CN109653877A - 一种用于航空发动机起动点火的定频点火电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于航空发动机起动点火的定频点火电路，由EMI滤波单元、辅助电源、放电频率发生器、自激式反激变换器、整流贮能单元、放电开关、放电脉冲信号采样整形单元及放电频率控制信号合成单元组成；本发明的关键是放电脉冲信号采样整形单元及放电频率控制信号合成单元，放电脉冲信号采样整形单元采用数十毫欧姆级别的取样电阻提取放电回路中的放电电流信号，得到放电脉冲信号；放电频率控制信号合成单元根据放电脉冲信号对放电频率发生器产生的频率信号进行分割处理，产生自激式反激变换器工作控制信号，确保在一个设定的充放电周期内点火系统只进行一次充放电，使点火系统达到按放电频率发生器提供的固定放电频率信号进行放电脉冲能量输出。

Description

一种用于航空发动机起动点火的定频点火电路

技术领域

本发明属于航空发动机起动点火技术领域，具体为一种用于航空发动机起动点火的定频点火电路。

背景技术

航空发动机起动点火系统由点火装置、点火电缆及点火电嘴组成，如图1所示。

航空发动机起动点火系统的工作原理：点火装置将发动机供电电源提供的低压电能变换为高压脉冲电能，通过点火电缆向点火电嘴传输，在点火电嘴放电端瞬间释放，产生高功率的放电火花，用于点燃发动机燃烧室内的燃油、空气混合气，进而起动发动机。

国内现有的航空发动机起动点火系统的火花频率为非固定模式，随供电电源电压发生较大变化，变化量通常达到50％--100％。在点火系统中由于放电时贮存能量是不变的，所以当供电电压低时火花频率低，放电火花的功率相应也低，不利于发动机起动点火；当供电电压高时火花频率高，放电火花的功率相应也高，点火系统工作在高功率状态，不利于点火系统寿命和可靠性的提高。这是当前火花频率为非固定模式存在的主要问题。

随着国家航空技术的快速发展，需要进一步提高发动机的点火成功率，以拓宽点火包线范围，从而提高战术性能指标。因此，航空发动机对点火系统的要求也越来越高，要求精确稳定的放电火花频率就是其中之一。

影响发动机点火性能的因素有许多，如燃烧室进口气流参数、油气混合比、电嘴安装位置、放电火花能量、火花频率等，其中放电火花能量、火花频率属于点火系统中的影响发动机点火性能的关键因素。有研究表明，点火系统输出参数对发动机点火成功率影响较大，为了在不同的条件下保证发动机可靠点火起动，需要点火系统提供稳定的放电火花能量和稳定的放电火花频率输出，且放电火花频率在规定的供电电源电压范围内基本保持不变(变化量在±10％以内)，以满足未来新型发动机的使用需求。

目前关于国内尚没有相关技术能够实现航空发动机定频点火，而据了解，国际上已有相关技术出现，但没有公开，且对我国技术封锁，所以非常有必要进行航空发动机定频点火技术研究，为我国新一代航空发动机研制提供技术保障。

发明内容

针对现有点火装置的火花频率随供电电源电压发生较大变化的问题，结合现有的航空发动机起动点火系统放电火花能量、放电火花频率技术指标，本发明提出一种用于航空发动机起动点火的定频点火电路，解决现有航空发动机起动点火装置存在的问题，为我国航空发动机提供性能更先进的起动点火系统产品。

本发明的技术方案为：

所述一种用于航空发动机起动点火的定频点火电路，其特征在于：由EMI滤波单元、辅助电源、放电频率发生器、自激式反激变换器、整流贮能单元、放电开关、放电脉冲信号采样整形单元及放电频率控制信号合成单元组成；

外部供电电源首先输入EMI滤波单元，EMI滤波单元对供电电源的尖峰干扰进行抑制，也消除自激式反激变换器在工作时产生的对外部供电电源的干扰；

所述辅助电源将经EMI滤波单元隔离的供电电源电压进行变换，为放电频率发生器提供稳定的工作电压；

所述放电频率发生器产生符合输出高压脉冲频率要求的频率信号，供放电频率控制信号合成单元使用；

所述自激式反激变换器将经过EMI滤波单元隔离的供电电源低压直流电能通过自激振荡反激升压变换成高压直流电能贮存到整流贮能单元；自激振荡受控于放电频率控制信号合成单元提供的控制信号；

