Система управления авиационным узлом привода внутреннего сгорания с воспламенением сжатия

Система управления авиационным узлом привода внутреннего сгорания с воспламенением сжатия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Родственная заявка

Настоящая заявка притязает на приоритет предварительной заявки на патент (США) №61/543624, поданной 5 октября 2011 года, содержимое которой полностью содержится в данном документе по ссылке.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение представляет собой узел привода внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Более конкретно настоящее изобретение представляет собой узел привода внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, выполненный с возможностью использования в авиационной среде.

Уровень техники

По меньшей мере начиная со второй мировой войны легкие летательные аппараты (авиация общего назначения и позднее беспилотные летательные аппараты) получают мощность от двигателя на основе бензинового топлива с воздушным охлаждением, который типично имеет компоновку с шестью оппозитными цилиндрами. Этот двигатель работает на сверхвысокооктановом авиационном бензине. Недоступность авиационного бензина в отдаленных частях мира означала, что авиация общего назначения отсутствовала в этом регионе, в тех самых областях мира, в которых больше всего требуются услуги авиации общего назначения. Впоследствии наблюдалось, что нефтеперерабатывающие заводы с неохотой изготавливали авиационный бензин, в силу этого удлиняя общемировые поставки. Хотя все виды топлива не являются дешевыми, авиационный бензин является особенно дорогостоящим.

В отличие от относительного дефицита и дороговизны авиационного бензина, относительно недорогое дизельное топливо и/или реактивное топливо (JP), в общем, является гораздо более доступным во всем мире. Хотя качество такого топлива может сильно варьироваться, двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия может сжигать дизельное топливо или реактивное топливо (JP) примерно в равной степени хорошо. Колебания могут распознаваться в качестве колебаний цетанового числа топлива.

Такой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия представляет ряд сложностей для проектировщика, включающих в себя:

- должны учитываться колебания цетановой характеристики используемого топлива;

- должны учитываться колебания анормальностей топлива, атмосферных анормальностей и анормальностей впрыска;

- все цилиндры должны управляться, чтобы предоставлять практически одинаковую мощность;

- не должны допускаться резонансы во всей цепи привода, содержащей двигатель, трансмиссию и воздушный винт;

- указание ухудшения характеристик компонентов двигателя должно предоставляться пилоту в качестве предупреждения или предостережения.

Среднее индикаторное эффективное давление (IMEP) должно вычисляться как показание состояния двигателя во время опробований двигателя до установки на борту летательного аппарата.

Во всем мире существует потребность в авиационном двигателе, который может работать на таком топливе, при этом исключает сложности, отмеченные выше.

Сущность изобретения

Двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия по настоящему изобретению соответствует вышеуказанным потребностям. Дополнительно двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия по настоящему изобретению соответствует этим потребностям при одновременном предоставлении следующих признаков, которые считаются необходимыми для удовлетворительной работы такого двигателя в авиационной среде.

1. Измерение давления в камере сгорания (CCPS) может быть интегрировано в управление авиационным дизельным двигателем (систему управления по настоящему изобретению) для целей системы впрыска с идеальным замкнутым контуром (но также и с разомкнутым контуром), которая должна иметь возможность компенсировать колебания цетанового числа в глобальной струе дизельного/реактивного топлива.

2. Посредством анализа события сгорания с измерением давления в камере сгорания момент времени и ширина импульса впрыска может регулироваться в реальном времени, чтобы компенсировать колебания анормальностей топлива, атмосферных анормальностей или анормальностей впрыска. Сигнал впрыска может быть модифицирован, чтобы компенсировать и синхронизировать во времени пиковое давление в цилиндре, ширину и распределение по времени события сгорания.

3. Измерение давления в камере сгорания может быть использовано для того, чтобы балансировать выходную мощность двигателя посредством обеспечения того, что все цилиндры предоставляют аналогичные рабочие характеристики.

4. Измерение давления в камере сгорания также может быть использовано для того, чтобы обеспечивать максимальные рабочие характеристики двигателя из каждого цилиндра без превышения пределов, которые могут вызывать повреждение двигателя.

