ПЛАЗМЕННАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ
SEMICONDUCTOR PLASMA SPARK PLUG

Изобретение относится к электротехнике, в частности к свечам зажигания в составе плазменных систем зажигания, применяемых для розжига горючих смесей в камерах сгорания газотурбинных двигателей, газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов и энергетических установок.
Известны плазменные свечи зажигания с воздушным искровым промежутком, в которых через полость свечи протекает плазмообразующий газ (воздух). При этом образующаяся электрическая дуга между электродами выдувается за пределы искрового зазора. (Романовский Г.Ф., Матвеев И.Б., Сербия С.И. Плазменные системы газоперекачивающих агрегатов. - СПб.: Недра, 1992. - 142 с; Патент РФ №74523, H01T 13/00 от 27.06.2008; Патент РФ №94070, H01T 13/00 от 10.05.2010). Пробой свечи обеспечивает осциллятор, входящий в состав плазменной системы зажигания. При повышении давления в камере сгорания напряжение на выходе осциллятора может оказаться недостаточным для пробоя искрового промежутка плазменной свечи, что приведет к отказу системы зажигания.
К недостаткам плазменных свечей относится зависимость пробивного напряжения воздушного искрового промежутка от давления в соответствии с законом Пашена.
Известны также полупроводниковые свечи, в зазоре которых между центральным и боковым электродами расположен полупроводниковый элемент. (Патент РФ №2063098, H01T 13/52 от 27.06.1996; Патент РФ №2029196, F23Q 3/00 от 20.02.1995; Патент РФ №51793, H01T 13/02 от 27.02.2006). В полупроводниковых свечах в отличие от плазменных пробивное напряжение искрового промежутка практически не зависит от давления в силу специфического механизма развития разряда. (Электрооборудование летательных аппаратов: в 2-х т. Т. 2: Элементы и системы электрооборудования - приемники электрической энергии / С.А. Грузков [и др.]. - 2008. - 552 с.).
К недостаткам полупроводниковых свечей относится сравнительно низкий ресурс работы, так как полупроводник выгорает под действием длительного искрового разряда. Полупроводниковые свечи по своим функциональным возможностям неприменимы в качестве свечей для плазменных систем зажигания, так как в них не предусмотрен канал для прохождения плазмообразующего воздуха.
Наиболее близким изобретением к предлагаемому является свеча зажигания (АС СССР №1688340, H01T 13/50 от 30.10.1991). В этой свече зажигания для уменьшения износа полупроводникового элемента под действием искрового разряда рабочие поверхности бокового и центрального электродов и боковая поверхность полупроводникового элемента выполнены коническими с образованием суженного в сторону центрального отверстия бокового электрода кольцевого зазора. В результате такого конструктивного решения искровой разряд удален от поверхности полупроводникового элемента, что приводит к уменьшению его износа.
Недостатком этой свечи зажигания является то, что по своим функциональным возможностям она неприменима в качестве свечи для плазменных систем зажигания, так как в ней отсутствует канал для прохождения плазмообразующего воздуха.
Задача изобретения - создание плазменной полупроводниковой свечи зажигания, обладающей возможностями и преимуществами полупроводниковых и плазменных свечей зажигания.
Технический результат: увеличивается ресурс работы свечи зажигания, пробивное напряжение свечи зажигания не зависит от давления.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемой плазменной полупроводниковой свече зажигания, содержащей корпус с кольцевым боковым электродом, концентрично закрепленный в корпусе через изолятор центральный электрод и полупроводниковый элемент в виде кольца, соединенного с электродами, причем в свече выполнена полость, образованная рабочими поверхностями электродов и сопряженной с ними боковой поверхностью полупроводникового элемента и сообщенная через центральное отверстие бокового электрода с камерой сгорания, а центральный электрод выступает в полость, рабочие поверхности электродов и боковая поверхность полупроводникового элемента выполнены коническими с образованием суженного в сторону центрального отверстия бокового электрода кольцевого зазора, в отличие от прототипа в центральном электроде имеется канал для подвода плазмообразующего воздуха, причем канал имеет несколько выходов на конической поверхности центрального электрода.
