СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АВИАЦИОННЫМ УЗЛОМ ПРИВОДА ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ СЖАТИЯ
CONTROL SYSTEM FOR AERO-DERIVATIVE INTERNAL COMBUSTION DRIVE ASSEMBLY WITH COMPRESSION IGNITION

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
3
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 мм 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.
2
Упрощенная схема циклов работы дизельного двигателя на фиг. 8 иллюстрирует тепло, выходящее в выхлопе, как указано в члене Q. 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 меняется в зависимости от вывода двигателя. Поскольку газовая сила является пропорциональной впрыскиваемому топливу и характеристикам сгорания, полезно знать, какой может быть ее абсолютная величина. Система управления, с использованием интегрированных CCPS-данных, может давать понимание касательно абсолютной величины сгорания и последующих нагрузок на подшипники. Поскольку нагрузка от инерционных сил и частота вращения компонента известны, точная нагрузка на подшипник может быть определена с помощью данных газовых сил. Это позволяет предотвращать преждевременную неисправность подшипника посредством предупреждения пилота в отношении перегрузки подшипника.
Фиг. 10 является иллюстрацией того, как нижний подшипник шатуна нагружается с помощью инерционных сил (форма яйца) и комбинируется с компонентом газовых сил (верхняя часть). Инерционные силы легко вычисляются с помощью массы, частоты вращения и геометрии компонента, в то время как газовые силы зависят от произведения фактического давления сгорания и площади поршня. Измерение давления в камере сгорания обеспечивает понимание нагрузки внутренних компонентов двигателя.
Элемент 102 дизельного двигателя, как проиллюстрировано на фиг. 11, включает в себя множество цилиндров 120. В предпочтительном варианте осуществления двигатель 102 имеет плоскую конфигурацию с четырьмя цилиндрами в первом блоке и противолежащим блоком из четырех дополнительных цилиндров. Двигатель 102 по фиг. 1 имеет такую конфигурацию. Каждый из соответствующих цилиндров 102 имеет камеру 122 сгорания. Топливный инжектор 126 располагается в каждой из соответствующих камер 122 сгорания. Топливо подается в каждый из соответствующих топливных инжекторов 126 посредством общей направляющей-распределителя 128.
Общая направляющая-распределитель 128 имеет жидкостное соединение с насосом 130 высокого давления. Насос 130 высокого давления имеет жидкостное соединение с топливным баком 132. Топливный фильтр 133 может быть размещен между топливным баком 132 и насосом 130 высокого давления.
Электронный контроллер 134 инжектора соединяется с каждым из соответствующих топливных инжекторов 126, причем каждый из соответствующих топливных инжекторов 126 подвергается электронному управлению для распределения по времени и управления шириной импульса. Контроллер 134 инжектора функционально соединяется с системой 136 управления.
CCPS-датчик 138 функционально соединяется с каждой из соответствующих камер 122 сгорания. Каждый соответствующий CCPS-датчик 138, в свою очередь, функционально электронно соединяется с системой 136 управления. Данные, измеряемые посредством каждого соответствующего CCPS-датчика 138, в силу этого предоставляются в систему 136 управления. Следует понимать, что система управления осуществляет управление инжекторами по отдельности в ответ на данные, принятые из CCPS-датчика 138, который совмещается с камерой 122 сгорания, которая обслуживается посредством соответствующего топливного инжектора 126.
Дополнительный элемент 102 двигателя имеет, по меньшей мере, один турбонагнетатель 142 для предоставления подаваемого нагнетаемого воздуха в соответствующие камеры 122 сгорания.
Контроллер 144 турбонагнетателя функционально соединяется с турбонагнетателем 142 и с системой 136 управления. Посредством этого система управления с использованием данных, принимаемых из CCPS-датчиков 138, передает команды в контроллер 144 турбонагнетателя для управления турбонагнетателем 142 требуемым образом.
Двигатель 102 по настоящему изобретению предпочтительно использует запальную свечу для измерения давления в качестве CCPS 36 в каждом цилиндре в целях мониторинга давления в цилиндре в двигателе. CCPS-датчик 138 используется в качестве аналогового ввода в систему 136 управления.