5. Измерение давления в камере сгорания может "комбинировать" отдельные доли от цилиндров таким способом, что результирующий сигнал полного вращающего момента не резонирует с известными собственными частотами системы (собственными частотами двигателя, трансмиссии и воздушного винта в качестве единого блока). Эта "расстройка" является релевантной для гармонических возмущений, которые могут, в противном случае, вызывать резонанс.

6. Измерение давления в камере сгорания может быть использовано в качестве инструментального средства технического обслуживания по состоянию, чтобы определять ухудшение характеристик инжектора и предупреждать пилота о приближающемся отказе, испытании на сжатие или слабых рабочих характеристиках цилиндров. Поскольку подход в существующих системах (предшествующего уровня техники) заключается в том, чтобы предоставлять электрический сигнал, который коррелируется таким образом, чтобы предоставлять определенный объем топлива, отсутствует возможность для выдачи отклонений вследствие ухудшения механических характеристик инжектора и/или системы подачи топлива.

7. Измерение давления в камере сгорания может быть интегрировано с системой впрыска с закрытым или открытым контуром, чтобы минимизировать вредные динамические характеристики двигателя, которые могут возбуждать резонанс системы воздушного винта. Они могут быть использованы для того, чтобы проверять гармонический спектр "сигнала" давления, подаваемого цилиндром.

8. Многоимпульсные стратегии могут быть использованы в комбинации с CCPS-данными, чтобы определять повышение давления, совместимое с гармониками двигателя и конструктивной прочностью. Измерение давления в камере сгорания может быть использовано для того, чтобы изменять характеристику вращающего момента при приближении к потенциальной собственной частоте системы двигателя.

9. С использованием CCPS-данных система управления может быть использована для того, чтобы вычислять среднее индикаторное эффективное давление (IMEP) самолетного или вертолетного двигателя в ходе "опробований" до взлета на поле. IMEP-данные являются наилучшим показателем рабочих характеристик двигателя и могут быть использованы в качестве "помощи для пилота" для планирования полета. Измерение давления в камере сгорания может быть интегрировано посредством системы управления, чтобы обеспечивать то, что достаточная энергия отклоняется в турбонагнетатель, чтобы поддерживать полет в режиме малой мощности и достаточные уровни давления наддува.

10. Измерение давления в камере сгорания может быть интегрировано посредством системы управления, чтобы определять, когда многоимпульсные стратегии должны переключаться, на основе характеристики сгорания двигателя.

11. Измерение давления в камере сгорания может быть использовано посредством системы управления для того, чтобы определять нагрузки на подшипники в окружении реального времени и за счет этого не допускать повреждения двигателя.

Настоящее изобретение представляет собой систему управления для авиационного узла привода внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, при этом авиационный узел привода внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия имеет элемент двигателя, элемент трансмиссии и элемент воздушного винта, причем система управления включает в себя датчик для измерения параметра давления в каждой из множества камер сжатия элемента двигателя, датчик для предоставления измеряемого параметра давления в устройство системы управления, причем устройство системы управления имеет множество управляющих программ для осуществления выбранного управления двигателем, и устройство системы управления действует в соответствии с измеряемым параметром давления для осуществления стратегии управления в элементе двигателя. Дополнительно предусмотрен способ управления.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 является видом в перспективе авиационного узла привода внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия по настоящему изобретению, смонтированного на испытательном стенде.

Фиг. 2 является графическим представлением того, как стратегия импульсов впрыска влияет на динамику изменения давления в камере сжатия.

Фиг. 3 является графическим представлением данных давления, извлекаемых из датчика давления в камере сгорания, соединенного с двигателем авиационного узла привода внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия по настоящему изобретению.

Фиг. 4 является фотографической иллюстрацией инжектора с ухудшенными характеристиками и нормально работающего инжектора справа.

Фиг. 5 является графической иллюстрацией гармонического разложения отдельного цилиндра посредством анализа Фурье.

