Способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов
METHOD OF CONTROLLING AIRCRAFT ENGINES CAPACITIVE IGNITION SYSTEM

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным агрегатам зажигания, и может быть использовано для контроля систем зажигания, установленных на двигатели летательных аппаратов.
Известен способ контроля емкостной системы зажигания реактивных двигателей, заключающийся в определении наличия плазменного факела, генерируемого свечой, на нормируемом расстоянии от рабочего торца свечи, установленной в запальное устройство при работе в составе системы зажигания, при этом смачивают искровой зазор свечи нормируемым количеством жидкого топлива, измеряют ионизационный ток плазменного факела, генерируемого свечой, сравнивают параметры ионизационного тока с эталонными и по результатам сравнения делают вывод о пригодности системы зажигания [Патент РФ №2338080, опубликовано 21.02.2006 г.].
К недостаткам этого способа контроля следует отнести невозможность его применения для контроля емкостных систем зажигания, установленных на двигатель
min
Частично указанных недостатков лишен способ контроля емкостной системы зажигания, описанный в [Агрегат зажигания СК-44-3Б. Руководство по технической эксплуатации 8Г3.246.180РЭ], заключающийся в том, что при работе емкостной системы зажигания измеряют время между последовательно следующими импульсами разрядного тока, обусловленными периодической коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии на свечу зажигания, по превышению этим временем заданного значения времени судят о работоспособности системы зажигания. Измерение этого промежутка времени между последовательно следующими разрядными токами накопительного конденсатора агрегата зажигания, определяющими частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи зажигания, сравнение его с заданным максимально допустимым интервалом времени позволяет оценить факт превышения фактической частоты следования искровых разрядов на свечах (частоты искрообразования) значения минимально допустимой частоты искрообразования f.
min
Недостатком указанного способа контроля системы зажигания является то, что решение о работоспособности системы зажигания принимают только по факту превышения фактической частоты следования искровых разрядов на свечах над минимально допустимой, т.е. f более f. Однако при уменьшении пробивного напряжения коммутирующих разрядников, с помощью которых осуществляется коммутация запасенной на накопительном конденсаторе энергии на свечу зажигания (формула 1), постоянной мощности преобразователя, осуществляющего преобразование напряжения питания агрегата зажигания в напряжение, используемое для заряда накопительного конденсатора, частота искрообразования на свечах зажигания увеличивается, т.к. частота искрообразования на свечах, мощность преобразователя, пробивные напряжения коммутирующего разрядника связаны следующим соотношением:
2
где Р - мощность преобразователя;
н
С - емкость накопительного конденсатора системы зажигания;
пр
U - пробивное напряжение коммутирующего разрядника;
f - частота следования искровых разрядов на свече.
где Q - запасенная на накопительном конденсаторе энергия, коммутируемая на свечу зажигания.
пр
min
При этом уменьшение напряжения U может привести к уменьшению запасенной энергии Q менее Q, что в свою очередь приводит к невоспламенению топливной смеси (срыву розжига камеры сгорания) и, как следствие, к незапуску двигателя. Уменьшение пробивного напряжения коммутирующего разрядника может быть вызвано различными причинами: скрытыми дефектами при изготовлении, выявленными только в процессе эксплуатации, воздействием внешних условий (например, воздействие излучения), сбоями в работе схемы управления при использовании управляемых разрядников или твердотельных высоковольтных коммутаторов [А.В. Краснов, А.Н. Мурысев. Емкостные системы зажигания нового поколения для современных и перспективных ГТД. Авиационно-космическая техника и технология: сб. научных трудов. Выпуск 19. Тепловые двигатели и энергоустановки. - Харьков; гос. аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2000 г.; А.В. Краснов, И.Г. Низамов, В.Н. Гладченко, А.Н. Мурысев, О.А. Попов, Ф.А. Гизатуллин. Емкостные системы зажигания для современных и перспективных ГТД. Тезисы докладов международной научной конференции «Двигатели XXI века», часть II, ЦИАМ, Москва, 2000 г.]. При уменьшении пробивного напряжения коммутирующего разрядника частота следования искровых разрядов на свече увеличивается, что будет идентифицироваться как работоспособное состояние системы зажигания.
