CN116838467A - 一种航空活塞发动机复合增压系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空活塞发动机复合增压系统及方法，所述航空活塞发动机复合增压系统包括：增压器涡轮机，用于驱动发动机和/或给机械增压器增压；机械增压器，用于驱动发动机；旁通阀，用于调节发动机排气被直接旁通到大气的比例；增压控制模块，用于根据高度确定增压器涡轮机和机械增压器的工作状态，所述增压器涡轮机与机械增压器机械通过轴驱动连接，所述增压控制模块同时连接增压器涡轮机、机械增压器和旁通阀，本发明提供了通过将机械增压和涡轮增压两种增压方式结合起来，联合两种增压方式的优点，使发动机在不同海拔高度均表现出优异的性能。

Description

一种航空活塞发动机复合增压系统及方法

【技术领域】

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种航空活塞发动机复合增压系统及方法。

【背景技术】

我国幅员辽阔，高原区域占国有总面积比例大是我国地貌特征。而高海拔下，传统的自然吸气航空活塞发动机会面临技术制约，特别是进气量不足导致的功率下降，动力不足，进而会引起飞机飞行高度和起飞负荷受限。为解决航空活塞发动机在高海拔条件下动力不足对飞机工况造成的影响，有必要对发动机引入增压系统。本发明专利提出一种航空活塞发动机复合增压控制系统，来解决这一难题。

发动机增压有机械增压和涡轮增压两种方式，前者的特征为利用发动机自身动力带动压气机增压，压气机转速直接与发动机曲轴转速耦合，低速运行状态效果优异，但在高速时会出现增压不足，而后者的特征是压气机由废气涡轮驱动，不消耗发动机本身动力，由于增压器转速高，可产生远远高于机械增压的压力，但在发动机转速较低时，增压效果不是很理想。

因此，有必要研究一种航空活塞发动机复合增压系统及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种航空活塞发动机复合增压系统及方法，通过将机械增压和涡轮增压两种增压方式结合起来，联合两种增压方式的优点，使发动机在不同海拔高度均表现出优异的性能。

一方面，本发明提供一种航空活塞发动机复合增压系统，所述航空活塞发动机复合增压系统包括：

增压器涡轮机，用于驱动发动机和/或给机械增压器增压；

机械增压器，用于驱动发动机；

旁通阀，用于调节发动机排气被直接旁通到大气的比例；

增压控制模块，用于根据高度确定增压器涡轮机和机械增压器的工作状态；

所述增压器涡轮机与机械增压器机械通过轴驱动连接，所述增压控制模块同时连接增压器涡轮机、机械增压器和旁通阀。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述增压控制模块包括执行器、数据采集单元和计算单元，

所述执行器包括旁通阀的舵机；

所述数据采集单元用于采集传感器参数；

所述计算单元利用数据采集单元获取的传感器数据通过模型预测与反馈调节来控制旁通阀开度，并实时监测发动机工作状态。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述传感器参数包括旁通阀开度、转速、节气门后端压力、燃油压力和温度、气缸温度、喷油脉宽和节气门位置、环境温度和压力以及进气稳压腔的温度和压力、排气管温度和压力。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述增压器涡轮机给机械增压器增压过程为：利用废气能量驱动轴转动，并通过轴将旋转运动传递给增压器压气机，增压器压气机将空气压缩，压缩后的空气进入进气稳压腔，进气稳压腔内的空气再经过与发动机曲轴连接的机械增压器增压，通过进气歧管进入航空发动机气缸内。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述旁通阀的开度通过增压控制模块采集的传感器参数后计算并控制。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述旁通阀的开度控制的计算参数包括：发动机转速、环境压力和涡轮增压器压气机后端压力。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述增压控制模块还包括反馈单元，所述反馈单元用于获取实时状态参数和工作状态并反馈，同时生成控制命令参数。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种航空活塞发动机复合增压方法，通过所述的复合增压系统实现，所述复合增压方法包括以下步骤：

S1：预设飞行高度阈值；

S2：获取实时飞行高度；

S3：比较实时飞行高度和飞行高度阈值，根据结果选择增压方式。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3中实时飞行高度不高于飞行高度阈值时，进行初始任务目标进气压力预估，然后进行控制模式判断，控制模式包括：闭环控制和手动控制；

当处于闭环控制时，根据进气腔的实际压力与目标压力的差值调节废气旁通阀的开度，实现进气腔压力的闭环控制；

当处于手动控制时，进气压力大于阈值时增大旁通阀的开度，减少进入涡轮的废气量从而降低涡轮转速，当进气压力不大于阈值时减小旁通阀的开度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3中实时飞行高度高于飞行高度阈值时，根据发动机转速和进气腔空气的温度对目标旁通阀开度调节对目标增压压力进行修正。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

