СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ
IGNITION PLUG

Изобретение относится к конструкции свечей зажигания, предназначенных для воспламенения топливных смесей, в том числе обедненных, в газотурбинных двигателях (ГТД) как энергетического, так и транспортного назначения.
К свече зажигания, являющейся одним из основных элементов пусковой системы ГТД, предъявляются требования обеспечения надежного запуска двигателя в широком диапазоне отношения концентраций топлива и окислителя, низкого уровня выбросов дыма, несгоревшего топлива и газообразных веществ, загрязняющих атмосферу, и большого ресурса. При использовании свечи зажигания в составе ГТД летательного аппарата эти требования дополняются необходимостью надежного запуска как на земле, так и на больших высотах (в случае срыва пламени), где условия воспламенения топливной смеси существенно отличаются от наземных, а также жесткими ограничениями по массогабаритным показателям и энергопотреблению в пусковом режиме (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М., «Мир», 1986. с.237).
Большинство из известных к настоящему времени теорий воспламенения базируется на модели, согласно которой свеча зажигания должна обеспечить подвод к топливной смеси энергии, достаточной для создания некоторого объема горючего газа, удовлетворяющего условию распространения пламени, т.е. условию превышения тепловыделения над теплоотводом (см. там же). В рамках этой модели минимальная энергия воспламенения определяется как количество энергии, необходимое для нагрева наименьшего объема топливной смеси, минимальный размер которого равен расстоянию гашения, до температуры, равной адиабатической температуре пламени. При этом к числу основных параметров плазменного факела, определяющих надежность воспламенения топливной смеси, относятся температура, длительность (время жизни), пространственная протяженность и объем.
Известно устройство для воспламенения обедненных топливных смесей в двигателях внутреннего сгорания, содержащее электроискровую свечу, электроды которой выведены в форкамеру, и топливопровод системы впрыска обогащенной топливовоздушной смеси, причем форкамера с помощью размещенного в ее корпусе отверстия сообщается с основной камерой сгорания двигателя (патент США №4041922, МПК F02B 23/00, опубл. 16.08.1977 г.). Последовательность операций по пуску двигателя с использованием данного устройства включает в себя впрыск в форкамеру небольшого количества обогащенной топливовоздушной смеси, подачу на электроды электроискровой свечи импульса напряжения, обеспечивающего электрический пробой между ними и, как следствие, воспламенение находящейся в форкамере обогащенной топливовоздушной смеси, перенос полученного факела пламени через отверстие в форкамере в основную камеру сгорания, где он используется для воспламенения обедненной топливовоздушной смеси.
Известное устройство обеспечивает возможность запуска двигателя на обедненных топливовоздушных смесях, однако для его функционирования необходимы дополнительная камера сгорания (форкамера) и система подготовки и впрыска обогащенной топливовоздушной смеси.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является свеча зажигания для воспламенения топливных смесей в двигателях внутреннего сгорания или силовых установках с двигателями, работающими на продуктах сгорания, содержащая два электрода, разделенные изолятором и образующие разрядный канал, межэлектродное расстояние в котором уменьшается в направлении от изолятора к выходному сечению разрядного канала, а длина превышает максимальное межэлектродное расстояние (патент США №5211142, МПК F02P 1/00, опубл. 18.05.1993).
При подаче на электроды свечи импульса высокого напряжения с амплитудой, достаточной для электрического пробоя межэлектродного зазора, созданная в результате пробоя газоразрядная плазма нагревается протекающим через нее током разряда и под действием электро- и газодинамических сил ускоряется в направлении выходного отверстия свечи и инжектируется в объем камеры сгорания. При оптимальном сочетании параметров разрядного контура и геометрии электродов свечи большая начальная направленная скорость плазмы обеспечивает ее распространение в объем камеры сгорания на значительную глубину, где условия для воспламенения топливной смеси более благоприятны, чем вблизи стенок, а высокая начальная температура плазмы - надежное воспламенение топливной смеси в широком диапазоне концентраций окислителя без необходимости впрыска обогащенной топливной смеси.
