CN114992023B - 一种适应负碳生物燃料的航空发动机喷油控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适应负碳生物燃料燃烧的航空重油发动机喷油优化策略及应用于航空发动机的一种基于凸轮型线控制的机械式发动机自适应喷油控制方法。采用航空发动机添加部分负碳生物燃料进行实验，配合基础燃烧实验，得出负碳生物燃料的基础燃烧规律特性参数，并比较其与原航空重油燃料的参数变化，根据以上获得的负碳生物燃料放热规律参数调整修正喷油提前角和喷油持续角，使最高压力爆发点与最高放热量点相对于活塞位于上止点时刻偏离一定曲轴转角，本发明使航空发动机适应不同十六烷值的负碳生物燃料的燃烧。使燃料燃烧平缓柔和，避免工作粗暴现象；经过喷油策略的调整，满足通航活塞发动机安全性和可靠性的工作要求。

Description

一种适应负碳生物燃料的航空发动机喷油控制方法
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种适应负碳生物燃料的航空发动机喷油控制方法。
背景技术
近年来，航空活塞发动机在小型航空器和无人机中占据越来越重要的地位。随着传统燃油资源的持续短缺，以及全球碳排放问题的日益严峻，使用以负碳生物燃料代替传统航空煤油作为航空活塞发动机的燃料供给成为了新的趋势。如CN103890146所提到的，是指在制造时从大气除去的二氧化碳多于从燃烧排放的二氧化碳以及因用以制造所述燃料的工艺而添加的二氧化碳的燃料(J.A.Mathews,“Carbon-negative biofuels”,EnergyPolicy36(2008)第940-945页)。相较于柴油、航空煤油(RP-3)等传统航空重油燃料，负碳生物燃料再生且来源广泛，且从燃料的生产、燃烧、排放整个生命周期过程中，碳排放总量为负，具有良好的生态保护效益。相关研究发现，负碳生物燃料在物化特性上与传统航空重油燃料较为接近，因此可将负碳生物燃料运用于航空发动机，以面向国家“双碳”政策，达到减排目的。
总体上，负碳生物燃料的物化特性介于柴油和航空煤油之间，但在具体的航空发动机应用上，负碳生物燃料的十六烷值、40℃运动黏度、自燃温度、雾化特性等物化特性均与传统航空重油燃料存在较明显的区别，将其直接应用于现有航空发动机时，会明显导致出现燃烧过程不平缓、最大爆发压力大、初期放热率高、工作粗暴以及燃料裂解导致碳烟颗粒的排放较多的问题。喷油策略决定了滞燃期的长短、初期放热规律和燃烧爆发压力，传统航空重油燃料的发动机的原喷油策略，不能解决使用负碳生物燃料作为替代燃料后产生的各种不正常工作现象，影响发动机的工作可靠性。
由于上述问题的存在，因而对使用负碳生物燃料的航空发动机而言，需要对喷油策略做出调整，使燃烧过程适应负碳生物燃料，并且需要有针对性的用于控制适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油策略的喷油控制方法。
现有技术中，针对二冲程航空重油活塞发动机的喷油控制方法，公开号为CN112727621A的中国专利“一种二冲程航空活塞发动机的喷油控制系统及方法”中提出了一种喷油控制系统及方法，通过传感器采集转速信号、节气门开度信号以及温度信号，将活塞发动机工作状态分为：冷启动工况、暖机工况、小负荷工况、中负荷工况和大负荷工况等。根据不同工况，对进气道喷射和缸内直喷燃油喷射比例进行分配，完成发动机全运行工况的自适应喷油控制。但该喷油控制方法基于多种传感器、控制单元、执行单元，系统较为复杂，成本较高。且在航空活塞发动机高空恶劣工作条件下，电子系统的工作可靠性难以保证。
为解决航空活塞发动机喷油系统凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器等在工作过程中信号丢失导致喷油系统故障的问题，公开号为CN110454291A的中国专利“航空活塞发动机双余度转速采集喷油正时控制系统和方法”通过在曲轴轴头法兰上设置N、S两个磁极，设置转速传感器并正对两个磁极，由此可得到二路转速信号，ECU根据相应算法，解算发动机转速和曲轴位置，输出喷油器电源信号控制喷油器喷射燃油，并判断是否存在信号缺失现象，根据相应算法选择置信度的N极或S极信号数据。该专利在一定程度上提高了传感器数据以及电子控制系统的可靠程度，但也增加了ECU运算量。