Использование CCPS-технологии в качестве обратной связи в реальных установках позволяет оптимизировать калибровки двигателя для множества условий.
Фокус интеграции CCPS в систему управления в этой заявке заключается в том, чтобы идентифицировать стратегии использования этой технологии для использования преимуществ вариантов применения авиационных дизельных двигателей. Следовательно, работа в этой заявке фокусируется на том, "когда" и "как" давление динамически изменяется в дизельном авиационном двигателе. Информация, полученная из CCPS-ввода, используется для того, чтобы оптимизировать эффективность, обеспечивать надежность, совершенствовать информацию для пилота и диагностировать системы впрыска на предмет технического обслуживания по состоянию. Эти аспекты сфокусированы на улучшении GA (ухода на второй круг) и повышении безопасности беспилотного летательного аппарата (UAV) посредством использования электронных схем с выгодой для пилота.
Как качество топлива влияет на динамику изменения давления в дизельных двигателях
Цетановое число представляет собой качество топлива на основе керосина, которое задает то, как быстро происходит сгорание в дизельном двигателе. Высокое цетановое число означает, что топливо должно начинать воспламеняться быстро и продолжать горение управляемым способом. Низкоцетановое топливо должно воспламеняться более медленно и затем вызывать быстрое повышение давления по мере того, как поршень приближается к верхней мертвой точке (TDC) в двигателе.
CCPS-датчик является, в частности, полезным при идентификации некоторых характеристик сгорания для низкоцетанового топлива. Предусмотрено три характеристики, которые являются заметными сразу. Посредством изучения 15 читатель может отметить, что низкоцетановое топливо имеет большее отставание зажигания, но когда начинается зажигание, энергия в топливе быстро сгорает.
CCPS-датчик в комбинации с датчиком частоты вращения коленчатого вала может определять то, находится или нет процесс сгорания в заданных пределах для "нормального" сгорания. Увеличение наклона кривой давления (dP/dt) может указывать одно или более из следующего:
- летательный аппарат был заправлен низкокачественным реактивным топливом;
- большие объемы (в значительной степени неуправляемого) биотоплива присутствуют в системе подачи топлива;
- возможно, бензин ошибочно накачан в топливные баки летательного аппарата;
- другие элементы системы впрыска топлива нуждаются в техническом обслуживании.
Существуют другие важные характеристики, которые могут быть определены с помощью CCPS-датчиков 138. Исследование по фиг. 12 показывает, что типично повышенная задержка или запаздывание зажигания приводит к изменению точки распределения по времени пикового давления в цилиндре, которая может упоминаться как TDC или некоторая другая фиксированная точка.
Поскольку количество впрыскиваемого топлива почти точно калибруется с помощью системы механического впрыска, и нагреваемое содержание варьирующихся видов реактивного топлива не отличается, когда топливо фактически сгорает, есть тенденция к достижению более высокого пикового давления в цилиндре. Таким образом, сгорание низкоцетанового топлива (см. фиг. 12) может "измеряться" одним из трех способов:
1. Повышение давления выше "нормального" в расчете на угол поворота коленчатого вала (dP/dt);
2. Превышающее "нормальное" время для возникновения пикового давления в цилиндре (длительная задержка или запаздывание зажигания);
3. Выше "нормального" пиковое давление в цилиндре.
Границы того, что является "нормальным", выбираются и реализуются в системе 136 управления. CCPS 138 может быть использовано в сочетании с датчиком проворачивания коленчатого вала для того, чтобы измерять давление в сравнении с функцией времени для оценки сгорания. В частности, период динамического изменения давления сгорания может быть интегрирован посредством системы 136 управления с намерением оценки точки, в которой сгорание эффективно "сосредотачивается" в период времени динамического изменения. Это может выполняться для того, чтобы эффективно выполнять интеграцию функции давления в ходе этого динамического изменения. Эта форма динамики изменения давления проиллюстрирована для каждого типа сгорания на фиг. 13.
