CN114109614B - 一种微型涡轮喷气发动机快速点火系统及其点火方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型涡轮喷气发动机快速点火系统和点火方法，该系统包括点火控制模块、气体压缩子系统、电路子系统和油路子系统，油路子系统包括油箱、油泵、油滤、启动油路子系统以及主油路子系统，电路子系统包括高压电弧点火器，启动油路子系统包括启动燃油喷射器；高压电弧点火器和启动燃油喷射器设置于发动机燃烧室内，高压电弧点火器包括放电正极和放电负极，放电正极为针式电极，放电负极为尖端结构并设置在放电正极两侧，放电正极对放电负极放电产生高压电弧。该点火系统采用高压电弧点火器与启动燃油喷射器相配合的方式对发动机进行点火，摒弃了传统陶瓷点火器的燃油预热过程，具有点火快、低磨损、寿命长的特点。

Description

一种微型涡轮喷气发动机快速点火系统及其点火方法

技术领域

本发明涉及一种点火系统和点火方法，尤其涉及一种适用于微小型涡轮喷气发动机的点火系统和点火方法。

背景技术

微型涡轮喷气发动机广泛应用于不同类型的无人飞行器上，随着无人飞行器的应用和功能的持续发展，对微型涡轮喷气发动机的要求越来越高。现有微型涡轮喷气发动机普遍采用加热陶瓷加热棒的方式对发动机进行点火，此方法需要通过加热的陶瓷体对启动燃油进行一定时间的预热，再通过持续高电流对陶瓷体进行加热，使其保持预设温度，燃油需要流经整个陶瓷体，充分吸收陶瓷体的温度，以使燃油的温度高于其点火点，完成点火，整个加热过程比较缓慢。油路控制系统需要控制适量的发动机燃料接触陶瓷体，如果燃料过多，陶瓷体提供的热量就会不足，所以油路控制系统需要精确地控制只有一层薄薄的燃料附着在陶瓷体上，燃料才可以被顺利点燃。由于最开始点燃的燃料较少，后续燃料的点燃需要在保证火苗不熄灭的情况下，持续并且缓慢地进行点燃。期间需要对进气量进行严格控制，以防点燃的火苗被吹灭。

加热陶瓷加热棒的点火方式在点火过程中存在很多限制，严重影响了点火的时间和效率。同时为保证在点火初期，一层薄薄的燃料可以附着在陶瓷加热棒表面，发动机只能允许在特定的安装角度进行启动，否则在个别角度，例如当发动机垂直启动时，发动机燃料受重力影响，快速流经加热棒，无法完成附着的过程，则点火很难成功。由于对点火过程中进气的严格控制，使用陶瓷加热棒的点火方式不适用于空气较为稀薄的高海拔区域。除此之外，陶瓷加热棒在每次点火过程中都需通过较高电压以及较大电流保持较高的温度，同时为了保证点火成功率，高电压大电流的持续时间较长，不仅能源消耗较大，而且还会对陶瓷加热棒造成较大的损耗，影响其使用寿命。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种快速点火系统，该系统采用高压电弧点火器与启动燃油喷射器相配合的方式对发动机进行点火，启动燃油喷射器将传统液态燃油变为细小的雾状燃油，使燃油更容易被点燃，高压电弧点火器摒弃了传统陶瓷点火器预热时间长、寿命短的缺点，无需预热过程，具有点火快、低磨损寿命长的特点，且该系统对发动机安装角度没有限制，并实现了在高海拔地区的点火。

为了达到上述目的，一方面，本发明公开了一种微型涡轮喷气发动机快速点火系统，包括点火控制模块、气体压缩子系统、电路子系统以及油路子系统，所述油路子系统包括油箱、油泵、油滤、启动油路子系统以及主油路子系统，所述电路子系统包括高压电弧点火器，所述启动油路子系统包括启动燃油喷射器，所述高压电弧点火器以及所述启动燃油喷射器设置于发动机燃烧室内，所述高压电弧点火器包括放电正极和放电负极，所述放电正极为针式电极，所述放电负极为尖端结构并设置在所述放电正极旁，所述放电正极对所述放电负极放电产生高压电弧，所述高压电弧点火器与所述启动燃油喷射器相配合对发动机进行点火。