针对使用特种替代燃料的活塞发动机的喷油控制，公开号为CN112177789A的中国专利“一种生物柴油发动机自适应喷油控制系统及控制方法”中针对适应生物柴油燃烧的柴油活塞发动机的高NOx排放问题，采用了基于NOx传感器的闭环反馈控制系统，显著减少了NOx的排放。但对于航空发动机而言，技术关注点不在于排放问题，且两种排放物的产生机理不同，因此控制策略也大不相同。与专利CN112727621A相似的是，该喷油控制方法同样基于多种电子传感器、控制器、执行器，在高空恶劣条件下可能出现失效等问题。
针对目前发动机应用广泛的高压共轨燃料喷射等系统而言，控制精度高，可实现喷油压力、喷油正时的柔性可调，但系统对于燃料种类的要求很高，燃料适应性较差。利用不同种类负碳生物燃料代替传统航空重油燃料，整个发动机喷油系统都需要经过重新设计计算，经济与时间成本较高。针对传统凸轮驱动式机械喷油系统，虽然纯机械式喷油系统在发动机恶劣工作环境下可靠性较高，但工作过程过于简单粗暴，自适应调节机构较少，喷油系统在不同转速、工况下，自适应能力较差，使得发动机效率较低。
因此目前适应传统航空重油燃料燃烧的二冲程活塞发动机使用的喷油策略均不能满足负碳生物燃料在航空活塞发动机上的应用。且目前对于二冲程航空活塞发动机自适应喷油控制方法的专利较少且多为基于多传感器的电子控制方式，难以在高空恶劣条件下保证工作可靠性，且传统喷油系统对不同燃料种类适应性较差。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明公开了一种适应于负碳燃料燃烧的航空发动机喷油优化策略，使负碳生物燃料应用于航空发动机时燃烧更加平缓柔和，减小了最大爆发压力，避免工作粗暴现象。本发明也提供了一种基于凸轮型线控制的机械式航空发动机自适应喷油控制方法，使喷油系统在高空工作条件下也具有较高的可靠性，且对不同种类负碳生物燃料有较好的适应性。
本发明完整的技术方案包括：
有鉴于此，本发明提供了一种适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油优化策略及应用于航空发动机的一种基于凸轮型线控制的机械式发动机自适应喷油控制方法。
一方面，本发明所述的适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油优化方法，其包括如下步骤：
步骤一：采用航空发动机添加部分负碳生物燃料进行实验，配合基础燃烧实验，得出负碳生物燃料的基础燃烧规律特性参数，并比较其与原航空重油燃料的参数变化；
所述基础燃烧规律特性参数包括但不限于滞燃期、放热规律、最大爆发压力；
步骤二：根据以上获得的负碳生物燃料放热规律参数调整修正喷油提前角和喷油持续角，使最高压力爆发点与最高放热量点相对于活塞位于上止点时刻偏离一定曲轴转角，具体包括：
1)修正航空发动机的喷油提前角，增大负碳生物燃烧的滞燃期，提升混合可燃气的提前混合程度；
2)修正航空发动机的喷油持续角，控制负碳生物燃料初期放热率，减小最大爆发压力。
3)获得优化修正的喷油提前角和持续角后，再进行喷油曲线形状的优化，从而使负碳生物燃料的最大爆发压力值，初期放热率控制在要求值以下。
另一方面，本发明提供一种适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油策略控制方法。所述控制方法的控制与执行机构主要包括：进油管、出油管、燃油凸轮、机械式单体泵、喷油角提前器。
进一步的，所述燃油凸轮，可通过凸轮型线的改型进行航空发动机的喷油策略的调整。
进一步的，应用负碳生物燃料的航空发动机的喷油提前角、喷油持续角修正的实现通过燃油凸轮的型线调整实现。
进一步的，为适应不同种类的负碳生物燃料，喷油控制系统根据其物化特性，重复以上喷油提前角、持续角的修正过程，得到相应的修正值，再根据具体修正值，调整燃油凸轮型线，使航空发动机适应不同种类、物化特性的负碳生物燃料。
进一步的，所述机械式单体泵主要包括：油泵组件、舵机部件及各外壳和连接件。所述油泵组件为柱塞式油泵，主要包括：泵体、柱塞、弹簧、柱塞、柱塞套、出油阀总成、随动套、随动套齿轮等部件。受燃油凸轮与舵机控制，将燃料定时、定量、定压供给于喷油器。
