CN102933820A - 预加热火花塞 - Google Patents

Abstract

一种采用火花塞(1)点燃涡轮发动机(11)的方法，所述火花塞包括第一电极(2)、第二电极(3)和位于第一电极和第二电极之间的半导体衬底(4)，半导体衬底带有裸露表面，所述点火方法包括通过在第一电极和第二电极之间施加大于第一预定阈值的电压来在所述裸露表面附近产生火花的步骤，所述方法的特征在于，在所述产生火花步骤之前，其进一步包括预热步骤，即在第一电极和第二电极之间施加小于第二预定阈值的电压，所述第二预定阈值小于所述第一预定阈值。

Description

预加热火花塞

技术领域

本发明涉及涡轮发动机的火花塞。特别是，本发明涉及在其电极之间带有半导体衬底的火花塞的可靠性。其中，这种火花塞为涡轮发动机燃烧室点火用的火花塞。

背景技术

一种类型的已知火花塞带有第一电极和第二电极，二者之间用半导体衬底隔开。这种火花塞具有良好的可靠性，而且还可以缩小向火花塞提供动力的点火盒的尺寸。所使用的高压半导体可以称之为“金属陶瓷”或“颗粒(pellet)”半导体，都是采用陶瓷绝缘子和导电材料颗粒制成。通过降低击穿电压，这种技术可以避免火花塞与之连接的电缆漏电，并可缩小电源变压器的尺寸。

可惜的是，这种类型的火花塞存在着一些缺陷。特别是，所使用的半导体对周围环境条件很敏感。特别是，在结冰或潮湿条件下，人们注意到火花塞性能会迅速降低。例如，对于正常条件下寿命周期大于10000次点火周期的火花塞，其在持续潮湿情况下可能在1200次点火周期后会几乎损坏。此外，在潮湿或结冰条件下，人们注意到，所发出的许多火花都不是由火花塞产生的。这种缺陷会延迟涡轮发动机的点火，从而因为周期拖长而加快了火花塞的性能下降。最后，在某些条件下，涡轮发动机无法点火。

发明内容

本发明的目的是提出一种点火方法，这种方法不会出现上述现有技术所遇到的至少一部分缺陷。本发明的一个特别目的是避免火花塞性能的迅速下降。

为此，本发明提出了一种使用火花塞来实现涡轮发动机点火的方法，所述火花塞包括第一电极、第二电极和位于第一第二电极之间的半导体衬底，所述半导体衬底带有裸露表面，点火方法包括施加电压来在所述裸露表面附近产生火花的步骤，所述电压大于第一和第二电极之间的第一预定阈值，所述方法的特征在于，在所述的产生火花的步骤之前，其还进一步包括预热步骤，即施加电压，该电压小于第一电极和第二电极之间的第二预定阈值，所述第二预定阈值小于所述第一预定阈值。

火花的产生涉及到对半导体衬底裸露表面附近的气体进行离子化。然而，在结冰或潮湿条件下，冰或水会覆盖在半导体衬底的裸露表面上，从而限制了可以离子化的气体数量。在这种情况下，如果试图产生火花，则会引起击穿电压增高，且会升高半导体表面处的放电浓度，从而引起半导体衬底的快速腐蚀，以及半导体衬底上形成裂缝，这些裂缝会加快所述衬底的性能下降。

预加热步骤可以避免这种性能快速下降。在两个电极之间施加低电压不会产生任何火花，但却会产生流过半导体衬底的漏电电流。所产生的热量会烘干火花塞。于是，在预加热步骤后，产生火花，此时不再会有冰或水覆盖半导体衬底的裸露表面。

