CN115234392A - 获得脉冲式负碳燃料航空活塞发动机燃油控制参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于脉冲式泵送负碳生物燃料的二冲程航空活塞发动机燃油控制系统控制参数的获得方法，包括形成脉冲式泵送负碳燃油发动机在不同柱塞位置下的总喷油量与柱塞实际位置的MAP图；形成脉冲式泵送负碳燃油发动机在不同柱塞位置，输出的总喷油量与输出扭矩之间的MAP图；基于总喷油量与实际转速、以及实际转速与输出扭矩之间的MAP图。本发明对燃用负碳生物燃料的航空活塞发动机进行主动控制，避免了在航空活塞发动机上加装传感器进行反馈控制，减小了航空活塞发动机的复杂程度。

Description

获得脉冲式负碳燃料航空活塞发动机燃油控制参数的方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种采用脉冲形式供油的航空活塞发动机领域，具体讲，涉及采用脉冲式供油的航空活塞发动机燃油供给系统控制参数的获得方法。

背景技术

近年来，航空重油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重油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”,Energy Policy36(2008)第940-945页)。负碳生物燃料是一种清洁的、可持续替代柴油的燃料，比起传统燃料，负碳生物燃料具有密度低、热值高、十六烷值高、粘度低的特点。但是，未经改造的二冲程航空活塞发动机燃用负碳生物燃料时存在几个问题：(1)负碳生物燃料粘度与纯柴油不同，燃油供给系统缸内的雾化效果与纯柴油不同，因此所需要的喷油提前角应该有相应变化；(2)负碳生物燃料十六烷值高，原发动机燃油供给系统燃用负碳燃料会导致NOx排放上升；(3)负碳生物燃料十六烷值与柴油不同，燃料发火性能不一样，采用原发动机燃油供给系统会导致缸内燃烧初期放热率高，增加了二冲程航空活塞发动机的爆震风险(4)负碳生物燃料密度与柴油不同，采用原燃油供给系统泵送负碳燃料会导致缸内喷射的总供油量不一样。因此，原二冲程航空柴油发动机改燃用负碳生物燃料后，如何使航空活塞发动机几乎保持原有的动力性能、排放性能、安全性能成为研究的重点。

为了解决燃用负碳生物燃料后，原发动机动力性能、排放性能、安全性能的变化，现有的技术方案大多为采用改变喷油器电磁阀的占空比来改变喷油量的大小；通过改变电磁阀的开启时间，改变喷油器的喷射正时。从而保证二冲程航空活塞发动机的动力性能、排放性能、安全性能。

为了解决燃用负碳生物燃料后，原有发动机控制参数的变化问题，现有技术采用了如下的解决方案：公开号为CN103277205A的中国专利“用于生物柴油发动机燃油控制系统的控制参数的获得方法”中提出了一种适用于生物柴油发动机燃油控制系统的控制参数的获得方法。可以通过溢流电磁阀调整目标轨压、通过调整喷油器电磁阀的开启时刻保证喷射正时、通过电磁阀的占空比调节总喷油量，最后得到燃用生物燃料的发动机总喷油量、喷射正时与发动机性能之间的MAP图。然而该方法并没有考虑缸内爆发压力、整机燃油消耗率、环境温度变化对发动机性能的影响，因此本方法并不适用于采用脉冲式泵油的二冲程航空活塞发动机。

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”中提出了一种通过采用发动机燃用生物柴油时的怠速稳态NOx排放信号与纯柴油怠速稳态NOx排放值适时监测、对比的方法，闭环控制发动机喷油提前角及循环喷油量，以此获得原燃油供给系统燃用负碳燃料后的控制参数，该方法采用了PID调节的控制原理。然而该方法属于反馈调节，单纯为了满足NOx的排放的要求，忽略了燃油供给系统循环喷油量的大小，将该方法应用于航空活塞发动机，容易造成二冲程航空活塞发动机耗油率增加。另一方面，传感器安装在排气管内，使用环境相对恶劣，可靠性相对下降，不适用于二冲程航空活塞发动机领域。

