Пробой запальной свечи зажигания и образование искрового разряда

При пробое свечи между ее электродами возникает высоковольтный искровой разряд. В процессе разряда выделяется энергия, необходимая для воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания ГТД.

Рис. 11. Схема замещения индукционной катушки после размыкания контактов до пробоя свечи

Искровой разряд имеет две составляющие: емкостную и индуктивную. Емкостная составляющая образуется за счет энергии разряда емкости (Рис.11), а индуктивная составляющая – за счет энергии, оставшейся к моменту начала разряда в магнитном поле катушки.

После пробоя свечи вторичный контур представляет собой высокочастотный колебательный контур, индуктивно связанный с первичным контуром катушки. Поскольку распределенная емкость весьма мала, частота затухающих колебаний емкостной составляющей разряда достигает нескольких МГц.

Индуктивная составляющая разряда имеет апериодический характер и несет основную энергию искрового разряда, достаточную для подогрева, испарения и воспламенения топливовоздушной смеси. Поэтому высоковольтные системы зажигания с индукционной катушкой, работающей на искровую свечу, являются высоковольтными индуктивными системами зажигания.

Достоинство высоковольтных искровых систем зажигания с индукционной катушкой состоит в их конструктивной простоте и надежности.

Однако они имеют существенные недостатки, вследствие которых их применение на современных летательных аппаратах весьма ограничено. К этим недостаткам следует отнести:

- малую величину энергии, выделяемой на искровой свече, А < 1ДЖ

- влияние условий полета на эффективность искрового разряда;

- необходимость периодического удаления нагарообразования на искровых свечах, усложняющую техническую эксплуатацию подобных систем зажигания;

- высокое рабочее напряжение (15…20 кВ), являющееся источником повышенной опасности.

3.2. Низковольтные системы зажигания с полупроводниковыми свечами

На самолетах третьего и последующих поколений в системах запуска ГТД широко применяются низковольтные системы зажигания с полупроводниковыми свечами.

Достоинством полупроводниковых запальных свечей, как уже отмечалось, является высокая стабильность работы, независящая ни от условий полета, ни от образования нагара.

Кроме того, рабочее напряжение системы зажигания с полупроводниковыми свечами существенно ниже рабочего напряжения систем зажигания с искровыми свечами, что делает их более предпочтительными в эксплуатационном отношении.

Однако особенностью полупроводниковых запальных свечей является весьма низкое напряжение пробоя, порядка 300…400 В. При таком напряжении пробоя не может быть обеспечена достаточная энергия разряда. Поэтому для получения рабочего напряжения на свече в пределах 2…3 кВ последовательно свече включается газовый разрядник с соответствующим напряжением пробоя.

Для стабилизации напряжения пробоя в газовый разрядник вводится радиоактивный изотоп. Наличие в баллоне газового разрядника радиоактивного изотопа отмечается в его изображении на схеме «жирной» точкой.

В системах зажигания с полупроводниковыми свечами энергия разряда предварительно накапливается на специальном накопительном конденсаторе , емкость которого лежит в пределах 0,5…3,0 мкФ.

Принципиальная схема системы зажигания с полупроводниковой свечой имеет вид, изображенный на рисунке 12.

Рис. 12. Комбинированная система зажигания с полупроводниковой свечёй

В состав системы зажигания входят:

- источник высокого напряжения, включающий в себя индукционную катушку ИК, прерыватель Пр и искрогасящий конденсатор . Питание первичной обмотки индукционной катушки осуществляется от бортового аккумулятора с номинальным напряжением ;

- накопительный конденсатор ;

- диод Д, играющий роль выпрямителя;

- газовый разрядник Гр;

- активизатор, состоящий из импульсного трансформатора с обмотками и , конденсатора и резистора .

Системы зажигания, использующие полупроводниковые свечи, относятся к классу комбинированных систем зажигания. В этих системах разряд на свече имеет две стадии или, иначе, две составляющие.

Первая составляющая разряда – это высокочастотный ионизирующий индуктивный разряд малой мощности и небольшой длительности порядка 5…10 мкс. С помощью индуктивной составляющей разряда осуществляется первоначальный пробой свечи даже при наличии значительного загрязнения электродов и межэлектродного промежутка. Источником индуктивной составляющей служит активизатор, работа которого будет рассмотрена ниже.

