СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДА ЕМКОСТНЫХ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ
METHOD OF DETERMINING TEST DISCHARGE PARAMETRES OF CAPACITIVE IGNITION SYSTEMS

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к методам диагностики параметров разрядов, генерируемых емкостными системами зажигания, применяемыми в авиационных двигателях и им подобных объектах.
В технике систем зажигания всегда особую актуальность имела задача определения с высокой точностью необходимого перечня параметров разряда, характеризующих эксплуатационное состояние основных элементов системы зажигания, изменяющийся параметрический статус этих элементов, энергетическую эффективность разрядов и их воспламеняющую способность в камере сгорания двигателя. Решение этой задачи позволяет осуществлять рациональный выбор проектных параметров систем зажигания, оптимизацию процессов воспламенения в камерах сгорания авиадвигателей, обеспечивая их надежный запуск и безопасность эксплуатации соответствующих объектов авиационной техники. Аппаратура, реализующая решение такой задачи, может быть использована в исследовательских целях, при разработке систем зажигания, их контроле, обслуживании, ремонте, испытаниях при запусках двигателей и др.
Известны способы измерения длительности разрядов в свечах емкостных систем зажигания и измерения длительности задержки времени между моментом подачи топлива и моментом попадания топлива на рабочий торец свечи, реализованные в устройствах, описанных в АС СССР №1679416 от 23.09.91 г., а также в патентах RU 2210084 от 10.08.2003 г. и RU 2236019 от 10.09.2004 г.
Недостатком данных технических решений является то, что сигнал от аналогового датчика тока или аналогового датчика напряжения в режиме подключения свечи к проводу зажигания подвергается последующим преобразованиям в аналоговой форме по разветвленной цепи с помощью различных операционных и логических элементов, а оцифровывание конечного результата измерений длительности разряда или другого параметра производится лишь на последних этапах этой цепи преобразований. Этим обстоятельством обусловлено ограничение точности измерений, определяемой накапливаемыми погрешностями операционных и логических элементов по всей цепи преобразований. При том исключаются возможности определения большой группы важнейших параметров разряда, не поддающихся прямому измерению и определяемых только расчетным путем в качестве функций от первичных параметров, поддающихся прямому измерению.
Технической задачей заявляемого способа является расширение количества определяемых параметров разряда емкостных систем зажигания, а также повышение точности определения их величин длительности разряда, получение информации об эффективности работы свечи и агрегата зажигания.
Техническим результатом является возможность измерять в цифровой форме поддающиеся прямому измерению первичные параметры разрядов, зарегистрированных аналоговыми датчиками тока и напряжения, повышение точности измерений, получение информации об эффективности работы свечи и системы зажигания, режимных и энергетических показателях разряда, их изменении в ходе эксплуатации или в ходе эксперимента.
T
1
2
n
1
2
n
0
00
π
k
T
k
T
э
ДТ
co
Д
co
r
cτ
Технический результат в заявляемом способе определения диагностических параметров разряда емкостных систем зажигания, состоящих из агрегата зажигания, провода зажигания и свечи зажигания, достигается тем, что посредством аналоговых датчиков тока и напряжения разряда, включаемых в цепь провода зажигания перед свечой зажигания, регистрируют сигналы напряжения и тока разряда. Измерения проводят в каждом из следующих назначенных нагрузочных режимов измерения: во вспомогательном режиме "короткого замыкания" - при подключении к проводу зажигания вместо свечи зажигания шунта с нулевым сопротивлением, во вспомогательном режиме "тестовой нагрузки" - при подключении к проводу зажигания вместо свечи зажигания сопротивления известной величины R, в основном режиме работы системы - при подключении к проводу зажигания свечи зажигания, причем измерения проводят в цифровой форме, затем фиксируют текущие значения сигналов от датчика тока i(t) и датчика напряжения u(t) в дискретные моменты времени, следующие с заданной частотой дискретизации. Из измеренных и зафиксированных значений сигналов и моментов времени для каждого из трех назначенных режимов выделяют: величины характерных первичных параметров - последовательных амплитуд затухающей волны тока I, I, …, I; соответствующих временных координат моментов прохождения этих амплитуд τ, τ, …, τ; временных координат моментов начала τ и конца τ разряда; длительности полупериода волны τ; длительности всего разряда τ. Используя полученные величины характерных первичных параметров для каждого из трех указанных режимов измерения, вычисляют для этих режимов величины следующих промежуточных параметров: круговую частоту колебаний затухающей волны ω, ω, ω для режима "короткого замыкания", режима "тестовой нагрузки", основного режима работы, соответственно вычисляют логарифмический декремент затухания b, b, b для режима "короткого замыкания", режима "тестовой нагрузки", основного режима работы", соответственно. Используя полученные величины промежуточных параметров, вычисляют величины диагностических параметров разрядов: характеристические параметры разрядного контура агрегата и провода зажигания: сопротивление потерь r, эквивалентную индуктивность L, эквивалентную емкость С; характерные сопротивления разряда на свече зажигания: эквивалентное сопротивление R, действующее тепловое сопротивление R; режимные показатели разряда в системе зажигания: начальное напряжение разряда конденсатора U, действующее значение тока разряда I; абсолютные энергетические показатели разряда: начальную накопительную энергию конденсатора Q, энергию, выделенную на свече зажигания Q, энергию потерь в разрядном контуре Q, остаточную энергию конденсатора Q; удельные энергетические показатели разряда: коэффициент полезного действия разряда η, коэффициент передачи накопленной энергии γ, коэффициент расхода накопленной энергии λ.
