；
所述点火驱动电路与所述控制芯片连接，以在点火控制信号的作用下驱动火花塞点火。
进一步地，所述冗余的执行单元包括火花塞、电子点火器和点火线圈，所述电子点火器与点火线圈连接，所述点火线圈与火花塞配合连接。
进一步地，所述火花塞采用每缸两个进行冗余设计；所述电子点火器采用两套进行冗余设计；所述发动机的缸数为四个，所述点火线圈采用四个进行冗余设计。
进一步地，所述两个火花塞分别布置在每缸的上部和下部，当一个火花塞出现故障时，以保证每缸仍然有一个火花塞可以正常使用；
所述两套电子点火器一套用于控制每个气缸上部火花塞的点火，另一套用于控制每个气缸中下部火花塞的点火，当一套电子点火器出现故障时，以保证另一套电子点火器可以正常工作，实现点火系统的正常运行。
进一步地，所述四个缸分别为1、2、3、4缸，所述点火线圈的设计方案为1、2缸中上部火花塞采用一个点火线圈，3、4缸中上部火花塞采用一个点火线圈，1、2缸中下部火花塞采用一个点火线圈，3、4缸中下部火花塞采用一个点火线圈，当一个点火线圈出现故障时，以保证每缸还能正常点火。
进一步地，所述控制芯片和点火驱动电路采用两块集成式的驱动-诊断-保护模块进行冗余设计，每一块驱动-诊断-保护模块包括一个控制芯片和一路点火驱动电路。
进一步地，所述两块集成式的驱动-诊断-保护模块中一块用于每个气缸中上部火花塞的点火信号控制，另一块用于每个气缸中下部火花塞的点火信号控制。只要一个模块能够正常工作就能保证每缸有一个火花塞能够正常点火，以实现了点火驱动的备份。
与相关技术相比较，本发明提供的航空活塞发动机冗余点火系统具有如下有益效果：
在本发明中，采集单元、控制单元和执行单元中的重要部件均采用冗余设计。从传感器信号的采集、ECU的处理计算分析和对执行机构的驱动三个层面提高了点火系统的可靠性，使得航空发动机在出现故障时点火系统仍能正常工作，保证发动机安全稳定的运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种航空活塞发动机冗余点火系统示意图；
图2为本发明实施例2提供的点火控制示意图；
图3为本发明实施例3提供的点火驱动示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例1
如图1所示，一种航空活塞发动机冗余点火系统，包括：
冗余的采集单元，用于感知发动机的工况(转速和负荷)信息和各种温度及压力等状态信息，以监测发动机的运行状态；
冗余的控制单元，与冗余的采集单元连接，冗余的控制单元用于接收采集单元所采集的状态信息，以判断发动机的运行工况和运行状态，并输出点火控制信号；
冗余的执行单元，与冗余的控制单元连接，冗余的执行单元用于在点火控制信号的作用下，对发动机进行点火控制。
冗余的采集单元包括节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度压力传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、排气温度传感器、排气氧传感器等监测发动机状态和环境信息的传感器。
节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度压力传感器、排气温度传感器均采用两个进行冗余设计。
冗余的控制单元包括控制芯片和点火驱动电路；控制芯片分别与节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度压力传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、排气温度传感器和排气氧传感器连接，以用于对监测的发动机状态和环境信息进行处理分析和判断，并输出点火控制信号；点火驱动电路与所述控制芯片连接，以在点火控制信号的作用下驱动火花塞点火。
冗余的执行单元包括火花塞、电子点火器和点火线圈，所述电子点火器与点火线圈连接，点火线圈与火花塞配合连接；火花塞采用每缸两个进行冗余设计；电子点火器采用两套进行冗余设计；发动机的缸数为四个，点火线圈采用四个进行冗余设计。
采集单元中各传感器采集发动机运行中的工况信息、状态信息和环境信息，将所采集的信息发送到控制单元，控制单元中的控制芯片对采集到的各种信息进行处理计算分析，判断发动机当前的运行工况和状态，输出点火控制信号，点火控制信号通过点火驱动电路发送至对应的点火系统执行器，在点火控制信号的作用下各缸火花塞完成相应的点火动作。
实施例2
如图2所示，冗余的执行单元包括火花塞、电子点火器、点火线圈；
火花塞采用每缸两个进行冗余设计；
电子点火器采用两套进行冗余设计；
点火线圈采用四个(以四缸为例)进行冗余设计。
两个火花塞分别布置在每缸的上部和下部，当一个火花塞出现故障时，保证每缸仍然有一个火花塞可以正常使用；
两套电子点火器一套用于控制每个气缸上部火花塞的点火，一套用于控制每个气缸中下部火花塞的点火，当一套电子点火器出现故障时，保证还有一套电子点火器可以正常工作，实现点火系统的正常运行；
四个缸分别为1、2、3、4缸，四个点火线圈的设计方案为1、2缸中上部火花塞采用一个点火线圈，3、4缸中上部火花塞采用一个点火线圈，1、2缸中下部火花塞采用一个点火线圈，3、4缸中下部火花塞采用一个点火线圈。当一个点火线圈出现故障时，保证每缸还能正常点火。