在实施时，所述预热步骤的预定持续时间大于5秒。例如，预定持续时间可以在30秒到10分钟的范围内。

第一预定阈值可以大于900伏(V)。第二预定阈值可以小于900V。例如，第二预定阈值小于或等于100V。

在另一个实施方式中，在预热步骤期间，施加在第一电极和第二电极之间的电压是恒定的。

在另一个实施方式中，在预热步骤期间，施加在第一电极和第二电极之间的电压由电流调节器来控制。

本发明还提供了涡轮发动机启动的方法，包括可以使起动电机开始转动涡轮发动机的步骤，和通过实施上述点火方法来实现涡轮发动机点火的步骤，其中，预热步骤是在涡轮发动机转速达到预定阈值时开始。

本发明还提供了涡轮发动机的点火系统，该系统包括火花塞和与所述火花塞连接的电源装置，所述火花塞包括第一电极、第二电极和位于第一电极和第二电极之间的半导体衬底，所述半导体衬底带有裸露表面，电源装置包括可在所述裸露表面附近产生火花的火花生成装置，该装置适合在第一电极和第二电极之间施加大于第一预定阈值的电压，所述点火系统的特征在于，所述电源装置进一步包括预热装置，可在第一电极和第二电极之间施加小于第二预定阈值的电压，所述第二预定阈值小于所述第一预定阈值。

电源装置可以进一步包括接收控制信号的输入接口，和可激活所述火花生成装置的激活装置，或根据控制信号的变化情况的所述预热装置。

通过非限定性示例并参照附图，阅读如下说明，可以更好地理解本发明。

附图说明

图1为本发明点火系统实施例示意图；

图2为图1所示点火系统火花塞剖面图；

图3为图2所示火花塞端部示意图，所示为冰或水所覆盖；

图4为所测试的多个图2火花塞的曲线图，示出了根据所施加电压不同流过火花塞的电流情况；

图5为曲线图，示出了控制信号和根据时间变化情况而施加到图2电极上的电压。

具体实施方式

图1示出了涡轮发动机11的点火系统10。该点火系统10通常包括多个用来使涡轮发动机11点火的产生火花的火花塞。所述火花塞连接到电源盒9上。电源盒9带有可接收控制信号的输入接口12。图1示出了一个火花塞1。

图2为火花塞1的剖面图。火花塞1带有电极2和电极3。

电极2带有呈大体圆柱形的孔口7，电极3就置放于孔口7内。在图1的右侧，电极3的端部与电极2的端部齐平，而半导体衬底4则将电极2和3隔开。半导体衬底4带有裸露表面5。

在孔口7内部，电极2和3由绝缘材料6隔开。最后，在图1的左侧，孔口7向外展开，电极3的端部无遮挡，从而使得连接器8可将火花塞1连接到电源盒9上。

为此，电源盒9可在电极2和3之间施加一个较大的电压，从而在半导体衬底4裸露表面5前部产生火花14，如图2所示。然而，在结冰或潮湿条件下，冰或水的聚积13会覆盖半导体衬底4的裸露表面5，如图3所示。聚积部分13会影响或阻止火花的产生。

图4示出了根据电极2和3之间所施加电压T的变化，电流I流过火花塞1的情况。曲线15，16和17分别对应于带不同成分的半导体衬底4。

对于较大电压T，通常，大于900V时，电流I也会高。在无聚积13的情况下，产生火花14。圆圈区19对应于产生火花14的区域。

相反，对于较小电压T，通常小于900V时，不会产生火花。然而，火花塞1会允许低漏电电流I流过，电流值取决于所施加的电压。图4所示，漏电电流在区域18内相对稳定。

为了避免因为出现聚积13而引起火花塞1性能下降的问题，火花塞1在产生火花14前预先加热。

更确切地说，在产生火花14步骤之前的预热步骤期间，电源盒9在电极2和3之间施加小电压，通常大约为20V到100V的范围内。在另一种方式中，可以施加达到900V的电压，因为不会产生火花。如图4所示，漏电电流会流过半导体衬底4，该半导体衬底会因为焦耳效应而受热。所产生的热量会烘干火花塞1，从而去除聚积的冰或水13。