Использование интегрированной формы, как отмечено в нижнем правом углу по фиг. 13, представляет собой полезный способ определять фактический сдвиг фаз в распределении по времени впрыска, который может возвращать пиковое давление в цилиндре в обычное местоположение. Этот способ оценки углового сдвига распределения по времени является более точным, чем попытка находить угловые точки с наибольшим давлением в каждом случае.
Другой способ заключается в том, чтобы точно определять "пиковое давление" около ожидаемого пикового давления в цилиндре посредством поиска точки, когда dP/dt фактически является "нулевым", и использования этой точки и среднего наклона в течение периода, предшествующего пиковому давлению в цилиндре во времени. Таким образом, также можно получать с использованием распределения по времени информацию местоположения пикового давления в цилиндре и характер динамического изменения давления в цилиндре, или dP/dt.
Адаптация стратегий впрыска для того, чтобы компенсировать низкокачественное (низкоцетановое) топливо
Стратегия впрыска системы 136 управления основывается на CCPS 138, чтобы определять конкретные пороговые состояния, ассоциированные с анормальным сгоранием вследствие топлива низкого качества. Конкретные пороговые пределы следующие:
- анормально высокое/низкое изменение в давлении в расчете на угол поворота коленчатого вала (dP/dt) для данной карты частоты вращения и нагрузки (настройки регулятора оборотов воздушного винта) двигателя;
- анормально высокое/низкое пиковое давление в цилиндре (Ртах) для данной карты частоты вращения и нагрузки (настройки регулятора оборотов воздушного винта) двигателя.
Когда любое из (типично оба) вышеприведенных состояний измеряются как "запредельные" посредством CCPS-элемента, наша стратегия указывает, что используется топливо более низкого/более высокого качества, чем ожидаемое. Стратегия управления реализуется в этот момент времени.
Общий подход стратегии управления заключается в том, чтобы регулировать "распределение по времени" и "тонкую регулировку значения в расчете на импульс" для топлива, чтобы возвращать кривую давления в пороговые пределы того, что считается "нормальным" или "предпочтительным". Настоящий двигатель 102 работает с наилучшей эффективностью, качеством работы, уровнем шума, надежностью и меньшим износом, когда он работает в заданных пределах, определенных посредством выбранной калибровки. Нормальное состояние может быть таким, как проиллюстрировано в качестве случая (3), калибровка по умолчанию, на фиг. 13.
Когда анормальное сгорание (случай 1) определяется посредством системы 136 управления с использованием данных CCPS 138, немедленный отклик системы 136 управления заключается в том, чтобы смягчать состояние Ртах и dP/dt, которое может приводить к конструктивному повреждению в двигателе, в частности, посредством резонанса или перегрузки подшипника.
max
Эффектам низкоцетановых состояний уделяется большее внимание, чем высокоцетановому состоянию. Посредством тщательного рассмотрения по фиг. 15 читатель может отметить сильное влияние отставания зажигания, которое приводит к избыточной динамике изменения давления (dP/dt) и избыточному пиковому давлению P. Читатель должен отметить в нижней части по фиг. 15, что подъем иглы (и, следовательно, количество топлива) является совершенно идентичным независимо от качества топлива. Вышеуказанные части этой схемы указывают то, как оказывается влияние на тепловыделение и, следовательно, на динамику изменения давления в цилиндре. Пороговые пределы рассчитываются посредством изучения видов топлива с варьирующимся цетановым числом (CN) для того, чтобы определять пороговые пределы для схем сгорания.
max
Корректировка распределения по времени, инициированная посредством системы 136 управления в схеме впрыска, может требоваться первоначально для того, чтобы компенсировать большую задержку зажигания низкокачественного топлива. Аналогично регулирование может осуществляться для высокоцетанового топлива в зависимости от пределов, заданных для давления P сгорания и наклона dP/dt. В любом случае, регулирование может быть рассмотрено посредством определения пределов угловых позиций пикового давления в цилиндре (как показано на фиг. 16) или посредством более сложного способа для того, чтобы определять "центроид" сгорания (как показано на фиг. 17).