Фиг. 6 является представлением пружины и массы примерной трансмиссии летательного аппарата.

Фиг. 7 является иллюстрацией изгибной моды первого порядка алюминиевой лопасти воздушного винта.

Фиг. 8 является упрощенной схемой циклов работы дизельного двигателя.

Фиг. 9 является блок-схемой последовательности операций способа для управления двигателем при снижении.

Фиг. 10 является схемой примерной комбинированной инерционной и газовой нагрузки на подшипник шатуна.

Фиг. 11 является схематичным видом двигателя и системы управления по настоящему изобретению.

Фиг. 12 является графическим представлением того, как цетановое число (CN) влияет на повышение давления.

Фиг. 13 является графическим представлением использования сигнала давления для того, чтобы определять его центроидный сдвиг во временной области.

Фиг. 14 является графическим представлением цетанового числа в топливе с тремя калибровками, которые представляют собой возможные изменения стратегии впрыска на основе CCPS-контура обратной связи.

Фиг. 15 является иллюстрацией использования CCPS для того, чтобы проверять пороговые пределы максимального давления и изменения характеристики по давлению вследствие цетанового числа, чтобы определять анормальное сгорание.

Фиг. 16 является графическим представлением влияния цетанового числа на задержку зажигания и пиковое давление в цилиндре.

Фиг. 17 является графическим представлением центроидного способа, чтобы аппроксимировать сдвиг в распределении по времени зажигания.

Фиг. 18 является блок-схемой последовательности операций способа для стратегий впрыска для настроек с низким уровнем мощности.

Фиг. 19, включая Фиг. 19а-d, являются блок-схемой последовательности операций способа для интеграции CCPS-данных в программное обеспечение системы управления.

Фиг. 20 является блок-схемой последовательности операций способа для модификации стратегии впрыска на основе частот цепи привода с обратной связью по частоте вращения для датчика коленчатого вала.

Фиг. 21 является блок-схемой последовательности операций способа для модификации стратегии впрыска на основе частот трансмиссии с обратной связью по вращающему моменту из датчика вращающего момента в соединительном узле.

Фиг. 22 является графической иллюстрацией связывания многоимпульсного впрыска с динамикой изменения давления в цилиндре в стратегии управления двигателем.

Фиг. 23 является графической иллюстрацией определения неполадок инжектора с помощью CCPS.

Фиг. 24 является графической иллюстрацией вычисленного посредством EPS IMEP (мощности газа в лошадиных силах) с помощью CCPS-оборудования, исключая необоснованные предположения.

Фиг. 25 является графической иллюстрацией выполнения испытания на сжатие для всех цилиндров с помощью CCPS в ходе запуска.

Фиг. 26 является графическим представлением характеристик сгорания двигателя, чтобы определять то, вероятно или нет наличие резонанса.

Подробное описание изобретения

Узел привода внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия по настоящему изобретению, в общем, показан на позиции 100 на фиг. 1 и содержит элемент 102 двигателя, передаточный элемент 104 и воздушный винт 106, причем воздушный винт 106 имеет три лопасти 108 в этом конкретном примере.

Использование измерения давления в камере сгорания (CCPS) дает возможность разработки системы управления (подробно описана ниже) элемента 102 двигателя для того, чтобы разрешать многие проблемы, конкретные для области техники авиационных дизельных двигателей, посредством интеграции управления впрыском топлива с разомкнутым/замкнутым контуром. См. фиг 2. В частности, система управления предоставляет возможность разрешения следующего:

- количество и распределение по времени впрыска топлива, смещение многоимпульсных стратегий и распределения по времени, чтобы разрешать существенное варьирование в доступной струе реактивного топлива во всем мире;

- оптимизация количества топлива и распределения по времени, чтобы балансировать рабочие характеристики для каждого цилиндра, чтобы предоставлять оптимальную экономию топлива, которую требует вариант применения;

- способность отслеживать ухудшение характеристик инжектора во времени в качестве признака отслеживания рабочих характеристик, обеспечения безопасности и технического обслуживания по состоянию в авиационных дизельных двигателях;