综上，现有的控制参数的获得办法不能够完全适应改用负碳生物燃料后二冲程航空活塞发动机的燃油供给系统对发动机的参数控制，难以同时保证发动机的性能、耗油率以及可靠性方面的问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种主动获得燃用负碳生物燃料的航空活塞发动机的燃油供给系统控制参数的方法。具体而言，考虑到当下燃用重油的二冲程航空活塞发动机很大一部分仍然采用机械燃油供给系统，在综合考虑燃油供给系统的控制参数、燃油供给系统的可靠性、以及航空活塞发动机的动力性能的背景下，提出了一种主动获得燃用负碳生物燃料的二冲程航空活塞发动机燃油供给系统控制参数的方法，能够满足脉冲式泵油系统燃用负碳生物燃料后对发动机循环喷油量、喷油提前角、喷油持续期等参数的需求。

本发明完整的技术方案包括：

一种适用于脉冲式泵送负碳生物燃料的二冲程航空活塞发动机燃油控制系统控制参数的获得方法，所述控制参数的获得采用燃油泵试验台和测功机试验台，获得的所述控制参数用于采用脉冲式泵送负碳生物燃料的航空活塞发动机燃油控制系统；所述控制参数的获得具体步骤包括：

1)首先在燃油泵试验台上测出不同转速下实际喷油量的大小与柱塞转角之间的第一MAP图；

所述燃油泵试验台的驱动伺服电机由万向节与油泵凸轮轴相连；油泵凸轮轴通过平键与单体凸轮相连，并将驱动伺服电机的输出扭矩传递至油泵挺柱；

驱动伺服电机的电机输出轴旋转时，带动万向节旋转，万向节带动凸轮轴旋转，凸轮轴通过平键带动单体凸轮旋转，单体凸轮推动油泵挺柱使单体泵通过高压油管向喷油器供油；当喷油压力达到喷油器起喷压力时，燃油从喷油器的喷孔喷出；

随后，由重量传感器测得喷油器喷出的循环喷油量；

动量采集装置测得喷射正时及喷油规律；

相位编码器测得伺服电机输出轴的相位；

油泵柱塞的实际位置由油泵油量调节机构确定；

转速传感器测得凸轮实际转速；

数据采集系统通过测量油泵实际转速、循环喷油量以及柱塞的实际位置，得到不同转速下实际喷油量的大小与柱塞转角之间的第一MAP图；

2)将上述测得的第一MAP图耦合到测功机试验台上，在测功机试验台上测出喷油量的大小与发动机转速、发动机输出扭矩之间的第三MAP图；

所述测功机试验台的发动机油泵安装座安装在曲轴箱上，曲轴动力输出端通过法兰联轴器与测功机连接；通过调整油泵安装座与曲轴箱的角度，改变燃油喷射正时；通过缸压传感器测量航空活塞发动机缸内爆发压力，并监控气缸内的最高爆发压力；

通过测功机测得发动机的实际输出扭矩，记录柱塞位置，通过查找第一MAP图柱塞位置对应的喷油量，得到柱塞位置与喷油量、以及喷油量与输出扭矩之间的第二MAP图；

通过测功机测得发动机的实际输出扭矩，记录实际转速，查找对应的总喷油量，形成总喷油量与实际转速、以及实际转速与输出扭矩之间的第三MAP图；

3)将环境温度作为新增变量，耦合到上述的第三MAP图中，在燃油泵试验台上得到不同温度下，不同转速下柱塞实际位置与实际喷油量、发动机输出扭矩之间的总MAP图；

具体为在试验环境下模拟高空环境温度，由第一MAP图→第二MAP图→第三MAP图，将环境温度作为一项参数耦合到上述实际测量得到的MAP图中，得到不同温度下柱塞位置、循环喷油量、发动机转速、输出扭矩之间的总MAP图。

