CN112922728B - 一种使用双级电源的稳频航空发动机点火装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用双级电源的稳频航空发动机点火装置，包括EMI滤波电路、反激稳压隔离电源模块电路、自激反激变换升压电路、整流电路、储能电路和放电电路，EMI滤波电路、稳压隔离电源电路、反激升压变换电路、整流电路和放电电路依次连接；整流电路包括高压硅堆，高压硅堆截止时，阻碍能量传输，高压硅堆导通时，对储能电路充电；放电电路在高能气体放电管的电压差大于击穿电压时，高能气体放电管击穿，将存储在高压云母电容中的能量输出，击穿油气混合物，形成火花，完成点火。本发明的第一级电源实现稳压输出、电气隔离的功能，解决了火花频率随供电电源波动的问题，实现全电压范围内稳定点火频率。

Description

一种使用双级电源的稳频航空发动机点火装置

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种使用双级电源的稳频航空发动机点火装置。

背景技术

航空发动机点火系统由点火装置、点火电缆、点火电嘴组成。通常航空发动机点火装置由直流28V供电，点火装置通过内部转换电路将输入的直流低压电信号转换为高压脉冲电信号(2800V)，高压脉冲电信号通过点火电缆传输到点火电嘴，高压脉冲电信号击穿点火电嘴正负极，使电嘴产生电火花，从而点燃发动机燃烧室的燃油混合物，完成发动机点火过程。

目前，现有技术中的发动机点火系统，包括国产的和进口的，点火装置输出的高压脉冲、点火电嘴的火花频率受供电电压影响较大，低压情况下，点火频率非常低，发动机点火成功率较低，高压情况下，点火频率过快，不利于点火系统寿命的提高，测试某国产点火装置在低压12V时的点火频率仅为0.5Hz，远低于额定电压28V时3Hz的要求，在高压36V时的点火频率为6Hz远高于额定要求。

公开号CN109653877A的专利“一种用于航空发动机启动点火的定频点火电路”，需要使用放电脉冲信号采样整形单元和放电频率控制信号合成单元，电路结构复杂，存储能量小(仅1.7J)，输出的火花频率高达6.18Hz，综合效率不够，且输入电压范围小，属于低能效高频点火装置。

随着我国航空技术的发展，对航空发动机点火系统的稳定性提出了越来越高的要求，实现全电压范围内高效稳定点火频率的点火装置将是必然的需求，以提高发动机的点火成功率。

发明内容

针对上述描述的装机的点火装置火花频率受电源电压变化的影响，结合航空发动机点火系统的火花能量、放电火花频率等关键技术指标，本发明提出一种采用双级电源设计的能够稳定点火装置火花频率的点火装置，解决以上问题。

本发明的技术方案：

一种使用双级电源的稳频航空发动机点火装置，包括EMI滤波电路、稳压隔离电源电路、自激反激变换升压电路、整流电路、储能电路和放电电路，所述EMI滤波电路、所述反激稳压隔离电源电路、所述自激反激变换升压电路、所述整流电路和所述放电电路依次连接；

所述反激稳压隔离电源电路包括电容C8、电容C10、电源模块DC1、二极管D16、电容C9和电容C12，所述电容C8一端接28V输入电源正极和电容C10的正极，另一端接地，并与电容C10的负极相连，电容C10的正极接电源模块DC1的引脚1，负极接电源模块DC1的引脚10，所述电源模块DC1的引脚5和引脚6连接所述二极管D16的正极，引脚3和引脚4接地，所述二极管D16的负极连接电容C9的正极、电容C12的一端，所述电容C9的正极和电容C12的一端产生稳定的28V电源，所述电容C9的负极和电容C12的另一端接地；

所述整流电路包括高压硅堆D15，高压硅堆D15截止时，阻碍能量传输，高压硅堆D15导通时，对所述储能电路进行充电；

所述放电电路包括高能气体放电管GDT3和电阻R9，所述高能气体放电管GDT3一端和所述储能电路相连，另一端和所述电阻R9相连，并做为高压输出，所述放电电路在所述高能气体放电管GDT3两端的电压差大于所述高能气体放电管GDT3的击穿电压时，所述高能气体放电管GDT3击穿，将存储在高压云母电容中的能量输出，通过电缆传送至电嘴，击穿油气混合物，形成火花，进而点燃燃气混合物，完成发动机点火。