进一步的，所述舵机部件为一伺服电机。可随着负荷的变化，增减喷油泵的供油量，使发动机能够以稳定的转速运行。
进一步的，所述喷油角提前器，可随着发动机转速变化，改变喷油时刻，使发动机高效稳定运行。
进一步的，燃油凸轮固连于发动机凸轮轴，随轴体作回转运动。
进一步的，燃油凸轮与机械式单体泵的挺柱部件两者保持无间隙接触。
进一步的，燃油凸轮旋转过程中，由于凸轮与挺柱接触部分凸轮型线随旋转角度变化而发生变化，进而使挺柱产生沿其轴线方向的位移。
进一步的，挺柱的轴向位移使得与其接触的柱塞产生轴向位移。柱塞产生的轴向位移使得油腔内油压发生变化。
进一步的，油腔内的油压变化决定油泵组件中出油阀组件的开闭，当出油阀打开时，具有一定压力的燃油就从油腔内泵出，供给于喷油器。
进一步的，油泵每次泵油的出油量、出油时刻由柱塞的位移行程、位移时间规律决定。柱塞的位移行程、位移时间规律由挺柱的位移行程、位移时间规律决定。挺柱的位移行程、位移时间规律由与其无间隙接触的凸轮的型线决定。由此实现通过调整凸轮型线实现对喷油时刻和喷油持续时间的控制，即完成对喷油提前角、喷油持续角修正的控制的实现。
进一步的，相较于传统电喷方式，由于凸轮型线调整方便，可使得该喷油系统对不同物化特性的负碳生物燃料适应性较强。
另一方面，所述航空发动机自适应喷油量控制由舵机部件实现。舵机部件通过舵机连接轴与舵机齿轮连接。
进一步的，舵机齿轮通过中间齿轮，与油泵随动套齿轮连接。
进一步的，随动套齿轮与随动套过盈配合连接。
进一步的，随动套与柱塞过盈配合连接。动力可由舵机，通过中间轴、舵机齿轮、中间齿轮、随动套齿轮、随动套，传递到柱塞。
进一步的，可通过控制舵机输出转矩，使柱塞在工作过程中绕其轴线产生不同自转角度。
进一步的，柱塞上加工有斜槽，柱塞自转时斜槽与进油口的相对位置改变，柱塞供油有效行程改变。
进一步的，柱塞斜槽的形状可根据使用的不同种类的负碳生物燃料进行调整，以适应不同负碳生物燃料在同一工况下不同喷油量的要求。
进一步的，油泵每循环的泵油量由柱塞供油有效行程决定，柱塞供油有效行程由柱塞斜槽与进油孔的相对位置决定，柱塞斜槽与进油孔的相对位置由柱塞的自转决定，柱塞的自转可由舵机控制，由此可以实现在发动机不同工况下，利用舵机自适应调整航空发动机喷油量的功能。
进一步的，为适应不同物化特性的负碳生物燃料，可相应调整舵机在发动机不同转速下的控制策略，即调整不同燃料在同一转速下对应的柱塞转角，使系统燃料适应性更强。
另一方面，所述航空发动机自适应喷油时刻控制由喷油角提前器部件实现。喷油角提前器主要由盘机械合件、凸轮机械合件、摇臂、复位弹簧及其他连接件组成。
进一步的，盘机械合件与凸轮机械合件非固定连接，凸轮组件通过摇臂上的部件与盘机械组件进行连接，凸轮组件可相对于盘机械组件绕轴线旋转。
进一步的，发动机工作时，喷油角提前器随曲轴做回转运动。不同转速下，凸轮组件由于离心作用，会相对于盘机械组件转动，相对转动方向与旋转方向相反。
进一步的，凸轮相对转动的角度随着发动机转速的不同也发生变化，从而其各部分型线与挺柱接触的时刻也发生变化，使得油泵喷油时刻随之改变，达到喷油时刻自适应调节的目的。
进一步的，可针对不同物化特性的燃料，更改喷油角提前器的结构参数，使得不同结构参数的喷油角提前器在同一转速下使凸轮相对转过不同的角度，从而实现了对不同物化特性的负碳生物燃料在同一转速条件下对应不同的发动机喷油提前角。
进一步的，柱塞可加工不同形状的斜槽。
进一步的，可使用其他驱动机构如电磁方式使柱塞绕其轴线发生自转。
进一步的，可使用其他离心式机构，使燃油凸轮工作时相对曲轴转过一定角度，角度值与转速大小相适应。
进一步的，多缸发动机各缸对应的喷油控制燃油凸轮安装于同一轴上，根据各缸工作顺序，燃油凸轮的布置方式及相对角度不同。
本发明相对于现有技术的优点在于：
1.通过修正发动机喷油提前角和喷油持续角，使航空发动机适应不同十六烷值的负碳生物燃料的燃烧。使燃料燃烧平缓柔和，避免工作粗暴现象；使燃料燃烧的初期放热率得到控制，减小最大爆发压力，避免后燃和工作粗暴。经过喷油策略的调整，满足通航活塞发动机安全性和可靠性的工作要求。