所述整流贮能单元将来自自激式反激变换器的高压直流电能整流贮存，作为高压脉冲放电火花能量的供应源；

所述放电开关实现当施加在开关两端的电压达到设定的门限值时开关闭合导通，将整流贮能单元贮存的电能输出至点火电嘴释放，形成放电火花，放电后断开截止；

所述放电脉冲信号采样整形单元采用数十毫欧姆级别的取样电阻提取放电回路中的放电电流信号，得到放电脉冲信号输出给放电频率控制信号合成单元；

所述放电频率控制信号合成单元根据放电脉冲信号采样整形单元输出的放电脉冲信号对放电频率发生器产生的频率信号进行分割处理，产生自激式反激变换器工作控制信号；所述分割处理过程为：在一个周期T内，放电频率控制信号合成单元根据放电脉冲信号采样整形单元输出的放电脉冲信号上升沿时刻t1，将放电频率发生器输出的t1时刻之后的高电平信号跳转为低电平信号，使一个周期内点火系统只进行一次充放电。

有益效果

本发明解决了现有点火装置的火花频率随供电电源电压发生较大变化的问题，实现了放电火花频率输出稳定的点火电路。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1点火系统组成框图；

图2定频点火电路原理框图；

图3定频点火电路工作时序；

图4电路工作原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的定频点火电路主要性能参数为：

输入电压：(18～30)V_DC

工作电流：不大于1A在(18～30)V_DC时

输出电压：2800V

贮存能量：1.7J

放电火花频率：6.25(1±10％)Hz

定频点火电路原理框图详见图2。电路由EMI滤波单元、辅助电源、放电频率发生器、自激式反激变换器、整流贮能单元、放电开关、放电脉冲信号采样整形单元及放电频率控制信号合成单元8个功能电路单元组成。

EMI滤波单元：外部供电电源输入点火装置后首先进入EMI滤波单元，这个电路单元的功能是双向的，既对供电电源的尖峰干扰进行抑制，也对自激式反激变换器单元在工作时产生的干扰进行消除，减少点火系统在工作时对供电电源的电磁干扰。

辅助电源：将经EMI隔离的供电电源电压进行变换，为放电频率发生器提供稳定的工作电压。

放电频率发生器：由高占空比低频振荡器构成，用于产生符合输出高压脉冲频率要求的频率信号，供放电频率控制信号合成单元使用。

自激式反激变换器：其功能是将电源提供的低压直流电能通过自激振荡反激升压变换成高压直流电能贮存到整流贮能单元的电容器中，自激振荡受控于放电频率控制信号合成单元提供的控制信号。

整流贮能单元：将来自自激式反激变换器的高压直流电能整流贮存，作为高压脉冲放电火花能量的供应源。

放电开关：能够重复工作的高压压控开关，可以是单只元件，也可以是多元件组合的功能电路单元，其功能是当施加在开关两端的电压达到设定的门限值时开关闭合导通，将整流贮能单元贮存的电能输出至点火电嘴释放，形成放电火花，放电后断开截止，等待下一次放电过程。

放电脉冲信号采样整形单元：该单元是本发明的两个核心单元之一。其作用是将火花放电时的放电脉冲识别并提取出来，由于放电脉冲宽度极窄，通常只有几微秒至十几微秒，提取方法不当将导致放电频率控制信号不正确，易受外界电磁信号干扰，导致系统火花频率不稳定。本发明采用了取样电阻法来提取放电回路数百至数千安培的放电电流信号，由于取样电阻得电阻值极低，仅数十毫欧姆，所以抗干扰性极强。提取的放电电流信号经过特定的处理方式反馈到放电频率控制信号合成单元，对整流贮能单元的充电过程进行控制，确保在一个设定的充放电周期内点火系统只进行一次充放电，使点火系统达到按放电频率发生器提供的固定放电频率信号进行放电脉冲能量输出，也就是定频点火。

放电频率控制信号合成单元：该单元是本发明的两个核心单元之一。其功能是利用放电脉冲信号采样整形单元的放电脉冲信号对放电频率发生器产生的高占空比频率信号进行分割处理，产生自激式反激变换器工作控制信号，使点火系统在一个频率信号周期内只进行一次充放电，实现定频点火。