min
min
Таким образом, использование способа контроля работоспособности емкостной системы зажигания, описанного в [Агрегат зажигания СК-44-3Б. Руководство по технической эксплуатации 8Г3.246.180 РЭ], для двигателей летательных аппаратов, к которым предъявляются повышенные требования к надежности осуществляемых запусков, не позволяет обеспечить достаточную контролепригодность системы зажигания, т.к. при его реализации может быть получена ложная информация о статусе (работоспособности) системы зажигания. Повышение фактической частоты f следования искровых разрядов на свечах зажигания значения более минимально допустимой частоты f (при уменьшении запасенной на накопительном конденсаторе энергии Q менее Q, вызванного, например, уменьшением пробивного напряжения коммутирующего разрядника), по которой судят о работоспособности системы зажигания, дает недостаточно достоверную информацию о состоянии системы зажигания. Следовательно, при проверках систем зажигания между запусками двигателя и в процессе его запуска может быть получена ложная информация о соответствии выходных параметров системы зажигания заданным, при этом впоследствии при оценке причин невоспламенения топливной смеси не будет получена достоверная информация и о причинах срыва запуска двигателя.
min
Кроме того, уменьшение запасенной на накопительном конденсаторе энергии Q может привести не только к незапуску двигателя, но и к его запуску с большой задержкой воспламенения топливной смеси в камере сгорания. Это приводит при больших расходах топлива к так называемым «пушечным» запускам [Х.В. Кесаев, Р.С. Трофимов Надежность летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982 г.] с броском давления в камере сгорания, которое за счет ударного воздействия может повредить элементы двигателя и элементы систем автоматического управления.
Указанных недостатков лишен способ контроля емкостной системы зажигания, описанный в [Патент РФ №2463523, опубликовано 04.02.2011 г.], заключающийся в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, вызванными коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение энергии, коммутируемой на свечу зажигания, измеренный интервал времени между указанными импульсами разрядного тока накопительного конденсатора сравнивают с заданным интервалом времени, характеризующим допустимую минимальную частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи, по их разнице судят о работоспособности системы зажигания.
Однако и этот способ контроля емкостной системы зажигания имеет недостаточную достоверность в части идентификации наличия искрового разряда непосредственно на рабочем торце свечи зажигания (в искровом зазоре). При нарушении электропрочности высоковольтных соединений, например, высоковольтного провода кабеля зажигания, высоковольтных соединений кабеля зажигания с агрегатом и свечей зажигания, электрическом пробое изоляции свечи зажигания, разряд накопительного конденсатора в виде искрового разряда локализуется в месте пробоя изоляции, т.е. без протекания искрового разряда на рабочем торце свечи. В этом случае реализация для контроля работоспособности системы зажигания этого способа контроля, дает недостоверный результат, т.к. электрические разряды по месту потери электропрочности изоляции (пробою изоляции) будут обусловлены разрядами накопительного конденсатора с запасенной энергией, превышающей контрольное значение с частотой следования разрядных импульсов большей, чем минимально допустимое. Таким образом, реализация способа контроля, описанного в [Патент РФ №2463523, опубликовано 04.02.2011 г.], не выявит отсутствия искрообразования на рабочем торце свечи в ее искровом зазоре. Аппаратная реализация прототипа выдаст в САУ двигателя ложный сигнал о работоспособности системы зажигания
Таким образом, известные аналоги - способы контроля работоспособности систем зажигания не обеспечивают возможность контроля наличия электрического разряда непосредственно в искровом зазоре свечи зажигания.
