無人機發(fā)動機瞬態(tài)工況空燃比控制策略研究*

（空軍預(yù)警學(xué)院 武漢 430019）

1 引言

轉(zhuǎn)子發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕，具有較好的高速性能，被廣泛作為小型無人機等軍事裝備的動力裝置［1～3］。為了使轉(zhuǎn)子發(fā)動機在不損失動力性的前提下，盡可能地降低燃油的消耗，減少有害物的排放，提高無人機的飛行性能，需要對轉(zhuǎn)子發(fā)動機的空燃比進行精確控制。轉(zhuǎn)子發(fā)動機采用進氣管內(nèi)噴油方式噴油，噴油器噴出的燃油會有一部分不可避免地在進氣管內(nèi)壁上形成油膜，油膜蒸發(fā)后再和空氣混合進入發(fā)動機工作室。在穩(wěn)態(tài)工況時，形成油膜的質(zhì)量和油膜蒸發(fā)的質(zhì)量可以很快建立動態(tài)平衡，因此油膜對空燃比的影響并不明顯。在瞬態(tài)工況時，由于油膜蒸發(fā)動態(tài)特性的影響，空燃比會出現(xiàn)偏大或者偏小的偏差［4～5］。

由于轉(zhuǎn)子發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊，無法安裝氧傳感器，所以不能對空燃比進行閉環(huán)反饋控制。本文結(jié)合轉(zhuǎn)子發(fā)動機實際工作過程，建立了轉(zhuǎn)子發(fā)動機動態(tài)模型，然后基于逆模型原理，設(shè)計了前饋燃油動態(tài)補償器，用于消除瞬態(tài)工況時油膜對空燃比控制的影響。

2 轉(zhuǎn)子發(fā)動機動態(tài)模型

2.1 進氣系統(tǒng)動態(tài)子模型

轉(zhuǎn)子發(fā)動機進氣系統(tǒng)動態(tài)模型是根據(jù)對進氣系統(tǒng)內(nèi)空氣流動特性的分析建立的，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程PV=mRT和質(zhì)量守恒定律可得如下進氣系統(tǒng)動態(tài)方程［6～8］：

由進氣系統(tǒng)動態(tài)方程可建立進氣系統(tǒng)動態(tài)子模型的Simulink模型，如圖1所示。

圖1 進氣系統(tǒng)動態(tài)子模型Simulink模型圖

2.2 進氣管燃油動態(tài)子模型

圖2 燃油蒸發(fā)與油膜形成原理圖

由于燃油霧化不完全，從噴油器噴射的燃油進入進氣管后會有一部分在進氣管壁面上形成油膜，所以燃油會分成兩部分進入發(fā)動機工作室，一部分是完全霧化的燃油直接和空氣混合進入，另一部分是沉積在進氣管內(nèi)壁上的油膜蒸發(fā)后和空氣混合進入。進氣管燃油蒸發(fā)與油膜形成的原理圖如圖2所示。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，考慮燃油和油膜流量，進氣管內(nèi)燃油動態(tài)方程［9］如下：

由燃油動態(tài)方程可建立燃油動態(tài)子模型的Simulink模型，如圖3所示。輸入量為噴油器噴出的燃油量（dotMfi），輸出量為進入工作室中的燃油量（dotMfc）。

圖3 燃油動態(tài)子模型Simulink模型圖

3 燃油動態(tài)補償器模型

當(dāng)發(fā)動機工作在急加速或急減速等瞬態(tài)工況時，由于油膜蒸發(fā)的動態(tài)特性，油膜的增加量與蒸發(fā)量不相等，導(dǎo)致實際進入工作室的燃油量不等于噴油器的噴油量，所以需要對瞬態(tài)工況進行燃油補償，使得實際進入工作室中的燃油量與進氣空氣量的比值穩(wěn)定在理論空燃比附近。

基于逆模型原理，針對瞬態(tài)工況的燃油補償策略一般是在燃油動態(tài)模型前加入前饋燃油補償器［11］，瞬態(tài)工況燃油補償控制策略原理框圖如圖4所示。