max
Для топлива среднего качества регулирование распределения по времени может представлять собой все, что требуется для того, чтобы поддерживать сгорание в пределах, указываемых в системе управления. Для низкоцетанового топлива величина импульса впрыска, возможно, должна быть подогнана, чтобы смещать более интенсивную подачу топлива раньше по времени. Это называется "тонкой регулировкой" многомерной характеристики расхода топлива. Это состояние проиллюстрировано, как случай 2 (распределение по времени и/или тонкая регулировка) в нижней части на фиг. 14. В каждом случае эффект стратегии распределения по времени или тонкой регулировки "проверяется" посредством системы 136 управления в реальном времени для любого/обоих из P и dP/dt.
Следует признать, что присутствие определенных низкоцетановых видов (биотоплива) в системе подачи реактивного топлива может делать невозможным поддержание требуемой мощности в указанных пределах давления в цилиндре. В данном случае может требоваться изменение многоимпульсной стратегии, как проиллюстрировано в случае (3), чтобы возвращать сгорание к тому, что считается "нормальным" для высокоцетанового топлива на фиг. 14. Изменение в стратегии может заключать в себе использование одной или комбинации стратегий импульсов, как указано в нижней части по фиг. 14 или нижней правой части по фиг. 23. Решение в отношении того, какая стратегия импульсов должна выполнять задачу, определяется в ходе действий по испытаниям и калибровке.
Стратегия настоящего изобретения для интеграции CCPS-датчиков 138 в систему 136 управления в качестве стратегии модификации впрыска содержится на блок-схеме последовательности операций способа по фиг. 19a-d. Функциональное описание блок-схемы последовательности операций способа по фиг. 19a-d приводится ниже.
S100. Определение давления в цилиндре с помощью PSG. Повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала (ΔP/Δt) используется для того, чтобы сравнивать с базовой картой. Способ выполнения этого заключается в том, чтобы интегрировать форму в треугольную форму. Центроид этой формы должен быть вычислен после этого. Пиковое давление в цилиндре также должно быть использовано для сравнения.
S101. Фактический центроид должен сравниваться с предпочтительным/нормальным центроидом. Фактическое пиковое давление в цилиндре должно сравниваться с нормальным пиковым давлением в цилиндре. Если имеется отклонение или сдвиг фаз, требуется коррекция
S102. Если пиковое давление в цилиндре, а также это повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала больше нормального, требуется коррекция для выполнения опережения зажигания и изменения ширины импульса
S103. Распределение по времени впрыска, а также ширина импульса должны изменяться для того, чтобы выполнять опережение и компенсировать отклонение
S104. Фактический центроид должен сравниваться с предпочтительным/нормальным центроидом. Фактическое пиковое давление в цилиндре должно сравниваться с нормальным пиковым давлением в цилиндре. Если имеется отклонение или сдвиг фаз, требуется коррекция
S105. Если пиковое давление в цилиндре, а также это повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала больше нормального, требуется коррекция для выполнения опережения зажигания и изменения ширины импульса. Если пиковое давление в цилиндре, а также это повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала меньше нормального, переход к этапу 205
S106. Стратегия впрыска должна изменяться посредством добавления дополнительного импульса, чтобы точно выполнять тонкую настройку распределения по времени, а также ширину импульса для того, чтобы выполнять опережение и компенсировать отклонение
S107. Фактический центроид должен сравниваться с предпочтительным/нормальным центроидом. Фактическое пиковое давление в цилиндре должно сравниваться с нормальным пиковым давлением в цилиндре. Если имеется отклонение или сдвиг фаз, требуется коррекция
S108. Если пиковое давление в цилиндре, а также это повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала больше нормального, требуется коррекция для выполнения опережения зажигания и изменения ширины импульса. Если пиковое давление в цилиндре, а также это повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала меньше нормального, переход к этапу 208
S109. Распределение по времени впрыска, а также ширина импульса должны изменяться для того, чтобы выполнять опережение и компенсировать отклонение;
