航空活塞发动机涡轮增压器高稳定防喘振调节系统装置及方法
【专利摘要】本发明涉及航空活塞发动机涡轮增压器高稳定防喘振调节系统及其调节方法，包括空气分流管道、流量调节阀、气动管路、负压电磁阀、电子控制器、压力传感器、转速传感器、大气压力传感器和桨距传感器。所述流量调节阀具有环形节流孔，所述环形节流孔的流通面积会随着阀芯移动而变化。预先根据增压器及发动机特性和螺旋桨特性，确定工作点图谱族，并给出正常偏差范围和喘振偏差范围。在发动机工作过程中，预测工作点，如果工作点处于喘振偏差范围，则所述电子控制器发出脉宽调制驱动信号至所述负压电磁阀，通过调整所述脉宽调制驱动信号的脉冲占空比，控制经过空气分流管道的空气量。
【专利说明】航空活塞发动机涡轮增压器高稳定防喘振调节系统装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空活塞发动机涡轮增压技术，具体涉及到航空活塞发动机涡轮增压器的工作状况调节技术及防喘振调节技术。
【背景技术】
[0002]小型航空飞行器广泛应用于军民领域，包括小型通用飞机、军用或民用无人机等。随着技术发展和需求提升，中高空长航时成为小型航空飞行器发展方向之一。
[0003]航空活塞发动机由于具有制造成本低、油耗水平低、维护方便等优势，被广泛用于小型航空飞行器的动力装置。随着飞行海拔高度升高，大气压力下降，空气密度减小，空气中含氧量降低，从而造成发动机功率下降。为了满足飞行器的动力需求，一般采用增压技术对发动机进行功率恢复。涡轮增压是增压技术的一种，能够从高能量废气中回收部分能量，用于增加发动机进气充量，进而实现功率恢复。
[0004]压气机是涡轮增压器的主要部件之一，使压气机工作效率高，避免喘振，是涡轮增压器设计和调节的重点内容之一。压气机喘振属于压气机不稳定工作现象，会造成气流剧烈波动、压气机效率降低，甚至会造成增压器和发动机的结构损坏。因此在实际工作中应避免喘振的发生。喘振一般发生于流量相对较小的情况，在一定的转速下，当压气机的气体流量减小到一定程度时，气体就会在叶轮或者扩压器入口处出现边界层分离现象，导致气体回流。分离涡流迅速扩展到压气机通道的其他部分，即发生喘振。但与此同时，压气机的高效率点却在喘振点附近。使压气机稳定工作于高效区域，并避免进入喘振区域是压气机乃至增压器控制调节的重要内容。
[0005]关于发动机增压器防喘振调节，现有发明专利多面向于地面或者船用装置。如专利CN101054921A公开了一种船用柴油机涡轮增压器喘振预测控制装置和控制方法，通过接受转速信号和压力波动信号判断喘振先兆，通过动作空气循环装置，减少喘振发生。又如专利CN101701546B公布了相继增压系统防喘振控制装置及控制方法，通过判断燃气阀与空气阀开启的间隔时间是否在允许范围，并与控制线进行比较，得出是否有喘振先兆，通过调整空气循环阀和空气旁通阀来减少喘振发生。
[0006]但是，上述装置及方法应用于航空活塞发动机时具有一定局限性，不能充分适应航空活塞发动机的工况要求。航空活塞发动机一般工作于螺旋桨工况，并且，对于适用于中高空的航空活塞发动机，螺旋桨的速度负载特性会随海拔高度的变化发生较大变化。因此，充分利用航空活塞发动机工况特性，并且考虑航空螺旋桨工况特点，是实现航空活塞发动机涡轮增压器高稳定防喘振调节系统的重要途径。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种适用于中高空空气螺旋桨工况的航空活塞发动机涡轮增压器高稳定防喘振调节系统装置。同时本发明的目的还在于提供一种适用于中高空空气螺旋桨工况的航空活塞发动机涡轮增压器高稳定防喘振调节方法。
[0008]为实现上述目的，本发明采用以下系统装置和调节方法。