油泵安装座的泵箱回油出口通过滑油回油管路连接到滑油箱，滑油箱通过滑油泵向滑油进油管路供油，滑油进油管路与泵箱上的滑油进口相连。

所述二冲程航空活塞发动机燃料为负碳生物燃料。

所述航空活塞发动机的燃油泵试验台采用脉冲式泵油的单体泵。

在测功机试验台上获得的控制参数以发动机气缸最高爆发压力和发动机燃油消耗率作为边界条件。

燃油泵试验台上对单体泵喷油规律的测量由量程范围0到10bar的压力传感器采用动量法间接测量。

本发明相对于现有技术的优点在于：

1.本发明在提出一种获得燃用负碳生物燃料、采用脉冲式泵油的航空活塞发动机燃油控制系统控制参数的方法后，可以利用本发明提出的方法对燃用负碳生物燃料的航空活塞发动机进行主动控制，避免了在航空活塞发动机上加装传感器进行反馈控制，减小了航空活塞发动机的复杂程度。

2.该方法充分考虑了温度的变化对负碳燃料物理属性的影响，能够让航空活塞发动机在任何温度下以最优的燃油消耗率运行，避免了在发动机上安装燃油供给系统温度补偿装置，降低了航空活塞发动机的复杂程度。

3.该方法能够获得环境温度、循环供油量、发动机输出扭矩、发动机输出转速的多维度MAP图，充分考虑了航空活塞发动机随飞行高度变化的环境温度对燃油供给系统性能的影响。

4.该控制参数的获得在试验台上进行，当后续航空运输业对于排放有要求时，只需对试验台进行适当的扩展，便可以获得所需要的MAP图，对发动机的结构及性能没有影响。。

附图说明

附图1所示为本发明的获得控制参数试验方法的流程图；

附图2所示为本发明的获得控制参数的燃油泵试验台的示意图；

附图3所示为本发明的获得控制参数的发动机试验台示意图；

附图4为不同转速下实际喷油量的大小与柱塞转角之间的第一MAP图；

附图5为柱塞位置与喷油量、以及喷油量与输出扭矩之间的第二MAP图；

附图6为总喷油量与实际转速、以及实际转速与输出扭矩之间的第三MAP图；

附图7为不同温度下，不同转速下柱塞实际位置与实际喷油量、发动机输出扭矩之间的总MAP图。

其中，1-重量传感器，2-动量采集装置，3-喷油器，4-高压油管传感器，5-高压油管，6-单体泵，7-油泵安装座，8-万向节，9-驱动伺服电机，10-电机输出轴，11-凸轮轴，12-滑油进油管路，13-滑油泵，14-油泵挺柱，15-单体凸轮，16-相位编码器，17-卡簧，18-滑油出口，19-滑油回油管路，20-滑油箱，21-测功机，22-发动机曲轴，23-气缸，24-缸压传感器，25-曲轴箱，26-法兰联轴器，27-油雾润滑孔，28-油量调节机构，29-数据采集系统，30-转速传感器，31-滑油进口。

具体实施方式

下面对照附图，通过对附图进行描述，对本发明的具体实施方式如所设计的各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

参考图1，燃用负碳生物燃料的航空活塞发动机燃油控制系统的控制参数按照图1中的流程逐步获得，图1中流程用了两套试验台，一套是图2所示的燃油泵试验台，一套是图3测功机试验台。

