一種壓電晶體燃油噴射器及其噴射控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于壓電晶體的燃油噴射系統(tǒng)，其屬于小排量活塞發(fā)動機燃油噴射領域，特別是小型航空活塞發(fā)動機方面。本發(fā)明的噴射系統(tǒng)主要包括殼體、壓電晶體執(zhí)行器、活塞、進油簧片閥、簧片螺栓、出油單向球閥、錐形彈簧與噴油通道，壓電晶體通過形變產(chǎn)生機械位移實現(xiàn)泵油、加壓、噴射的全部功能?；诒景l(fā)明的壓電晶體噴射系統(tǒng)，本發(fā)明還公開了相應的控制調(diào)節(jié)算法，通過完整次數(shù)的脈沖和不完整次數(shù)的脈沖控制實現(xiàn)發(fā)動機工作循環(huán)噴油量的精確調(diào)節(jié)。
【專利說明】一種壓電晶體燃油噴射器及其噴射控制方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及小排量活塞發(fā)動機電控燃油噴射系統(tǒng)，特別是小型無人機用航空活塞 發(fā)動機缸內(nèi)直噴系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 現(xiàn)在，典型的活塞發(fā)動機電控燃油噴射系統(tǒng)按照燃料不同，基本上分為汽油機電 控燃油噴射系統(tǒng)和柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)。其中，汽油機電控燃油噴射系統(tǒng)又分為兩種， 一種是低壓的進氣道噴射系統(tǒng)，一種是高壓的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)；而柴油機電控燃油噴射系統(tǒng) 則基本上是高壓的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)。其實，不管是汽油機還是柴油機，不論是高壓或者低壓， 現(xiàn)在的電控燃油噴射系統(tǒng)基本上都采用油泵一油管一噴嘴的結(jié)構(gòu)型式，油泵從油箱中抽取 燃油并加壓，油管實現(xiàn)高壓燃油到噴嘴的輸送，噴嘴在控制系統(tǒng)的驅(qū)動脈沖作用下完成噴 射功能。上述噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在大排量發(fā)動機上使用是沒有問題的，但是對于無人機特別是 微小型無人機動力系統(tǒng)來說，發(fā)動機排量非常小，采用上述結(jié)構(gòu)的噴油系統(tǒng)，部件數(shù)目多， 連接復雜，系統(tǒng)功耗大，這基本上是不可能的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提出一種壓電晶體控制的噴油器，為小排量活塞發(fā)動機特別是小型航空活 塞發(fā)動機提供一種噴油控制更加精確簡單可靠，噴射壓力更高并且可以實現(xiàn)缸內(nèi)直噴的燃 油噴射器。
[0004] 一種壓電晶體燃油噴射器，包括殼體、壓電晶體執(zhí)行器、活塞、進油簧片閥、簧片螺 栓、出油單向球閥、錐形彈簧與噴油通道。
[0005] 殼體內(nèi)部上方是加壓噴射的高壓油腔，下方是壓電晶體執(zhí)行器腔、低壓油腔。壓電 晶體執(zhí)行器在最下方，活塞下端和壓電執(zhí)行器耦合，上端和單向進油簧片閥通過簧片螺栓 固定在一起?；钊麅?nèi)開有進油孔。在殼體上還有進油口，低壓油腔與殼體內(nèi)空腔之間有0 型密封環(huán)。
[0006] 殼體頂部是燃油噴嘴部分，噴嘴上方設置有噴射通道，噴射通道內(nèi)由下至上依次 設置有出油單向球閥與錐形彈簧；其中，出油單向球閥位于噴口處。
