技术领域
[0001] 本
发明提出了一种基于微通道热泡式喷射原理的燃油喷射雾化系统，属于小
排量活塞发动机燃油供给与调节领域，特别是小型航空活塞发动机燃油喷射领域，喷射雾化效果一致性好，集成度高，满足小型航空活塞发动机对燃油喷射系统轻质高效的要求。
背景技术
[0002] 随着无人机应用领域的不断扩大，对为其提供动
力的小型航空活塞发动机的性能要求越来越高，其发展的趋势是具有高的功重比，这就要求其有轻的
质量和高的效率。小型航空活塞发动机现在基本上采用
化油器供油方式，由于不可避免的扫气过程
短路损失，油耗高，经济性差，因此为了满足无人机动力系统的发展需要，轻质高效的电控燃油喷射系统是必然的技术手段。电控燃油喷射系统的喷射雾化性能是实现
燃料合理高效燃烧的一个关键因素，同时也影响着小型航空活塞发动机的运行效率。目前，在使用的小型航空活塞发动机燃油喷射，为保证喷射量、喷射雾化效果、喷射时间，大都采用了传统
汽车大排量发动机的燃油供给调节方式，系统部件数目多、质量大而且整体结构比较复杂。因此为了达到较轻的喷油系统和较好的雾化效果，创新型的轻质高效燃油喷射系统设计是必然的技术关键。
[0003] 创新型电控燃油喷射系统分为两种层次的创新，一种是完善改进型的创新，主要是基于传统大排量发动机
燃油供给系统原理，从部件精简、提高集成度方面对现有大排量燃油喷射系统进行功能或者结构集成，
专利201110113292.6即是通过对传统
泵－管－嘴喷射系统进行集成，同时控制方法采用了大排量发动机燃油喷射系统的逆向思维；另外一种则是完全原创的创新设计，主要集中在新型喷射系统工作原理和调节方法，新型喷射结构等，本发明即是结合近年来高速发展的MEMS微
机电系统和
电子控制系统技术而形成的。基于MEMS微通道加工工艺，结合热泡式喷射系统原理，同时和智能数字控制系统相结合，完全创新的微通道热泡式喷射系统才得以实现。
发明内容
[0004] 本发明提出一种基于MEMS微通道热泡式喷射原理的电控燃油喷射雾化系统，为小排量活塞发动机，特别是小型航空活塞发动机提供一种结构简单可靠、集成度高且能达到良好雾化性能的燃油喷射系统。
[0005] 该微通道热泡式燃油喷射系统，主要包括壳体、外接插口座、译码器、喷油嘴放置腔、内部供油通道、供油道
温度传感器、热泡通道、加热
电阻、喷油嘴。
[0006] 整体形状呈圆弧形状，便于和发动机节气
门配合，从外到内分为三部分，最外部为外接插口座，是本燃油喷射系统与发动机ECU连接的通道，其负责接受ECU译码器的输入
信号到喷射系统，同时从喷射系统的供油通道温度传感器传回油温信号给发动机ECU。中部为
电路译码器和内部供油通道，内部排列放置20～300个热泡微通道管及喷油嘴，以及喷油嘴周围的加热电阻。
[0007] 外接插口座上信号分为三部分，一部分是连接译码器用的，通过译码器的输出选择不同的
喷嘴；一部分是连接供油道温度传感器，把内部供油通道内的燃油温度信号传给发动机ECU，以达到
监控系统油温的目的，保证喷嘴喷射出去的燃油液滴体积和质量一致性好，同时放置喷嘴温度过高，另外一部分是对于喷嘴部分的供电部分，包括电源和地线。
[0008] 热泡式喷射系统结构组成和工作原理如
附图2所示，其基本结构是微通道内的液体进行快速加热，基本过程如下：
[0009] 1、热泡式喷射系统没有触发脉冲时，通道内充满燃油，由于微通道的毛细和
张力作用，燃油无法自然形成液滴而流出。
[0010] 2、触发脉冲开始有效，微通道两边的加热电阻开始有
