[发明专利]一种航空增压器控制系统及其调节方法

说明书

技术领域

本发明提出了一种航空用活塞发动机涡轮增压器增压压力闭环控制系统及其调节方法，属于活塞发动机进气调节与控制领域，可以用于通用航空、无人机以及其他航空发动机方面，也可以用在地面车用发动机动力的高海拔功率恢复。该控制系统执行器采用电机直接驱动，响应速度快，集成度高；该控制系统采用的调节算法同时考虑大气压力和发动机节气门位置以及两者的变化率，在实现增压压力稳态控制的基础上，保证了增压压力的瞬态控制效果。

背景技术

涡轮增压作为活塞发动机提高功率的有效方式，已经在地面发动机动力系统中得到广泛应用，包括柴油发动机机和汽油发动机。但是，在航空应用中，现在基本上仍以汽油发动机为主，而且供油方式大部分仍处在化油器方式，电控燃油喷射技术使用不多。在以上条件下，对汽油机进行增压控制实现功率恢复或者提高升限比较困难，主要原因一是现有的增压控制采用的是机械调节控制方式，控制范围非常窄，控制不灵活，还需要附加的压力保护装置；二是航空活塞发动机运行过程中，高度存在瞬态变化情况，外界大气压力也存在瞬态变化，采用机械调节装置难以实现增压快速瞬态控制。

现有大批量使用的增压系统机械调节机构原理如图1所示。弹性膜片和弹簧构成调节机构，其中一端接到增压器压气机出口和发动机进气部分的节气门之前，另外一端接到环境压力。该种调节方式实质上调节的是增压压力和环境压力之间的差值，该差值决定了废气门开度的大小。这在地面动力上使用是没问题的，因为地面动力使用环境压力变化不是很大，这样增压压力能实现较小波动范围内的稳定。但该种方式显然不能解决航空应用环境的问题，航空发动机爬升过程中高度存在急剧变化情况，按照上述调节方式的增压压力是不能保持恒定的，这对于采用化油器供油方式的发动机来讲，基本上是无法工作的。除此之外，现有的地面发动机中，采用增压技术的同时，基本上采用了电子节气门，为了保证发动机的瞬态性能，必须避免出现节气门瞬态减小情况下的超压情况，因此额外需要增加增压器压气机出口的安全阀，这增加了系统的复杂程度，也不符合航空发动机的轻质高效要求。可以说，现有的纯机械调节方式完全不能满足航空应用要求。

除了以上纯机械的调节方式外，为了提高灵活程度，现在存在的另外一种方式是真空调节方式，其基本实现原理如图2所示。该种方式实质上是在纯机械方式上，增加了电控调节能力，通过气动调节模块来实现。气动调节模块一端接大气，一端接增压器压气机出口，其工作方式是通过其中电磁阀的开关实现膜片室联通大气或者压气机出口，两者接通时间的比例调节了膜片室的压力，从而可以实现废气门开度的调整。该种方式可以实现一定范围内的压力调节，但是必须注意的是不能实现增压压力之外的范围调节，而且该种调节方式存在采用增压控制废气门和利用废气门调节增压的循环问题，在航空活塞发动机中无法应用。

由于现有的增压器执行器都是上述两种方式，因此控制调节算法也都基于以上执行器进行实现。CN101082318B专利提出了一种用于不同海拔高度控制涡轮增压内燃机进气压力的控制系统，但是该专利主要是解决高海拔地区的发动机增压压力控制，没有考虑海拔高度的瞬态变化；而且该专利采用的执行器即是上面论述的电子调节的气动致动器，气动执行器的动力来源于增压压力和环境压力，存在利用废气门来控制增压和利用增压来驱动废气门的循环使用问题，废气门运行难以保证理想运动情况。该种驱动方式的缺点在专利CN102191999A中也有论述。CN101994594A专利是从节流阀和增压器综合控制上进行调节，实现动力性和经济性的综合兼顾，这种调节方法要求发动机必须带有电子节气门和增压器可调装置(废气门、可变几何、可变喷嘴等)，显然该种方式在仍然采用化油器供油方式的航空发动机中，是无法使用的。CN102297015A专利则是重点解决增压器调节执行器在控制范围以外的情况，调节算法通过对增压器执行器调节范围根据发动机工况进行限制，同时采用对积分项的不同处理实现控制范围的调整；该专利主要集中在地面动力上的增压控制，不适合高度变化的航空活塞发动机。因此，综合现有增压器系统的技术现状和航空活塞发动机的独特使用环境，本发明提出一种基于电机直接驱动的增压压力闭环控制系统，既能实现增压压力的大范围灵活调节也能实现增压压力的瞬态快速控制效果。

发明内容

本发明提出一种航空活塞发动机增压压力控制系统及其调节方法，为采用化油器供油方式的航空活塞发动机提供稳定进气系统，其控制调节方法重点解决两个问题，一是现有控制系统执行器响应速度慢、调节范围窄；二是发动机高度以及节气门位置瞬态变化情况下，增压压力的瞬态快速调节。本发明可以保证航空活塞发动机满足起动、爬升、巡航以及降落过程中的稳定增压压力要求。