CN108443014A - 用于无人机中的油电混合发电***、油电混合式无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于无人机中的油电混合发电***、油电混合式无人机，该发电***包括相互连接的燃油发动机模块以及发电模块，燃油发动机模块提供动能给发电模块，由发电模转换为电能提供给无人机供电，燃油发动机模块包括发动机缸体、喷射单元、电喷控制***以及节气门阀体，通过电喷控制***实时检测燃油发动机模块的运行状态，并控制喷射单元的喷射油量、节气门阀体的进气量，以调整发电模块输出的发电量。本发明具有结构简单、成本低、能够实现无人机油量的实时智能控制，且所需的耗油量少、发电效率高、无人机续航时间长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种用于无人机中的油电混合发电***、油电混合式无人机。
背景技术
目前大多数小型无人机通常都是采用单一动力***供电，如采用锂电池或采用甲醇、汽油等燃料的内燃机给无人机供电。而采用锂电池供电，由于无人机本身要求载重重量尽可能小，因而对电池的重量具有一定限制，小重量的电池能提供的能量非常有限，使得无人机供电的续航时间短，无法满足无人机长时间、长距离续航的需求；采用汽油、甲醇等内燃机的油动无人机，内燃机通过燃油转化提供机械能，带动桨叶旋转而提供升力，但是装置的体积重量大、响应速度慢，还会产生较大的噪声，且通常仅能用于固定翼无人机上，难以适用于旋翼及倾转翼无人机中。
为解决上述问题，有从业者提出使用电池与燃油两套动力***结合的方式为无人机供电，但是通常都是将两套动力***分别独立使用，使得既有电动供电***，又有油动供电***。如中国专利申请CN204264457U，通过将燃油发动机作为主动力***，电动机、锂电池作为副动力***，主旋翼使用主动力***驱动，副旋翼使用副动力***供电；以及中国专利申请CN206968978U公开一种混合动力倾转机翼无人机，通过在无人机起飞、降落阶段，使用电动***，在平飞状态时由油动力***驱动无人机飞行。但是采用上述无人机，仅仅是电动供电与油动驱动两种模式的混合使用，由于是独立使用电动供电***、油动***驱动，无法实现两套***的充分利用，其使用电动供电***供电时，仍然存在上述续航时间短等问题，而油动***也仍然存在上述体积重量大、响应速度慢以及噪声大等问题，并未实现真正的油电混合供电。
同时传统油动无人机的燃油发动机中一般都是采用化油器，化油器是在发动机工作产生的真空作用下将一定比例的汽油与空气混合，利用吸入空气流的动能实现汽油的雾化，通常会根据发动机的不同工作状态需求自动配比出相应的浓度，输出相应的量的混合气。但是无人机在启动或运行过程中，发动机的运行状态会实时发生改变，采用化油器的方式仅能够按照指定比例进行油气混合，无法实时根据发动机的运行状态进行调整，会存在以下问题：
(1)会造成燃油浪费，发电过程中的耗油量较大；
(2)冷车启动不便，在冷车启动时，需要关闭风门吸油至爆燃，而后打火进入怠速，温度低时则更加难以着火；
(3)环境适应性差，如在高原地区由于氧气稀薄，若按照在平原地区的设置，需要增大进气量，此时必须人工重新进行设置，操作复杂且精度低。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、能够实现无人机发电量的实时智能控制，且所需的耗油量少、发电效率高的用于无人机中的油电混合发电***、以及发电效率高、续航时间长的油电混合式无人机。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于无人机中的油电混合发电***，包括相互连接的燃油发动机模块以及发电模块，所述燃油发动机模块提供动能给所述发电模块，由所述发电模块转换为电能提供给无人机供电，所述燃油发动机模块包括发动机缸体、喷射单元、电喷控制***以及节气门阀体，通过所述电喷控制***实时检测所述燃油发动机模块的运行状态，并控制调整所述喷射单元的喷射油量、所述节气门阀体的进气量，以调整所述发电模块输出的发电量。