进一步的，所述EMI滤波电路包括浪涌抑制管D1、防电源反激保护管D2、高频滤波电容C1、电容C2、电容C3、共模滤波电路、差模滤波电路组成，所述共模滤波电路包括共模滤波电感L1，所述差模滤波电路由电容C4和电感L2、电感L3、电容C5组成，其中，所述浪涌抑制管D1一端接12～52V直流输入电源正极，另一端接地，所述防电源反接保护管D2的正极与浪涌抑制管D1的正极连接，负极与所述高频滤波电容C1连接，所述高频滤波电容C1一端和所述浪涌抑制管D1的负极相连接地，并和所述共模滤波电感L1一端并联，所述共模滤波电感L1另一端与所述电容C2，所述电容C3串联的电路并联，并和所述差模滤波电路串联，所述差模滤波电路中所述电容C4一端与所述电感L2连接，所述电感L2的一端与所述电容C2、所述电容C4连接，另一端为滤波之后的28V直流电源，所述电容C5一端接地，另一端与所述电感L3连接，所述电感L3一端接地，并和所述电容C3、所述电容C4连接，形成稳定的电源地。

进一步的，所述自激反激变换升压电路包括电容C7、二极管D10、二极管D11、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D12、二极管D13、二极管D14、三极管Q6、三极管Q8和变压器T5，其中所述电容C7一端连接28V电源、所述二极管D10的负极，另一端接地，所述二极管D10的正极与所述二极管D11的正极相连，所述二极管D10的负极还与电阻R1相连，所述电阻R1一端与所述电阻R3、所述变压器T5的紫色线相连，所述电阻R3一端与所述电阻R4、所述二极管D13的负极相连，所述电阻R2的一端和所述电阻R4、所述三极管Q6的基极、所述二极管D12的正极相连，所述二极管D12的负极接地，所述三极管Q6的集电极与所述二极管D13的正极相连，所述三极管Q6的发射极接地，所述三极管Q8的集电极与所述变压器T5的绿色线相连，发射极接地，基极与所述二极管D14的负极、所述变压器T5的白色线、所述变压器T5的黄色线相连，所述自激反激变换升压电路工作在自激振荡模式下，进行能量传输。

进一步的，所述整流电路包括高压硅堆D15，所述高压硅堆D15正极与所述变压器T5的红色线相连，正极与所述储能电路相连。

进一步的，所述储能电路包括高压云母电容C10、C11和电阻R8，所述电容C10、电容C11和电阻R8并联连接后一端接地，另一端与所述高压硅堆D15的负极、所述放电电路相连。

本发明的有益效果：

第一级电源实现电气隔离、稳压输出的功能，第一级的输出做为第二级自激反激变换器的输入实现升压功能，所以本发明有效的解决了常规航空发动机点火装置输出的火花频率随供电电源波动的问题，同时第一级反激电源具备电气隔离功能，有效的避免了第二级反激变换器的高压脉冲对输入供电电源的影响，实现全电压范围内稳定的航空发动机的点火频率。

附图说明

图1是本发明的点火装置系统框图；

图2是本发明的EMI滤波电路图；

图3是本发明的反激隔离稳压电源电路图；

图4是本发明的自激反激变换升压电路图；

图5是本发明的整流电路、储能电路、放电电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)或“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”是用于区别类似的对象或便于本发明的结构描述，而不必用于描述特定的顺序或先后次序以及限制本发明的结构技术特征。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

如图1所示，本发明公开的一种使用双级电源的稳频航空发动机点火装置由EMI滤波模块、第一级稳压隔离电源电路、第二级自激反激变换升压电路、整流电路，储能电路、放电电路组成。