Недостатком известной конструкции свечи зажигания является ограничение рабочего ресурса свечи вследствие интенсивной эрозии материала электродов в зоне пробоя по межэлектродному зазору. Кроме того, ограничены возможности оперативного изменения параметров плазменного факела, что не обеспечивает требуемой надежности воспламенения топливной смеси в различных режимах запуска ГТД, в первую очередь при различных значениях концентрации окислителя в топливной смеси.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является повышение рабочего ресурса свечи зажигания, расширение диапазона применения по концентрации окислителя в топливной смеси, а также обеспечение возможности оперативного изменения параметров плазменного факела.
Указанный технический результат достигается тем, что в свече зажигания, содержащей два электрода, разделенные изолятором и образующие разрядный канал, межэлектродное расстояние в котором уменьшается в направлении от изолятора к выходному сечению разрядного канала, а длина превышает максимальное межэлектродное расстояние, минимальное межэлектродное расстояние выбрано большим пробивного расстояния по воздушному зазору между электродами при минимальном рабочем напряжении свечи, а межэлектродное расстояние по поверхности изолятора, обращенной к разрядному каналу, выбрано меньшим пробивного расстояния по этой поверхности при указанном значении напряжения.
При этом изолятор, расположенный между электродами свечи, установлен таким образом, что его поверхность, обращенная к разрядному каналу, является либо торцевой, либо боковой поверхностью изолятора.
Предмет изобретения поясняется следующими иллюстрациями. На фиг.1, 2 схематически представлен продольный осевой разрез свечи зажигания, выполненной согласно предлагаемому техническому решению для случая коаксиального расположения электродов, причем на фиг.1 представлен вариант конструкции, согласно которому к разрядному каналу обращена торцевая поверхность изолятора свечи, а на фиг.2 - его боковая поверхность.
В качестве примера конкретного выполнения предложенной свечи зажигания рассмотрим свечу осесимметричной конструкции с коаксиально установленными электродами, выполненными в виде тел вращения.
В корпусе 1 свечи (см. фиг.1), установленном на внешней стенке 2 камеры сгорания ГТД, коаксиально размещены внешний 3 и внутренний 4 электроды, причем внешний электрод 3 соединен с корпусом 1 и находится под его потенциалом. Выходные шины источника импульсного питания (на рисунках не показан) подключены к корпусу 1 и внутреннему электроду 4 со стороны, противоположной направлению движения газоразрядной плазмы (на фиг.1 и 2 направление движения газоразрядной плазмы показано стрелкой вида ⇒), таким образом, что корпус находится под нулевым потенциалом. Электроды 3 и 4 разделены изолятором 5 и образуют разрядный канал 6. При этом изолятор 5, расположенный между электродами 3, 4 свечи, может быть установлен таким образом, что его поверхность, обращенная к разрядному каналу 6, является либо торцевой поверхностью 7 изолятора (по меньшей мере, частью торцевой поверхности изолятора) - см. фиг.1, либо боковой поверхностью 8 изолятора (по меньшей мере, частью боковой поверхности изолятора) - см. фиг.2, где к разрядному каналу обращена внутренняя боковая поверхность изолятора. Возможно также такое выполнение предложенной свечи зажигания (не показано), при котором к разрядному каналу будет обращена наружная боковая поверхность изолятора. Таким образом, под «поверхностью изолятора, обращенной к разрядному каналу» понимается поверхность, выходящая в разрядный канал (как показано на фиг.1), или выходящая в полость, непосредственно сообщающуюся с разрядным каналом (как показано на фиг.2). Расстояние между электродами 3, 4 свечи (межэлектродное расстояние), определяющее ширину разрядного канала 6, плавно уменьшается от своего максимального значения, соответствующего поперечному сечению D разрядного канала 6 (проходящему через торцевую поверхность изолятора 5 - для варианта конструкции, показанного на фиг.1), до минимального значения, соответствующего выходному поперечному сечению С разрядного канала 6. Длина L разрядного канала 6 превышает максимальное из указанных значений межэлектродного расстояния. Такой характер изменения межэлектродного расстояния может быть получен в результате выполнения одного или двух электродов 3 и 4 с поверхностью, обращенной к разрядному каналу, конической формы.