[0009]本发明的系统装置，包括空气分流管道、流量调节阀、气动管路、负压电磁阀、电子控制器、压力传感器、转速传感器、大气压力传感器和桨距传感器。所述流量调节阀安装于所述空气分流管道，并通过气动管路与所述负压电磁阀相连；所述空气分流管道一端与压气机入口管道相连，另一端与压气机出口管道相连；所述负压电磁阀通过管路与节气门后进气管相连；所述压力传感器安装于涡轮增压器压气机出口管道；所述流量传感器安装于涡轮增压器压气机进口管道；所述压力传感器、所述转速传感器、所述大气压力传感器和所述桨距传感器所测得的信号经信号线传至所述电子控制器，所述电子控制器发出驱动信号至所述负压电磁阀。
[0010]所述流量调节阀具有阀芯，所述阀芯可以移动，与所述阀座之间的距离决定空气分流管道流通面积，并且阀芯的移动能够控制空气分流管道流通面积的变化。所述阀芯与阀盖之间具有复位弹簧。所述阀芯具有中空结构，并在端部开口，与阀杆构成环形节流孔。所述阀杆具有变截面柱形结构，使得所述环形节流孔的流通面积会随着阀芯移动而变化。
[0011]所述负压电磁阀具有打开与关闭两种状态，并由所述电子控制器发出的脉宽调制(Pulse Width Modulat1n,PWM)驱动信号控制。当所述负压电磁阀处于打开状态时，所述流量调节阀的气动管路与节气门后进气管被接通；而当所述负压电磁阀处于关闭状态时，所述流量调节阀的气动管路与节气门后进气管被截断。通过调整所述PWM驱动信号的脉冲占空比，可以调节电磁阀打开状态与关闭状态的时间比。
[0012]本发明的调节方法。通过工作点预测方法判断增压器的工作点，并与预估压气机喘振边界进行对比。如果实际工作点处于正常偏差范围内，则负压电磁阀处于关闭状态；如果实际工作点处于喘振偏差范围，则电子控制器发出PWM驱动信号，使负压电磁阀交替发生打开与关闭状态，进而使流量调节阀动作，使得压气机出口管道的部分空气经空气分流管道进入压气机入口管道；根据实际工作点偏差大小、压力传感器信号和节气门位置传感器信号，按照PWM驱动信号脉冲占空比调节规律，确定脉冲占空比，从而控制经过空气分流管道的空气量。
[0013]所述工作点预测方法，在给定的螺旋桨桨距、海拔高度条件下，通过预先试验，在发动机的转速范围内预先获取增压器若干转速下的出口压力和流量，形成一组工作点图谱；依次改变螺旋桨桨距、海拔高度，形成工作点图谱族。在发动机工作过程中，通过接受压力传感器信号，获取增压器出口压力，通过转速传感器信号，获取发动机转速、通过大气压力传感器信号，获取海拔高度，通过桨距传感器信号，获取桨距。通过对工作点图谱族插值处理，判断增压器的工作点。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的航空活塞发动机涡轮增压器高稳定防喘振调节系统装置示意图。
[0015]图2为本发明的流量调节阀示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图及实施例，对本发明做更详细的描述。
[0017]如图1所示，本发明的系统装置，包括空气分流管道1、流量调节阀2、气动管路3、负压电磁阀4、电子控制器5、压力传感器6、转速传感器7、大气压力传感器8和桨距传感器9。所述流量调节阀2安装于涡轮增压器空气分流管道1，并通过气动管路3与所述负压电磁阀4相连；所述空气分流管道I 一端与压气机入口管道相连，另一端与压气机出口管道相连；所述负压电磁阀4通过管路与节气门后进气管相连；所述压力传感器6安装于涡轮增压器压气机出口管道；所述压力传感器6、所述转速传感器7、所述大气压力传感器8和所述桨距传感器9所测得的信号经信号线传至所述电子控制器5，所述电子控制器5发出驱动信号至所述负压电磁阀4。
[0018]所述流量调节阀2具有阀芯12，所述阀芯12可以移动，与阀座15之间的距离决定空气分流管道I流通面积，并且阀芯12的移动能够控制空气分流管道I流通面积的变化。所述阀芯12与阀盖10之间具有复位弹簧11。所述阀芯12具有中空结构，并在端部开口，与阀杆13构成环形节流孔14。所述阀杆13为变截面柱形结构，使得所述环形节流孔14的流通面积会随着阀芯移动而变化。