如图2所示，EMI滤波电路包括浪涌抑制管D1、防电源反激保护管D2、高频滤波电容C1、电容C2、电容C3、共模滤波电路、差模滤波电路组成，共模滤波电路包括共模滤波电感L1，差模滤波电路由电容C4和电感L2、电感L3、电容C5组成，其中，浪涌抑制管D1一端接12～52V直流输入电源正极，另一端接地，防电源反接保护管D2的正极与浪涌抑制管D1的正极连接，负极与高频滤波电容C1连接，高频滤波电容C1一端和浪涌抑制管D1的负极相连接地，并和共模滤波电感L1一端并联，共模滤波电感L1另一端与电容C2，电容C3串联的电路并联，并和差模滤波电路串联，差模滤波电路中电容C4一端与电感L2连接，电感L2的一端与电容C2、电容C4连接，另一端为滤波之后的28V直流电源，电容C5一端接地，另一端与电感L3连接，电感L3一端接地，并和电容C3、电容C4连接，形成稳定的电源地。

外部输入电源经过EMI滤波电路后做为第一级反激隔离稳压电源的输入，滤波电路可以有效的滤除输入到点火装置的电源杂波，同时为双向滤波电路，有效降低内部开关电源对外的电磁干扰，以便通过电磁兼容试验。

如图3所示，稳压隔离电源电路采用定制DC\DC电源模块实现，定制电源模块同时具备升降压功能，将输入的12-52V电压稳定在28V，额定功率40W，瞬时输出功率100W，时间10ms，瞬时大功率输出可满足后级反激升压变换器中的三极管导通时原边线圈大电流的需求，经测试发现，反激自激振荡的频率约为1KHz，即振荡周期1ms，设计瞬时100W、10ms的电源远远满足后级电路瞬时大功率的需求。

稳压隔离电源包括电容C8、电容C10、电源模块DC1、二极管D16、电容C9和电容C12，电容C8一端接输入28V电源正极和电容C10的正极，另一端接地，并与电容C10的负极相连，电容C10的正极接电源模块DC1的引脚1，负极接电源模块DC1的引脚10，电源模块DC1的引脚5和引脚6连接所述二极管D16的正极，引脚3和引脚4接地，二极管D16的负极连接电容C9的正极、电容C12的一端及形成稳定的直流28V电源，电容C9的正极和电容C12的一端连接28V电源，电容C9的负极和电容C12的另一端接地。

稳压隔离电源的输出做为自激反激变换升压电路的的输入，电源经电容C7滤波，电阻R1、变压器T5的紫黄线后施加在Q8三极管的基极，电源经变压器T5的黑绿线后施加在Q8三极管的集电极，Q8三极管导通，此时变压器黑绿线接通，由于变压器电感效应，变压器黑绿绕组电流缓慢升高，由于Q8三极管基极电流回流路径Q8、三极管Q6、二极管D13、电阻R3中的电流恒定，即驱动Q8三极管的电流恒定，随着变压器黑绿线电流的升高，Q8三极管必然饱和，进而导致Q8三极管集电极、发射极的压降增大，通过此正反馈调节，Q8三极管快速截止，完成一次振荡过程。由于变压器T5是反激升压的拓扑结构，当三极管Q8导通的时候，整流管D15截止，此时变压器储能，当Q8三极管截止的时候，变压器电压极性反转，变压器储能通过整流管D15对高压云母电容C10、C11充电，完成一次充电过程。经过无数次反复振荡充电，最终将C10、C11储能电容的电压充至高压，此处设计为2800V。放电电路采用高能气体放电管GDT3设计，当放电管两端的电压差达到某个点时(此时设计为2800V)，放电管导通，此时电容储存的能量通过高能气体放电管进行高压放电，高压电经过点火电缆传输至点火电嘴，最终在电嘴两端形成电火花。

