СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЕМКОСТНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
METHOD FOR CONTROLLING CAPACITIVE IGNITION SYSTEM OF AIRCRAFT ENGINES

Изобретение относится к технике розжига горючих смесей с помощью электрической искры, в частности к емкостным системам зажигания и может быть использовано для контроля технического состояния установленных на двигатель систем зажигания в процессе и между запусками двигателя.
Известен способ контроля технического состояния свечей зажигания, заключающийся в том, что проверяют бесперебойность искрообразования в межэлектродном зазоре свечи, величину искрового зазора между электродами свечи, а также контролируют величину заглубления торцевой поверхности керамического изолятора в искровом зазоре свечей зажигания [1].
Также известен способ контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов, заключающийся в том, что при определении наличия плазменного факела, генерируемого свечой, на нормируемом расстоянии от рабочего торца свечи, установленной в запальное устройство при работе в составе системы зажигания, 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 [2].
К недостаткам этих способов контроля следует отнести невозможность их применения для контроля емкостных систем зажигания, установленных на двигатель. Для контроля величины заглубления торцевой поверхности керамического изолятора в искровом зазоре свечей зажигания необходим съем свечей зажигания с двигателя. А измерение ионизационного тока требует применения специальных измерительных электродов для контроля ионизационного тока. Их размещение во внутреннем объеме камеры сгорания двигателя невозможно, т.к. они сгорят при ее запуске. Кроме этого, оба способа контроля не обеспечивают контроль превышения частоты следования искровых разрядов над минимально допустимой частотой, необходимой для обеспечения надежного запуска двигателя авиационных газотурбинных двигателей [3, 4].
Известен способ контроля технического состояния системы зажигания [5], заключающийся в том, что временно снижают выходное напряжение агрегата зажигания, проверяют наличие искрообразования на свечах зажигания при пониженном выходном напряжении агрегата зажигания, по наличию искрообразования на свечах зажигания при пониженном выходном напряжении агрегата зажигания судят о техническом состоянии свечей зажигания.
Недостатком указанного способа контроля технического состояния системы зажигания является возможность контроля только технического состояния свечи зажигания. При этом проверка работоспособности свечи зажигания проводится не при запуске двигателя (т.е. при воздействии температуры, давления, жидкой фазы топливно-воздушной смеси), а в тестовых условиях, что не позволяет иметь объективные данные о ее состоянии.
Данный способ контроля не позволяет контролировать частоту следования искровых разрядов, тогда как стабильность и динамика запуска двигателя, в особенности при осуществлении противопомпажного запуска или автоматического запуска на выбеге, во многом определяется частотой следования разрядных импульсов на свече зажигания [3, 4].
Известен способ контроля технического состояния агрегата зажигания [6] с индукционной катушкой, заключающийся в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу зажигания, одновременно с измерением интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу зажигания в процессе работы системы зажигания измеряют среднее значение потребляемого агрегатом зажигания тока, выявляют наличие кратковременного повышения среднего значения потребляемого тока и последующее увеличение текущего значения интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу зажигания, при наличии кратковременного повышения среднего значения потребляемого агрегатом зажигания тока и последующего увеличения интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу зажигания принимают решение о замене агрегата зажигания.
Этот способ контроля позволяет контролировать техническое состояние агрегата зажигания с индукционной катушкой и при фиксации факта наступления предельного состояния агрегата зажигания (фактически состояния контактов индукционного прерывателя) оперативно выявить отказ агрегата зажигания и заменить его, не приостанавливая эксплуатацию всех оставшихся составных частей системы зажигания.
Недостатком указанного способа контроля системы зажигания является то, что его возможно применить только для агрегатов зажигания с индукционной катушкой, в то время как в большинстве современных агрегатов зажигания, от которых не требуется высокая термостойкость и ресурс, преобразование напряжение питания в высокое напряжение, используемое для генерации разрядов на свече, осуществляется при помощи транзисторных преобразователей.