进一步具体的，所述燃烧室的底壁或侧壁上设置通孔，所述放电负极设置于所述通孔上。

进一步具体的，所述启动燃油喷射器设置于所述燃烧室上，启动燃油喷射方向对准所述高压电弧点火器。

进一步具体的，所述燃烧室内设置蒸发管和主燃油供油毛细管，所述蒸发管套设于所述主燃油供油毛细管上。

进一步具体的，所述电路子系统还包括电源、高频振荡器和升压器，所述电源提供的电能量经过所述高频振荡器及升压器后在所述高压电弧点火器的放电正极端部形成高电压。

进一步具体的，所述启动油路子系统还包括启动油路电磁阀和增压装置，燃油通过油泵、油滤后依次流经所述启动油路电磁阀、增压装置后进入所述启动燃油喷射器中。

进一步具体的，所述主油路子系统中包括主油路电磁阀，燃油通过油泵、油滤后流经所述主油路电磁阀后进入主燃油供油毛细管中。

进一步具体的，所述气体压缩系统包括启动电机、压气机和扩压器，所述启动电机带动所述压气机转动产生压缩气体，压缩气体经过扩压器进一步增压后进入燃烧室参与燃烧。

进一步具体的，所述发动机上设有温度传感器和转速传感器，所述温度传感器与所述转速传感器与所述点火控制模块电连接，所述点火控制模块根据温度传感器和转速传感器的反馈对所述气体压缩子系统、电路子系统以及油路子系统内元件的运行进行协调控制。

另一方面，本发明还公开了一种微型涡轮喷气发动机快速点火方法，所述点火方法采用如上述所述的微型涡轮喷气发动机快速点火系统：

1)当点火指令发出后，直流电源向电路子系统提供电能量，通过高压电弧点火器尖端放电产生电弧；同时，通过气体压缩子系统向燃烧室内通入压缩空气；

2)启动油路子系统开启，通过启动燃油喷射器将燃油以雾状形态喷射到燃烧室内；

3)火焰生成后，更大量的压缩空气通过气体压缩子系统通入燃烧室内；

4)主油路子系统开启，燃烧室内设置蒸发管和主燃油供油毛细管，蒸发管套设于主燃油供油毛细管上，蒸发管在燃烧室内的火焰包围下急剧升温，当燃油流经置于蒸发管内的主燃油供油毛细管时迅速完成预热并以雾状形态喷入燃烧室内；

5)燃烧室内的雾化燃油与压缩空气进行更加剧烈的燃烧，燃烧后的气体带动涡轮加速转动，加快发动机的转速直至到达怠速点，发动机启动过程结束。

本发明的有益效果是：

(1)采用高压电弧点火器尖端放电产生电弧以及启动燃油喷射器喷射雾化燃油相结合的发动机点火方式，无需传统陶瓷加热棒点火中必须的预热过程，燃油喷射后可产生大范围火焰，从而可以快速增加进气量，完成快速点火，有效缩短点火时间，且进气量的增加可以有效提高氧气的供给量，可以实现发动机在高海拔地区的点火。

(2)高压电弧点火器包括放电正极和放电负极，放电正极与放电负极之间采用非接触式的尖端放电方式，电弧的电流很小，功耗非常小，对点火器的损耗非常小，不仅能够节约能源，而且不影响点火器的使用寿命，提高了发动机整体的可靠性。

(3)启动燃油喷射器的燃油喷射对发动机安装角度没有限制，能够实现发动机在任意安装角度下的点火。

附图说明

图1是本发明涡轮喷气发动机点火系统结构示意图；

图2是本发明的涡轮喷气发动机主体结构示意图；

图3是本发明的涡轮喷气发动机燃烧室部分剖面结构示意图；

图4是图3中B部位的放大结构示意图；

图5是图3中A-A处的剖视图；

图6是图5中C部位的放大结构示意图；

图7是本发明涡轮喷气发动机另一个实施例中的主体结构示意图；

图8是本发明的涡轮喷气发动机主体不含燃烧室壳体的结构示意图。

图中：10、扩压器；20、燃烧室；210、启动燃油喷射器；220、启动燃油供油管；230、通孔；240、高压电弧点火器；241、放电正极；242、放电负极；250、主燃油供油毛细管；260、蒸发管；270、进气孔；271、第一进气孔；272、第二进气孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述。

图1是本发明提供的微型涡轮喷气发动机点火系统的结构示意图。如图1所示，该点火系统包括点火控制模块、气体压缩子系统、电路子系统以及油路子系统，油路子系统包括油箱、油泵、油滤、启动油路子系统以及主油路子系统。