Вышеописанных недостатков лишен принятый за прототип способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов, описанный в [Патент РФ №2608888, опубликовано 14.09.2015 г.], заключающийся в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, вызванными только коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение энергии, измеренный интервал времени между указанными импульсами разрядного тока накопительного конденсатора сравнивают с заданным интервалом времени, характеризующим допустимую минимальную частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи, в процессе работы системы зажигания измеряют изменение давления окружающей среды в объеме, в котором размещен рабочий торец свечи, обусловленное воздействием на эту среду искрового разряда на рабочем торце свечи, вызванного коммутацией на свечу запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное значение, о работоспособности системы зажигания судят по превышению измеряемого давления установленного контрольного значения.
В этом способе контроля измеряют дополнительно к частоте следования искровых разрядов на свече зажигания с накопительной энергией, превышающей заданное контрольное значение, амплитудное значение давления окружающей среды, обусловленное воздействием на эту среду конденсированного искрового разряда накопительного конденсатора, генерируемого в искровом зазоре свечи разрядом накопительного конденсатора агрегата зажигания накопленной энергии, превышающей установленные контрольные значения. Известно, что уровень (амплитуда) такого давления является функцией мощности и энергии в конденсированном искровом разряде, величины искрового зазора, характеристики среды, в которой происходит искровой (конденсированный) разряд, длительности протекания фронта нарастания первой полуволны тока в разряде, формы разрядной камеры междуэлектродного промежутка [Физика быстропротекающих процессов. Под редакцией Н.А. Злобина, 2 т., М.: Мир, 1971 г (с. 257); В.А. Балагуров. Агрегаты зажигания, М., Машиностроение, 1968 (см. с. 259)]. Для неизменной конструкции разрядного промежутка свечи (рабочего торца), одинаковой величины искрового зазора и параметрах разрядного контура агрегата зажигания: накопленной энергии, сопротивлении и индуктивности (в том числе высоковольтного кабеля зажигания), т.е. одном и том же агрегате зажигания или типе агрегатов зажигания, изменение давления окружающей среды (максимальная амплитуда кратковременного повышения давления) будет практически одинаковой. Соответственно контроль и сравнение фактически имеющего место амплитудного значения этого давления с заданным контрольным значением позволяет однозначно идентифицировать наличие искрового разряда на рабочем торце свечи в искровом зазоре с заданной энергетической эффективностью использования, запасенной в накопительном конденсаторе энергии.
По мере электроэрозионной выработки контактов электродов свечи зажигания в связи с увеличением величины искрового зазора свечи и увеличением энергии и мощности конденсированного разряда [В.А. Балагуров. Агрегаты зажигания, М., Машиностроение, 1968 (см. с. 259)], уровень измеряемого пикового значения измеряемого давления окружающей среды будет увеличиваться [Физика быстропротекающих процессов. Под редакцией Н.А. Злобина, 2 т., М.: Мир, 1971 г. (с. 257)]. С другой стороны, при пробое изоляции высоковольтных элементов системы зажигания: высоковольтных соединителей кабеля зажигания с агрегатом зажигания или свечой, пробое изоляции свечи зажигания, в искровом зазоре свечи зажигания, будет отсутствовать расширяющийся с большой скоростью искровой конденсированный разряд, а, следовательно, и значимые изменения давления окружающей среды, превышающие заданные контрольные значения.
Кроме этого, в случае нарушения целостности потенциальных цепей систем зажигания, таких как соединение контактных устройств кабеля зажигания с проводом зажигания, вызванных значительными механическими воздействиями на него, например, виброударными нагрузками, резонансными явлениями из-за неоптимальной трассировки и закрепления кабеля зажигания на двигателе и т.д., потери запасенной в конденсаторе энергии в этих дополнительных искровых промежутках в процессе разряда также приведут к уменьшению мощности и энергии электрического разряда в искровом промежутке свечи, а следовательно, и уменьшению скорости расширения канала искрового разряда в последнем, соответственно к уменьшению амплитуды изменения давления окружающей среды менее заданного контрольного значения.
