一種微通道熱泡式燃油噴射系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出了一種基于微通道熱泡式噴射原理的燃油噴射霧化系統(tǒng)，屬于小排量活塞發(fā)動機燃油供給與調(diào)節(jié)領(lǐng)域，特別是小型航空活塞發(fā)動機燃油噴射領(lǐng)域，噴射霧化效果一致性好，集成度高，滿足小型航空活塞發(fā)動機對燃油噴射系統(tǒng)輕質(zhì)高效的要求。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無人機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，對為其提供動力的小型航空活塞發(fā)動機的性能要求越來越高，其發(fā)展的趨勢是具有高的功重比，這就要求其有輕的質(zhì)量和高的效率。小型航空活塞發(fā)動機現(xiàn)在基本上采用化油器供油方式，由于不可避免的掃氣過程短路損失，油耗高，經(jīng)濟性差，因此為了滿足無人機動力系統(tǒng)的發(fā)展需要，輕質(zhì)高效的電控燃油噴射系統(tǒng)是必然的技術(shù)手段。電控燃油噴射系統(tǒng)的噴射霧化性能是實現(xiàn)燃料合理高效燃燒的一個關(guān)鍵因素，同時也影響著小型航空活塞發(fā)動機的運行效率。目前，在使用的小型航空活塞發(fā)動機燃油噴射，為保證噴射量、噴射霧化效果、噴射時間，大都采用了傳統(tǒng)汽車大排量發(fā)動機的燃油供給調(diào)節(jié)方式，系統(tǒng)部件數(shù)目多、質(zhì)量大而且整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。因此為了達到較輕的噴油系統(tǒng)和較好的霧化效果，創(chuàng)新型的輕質(zhì)高效燃油噴射系統(tǒng)設(shè)計是必然的技術(shù)關(guān)鍵。
[0003]創(chuàng)新型電控燃油噴射系統(tǒng)分為兩種層次的創(chuàng)新，一種是完善改進型的創(chuàng)新，主要是基于傳統(tǒng)大排量發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)原理，從部件精簡、提高集成度方面對現(xiàn)有大排量燃油噴射系統(tǒng)進行功能或者結(jié)構(gòu)集成，專利201110113292.6即是通過對傳統(tǒng)泵一管一嘴噴射系統(tǒng)進行集成，同時控制方法采用了大排量發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)的逆向思維；另外一種則是完全原創(chuàng)的創(chuàng)新設(shè)計，主要集中在新型噴射系統(tǒng)工作原理和調(diào)節(jié)方法，新型噴射結(jié)構(gòu)等，本發(fā)明即是結(jié)合近年來高速發(fā)展的MEMS微機電系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)技術(shù)而形成的。基于MEMS微通道加工工藝，結(jié)合熱泡式噴射系統(tǒng)原理，同時和智能數(shù)字控制系統(tǒng)相結(jié)合，完全創(chuàng)新的微通道熱泡式噴射系統(tǒng)才得以實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種基于MEMS微通道熱泡式噴射原理的電控燃油噴射霧化系統(tǒng)，為小排量活塞發(fā)動機，特別是小型航空活塞發(fā)動機提供一種結(jié)構(gòu)簡單可靠、集成度高且能達到良好霧化性能的燃油噴射系統(tǒng)。
[0005]該微通道熱泡式燃油噴射系統(tǒng)，主要包括殼體、外接插口座、譯碼器、噴油嘴放置腔、內(nèi)部供油通道、供油道溫度傳感器、熱泡通道、加熱電阻、噴油嘴。