点火控制模块集成在发动机电子控制单元内，发动机上设置有温度传感器和转速传感器，所述温度传感器与所述转速传感器与点火控制模块电连接，点火控制模块根据温度传感器和转速传感器的反馈对所述气体压缩子系统、电路子系统以及油路子系统内元件的运行进行协调控制。

电路子系统包括电源、高频振荡器、升压器以及高压电弧点火器240，所述电源为直流电源，更具体的，所述直流电源为锂电池，电源提供的电能量经过高频振荡器及升压器后在高压电弧点火器240的放电正极241端部形成高电压。

气体压缩子系统包括启动电机、压气机以及扩压器10，启动电机带动压气机转动产生压缩气体，压缩气体经过扩压器10进一步增压后进入燃烧室20参与燃烧。

启动油路子系统包括启动油路电磁阀、增压装置以及启动燃油喷射器210，油箱中的燃油通过油泵、油滤后依次流经启动油路电磁阀、增压装置后进入启动燃油喷射器210中来进行点火阶段燃油的喷射。

主油路子系统包括主油路电磁阀，油箱中的燃油通过油泵、油滤后流经主油路电磁阀后进入主燃油供油毛细管250中进行燃油供给。

图2、图3、图4、图5、图6、图7是本发明实施例中提供的发动机主体结构示意图。如图2-图8所示，高压电弧点火器240和启动燃油喷射器210设置于发动机燃烧室20内，二者组成点火模块，相互配合对发动机进行点火。高压电弧点火器240包括放电正极241和放电负极242，放电正极241为针式电极，放电负极242为尖端结构并设置在放电正极241旁。本实施例中，燃烧室20底壁上设置有通孔230，放电正极241穿过通孔230伸入燃烧室20内，放电负极242设置于通孔230上，与燃烧室20为一体式结构。可选的，通孔230也可以设置在燃烧室20侧壁上。

高压电弧点火器240的放电原理为：电源提供的电能量经过高频振荡器及升压器后，在放电正极241顶部生成非常高的正电压，而由于放电负极242直接集成在燃烧室20上，燃烧室20通过螺钉等金属与发动机外壳相连，发动机外壳与地线相连，燃烧室20为零电势，因此在高压电弧点火器240的放电正极241和放电负极242之间就产生了一个比较大的电势差，放电正极241对放电负极242放电产生高压电弧。

由于高压电弧点火器240采用非接触式的尖端放电方式，电弧的电流和功耗很小，对点火器的损耗非常小，不仅能够节约能源，而且不影响点火器的使用寿命，提高了发动机整体的可靠性。

如图2-图4所示，启动燃油喷射器210设置于燃烧室20侧壁上，一端与启动燃油供油管220连接。发动机启动时，燃油经启动燃油供油管220流入启动燃油喷射器210中，并经由启动燃油喷射器210雾化后喷向高压电弧点火器240。启动燃油喷射器210相对燃烧室20侧壁倾斜设置，燃油喷射方向对准高压电弧点火器240，从而在点火过程中，启动燃油喷射器210中喷出的雾化燃油直接准确地喷射到高压电弧点火器240上，使得发动机的点火更加快速和容易，有效缩短点火时间。

燃烧室20内设置有多个蒸发管260和主燃油供油毛细管250，蒸发管260套设在主燃油供油毛细管250上。主燃油供油毛细管250与燃烧室20内部连通，用以在点火后为燃烧室20提供燃油。发动机点火后，蒸发管260在燃烧室20内的火焰包围下快速升温，燃油流入置于蒸发管260内的主燃油供油毛细管250时，能够迅速完成预热过程，并以雾化形态喷入燃烧室20中，从而更加有助于其在燃烧室20内的燃烧。

燃烧室20的侧壁上设置有若干进气孔270，燃烧室20外的气体经由进气孔270进入燃烧室20内并排出，通过冷热交换作用带走燃烧室20内的部分热量，从而能够降低壁面的温度，此外进气孔270还起到油气掺混的作用，使燃烧室20内燃烧更加均匀，从而使出口温度分布更加均匀。燃烧室20侧壁上的进气孔270包括从靠近燃烧室20的进气端至排气端依次设置的第一进气孔271和第二进气孔272，第一进气孔271呈V形排列，第二进气孔272的孔径大于第一进气孔271的孔径，从而使得燃烧室20的轴向上空气进入量更加均匀，有效提高燃烧效果。呈V形排列的第一进气孔271有利于增加燃烧室20的进气量，使得燃烧更加充分，提高燃烧效率，进而提高发动机在点火过程中的加速性能，同时有助于点火成功至发动机正常运转阶段的平稳过渡，提高了点火的稳定性。