圖4 瞬態(tài)工況燃油補償控制策略原理框圖

燃油補償器的作用就是消除或減小瞬態(tài)工況下油膜蒸發(fā)動態(tài)特性的影響，使進入工作室中的燃油流量m˙fc與目標(biāo)燃油流量m˙fd盡可能相等，由此可得下列公式［12］：

由上述公式整理可得到燃油補償器模型方程如下：

由燃油補償器方程可建立燃油補償器的Simulink模型，如圖5所示。輸入量為目標(biāo)噴油質(zhì)量流量（dotMfd），輸出量為噴油器的噴油質(zhì)量流量（dot-Mfi）。

圖5 燃油動態(tài)補償器Simulink模型圖

4 補償器動態(tài)過程仿真分析

本文是以某型無人機轉(zhuǎn)子發(fā)動機為原型機進行仿真分析的，仿真模型中涉及到的發(fā)動機相關(guān)參數(shù)均與原型機保持一致。轉(zhuǎn)子發(fā)動機相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)子發(fā)動機相關(guān)參數(shù)

4.1 仿真過程

將燃油動態(tài)補償器模型與進氣系統(tǒng)動態(tài)子模型和燃油動態(tài)子模型結(jié)合起來，在Matlab/Simulink中進行仿真，輸入信號為節(jié)氣門開度TPS和轉(zhuǎn)速n，輸出量為空燃比AFR，比較經(jīng)過補償后的空燃比與理論空燃比14.7的偏差情況，以此來分析動態(tài)補償器對發(fā)動機瞬態(tài)工況時燃油動態(tài)過程的補償效果。仿真模型總體框圖如圖6所示。通過設(shè)定不同的節(jié)氣門開度變化信號來模擬發(fā)動機的加減速工況。

圖6 仿真模型總體框圖

4.2 仿真結(jié)果分析

圖7為模擬發(fā)動機加速瞬態(tài)工況時節(jié)氣門開度變化信號，設(shè)定節(jié)氣門初始開度為30°，在第5s時節(jié)氣門開度開始勻速增大，在第6s時增大至38°。在該工況下，對加燃油補償器和未加燃油補償器的發(fā)動機動態(tài)模型進行仿真，其空燃比變化情況如圖8所示。

圖7 加速瞬態(tài)工況節(jié)氣門開度變化信號

圖9為模擬發(fā)動機減速瞬態(tài)工況時節(jié)氣門開度變化信號，設(shè)定節(jié)氣門初始開度為38°，在第4s時節(jié)氣門開度開始勻速減小，在第5s時減小至30°。在該工況下，對加燃油補償器和未加燃油補償器的發(fā)動機動態(tài)模型進行仿真，其空燃比變化情況如圖10所示。

圖8 加速瞬態(tài)工況空燃比變化情況

圖9 減速瞬態(tài)工況節(jié)氣門開度變化信號

通過模型仿真結(jié)果可以看出，在加速或者減速瞬態(tài)工況下加入前饋燃油補償器后，實際空燃比與理論空燃比的最大偏差相比較于無燃油補償時有了明顯的降低，且實際空燃比的穩(wěn)定調(diào)節(jié)時間也大大縮短，說明該燃油補償器能夠有效地消除油膜蒸發(fā)對空燃比的影響，提高瞬態(tài)工況下空燃比控制的精度。

圖10 減速瞬態(tài)工況空燃比變化情況

5 結(jié)語

轉(zhuǎn)子發(fā)動機加減速瞬態(tài)工況下的空燃比控制對提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和排放性具有重要意義。本文以轉(zhuǎn)子發(fā)動機數(shù)學(xué)模型作為受控對象，建立了瞬態(tài)工況下空燃比控制的仿真模型并進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，前饋燃油動態(tài)補償器能夠很好地補償瞬態(tài)工況下空燃比的變化，有效地把實際空燃比控制在理論空燃比一定范圍內(nèi)。