При этом минимальное межэлектродное расстояние А выбрано большим значения пробивного расстояния по воздушному зазору между указанными электродами при минимальном рабочем напряжении свечи в заданных условиях ее применения (указанное значение пробивного расстояния является физическим параметром, который определяется расчетным путем и уточняется экспериментально), а расстояние В между ними, измеренное по поверхности изолятора, выбрано меньшим значения пробивного расстояния по этой поверхности при указанном значении напряжения.
Под «пробивным расстоянием» в высоковольтной импульсной технике, с которой связано предлагаемое изобретение, понимают такое расстояние между электродами, при котором приложенное к ним импульсное напряжение с заданной амплитудой, длительностью и крутизной переднего фронта при заданной геометрии электродов и свойствах межэлектродной среды приводит к возникновению пробоя, известного как разряд с резко падающей вольтамперной характеристикой (Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск, «Наука» 1987, с.136).
Под «рабочим напряжением свечи» в указанной области техники понимают такое напряжение с заданной амплитудой, длительностью и крутизной переднего фронта, которое, будучи приложенным к электродам свечи при заданных характеристиках ее межэлектродного пространства, вызывает электрический пробой ее межэлектродного зазора (Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. М., «Атомиздат», 1976, с.90).
Рассмотрим примеры выполнения предложенной свечи зажигания.
Пример 1. Свеча зажигания имеет конструкцию, согласно которой к разрядному каналу обращена торцевая поверхность изолятора, являющаяся плоской поверхностью (фиг.1).
Свеча спроектирована для следующих условий ее применения:
давление окружающей среды
в камере сгорания, Па, 2·10<sup>4</sup>…1·10<sup>6</sup>
начальная температура окружающей среды
в камере сгорания, К,
243…323
коэффициент избытка воздуха в топливной смеси
0,7…10,0
При проектировании свечи заданы следующие геометрические и электрические параметры:
диапазон рабочего напряжения, кВ,
7,0…10
максимальное межэлектродное расстояние, мм,
3,0
длина разрядного канала, мм,
15
материал изолятора
Al<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
Для заданной геометрии свечи и указанных условий ее применения определены:
пробивное расстояние по воздушному зазору
между электродами свечи при рабочем напряжении 9,0 кВ
и индуктивности разрядного контура 50 нГн, мм,
2,1;
пробивное расстояние по поверхности изолятора
при рабочем напряжении 8,0 кВ
и индуктивности разрядного контура 50 нГн, мм,
2,4.
На основе указанных данных минимальное межэлектродное расстояние А выбрано равным 2,1 мм, а межэлектродное расстояние В по обращенной к разрядному каналу поверхности изолятора выбрано равным 2,4 мм.
Пример 2. Свеча зажигания имеет конструкцию, при которой к разрядному каналу обращена цилиндрическая поверхность изолятора, являющаяся боковой поверхностью разрядного канала (фиг.2). Для тех же условий применения, а также значений электрических параметров и присоединительных размеров свечи диаметр внутреннего электрода может быть увеличен с 5,0 до 7,4 мм, т.е. примерно в 1,5 раза, что позволит уменьшить токовую нагрузку на электрод более чем в 2 раза.
Предлагаемая свеча зажигания функционирует следующим образом.