При коротком замыкании контактов электродов свечи, вызванном их подплавлением вследствие перегрева рабочего торца свечи выше допустимой температуры, полном закоксовании искрового зазора свечи твердыми продуктами неполного сгорания компонентов топлива (например, рабочей камеры стреляющих свечей), уровень изменения давления окружающей среды будет практически неизменным, т.е. менее заданного контрольного значения давления.
Измерение изменения давления окружающей среды в объеме, в котором размещен рабочий торец свечи, обусловленного воздействием на окружающую среду искрового разряда на рабочем торце свечи, вызванного коммутацией на свечу запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, сравнение амплитуды измеряемого давления с заданным контрольным значением позволяет значительно повысить достоверность известного способа контроля. Одновременный контроль превышения запасенной на накопительном конденсаторе энергии и изменения давления окружающей среды позволяет исключить ложную оценку нормальной работоспособности системы зажигания и в том случае, если амплитуда изменения давления окружающей среды превышает заданное контрольное значение, а запасенная энергия на накопительном конденсаторе не превышает установленное контрольное значение. Это может быть в том случае, если превышение заданного контрольного значения давления окружающей среды обеспечено за счет использования свечей со значительно увеличенным искровым зазором. Очевидно, что при этом запасенная энергия на накопительном конденсаторе менее заданного контрольного значения свидетельствует о том, что при смене свечи зажигания на новую (с начальным значением величины искрового зазора, т.е. без электроэрозионной выработки) энергия, выделяемая в искровом зазоре свечи будет менее необходимой для обеспечения требуемого диапазона воспламенения компонентов топлива. Более того, такое соотношение уже свидетельствует об изменении параметров искрового разряда, что также еще до замены свечи на новую может значительно уменьшить диапазон условий, при которых происходит надежное воспламенение компонентов топлива.
Следовательно, способ контроля работоспособности, принятый за прототип, обеспечивает не только повышение достоверности контроля работоспособности емкостной системы зажигания, но и повышает глубину контроля работоспособности системы зажигания.
В тоже время способ контроля работы емкостной системы зажигания, принятый за прототип, имеет значительный недостаток, заключающийся в том, что на двигателе необходимо предусматривать место для установки датчика давления и кабельной проводки, соединяющей его со встроенной в систему зажигания системой контроля. Во многих случаях это выполнить невозможно, что делает этот способ контроля неприменимым для повышения достоверности контроля работы емкостной системы зажигания на таких двигателях.
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является повышение достоверности контроля работоспособности емкостных систем зажигания летательных аппаратов без выполнения измерения давления окружающей среды в объеме, в котором размещен рабочий торец свечи (без установки дополнительных датчиков давления в объеме оболочки, в которой расположена свеча зажигания, и прокладки дополнительной кабельной сети, необходимой для подключения датчика давления).
Поставленная задача решается способом контроля емкостной системы зажигания, заключающийся в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, вызванными только коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение энергии, измеренный интервал времени между указанными импульсами разрядного тока накопительного конденсатора сравнивают с заданным интервалом времени, характеризующим допустимую минимальную частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи, в процессе работы системы зажигания измеряют амплитуды первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, вызванного коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, по отсутствию превышения отношения амплитуд первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, вызванного коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, контрольного значения отношения амплитуд первой и второй полуволн судят о работоспособности системы зажигания.
Новым в заявляемом способе контроля является то, что дополнительно к частоте следования разрядов на свече зажигания с накопленной энергией, превышающей заданное контрольное значение, измеряют амплитуды первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, вызванного коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, по отсутствию превышения отношения амплитуд первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, вызванного коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, контрольного значения отношения амплитуд первой и второй полуволн судят о работоспособности системы зажигания.