2.为实现对喷油策略的调整，提供了一种机械式航空发动机自适应喷油控制方法。相较于电子式喷油控制，本发明的喷油控制方法更能适应航空发动机高空恶劣的工作环境，使得发动机系统可靠性、经济性更高。
3.通过凸轮型线的调整、舵机部件的转矩输出控制、喷油角提前器的使用等措施，使喷油系统实现随发动机转速自适应调整功能，使发动机工作可靠、平稳。
4.通过燃油凸轮型线得调整、舵机输出转矩控制策略得调整、柱塞斜槽形状的改型、喷油角提前器机构参数的调整等措施，使该系统相较于其他喷油控制方式对不同燃料的适应性强，适用于不同物化特性的负碳生物燃料的使用。
附图说明
图1是本发明航空发动机机械式自适应喷油控制系统结构图，a为整体构造图，b为喷油角提前器。
图2是本发明机械式单体泵整体构造示意图，a为正面图，b为反面图。
图3是本发明舵机与油泵连接关系示意图。
图4是本发明柱塞式油泵结构示意图，a为剖面图，b为正视图。
图5是本发明喷油角提前器示意图，a为立体图，b为俯视图。
图6是本发明燃油凸轮结构示意图。
图7是2400r/min 100％负荷工况下微藻航油与柴油对比图，a为燃烧示功对比图，b为放热规律对比图。
图8是修正喷油策略后微藻航油燃烧缸内压力随曲轴转角变化图。
图9是修正喷油策略后微藻航油燃烧放热量随曲轴转角变化图。
其中，101-出油管，102-进油管，103-机械式单体泵，104-燃油凸轮，105-喷油角提前器；201-柱塞式油泵，202-舵机，203-十字槽盘头螺钉，204-六角螺栓，205-舵机安装板，206-油泵盖，207-沉头螺栓；301-中间轴，302-舵机齿轮，303-中间齿轮，304-随动套齿轮；401-挺柱，402-弹簧扣，403-弹簧，404-柱塞，405-柱塞套，406-进油口，407-工作油腔，408-出油阀座，409-出油阀，4010-出油口，4011-随动套，4012-接头螺母，4013-泵体；501-盘机械合件，502-摇臂，503-部件A，504-部件B，505-部件C，506-凸轮机械组件，507-复位弹簧；601-基圆段型线，602-缓冲段型线，603-工作段型线。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。
本发明提供了一种适应于负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油优化策略，并提供一种应用于该优化策略的航空发动机的基于凸轮型线控制的机械式发动机自适应喷油控制方法。
本发明的一个方面，一种适应于负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油优化策略，具体方法为：
1.相较于传统喷油策略，修正航空发动机的喷油提前角，增大负碳生物燃烧的滞燃期，提升混合可燃气的提前混合程度。
2.相较于传统喷油策略，修正航空发动机的喷油持续角，控制负碳生物燃料初期放热率，减小最大爆发压力。
在一些实例中，以上修正措施的技术的具体方案步骤为：
步骤一：运用原有航空发动机，添加部分负碳生物燃料进行实验，配合基础燃烧实验，得出负碳生物燃料的基础燃烧规律特性，包括但不限于滞燃期、放热规律、最大爆发压力等参数，并比较其与原航空重油燃料的参数变化。
步骤二：根据以上获得的负碳生物燃料放热规律等参数调整修正喷油提前角和喷油持续角，使最高压力爆发点与最高放热量点相对于活塞位于上止点时刻偏离一定曲轴转角。
步骤三：由以上措施获得优化修正的喷油提前角和持续角后，再进行喷油曲线形状的优化，所述喷油曲线即为发动机喷油率与曲轴转角的关系曲线，所述喷油曲线的修正，即使得发动机内最大爆发压力点以及放热率限制在规定范围以内。
在一些实例中，航空发动机的喷油提前角修正后应较传统喷油策略提前4-10℃A，随发动机转速越高，该修正值越大；航空发动机的喷油持续角较传统喷油策略增加3-9℃A，一般而言，随发动机转速提高，喷油量增加，喷油持续角也相应增加。修正的最优值视航空发动机的转速与工况而定。