如图4所示，自激反激变换升压电路包括电容C7、二极管D10、二极管D11、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D12、二极管D13、二极管D14、三极管Q6、三极管Q8和变压器T5，其中前级28V电源连接电容C7一端、二极管D10的负极，电容C7另一端接地，二极管D10的正极与二极管D11的正极相连，二极管D10的负极还与电阻R1相连，电阻R1一端与电阻R3、变压器T5的紫色线相连，电阻R3一端与电阻R4、二极管D13的负极相连，电阻R2的一端和电阻R4、三极管Q6的基极、二极管D12的正极相连，二极管D12的负极接地，三极管Q6的集电极与二极管D13的正极相连，三极管Q6的发射极接地，三极管Q8的集电极与变压器T5的绿色线相连，发射极接地，基极与二极管D14的负极、变压器T5的白色线、变压器T5的黄色线相连，自激反激变换升压电路工作在自激振荡模式下，进行能量传输。

如图5所示，整流电路采用高压硅堆D15实现，当前级变换器中的Q8三极管导通的时候，高压硅堆D15截止，阻碍能量传输，此时能量存储在变压器中，当前级变换器中的Q8三极管截止时，高压硅堆D15导通，存储在变压器的能量通过高压硅堆D15对储能电容C10、C11进行充电，将能量储存在高压云母电容中。整流电路包括高压硅堆D15，高压硅堆D15正极与变压器T5的红色线相连，负极与储能电路相连。

储能电路包括电容C10，电容C11和电阻R8，电容C10、电容C11和电阻R8并联连接后一端接地，一端与高压硅堆D15的负极、放电电路相连。

放电电路包括高能气体放电管GDT3和电阻R9，高能气体放电管GDT3一端和储能电路相连，另一端和电阻R9相连，并作为高压输出，放电电路在高能气体放电管GDT3两端的电压差大于高能气体放电管GDT3的击穿电压时，高能气体放电管GDT3击穿，将存储在高压云母电容中的能量输出，通过电缆传送至电嘴，击穿油气混合物，形成火花，进而点燃燃气混合物，完成发动机点火。

本发明的性能设计参数如下：

输入电压：12V～52V；

输出电压：2800V；

储存能量：3.7J；

放电火花频率：≥4Hz。

为了对本发明进行验证，按以上电路试制了实用样机，配合点火电缆、点火电嘴进行功能测试验证，并与国外进口产品进行对比，结果如表1所示。

表1测试对比记录表

输入电压V	本发明点火频率	进口点火装置点火频率
			12	4.2	1.2
18	4.2	3.1
			24	4.2	4.4
30	4.2	5.2
			36	4.2	6.4
52	4.2	超过最高电压，未测试

从表1可以看出，在输入电压12-52V范围内，本发明的点火装置输出的火花频率稳定不变，达到了预期的目标。测试对比的进口产品当输入电压低时点火频率比较低，点火成功率较低，当输入电压较高时，点火频率比较快，点火成功率较高，但点火频率太快不利于点火装置长寿命的实现，因点火装置内部使用的部分电子元器件是有充放电次数限制的，在单次发动机点火时间固定的情况下，较快的点火频率必将导致累计发动机点火次数的降低，如将上表中4Hz的点火频率提高到6Hz，则累计发动机点火次数将缩短30％。

本发明的有益效果：

第一级电源实现稳压输出、电气隔离的功能，第一级的输出做为第二级自激反激变换升压电路的输入实现升压功能，所以本发明有效的解决了常规航空发动机点火装置输出的火花频率随供电电源波动的问题，同时第一级电源具备电气隔离功能，有效的避免了第二级自激反激变换升压电路的高压脉冲对输入供电电源的影响。

本发明使用双级电源的稳频航空发动机点火装置的存储能量为3.7J，输出的火花频率为4.2Hz，综合效率相比现有技术中装置的性能提升了50％，且输入电压范围进行了大幅度的提升，从现有技术中装置中的18～30V提升到了12～52V范围，覆盖范围更广，更加适用于复杂苛刻的航空发动机工作环境。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种使用双级电源的稳频航空发动机点火装置，其特征在于，包括EMI滤波电路、稳压隔离电源电路、自激反激变换升压电路、整流电路、储能电路和放电电路，所述EMI滤波电路、所述稳压隔离电源电路、所述自激反激变换升压电路、所述整流电路、所述储能电路和所述放电电路依次连接；

