CN117108402A - 一种多电极连续放电的火花放电发生装置 - Google Patents

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吴淑群
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Abstract

本申请公开了一种多电极连续放电的火花放电发生装置，涉及航空发动机点火领域，本申请设计的火花放电发生装置包括点火电路和多电极火花塞，多电极火花塞包括金属外壳以及设置在金属外壳内部的多个中心高压电极，本申请通过将多电极火花塞的设计参数与点火端面内部的电场不均匀系数匹配，以及设计点火电路，使得相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长，实现多个电极连续放电，使电弧火团能量更高，点火电弧与混合燃料的接触面积更大，燃烧室内被点燃的更均匀，能够有效降低火花塞失火率，提高发动机运行可靠性。

Description

一种多电极连续放电的火花放电发生装置
技术领域
本申请涉及航空发动机点火领域，尤其是一种多电极连续放电的火花放电发生装置。
背景技术
燃烧室是航空发动机的核心部件之一，其点火可靠性是燃烧室设计的基本性能要求，事关发动机启动与安全飞行。实际运行中，航空发动机点火往往涉及多种极端情况(空中熄火后重启，连续点火操作以及高原高寒条件下的启动)，给航空发动机点火的稳定性与可靠性带来了新的挑战。目前，民用航空器发动机多选用半导体火花塞用作燃烧室的点火器，半导体火花塞具有结构简单、可控性强、成本低等优点，配备相应的点火电路，共同组成航空发动机的点火装置，利用该点火装置产生足够温度、尺寸的高温火团，使得火焰传充满整个燃烧室内，进而保证航空发动机电点火的可靠完成。
现有的半导体火花塞多采用单电极结构，虽然操作简便但却具有火花放电能量转化率低，失火率高等缺点。
发明内容
本申请人针对上述提出的现有单电极火花塞点火装置能量转化率低，失火率高的技术问题及技术需求，提出了一种多电极连续放电的火花放电发生装置，本申请的技术方案如下：
火花放电发生装置包括点火电路和多电极火花塞，多电极火花塞包括金属外壳以及设置在金属外壳内部的n个中心高压电极，金属外壳接地并作为接地电极；n是整数参数且n≥2。
金属外壳内部形成有空心圆柱型的内腔，多个中心高压电极在金属外壳的内腔内对称设置，且中心高压电极与金属外壳之间填充有半导体材料，每个中心高压电极的规格相等且每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d均相等。
多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数f与多电极火花塞的设计参数匹配，且多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值，多电极火花塞的设计参数包括每个中心高压电极的半径r0以及每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d。
点火电路用于给多电极火花塞供电，使得每个中心高压电极与接地电极之间得到一条放电通道发生放电击穿，且相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长。
其进一步的技术方案为，确定多电极火花塞的设计参数包括：
基于多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值的设计目标，确定b/r0的取值范围，并根据金属外壳的半径R0以及中心高压电极的数量n确定满足b/r0的取值范围的每个中心高压电极的半径r0以及每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d；
其中，多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数的表达式为：Emax为多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的最大值，/>Eav为多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的平均值，/> 表示任意第i个中心高压电极在多电极火花塞的点火端面内部任意位置j处的电场强度，1≤j≤m，m是多电极火花塞的点火端面内部的位置总数且为整数参数；Ui为第i个中心高压电极的电压；q为正在发生放电击穿的中心高压电极的数量；
任意第i个中心高压电极在多电极火花塞的点火端面内部任意位置j处的电场强度其中，x为第i个中心高压电极与位置j的直线距离，b为第i个中心高压电极在沿着第i个中心高压电极至位置j的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离。
其进一步的技术方案为，点火电路包括直流电源、若干个并联且独立的RC回路和若干个气体放电管，每个RC回路分别对应一个中心高压电极，每个RC回路包括串联的分压电阻和储能电容，每个RC回路的分压电阻一端连接至直流电源的正极，各个RC回路的储能电容一端均连接金属外壳并接地，每个RC回路中的分压电阻和储能电容的公共端引出并连接一个气体放电管的一端，每个气体放电管的另一端连接对应的一个中心高压电极；