S202. Если пиковое давление в цилиндре, а также это повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала меньше нормального, требуется коррекция для выполнения задержки зажигания и изменения ширины импульса
S203. Распределение по времени впрыска, а также ширина импульса должны изменяться для того, чтобы выполнять задержку и компенсировать отклонение
S204. Фактический центроид должен сравниваться с предпочтительным/нормальным центроидом. Фактическое пиковое давление в цилиндре должно сравниваться с нормальным пиковым давлением в цилиндре. Если имеется отклонение или сдвиг фаз, требуется коррекция
S205. Если пиковое давление в цилиндре, а также это повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала меньше нормального, требуется коррекция для выполнения задержки зажигания и изменения ширины импульса. Если пиковое давление в цилиндре, а также это повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала больше нормального, переход к этапу 105
S206. Стратегия впрыска должна изменяться посредством добавления дополнительного импульса, чтобы точно выполнять тонкую настройку распределения по времени, а также ширину импульса для того, чтобы выполнять задержку и компенсировать отклонение
S207. Фактический центроид должен сравниваться с предпочтительным/нормальным центроидом. Фактическое пиковое давление в цилиндре должно сравниваться с нормальным пиковым давлением в цилиндре. Если имеется отклонение или сдвиг фаз, требуется коррекция
S208. Если пиковое давление в цилиндре, а также это повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала меньше нормального, требуется коррекция для выполнения задержки зажигания и изменения ширины импульса. Если пиковое давление в цилиндре, а также это повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала больше нормального, переход к этапу 108
S209. Распределение по времени впрыска, а также ширина импульса должны изменяться для того, чтобы выполнять задержку и компенсировать отклонение.
Следующие параграфы уточняют функциональное описание.
max
За счет измерения посредством CCPS 138 давления в цилиндре система 136 управления может определять dP/dt. Для этого предлагается новая технология с использованием центроида для того, чтобы измерять сдвиг фаз распределения по времени. Эта центроидная точка относительно угла поворота коленчатого вала, а также P используется в программном обеспечении для того, чтобы компенсировать различное качество топлива. Сдвиг фаз определяется с помощью центроидной технологии и сравнивается с базовой картой.
max
Когда программное обеспечение системы 135 управления определяет то, является или нет сгорание двигателя анормальным (т.е. качество высоко- или низкоцетанового топлива), программное обеспечение системы 135 управления корректирует это с помощью распределения по времени и/или тонкой регулировки количества топлива на базовой карте впрыска. Если P, а также dP/dt выше соответствующих параметров базовой карты, требуется запаздывание впрыска топлива и тонкая регулировка ширины импульса. Если значения демонстрируют меньшие показания, требуется задержка. В любом случае, одна из этих стратегий изменяет Ртах и dP/dt до допустимого уровня в выбранных пороговых пределах. Чтобы получать требуемые значения, на следующем этапе должны выполняться распределение по времени и тонкая регулировка количества впрыска топлива.
Если пороговое значение не достигается, то программное обеспечение должно еще раз определять, являются или нет значения по-прежнему слишком высокими, или, возможно, отклоняется или нет коррекция от требуемого значения. В этих случаях программное обеспечение должно выбирать изменение стратегии впрыска и добавление дополнительного импульса в схему впрыска топлива. Это осуществляется для того, чтобы подстраивать коррекции и ограничивать отклонение. Программное обеспечение должно выполнять коррекцию (включающую в себя добавленный импульс) в распределении по времени и тонкой регулировке импульса.
Программное обеспечение проверяет то, осуществляются или нет коррекции в рамках пороговых значений, и определяет то, являются либо нет значения слишком высокими или слишком низкими. Согласно этому вычислению, вносятся изменения в распределение по времени и тонкую регулировку ширины импульса. Этот процесс продолжается в контуре до тех пор, пока подстройка не достигнет требуемых значений. В этом случае двигатель может работать на своей основной карте, и потенциальное повреждение не допускается. Фиг. 19a-d показывают подробную блок-схему последовательности операций способа посредством управляющего программного обеспечения системы 136 управления.