[0007] 在進油簧片閥一端，進油口與低壓油腔相連；在進油簧片閥的另一端，高壓油腔與 噴口相連。低壓油腔與高壓油腔通過進油簧片閥連通。
[0008] 系統(tǒng)不工作時，壓電晶體處于原始狀態(tài)，進油簧片閥關閉，出油單向球閥也關閉， 燃油不能從低壓油腔到高壓油腔流動，噴射過程不能進行。
[0009] 系統(tǒng)工作時，控制系統(tǒng)對壓電晶體發(fā)出觸發(fā)脈沖，壓電晶體開始向上形變伸長，此 時進油簧片閥關閉，活塞向上運動，對高壓油腔進行加壓，當高壓油腔壓力超過出油單向球 閥的彈簧預緊力時，出油單向球閥打開，燃油由噴射通道噴出；活塞運動到上限位置時，噴 射過程結(jié)束，此時控制系統(tǒng)關閉觸發(fā)脈沖，壓電晶體開始向下形變回復到初始狀態(tài)，此時， 出油單向球閥關閉，進油簧片閥打開，燃油通過進油口然后由和簧片閥相連的進油孔從外 界低壓油腔進入高壓油腔，完成進油功能。
[0010] 本發(fā)明的壓電晶體噴射器，集成了傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的泵一管一嘴功能于一體，集成 度高；同時由于采用了壓電晶體作為執(zhí)行器，響應速度快，噴射壓力可以很高，可以直接實 現(xiàn)燃油缸內(nèi)噴射的要求。
[0011] 本發(fā)明應用對象主要面向小排量的活塞發(fā)動機，發(fā)動機每循環(huán)所需噴油量都較 小，在幾個μ L左右，而壓電晶體的形變伸縮量也比較小，還直接和單次噴油量相關，因此 基于噴射器的工作原理，本發(fā)明在發(fā)動機應用上控制方法也與傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)不一致。
[0012] 采用本發(fā)明的壓電晶體噴射器，其控制調(diào)節(jié)算法包括以下步驟：
[0013] 步驟1 :根據(jù)傳感器計算確定發(fā)動機工作循環(huán)所需噴油量Qn;
[0014] 控制系統(tǒng)ECU根據(jù)發(fā)動機進氣壓力、進氣溫度傳感器或者直接的進氣質(zhì)量流量計 得到發(fā)動機進氣量，根據(jù)其他相關傳感器修正，最終根據(jù)理論空燃比計算得到發(fā)動機工作 循環(huán)所需噴油量Q n;
[0015] 步驟2 :確定噴射器工作循環(huán)內(nèi)的理想噴射次數(shù)Cn ;
[0016] 由于壓電晶體噴射器的單次噴射量P是一定的，由工作循環(huán)所需噴油量Qn，可以得 到噴射器該工作循環(huán)內(nèi)需要工作的噴射次數(shù)c n，將cn分為整數(shù)和小數(shù)部分，整數(shù)部分是噴 射器每次完全噴射產(chǎn)生的完整控制脈沖次數(shù)，也即壓電晶體每次產(chǎn)生最大位移，每次噴射 量為P，小數(shù)部分則是不完整控制脈沖，壓電晶體此次不產(chǎn)生最大位移，此次噴射量小于P。
[0017] 步驟3 :確定噴射器噴油正時；
[0018] 本發(fā)明的噴射器由于是主要面對小排量活塞發(fā)動機的缸內(nèi)直噴應用，噴油正時非 常關鍵。噴油正時仍然由控制系統(tǒng)ECU計算得出，ECU根據(jù)曲軸位置傳感器或者凸輪軸傳感 器得到發(fā)動機進氣相位信息，根據(jù)程序空間的MAP數(shù)據(jù)，查表插值得到噴油正時角度信息， 然后通過程序延時發(fā)出系列觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖首先是C n整數(shù)部分的完整控制脈沖，然后 才是不完整控制脈沖。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0020] 1、本發(fā)明中的噴射器中壓電晶體執(zhí)行器行程短，響應速度快，典型的壓電晶體執(zhí) 行器在最大驅(qū)動電壓下，可以膨脹自身1/1000的距離，也就是說壓電晶體在100微秒內(nèi) 可以膨脹100微米，相比于常規(guī)噴油器，壓電晶體噴油器對噴射量的控制更加精確，速度更 快，特別適合高頻噴射的小型航空活塞發(fā)動機上；