在一些实例中，对从属于负碳燃料的微藻航油，在应用于某通航发动机，通过上述步骤可得到各工况下使用微藻航油的示功图与放热规律图，并与使用传统柴油燃料进行对比。图7所示为2400r/min 100％负荷工况下，使用微藻航油和传统柴油燃料的通航发动机的示功图与放热规律图的对比图。通过对比发现，使用微藻航油替代传统柴油能够达到较好的替代效果，但微藻航油的缸内燃烧压力较柴油略高，这是因为微藻航油预喷射对应的放热率要高于柴油。在燃烧阶段两种燃料的累计放热率基本相同，放热率基本保持一致，柴油放热率峰值略低于微藻航油。因此需要在原柴油燃料喷油策略的基础上进行调整。
在一些实例中，对以上使用微藻航油替代燃料的通航发动机，在其1800r/min工况下，将原重油活塞发动机的喷油提前角从-18℃A调整至-24℃A，增大微藻燃油燃烧的滞燃期，提升混合可燃气的提前混合程度；将喷油持续角从20℃A调整至25℃A，延长喷油持续角。图8和图9分别展示了新喷油策略下，微藻航油燃烧的缸内压力和放热量随曲轴转角的变化，可见最大爆发压力被限制在116.7bar，在上止点后4℃A达到最大爆发压力，避免了后燃和工作粗暴；放热量在上止点前达到最高的75.8W，之后随着燃烧速度的降低放热量缓慢下降。初期放热率为39.8％，说明最大爆发压力和初期放热率都得到了有效控制，满足该工况下通航活塞发动机安全性和可靠性的工作要求。
进一步的，应用负碳生物燃料的航空发动机的喷油提前角、喷油持续角修正的具体实施方式通过燃油凸轮的型线调整实现。
进一步的，为适应不同种类的负碳生物燃料，喷油控制系统根据其物化特性、基础燃烧规律特性，重复以上对喷油提前角、持续角的修正步骤过程，得到相应的修正值，再根据具体修正值，调整燃油凸轮型线，使航空发动机适应不同种类、物化特性的负碳生物燃料。
本发明的另一个方面，一种应用于航空发动机喷油优化策略的基于凸轮型线控制的机械式发动机自适应喷油控制方法，实施方式为：
采用相应的控制与执行机构，该控制与执行机构如附图1所示，主要包括出油管101，进油管102，机械式单体泵103，燃油凸轮104，喷油角提前器105。
如附图2所示，所述机械式单体泵103包括柱塞式油泵201、舵机202、舵机安装板205，油泵盖206等。舵机安装板205为金属板件，由沉头螺栓207、六角螺栓204固定在油泵盖206上，舵机202由十字槽盘头螺钉203固定在舵机安装板205上，油泵组件201通过连接件固定安装在油泵盖206上。
本发明航空发动机喷油量自适应控制由舵机202实现。如附图3所示，舵机及其与油泵连接关系为：所述舵机202为一伺服电机。可随着负荷的变化，增减喷油泵的供油量，使发动机能够以稳定的转速运行。舵机202通过中间轴301与舵机齿轮302实现动力连接，舵机齿轮302通过中间齿轮303，与油泵随动套齿轮304连接。随动套齿轮304与随动套4011过盈配合连接。随动套4011与柱塞404过盈配合连接。动力力矩可由舵机202，通过中间轴301、舵机齿轮302、中间齿轮303、随动套齿轮304、随动套4011，传递到柱塞404。
如附图4所示，所述油泵组件206为柱塞式油泵主要包括：挺柱401，弹簧扣402，弹簧403，柱塞404，柱塞套405，进油口406，工作油腔407，出油阀座408，出油阀409，出油口4010，随动套4011，接头螺母4012，泵体4013、随动套齿轮304等部件，将燃料定时、定量、定压供给于喷油器。弹簧403通过弹簧扣402固定在挺柱401上，挺柱401与柱塞404的一端直接接触，柱塞404与柱塞套405精密配合安装，柱塞404可沿着柱塞套405的内壁轴向运动。柱塞套405、工作油腔407，出油阀座408、出油阀409位于泵体4013内部，进油口406，出油口4010开于泵体4012表面，可分别通过不同油道与工作油腔407连通。随动套齿轮与随动套4011过盈连接，随动套4011与柱塞404固连。
如附图5所示，所述喷油角提前器105主要由盘机械合件501，摇臂502，部件A503，部件B504，部件C505，凸轮机械组件506组成。部件A503、部件B504通过螺栓与盘机械合件501连接，可绕其轴线自转。凸轮机械组件506通过其上开孔通过部件C505连接于摇臂502上实现与盘机械合件501连接。凸轮机械组件506可绕其轴线与盘机械合件501发生相对转动。
如附图6所示，所述燃油凸轮104的型线可分为基圆段型线601、缓冲段型线602、工作段型线603。
所述航空发动机喷油控制方法的喷油动作实现的实施方式为：