- механизм обратной связи, чтобы настраивать давление в цилиндре и, следовательно, качество предоставления вращающего момента двигателя. Гармонический спектр вращающего момента может быть настроен с возможностью ослаблять конкретные вибрационные характеристики воздушного винта и/или резонанс цепи привода;

- определение переключения стратегий управления турбонагнетателя для различных высот и задач;

- непрямое управление количеством теплоотвода в турбонагнетатель, чтобы поддерживать наддув при настройках с низким уровнем мощности, необходимых для длительных снижений и посадок с уходом на второй круг;

- определение того, когда переключать стратегии впрыска, с учетом надежности и шумов, вибраций, стуков (т.е. многоимпульсное смещение и/или счетчик);

- использование данных среднего индикаторного эффективного давления (IMEP) или среднего давления за цикл в реальном времени для того, чтобы определять располагаемую мощность для рабочих характеристик взлета (самолета) или висения на любой высоте или атмосферных условиях;

- управление максимальными нагрузками на подшипники через измерения давления, чтобы предотвращать повреждение двигателя;

- "формирование темпа" повышения давления для того, чтобы не допускать резонанса в трансмиссии двигателя и системах агрегатов.

Стратегии управления, разработанные для настоящего изобретения, интегрируют измерение давления в цилиндре в качестве механизма обратной связи в компьютерной системе управления двигателем (системе управления). Посредством оценки фактических результатов сгорания и изменения событий впрыска, чтобы достигать целей сгорания, система управления по настоящему изобретению достигает превосходного и количественно измеримого сгорания.

Данные, показанные в 3, иллюстрируют испытание в реальных условиях, выполняемое для того, чтобы калибровать авиационный дизельный двигатель. Использование таких данных делает двигатель практически "невосприимчивым" к отличиям топлива по всему миру. Фиг. 3 иллюстрирует событие впрыска со временем вдоль оси X и объемом впрыска вдоль оси Y. Верхний график иллюстрирует два разнесенных импульса впрыска, а нижний график иллюстрирует кривую давления.

Уравновешивание рабочих характеристик цилиндров двигателя

Любой многоцилиндровый двигатель представляет собой совокупность цилиндров, которые совместно используют общий коленчатый вал. Хотя цилиндры могут быть размерно аналогичными, совместно используемые системы могут приводить к отличиям в рабочих характеристиках двигателя на основе цилиндр-цилиндр. Источники для этих различий включают в себя, но не только, следующие пункты:

- различия воздушного потока вследствие совместно используемого коллектора и/или фаз клапанного распределения;

- различия выхлопа вследствие совместно используемого коллектора и/или фаз клапанного распределения;

- местоположение топливного инжектора относительно коллектора и/или фаз клапанного распределения;

- термодинамические различия вследствие локальных перепадов температуры;

- множество других геометрических факторов.

Любой из этих параметров может приводить к различиям в рабочих характеристиках, уникальным для конкретного двигателя. Поскольку безопасность многих задач летательных аппаратов зависит от резервной мощности, чтобы выполнять взлеты с коротким разбегом на взлетно-посадочных полосах с ограниченными расстояниями или помехами, оптимизация рабочих характеристик представляет важность.

Способность измерять давление в отдельном цилиндре дает системе управления по настоящему изобретению возможность подгонять требования по топливу, чтобы уравновесить долю отдельных цилиндров в общей системе двигателя. В таком сценарии рабочие характеристики отдельных цилиндров могут совпадать (или не совпадать) с тем, чтобы предоставлять требуемый уровень рабочих характеристик.

В таких сценариях следующее достигается с помощью механизмов обратной связи из CCPS-систем отдельных цилиндров:

- максимальные рабочие характеристики цилиндров от каждого цилиндра для максимальных рабочих характеристик;

- плавное предоставление вращающего момента двигателя посредством сбалансированных рабочих характеристик;

- ограниченное давление в цилиндре, чтобы обеспечивать срок службы подшипника с различными комбинациями порядков зажигания;

- специальная "расстройка", чтобы не допускать вредных гармоник, которые могут повреждать компоненты трансмиссии;

- минимальный шум от координированного сгорания между цилиндрами.