(1)本发明中的控制方法结合航空活塞发动机复合增压系统能灵活调节发动机增压压力，且增压压力可调范围大。

(2)本发明中的控制方法能使航空活塞发动机在高海拔地区或空中的功率恢复到与海平面功率相同，避免发动机因为进气压力降低影响性能，保证发动机在各个海拔高度动力充足。

(3)本发明中的控制方法能提升发动机增压器的瞬态响应性能，改善发动机的动力性能，并降低发动机油耗。

(4)本发明中的控制方法所使用的传感器和执行器均为双冗余备份，保证系统安全。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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是本发明一个实施例提供的航空活塞发动机系统拓扑及传感器和增压器分布示意图；

图2是本发明一个实施例提供的航空活塞发动机复合增压控制流程图；

图3是本发明一个实施例提供的一种航空活塞发动机复合增压旁通阀采用前馈控制并引入增益可调PID控制的闭环控制流程图；

图4是本发明一个实施例提供的一种航空活塞发动机复合增压旁通阀采用前馈控制并引入自适应模糊整定控制的闭环控制流程图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明提供一种航空活塞发动机复合增压系统，所述航空活塞发动机复合增压系统包括：

增压器涡轮机，用于驱动发动机和/或给机械增压器增压；

机械增压器，用于驱动发动机；

旁通阀，用于调节发动机排气被直接旁通到大气的比例；

增压控制模块，用于根据高度确定增压器涡轮机和机械增压器的工作状态；

所述增压器涡轮机与机械增压器机械通过轴驱动连接，所述增压控制模块同时连接增压器涡轮机、机械增压器和旁通阀。

所述增压控制模块包括执行器、数据采集单元和计算单元，

所述执行器包括旁通阀的舵机；

所述数据采集单元用于采集传感器参数；

所述计算单元利用数据采集单元获取的传感器数据通过模型预测与反馈调节来控制旁通阀开度，并实时监测发动机工作状态。

所述传感器参数包括旁通阀开度、转速、节气门后端压力、燃油压力和温度、气缸温度、喷油脉宽和节气门位置、环境温度和压力以及进气稳压腔的温度和压力、排气管温度和压力。

所述增压器涡轮机给机械增压器增压过程为：利用废气能量驱动轴转动，并通过轴将旋转运动传递给增压器压气机，增压器压气机将空气压缩，压缩后的空气进入进气稳压腔，进气稳压腔内的空气再经过与发动机曲轴连接的机械增压器增压，通过进气歧管进入航空发动机气缸内。

所述旁通阀的开度通过增压控制模块采集的传感器参数后计算并控制。

所述旁通阀的开度控制的计算参数包括：发动机转速、环境压力和涡轮增压器压气机后端压力。

所述增压控制模块还包括反馈单元，所述反馈单元用于获取实时状态参数和工作状态并反馈，同时生成控制命令参数。

本发明还提供一种航空活塞发动机复合增压方法，通过所述的复合增压系统实现，所述复合增压方法包括以下步骤：

S1：预设飞行高度阈值；

S2：获取实时飞行高度；

S3：比较实时飞行高度和飞行高度阈值，根据结果选择增压方式。

所述S3中实时飞行高度不高于飞行高度阈值时，进行初始任务目标进气压力预估，然后进行控制模式判断，控制模式包括：闭环控制和手动控制；

当处于闭环控制时，根据进气腔的实际压力与目标压力的差值调节废气旁通阀的开度，实现进气腔压力的闭环控制；

当处于手动控制时，进气压力大于阈值时增大旁通阀的开度，减少进入涡轮的废气量从而降低涡轮转速，当进气压力不大于阈值时减小旁通阀的开度。

所述S3中实时飞行高度高于飞行高度阈值时，根据发动机转速和进气腔空气的温度对目标旁通阀开度调节对目标增压压力进行修正。

本发明目的为一种航空活塞发动机复合增压系统控制方法，该控制系统可根据目标增压压力对旁通阀进行闭环调节，或根据需求对旁通阀开度进行手动调节。进而保证达到发动机所需的增压效果，保证发动机处于不同工况、不同海拔高度时的进气压力，使航空活塞发动机在不同海拔高度均满足动力要求。

本发明中的复合增压系统控制方法由三部分组成：增压器控制模块(以下简称为“TCU”)、数据采集单元和执行单元。TCU主要作用是控制发动机增压系统的工作，通过信号调理电路采集发动机的工作参数、环境参数等传感器信号，通过传感器信号监测发动机当前工作状态，根据具体的控制策略，通过数学计算和逻辑判断确定适合发动机当前工况下涡轮废气旁通阀开度，并转换为电信号输出控制命令到涡轮排气旁通阀执行电机，调节涡轮旁通阀开度。精确控制增压压力，避免系统在低海拔区域的过增压、过温满足全工况下发动机与增压系统匹配最优。