Известны способы контроля емкостных систем зажигания двигателей летательных аппаратов, заключающиеся в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, по превышению этим временем интервала заданного значения судят о работоспособности системы зажигания [7] и способ контроля [8], выбранный за прототип, отличающийся тем, что что измеряют интервал времени между импульсами разрядного тока, вызванными только коммутацией запасенной на накопительном конденсаторе энергии, превышающей контрольное значение.
Недостатком указанного способа контроля системы зажигания является то, что решение о неработоспособности системы зажигания принимают только по факту превышения фактической частоты следования искровых разрядов на свече над контрольным значением. При этом не учитываются возможные причины снижения частоты искрообразования, возможность недостоверной выдачи сигнала контроля из-за нарушения в работе встроенной системы контроля, что приводит увеличению времени простоя двигателя, необходимого на поиск неисправности.
Снижение частоты следования искровых разрядов может произойти по нескольким причинам: при снижении напряжения питания по причине неисправности источника питания или цепей питания системы зажигания, нарушения целостности высоковольтных цепей системы зажигания и при износе свечей зажигания (повышение их пробивного напряжения).
Частота следования разрядных импульсов, обеспечиваемая агрегатом зажигания, определяется выражением:
2
где Р - вторичная мощность преобразователя;
Q - энергия, запасаемая на накопительном конденсаторе;
f - частота следования искровых разрядов на свече.
Известно, что вторичная мощность связана с потребляемой мощностью через коэффициент полезного действия преобразователя напряжения. А мощность, которая может быть потреблена от источника питания зависит от состояния цепей питания и источника питания.
Неисправный источник питания может не обеспечить систему зажигания требуемой мощностью. А неисправность цепей питания, например, при повышении их активного сопротивления из-за окисления контактов соединителя, приведет к увеличению падения напряжения в цепях питания и, соответственно, к снижению мощности, которая остается на систему зажигания.
Таким образом, неисправность источника и цепей питания может привести к снижению частоты следования искровых разрядов, однако сама система зажигания не будет иметь неисправности.
Уменьшение напряжения питания может произойти не только из-за неисправности источника питания, но и из-за повышения сопротивления цепей питания системы зажигания, например, при окислении контактов проводов. Уменьшение напряжения питания в таком случае произойдет по причине увеличения падения напряжения на проводах и контактах питания:
где:
ист
U - напряжение источника питания, В;
пот
I - потребляемый ток системой зажигания;
пит
R - сопротивление цепей питания (проводов и переходных контактов).
В предельном случае фактическая частота следования разрядных импульсов окажется менее контрольного значения, что будет трактовано встроенной системой контроля как отказ агрегата зажигания, и она сформирует ложный сигнал о его отказе. Это приведет к потере времени на замену агрегата зажигания, повторную попытку запуска и дальнейший поиск неисправности.
Снижение частоты следования разрядных импульсов также может произойти из-за повреждения высоковольтных цепей системы зажигания или износа свечей зажигания, особенно при работе системы зажигания при повышенном давлении в камере сгорания в зоне искрового промежутка свечи зажигания. В этом случае встроенная система контроля также выдаст ложную информацию о необходимости замены агрегата зажигания, что также приведет к потере времени на съем работоспособного агрегата зажигания и дальнейший поиск неисправности.
Кроме того, возможна выдача ложной информации о статусе системы зажигания, которая может произойти по различным причинам, например, при параметрическом отказе встроенной в агрегат системы контроля частоты искрообразования, изменении порога контроля интервала времени (например, из-за повреждения электрорадиоизделий или при дрейфе их характеристик и других причин), отказ выходных элементов и т.д.
Кроме этого, важно установить критичность снижения частоты следования искровых разрядов. Обычно для систем зажигания еще на этапе НИОКР устанавливается два порога величины частоты следования искровых разрядов: контрольное значение и минимально допустимое значение. Превышение минимально допустимого значения частоты следования искровых разрядов на свече зажигания необходимо для обеспечения стабильного запуска двигателя, значение минимально допустимой частоты определяется на этапе НИОКР. Контрольное значение частоты следования искровых разрядов устанавливается с запасом по отношению к минимально допустимому значению. Поэтому при снижении частоты следования искровых разрядов на свече зажигания менее контрольного значения, но при превышении минимально допустимого значения система зажигания сохраняет возможность запуска двигателя в критичной ситуации.