Понимание трансмиссии летательного аппарата
Один из ключевых аспектов для понимания трансмиссии заключается в понимании "собственной частоты" системы. Большинство трансмиссий двигателя имеют очень несущественное эффективное демпфирование, если конкретный "демпфер" конструктивно не предусмотрен в системе. Большинство коленчатых валов, шестерен, карданных валов изготовлены из стали, которая является кристаллической по своему характеру. Сталь имеет очень низкое внутреннее демпфирование и, следовательно, подвержена резонансу.
Резонанс является явлением, которое характеризуется неспособностью систем демпфировать периодические вводы энергии, которые могут приводить к гармоническому возбуждению системы. Если не выполнять проверку, система может колебаться до тех пор, пока неизбежная неисправность не станет вероятной.
Любая система трансмиссии имеет собственные частоты, которые характеризуются жесткостью/весом системы. Резонансная частота системы должна быть определена, чтобы определять то, каких гармоник следует не допускать в рабочем диапазоне двигателя. Когда критические частоты известны, могут прогнозироваться частоты вращения двигателя, которые могут быть подвержены резонансу.
Использование программного обеспечения для того, чтобы создавать модели крутильных колебаний
Первый этап, осуществляемый при выполнении динамического анализа, заключается в том, чтобы точно моделировать динамическую систему, упрощается посредством использования пакетов, которые работают с CAD-системами, чтобы создавать одномерную модель крутильных колебаний. Воздушный винт не может игнорироваться в качестве части оценки крутильных колебаний. При необходимости одномерная модель должна быть модифицирована, чтобы представлять гибкую лопасть воздушного винта.
Когда масса системы и жесткость пружины известны, программное обеспечение или табличный способ Хольцера может быть использован для того, чтобы определять резонансную частоту и форму моды колебаний. Вычисленные частоты и формы мод являются полезными при определении того, на каких частотах вращения двигатель может быть подвержен резонансу.
В прошлом резонансные состояния "снабжались предупредительной надписью" в качестве опасных зон, которых надо избегать при нормальной работе летательного аппарата. Пилот должен обращать особое внимание на то, чтобы не допускать работы в этих областях, чтобы не допускать повреждения двигателя.
Изменение гармонического спектра вращающего момента газовых сил
В случае дизельного авиационного двигателя 102 есть возможность использовать данные CCPS 138 и электронный инжектор 126 с общей направляющей-распределителем для того, чтобы "формировать темп" на кривой давления, чтобы обеспечивать то, что явления резонанса минимизируются по мере того, как изменяется частоты вращения двигателя так, чтобы удовлетворять режимам полета.
01
На различных частотах вращения порядки вынуждающих функций гармоник должны присутствовать для того, чтобы вызывать резонанс. Фактическая амплитуда резонанса является функцией от того, какое демпфирование присутствует в системе двигателя. Это может быть собственная частота (ω), которую следует избегать, (см. фиг. 26).
При резонансных частотах вращения взвешивание А-Е-импульсов может быть изменено для того, чтобы минимизировать гармонический спектр сформированной тангенциальной газовой силы. Это должно создавать гармоники газовых сил, которые являются более "мягкими" по отношению к собственной частоте на этой конкретной критической частоте вращения. Как достигать того уровня управления - это то, что позволяет делать система 136 управления с использованием данных CCPS 138.
Цель состоит в том, чтобы придумывать калибровку, которая оптимизирована с точки зрения эффективности. С этой целью современная электронная система впрыска дает возможность выбора "рецепта", который придает требуемую "форму" кривой давления. Анализ Фурье используется для того, чтобы определять то, из чего состоит кривая газовой силы. После разложения газовая сила определяется как "состоящая" из различных элементов, которые при добавлении создают точную форму кривой вращающего момента газовых сил.