Предыдущие пункты представляют собой просто выборку стратегий, которые могут быть рассмотрены, когда входные CCPS-данные доступны.

Мониторинг ухудшения рабочих характеристик инжектора с течением времени

В дизельных двигателях инжектор главным образом отвечает за введение тепловой энергии в систему цилиндров. Современные топливные инжекторы представляют собой очень перспективную технологию. Они работают при давлениях, которые достигают 2000 бар. Они имеют возможность циклически включаться/выключаться за чрезвычайно короткие периоды времени, приближающиеся к 1-2 миллисекундам. Количество топлива впрыска может варьироваться между 1-50 мм³ в расчете на впрыск. Сопловые отверстия инжектора могут варьироваться от 0,060 до 0,120 мм. При таком уровне точности очевидно, что небольшое количество инородных частиц или эрозия может ухудшать рабочие характеристики инжектора и влиять на количество и/или характер формы распыления топлива.

Поскольку количество впрыскиваемого топлива определяется длительностью электрического импульса, подача топлива может не оставаться постоянной в течение срока службы двигателя. Варьирование может быть определено посредством информации, предоставляемой посредством технологии на основе CCPS-датчиков, интегрированной в систему управления по настоящему изобретению.

Отклонение от ожидаемой кривой давления сгорания может указывать засоренный инжектор и сниженные рабочие характеристики для двигателя. Это было бы важной информацией для пилота легкого летательного аппарата или вертолета и позволило бы предотвратить сокращение срока службы и/или повреждение летательного аппарата или окрестностей. Следует отметить инжектор с ухудшенными характеристиками на левом изображении на фиг. 4 по сравнению с нормально работающим инжектором на правом изображении. Система, которая определяет ухудшение рабочих характеристик инжектора с течением времени, является очень полезным инструментальным средством профилактического технического обслуживания.

Использование CCPS-технологии для того, чтобы влиять на предоставление вращающего момента двигателя для повышения срока службы системы воздушных винтов и системы агрегатов

Трансмиссии авиационных двигателей существенно отличаются от автомобильных трансмиссий в нескольких аспектах. Например, автомобильная трансмиссия зачастую становится более массивной по мере того, как вращающий момент усиливается до точки, в которой шина контактирует с поверхностью дороги.

Напротив, авиационные трансмиссии конструируются максимально возможно легкими. Размер приводных валов, шестерен и конструкций увеличивается, когда вращающий момент усиливается. Тем не менее, трансмиссия конструируется совместимой так, чтобы не предоставлять вредные выбросы вращающего момента, которые могут вызывать резонанс легких лопастей воздушного винта. Поскольку дизельные двигатели работают с пиковыми давлениями в цилиндрах, в 3-4 раза превышающими пиковые давления в цилиндрах своих эквивалентов в виде бензиновых авиационных двигателей, гармоники вращающего момента являются значительной проблемой в любом варианте применения авиационных дизельных двигателей. См. сложную ветвящуюся систему, проиллюстрированную на фиг. 6, с учетом жесткости воздушного винта.

Фиг. 5 является иллюстрацией разложения Фурье для примерного повышения давления двигателя. Нижеприведенные циклические кривые, в случае масштабирования и добавления, точно аппроксимируют верхнюю кривую. Нетрудно предположить, что чем круче повышение давления, тем больше содержания высшего порядка требуется для того, чтобы обеспечивать сходство с газовой кривой.

Конструкции под большим механическим напряжением, к примеру лопасти воздушного винта, зачастую имеют высокое отношение предела прочности к весу, которое приводит к высокой собственной частоте (с небольшим демпфированием, чтобы останавливать их перемещение). Алюминиевый воздушный винт будет резонировать, если импульс вращающего момента равен его собственной частоте изгибных колебаний. Его неисправность является неизбежной, если периодическое возмущение продолжается.