[0006]整體形狀呈圓弧形狀，便于和發(fā)動機節(jié)氣門配合，從外到內(nèi)分為三部分，最外部為夕卜接插口座，是本燃油噴射系統(tǒng)與發(fā)動機ECU連接的通道，其負責(zé)接受ECU譯碼器的輸入信號到噴射系統(tǒng)，同時從噴射系統(tǒng)的供油通道溫度傳感器傳回油溫信號給發(fā)動機ECU。中部為電路譯碼器和內(nèi)部供油通道，內(nèi)部排列放置20?300個熱泡微通道管及噴油嘴，以及噴油嘴周圍的加熱電阻。
[0007]外接插口座上信號分為三部分，一部分是連接譯碼器用的，通過譯碼器的輸出選擇不同的噴嘴；一部分是連接供油道溫度傳感器，把內(nèi)部供油通道內(nèi)的燃油溫度信號傳給發(fā)動機ECU，以達到監(jiān)控系統(tǒng)油溫的目的，保證噴嘴噴射出去的燃油液滴體積和質(zhì)量一致性好，同時放置噴嘴溫度過高，另外一部分是對于噴嘴部分的供電部分，包括電源和地線。
[0008]熱泡式噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理如附圖2所示，其基本結(jié)構(gòu)是微通道內(nèi)的液體進行快速加熱，基本過程如下:
[0009]1、熱泡式噴射系統(tǒng)沒有觸發(fā)脈沖時，通道內(nèi)充滿燃油，由于微通道的毛細和張力作用，燃油無法自然形成液滴而流出。
[0010]2、觸發(fā)脈沖開始有效，微通道兩邊的加熱電阻開始有電流流過，微通道內(nèi)的燃油被迅速加熱，溫度上升很高，開始出現(xiàn)氣泡薄膜。
[0011]3、觸發(fā)脈沖開始關(guān)閉，氣泡薄膜聚集形成氣泡，氣泡體積逐漸變大，開始擠壓通道內(nèi)燃油。
[0012]4、微通道氣泡達到最大狀態(tài)，微通道內(nèi)的燃油被擠出噴嘴形成液滴。
[0013]5、微通道氣泡開始破裂，噴嘴處的液滴被噴射出去。
[0014]6、微通道氣泡消失，液滴噴射出去后形成的液體表面張力重新吸入燃油，燃油重新充滿微通道。
[0015]基于上述熱泡式燃油噴射系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出了一種對應(yīng)的全數(shù)字化控制調(diào)節(jié)方法，流程如圖4所示，具體通過以下步驟實現(xiàn):
[0016]步驟1:控制系統(tǒng)通過進氣量的大小估計燃油需求量Qn;
[0017]控制系統(tǒng)ECU根據(jù)進氣溫度、壓力按照速度一密度法估計發(fā)動機進氣量，然后根據(jù)發(fā)動機缸體溫度，大氣壓力或者其他相關(guān)傳感器進行修正，最終得出發(fā)動機進氣量，按照理論空燃比要求，換算得到發(fā)動機所需噴油量大小。
[0018]步驟2:控制系統(tǒng)計算燃油量Qn所需噴射脈沖個數(shù)；
[0019]由于熱泡式噴射系統(tǒng)的微通道結(jié)構(gòu)制造時已經(jīng)確定，單個噴射液大小是一定的，因此單通道單次噴射量Qi也是明確的，故由第一步得到的燃油量，計算可以得到噴射脈沖個數(shù)N = Qn/Qi。由于微通道噴射系統(tǒng)單次噴射量非常小，一般是幾十pL，因此噴射脈沖個數(shù)可以直接取整，不考慮小數(shù)部分，誤差非常小。
[0020]步驟3:確定噴射脈沖產(chǎn)生方案；
[0021]噴射脈沖個數(shù)確定后，由于微通道噴射系統(tǒng)是陣列結(jié)構(gòu)，因此需要根據(jù)陣列結(jié)構(gòu)的微通道噴射器進行噴射脈沖產(chǎn)生，此時噴射脈沖分為兩個部分，一部分即是全陣列微通道噴射器全部工作的次數(shù)，一部分是部分微通道噴射器工作。按照微通道噴射器設(shè)計的數(shù)目Nm，可以由噴射脈沖個數(shù)N得到全陣列噴射器工作次數(shù)Nt=N/Nm?Nt的整數(shù)部分INT (Nt)，即是全陣列微通道噴射器工作的次數(shù)。除去以上全陣列微通道噴射器工作次數(shù)的噴射量，Nr= N-1NT (N t) *心即是部分噴射器工作的數(shù)值，也即最后一次噴射不是全部微通道噴射器全部工作，而且其中一部分工作。
[0022]步驟4:控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機工況和噴射脈沖發(fā)生方案，計算噴射器工作的提前角；