В заявляемом способе контроля измеряют дополнительно к частоте следования искровых разрядов на свече зажигания с накопленной энергией, превышающей заданное контрольное значение, измеряют амплитуды первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, по отсутствию превышения отношения амплитуд первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, вызванного коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, контрольного значения отношения амплитуд первой и второй полуволн судят о работоспособности системы зажигания.
Известно [В.А. Балагуров. Агрегаты зажигания, М., Машиностроение, 1968 (см. с. 259)], что разрядный ток при разряде накопительного конденсатора на свечу зажигания представляет собой затухающую синусоиду с коэффициентом затухания α, пропорциональным эквивалентному сопротивлению дуги искрового разряда. Одновременно коэффициент затухания α зависит от отношения амплитуд первой и второй полуволн разрядного тока. Таким образом, через коэффициент затухания α эквивалентное сопротивление дуги искрового разряда зависит от отношения амплитуд разрядного тока.
В тоже время эквивалентное сопротивление дуги искрового разряда можно рассматривать как падение напряжения на дуге искрового разряда, которое [Балагуров В.А. Аппараты зажигания. М.: Машиностроение, 1968, стр. 253] зависит от протяженности искрового промежутка: с увеличением протяженности искрового промежутка возрастает падение напряжение на дуге искрового разряда. Следовательно, от протяженности искрового промежутка будет зависеть и отношение амплитуд полуволн разрядного тока. Таким образом, измерение отношения амплитуд первой и второй полуволн импульса разрядного тока позволит выявить увеличение протяженности дуги искрового конденсированного разряда. Учитывая особенности конструкции элементов систем зажигания, а именно то, что протяженности перекрытий изоляции в местах соединения провода зажигания со свечой или агрегатом зажигания и по изоляции высоковольтного провода зажигания значительно больше величины искрового промежутка, измерение отношения амплитуд первой и второй полуволн разрядного тока позволяет однозначно идентифицировать наличие искрового конденсированного разряда на рабочем торце свечи зажигания.
При нормальной работе системы зажигания искровой конденсированный разряд осуществляется на рабочем торце свечи зажигания. В таком случае увеличения отношения амплитуд первой и второй полуволн не будет зафиксировано, что будет свидетельствовать о нормальном искрообразовании.
При пробое перекрытий изоляции в местах соединения провода зажигания со свечой или агрегатом зажигания отношение амплитуд первой и второй полуволн разрядного тока значительно возрастет, что будет зафиксировано встроенной в систему зажигания системой контроля. Фиксация встроенной системой контроля такого факта позволяет сделать вывод о пробое перекрытия изоляции в местах соединения провода зажигания со свечой или агрегатом зажигания, а также по изоляции высоковольтных проводов зажигания.
Так как контроль разрядного тока возможно осуществить при помощи системы контроля, встроенной в систему зажигания, осуществление такого способа контроля не потребует установки дополнительных датчиков (например, датчиков давления) и дополнительных кабельных цепей.
Способ контроля осуществляется следующим образом.
Известно, что при разряде накопительного конденсатора разрядный ток представляет собой затухающую синусоиду [Балагуров В.А. Аппараты зажигания. М.: Машиностроение, 1968, стр. 259]:
где:
ω - круговая частота;
L - индуктивность разрядного контура;
α - коэффициент затухания колебаний.
Коэффициент затухания α при этом определяется по формуле:
где:
R - активное сопротивление разрядного контура.