Высокоэффективные дизельные двигатели демонстрируют сверхвысокие повышения давления по мере того, как давление в цилиндре увеличивается от давления в коллекторе до приблизительно 200 бар в течение цикла сгорания. К счастью, интенсивные исследовательские работы дали в результате быстродействующие инжекторы. Несколько импульсов впрыска могут быть использованы для того, чтобы "округлять" повышение давления и уменьшать его серьезное воздействие на компоненты, расположенные ниже по потоку. Это приводит к существенному уменьшению обусловленного конструкцией "шума сгорания", но что еще более важно, уменьшает механическое напряжение в поршнях, шатунах, подшипниках, коленчатых валах, клапанном механизме и других конкретных для летательного аппарата компонентах, таких как понижающие передачи, регуляторы оборотов воздушного винта и воздушные винты, при увеличении полезной работы.

Посредством анализа сигнала давления работающего двигателя система управления по настоящему изобретению включает в себя стратегии настройки, чтобы не допускать вредного гармонического спектра, который может приводить к значительному механическому напряжению на лопастях воздушного винта, усталости редуктора и повреждению агрегатов.

В зависимости от угла тангажа резонанс крутильных колебаний может вызывать резонанс лопасти воздушного винта на изгибной моде. См. фиг. 7. Механическое напряжение может многократно усиливаться без достаточного демпфирования лопасти при явлении, называемом "резонансом". В кристаллических структурах (которые являются преобладающими в металлических воздушных винтах) возникает очень несущественное демпфирование. Читатель может отметить, что по мере того, как приближается резонанс, механическое напряжение может усиливаться (как в центре лопасти на фиг. 7) и может превышать эмпирические пределы усталости материала. Из нашего опыта это крайне сильно уменьшает срок службы лопасти и втулки воздушного винта. Фактически крупнейшие поставщики алюминиевых воздушных винтов не "пропускают" воздушный винт в ходе проверочных испытаний, если превышаются его пределы механических напряжений.

Электронное управление топливной системы имеет возможность частично смягчать "импульсный вращающий момент", вводимый в систему воздушных винтов, как описано ниже.

Типичный авиационный двигатель в последние 70 лет "снабжается предупредительными надписями", чтобы не допускать работы на различных частотах вращения в течение больших периодов времени. Это выполнено для того, чтобы просто позволять пилоту летательного аппарата не допускать резонанса посредством быстрого "прохождения" через опасные области. Предупредительная надпись, доступная в кабине, указывает пилоту то, каких режимов работы двигателя следует избегать.

Настоящая система управления обрабатывает данные сгорания и выполняет анализ с тем, чтобы определять гармонический спектр газовой кривой. При приближении к критической частоте вращения для системы воздушных винтов система управления, действуя на систему впрыска, "ослабляет" сгорание посредством осуществления надлежащего управления инжекторами двигателя, чтобы минимизировать гармонический спектр импульса вращающего момента и предотвращать повреждение воздушного винта и/или систем, вытекающее из резонанса.

Определение стратегий управления турбонаддувом для различных высот и задач

Управление турбонагнетателем становится существенной частью настройки двигателя, когда требуется высокая эффективность. Карты турбонагнетателя являются во многом аналогичными топографическим картам с указываемыми "островами эффективности".

Наибольший практический предел для одноступенчатого турбонагнетателя находится вблизи коэффициента давления в 4 бара. К счастью, турбонагнетатели естественным образом компенсируют разреженную атмосферу посредством повышения частоты вращения с увеличением высоты подъема. Этот признак выглядит практичным до тех пор, пока не будет достигнут "предел частоты вращения" на больших высотах. Верхний предел представляет собой частоту вращения, выше которой колесо турбонагнетателя может лопаться вследствие высоких центробежных нагрузок.

Чтобы обеспечивать работу авиационного дизельного двигателя на большой высоте (25000 футов над средним уровнем моря), вероятно, требуется двухступенчатый турбонагнетатель. Типичные автомобильные дизельные двигатели уже опробовали ступенчатый турбонаддув в качестве средства уменьшения размера двигателя и расхода топлива для движения в крейсерском режиме на скоростях автотрасс. В авиационном варианте применения принята аналогичная схема, чтобы уменьшать размер двигателя по причине снижения веса. В этом случае необходимо отслеживать переключение вторичного турбонагнетателя, чтобы поддерживать каждую систему работающей около своего острова оптимальной эффективности.