Фиг. 20 и 21 показывают две стратегии для того, чтобы управлять составлением гармоник вращающего момента газовых сил посредством реализации различных стратегий подачи топлива. На заданной частоте вращения различные порядки могут вызывать резонанс на множестве частот вращения двигателя. В режиме низкой частоты вращения определенная возбуждающая сила может вызывать резонанс, тогда как в режиме высокой частоты вращения другой порядок может с большей вероятностью вызывать резонанс. С учетом характеристик схем многоимпульсной подачи топлива, таких как характеристики, предложенные на фиг. 22, отсутствуют "типичные" амплитуды гармоник вращающего момента газовых сил.
Ранее была возможность перечислять то, что является "типичным" с точки зрения гармонического спектра вращающего момента газовых сил. Тем не менее, нет ничего "типичного" для дизельного двигателя со всеми возможными комбинациями подачи топлива, предлагаемыми посредством современной многоимпульсной системы настоящего изобретения. Сегодня инжекторы поддерживают 5-импульсную стратегию, но трудно прогнозировать, какой уровень управления предполагается в будущем. Даже при использовании 5-импульсной стратегии имеются фактически бесконечные способы подавать топливо в систему цилиндров, и результат представляет собой кривую вращающего момента газовых сил, которая может обрабатываться посредством системы 136 управления, чтобы "сформировать" динамическую кривую давления таким способом, который не способствует колебаниям трансмиссии (воздушного винта, коленчатого вала, агрегатов).
Система 136 управления по настоящему изобретению с использованием технологии CCPS 138 представляет собой важнейший элемент оборудования для того, чтобы иметь возможность проверять динамику изменения давления в каждой системе цилиндров. С помощью многоцилиндрового двигателя можно даже настраивать различные цилиндры таким образом, чтобы предоставлять варьирующуюся долю в общей характеристике вращающего момента. За счет такой стратегии, как эта, гармоническая характеристика может быть настроена для нескольких целей.
Использование системы управления в качестве инструментального средства технического обслуживания и индикатора рабочих характеристик
Система 136 управления по настоящему изобретению с использованием технологии CCPS 138 является, в частности, полезной в качестве инструментального средства периодического технического обслуживания для авиационного варианта применения, в котором надежность представляет первостепенную важность для безопасности пилота и экипажа. Поскольку авиационные двигатели находятся непропорциональное количество времени в режиме бездействия, они могут быть подвержены некоторым типам видов неисправностей, не наблюдаемых в автомобильных вариантах применения.
Одно применение системы управления заключается в том, чтобы отслеживать относительные состояния всех цилиндров в двигателе. Фиг. 23 показывает реальное проверяемое условие во время действий по калибровке двигателя 102. В этом конкретном испытании во все восемь цилиндров 120 посредством системы 136 управления отправлен идентичный электронный сигнал, который должен (в теории) предоставлять идентичный объем топлива в каждый цилиндр. Фактическая причина двух работающих недостаточно эффективно цилиндров заключается в звуковых явлениях (гидравлическом ударе) в топливной направляющей-распределителе 128, вызываемых в двух из восьми инжекторов, чтобы указывать отличающееся сгорание (более низкое пиковое давление) по сравнению с другими цилиндрами. Без системы 136 управления неизвестно, как изучать и разрешать эту проблему подачи по топливопроводу в топливной направляющей-распределителе 128. В реальных состояниях система 136 управления сообщает пилоту, что цилиндр 120 или цилиндры 120 дают пропуски зажигания и требуют внимания. Идентичная стратегия должна помогать при определении поврежденного или засоренного инжектора, как показано в верхней части по фиг. 23, иллюстрирующей укрупненный наконечник инжектора 126.
Система 136 управления может быть использована для того, чтобы "балансировать долю" всех цилиндров 120 при работе. В другом сценарии система 136 управления может быть настроена, чтобы предоставлять максимальный вывод при максимальном давлении в цилиндре.
В экстремальных ситуациях работающий недостаточно эффективно цилиндр 120 может переводить динамическую систему в резонанс и может повредить двигатель, если не выполнять его проверку. Единственным показанием для пилота в системах без системы управления по настоящему изобретению является неопределенное состояние "жесткой работы", которое пилот может осознавать/не осознавать, в зависимости от механического опыта пилота.