作为本发明***的进一步改进：所述电喷控制***包括相互连接的ECU单元以及检测单元，所述检测单元实时检测所述燃油发动机模块的运行状态数据，输出给所述ECU单元，所述ECU单元实时接收所述运行状态数据，并控制所述喷射单元的喷射油量、所述节气门阀体的进气量。
作为本发明***的进一步改进：所述检测单元包括用于检测所述运行状态数据的第一检测子单元，所述第一检测子单元具体包括用于检测所述发动机缸体的温度的缸温传感器、用于检测所述燃油发动机模块与所述发电模块之间传动轴转速的转速传感器、用于检测所述发动机缸体排气氧含量的氧传感器中的任意一种或多种。
作为本发明***的进一步改进：所述检测单元还包括用于检测环境参数的第二检测子单元，所述第二检测子单元具体包括用于检测大气压力的气压传感器和/或用于检测大气温度的气温传感器。
作为本发明***的进一步改进：所述ECU单元接收到所述燃油发动机模块的运行状态数据后，使用控制器产生控制指令输出给所述喷射单元，以调整所述燃油发动机模块的状态参数至预设值。
作为本发明***的进一步改进：所述燃油发动机模块还包括舵机，所述舵机与节气门阀体连接，用于控制所述节气门阀体的开度以调整进气量。
作为本发明***的进一步改进：所述电喷控制***还包括用于检测所述节气门阀体的变动速度的第三检测子单元，所述第三检测子单元与所述ECU单元连接。
作为本发明***的进一步改进：所述喷射单元具体包括依次连接的油箱、油泵以及喷射体，所述喷射体与所述ECU单元连接。
作为本发明***的进一步改进：还包括与所述电喷控制***连接的地面控制端，用于实时接收所述电喷控制***的运行数据以及发送控制指令至所述电喷控制***。
一种油电混合式无人机，所述无人机上设置有上述发电***。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明通过由燃油发动机提供动能给发电模块，再由发电模块转换电能给无人机供电，将燃油最终转换为电能为无人机供电，能够实现油电混合式发电，有效提高无人机续航时间的时间，同时减小无人机的载重量，实现无人机提供持续供电；同时燃油发动机模块中通过设置电喷控制***，能够实现发动机进油量的实时智能控制，使发动机进油量可以根据实时运行状态调节至最佳，从而可以减少无人机的油耗、提高发电效率，进一步延长了无人机的续航时间。
2)本发明基于电喷控制***，能够实时根据发动机的运行状态控制进油量，相比于传统的化油器方式，启动控制更加简单，可以降低使用门槛，且环境适应性好且操作简便，可以适用于高海拔等各种环境工况下而无需重新进行设置。
3)本发明通过由检测单元实时检测发动机的运行状态数据，可以监测发动机的运行状态，将检测到的数据反馈给ECU单元，构成半闭环或全闭环的反馈***，由ECU单元结合反馈的检测数据控制发动机的进油量，能够使得发动机各种运行状态下均能获得最佳的空燃比，还可以实现各种运行参数的自动调节，从而有效延长发电***的寿命。
4)本发明进一步通过设置缸温传感器、转速传感器、氧传感器、气温传感器、气压传感器以及节气门变动速度传感器等多种传感器，可以全面监测发动***的运行情况，从而提高控制精度及性能，ECU根据各传感器反馈的数据还可以实现各项参数的自动调节，提高发电***的性能。
附图说明
图1是本实施例用于无人机中的油电混合发电***的结构原理示意图。
图2是本实施例用于无人机中的油电混合发电***的具体结构示意图。