参考图4，首先在燃油泵试验台上测出不同转速下实际喷油量的大小与柱塞位置之间的MAP图1。

进一步的，参考图5，将上述测得的MAP图耦合到发动机试验台上，在测功机试验台上测出柱塞位置、循环喷油量的大小与发动机输出扭矩之间的MAP图2。

进一步的，参考图6，在测功机试验台上测出柱塞位置、循环喷油量的大小与发动机输出扭矩之间的MAP图3。

进一步的，参考图7，在测功机试验台上得到不同环境温度下，实际喷油量的大小与发动机转速和输出扭矩之间的MAP总图。下面将对该过程进行更加详细的说明。

参考图2，本发明详细参考图2进一步描述该试验方法。

驱动伺服电机9功率为3.8kW，由万向节8与油泵凸轮轴11相连。油泵凸轮轴11通过平键与单体凸轮15相连，并传递伺服电机9的输出扭矩传递至油泵挺柱14。单体凸轮15靠凸轮轴端部卡簧17进行轴向限位。

当驱动电机输出电机输出轴10旋转时，带动万向节8旋转，万向节8带动凸轮轴11旋转，凸轮轴11通过平键带动单体凸轮15旋转，单体凸轮15推动油泵挺柱14使单体泵6通过高压油管5向喷油器3供油，燃油从喷油器3喷出后由动量采集装置2采用间接测量的办法测出喷油规律，由重量传感器1测量循环供油量的大小。

整个凸轮机构的润滑系统由泵箱7的回油出口与油泵安装座滑油出口18和滑油回油管路19连接到滑油箱20，通过滑油泵13向滑油进油管路12供油，滑油进油管路12与泵箱上的滑油进口31相连。

图2中喷油规律的测量由动量采集装置2采用间接测量的办法测量，整套系统相位的采集由相位编码器16采集。油泵柱塞的实际位置由油量调节机构28确定。

由数据采集系统29通过高压油管传感器4采用动量分析法测得的喷油速率随曲轴转角的变化规律，通过转速传感器30测得的油泵实际转速，重量传感器1测得的循环喷油量，测量得到柱塞实际位置与总喷油量的第一MAP图，如图4所示。

参考图3，本发明参考图3进一步描述试验方法。发动机油泵安装座7安装在曲轴箱25上，发动机曲轴22动力输出端通过法兰联轴器26与测功机21连接。通过调整油泵安装座7与曲轴箱25的角度，改变燃油喷射正时。通过缸压传感器24测量航空活塞发动机缸内爆发压力，并监控气缸23内的最高爆发压力。发动机上油泵安装座7的润滑靠曲轴箱25与油泵安装座7之间的油雾润滑孔27连通，油泵安装座7通过曲轴箱25飞溅的机油进行润滑。

通过测功机21测得发动机的实际输出扭矩，记录柱塞位置，查找柱塞位置对应的喷油量，得到柱塞位置与喷油量、以及喷油量与输出扭矩之间的第二MAP图，如图5所示；通过测功机21测得发动机的实际输出扭矩，记录实际转速，查找对应的总喷油量，形成总喷油量与实际转速、以及实际转速与输出扭矩之间的第三MAP图，如图6所示。

试验环境下模拟高空环境温度，由MAP图1→MAP图2→MAP图3，将环境温度作为一项参数耦合到上述实际测量得到的MAP图中，得到柱塞位置、循环喷油量、发动机转速、输出扭矩、发动机功率之间的总MAP图，如图7所示。保证燃用负碳燃料的二冲程航空活塞发动机能够实现精确的喷射控制。

举例说明：地面和万米高空的温度相差60℃左右，在整个飞行包线内，温度的变化对发动机的性能影响很大，其与车用发动机有很大区别。因此，需要通过测量出不同温度环境下的发动机循环喷油量与转速和功率(扭矩)的关系，以实现温度补偿功能。

以本团队自主研发的400cc航空活塞发动机为例，在地面温度下，30mg/cyl发动机的性能可以达到28kw,但是在万米高空，同样的柱塞位置，由于环境温度下降，燃油的粘度加大，实际循环喷油量减小，缸内扫气温度下降，蒸发更加困难，热效率下降，因此需要通过调节柱塞位置，实时增大循环喷油量，以补偿功率(扭矩)损失。

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 (6)