BB
Д
Активное сопротивление разрядного контура определяется в основном двумя сопротивлениями: сопротивлением высоковольтных цепей R и эквивалентным сопротивлением дуги искрового разряда свечи зажигания R, которое обуславливает падением напряжения на дуге искрового емкостного разряда:
При этом эквивалентное сопротивление дуги искрового разряда зависит от падения напряжения на дуге искрового разряда, т.е. можно записать:
Так как сопротивление высоковольтных цепей в системе зажигания практически не меняется, при пробое высоковольтных соединителей провода зажигания изменится в основном эквивалентное сопротивление разрядного промежутка за счет увеличения длины дуги искрового емкостного разряда. Таким образом, выражение 4 с учетом выражений 5 и 6 можно записать в виде:
В тоже время коэффициент затухания α можно выразить из выражения 3 для моментов времени первого и второго максимумов разрядного тока:
где:
- амплитуда первой полуволны разрядного тока;
- амплитуда второй полуволны разрядного тока.
t1 - момент времени максимума первой полуволны разрядного тока;
t2 - момент времени максимума второй полуволны разрядного тока.
Разделив одно уравнение на другое получим:
Если объединить выражения 7 и 9 получится зависимость отношения амплитуд первой и второй полуволн разрядного тока от падения напряжения на дуге искрового разряда:
Из выражения 10 видно, что с увеличением падения напряжения на дуге искрового разряда (остальные параметры выражения остаются неизменными) увеличится и отношение первой и второй полуволн разрядного тока.
Д
Известно [Балагуров В.А. Аппараты зажигания. М: Машиностроение, 1968, стр. 253], что падение напряжения на дуге искрового разряда (U зависит от протяженности искрового промежутка: с увеличением протяженности искрового промежутка возрастает падение напряжение на дуге искрового разряда. Соответственно, с учетом выражения 10, с увеличением протяженности искрового промежутка увеличится и отношение амплитуд первой и второй полуволн разрядного тока. Превышение этого отношения контрольного значения будет зафиксировано системой контроля.
Места соединения провода зажигания со свечой или агрегатом зажигания выполняется с обеспечением максимальной длины перекрытий для обеспечения их повышенной электрической прочности. Типовая конструкция места соединения провода зажигания и свечи или агрегата зажигания приведена на фиг. 1.
Также на фиг. 1 показаны (стрелками) места наиболее вероятных пробоев перекрытия изоляции: перекрытие по пути 1 (между керамическими изоляторами провода зажигания 2 и свечи зажигания 3) или по пути 4 (по внутренней поверхности керамического изолятора провода зажигания 2). Протяженность перекрытия изоляции в такой конструкции высоковольтного соединения составляет от 15 до 30 мм.
В тоже время величина искрового промежутка современных свечей зажигания, применяемых в двигателях летательных аппаратов, составляет не более (1,4-2,0) мм. Соответственно, при нормальной работе системы зажигания пробоя осуществляется в искровом промежутке, так как его величина значительно меньше величины перекрытия соединителей провода зажигания со свечой или агрегатом зажигания.
По мере электроэрозионной выработки электродов свечи зажигания ее искровой промежуток может увеличиться в два и более раз. В тоже время при работе двигателя в зону искрового промежутка свечи может попасть жидкая фракция горючего (заливание керосином), в результате чего значительно увеличится пробивное напряжение искрового промежутка. Также пробивное напряжение искрового промежутка может увеличиться и по другим причинам, например, при увеличении давления в зоне ее рабочего торца [Импульсная энергетика и электроника, Г.А. Месяц, М: Наука, 2004, стр. 109] при работе системы зажигания в дежурном режиме [Процессы в камерах сгорания ГТД, А. Лефевр, М: Мир, 1986] и другим причинам. Таким образом, пробивное напряжение свечи может оказаться выше пробивного напряжения перекрытия изоляции соединителей провода зажигания со свечой или агрегатом зажигания. В таком случае искровой пробой произойдет по перекрытию изоляции соединителей провода зажигания.
При этом, как показано выше, увеличится падение напряжения на дуге искрового разряда, что приведет к повышению отношения амплитуд первой и второй полуволн разрядного тока. Таким образом, способ контроля позволит оперативно определить наличие нарушения электропрочности высоковольтных соединений без установки на двигатель дополнительных датчиков и прокладки дополнительной кабельной сети.