Использование последовательного тубронаддува необходимо для того, чтобы работать на больших высотах.

Один ввод с обратной связью в систему управления представляет собой фактическую частоту вращения турбины. Но с использованием CCPS-данных система управления обеспечивает анализ характера кривой сгорания, чтобы определять то, когда "активировать" вторичный турбонагнетатель. Поскольку "задержка впрыскивания" является показанием движения воздуха в камере сгорания, медленная задержка указывает отсутствие движения смеси. Это пороговое значение затем используется для того, чтобы инициировать сдвиг вторичного турбонагнетателя.

Использование индикаторного давления в реальном времени для того, чтобы вычислять располагаемую мощность для полетов при решении критически важных задач

Один аспект обязанностей пилота заключается в том, чтобы вычислять вес и центровку летательного аппарата для целей планирования полета. С использованием измерительной CCPS-аппаратуры фактические рабочие характеристики двигателя могут вычисляться посредством системы управления перед взлетом, в ходе нормального "опробования" двигателя.

Регистрация давления от отдельных цилиндров может быть использована для того, чтобы вычислять располагаемую мощность на основе среднего индикаторного эффективного давления (IMEP). Среднее индикаторное эффективное давление представляет собой среднее давление выше 720 градусов в 4-тактном двигателе. IMEP является наилучшим показанием располагаемой мощности от двигателя. Это не учитывает трение, но является очень хорошей оценкой для вычисления располагаемой мощности при разбеге на взлете или висении для легких вертолетов. Альтернативный подход заключается в том, чтобы точно аппроксимировать мощность с использованием косвенного подхода. Альтернативная схема заключается в том, чтобы использовать пиковое давление в цилиндре, повышение давления и распределение по времени пикового давления в цилиндре, чтобы определять располагаемую мощность косвенно.

Система управления интегрирует CCPS-данные в свою систему управления в качестве помощи пилоту для того, чтобы определять располагаемую мощность при взлете.

Поршневые вертолеты также извлекают выгоду из таких данных. Одним из критически важных аспектов для пилота вертолета является способность вертолета выполнять висение вне зоны влияния земли. Способность к висению вертолета главным образом определяется посредством общей массы, мощности двигателя и высоты подъема (плотности воздуха). Может быть опасным отрываться от земли в зоне влияния земли и затем переходить в режим полета за пределами зоны влияния земли (с крутого обрыва или здания). Если мощность является недостаточной для того, чтобы поддерживать подъемную силу, то вертолет снижается и может столкнуться с землей до того, как пилот может взять контроль над ситуацией. CCPS представляет собой самый точный способ определять рабочие характеристики двигателя перед отрывом от земли и в силу этого важнейший признак обеспечения безопасности.

Одна из проблем, которая связана с дизельными двигателями, заключается в поддержании обеспечивающего хорошую работоспособность сгорания в ходе длительных снижений при режимах малой мощности. Некоторые известные беспилотные летательные аппараты (UAV) испытывают "замороженное сгорание" в ходе длительных снижений в режиме малой мощности. ÜAV являются, в частности, подверженными этим явлениям вследствие своей конструкции в качестве "барражирующего аппарата". По существу, они представляют собой планеры с двигателями, чтобы помогать в выполнении задачи. Двигатели используются для того, чтобы поддерживать полет и вырабатывать электричество для средств электронного наблюдения и управления полетом.

Упрощенная схема циклов работы дизельного двигателя на фиг. 8 иллюстрирует тепло, выходящее в выхлопе, как указано в члене Q₂. Количество тепла в выхлопе определяется посредством остаточного объема топлива из последнего импульса впрыска и момента открытия выпускного клапана, как указано посредством "d" в схеме.