1.一种适用于脉冲式泵送负碳生物燃料的二冲程航空活塞发动机燃油控制系统控制参数的获得方法，其特征在于，所述控制参数的获得采用燃油泵试验台和测功机试验台，获得的所述控制参数用于采用脉冲式泵送负碳生物燃料的航空活塞发动机燃油控制系统；所述控制参数的获得具体步骤包括：

1)首先在燃油泵试验台上测出不同转速下实际喷油量的大小与柱塞转角之间的第一MAP图；

所述燃油泵试验台的驱动伺服电机由万向节与油泵凸轮轴相连；油泵凸轮轴通过平键与单体凸轮相连，并将驱动伺服电机的输出扭矩传递至油泵挺柱；

驱动伺服电机的电机输出轴旋转时，带动万向节旋转，万向节带动凸轮轴旋转，凸轮轴通过平键带动单体凸轮旋转，单体凸轮推动油泵挺柱使单体泵通过高压油管向喷油器供油；当喷油压力达到喷油器起喷压力时，燃油从喷油器的喷孔喷出；

随后，由重量传感器测得喷油器喷出的循环喷油量；

动量采集装置测得喷射正时及喷油规律；

相位编码器测得伺服电机输出轴的相位；

油泵柱塞的实际位置由油泵油量调节机构确定；

转速传感器测得凸轮实际转速；

数据采集系统通过测量油泵实际转速、循环喷油量以及柱塞的实际位置，得到不同转速下实际喷油量的大小与柱塞转角之间的第一MAP图；

2)将上述测得的第一MAP图耦合到测功机试验台上，在测功机试验台上测出喷油量的大小与发动机转速、发动机输出扭矩之间的第三MAP图；

所述测功机试验台的发动机油泵安装座安装在曲轴箱上，曲轴动力输出端通过法兰联轴器与测功机连接；通过调整油泵安装座与曲轴箱的角度，改变燃油喷射正时；通过缸压传感器测量航空活塞发动机缸内爆发压力，并监控气缸内的最高爆发压力；

通过测功机测得发动机的实际输出扭矩，记录柱塞位置，通过查找第一MAP图柱塞位置对应的喷油量，得到柱塞位置与喷油量、以及喷油量与输出扭矩之间的第二MAP图；

通过测功机测得发动机的实际输出扭矩，记录实际转速，查找对应的总喷油量，形成总喷油量与实际转速、以及实际转速与输出扭矩之间的第三MAP图；

3)将环境温度作为新增变量，耦合到上述的第三MAP图中，在燃油泵试验台上得到不同温度下，不同转速下柱塞实际位置与实际喷油量、发动机输出扭矩之间的总MAP图；

具体为在试验环境下模拟高空环境温度，由第一MAP图→第二MAP图→第三MAP图，将环境温度作为一项参数耦合到上述实际测量得到的MAP图中，得到不同温度下柱塞位置、循环喷油量、发动机转速、输出扭矩之间的总MAP图。

2.基于权利要求1所述的获得控制参数的方法，其特征在于：油泵安装座的泵箱回油出口通过滑油回油管路连接到滑油箱，滑油箱通过滑油泵向滑油进油管路供油，滑油进油管路与泵箱上的滑油进口相连。

3.根据权利要求1所述的获得控制参数的方法，其特征在于：所述二冲程航空活塞发动机燃料为负碳生物燃料。

4.根据权利要求1所述的获得控制参数的方法，其特征在于：所述航空活塞发动机的燃油泵试验台采用脉冲式泵油的单体泵。

5.根据权利要求2或3所述的获得控制参数的方法，其特征在于：在测功机试验台上获得的控制参数以发动机气缸最高爆发压力和发动机燃油消耗率作为边界条件。

6.根据权利要求1所述的获得控制参数的方法，其特征在于，燃油泵试验台上对单体泵喷油规律的测量由量程范围0到10bar的压力传感器采用动量法间接测量。

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