图例说明：1、燃油发动机模块；11、发动机缸体；12、喷射单元；121、油箱；122、油泵；123、喷射体；13、电喷控制***；131、ECU单元；2、发电模块。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1、2所示，本实施例用于无人机中的油电混合发电***包括相互连接的燃油发动机模块1以及发电模块2，燃油发动机模块1与发电模块2之间通过传动轴连接，由油箱121为汽油发动机提供燃油，燃油发动机模块1将化学能转换为动能，燃油发动机模块1将转换的动能提供给发电模块2，由发电模块2转换为电能提供给无人机供电，燃油发动机模块1包括发动机缸体11、喷射单元12、电喷控制***13以及节气门阀体14，电喷控制***13实时检测燃油发动机模块1的运行状态，并控制调整喷射单元12的喷射油量、节气门阀体14的进气量，以调整发电模块2输出的发电量。喷射单元12包括依次连接的油箱121、油泵122以及喷射体123，喷射体123与电喷控制***13连接，由电喷控制***13控制喷射体123、节气门阀体14的开度。
本实施例通过由燃油发动机模块1以及发电模块2构成油电混合发电***，由燃油发动机1提供动能给发电模块2，再由发电模块2转换电能给无人机供电，将燃油最终转换为电能为无人机供电，能够实现油电混合式发电，有效延长无人机的续航时间、减小无人机的载重量，为无人机提供稳定持续供电；同时考虑发动机运行过程中运行状态会不断发生变化，若仍然保持相同的进油量则会造成燃油浪费，本实施例燃油发动机模块1中通过设置电喷控制***13，能够实现发动机进油量、进气量的实时智能控制，使发动机进油量、进气量可以根据实时运行状态调节至最佳，从而可以减少无人机的油耗、提高发电效率，在同样的载油量前提下，相比于传统仅采用化油器的方式可以大大提高发电量，进一步延长了无人机的续航时间。
本实施例中，电喷控制***13包括相互连接的ECU单元131以及检测单元，检测单元实时检测燃油发动机模块1的运行状态数据，输出给ECU单元131，ECU单元131实时接收运行状态数据，并控制喷射单元12的喷射油量、节气门阀体14的进气量。在发动机启动过程中，由检测单元实时检测发动机的运行状态数据，可以监测发动的运行状态，从而全面了解发动***的运行情况，将检测到的数据反馈给ECU单元131，构成半闭环或全闭环的反馈***，由ECU单元131结合反馈的检测数据发送控制指令控制喷射单元12，智能控制发动机的进油量、进气量，确保供油量的精度，使得发动机各种运行状态下均能获得最佳的空燃比，还可以实现各种运行参数的自动调节，从而延长发电***的寿命，降低油耗。
本实施例中，检测单元包括用于检测运行状态数据的第一检测子单元，第一检测子单元具体包括用于检测发动机缸体11内温度的缸温传感器，缸温传感器与ECU单元131连接，缸温传感器具体设置在发动机缸体11上。缸温传感器实时检测到发动机缸体11内部的温度，并反馈给ECU单元131，ECU单元131接收到缸温传感器检测到的温度后与预设阈值进行比较，若检测到的温度值超过预设阈值时，产生控制指令发送给喷射单元12、节气门阀体14，使喷射单元12按照指令缩小开度以降低喷油量、节气门阀体14按照指定缩小开度以减少进气量，保证获得最佳空燃比，同时使得油缸内温度慢慢恢复至正常温度。
在发动机启动过程中，发动机缸体11内的温度会逐渐上升，当发动机缸体11持续处于高温状态时会降低燃油使用率，造成燃油浪费，本实施例通过实时检测发动机缸体11内部的温度，结合ECU单元131根据检测到的温度值控制进油量、进气量，能够避免发动机缸体11持续处于高温状态，从而减少耗油量。
本实施例中，第一检测子单元还包括用于检测燃油发动机模块1与发电模块2之间传动轴转速的转速传感器以及用于检测发动机缸体11排气氧含量的氧传感器等，转速传感器设置在燃油发动机模块1与发电模块2之间的传动轴上，氧传感器设置在发动机缸体11的排气管输出端，由转速传感器、氧传感器分别实时监测传动轴转速的状态、发动机排气状态，ECU根据监测的数据判断在异常状态时控制调整发动机的进油量、进气量，能够进一步提高发动机油量的控制精度，节省耗油量。第一检测子单元当然也可以根据实际需求采用上述一种或几种传感器的组合，还可以采用检测发动机其他运行状态数据的传感器，以进一步提高控制精度。