В состояниях, в которых фактическая мощность, сформированная от точки "с" к "d", является минимальной, CCPS-данные являются очень полезным инструментальным средством для того, чтобы определять, обеспечивает сгорание работоспособность или приводит к воспламенению двигателя. С использованием CCPS-данных система управления может выбирать добавлять дополнительное топливо в конце расширения, чтобы не вырабатывать мощность, а поддерживать достаточное давление в коллекторе для двигателя для обеспечения резерва. Поскольку двигатель не вырабатывает мощность проворачивания коленчатого вала в этом режиме. Назначение "импульса после впрыска" заключается в том, чтобы поддерживать частоту вращения турбонагнетателя независимо от требуемого вывода двигателя. Возможность мгновенного наддува является желательным для "уходов на второй круг", когда пилот должен сразу добавлять мощность для "повторного захода".

Система управления с применением CCPS-технологии используется для того, чтобы поддерживать "обеспечивающее хорошую работоспособность сгорание" в ходе снижений на малой мощности. С помощью комбинации частоты вращения турбонагнетателя, давления в цилиндре и давления окружающей среды программное обеспечение может поддерживать эти обеспечивающие хорошую работоспособность условия. Датчик давления окружающей среды может инициировать программное обеспечение, если летательный аппарат находится в режиме снижения на основе барометрической высоты. Режимы малой мощности могут быть определены с IMEP-значениями в сочетании с частотой вращения турбонагнетателя в случае, когда оба состояния являются низкими.

Чтобы поддерживать обеспечивающее хорошую работоспособность давление в коллекторе и поддерживать турбонагнетатель раскрученным, необходима добавленная энергия в форме топлива. Впрыск добавленного топлива к концу цикла сгорания создает требуемую энергию для того, чтобы раскручивать турбонагнетатель и создавать более высокое давление в коллекторе. См. фиг. 9. Это будет проверяться посредством программного обеспечения и корректироваться при необходимости посредством изменения распределения по времени и тонкой регулировки ширины импульса. Программное обеспечение выполняет это в замкнутом контуре до тех пор, пока не будет достигнуто обеспечивающее хорошую работоспособность сгорание или не изменится план полета (например, будет запрошен режим большой мощности). Фиг. 9 показывает блок-схему последовательности операций способа посредством управляющего программного обеспечения того, чтобы осуществлять вышеуказанное.

Использование измерения давления в камере сгорания для того, чтобы определять, когда переключать стратегии импульсов впрыска

Система управления по настоящему изобретению изменяет стратегию и расширение импульсов каждого события в попытке максимизировать предоставляемый вращающий момент и изменять его свойства на основе показаний из интегрированных CCPS-элементов в головке цилиндра.

Например, система управления может выбирать добавлять импульс "после впрыска" топлива. Этот импульс используется для того, чтобы поддерживать частоту вращения турбонагнетателя при операциях на большой высоте. Любая комбинация импульсов до впрыска и основных импульсов впрыска может быть использована для того, чтобы формировать темп повышения давления в цилиндре, чтобы мягче не допускать нежелательных гармоник и увеличивать полезную работу и эффективность.

Использование измерения давления в камере сгорания для того, чтобы ограничивать нагрузки на подшипники и предотвращать повреждение двигателя

В любом двигателе, нагрузка на его подшипники непосредственно связана с давлением в цилиндре и площадью поршня. Произведение давления (Ρ), умноженного на площадь (А) поршня, дает мгновенную газовую силу поршня. Фактическая нагрузка на подшипник также зависит от инерционных свойств каждого компонента.

Система управления может делать выводы в отношении нагрузки на подшипник на основе CCPS-данных давления в цилиндре, с которыми работает система управления в качестве средства для ограничения газовой силы, прикладываемой в определенных режимах работы двигателя.

Один пример представляет собой коренной подшипник, который нагружается "дважды" посредством смежных цилиндров в многоцилиндровой конфигурации. В этом примере масляная пленка может быть значительно уменьшена, когда смежные воспламенения происходят из идентичного блока цилиндров.

Давление в цилиндре меня