燃料从进油管102流入柱塞式油泵201，通过控制柱塞式油泵201中出油阀409的开闭，控制燃油的喷射。出油阀409的开闭由燃油凸轮104控制。
燃油凸轮104固连于发动机凸轮轴，随轴体作回转运动。燃油凸轮104与机械式单体泵103的挺柱401两者保持无间隙接触。燃油凸轮104旋转过程中，当燃油凸轮104与挺柱401接触部分的凸轮型线随旋转角度由基圆段型线601转向缓冲段型线602再转向工作段型线603时，使挺柱401产生沿其轴线方向向油泵的位移。挺柱401的轴向位移使得与其接触的柱塞404产生通向轴向位移。柱塞404沿与其精密配合的柱塞套内产生轴向位移使得工作油腔407内油压增加。工作油腔407内的油压变化到一定程度时油泵组件中出油阀409的打开，当出油阀409打开时，具有一定压力的燃油就从工作油腔407内泵出，供给于喷油器，喷油开始。
当燃油凸轮104与挺柱401接触部分的凸轮型线随旋转角度由工作段型线603转向缓冲段型线602再转向基圆段型线601时，工作407油腔内油压降低，出油阀409关闭，柱塞404受弹簧403弹力作用回复原位，此时油泵其他组件也回复原位置，喷油结束。
这个过程中，柱塞404与柱塞套405、出油阀409与出油阀座408应为两对精密偶件，用以保证泵出油的油压值稳定，并防止漏油。
油泵201每次泵油的出油量、出油时刻由柱塞404的位移行程、位移时间规律决定。柱塞404的位移行程、位移时间规律由挺柱401的位移行程、位移时间规律决定。挺柱401的位移行程、位移时间规律由与其无间隙接触的凸轮104的型线决定。由此实现通过调整凸轮104型线——基圆段型线601、缓冲段型线602、工作段型线603，实现对喷油时刻和喷油持续时间的控制，即完成对喷油提前角、喷油持续角修正的控制功能的实现。
在一些实例中，由于燃油凸轮104各段型线改型方便，可根据不同物化特性的燃料对喷油提前角、喷油持续角修正值的要求进行型线的调整。且不同型线特征的燃油凸轮104在该喷油系统中可直接替代与更换，该喷油系统对不同燃料有较强的适应性，调整方便。
所述航空发动机自适应喷油方法包括喷油量自适应控制及喷油时刻自适应控制。
所述航空发动机喷油量自适应控制，具体实施方式为：
通过控制舵机202输出转矩，使柱塞404在工作过程中绕其轴线产生自转。柱塞上加工有斜槽，柱塞404自转时斜槽与进油口406的相对位置改变，柱塞供油有效行程发生改变。油泵每循环的泵油量由柱塞供油有效行程决定，柱塞供油有效行程由柱塞斜槽与进油孔的相对位置决定，柱塞斜槽与进油孔的相对位置由柱塞404的自转角度决定，柱塞的自转由舵机202控制。发动机工作过程中，舵机收集发动机的转速信号，将现工况下的柱塞相对转角与该转速下ECU中的目标转角进行对比，通过负反馈控制原理控制舵机输出转矩进行转角参数的修正，控制柱塞斜槽与进油孔的相对位置，使其适应当前的转速工况。由此，可以实现在发动机不同工况下，利用舵机202自适应调整航空发动机喷油量的功能。由于该功能所需的传感器数量少，数据、计算要求低，因此具备较高的可靠性。以上为同一燃料不同转速工况下喷油量自适应调节原理。
在一些实例中，为适应不同物化特性的负碳生物燃料，可相应调整舵机的控制策略和目标参数，即针对不同物化特性的负碳生物燃料，根据其燃料特性，放热规律特性，试验测试结果等，在舵机控制时，同一转速工况下对不同燃料设置不同的适应其特性的柱塞转角值，使喷油量适应当前燃烧过程，使使系统的燃料适应性更强。
在一些实例中，柱塞斜槽的形状、体积可根据使用的不同种类的负碳生物燃料进行调整，以适应不同负碳生物燃料在同一工况下不同喷油量的要求。
所述航空发动机喷油时刻自适应控制由喷油角提前器105实现，可随着发动机转速变化，改变喷油时刻，使发动机高效稳定运行。
所述喷油角提前器105安装在凸轮轴上，盘机械合件501与凸轮机械组件506非固定连接，凸轮机械组件506可相对于盘机械合件501绕其轴线旋转。发动机工作时，喷油角提前器105随凸轮轴绕其轴线做回转运动。由于离心作用，摇臂502会使得凸轮机械组件506相对于盘机械组件501转动，转动方向与其旋转方向相反。凸轮机械组件506相对转动的角度随着发动机转速的增加而增大。部件A503与部件C505之间，部件B504与部件C505之间存在复位弹簧507，当发动机转速降低时，复位507弹簧弹力使凸轮机械组件506与盘机械组件501的相对位置慢慢回位，当发动机停止运行时，复位弹簧507的弹力使得凸轮机械组件506与盘机械组件501的相对位置回到初始状态。