Даже если вышеуказанное "состояние жесткой работы" не было повреждающим с точки зрения динамики, пилоту может не хватать мощности. Хотя это может быть несущественным в состояниях взлета на небольших высотах под небольшой нагрузкой, такое состояние может быть смертельным в состояниях взлета при высокой температуре окружающей среды на больших высотах.
Система 136 управления двигателя имеет возможность передавать данные рабочих характеристик в реальном времени пилоту для любых метеорологических условий или любой высоты, на которой он находится. Посредством вычисления среднего давления за цикл для каждого цилиндра и суммирования долей пилот имеет действующий встроенный динамометр в системе 136 управления, который должен указывать максимальные рабочие характеристики при опробовании для каждого запланированного взлета. Эта информация представляет собой инновационное инструментальное средство управления рабочими характеристиками для планирования полета, ставшее возможным посредством системы 136 управления по настоящему изобретению.
Двигатель 102 по настоящему изобретению имеет непосредственное считывание рабочих характеристик двигателя на основе значения среднего индикаторного эффективного давления (IMEP), как определено посредством системы управления с использованием данных из CCPS-датчика. Это значение во времени указывает фактическую работу на расширение, выполняемую посредством горючего газа, и, следовательно, точный показатель располагаемой мощности двигателя для метеоусловий дня. Это условие определено на фиг. 24.
Вышеуказанное измерение сгорания не является единственным полезным применением системы 136 управления. С помощью системы 136 управления пилот имеет возможность проверять сжатие каждого цилиндра для каждого запуска двигателя. Например, заевший клапан должен сразу обнаруживаться в качестве состояния, которое "требует дополнительной проверки перед взлетом". Это является возможным вследствие возможности сканировать давления проворачивания коленчатого вала при запуске. См. фиг. 25.
Ряд других возможных пунктов также может быть определен посредством системы 136 управления, включающих в себя (но не только):
- заевшие впускные/выпускные клапаны;
- изношенное седло клапана;
- сломанные или стертые поршневые кольца;
- бракованная или протекающая прокладка головки блока цилиндров;
- протекающий инжектор (угроза блокировки гидрозатвора);
- истертая стенка цилиндра.
В любом из этих случаев система 136 управления представляет собой полезное преимущество с точки зрения диагностики и/или безопасности для пилота. Знание "работоспособности" каждого цилиндра в системе двигателя является новым подходом к пониманию надежности и летной годности двигателя.
Использование системы 136 управления для того, чтобы управлять переключением турбонагнетателя
Технология CCPS 138 используется посредством системы 136 управления для того, чтобы управлять переключением турбонагнетателей 142. Система управления может использовать фактические данные сгорания для того, чтобы определять характер кривой сгорания и то, когда "активировать" вторичный турбонагнетатель 142. Поскольку "задержка впрыскивания" является показанием завихрения воздуха в камере сгорания, медленная задержка должна указывать недостаток перемещения смеси. Это пороговое значение может быть использовано для того, чтобы инициировать переключение вторичного турбонагнетателя перепускной заслонки.
Дополнительно система 136 управления использует данные CCPS 138 для того, чтобы вычислять повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала (dP/dt) и сравнивать его значение с базовой картой. Медленная задержка должна указывать более медленное повышение давления в расчете на угол поворота коленчатого вала. Недостаток смеси может быть определен с помощью более низкого максимального пикового давления в цилиндре. Оно вызывается посредством неполного сгорания топлива. Эти два параметра помогают при точном определении рабочего режима. В случае если требуется больше воздуха, инициируется вторичный (высоконапорный) турбонагнетатель 142а (по фиг. 11). Вторичный турбонагнетатель 142а наполняет камеры 122 сгорания дополнительным воздухом, чтобы создавать лучший закрученный поток смеси. Посредством измерения давления наддува система 136 управления может определять то, когда отключать или как выполнять тонкую настройку второго турбонагнетателя 142а, чтобы поддерживать каждую систему работающей около острова оптимальной эффективности. Фиг. 18 показывает блок-схему последовательности операций для стратегии, встроенной в систему 136 управления.