如图7所示，在另一个实施例中，进气孔270的孔径从靠近燃烧室20的进气端至排气端逐渐增大，因为气体从进气端沿轴向流动的过程中，速度、量逐渐减小，而进气孔270的孔径逐渐增大，可以使燃烧室20的轴向上空气进入量更加均匀，有效提高燃烧效果。

传统的陶瓷点火器是利用其自身巨大的阻值发热产生高温点燃燃油，需要较长的预热和点火时间，且对发动机的安装角度有限制，例如点火器不能朝向地面，否则液体状燃油将额外受重力快速流经点火器，很难被点燃。相较于陶瓷点火器，本发明提供的点火系统通过启动燃油喷射器210将液体燃油雾化，小颗粒的燃油滴更易被点燃，同时高压电弧点火器240利用高压放电产生的电弧可在瞬间完成对雾化燃油的点火，无需预热过程；且由于燃油不断经由启动燃油喷射器210雾化喷出，在燃烧室20内可持续更大范围燃烧，从而能够快速增加进气量，完成快速点火；与此同时，由于高海拔地区的空气较为稀薄，氧气含量低，而进气量的增加可以有效提高氧气的供给量，从而满足发动机在高海拔地区的点火条件；此外，燃油喷射对发动机安装角度没有限制，实现了发动机在任意安装角度下的点火。

如图1所示，本发明微型涡轮喷气发动机快速点火系统的具体点火方法如下：

1)当点火指令发出后，在电路子系统中，电源提供的电能量经过高频振荡器以及升压器后，在高压电弧点火器240的放电正极241顶部产生一个非常高的正电压，放电正极241向放电负极242放电产生高压电弧。与此同时，点火控制模块控制启动电机开启，空气进入气体压缩子系统并经过压气机和扩压器10的增压后进入燃烧室20内。

2)在启动油路子系统中，点火控制模块控制启动油路电磁阀打开，油泵开始工作，油箱中的燃油通过油泵，并经过油滤进一步过滤后进入启动子油路系统，依次经过启动油路电磁阀、增压装置后通过启动燃油喷射器210将燃油以雾状形态准确喷射到高压电弧点火器240放电产生的电弧上。燃油在点燃前不需要进行预热，喷射后的燃油形成小颗粒的燃油滴，由于单个燃油滴的体积非常小，使其被成功点燃所需要的能量随之降低；同时，一定体积的燃油，喷射后形成雾状形态，小颗粒的燃油滴与燃烧室20内的空气能够充分接触，为其能够顺利被点燃提供了有利的条件；此外，雾状的燃油有利于扩散到整个燃烧室20中，使得点火成功后火焰面积变大，后续喷射的燃油更容易被点燃，同时提升了整体火焰的抗空气干扰能力，可以允许更大流量的空气进入燃烧室20参与燃烧。

3)在气体压缩子系统中，点火控制模块通过对启动电机转速的调节来控制进入发动机内部压缩空气的体积，温度传感器通过对排气温度的测量判断是否有火焰生成，一旦有火焰生成，点火控制模块控制启动电机迅速提升转速，带动压气机更快速转动，吸入并压缩更多的空气，使更多的压缩空气通过扩压器10进一步增压后进入燃烧室20参与燃烧，使燃烧更加剧烈，从而更快速地到达发动机的怠速点。

4)在主油路子系统中，随着进气量的增大，点火控制模块控制主油路电磁阀打开，更大量的发动机燃油依次通过油泵、油滤、主油路电磁阀进入主燃油供油毛细管250中。得益于启动燃油喷射器210使启动部分的燃油以雾状形态进入燃烧室20参与燃烧，使得燃烧室20内的火焰面积较大，能够更均匀地对分布在燃烧室20内的蒸发管260进行加热，由于蒸发管260已经在燃烧室20内的火焰包围下急剧升温，当燃油流入置于蒸发管260内的主燃油供油毛细管250时，能够迅速完成预热过程，并以雾化形态喷入燃烧室20中，更加有助于其在燃烧室20内的燃烧。