在本实施例中，采用每缸双火花塞进行冗余设计，双火花塞点火有一定间隔，该间隔由控制单元根据采集单元所采集到的发动机运行状态信息和环境信息进行计算和判断，当一个火花塞出现故障时，保证每缸还有一个火花塞可以正常点火。点火线圈的冗余设计使得驱动每缸双火花塞点火的点火线圈不同，如果某一个点火线圈出现故障，该点火线圈控制点火的气缸仍然有另一个火花塞由不同的点火线圈驱动点火，提高了每缸点火的可靠性。点火控制器的冗余设计使得当一套点火控制器出现故障时，该点火控制器控制点火的气缸仍然由一个火花塞由另一套点火控制器控制点火。
实施例3
如图3所示，控制芯片和点火驱动电路采用两块集成式的驱动-诊断-保护模块进行冗余设计，每一块集成式的驱动-诊断-保护模块包括一个控制芯片和一路点火驱动电路。
两块集成式的驱动-诊断-保护模块中一块用于每个气缸中上部火花塞的点火信号控制，另一块用于每个气缸中下部火花塞的点火信号控制。只要有一个模块能够正常工作就能保证每缸有一个火花塞能够正常点火，实现了点火驱动的备份。
在本实施例中，控制芯片和点火驱动电路均采用冗余设计，并且将每一个控制芯片和其控制的外围点火驱动电路进行集成，两块集成式的驱动-诊断-保护模块分别用于控制所有气缸上部和下部火花塞的点火；如果某一个控制芯片或者某一路点火驱动电路出现故障，采集单元所采集的各种信息仍然可以被另一块集成式的控制模块所接收并进行计算分析后通过其点火驱动电路输出点火控制信号，驱动各缸另一个火花塞进行点火。
名词定义：冗余设计又称余度设计技术，是指在系统或设备完成任务起关键作用的地方，增加一套以上完成相同功能的功能通道、工作元件或部件，以保证当该部分出现故障时，系统或设备仍能正常工作，减少系统或者设备的故障概率，提高系统可靠性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种航空活塞发动机冗余点火系统，其特征在于，包括：
冗余的采集单元，用于感知发动机的工况(转速和负荷)信息和各种温度及压力等状态信息，以监测发动机的运行状态；
冗余的控制单元，与所述冗余的采集单元连接，所述冗余的控制单元用于接收采集单元所采集的所述状态信息，以判断发动机的运行工况和运行状态，并输出点火控制信号；
冗余的执行单元，与所述冗余的控制单元连接，所述冗余的执行单元用于在所述点火控制信号的作用下，对所述发动机进行点火控制。
2.根据权利要求1所述的一种航空活塞发动机冗余点火系统，其特征在于，所述冗余的采集单元包括节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度压力传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、排气温度传感器、排气氧传感器等监测发动机状态和环境信息的传感器；
所述节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度压力传感器、排气温度传感器均采用两个进行冗余设计。
3.根据权利要求1所述的一种航空活塞发动机冗余点火系统，其特征在于，所述冗余的控制单元包括控制芯片和点火驱动电路；
所述控制芯片分别与节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度压力传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、排气温度传感器和排气氧传感器连接，以用于对监测的发动机状态和环境信息进行处理分析和判断，并输出点火控制信号；
所述点火驱动电路与所述控制芯片连接，以在点火控制信号的作用下驱动火花塞点火。
4.根据权利要求1所述的一种航空活塞发动机冗余点火系统，其特征在于，所述冗余的执行单元包括火花塞、电子点火器和点火线圈，所述电子点火器与点火线圈连接，所述点火线圈与火花塞配合连接。
5.根据权利要求4所述的一种航空活塞发动机冗余点火系统，其特征在于，所述火花塞采用每缸两个进行冗余设计；所述电子点火器采用两套进行冗余设计；所述发动机的缸数为四个，所述点火线圈采用四个进行冗余设计。
6.根据权利要求5所述的一种航空活塞发动机冗余点火系统，其特征在于，所述两个火花塞分别布置在每缸的上部和下部，当一个火花塞出现故障时，以保证每缸仍然有一个火花塞可以正常使用；
所述两套电子点火器一套用于控制每个气缸上部火花塞的点火，另一套用于控制每个气缸中下部火花塞的点火，当一套电子点火器出现故障时，以保证另一套电子点火器可以正常工作，实现点火系统的正常运行。
7.根据权利要求5所述的一种航空活塞发动机冗余点火系统，其特征在于，所述四个缸分别为1、2、3、4缸，所述点火线圈的设计方案为1、2缸中上部火花塞采用一个点火线圈，3、4缸中上部火花塞采用一个点火线圈，1、2缸中下部火花塞采用一个点火线圈，3、4缸中下部火花塞采用一个点火线圈，当一个点火线圈出现故障时，以保证每缸还能正常点火。
8.根据权利要求3所述的一种航空活塞发动机冗余点火系统，其特征在于，所述控制芯片和点火驱动电路采用两块集成式的驱动-诊断-保护模块进行冗余设计，每一块驱动-诊断-保护模块包括一个控制芯片和一路点火驱动电路。
9.根据权利要求8所述的一种航空活塞发动机冗余点火系统，其特征在于，所述两块集成式的驱动-诊断-保护模块中一块用于每个气缸中上部火花塞的点火信号控制，另一块用于每个气缸中下部火花塞的点火信号控制；只要一个模块能够正常工作就能保证每缸有一个火花塞能够正常点火，以实现了点火驱动的备份。
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