本实施例中，检测单元还包括用于检测环境参数的第二检测子单元，第二检测子单元具体包括用于检测大气压力的气压传感器、用于检测大气温度的气温传感器等，还可以采用其他环境参数检测传感器以进一步提高控制精度。当处于不同温度、气压环境时可能会对发动机的运行状态造成影响，尤其是高温、高压等恶劣环境，本实施例通过设置第二检测子单元以检测环境参数，ECU单元131实时根据环境参数控制调整进油量、进气量，使得在各种环境工况下均能够获得最佳空燃比。
本实施例中，ECU单元131接收到燃油发动机模块1的运行状态数据后，具体使用控制器产生控制指令输出给喷射单元12，以调整燃油发动机模块1的状态参数至预设值，能够实现高精度的控制，进一步确保发动机进油量控制的精度，从而最大限度的减少油耗，延长无人机的续航时间。
本实施例中，燃油发动机模块1还包括舵机，舵机与节气门阀体14连接，用于控制节气门阀体14的开度以调整进油量。本实施例结合电喷控制***13以及舵机来控制调整发动机的状态参数，当检测单元实时检测到的运行状态数据超过预设阈值时，ECU单元131产生控制指令发送给喷射单元12，使喷射单元12按照指令地调整开度以调整进油量，同时舵机控制节气门阀体14调整开度以调整进气量，使油气燃烧充分，提高燃油效率，从而实现发动机状态参数的调整，其中状态参数包括如上述缸温、转速、氧含量等。
具体以控制发动机缸体11的温度为例，当缸温传感器检测到的温度值超过预设阈值时，产生控制指令发送给喷射单元12，使喷射单元12按照指令地缩小开度以降低喷油量，同时舵机控制节气门阀体14相应地减小开度以降低进气量，使油气燃烧充分，提高燃油效率，油缸内温度会逐渐降低，当油缸内温度降低到预设阈值时，ECU单元131控制喷射单元12调整喷油量、同时舵机控制节气门阀体14调整进气量，使得充分燃烧保证燃油效率。
本实施例中，检测单元还包括用于检测节气门阀体14的变动速度的第三检测子单元，具体在节气门阀体14处设置节气门变动速度传感器，节气门变动速度传感器与ECU单元131连接，节气门变动速度传感器实时监测节气门阀体14的变动速度，反馈给ECU单元131，ECU单元131接收节气门变动速度传感器实时反馈的数据，当判断到处于异常状态时，控制调整喷射单元12、同时舵机控制调整节气门阀体14。
本实施例通过设置上述缸温传感器、转速传感器、氧传感器、气温传感器、气压传感器以及节气门变动速度传感器等多种传感器，可以全面监测发动***的运行情况，ECU根据各传感器反馈的数据还可以实现各项参数的自动调节，提高发电***的性能。燃油发动机模块1工作时，喷射体123喷射的油量主要由节气门阀体14的开度来确定，在起动期间实时结合如上述大气温度、缸体温度、节气门变动速度、氧传感器等检测到的信号对喷射体123的喷油量进行调整，暖机过程是在怠速情况下持续运行一段时间，当缸温到达一定温度后完成暖车。燃油发动机模块1转换为动能后提供给发电模块2，由发电模块2转换为电能提供给无人机，实现油电混合式发电，给无人机提供持续稳定的能源供应。
本实施例中，还包括与电喷控制***13连接的地面控制端，用于实时接收电喷控制***13的运行数据以及发送控制指令至电喷控制***13。地面控制端可以采用地面站的形式，第一次使用前对***首先进行标定，通过地面站接收上述各种传感器的实时数据和燃油发动机模块1的各种运行数据，从而可以实时监控发动机的运行状态，便于实现发动机启动控制及状态观测，同时通过地面站还可以发送控制指令给电喷控制***13，以相应调整各项参数。