[0019]所述负压电磁阀4的打开状态与关闭状态由所述电子控制器5发出的脉宽调制(Pulse Width Modulat1n,PWM)驱动信号控制。当所述负压电磁阀4处于打开状态时,所述流量调节阀2的气动管路3与节气门后进气管被接通；而当所述负压电磁阀4处于关闭状态时，所述流量调节阀2的气动管路3与节气门后进气管被截断。通过调整所述PWM驱动信号的脉冲占空比，可以调节负压电磁阀4打开状态与关闭状态的时间比。
[0020]在给定的螺旋桨桨距、海拔高度条件下，通过预先试验，在发动机的转速范围内预先获取增压器若干转速下的出口压力和流量，形成一组工作点图谱；依次改变螺旋桨桨距、海拔高度，形成工作点图谱族。在发动机工作过程中，通过接受压力传感器6信号，获取增压器出口压力，通过转速传感器7信号，获取发动机转速、通过大气压力传感器8信号，获取海拔高度，通过桨距传感器9信号，获取桨距。通过对工作点图谱族插值处理，判断增压器的工作点。
[0021]将增压器的工作点与预估压气机喘振边界进行对比。
[0022]如果实际工作点处于正常偏差范围内，则负压电磁阀4处于关闭状态，所述流量调节阀2的气动管路3与节气门后进气管被截断。环形节流孔14两侧不存在压差，阀芯12在复位弹簧11的复位弹性力作用下，压紧在阀座15上，阻断空气分流管道I。压气机出口管道的气体将不能通过空气分流管道I进入到压气机入口管道中，压气机的空气流量将全部进入发动机。
[0023]如果实际工作点处于喘振偏差范围，则电子控制器5发出PWM驱动信号，使负压电磁阀4交替发生打开与关闭状态。
[0024]当所述负压电磁阀4处于打开状态时，所述流量调节阀2的气动管路3与节气门后进气管被接通。所述流量调节阀2的气动管路3内的压力将下降，由于空气分流管道I连接压气机出口管道的一端气体压力高于流量调节阀2的气动管路3的压力，空气分流管道I中的气体将通过环形节流孔14流入到流量调节阀2的气动管路3。由于环形节流孔14的节流作用，环形节流孔14两侧存在压差，并且压力方向与复位弹簧11的压力作用方向相反。当环形节流孔14两侧的压差增加到一定程度时，就会克服复位弹簧11的压力作用，使阀芯12脱离阀座15。
[0025]当负压电磁阀4交替发生打开与关闭状态时，所述流量调节阀2的气动管路3内的压力将交替下降和上升，即气动管路3内的压力呈现波动状态。空气分流管道I中的气体波动地通过环形节流孔14流入到流量调节阀2的气动管路3中，对气动管路3内的压力进行补偿。气体流动的瞬态效应和环形节流孔14的节流效应将大幅削弱气动管路3内的压力波动幅度。阀芯12的质量惯性进一步削弱气动管路3内的压力波动所导致的阀芯12位置的波动，使阀芯12较为稳定地脱离阀座15，并处于某一位置。空气分流管道I被接通，压气机出口管道的部分气体将通过空气分流管道I进入到压气机入口管道中，即压气机的空气流量将部分进入发动机。从而可增大压气机流量，通过压气机的空气流量不必与发动机所需进气流量相等。这样既避免了压气机发生喘振，也满足了发动机的流量需求，使实际工作点脱离喘振偏差范围。
[0026]根据实际工作点偏差大小，按照PWM驱动信号脉冲占空比调节规律，电子控制器5改变PWM驱动信号的脉冲占空比，改变负压电磁阀4打开状态与关闭状态的时间比，进而改变流量调节阀2的气动管路3内的平均压力。负压电磁阀4打开状态与关闭状态的时间比越大，流量调节阀2的气动管路3内的平均压力越低，环形节流孔14两侧的压差越大，阀芯12与阀座15的距离越大，经空气分流管道I由压气机出口管道进入到压气机入口管道中的气体流量越大。反之亦然。