При подаче на электроды 3, 4 импульса напряжения необходимой амплитуды, которая определяется величиной межэлектродного расстояния и условиями применения свечи, между электродами происходит электрический пробой, в результате чего в разрядном канале образуется газоразрядная плазма, что приводит к резкому уменьшению сопротивления межэлектродного зазора и, как следствие, быстрому нагреву плазмы за счет энерговыделения от источника импульсного питания. При этом, поскольку межэлектродное расстояние в разрядном канале уменьшается от своего максимального значения, соответствующего поперечному сечению D разрядного канала 6 (проходящему через торцевую поверхность изолятора 5, - для варианта конструкции, показанного на фиг.1), до минимального значения, соответствующего выходному поперечному сечению С разрядного канала 6 минимальное расстояние А между электродами 3 и 4 выбрано большим пробивного расстояния по воздушному зазору между указанными электродами при минимальном рабочем напряжении свечи в заданных условиях ее применения, а межэлектродное расстояние В по обращенной к разрядному каналу поверхности изолятора выбрано меньшим пробивного расстояния по этой поверхности при указанном значении напряжения, то пробой происходит по поверхности изолятора, что позволяет уменьшить по сравнению с прототипом эрозию электродов и, как следствие, увеличить рабочий ресурс свечи. Если же амплитуду импульса напряжения несколько увеличить, то вследствие запаздывания развития разряда по поверхности изолятора пробой происходит по минимальному межэлектродному зазору А, что приводит, как показали проведенные авторами исследования, к изменению температуры и времени жизни создаваемого при разряде свечи плазменного факела. Об этом свидетельствует анализ осциллограмм, полученных при регистрации тока разряда свечи и излучения плазменного факела в спектральном диапазоне 300…800 нм. В частности, из полученных результатов следует, что при неизменных геометрических характеристиках свечи и незначительном увеличении напряжения (с 9,0 до 9,5 кВ, т.е. на 5%) параметры плазменного факела существенно изменяются, а именно: 1) возрастает температура плазмы, о чем свидетельствует увеличение интенсивности излучения плазменного факела; 2) возрастает время жизни плазменного факела, о чем свидетельствует увеличение длительности излучения с 60 до более 100 мкс. При этом осмотр поверхности электродов свечи после проведенных испытаний свечи показал, что при более высоком значении рабочего напряжения электрический пробой происходит по минимальному воздушному зазору между электродами, а при более низком - по обращенной к разрядному каналу поверхности изолятора свечи. Полученные экспериментальные результаты позволяют заключить, что предложенная конструкция свечи зажигания позволяет реализовать два режима формирования плазменного факела, отличающихся механизмом пробоя межэлектродного промежутка: 1) по поверхности изолятора, 2) по воздушному (газовому) зазору.
Указанные режимы характеризуются различными значениями основных параметров плазменного факела - температуры, времени жизни - и реализуются при различных, хотя и близких по величине значениях рабочего напряжения свечи, что обеспечивает простоту их оперативного переключения с целью достижения оптимальных условий воспламенения топливной смеси. При этом ресурс работы свечи, который в значительной степени определяется эрозией электродов, при пробое по поверхности изолятора существенно выше, чем при пробое по воздушному зазору, что обусловлено меньшими значениями удельного энерговклада.
Так для свечи, конструкция которой схематически показана на фиг.1, при испытаниях были получены следующие результаты:
а) в режиме пробоя по поверхности изолятора
диапазон рабочего напряжения, кВ,
7,0…9,0
время жизни плазменного факела, мкс,
40…60
газовая температура на расстоянии
20 мм от среза свечи, К,
4000…6000
б) в режиме пробоя по воздушному (газовому) зазору
диапазон рабочего напряжения, кВ,
9,0…10,0
время жизни плазменного факела, мкс,
100…120
газовая температура на расстоянии
20 мм от среза свечи, К,
7000…7500
Выполнение свечи, когда поверхность изолятора, обращенная к разрядному каналу, является боковой поверхностью изолятора (фиг.2), позволяет при неизменных габаритных размерах свечи увеличить площадь поверхности внутреннего электрода, что приводит к снижению токовой нагрузки и, как следствие, повышает рабочий ресурс свечи.
Основным режимом работы свечи является режим пробоя по поверхности изолятора. В том случае, когда этот режим не обеспечивает требуемой надежности воспламенения топливной смеси, свечу путем незначительного (в пределах 10%) повышения рабочего напряжения переводят в режим пробоя по воздушному зазору, что позволяет получить более высокие значения основных параметров инжектируемой плазмы и, как следствие, большую вероятность воспламенения топливной смеси.
Таким образом, предложенная конструкция свечи зажигания позволяет при неизменной геометрии свечи и параметрах разрядного контура оперативно изменять такие параметры плазменного факела, как температура и время жизни, что обеспечивает возможность создания оптимальных условий для воспламенения топливной смеси при различных значениях отношения концентрации окислителя к концентрации топлива, т.е. в условиях как наземного, так и высотного запуска двигателя. Реализация режима пробоя свечи по поверхности изолятора позволяет уменьшить эрозию ее электродов и тем самым обеспечивает возможность повышения рабочего ресурса свечи, а работа в режиме пробоя по воздушному зазору - получение плазменного факела большей длительности и с более высокой температурой, что позволяет повысить надежность воспламенения топливной смеси.