电流流过，微通道内的燃油被迅速加热，温度上升很高，开始出现气泡
薄膜。
[0011] 3、触发脉冲开始关闭，气泡薄膜聚集形成气泡，气泡体积逐渐变大，开始
挤压通道内燃油。
[0012] 4、微通道气泡达到最大状态，微通道内的燃油被挤出喷嘴形成液滴。
[0013] 5、微通道气泡开始破裂，喷嘴处的液滴被喷射出去。
[0014] 6、微通道气泡消失，液滴喷射出去后形成的液体表面张力重新吸入燃油，燃油重新充满微通道。
[0015] 基于上述热泡式燃油喷射系统原理和结构，本发明提出了一种对应的全数字化控制调节方法，流程如图4所示，具体通过以下步骤实现：
[0016] 步骤1：控制系统通过进气量的大小估计燃油需求量Qn；
[0017] 控制系统ECU根据进气温度、压力按照速度－
密度法估计发动机进气量，然后根据发动机缸体温度，
大气压力或者其他相关传感器进行修正，最终得出发动机进气量，按照理论
空燃比要求，换算得到发动机所需喷油量大小。
[0018] 步骤2：控制系统计算燃油量Qn所需喷射脉冲个数；
[0019] 由于热泡式喷射系统的微通道结构制造时已经确定，单个喷射液大小是一定的，因此单通道单次喷射量Qi也是明确的，故由第一步得到的燃油量，计算可以得到喷射脉冲个数N＝Qn/Qi。由于微通道喷射系统单次喷射量非常小，一般是几十pL，因此喷射脉冲个数可以直接取整，不考虑小数部分，误差非常小。
[0020] 步骤3：确定喷射脉冲产生方案；
[0021] 喷射脉冲个数确定后，由于微通道喷射系统是阵列结构，因此需要根据阵列结构的微通道喷射器进行喷射脉冲产生，此时喷射脉冲分为两个部分，一部分即是全阵列微通道喷射器全部工作的次数，一部分是部分微通道喷射器工作。按照微通道喷射器设计的数目Nm，可以由喷射脉冲个数N得到全阵列喷射器工作次数Nt＝N/Nm。Nt的整数部分INT(Nt)，即是全阵列微通道喷射器工作的次数。除去以上全阵列微通道喷射器工作次数的喷射量，Nr＝N-INT(Nt)*Nm即是部分喷射器工作的数值，也即最后一次喷射不是全部微通道喷射器全部工作，而且其中一部分工作。
[0022] 步骤4：控制系统根据发动机工况和喷射脉冲发生方案，计算喷射器工作的提前
角；
[0023] 此步控制系统首先根据
发动机转速和节气门开度，确定发动机工况，查表确定喷射提前角，根据提前角数值换算喷射系统持续时间，和第三步的喷射脉冲发生方案配合，确定最终的脉冲发生方式。
[0024] 步骤5：控制系统输出喷射脉冲，完成喷射功能；
[0025] 控制系统首先发出全阵列喷射控制有效脉冲，全部微通道译码电路有效，全阵列喷射器进行喷射动作；在全阵列喷射器工作达到对应次数以后，控制系统发出部分工作喷射脉冲，也即译码电路工作到0～Nm之间的某个数值。
[0026] 本发明的优点在于:
[0027] 1、本发明中的数字化的燃
油雾化喷射系统可以对发动机所需的燃油量实现多次微尺度液滴喷射，其液滴的索特平均直径SMD为56um，液滴喷射尺寸保持一致性好，热泡式技术可以耗费较少的
能量产生微小的液滴，提高喷油效率的同时，雾化性能比传统喷射系统较好；
[0028] 2、该数字化燃油雾化喷射系统基于热泡原理，减少了燃油泵和压力调节装置，雾化喷射系统结构简单。运用目前比较成熟的MEMS技术去制造微型热泡通道，其体积小、质量轻、整个燃油雾化喷射系统集成度较高，可以大大提高小型航空活塞发动机的推重比；
[0029] 3.液滴是应用热泡原理产生的，其喷出的液滴本身温度就较高，所以小型航空活塞发动机在低温的情况下，无需