Предлагаемый способ контроля заключается в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, вызванными только коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение энергии, измеренный интервал времени между указанными импульсами разрядного тока накопительного конденсатора сравнивают с заданным интервалом времени, характеризующим допустимую минимальную частоту следования искровых разрядов в искровом промежутке свечи, что в процессе работы системы зажигания измеряют амплитуды первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, вызванного коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, по отсутствию превышения отношения амплитуд первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, вызванного коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, контрольного значения отношения амплитуд первой и второй полуволн судят о работоспособности системы зажигания.
На фиг. 2 представлен один из вариантов устройства, реализующего заявляемый способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов, в котором по отсутствию превышения отношения амплитуд первой и второй полуволн каждого импульса разрядного тока накопительного конденсатора, вызванного коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей установленное контрольное значение, контрольного значения отношения амплитуд первой и второй полуволн судят о работоспособности системы зажигания.
При нормальной работе системы зажигания контроль ее работоспособности осуществляется следующим образом. Подают напряжение питания на преобразователь напряжения 5, который преобразует постоянное напряжение питания в импульсы высокого напряжения, которые в свою очередь выпрямляются выпрямителем 6 и заряжают накопительный конденсатор 7. По достижению на накопительном конденсаторе 7 напряжения пробоя разрядника 8, ко второму концу которого также подсоединен резистор гальванической связи 9, разрядник пробивается, в результате чего ток разряда накопительного конденсатора проходит через датчик разрядного тока 10, высоковольтный кабель 11 и генерирует в межэлектродном промежутке свечи зажигания 12 искровой разряд, используемый для воспламенения компонентов топлива. Напряжение, при котором пробивается разрядник 8, соответствует напряжению, обеспечивающему требуемый уровень накопленной энергии на накопительном конденсаторе 7:
где:
Q - запасенная на накопительном конденсаторе энергия;
H
С - емкость накопительного конденсатор;
- напряжение пробоя разрядника 8.
Процесс заряда и разряда накопительного конденсатора повторяется с частотой:
где:
f - частота следования искровых разрядов;
2
Р - выходная мощность преобразователя 5.
min
Контроль превышения уровня запасенной на накопительном конденсаторе энергии Q>Q осуществляется по уровню амплитуды сигнала с датчика разрядного тока 10, форма сигнала с которого пропорциональна разрядному току. Устройство сравнения 13 сравнивает уровень амплитуды первой полуволны сигнала с напряжением от задатчика контрольного значения напряжения 14, и по превышению его выдает на одновибратор 15 сигнал о допустимости начала работы. Одновибратор 15 выдает на измеритель интервала времени 16 сигнал определенной длительности, характеризующий нормальную работу системы зажигания. Сравнение амплитуды импульса от датчика разрядного тока с контрольным значением позволяет не только осуществить контроль энергии, до которой осуществлялся заряд накопительного конденсатора, но и исключить возможность обработки помеховых сигналов, например, от работы второго канала системы зажигания. Измеритель временного интервала 16 предназначен для измерения интервалов времени между последовательно поступающими сигналами от одновибратора 15 и сравнения его с контрольным значением, тем самым контролируя частоту следования искровых разрядов. Соответственно, при частоте следования искровых разрядов более контрольного заданного значения при уровне запасенной на накопительном конденсаторе энергии превышающим контрольное заданное значение на один из входов исполнительного элемента 23 поступает соответствующий сигнал, свидетельствующий о нормальной работе системы зажигания.
Для измерения амплитуд первой и второй полуволн разрядного тока предназначены пиковые детекторы положительной 17 и отрицательной 18 полуволн и устройство деления 19. Определенное значение отношения амплитуд полуволн сравнивается устройством сравнения 21 с контрольным значением, которое задается задатчиком контрольного уровня отношения полуволн 20. Далее при нормальной работе системы зажигания по сигналу от устройства сравнения 21 формирователь 22 формирует сигнал определенной длительности, поступающий на второй вход исполнительного элемента 23.