TCU控制策略的主要功能包括：(1)目标进气压力的精确快速控制；(2)系统保护功能，防止超温超速；(3)传感器、执行器故障诊断，并采用备用控制策略；(4)向上位机输出控制信号和故障诊断信号；

本发明的数据采集功能为TCU可以通过CAN通信接口或RS485接口直接从发动机管理器获取的信息包括：转速、节气门后端压力、燃油压力和温度、气缸温度、喷油脉宽和节气门位置等；此外系统新增传感器，TCU通过模拟输入接口获取的信息包括：环境温度和压力、增压腔温度和压力、排气腔(涡前)温度和压力和排气腔氧气浓度等；TCU通过CAN通信接口获取的增压系统信息包括：废气旁通阀开度。

本发明的增压压力闭环控制为根据进气腔的实际压力(增压压力)与目标压力的差值来输出适当的控制信号，调节排气旁通阀的开度，实现增压压力的闭环控制。

本发明的超速超温系统保护为发动机超温超速保护和增压器的超温超速保护。其中，发动机超温超速保护为TCU需根据发动机转速、节气门开度及进气腔空气温度压力进行目标增压压力修正，当发动机超速运行及进气温度过高现象出现时，通过调节排气旁通阀开度减低增压压力，防止发动机转速及缸温过高，以保护发动机；增压器超温超速保护为TCU通过采集增压器转速、涡轮前排气温度信号判断是否超出限值，通过调节排气旁通阀开度加以限制。

本发明的故障诊断功能为在发动机运行过程中，TCU需具备监控各传感器、执行器、硬件驱动芯片等的工作状态，通过诊断程序，以快速确认控制系统的工作状态。在确认故障发生时，向发动机管理器或地面指挥发出故障信息，并同时开启故障应对措施。

实施例1：

如图1所示，传感器为双冗余备份，以保证系统安全，执行器旁通阀也为双冗余备份，以保证一路旁通阀执行器出现故障时，仍然有一路可以正常工作。其中传感器有节气门开度传感器1、进气歧管温度传感器2、发动机转速传感器3、节气门下侧压力传感器4、涡轮机前温度/压力传感器5、环境温度/压力传感器6、压气机后温度/压力传感器7、废气旁通阀控制/开度信号8、进气流量传感器9、氧传感器10。

如图2所示，本发明中配备独立于ECU的TCU。根据任务规划指令21，进行初始任务目标进气压力预估22，在低海拔区域，为避免涡轮增压器转速过快导致的过增压现象，TCU经过控制模式判断28，控制废气旁通阀开度，且控制方式分为手动控制23和闭环控制27。其中旁通阀的开度用一个伺服电机通过拉杆进行调节。进气压力过大时增大旁通阀的开度，减少进入涡轮的废气量从而降低涡轮转速。反之，当进气压力较低时减小旁通阀的开度。而TCU根据环境温度压力33(43)、发动机转速31(41)、节气门开度32(42)、目标增压压力34(44)等确定目标压气机做功量311(411)及目标排气流量310(310)。TCU根据进气腔的实际压力与目标压力的差值调节废气旁通阀的开度，实现进气腔压力的闭环控制。同时TCU的系统保护模块36(46)还要根据发动机得转速和进气腔空气的温度通过对目标旁通阀开度37(47)调节实现对目标增压压力进行修正，当超速和排气温度过高时降低增压压力，以保护发动机。

本发明中的增压压力控制采用前馈和反馈控制相耦合的方式，如图3和图4所示。涡轮增压器基于“排气能量-涡轮做功-压气机机械能转换-建立进气压力”的循环工作，并有循环间影响，导致响应迟滞明显。高海拔区入口温度、压力变化剧烈，对压气机工作特性(效率和流量)产生影响。可能产生喘振或堵塞现象。为应对以上典型课题，采用前馈控制和反馈控制相耦合的方式。首先，根据当前目标输出功率和大气压力、温度确立目标增压压力(机械增压器前端，前期标定)。该处目标增压压力的设定须考虑到安全性修正，包括发动机转速过高限制，排气温度过高限制等。其次，根据目标空气流量和压气机前温度等计算压气机目标做功量和涡轮机效率，利用前期标定确定目标排气温度、压力相对目标空气流量的拟合多项式。根据目标压气机做功量和效率图谱计算目标涡轮机做功量。最后，根据涡轮机的通用特性曲线确定涡轮机目标流量，至此完成前馈控制逻辑。为补偿前馈控制的稳态误差，引入增益可调PID控制313或自适应模糊整定控制413，实现基于压气机后端压力的反馈控制逻辑。最后基于总的涡轮机目标排气流量计算目标旁通阀开度37(47)。其中，在模型中导入涡轮机和压气机的通用特性曲线，针对入口温度和压力变化进行马赫修正，保证控制策略适应不同海拔的工作需求。