电热塞和预热喷头，就能达到很好的雾化效果，这点对燃烧重油的小型航空活塞发动机特别重要，同时其能提高小型航空活塞发动机的环境和高度适应性要求；
[0030] 4.本发明的控制方法简化优化，实现针对航空小排量发动机自身特点的控制
算法，减低
软件复杂程度，降低
控制器运算要求，降低成本。同时更具控制输入地址信号的数量以实时的控制燃油喷射量，达到燃油喷射的实时高效控制；
[0031] 5.小型航空活塞发动机的效率和性能与喷油液滴的大小和喷油液滴
汽化的速度有很大关系，本数字化燃油雾化喷射系统喷出液滴索特平均直径为56um，且其一致性较好，其喷出液滴的温度较高，液滴汽化时间很短，能显著提高小型航空活塞发动机的效率和性能。该数字化的燃油雾化喷射系统应用前景非常广泛，其可以显著的提高
汽油机和柴油机燃油供给性能，该数字化燃油雾化喷射系统可以应用于运输、航空等发动机上提高其性能。
附图说明
[0032] 图1为本发明一种数字化的航空活塞发动机雾化喷射系统的结构原理图；
[0033] 图2为本发明的热泡式喷油头的结构及原理图；
[0034] 图3为4行5列的20喷头的矩阵驱动控制线路图；
[0035] 图4为本发明数字化的航空活塞发动机雾化喷射系统喷射方法
流程图；
[0036] 图中：
[0037] 1-壳体 2-外接插口座 3-译码器 4-喷油嘴放置腔[0038] 5-内部供油通道 6-供油道温度传感器 7-热泡通道 8-加热电阻[0039] 9-喷油嘴 10-喷出液滴
具体实施方式
[0040] 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0041] 本发明提供了一种数字化的航空活塞发动机燃油雾化喷射系统，如图1所示，包括壳体1、外接插口座2、译码器3、喷油嘴放置腔4、内部供油通道5、供油道温度传感器6、热泡通道7、加热电阻8、喷油嘴9。
[0042] 壳体1整体形状呈圆弧形状，从外到内分为三部分，最外部为外接插口座2，是本燃油雾化系统与发动机ECU连接的通道，其负责接受译码器2的
输入信号，同时传递出供油道温度传感器的油温信号给发动机ECU。中部为电路译码器3和内部供油通道5，内部排列放置20～300个热泡通道管7及喷油嘴9。
[0043] 外接插口座2为ECU和喷射器的电气连
接口，分为三部分，其中一部分是连接译码器3用的，另外一部分是连接供油道温度传感器2，把内部供油通道5内的供给燃油的温度传给发动机ECU，剩下的为系统电源部分，一般是电源和地线。
[0044] 在喷油嘴放置腔4内排列放置20～300个喷油嘴，由于数量巨大很难使用专用的信号
直接驱动每个喷头，为了解决这一问题，需引入电路学中常用的矩阵驱动技术。矩阵驱动的原理是行列组合，通过行列译码选择某一个微通道喷射器。行列驱动主要是合理布置行控制线和列控制线，按照现在的数字电路原理，基本上采用平方根近似的方式。附图3是本发明采用20通道喷射器的4行5列矩阵驱动电路示意图，选择4行5列的原因是20的平方根介于4和5之间。按照同样道理，如果喷射器微通道数目是300的话，则可以采用17行18列的方式实现，17行18列可以实现306个喷头的矩阵驱动。矩阵驱动的好书是全数值化，接口线数目减少，复杂性降低。
[0045] 该数字化航空活塞发动机燃油雾化喷射系统为进气道喷油设计，其出口压力较小，所以不用考虑热泡出口压力对喷出液滴尺寸的影响。且喷射系统的热泡通道和喷嘴结构都是运用MEMS技术制造微米级别的尺寸，液体在热泡通道中微尺度的流动是