Вторая составляющая разряда является последующим низкочастотным емкостным разрядом вдоль поверхности полупроводника через предварительно ионизированный канал между электродами свечи. В процессе емкостной составляющей разряда выделяется основная энергия разряда, накопленная в конденсаторе .

Заряд накопительного конденсатора до напряжения пробоя газового разрядника осуществляется последовательностью импульсов с выхода индукционной катушки. Диод Д предотвращает разряд конденсатора во время пауз между импульсами.

Во время паузы между очередными входными импульсами благодаря наличию диода Д накопительный конденсатор сохраняет свой заряд, в то время как емкость успевает полностью разрядиться.

Для максимального напряжения на выходе индукционной катушки, очевидно, что максимально возможное напряжение на накопительном конденсаторе равно максимальному напряжению на выходе индукционной катушки при ее работе на открытую цепь.

Практически накопительный конденсатор заряжается лишь до напряжения пробоя газового разрядника , поскольку из условия надежной работы системы зажигания всегда конструктивно обеспечивается выполнение неравенства

.

В существующих системах зажигания данного типа заряд накопительного конденсатора до напряжения происходит за 40…100 импульсов при частоте работы индукционной катушки 400…1000 Гц. Следовательно, частота разрядов на полупроводниковой запальной свече существенно меньше частоты разрядов на искровых свечах высоковольтных систем зажигания и лежит в пределах 4…25 Гц в зависимости от типа системы зажигания.

Однако энергия, выделяемая в каждом разряде на полупроводниковой свече, достаточно велика и обеспечивает надежное воспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорания для всех возможных случаев запуска ГТД. Так, например, при и энергия, запасаемая в накопительном конденсаторе перед каждым его разрядом, будет составлять 9 Дж.

В комбинированной системе зажигания первая ионизирующая индуктивная составляющая разряда, как уже отмечалось, обеспечивается с помощью активизатора. Работа активизатора осуществляется следующим образом.

При заряде накопительного конденсатора одновременно заряжается и конденсатор активизатора . Его заряд осуществляется по цепи, содержащей резистор и первичную обмотку импульсного трансформатора .

После пробоя газового разрядника образуется высокочастотный колебательный контур, содержащий емкость и индуктивность первичной обмотки . Высокая собственная частота колебаний в этом контуре обеспечивается за счет малых величин емкости и индуктивности .

Высокочастотные колебания в контуре « » через импульсный трансформатор передаются во вторичный контур, содержащий обмотку , высоковольтный экранированный провод, запальную свечу и конденсатор . Поскольку , то эквивалентная емкость во вторичном контуре невелика и практически равна емкости , т.е.

.

Первичный и вторичный контура активизатора настраиваются в резонанс за счет выполнения условия

.

Благодаря этому высокочастотные колебания во вторичном контуре создают на полупроводниковой свече импульсы напряжения до 8 кв, осуществляющие ее первоначальные пробой и вызывающие ионизацию межэлектродного промежутка над поверхностью полупроводника.

После образования ионизированного канала между электродами свечи происходит разряд накопительного конденсатора по цепи, образованной газовым разрядником и вторичной обмоткой активизатора. Созданная таким образом емкостная составляющая разряда и осуществляет воспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорания ГТД.

Кроме индукционной катушки в комбинированных системах зажигания с полупроводниковыми свечами в качестве источника высокого напряжения может использоваться высоковольтный трансформатор, питающийся от сети переменного тока с номинальным напряжением 115 в и частотой 400 Гц.

Принципиальная схема системы зажигания с высоковольтным трансформатором имеет следующий вид (рис.13).

Система зажигания с высоковольтным трансформатором включает в себя:

- зарядное устройство, состоящее из повышающего входного трансформатора Тр, газотронов Г₁ и Г₂, ограничительного конденсатора С₁ и дросселя Др;

- накопительный конденсатор ;

- газовый разрядник Гр;

- активизатор, состоящий из конденсатора , импульсного трансформатора Тр_А и резистора R_А;

- датчик контроля Дк, состоящий из импульсного трансформатора и выходного резистора R_Д.