电路工作时序见图3。放电控制过程：放电频率发生器输出波形见图3-(a)，在开通时间t_on期间，自激式反激变换器工作，对整流贮能单元充电，当电压达到放电开关的门限值时开关闭合导通，完成一次放电，波形见图3-(b)中实线。放电时在取样电阻取得的放电信号经放电脉冲信号采样整形单元处理得到图3-(c)所示的实线窄脉冲波形，它的上升沿触发放电频率控制信号合成单元，在周期T内将放电频率发生器输出的t_on自时刻t1之后的部分切除，即跳转为低电平0，自激式反激变换器停止工作，这样就达到了在一个放电周期内用放电脉冲信号关闭自激式反激变换器的目的，确保了在一个周期内点火系统只进行一次充放电，达到按放电频率发生器提供的放电频率信号进行稳定的放电火花输出，从而实现定频点火。

为了验证本发明的定频点火电路的效果，本实施例设计了一套定频点火电路，见图4。并按此图制作了一台原理样机与点火电缆、点火电嘴配套组成定频点火系统：

电路工作原理简要说明：电源由点火装置插座X1输入，经EMI滤波电路后，一路供给自激式反激变换器，另一路供给由U1等原器件组成的辅助电源。

反激变换器将电源提供的低压直流电能转换成高压直流电能贮存在贮能电容器C4中，当C4的电压达到放电开关V1的击穿电压时，V1击穿导通，C4贮存的电能通过扼流电感L3从点火装置输出插座X2输出。

输出的电能经过点火电缆输送至点火电嘴，在点火电嘴的放电端释放，形成强烈的放电火花，完成一次火花放电过程。火花频率就是指每秒钟完成火花放电的次数。

辅助电源由固定输出的三端集成稳压器U1及外围元器件组成，其作用是将电源提供的变化范围较大的直流电压转换成稳定的直流电压输出，为放电频率发生器和放电频率控制信号合成电路供电。

放电频率发生器由555时基集成电路U2及外围元器件组成，用于产生符合放电火花频率要求的高占空比时基信号。

本发明的核心是放电脉冲信号采样整形电路和放电频率控制信号合成电路，放电脉冲信号采样整形电路主要由取样电阻R19、二极管D8、D9、D10、D11以及阻容元件组成，其作用是将火花放电时的放电脉冲识别并提取出来；放电频率控制信号合成电路由三极管Q3、Q4、Q5及相关阻容元件组成，其功能是对放电频率发生器产生的高占空比时基信号进行分割处理。

对定频点火电路的效果进行了试验验证，验证结果见表1。

表1验证结果

由表1可看出，在输入电压(16～32)V_DC范围内，输出火花频率不变，验证输入电压比要求输入电压(18～30)V_DC加严。验证结果证明本发明达到了发明的目的。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种用于航空发动机起动点火的定频点火电路，其特征在于：由EMI滤波单元、辅助电源、放电频率发生器、自激式反激变换器、整流贮能单元、放电开关、放电脉冲信号采样整形单元及放电频率控制信号合成单元组成；

外部供电电源首先输入EMI滤波单元，EMI滤波单元对供电电源的尖峰干扰进行抑制，也消除自激式反激变换器在工作时产生的对外部供电电源的干扰；

所述辅助电源将经EMI滤波单元隔离的供电电源电压进行变换，为放电频率发生器提供稳定的工作电压；

所述放电频率发生器产生符合输出高压脉冲频率要求的频率信号，供放电频率控制信号合成单元使用；

所述自激式反激变换器将经过EMI滤波单元隔离的供电电源低压直流电能通过自激振荡反激升压变换成高压直流电能贮存到整流贮能单元；自激振荡受控于放电频率控制信号合成单元提供的控制信号；

所述整流贮能单元将来自自激式反激变换器的高压直流电能整流贮存，作为高压脉冲放电火花能量的供应源；

所述放电开关实现当施加在开关两端的电压达到设定的门限值时开关闭合导通，将整流贮能单元贮存的电能输出至点火电嘴释放，形成放电火花，放电后断开截止；

所述放电脉冲信号采样整形单元采用数十毫欧姆级别的取样电阻提取放电回路中的放电电流信号，得到放电脉冲信号输出给放电频率控制信号合成单元；

所述放电频率控制信号合成单元根据放电脉冲信号采样整形单元输出的放电脉冲信号对放电频率发生器产生的频率信号进行分割处理，产生自激式反激变换器工作控制信号；所述分割处理过程为：在一个周期T内，放电频率控制信号合成单元根据放电脉冲信号采样整形单元输出的放电脉冲信号上升沿时刻t1，将放电频率发生器输出的t1时刻之后的高电平信号跳转为低电平信号，使一个周期内点火系统只进行一次充放电。