本实施例油电混合式无人机，无人机上设置有上述发电***，由上述发电***为无人机供电，能够实现油电混合式动力无人机，续航时间长且稳定可靠性高，同时燃油发动机模块1中通过设置电喷控制***13，能够实现发动机进油量的实时智能控制，使发动机进油量可以根据实时运行状态调节至最佳，可以减少无人机的油耗、提高发电效率，从而进一步延长了无人机的续航时间，满足无人机长时间、长距离的续航需求。
本发明上述供电***可以适用于多旋翼、固定翼的各类型无人机中，供电***中所需燃油也可以使用汽油、甲醇等各类型燃油料。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种用于无人机中的油电混合发电***，其特征在于：包括相互连接的燃油发动机模块(1)以及发电模块(2)，所述燃油发动机模块(1)提供动能给所述发电模块(2)，由所述发电模块(2)转换为电能提供给无人机供电，所述燃油发动机模块(1)包括发动机缸体(11)、喷射单元(12)、电喷控制***(13)以及节气门阀体(14)，所述电喷控制***(13)实时检测所述燃油发动机模块(1)的运行状态，并控制调整所述喷射单元(12)的喷射油量、所述节气门阀体(14)的进气量，以调整所述发电模块(2)输出的发电量。
2.根据权利要求1所述的用于无人机中的油电混合发电***，其特征在于：所述电喷控制***(13)包括相互连接的ECU单元(131)以及检测单元，所述检测单元实时检测所述燃油发动机模块(1)的运行状态数据，输出给所述ECU单元(131)，所述ECU单元(131)实时接收所述运行状态数据，并控制所述喷射单元(12)的喷射油量、所述节气门阀体(14)的进气量。
3.根据权利要求2所述的用于无人机中的油电混合发电***，其特征在于：所述检测单元包括用于检测所述运行状态数据的第一检测子单元，所述第一检测子单元具体包括用于检测所述发动机缸体(11)内温度的缸温传感器、用于检测所述燃油发动机模块(1)与所述发电模块(2)之间传动轴转速的转速传感器、用于检测所述发动机缸体(11)排气氧含量的氧传感器中的任意一种或多种。
4.根据权利要求3所述的用于无人机中的油电混合发电***，其特征在于：所述检测单元还包括用于检测环境参数的第二检测子单元，所述第二检测子单元具体包括用于检测大气压力的气压传感器和/或用于检测大气温度的气温传感器。
5.根据权利要求2或3或4所述的用于无人机中的油电混合发电***，其特征在于：所述ECU单元(131)接收到所述燃油发动机模块(1)的运行状态数据后，使用控制器产生控制指令输出给所述喷射单元(12)，以调整所述燃油发动机模块(1)的状态参数至预设值。
6.根据权利要求2或3或4所述的用于无人机中的油电混合发电***，其特征在于：所述燃油发动机模块(1)还包括舵机，所述舵机与节气门阀体(14)连接，用于控制所述节气门阀体(14)的开度以调整进气量。
7.根据权利要求6所述的用于无人机中的油电混合发电***，其特征在于：所述电喷控制***(13)还包括用于检测所述节气门阀体(14)的变动速度的第三检测子单元，所述第三检测子单元与所述ECU单元(131)连接。
8.根据权利要求2或3或4所述的用于无人机中的油电混合发电***，其特征在于：所述喷射单元(12)具体包括依次连接的油箱(121)、油泵(122)以及喷射体(123)，所述喷射体(123)与所述ECU单元(131)连接。
9.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于无人机中的油电混合发电***，其特征在于：还包括与所述电喷控制***(13)连接的地面控制端，用于实时接收所述电喷控制***(13)的运行数据以及发送控制指令至所述电喷控制***(13)。
10.一种油电混合式无人机，其特征在于，所述无人机上设置有如权利要求1～9中任意一项所述的发电***。
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