层流，液滴的流动属于雷诺运动，因此液滴的尺寸和喷嘴喷头的尺寸大小相等，还有每次喷出液滴的大小相等(不依靠供油流量的大小)因此喷出流量的大小可以依靠喷出的
频率来确定。由于运用矩阵驱动技术驱动，每输入一个地址信号都可以驱动一行喷头进行工作，每一行喷头的工作依靠输入的地址信号来进行，因此可以在时间和空间上控制燃油的喷射，从而改善燃油燃烧特性，在一个给定功率要求的发动机上可以实时的控制燃油喷射的流量和分布。由热泡技术的原理可以看出其供油是自吸式结构，因此相对于传统的喷油雾化系统其需要供油压力很少，免去喷油雾化系统的很多复杂零部件，减少了其质量提高其安全可靠性。
[0046] 该数字化的燃油雾化喷射系统有20～300个喷头，喷油的流量可以依靠控制电脉冲频率和输入地址信号来控制。由于供电源一定时，输入电脉冲频率一般不变化，本发明中选用12Khz的电脉冲频率，通过
修改输入地址信号来改变喷射系统的喷油量，一个行地址信号可以使一行喷嘴进行工作。配合控制系统的
隔行扫描功能，该喷射频率下，喷射系统的流量可以精确计算，控制系统实时修正脉冲发生方案可以
对流量进行精确数字调节。
[0047] 本发明基于以上热泡式喷射系统工作原理和结构，提出一种全数字化燃油喷射系统的喷油控制方法，如图4所示的流程，具体通过下述步骤来实现：
[0048] 步骤1：控制系统通过进气量的大小估计燃油需求量Qn；
[0049] 控制系统ECU根据进气温度、压力按照速度－密度法估计发动机进气量，然后根据发动机缸体温度，大气压力或者其他相关传感器进行修正，最终得出发动机进气量，按照理论空燃比要求，换算得到发动机所需喷油量大小。
[0050] 步骤2：控制系统计算燃油量Qn所需喷射脉冲个数；
[0051] 由于热泡式喷射系统的微通道结构制造时已经确定，单个喷射液大小是一定的，因此单通道单次喷射量Qi也是明确的，故由第一步得到的燃油量，计算可以得到喷射脉冲个数N＝Qn/Qi。由于微通道喷射系统单次喷射量非常小，一般是几十pL，因此喷射脉冲个数可以直接取整，不考虑小数部分，误差非常小。
[0052] 步骤3：确定喷射脉冲产生方案；
[0053] 喷射脉冲个数确定后，由于微通道喷射系统是阵列结构，因此需要根据阵列结构的微通道喷射器进行喷射脉冲产生，此时喷射脉冲分为两个部分，一部分即是全阵列微通道喷射器全部工作的次数，一部分是部分微通道喷射器工作。按照微通道喷射器设计的数目Nm，可以由喷射脉冲个数N得到全阵列喷射器工作次数Nt＝N/Nm。Nt的整数部分INT(Nt)，即是全阵列微通道喷射器工作的次数。除去以上全阵列微通道喷射器工作次数的喷射量，Nr＝N-INT(Nt)*Nm即是部分喷射器工作的数值，也即最后一次喷射不是全部微通道喷射器全部工作，而且其中一部分工作。
[0054] 步骤4：控制系统根据发动机工况和喷射脉冲发生方案，计算喷射器工作的提前角；
[0055] 此步控制系统首先根据发动机转速和节气门开度，确定发动机工况，查表确定喷射提前角，根据提前角数值换算喷射系统持续时间，和第三步的喷射脉冲发生方案配合，确定最终的脉冲发生方式。
[0056] 步骤5：控制系统输出喷射脉冲，完成喷射功能；
[0057] 控制系统首先发出全阵列喷射控制有效脉冲，全部微通道译码电路有效，全阵列喷射器进行喷射动作；在全阵列喷射器工作达到对应次数以后，控制系统发出部分工作喷射脉冲，也即译码电路工作到0～Nm之间的某个数值。