[0023]此步控制系統(tǒng)首先根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度，確定發(fā)動機工況，查表確定噴射提前角，根據(jù)提前角數(shù)值換算噴射系統(tǒng)持續(xù)時間，和第三步的噴射脈沖發(fā)生方案配合，確定最終的脈沖發(fā)生方式。
[0024]步驟5:控制系統(tǒng)輸出噴射脈沖，完成噴射功能；
[0025]控制系統(tǒng)首先發(fā)出全陣列噴射控制有效脈沖，全部微通道譯碼電路有效，全陣列噴射器進行噴射動作；在全陣列噴射器工作達到對應(yīng)次數(shù)以后，控制系統(tǒng)發(fā)出部分工作噴射脈沖，也即譯碼電路工作到O?Nm之間的某個數(shù)值。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0027]1、本發(fā)明中的數(shù)字化的燃油霧化噴射系統(tǒng)可以對發(fā)動機所需的燃油量實現(xiàn)多次微尺度液滴噴射，其液滴的索特平均直徑SMD為56um，液滴噴射尺寸保持一致性好，熱泡式技術(shù)可以耗費較少的能量產(chǎn)生微小的液滴，提高噴油效率的同時，霧化性能比傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)較好；
[0028]2、該數(shù)字化燃油霧化噴射系統(tǒng)基于熱泡原理，減少了燃油泵和壓力調(diào)節(jié)裝置，霧化噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。運用目前比較成熟的MEMS技術(shù)去制造微型熱泡通道，其體積小、質(zhì)量輕、整個燃油霧化噴射系統(tǒng)集成度較高，可以大大提高小型航空活塞發(fā)動機的推重比；
[0029]3.液滴是應(yīng)用熱泡原理產(chǎn)生的，其噴出的液滴本身溫度就較高，所以小型航空活塞發(fā)動機在低溫的情況下，無需電熱塞和預(yù)熱噴頭，就能達到很好的霧化效果，這點對燃燒重油的小型航空活塞發(fā)動機特別重要，同時其能提高小型航空活塞發(fā)動機的環(huán)境和高度適應(yīng)性要求；
[0030]4.本發(fā)明的控制方法簡化優(yōu)化，實現(xiàn)針對航空小排量發(fā)動機自身特點的控制算法，減低軟件復(fù)雜程度，降低控制器運算要求，降低成本。同時更具控制輸入地址信號的數(shù)量以實時的控制燃油噴射量，達到燃油噴射的實時高效控制；
[0031]5.小型航空活塞發(fā)動機的效率和性能與噴油液滴的大小和噴油液滴汽化的速度有很大關(guān)系，本數(shù)字化燃油霧化噴射系統(tǒng)噴出液滴索特平均直徑為56um，且其一致性較好，其噴出液滴的溫度較高，液滴汽化時間很短，能顯著提高小型航空活塞發(fā)動機的效率和性能。該數(shù)字化的燃油霧化噴射系統(tǒng)應(yīng)用前景非常廣泛，其可以顯著的提高汽油機和柴油機燃油供給性能，該數(shù)字化燃油霧化噴射系統(tǒng)可以應(yīng)用于運輸、航空等發(fā)動機上提高其性能。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明一種數(shù)字化的航空活塞發(fā)動機霧化噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0033]圖2為本發(fā)明的熱泡式噴油頭的結(jié)構(gòu)及原理圖；
[0034]圖3為4行5列的20噴頭的矩陣驅(qū)動控制線路圖；
[0035]圖4為本發(fā)明數(shù)字化的航空活塞發(fā)動機霧化噴射系統(tǒng)噴射方法流程圖；
[0036]圖中:
[0037]1-殼體2-外接插口座3-譯碼器 4-噴油嘴放置腔
[0038]5-內(nèi)部供油通道6-供油道溫度傳感器7-熱泡通道 8-加熱電阻
[0039]9-噴油嘴10-噴出液滴
【具體實施方式】
[0040]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0041]本發(fā)明提供了一種數(shù)字化的航空活塞發(fā)動機燃油霧化噴射系統(tǒng)，如圖1所示，包括殼體1、外接