所述过程中，凸轮机械组件506相对位置的改变，使燃油凸轮104各部分型线与挺柱401接触的时刻也发生变化，由上述航空发动机喷油动作实现原理，这使得喷油时刻也随之变化。发动机转速不同使得凸轮机械组件506相对位置也不同，使得喷油时刻也随发动机转速而发生改变，达到喷油时刻自适应调节的目的。
在一些实例中，可针对不同物化特性的燃料，更改喷油角提前器105的结构参数，如摇臂的长度尺寸，提前器105的直径以及质量分布等，使不同参数的喷油角提前器105在同一转速下使燃油凸轮104相对转过不同的角度，从而实现对不同物化特性的负碳生物燃料在同一转速条件下可对应不同的发动机喷油提前角，提高了系统对不同燃料种类的适应性。
以航空发动机转速为1800r/min的工况，负碳燃料种类为微藻航油为例，将原重油活塞发动机的喷油提前角从-18℃A调整至-24℃A，将喷油持续角从20℃A调整至25℃A，可将最大爆发压力被限制在116.7bar，在上止点后4℃A达到最大爆发压力，避免了后燃和工作粗暴；放热量在上止点前达到最高的75.8W，之后随着燃烧速度的降低放热量缓慢下降。初期放热率为39.8％，最大爆发压力和初期放热率都得到了有效控制，满足通航活塞发动机安全性和可靠性的工作要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于凸轮型线控制的机械式发动机自适应喷油执行机构，其特征在于，
所述机构包括进油管、出油管、燃油凸轮、机械式单体泵和喷油角提前器；
所述机械式单体泵包括：油泵组件、舵机部件；所述油泵组件为柱塞式油泵，包括：泵体、柱塞、弹簧、柱塞、柱塞套、出油阀总成、随动套、随动套齿轮；所述舵机部件为伺服电机，随着负荷的变化，增减油泵的供油量，使发动机能够以稳定的转速运行；
所述燃油凸轮固连于发动机凸轮轴，随轴体作回转运动；所述燃油凸轮的型线包括基圆段型线、缓冲段型线、工作段型线；燃油凸轮与机械式单体泵的挺柱部件两者保持无间隙接触；燃油凸轮旋转过程中，由于凸轮与挺柱接触部分凸轮型线随旋转角度变化而发生变化，进而使挺柱产生沿其轴线方向的位移；挺柱的轴向位移使得与其接触的柱塞产生轴向位移；柱塞产生的轴向位移使得油腔内油压发生变化；油腔内的油压变化决定油泵组件中出油阀组件的开闭，当出油阀打开时，具有一定压力的燃油从油腔内泵出，供给于喷油器；
所述喷油角提前器安装在凸轮轴上，包括盘机械合件、凸轮机械合件、摇臂、复位弹簧及其他连接件；盘机械合件与凸轮机械合件非固定连接，凸轮组件通过摇臂上的部件与盘机械组件进行连接，凸轮组件可相对于盘机械组件绕轴线旋转；
所述油泵组件受燃油凸轮与舵机控制，将燃料定时、定量、定压供给于喷油器；燃料从进油管流入柱塞式油泵，通过控制柱塞式油泵中出油阀的开闭，控制燃油的喷射；所述出油阀的开闭由燃油凸轮控制。
2.利用权利要求1所述的机构进行适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油优化方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤一：采用航空发动机添加部分负碳生物燃料进行实验，配合基础燃烧实验，得出负碳生物燃料的基础燃烧规律特性参数，并比较其与原航空重油燃料的参数变化；
步骤二：根据以上获得的负碳生物燃料基础燃烧规律特性参数调整修正喷油提前角和喷油持续角，使最高压力爆发点与最高放热量点相对于活塞位于上止点时刻偏离一定曲轴转角，具体包括：
1）修正航空发动机的喷油提前角，增大负碳生物燃烧的滞燃期，提升混合可燃气的提前混合程度；
2）修正航空发动机的喷油持续角，控制负碳生物燃料初期放热率，减小最大爆发压力；
3）获得优化修正的喷油提前角和持续角后，进行喷油曲线形状的优化，使负碳生物燃料的最大爆发压力值，初期放热率控制在要求值以下。
3.根据权利要求2所述的一种适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油优化方法，其特征在于，所述基础燃烧规律特性参数包括但不限于滞燃期、放热规律、最大爆发压力。