Кроме того, в плазменной полупроводниковой свече зажигания в отличие от прототипа каналы для подвода плазмообразующего воздуха проходят через изолятор и полупроводниковый элемент, причем выходы каналов расположены на поверхности полупроводникового материала между центральным и боковыми электродами.
Кроме того, в плазменной полупроводниковой свече зажигания в отличие от прототипа каналы для подвода плазмообразующего воздуха проходят через боковой электрод, причем выходы каналов расположены в полости между центральным и боковыми электродами над поверхностью полупроводникового материала.
Существо изобретения поясняется чертежом 1, где изображена конструкция предлагаемой плазменной полупроводниковой свечи зажигания.
Свеча зажигания содержит корпус 1 с кольцевым боковым электродом 2. В корпусе 1 концентрично электроду 2 через изолятор 3 закреплен центральный электрод 4. Между электродами 2 и 4 размещен полупроводниковый элемент 5, выполненный в виде кольца и соединенный с электродами 2 и 4. В свече выполнена полость 6, образованная рабочими поверхностями 7 и 8 соответственно бокового электрода 2 и центрального электрода 4 и сопряженной с ними боковой поверхностью 9 полупроводникового элемента 5. Полость 6 сообщается с камерой сгорания (на чертеже не показана) через центральное отверстие 10 бокового электрода 2. Центральный электрод 4 выступает в полость 6. Рабочие поверхности 7 и 8 и боковая поверхности 9 выполнены коническими, причем поверхности 7 и 8 образуют суженный в сторону центрального отверстия 10 кольцевой зазор 11. В центральном электроде имеется канал 12 для подвода плазмообразующего воздуха, который имеет несколько выходов 13 на конической поверхности центрального электрода.
Свеча зажигания работает следующим образом. При подаче напряжения на электроды 2 и 4 возникает электрическое поле, силовые линии которого концентрируются на острие центрального электрода 4. Одновременно происходит нагрев и испарение полупроводникового материала, что приводит к ионизации междуэлектродного промежутка вдоль боковой поверхности 9 полупроводникового элемента 5 и его пробою. Так как максимальная концентрация силовых линий приходится на конец центрального электрода, то разряд, возникающий вдоль поверхности полупроводника, смещается на конец центрального электрода. В результате такого перемещения разряда от поверхности полупроводника значительно уменьшается износ полупроводникового материала. Перемещению разряда способствует и сужение кольцевого зазора от поверхности полупроводника к острию центрального электрода.
После пробоя свечи между электродами образуется электрическая дуга, которая выдувается плазмообразующим воздухом из центрального отверстия 10.
Данное техническое решение позволяет объединить в одной свече преимущества плазменных и полупроводниковых свечей. Наличие полупроводникового элемента 5 делает независимым пробивное напряжение свечи от давления, а канал 12 с выходами 13 обеспечивает выдувание длительного дугового разряда за пределы центрального отверстия 10. В данном случае полупроводниковый элемент не контактирует с электрической дугой, что снижает его износ.
Таким образом, заявляемое изобретение объединяет в одной свече преимущества плазменных и полупроводниковых свечей; пробивное напряжение свечи не зависит от давления, в свече может образовываться длительный дуговой разряд без существенного износа полупроводникового элемента, так как дуговой разряд не соприкасается непосредственно с полупроводниковым элементом.
Другие возможные варианты предлагаемого технического решения показаны на чертеже 2 и чертеже 3. Отличие чертежа 2 от чертежа 1 состоит в разном расположении каналов для протекания плазмообразующего воздуха. На чертеже 2 каналы 12 проходят через полупроводниковый материал, причем каналы расположены перпендикулярно поверхности полупроводникового материала между центральным и боковым электродами. Отличие чертежа 3 от чертежа 1 состоит в том, что каналы 12 для протекания плазмообразующего воздуха проходят через боковой электрод и выходят в полость между центральным и боковым электродами над поверхностью полупроводникового материала.