本发明的超速超温系统保护分四类：发动机进气温度过高保护，发动机超速保护，发动机超温保护和增压器超温超压保护。采用相应的传感器值实现对系统的保护功能，并制定相应的保护策略。同时，因涉及废气旁通阀从自动控制到手动控制的切换，应在策略中保证平滑切换。

本发明的故障诊断分为传感器故障诊断和执行器故障诊断。在发动机运行过程中，TCU软件需具备监控各传感器、执行器、硬件驱动芯片等的工作状态的功能，对各个传感器以及执行器的异常工作状态给予诊断及故障识别，给出相应的故障标志，通过CAN协议记录并传输诊断结果。

本发明发动机在大节气门、高转速时，涡轮增压会出现增压压力过高的问题，该发明中采用废气旁通技术来解决这一难题。在发动机工作过程中，机械增压始终参与。通过电控单元实时监测涡轮增压器压气机出口气压，并采用闭环控制或手动控制旁通阀开度来保证压气机出口压力处于一定的范围，且压气机出口压力可根据发动机进气所需压力需求在一定范围内调节。

以上对本申请实施例所提供的一种航空活塞发动机复合增压系统及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种航空活塞发动机复合增压系统，其特征在于，所述航空活塞发动机复合增压系统包括：

增压器涡轮机，用于驱动发动机和/或给机械增压器增压；

机械增压器，用于驱动发动机；

旁通阀，用于调节发动机排气被直接旁通到大气的比例；

增压控制模块，用于根据高度确定增压器涡轮机和机械增压器的工作状态；

所述增压器涡轮机与机械增压器机械通过轴驱动连接，所述增压控制模块同时连接增压器涡轮机、机械增压器和旁通阀。

2.根据权利要求1所述的复合增压系统，其特征在于，所述增压控制模块包括执行器、数据采集单元和计算单元，

所述执行器包括旁通阀的舵机；

所述数据采集单元用于采集传感器参数；

所述计算单元利用数据采集单元获取的传感器数据通过模型预测与反馈调节来控制旁通阀开度，并实时监测发动机工作状态。

3.根据权利要求2所述的复合增压系统，其特征在于，所述传感器参数包括旁通阀开度、转速、节气门后端压力、燃油压力和温度、气缸温度、喷油脉宽和节气门位置、环境温度和压力以及进气稳压腔的温度和压力、排气管温度和压力。

4.根据权利要求1所述的复合增压系统，其特征在于，所述增压器涡轮机给机械增压器增压过程为：利用废气能量驱动轴转动，并通过轴将旋转运动传递给增压器压气机，增压器压气机将空气压缩，压缩后的空气进入进气稳压腔，进气稳压腔内的空气再经过与发动机曲轴连接的机械增压器增压，通过进气歧管进入航空发动机气缸内。

5.根据权利要求3所述的复合增压系统，其特征在于，所述旁通阀的开度通过增压控制模块采集的传感器参数后计算并控制。

6.根据权利要求5所述的复合增压系统，其特征在于，所述旁通阀的开度控制的计算参数包括：发动机转速、环境压力和涡轮增压器压气机后端压力。

7.根据权利要求1所述的复合增压系统，其特征在于，所述增压控制模块还包括反馈单元，所述反馈单元用于获取实时状态参数和工作状态并反馈，同时生成控制命令参数。

8.一种航空活塞发动机复合增压方法，通过上述权利要求1-7之一所述的复合增压系统实现，其特征在于，所述复合增压方法包括以下步骤：

S1：预设飞行高度阈值；

S2：获取实时飞行高度；

S3：比较实时飞行高度和飞行高度阈值，根据结果选择增压方式。

9.根据权利要求8所述的复合增压方法，其特征在于，所述S3中实时飞行高度不高于飞行高度阈值时，进行初始任务目标进气压力预估，然后进行控制模式判断，控制模式包括：闭环控制和手动控制；

当处于闭环控制时，根据进气腔的实际压力与目标压力的差值调节废气旁通阀的开度，实现进气腔压力的闭环控制；

当处于手动控制时，进气压力大于阈值时增大旁通阀的开度，减少进入涡轮的废气量从而降低涡轮转速，当进气压力不大于阈值时减小旁通阀的开度。

10.根据权利要求8所述的复合增压方法，其特征在于，所述S3中实时飞行高度高于飞行高度阈值时，根据发动机转速和进气腔空气的温度对目标旁通阀开度调节对目标增压压力进行修正。