На фиг.1 представлена обобщенная блок-схема емкостной системы зажигания для измерений диагностических параметров разрядов.
На фиг.2 представлены характерные регистрируемые сигналы тока и напряжения.
На фиг.3 представлен алгоритм анализа полученных сигналов тока и напряжения.
На фиг.1 показана обобщенная блок-схема системы зажигания, где обозначены система зажигания в составе: AЗ - агрегат зажигания, ПЗ - провод зажигания, Св - свеча зажигания; и система измерения параметров разряда в составе: ДТ - аналоговый датчик тока разряда на свече; ДН - аналоговый датчик напряжения разряда на свече; ПК - персональный компьютер (ПО - программное обеспечение); АЦП - аналого-цифровой преобразователь (плата сбора данных). В качестве приемников входных сигналов в измерительной системе применяются аналоговые датчики тока и напряжения разряда, согласующие параметры разряда с входными параметрами АЦП. Датчик тока разряда представляет собой измерительный трансформатор тока, выполненный на ферромагнитном сердечнике. Датчик монтируется в высоковольтный провод зажигания непосредственно перед свечой зажигания. Датчик напряжения разряда представляет собой резистивный делитель напряжения, выполненный на плате, размещенной в экранирующем металлическом корпусе. Датчик монтируется непосредственно на торце свечи зажигания с помощью технологической обоймы, обеспечивающей контакт его клемм с электродами свечи в зоне рабочего межэлектродного зазора при автономных лабораторных испытаниях системы зажигания. На параметры разряда датчик не влияет из-за собственного большого входного сопротивления. В обеспечение возможности подключения датчика напряжения к входным электродам свечи зажигания со стороны ее хвостовика при испытаниях системы со свечой зажигания, установленной на камере сгорания, используется свечной адаптер (не показан). Этот адаптер в целях диагностики параметрического состояния элементов разрядного контура системы зажигания позволяет подключать к ней тестовую резистивную нагрузку и шунт короткого замыкания. В качестве АЦП используется высокоскоростная плата ввода данных, обработка сигналов АЦП осуществляется посредством персонального компьютера.
1
2
3
n
π
π
π
1
2
3
На фиг.2 показаны параметры, характеризующие форму разрядных импульсов для колебательного разряда - при разряде на свечу зажигания и при разряде на резистивную нагрузку: амплитуды тока I, I, I,…, I; временные координаты "нулей" τ, 2τ, 3τ… и «максимумов» τ, τ, τ…; длительность всего импульса τ. Это первичные измеряемые параметры, поскольку они могут быть определены в результате прямой регистрации разрядных импульсов.
Анализ полученных сигналов осуществляют по алгоритму, схема которого представлена на фиг.3.
Реализацию заявляемого способа определения диагностических параметров разрядов емкостных систем зажигания осуществляют следующим образом.
1. Вводят длительность записи Т и частоту дискретизации сигнала f.
2. Измеряют в цифровой форме и фиксируют текущие значения сигналов от датчика тока i(t) и датчика напряжения u(t) в дискретные моменты времени, следующие с заданной частотой дискретизации, в каждом из следующих трех назначенных нагрузочных режимов измерения:
- в основном режиме работы системы - при подключении к проводу зажигания свечи зажигания;
- во вспомогательном режиме "короткого замыкания" - при подключении к проводу зажигания вместо свечи зажигания шунта с нулевым сопротивлением;
T
- во вспомогательном режиме "тестовой нагрузки" - при подключении к проводу зажигания вместо свечи зажигания сопротивления известной величины R.