4.根据权利要求3所述的一种适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油优化方法，其特征在于，所述航空发动机的喷油提前角、喷油持续角修正的实现通过燃油凸轮的型线调整实现。
5.根据权利要求4所述的一种适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油优化方法，其特征在于，为适应不同种类的负碳生物燃料，喷油控制系统根据其物化特性，重复以上喷油提前角、持续角的修正过程，得到相应的修正值，再根据具体修正值，调整燃油凸轮型线，使航空发动机适应不同种类、物化特性的负碳生物燃料。
6.根据权利要求5所述的一种适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油策略控制方法，其特征在于，油泵每次泵油的出油量、出油时刻由柱塞的位移行程、位移时间规律决定；柱塞的位移行程、位移时间规律由挺柱的位移行程、位移时间规律决定；挺柱的位移行程、位移时间规律由与其无间隙接触的凸轮的型线决定；由此实现通过调整凸轮型线实现对喷油时刻和喷油持续时间的控制，完成对喷油提前角、喷油持续角修正的控制的实现。
7.根据权利要求3所述的一种适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油策略控制方法，其特征在于，航空发动机自适应喷油量控制由舵机部件实现；舵机部件通过舵机连接轴与舵机齿轮连接；
舵机齿轮通过中间齿轮，与油泵随动套齿轮连接；
随动套齿轮与随动套过盈配合连接；
随动套与柱塞过盈配合连接；动力由舵机，通过中间轴、舵机齿轮、中间齿轮、随动套齿轮、随动套，传递到柱塞；
通过控制舵机输出不同的转矩，使柱塞在工作过程中绕其轴线产生自转；
柱塞上加工有斜槽，柱塞自转时斜槽与进油口的相对位置改变，柱塞供油有效行程改变；
柱塞斜槽的形状根据使用的不同种类的负碳生物燃料进行调整，以适应不同负碳生物燃料在同一工况下不同喷油量的要求；
油泵每循环的泵油量由柱塞供油有效行程决定，柱塞供油有效行程由柱塞斜槽与进油孔的相对位置决定，柱塞斜槽与进油孔的相对位置由柱塞的自转决定，柱塞的自转由舵机控制，由此实现在发动机不同工况下，利用舵机自适应调整航空发动机喷油量的功能。
8.根据权利要求7所述的一种适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油策略控制方法，其特征在于，为适应不同物化特性的负碳生物燃料，相应调整舵机在发动机不同转速下的控制策略，即调整不同燃料在同一转速下对应的柱塞转角，使系统燃料适应性更强。
9.根据权利要求3所述的一种适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油策略控制方法，其特征在于，所述航空发动机自适应喷油时刻控制由喷油角提前器部件实现；
发动机工作时，喷油角提前器做回转运动；通过喷油角提前器作用，凸轮组件由于离心作用，相对于盘机械组件转动，转动方向与旋转方向相反；
凸轮相对转动的角度随着发动机转速的不同发生变化，从而其各部分型线与挺柱接触的时刻也发生变化，使得油泵喷油时刻随之改变，达到喷油时刻自适应调节的目的；
针对不同物化特性的燃料，更改喷油角提前器的结构参数，使得不同结构参数的喷油角提前器在同一转速下使凸轮相对转过不同的角度，从而实现对不同物化特性的负碳生物燃料在同一转速条件下对应不同的发动机喷油提前角。
10.根据权利要求3-9任一项所述的一种适应负碳生物燃料燃烧的航空发动机喷油策略控制方法，其特征在于，所述负碳生物燃料为微藻航油，航空发动机转速为1800 r/min的工况下，重油活塞发动机的喷油提前角为-24°CA，喷油持续角为25°CA，最大爆发压力小于116.7bar，在上止点后4°CA达到最大爆发压力；放热量在上止点前达到最高值75.8W，之后随着燃烧速度的降低放热量缓慢下降；初期放热率为39.8%。
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