Для уменьшения числа витков вторичной обмотки входного трансформатора в зарядном устройстве используется удвоитель напряжения, собранный на газотронах Г₁ и Г₂, конденсаторе С₁ и дросселе Др.

Удвоитель напряжения работает следующим образом.

При включении системы в сеть переменного тока в положительный полупериод напряжения на вторичной обмотке входного трансформатора происходит заряд ограничительного конденсатора С₁ через газотрон Г₁ и дроссель Др. В отрицательный полупериод напряжение на вторичной обмотке трансформатора суммируется с напряжением на конденсаторе С₁ и через газотрон заряжает конденсатор . При этом дроссель Др осуществляет сглаживание выходного напряжения зарядного устройства.

Рис. 13. – Комбинированная система зажигания с полупроводниковой свечёй

с питанием от бортовой сети переменного тока

В следующий положительный полупериод входного напряжения конденсатор С₁ вновь заряжается, а накопительный конденсатор в этот полупериод сохраняет свой заряд неизменным.

Через 20…40 периодов входного напряжения конденсатор заряжается до пробивного напряжения газового разрядника. При пробое газового разрядника накопительный конденсатор разряжается на свечу с выделением в разряде не менее 2 дж энергии. Таким образом, частота разрядов на свече в подобных системах зажигания лежит в пределах 10…20 Гц.

Работа активизатора в трансформаторной системе зажигания аналогично его работе в системе зажигания с индукционной катушкой.

Датчик встроенного контроля при каждом разряде на свечу выдает контрольный импульс напряжения в схему измерителя частоты импульсов. Если частота контрольных импульсов будет ниже некоторой заданной величины, например 7 Гц, то с измерителя частоты выдается сигнал о неисправности системы зажигания.

Очевидным достоинством систем зажигания с трансформаторным источником высокого напряжения в сравнении с системами зажигания, оснащенными индукционными катушками, является отсутствие механического прерывателя, контакты которого подвержены эрозии и окислению, что в свою очередь снижает надежность системы зажигания.

Однако трансформаторные системы зажигания могут применяться только лишь на тех летательных аппаратах, для запуска основной силовой установки которых используется вспомогательная силовая установка, оснащенная генератором переменного напряжения.

Низковольтные системы зажигания с эрозионными свечами

Низковольтные системы зажигания с эрозионными свечами в качестве источника высокого напряжения используют индукционную катушку с рабочим напряжением в пределах 0,5…1,5 кв.

Схемы данных систем зажигания отличаются простотой. Они выполняются в одном из двух весьма близких по исполнению вариантах, как это следует из рис.14а и 14б.

Рисунок 14 – Низковольтные системы зажигания с эрозионными свечами

Поскольку индукционные катушки низковольтных систем зажигания с эрозионными свечами имеют меньшее выходное напряжение, чем индукционные катушки высоковольтных систем зажигания, то для них характерно и другое соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток. А именно, при числе витков 240…250 первичных обмоток, число витков вторичных обмоток низковольтных систем зажигания с эрозионными свечами находится в пределах 3200…3300 витков.

В эрозионной свече разряд осуществляется по металлизированной частицами серебра поверхности керамического изолятора. В процессе разряда металлизированный слой выгорает и его необходимо к началу очередного разряда восстанавливать.

Процессы выгорания и восстановления металлизированного слоя на поверхности изолятора осуществляются в каждом разряде на свече за счет двух составляющих разряда: емкостной и индуктивной. В процессе емкостной составляющей разряда металлизированный слой выгорает, а в процессе индуктивной составляющей – восстанавливается.

Индуктивная составляющая разряда в системе зажигания с эрозионными свечами имеет существенно большую интенсивность, чем в высоковольтной системе зажигания с искровыми свечами. Это объясняется тем, что сопротивление ионизированного промежутка вдоль поверхности металлизированного изолятора существенно меньше сопротивления ионизированного промежутка между электродами искровой свечи. В результате индуктивная составляющая разряда на эрозионной свече имеет как большую величину тока, так и большую длительность времени действия.