例如，预热步骤为根据所施加的电压和火花塞1的情况而预先确定。通常，预定持续时间范围在30秒到10分钟之间。

例如，在-15℃时，在覆盖有冰的火花塞1上进行试验期间，测量出如下烘干时间：

●电压为28V(电流为10mA)时，时间为6分钟；

●电压为50V(电流为20mA)时，时间为2.5分钟；以及

●电压为100V(电流为500mA)时，时间为35秒。

在预热步骤期间，施加恒定值的电压。在另一种方式中，电压由可保持恒定电流的电流调节器来确定。

在预热步骤后，火花生成步骤便以传统方式开始实施。更确切地说，在充电阶段期间，电源盒9会在储存部件内储存能量。然后，所储存的能量传递给火花塞1，从而产生火花。

电源盒9带有输入接口12，可以接收控制信号。控制信号会指示电源盒9在预热步骤施加低电压状态和火花生产步骤而施加高电压状态之间进行转换。

例如，控制信号包括请求预热步骤的短持续脉冲和请求产生火花步骤的长持续脉冲。图5示出了这个示例。在图5中，曲线20表示根据时间t的变化而施加的电压T，曲线21表示根据时间变化的控制信号S。

按照已知方式，涡轮发动机11的起动是通过起动电机使涡轮发动机11开始旋转而开始。涡轮发动机11转速渐进增加。当转速达到预定值时，产生火花使涡轮发动机11点火。假若涡轮发动机11的转速和火花塞1预热步骤的预定持续时间发生变化，可以选择起动预热步骤的旋转速度阈值。

Claims (10)

1.一种采用火花塞(1)点燃涡轮发动机(11)的方法，所述火花塞包括第一电极(2)、第二电极(3)和位于第一电极和第二电极之间的半导体衬底(4)，半导体衬底带有裸露表面(5)，所述点火方法包括通过在第一电极和第二电极之间施加大于第一预定阈值的电压来在所述裸露表面附近产生火花的步骤，所述方法的特征在于，在所述产生火花步骤之前，其还包括预热步骤，即在第一电极和第二电极之间施加小于第二预定阈值的电压，所述第二预定阈值小于所述第一预定阈值。

2.根据权利要求1所述的点火方法，其特征在于，所述预热步骤的预定持续时间大于5秒。

3.根据权利要求1或2所述的点火方法，其特征在于，所述第一预定阈值大于900V。

4.根据权利要求1至3任一项所述的点火方法，其特征在于，所述第二预定阈值小于900V。

5.根据权利要求4所述的点火方法，其特征在于，所述第二预定阈值小于或等于100V。

6.根据权利要求1至5任一项所述的点火方法，其特征在于，在预热步骤期间，第一电极和第二电极之间所施加的电压为恒定的。

7.根据权利要求1至5任一项所述的点火方法，其特征在于，在预热步骤期间，第一电极和第二电极之间所施加的电压是通过电流调节器来控制的。

8.一种起动涡轮发动机(11)的方法，包括使起动电机开始转动涡轮发动机的步骤，和通过实施权利要求1到7任何一项所述点火方法来使涡轮发动机点火的步骤，其特征在于，当涡轮发动机转速达到预定阈值时预热步骤开始。

9.一种涡轮发动机(11)的点火系统，该系统包括火花塞(1)和与所述火花塞连接的电源装置(9)，所述火花塞包括第一电极(2)、第二电极(3)和位于第一电极和第二电极之间的半导体衬底(4)，所述半导体衬底带有裸露表面(5)，电源装置包括可在所述裸露表面附近产生火花(14)的装置，该装置适合在第一电极和第二电极之间施加大于第一预定阈值的电压，所述点火系统的特征在于，所述电源装置进一步包括预热装置，可在第一电极和第二电极之间施加小于第二预定阈值的电压，所述第二预定阈值小于所述第一预定阈值。

10.根据权利要求9所述的点火系统，其特征在于，所述电源装置进一步包括接收控制信号的输入接口(12)，和适合激活所述火花产生装置的激活装置，或根据控制信号的变化情况的所述预热装置。

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