【權(quán)利要求】
1. 一種壓電晶體控制的噴油器，其特征在于：包括殼體、壓電晶體執(zhí)行器、活塞、進油 簧片閥、簧片螺栓、出油單向球閥、錐形彈簧與噴油通道；所述殼體內(nèi)部的上方設有加壓噴 射的高壓油腔，殼體內(nèi)部的下方是壓電晶體執(zhí)行器腔和低壓油腔；所述壓電晶體執(zhí)行器設 置于最下方的壓電晶體執(zhí)行器腔內(nèi)，所述活塞下端和壓電晶體執(zhí)行器耦合，活塞上端和進 油簧片閥通過簧片螺栓固定在一起，進油簧片閥與活塞間形成低壓油腔，進油簧片閥將低 壓油腔與高壓油腔隔開，低壓油腔與壓電晶體執(zhí)行器腔之間設有0型密封環(huán)；所述活塞的 周邊上開有與低壓油腔相連的進油孔；所述殼體上還設有與活塞對齊的進油口，進油口與 低壓油腔相通。殼體頂部是燃油噴口，燃油噴口與高壓油腔連通，燃油噴口上方設置有噴油 通道，噴油通道內(nèi)由下至上依次設置有出油單向球閥與錐形彈簧；其中，出油單向球閥位于 噴油通道的燃油噴口處。低壓油腔與高壓油腔通過進油簧片閥連通。
2. 如權(quán)利要求1所述的壓電晶體燃油噴油器，其特征在于：所述噴油器通過所述壓電 晶體執(zhí)行器的壓電晶體形變產(chǎn)生壓力，壓力值在20?70MPa之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的壓電晶體燃油噴油器，其特征在于：所述燃油噴口的噴嘴直徑 在0· 1?0· 2mm之間。
4. 如權(quán)利要求1 一 3中任一所述的壓電晶體燃油噴油器的控制方法，其特征在于：控 制方法由以下步驟組成： 步驟1 :根據(jù)傳感器計算確定發(fā)動機工作循環(huán)所需噴油量Qn : 控制系統(tǒng)ECU根據(jù)發(fā)動機進氣壓力、進氣溫度傳感器或者直接的進氣質(zhì)量流量計得到 發(fā)動機進氣量，根據(jù)其他相關傳感器修正，最終根據(jù)理論空燃比計算得到發(fā)動機工作循環(huán) 所需噴油量Qn ; 步驟2 :確定噴射器工作循環(huán)內(nèi)的理想噴射次數(shù)Cn : 噴射器在工作循環(huán)內(nèi)需要工作的噴射次數(shù)Cn = P/Qn，其中P為壓電晶體噴射器的單次 噴射量，Qn為工作循環(huán)所需噴油量，將Cn分為整數(shù)和小數(shù)部分，整數(shù)部分是噴射器每次完全 噴射產(chǎn)生的完整控制脈沖次數(shù)，也即壓電晶體產(chǎn)生最大位移每次噴射量為P的脈沖次數(shù)， 小數(shù)部分則是不完整控制脈沖，壓電晶體此次不產(chǎn)生最大位移，此次噴射量小于P。 步驟3 :確定噴射器噴油正時： 控制系統(tǒng)ECU根據(jù)曲軸位置傳感器或者凸輪軸傳感器得到發(fā)動機進氣相位信息，根據(jù) 內(nèi)部數(shù)據(jù)庫查表插值得到噴油正時角度信息，然后通過程序延時發(fā)出系列觸發(fā)脈沖。觸發(fā) 脈沖首先是Cn整數(shù)部分的完整控制脈沖，然后是不完整控制脈沖。
【文檔編號】F02M51/06GK104047783SQ201410268517
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月16日
【發(fā)明者】張奇, 杜發(fā)榮, 韓樹軍, 閔敏, 丁水汀 申請人:北京航空航天大學