Таким образом, все рассмотренные способы контроля технического состояния имеют общие недостатки:
1) отсутствует возможность контроля достоверности выдачи сигнала контроля о статусе системы зажигания;
2) решение о неработоспособности всей системы зажигания принимается по факту снижения контролируемого параметра ниже контрольного значения, при этом не выявляется причина ухода контролируемого параметра от нормального значения.
Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение достоверности и глубины контроля технического состояния элементов системы зажигания, позволяющее с высокой степенью достоверности в кратчайшие сроки осуществить проверку их работоспособности и принять решение о возможности продолжения эксплуатации системы зажигания по техническому состоянию.
Поставленная задача решается способом контроля емкостной системы зажигания двигателей летательных аппаратов, заключающийся в том, что измеряют интервал времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока накопительного конденсатора на свечу, по превышению этим интервалом времени заданного значения судят о работоспособности системы зажигания, отличающийся тем, что, начиная с момента времени подачи напряжения питания, формируют первоначальный импульс сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению интервала времени, соответствующего минимально установленной частоте искрообразования на свече зажигания, при наличии первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равному контрольному значению интервала времени, судят о работоспособности встроенной системы контроля, при величине интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока менее заданного контрольного значения формируют непрерывный сигнал контроля и судят о работоспособности системы зажигания, при превышении интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока заданного контрольного значения встроенной системой контроля формируют импульсы сигнала контроля с частотой, равной фактической частоте генерации системой зажигания импульсов разрядного тока, и при наличии первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению интервала времени, проводят проверку соответствия установленным для данного двигателя значениям напряжения питания, поданного на агрегат зажигания, сопротивления цепей питания агрегата зажигания, целостности высоковольтных цепей системы зажигания, состояния свечей зажигания и принимают решение о продолжении эксплуатации системы зажигания, а при отсутствии генерации импульсов разрядного тока агрегатом зажигания и наличии первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению интервала времени, судят об отказе агрегата зажигания.
Новым в заявленном изобретении является то, что начиная с момента времени подачи напряжения питания, формируют первоначальный импульс сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению интервала времени, соответствующего минимально установленной частоте искрообразования на свече зажигания, при наличии первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равному контрольному значению интервала времени, судят о работоспособности встроенной системы контроля, при величине интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока менее заданного контрольного значения формируют непрерывный сигнал контроля и судят о работоспособности системы зажигания, при превышении интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока заданного контрольного значения встроенной системой контроля формируют импульсы сигнала контроля с частотой, равной фактической частоте генерации системой зажигания импульсов разрядного тока, и при наличии первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению интервала времени, проводят проверку соответствия установленным для данного двигателя значениям напряжения питания, поданного на агрегат зажигания, сопротивления цепей питания агрегата зажигания, целостности высоковольтных цепей системы зажигания, состояния свечей зажигания и принимают решение о продолжении эксплуатации системы зажигания, а при отсутствии генерации импульсов разрядного тока агрегатом зажигания и наличии первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению интервала времени, судят об отказе агрегата зажигания.
Формирование первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению интервала времени, позволяет проконтролировать величину заданного контрольного значения интервала времени, а также работу выходных элементов встроенной системы контроля.
Отсутствие первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению интервала времени, показывает на неисправность встроенной системы контроля.
При выявлении превышения фактической частоты искрообразования более контрольного значения (при величине интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока менее заданного контрольного значения) формирование непрерывного (от момента подачи напряжения питания) сигнала контроля позволяет понять, что и встроенная система контроля, и система зажигания находятся в работоспособном состоянии (обеспечивается следование искровых разрядов на свече зажигания с частотой, превышающей установленное контрольное значение).