1
2
n
1
2
n
0
00
π
n
n-1
00
0
3. Из измеренных и зафиксированных значений сигналов и моментов времени для каждого из трех назначенных режимов выбирают разрядный интервал (момент прохождения разряда) и выделяют величины характерных первичных параметров - последовательных амплитуд затухающей волны тока I, I, …, I; соответствующих временных координат моментов прохождения этих амплитуд τ, τ, …, τ; временных координат моментов начала τ и конца τ разряда; длительности полупериода волны τ=τ-τ, длительности всего разряда τ=τ-τ.
4. Используя полученные величины характерных первичных параметров для каждого из трех указанных режимов измерения, вычисляют для этих режимов величины следующих промежуточных параметров:
k
π
T
π
π
- круговую частоту колебаний затухающей волны по формулам: ω=π/τ, ω=π/τ, ω=π/τ для режима "короткого замыкания", режима "тестовой нагрузки", основного режима работы, соответственно;
- логарифмический декремент затухания по формулам:
для режима короткого замыкания, режима "тестовой нагрузки", основного режима работы, соответственно, при этом α определяется как
для каждого режима отдельно.
5. Используя полученные величины промежуточных параметров, вычисляют величины диагностических параметров разряда:
- характеристические параметры разрядного контура агрегата и провода зажигания величины: сопротивление потерь , эквивалентная индуктивность , эквивалентная емкость ;
- характерные сопротивления разряда на свече зажигания: эквивалентное сопротивление , действующее тепловое сопротивление
- режимные показатели разряда в системе зажигания: начальное напряжение разряда конденсатора , действующее значение тока разряда
- абсолютные энергетические показатели разряда: начальная накопленная энергия конденсатора , энергия, выделенная на свече зажигания
энергия потерь в разрядном контуре , остаточная энергия конденсатора ;
- удельные энергетические показатели разряда: коэффициент полезного действия разряда , коэффициент передачи накопленной энергии , коэффициент расхода накопленной энергии
,
где Т - время регистрации сигнала,
f - частота дискретизации сигнала,
i(t) - сигнал от датчика тока,
u(t) - сигнал от датчика напряжения,
T
R - сопротивление тестовой нагрузки,
0
τ - момент начала разряда,
00
τ - момент конца разряда,
π
τ - длительность полупериода волны,
τ - длительность всего разряда,
k
T
ω, ω, ω - круговая частота колебаний затухающей волны для режимов "короткого замыкания", "тестовой нагрузки" и основного режима работы, соответственно,
k
T
b, b, b - логарифмический декремент затухания для режимов "короткого замыкания", "тестовой нагрузки" и основного режима работы, соответственно,
r - сопротивление потерь,
L - эквивалентная индуктивность,
С - эквивалентная емкость,
э
R - эквивалентное сопротивление,
ДТ
R - действующее тепловое сопротивление,
co
U - начальное напряжение разряда конденсатора,
Д
I - действующее значение тока разряда,
co
Q - начальная накопленная энергия конденсатора,
Q - энергия, выделенная на свече зажигания,
r
Q - энергия потерь в разрядном контуре,
cτ
Q - остаточная энергия конденсатора,
η - коэффициент полезного действия разряда,
γ - коэффициент передачи накопленной энергии,
λ - коэффициент расхода накопленной энергии.
Предлагаемый способ позволяет измерять непосредственно в цифровой форме поддающиеся прямому измерению первичные параметры разрядов, зарегистрированных аналоговыми датчиками тока и напряжения. При этом повышение точности измерений достигается путем увеличения частоты дискретизации f сигналов датчиков, реализуемого посредством АЦП. Вычисление величин всех необходимых параметров разряда по вышеприведенному перечню производится по выведенным формулам, связывающим их с первичными измеряемыми параметрами, что дает информацию об эффективности работы свечи зажигания и агрегата зажигания, об энергетических и режимных показателях разряда, их изменении в ходе эксплуатации или в ходе конкретного эксперимента.
Изобретение может быть использовано для диагностики емкостных систем зажигания при их разработке, контроле, обслуживании, ремонте, испытаниях на современных воздушно-реактивных двигателях различных типов.