Для того, чтобы обеспечить динамическое равновесие между процессами выгорания и напыления металлизированного слоя, требуется соответственно усилить интенсивность емкостной составляющей разряда. С этой целью во вторичную цепь индукционной катушки параллельно эрозионной свече включается специальный конденсатор , имеющий достаточно большую емкость, порядка 700…950 мкФ.

Нормальная работа индукционной катушки будет обеспечена только в том случае, если к моменту очередного замыкания контактов прерывателя индуктивная составляющая предшествующего разряда полностью прекратится. В противном случае замкнутая в результате сохранившегося ионизированного канала между электродами свечи вторичная цепь будет представлять большую нагрузку, что в свою очередь будет препятствовать нормальному процессу нарастания тока в первичной цепи индукционной катушки.

Для исключения этого нежелательного явления во вторичную цепь последовательно свече включается диод Д (рис.14а). Диод включается таким образом, что он не препятствует протеканию индуктивной составляющей разряда за счет э.д.с., обусловленной убыванием тока в первичной обмотке катушки при размыкании контактов прерывателя. Однако диод Д исключает возможность протекания тока во вторичной цепи за счет э.д.с., обусловленной нарастанием тока в первичной цепи при замыкании контактов прерывателя. Таким образом, даже при наличии остаточной ионизации межэлектродного промежутка свечи диод Д обеспечивает размыкание вторичной цепи во время нарастания тока в первичной цепи катушки.

Весьма часто в схемах зажигания с эрозионными свечами вместо диода Д во вторичную цепь включают специальный конденсатор (рис.14б). Преимуществом конденсатора перед диодом является его большая надежность.

В результате наличия во вторичной цепи конденсатора индуктивная составляющая разряда приобретает колебательный характер. Действительно, после пробоя свечи образуется последовательный колебательный контур, включающий в себя емкость и индуктивность вторичной обмотки катушки. При этом частота колебаний будет близка в силу малости активного сопротивления контура к величине .

При первом прохождении тока индуктивного разряда, имеющего колебательный характер, через нулевое значение разряд прекращается. Этим самым обеспечивается размыкание вторичной цепи катушки к моменту очередного замыкания контактов прерывателя.

В то же время до пробоя свечи конденсатор не оказывает влияния на процессы в первичной цепи индукционной катушки, поскольку в этот период он включен последовательно конденсатору .

Особенность низковольтных систем зажигания с эрозионными свечами состоит в том, что они включаются в работу заранее до подачи в камеру сгорания пускового топлива. В этот промежуток времени осуществляется так называемая тренировка свечей, в процессе которой устанавливается динамическое равновесие между процессами выгорания и напыления металлизированного слоя.

Вопросы для самоконтроля на самостоятельную подготовку

1. Назовите основные способы запуска ГТД

2. Особенности автономного запуска авиадвигателей.

3. Принцип действия системы зажигания в ГТД.

4. Назовите основные типы авиационных свечей зажигания.

5. Назначение, принцип действия искровых свечей зажигания.

6. Назначение, принцип действия полупроводниковых свечей зажигания.

7. Назначение, принцип действия эрозионных свечей зажигания.

8. Назначение, принцип действия высоковольтных искровых систем зажигания.

9. Назначение, принцип действия низковольтных систем зажигания.

Литература

1. Авиационное оборудование. Под ред. Е. А. Румянцева, М., ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1980 г. с. 28…44

2. В.Д. Константинов, И. Г. Уфимцев, Н. В. Козлов. Авиационное оборудование самолётов. М., Воениздат МО СССР, 1970 г. с. 85-103

3. Авиационное оборудование. Под ред. Ю. П. Доброленского, М: Воениздат, 1989 г. с. 61…66

4. Авиационное оборудование самолётов. Под ред. П. И. Чинаева, М: Воениздат, 1976 г. с. 137…163

5. А.П. Барвинский, Ф. Г. Козлова. Электрооборудование самолётов (Устройство и эксплуатация). М: “Транспорт”, 1981 г. с. 186…208

6. А. С. Тыртычко, Н. Н. Точилов, М. М. Ногас, В. М. Блувштейн. Авиационное оборудование вертолётов. М: Воениздат, 1981 г. с. 80…94

8. И. М. Синдеев. Электрооборудование летательных аппаратов. М: ВВИА им проф. Жуковского, 1972 г. с. 207…300.