所述稳压隔离电源电路包括电容C8、电容C10、电源模块DC1、二极管D16、电容C9和电容C12，所述电容C8一端与28V电源、所述电容C10的正极相连，另一端与地、所述电容C10的负极相连，所述电容C10的正极接所述电源模块DC1的引脚1，负极接所述电源模块DC1的引脚10，所述电源模块DC1的引脚5和引脚6连接所述二极管D16的正极，引脚3和引脚4接地，所述二极管D16的负极连接所述电容C9的正极、所述电容C12的一端，所述电容C9的正极形成稳定后且隔离的28V电源，所述电容C9的负极接地，所述电容C12的一端连接28V电源，所述电容C12的另一端接地；

所述整流电路包括高压硅堆D15，所述高压硅堆D15截止时，阻碍能量传输，所述高压硅堆D15导通时，对所述储能电路进行充电；

所述放电电路包括高能气体放电管GDT3和电阻R9，所述高能气体放电管GDT3一端和所述储能电路相连，另一端和所述电阻R9相连，并作为高压输出，所述放电电路在所述高能气体放电管GDT3两端的电压差大于所述高能气体放电管GDT3的击穿电压时，所述高能气体放电管GDT3被击穿，将存储在所述储能电路中的能量输出，通过电缆传送至电嘴，击穿油气混合物，形成火花，进而点燃燃气混合物，完成发动机点火。

2.根据权利要求1所述的使用双级电源的稳频航空发动机点火装置，其特征在于，所述EMI滤波电路包括浪涌抑制管D1、防电源反激保护管D2、高频滤波电容C1、电容C2、电容C3、共模滤波电路、差模滤波电路组成，所述共模滤波电路包括共模滤波电感L1，所述差模滤波电路由电容C4和电感L2、电感L3、电容C5组成，其中，所述浪涌抑制管D1一端接12～52V直流输入电源正极，另一端接地，所述防电源反接保护管D2的正极与浪涌抑制管D1的正极连接，负极与所述高频滤波电容C1连接，所述高频滤波电容C1一端和所述浪涌抑制管D1的负极相连接地，并和所述共模滤波电感L1一端并联，所述共模滤波电感L1另一端与所述电容C2，所述电容C3串联的电路并联，并和所述差模滤波电路串联，所述差模滤波电路中所述电容C4一端与所述电感L2连接，所述电感L2的一端与所述电容C2、所述电容C4连接，另一端为滤波之后的28V直流电源，所述电容C5一端接地，另一端与所述电感L3连接，所述电感L3一端接地，并和所述电容C3、所述电容C4连接，形成稳定的电源地。

3.根据权利要求1所述的使用双级电源的稳频航空发动机点火装置，其特征在于，所述自激反激变换升压电路包括电容C7、二极管D10、二极管D11、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D12、二极管D13、二极管D14、三极管Q6、三极管Q8和变压器T5，其中所述电容C7一端连接28V电源、所述二极管D10的负极，另一端接地，所述二极管D10的正极与所述二极管D11的正极相连，所述二极管D10的负极还与电阻R1相连，所述电阻R1一端与所述电阻R3、所述变压器T5的紫色线相连，所述电阻R3一端与所述电阻R4、所述二极管D13的负极相连，所述电阻R2的一端和所述电阻R4、所述三极管Q6的基极、所述二极管D12的正极相连，所述二极管D12的负极接地，所述三极管Q6的集电极与所述二极管D13的正极相连，所述三极管Q6的发射极接地，所述三极管Q8的集电极与所述变压器T5的绿色线相连，发射极接地，基极与所述二极管D14的负极、所述变压器T5的白色线、所述变压器T5的黄色线相连。

4.根据权利要求3所述的使用双级电源的稳频航空发动机点火装置，其特征在于，所述整流电路包括高压硅堆D15，所述高压硅堆D15正极与所述变压器T5的红色线相连，负极与所述储能电路相连。

5.根据权利要求4所述的使用双级电源的稳频航空发动机点火装置，其特征在于，所述储能电路包括电容C10，电容C11和电阻R8，所述电容C10、电容C11和电阻R8并联连接后一端接地，另一端与所述高压硅堆D15的负极、所述放电电路相连。

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