При нормальной работе системы зажигания на исполнительный элемент 23 поступит два сигнала о нормальной работе: сигнал превышении частоты следования искровых разрядов и запасенной на накопительном конденсаторе энергии контрольных значений и сигнал о не превышении отношения амплитуд первой и второй полуволн разрядного тока контрольного значения. Исполнительный элемент 23 по поступлении этих сигналов формирует в систему управления двигателя сигнал, содержащий код о нормальной работе системы зажигания.
При пробое изоляции мест соединения провода зажигания со свечой или агрегатом зажигания сигнал с устройства деления 19 превысит значение контрольного уровня отношения полуволн и устройство сравнения 21 не подаст на формирователь 22 сигнал о начале работы, который в свою очередь не выдаст на второй вход исполнительного элемента 23 соответствующий сигнал.
Соответственно, исполнительный элемент 23 выдаст в систему управления двигателя сигнал, содержащий код о пробое изоляции высоковольтных цепей системы зажигания.
Аналогичным образом предлагаемое устройство работает при других видах отказа системы зажигания:
1) при снижении уровня запасенной энергии менее контрольного значения уровень напряжения с датчика разрядного тока 10 окажется меньше контрольного уровня напряжения с задатчика 14 и устройство сравнения 13 не выдаст на одновибратор 15 сигнал о начале работы. Соответственно, не сработает измеритель интервала времени 16. Следовательно, первый вход исполнительного элемента 23 не поступит сигнал о нормальной работе системы зажигания;
2) при снижении частоты следования искровых разрядов менее контрольного значения измеритель интервала времени 16 не сработает. Следовательно, на первый вход исполнительного элемента 23 не поступит сигнал о нормальной работе системы зажигания.
При отсутствии на первой входе исполнительного элемента 23 сигнала о нормальной работе последний выдаст в систему управления двигателя сигнал, содержащий код о несоответствии частоты следования искровых разрядов или запасаемой на накопительном конденсаторе энергии требованиям.
ПР
Описанные составные части схемы могут быть реализованы на основе известных схем, например, описанных в [В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев Электроника и микропроцессорная техника - М: Высшая школа, 2005 - 790 с]. Описанный способ контроля также может быть использован для контроля работоспособности систем зажигания с управляемым разрядником. В таком случае за счет повышенной стабильности напряжения пробоя U (см. выражение 3) точность контроля только повысится.
Таким образом, предлагаемый способ контроля емкостных систем зажигания летательных аппаратов обладает повышенной глубиной контроля работоспособности (статуса) системы зажигания и обеспечивает достоверную оценку технического состояния системы зажигания без установки дополнительных датчиков давления в объеме оболочки, в которой расположена свеча зажигания, и прокладки дополнительной кабельной сети, необходимой для подключения датчика давления.
Реализация предлагаемого способа контроля позволит идентифицировать отказавший элемент системы зажигания: при поступлении в систему управления двигателя сигнала о несоответствии частоты следования искровых, разрядов или энергии, запасенной на накопительном конденсаторе, контрольным значениям замене подлежит агрегат зажигания или свеча зажигания (после контроля величины искрового зазора), при поступлении в систему управления двигателя сигнала о пробое изоляции провода зажигания или перекрытий изоляции соединителей провода зажигания замене подлежит провод зажигания.
Кроме повышения достоверности контроля это позволит оперативно заменить отказавший элемент системы зажигания при техническом обслуживании летательного аппарата, что значительно снизит затраты времени на обслуживание летательного аппарата, поиск и устранение неисправности системы зажигания в эксплуатации, сократит время вынужденного простоя летательного аппарата. Также способ контроля может использоваться при отработке циклограммы работы двигателя, выбора величины перекрытий соединителей провода зажигания со свечой и агрегата зажигания и т.д. при проведении автономных испытаний двигателя, а также в условиях эксплуатации.