Фиксация снижения фактической частоты искрообразования менее контрольного значения (при величине интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока более заданного значения) при наличии первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению, позволяет выявить состояние агрегата зажигания, при котором его выходные параметры по каким-либо причинам снижаются менее заданных контрольных значений, но при этом он еще сохраняет работоспособность (обеспечивает искрообразование с частотой, превышающей минимально допустимое значения для двигателя).
Проверка работы источника питания, состояния цепей питания, высоковольтных цепей и свечей зажигания позволяют в кратчайшие сроки выявить причину снижения частоты следования искровых разрядов и принять решение о возможности продолжения работы системы зажигания до ближайшего технического обслуживания двигателя или необходимости немедленной замены отказавшей составной части системы зажигания, показывает необходимость привести цепи питания в соответствии с установленными нормами.
Отсутствие генерации импульсов разрядного тока агрегатом зажигания при наличии первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению, показывает, что встроенная система контроля продолжает работать штатно, однако генерации разрядных импульсов нет. Это однозначно свидетельствует, что произошел отказ агрегата зажигания и необходимы работы по его замене.
Совокупность преимуществ заявляемого изобретения над известными аналогами позволяет обеспечить эксплуатацию систем зажигания по техническому состоянию, оперативно выявить и при необходимости заменить отказавшую составную часть системы зажигания, т.е. обеспечивает повышение достоверности и глубины контроля технического состояния элементов системы зажигания, позволяющее с высокой степенью достоверности в кратчайшие сроки осуществить проверку их работоспособности и принять решение о возможности продолжения эксплуатации системы зажигания по техническому состоянию.
Способ контроля осуществляют следующим образом.
Начиная с момента времени подачи напряжения питания формируют первоначальный импульс сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению интервала времени, соответствующего минимально установленной частоте искрообразования на свече зажигания. При наличии этого импульса судят о работоспособности встроенной системы контроля.
При величине интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока менее заданного контрольного значения формируют непрерывный сигнал контроля и судят о работоспособности системы зажигания.
При превышении интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока заданного значения встроенной системой контроля формируют импульсы сигнала контроля с частотой, равной фактической частоте генерации системой зажигания импульсов разрядного тока, и при наличии первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению, проводят проверку соответствия установленным для данного двигателя значениям напряжения питания, поданного на агрегат зажигания, сопротивления цепей питания агрегата зажигания, целостности высоковольтных цепей системы зажигания, состояния свечей зажигания и принимают решение о продолжении эксплуатации системы зажигания,
При отсутствии генерации импульсов разрядного тока агрегатом зажигания и наличии первоначального импульса сигнала контроля длительностью, равной контрольному значению, судят об отказе агрегата зажигания.
Пример устройства, реализующего способ контроля емкостного агрегата зажигания, приведен на фиг. 1.
Изображенная на фиг. 1 система зажигания содержит транзисторный преобразователь 1 (например, обратноходовой транзисторный преобразователь), выпрямитель 2, накопительный конденсатор 3, разрядник 4, свечу зажигания 5, датчик контроля 6, блок питания 7, блок разряда 8, времязадающая цепь 9, повторитель 10, задатчик опорного напряжения компаратора 11, компаратор 12, выходной элемент 13.
При первоначальной подаче напряжения питания компаратор 12 переключает состояние выходного элемента 13 из непроводящего состояние в проводящее. Одновременно с этим начинается заряд времязадающей цепи 9. Работу схемы стабилизированным напряжения питания обеспечивает блок питания 7 (например, на базе микросхемы 142ЕН12). При этом формируется первоначальный импульс контроля длительностью, равной контрольному значению интервала времени, соответствующей минимальной установленной частоте искрообразования.
При отсутствии разрядных импульсов (см. фиг. 2) напряжение на времязадающей цепи 9 и повторителе 10 через контрольное значение времени, соответствующее контрольному значению частоты искрообразования, превысит пороговое значение напряжения, которое задается задатчиком опорного напряжения компаратора 11. В результате этого компаратор 12 переключит выходной элемент 13 из проводящего состояния в непроводящее.