5)燃烧室20内的雾化燃油与压缩空气进行更加剧烈的燃烧，气体燃烧后膨胀，在排出发动机的过程中流经涡轮，带动涡轮加速转动，从而使发动机转子加速转动，发动机转速上升，压气机转速也同步上升，压缩空气也越来越多，燃烧越来越剧烈，直到发动机达到怠速，启动过程结束。

综上，本发明提供的点火装置采用高压电弧点火器240尖端放电产生电弧以及启动燃油喷射器210喷射雾化燃油相结合的方式进行点火，无需传统陶瓷加热棒点火中必须的预热过程，有效缩短点火时间；并且可以不受发动机安装角度的影响，实现了发动机在任意安装角度下的点火；同时该点火系统可以更加迅速地产生较大点火火苗，不用担心过大进气量对点火过程的影响，从而使高海拔点火得以实现；进一步的，由于采用了高电压低电流的尖端非接触式放电方式进行点火，可以有效减少能耗，节约能源，并减小点火器的损耗，延长点火器的使用寿命，提高发动机整体的可靠性。

本发明提供的点火系统同样可应用于微型涡轴发动机、微型涡桨发动机以及微型涡扇发动机。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种微型涡轮喷气发动机快速点火系统，包括点火控制模块、气体压缩子系统、电路子系统以及油路子系统，所述油路子系统包括油箱、油泵、油滤、启动油路子系统以及主油路子系统，其特征在于，所述电路子系统包括高压电弧点火器、电源、高频振荡器和升压器，所述电源提供的电能量经过所述高频振荡器及升压器后在所述高压电弧点火器的放电正极端部形成高电压；所述启动油路子系统包括启动燃油喷射器、启动油路电磁阀和增压装置，燃油通过油泵、油滤后依次流经所述启动油路电磁阀、增压装置后进入所述启动燃油喷射器中；所述高压电弧点火器以及所述启动燃油喷射器设置于发动机燃烧室内，所述高压电弧点火器包括放电正极和放电负极，所述放电正极为针式电极，所述放电负极为尖端结构并设置在所述放电正极旁，所述放电正极对所述放电负极放电产生高压电弧，所述高压电弧点火器与所述启动燃油喷射器相配合对发动机进行点火；所述燃烧室内设置蒸发管和主燃油供油毛细管，所述蒸发管套设于所述主燃油供油毛细管上，所述主油路子系统中包括主油路电磁阀，燃油通过油泵、油滤后流经所述主油路电磁阀后进入主燃油供油毛细管中；所述气体压缩子系统包括启动电机、压气机和扩压器，所述启动电机带动所述压气机转动产生压缩气体，压缩气体经过扩压器进一步增压后进入燃烧室参与燃烧；所述发动机上设有温度传感器和转速传感器，所述温度传感器与所述转速传感器与所述点火控制模块电连接，所述点火控制模块根据温度传感器和转速传感器的反馈对所述气体压缩子系统、电路子系统以及油路子系统内元件的运行进行协调控制。

2.根据权利要求1所述的微型涡轮喷气发动机快速点火系统，其特征在于，所述燃烧室的底壁或侧壁上设置通孔，所述放电负极设置于所述通孔上。

3.根据权利要求1所述的微型涡轮喷气发动机快速点火系统，其特征在于，所述启动燃油喷射器设置于所述燃烧室上，启动燃油喷射方向对准所述高压电弧点火器。

4.一种微型涡轮喷气发动机快速点火方法，其特征在于，所述点火方法采用如权利要求1所述的微型涡轮喷气发动机快速点火系统：

1)当点火指令发出后，直流电源向电路子系统提供电能量，通过高压电弧点火器尖端放电产生电弧；同时，通过气体压缩子系统向燃烧室内通入压缩空气；

2)启动油路子系统开启，通过启动燃油喷射器将燃油以雾状形态喷射到燃烧室内；

3)火焰生成后，更大量的压缩空气通过气体压缩子系统通入燃烧室内；

4)主油路子系统开启，燃烧室内设置蒸发管和主燃油供油毛细管，蒸发管套设于主燃油供油毛细管上，蒸发管在燃烧室内的火焰包围下急剧升温，当燃油流经置于蒸发管内的主燃油供油毛细管时迅速完成预热并以雾状形态喷入燃烧室内；

5)燃烧室内的雾化燃油与压缩空气进行更加剧烈的燃烧，燃烧后的气体带动涡轮加速转动，加快发动机的转速直至到达怠速点，发动机启动过程结束。