[0027]同时，由于所述阀杆13为变截面柱形结构，使得所述环形节流孔14的流通面积会随着阀芯12移动而变化，进而导致环形节流孔14的压力损失系数会随着阀芯12移动发生适当变化，阀芯12的不同位置具有不同的压力补偿速率，在大流量状态下，环形节流孔14流通面积增大，压力损失系数减小，压力补偿速率增大。反之，小流量状态下，压力补偿速率减小。这样最大限度地降低阀芯12在不同位置的波动程度，使得阀芯12位置稳定，使得经空气分流管道I由气机出口管道进入到压气机入口管道中的气体流量稳定。所述阀杆13截面的变化规律与所述PWM驱动信号脉冲占空比调节规律有关，降低PWM驱动信号脉冲占空比调节范围内阀芯12位置的波动，进而提高经空气分流管道I由压气机出口管道进入到压气机入口管道中的气体流量的稳定程度。
[0028]对于用于中高空空气螺旋桨工况的航空活塞发动机涡轮增压器，本发明能够使之主动有效地避免喘振区域，同时能够提高流量调节的稳定程度。
【权利要求】
1.一种航空活塞发动机涡轮增压器高稳定防喘振调节系统，其特征在于，包括空气分流管道、流量调节阀、气动管路、负压电磁阀、电子控制器、压力传感器、转速传感器、大气压力传感器和桨距传感器；所述流量调节阀包括阀芯、阀杆、阀盖、阀座及复位弹簧，所述阀芯可以移动，与所述阀座之间的距离可以调节，所述阀芯为中空结构并在其端部开口，所述阀杆穿过所述中空结构并从所述端部开口伸出，阀芯与阀杆构成环形节流孔，所述阀杆具有变截面柱形结构，所述环形节流孔的流通面积会随着阀芯移动而变化；所述负压电磁阀通过管路与节气门后进气管相连；所述压力传感器、所述转速传感器、所述大气压力传感器和所述桨距传感器所测得的信号经信号线传至所述电子控制器，所述电子控制器发出脉宽调制驱动信号至所述负压电磁阀；所述负压电磁阀具有打开与关闭两种状态。
2.根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，当所述负压电磁阀处于打开状态时，所述流量调节阀的气动管路与节气门后进气管被接通；而当所述负压电磁阀处于关闭状态时，所述流量调节阀的气动管路与节气门后进气管被截断。通过调整所述脉宽调制驱动信号的脉冲占空比，以调节负压电磁阀打开状态与关闭状态的时间比。
3.根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，所述阀杆截面的变化规律与所述脉宽调制驱动信号脉冲占空比调节规律相关联。
4.根据权利要求1一 3中任一项所述一种航空活塞发动机涡轮增压器高稳定防喘振调节系统的调节方法，其特征在于，所述调节方法具体步骤如下: (1)通过工作点预测方法判断所述涡轮增压器的工作点，并与预估压气机喘振边界进行对比，其中，所述工作点预测方法是:在给定的螺旋桨桨距、海拔高度条件下，通过预先试验，在发动机的转速范围内预先获取增压器若干转速下的出口压力和流量，形成一组工作点图谱；依次改变螺旋桨桨距、海拔高度，形成工作点图谱族。在发动机工作过程中，通过接受压力传感器信号，获取增压器出口压力，通过转速传感器信号，获取发动机转速、通过大气压力传感器信号，获取海拔高度，通过桨距传感器信号，获取桨距。通过对工作点图谱族插值处理，判断增压器的工作点。 (2)如果实际工作点处于正常偏差范围内，则负压电磁阀处于关闭状态；如果实际工作点处于喘振偏差范围，则电子控制器发出脉宽调制驱动信号，使负压电磁阀交替发生打开与关闭状态，进而使流量调节阀动作，使得压气机出口管道的部分空气经空气分流管道进入压气机入口管道；根据实际工作点偏差大小、压力传感器信号和节气门位置传感器信号，按照脉宽调制驱动信号脉冲占空比调节规律，确定脉冲占空比，从而控制经过空气分流管道的空气量。
【文档编号】F02B37/16GK104329161SQ201410478614
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】丁水汀, 杜发荣, 曹娇坤 申请人:北京航空航天大学