Формирование первоначального импульса сигнала контроля в данном случае позволяет проконтролировать величину контрольного значения интервала времени, а также проконтролировать работу задействованных элементов встроенной системы контроля. Такой режим работы позволяет сделать вывод о сохранении работоспособности встроенной системы контроля, но прекращении работы агрегата зажигания.
При нормальной работе системы зажигания при прохождении искрового разряда датчик контроля 6 формирует импульсный сигнал, который поступает на вход блока разряда 8. Блок разряда 8 разряжает времязадающую цепь 9 (конденсатор), в результате чего напряжение на выходе повторителя 10 не превысит пороговое значение напряжения на компараторе 12. В этом случае состояние компаратора 12 и выходного элемента 13 останется без изменений (см. фиг. 3). Такой режим работы показывает, что и встроенная система контроля, и система зажигания в целом находятся в работоспособном состоянии.
При снижении частоты следования искровых разрядов менее контрольного значения (при увеличении интервала времени между разрядами более контрольного значения) времязадающая цепь 9 будет завершать счет после каждого искрового разряда, в это время будет происходить переключение компаратора 12 и выходного элемента 13. При этом после поступления импульсного сигнала от датчика контроля 6 на блок разряда 8 времязадающая цепь 9 будет разряжаться, а компаратор 12 и выходной элемент 13 в результате этого будут переключаться в проводящее состояние (см. фиг. 4). При таком режиме работы частота изменения состояния выходного элемента 13 позволит судить о фактической частоте следования искровых разрядов.
Появление таких импульсов контроля позволяет сделать выводы о статусе системы зажигания:
1) система зажигания сохраняет функцию генерации импульсов разрядного тока, способных обеспечить воспламенение компонентов топлива;
2) необходимо проведение проверки соответствия установленным для данного двигателя значениям напряжения питания, поданного на агрегат зажигания, сопротивления цепей питания агрегата зажигания, целостности высоковольтных цепей системы зажигания, состояния свечей зажигания (повышения их пробивного напряжения).
В зависимости от критичности повышения интервала времени между последовательно следующими импульсами разрядного тока принимают решение о замене отказавшей составной части системы зажигания и продолжении эксплуатации или о возможности продолжения эксплуатации системы зажигания до следующего технического обслуживания двигателя.
Заявленный способ контроля может быть реализован при других помощи различных функциональных узлов, широко описанных в [9].
Эффективность использования заявляемого способа контроля технического состояния емкостного агрегата зажигания в составе системы зажигания подтверждена результатами испытаний емкостных систем зажигания, в том числе в составе промышленных ГТУ.
Предлагаемый способ контроля агрегата зажигания в составе системы зажигания обладает повышенной глубиной контроля работоспособности (статуса) емкостной системы зажигания и обеспечивает оценку технического состояния агрегата зажигания с возможностью ускоренного выявления отказавших составных частей и продолжении эксплуатации системы зажигания.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент России RU 2717457, опубл. 23.03.2020, кл. F02C 7/26 (2006.01); F02P 17/12 (2006.01); Н01Т 13/00 (2006.01).
2. Патент России RU 2338080, опубл. 27.09.2007, кл. F02C 7/26 (2006.01).
3. Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей, В.А. Сосунов, Ю.А. Литвинов - М: Машиностроение, 1975,216 с. (см. с. 147).
4. Запуск авиационных газотурбинных двигателей, М.А. Алабин, Б.М. Кац, Ю.А. Литвинов - М.: Машиностроение, 1968 (см. с. 62).
5. Патент Франции FR 2717534, опубл. 22.09.1995, кл. F02C 7/266; F02P 15/00; F02P 17/12; F23Q 3/00.
6. Патент России RU 2628224, опубл. 01.06.2017., F02P 17/00 (2006.01).
7. Агрегат зажигания СК-44-3Б. Руководство по технической эксплуатации 8Г3.246.180 РЭ.
8. Патент России RU 2463523, опубл. 10.10.2012, кл. F23Q 23/00 (2006.01); F02P 17/00 (2006.01).
9. Электроника и микропроцессорная техника, В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев - М.: Высшая школа, 2005.