直流电源给各个RC回路中的储能电容充电，每个气体放电管两端的电压与所连接的RC回路中的储能电容两端的电压同步增长；当气体放电管两端的电压差未达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管处于断开状态，当气体放电管两端的电压差达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管击穿导通给所连接的中心高压电极供电。
其进一步的技术方案为，每个RC回路中还包括保护二极管，保护二极管的阳极连接直流电源的正极，保护二极管的阴极连接分压电阻。
其进一步的技术方案为，确定每个RC回路中分压电阻的阻值和储能电容的容值包括：
基于相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长的设计目标，确定每个RC回路中分压电阻的阻值R以及储能电容的容值C的乘积的取值范围，并确定满足乘积的取值范围的阻值R以及容值C；
其中，相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式为：其中，Δtmax为相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值，Un-1为第n-1击穿电极的击穿电压，xn-1为第n-1击穿电极与第n击穿电极之间的直线距离，bn-1为第n-1击穿电极在沿着第n-1击穿电极至第n击穿电极的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离，UA为直流电源的电压；
第n-1击穿电极是火花放电发生装置第n-1次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极，第n击穿电极是火花放电发生装置第n次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极。
其进一步的技术方案为，确定相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式包括：
确定火花放电发生装置第一次发生放电击穿时的击穿电压U1的表达式为其中，p为第一次发生放电击穿连接的气体放电管内的气压，γ为二次电子发射系数，A、B为与第一次发生放电击穿连接的气体放电管内的气体种类相关的实验常数；
确定任意第k+1击穿电极处的电场强度在任意第k击穿电极发生放电击穿后减小确定第k+1击穿电极发生放电击穿时的击穿电压Uk+1＝Uk+ΔUk，根据电容升压公式确定第k+1击穿电极进行放电击穿的击穿时刻与第k击穿电极进行放电击穿的击穿时刻之间的延时差为/>且正比于Uk，整数参数1≤k≤n-1；
确定当k＝n-1时Uk取得最大值，对应的延时差取得最大值为整理得到相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式：/>
其中，Uk为第k击穿电极的击穿电压，Uk+1为第k+1击穿电极的击穿电压，xk为第k击穿电极与第k+1击穿电极之间的直线距离，bk为第k击穿电极在沿着第k击穿电极至第k+1击穿电极的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离；
第k击穿电极是火花放电发生装置第k次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极，第k+1击穿电极是火花放电发生装置第k+1次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极。
其进一步的技术方案为，任意一个中心高压电极的偏移距离d≤b≤R+δ，δ是每个中心高压电极的中心与金属外壳的中心之间的电极偏心距离，金属外壳的半径R0的取值范围为6.5mm～9mm，电极偏心距离δ的取值范围为2mm～4mm且R0/δ的取值范围为3～4；每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d的取值范围为4mm～7mm，每个中心高压电极的半径r0的取值范围为0.5mm～1.5mm，且d/r0的取值范围为6～10，b/r0的取值范围为6～12，且任意两个中心高压电极的中心之间的距离大于3mm。
其进一步的技术方案为，中心高压电极与金属外壳之间填充的半导体材料的深度范围为1mm～3mm、电导率范围为10-6S/m～105S/m、电阻阻值范围为0.3Ω～0.75Ω、电容容值范围为20pF～4-pF。
其进一步的技术方案为，每个RC回路中分压电阻的阻值R的取值范围为1kΩ～3kΩ、储能电容的容值C的取值范围为0.1μF～5.5μF，分压电阻的阻值R以及储能电容的容值C的乘积的取值范围为2.5×10-4kΩ·μF～2×10-3kΩ·μF。
其进一步的技术方案为，每个气体放电管的击穿电压的电压范围为150V～4000V、最大耐流值大于15kA、电容容值的取值范围为1pF～10pF；每个保护二极管的反向耐压值大于1.5kV、最大耐流值大于10A。
本申请的有益技术效果是：
本申请设计的多电极火花塞结构，点火端面设置有多个中心高压电极和点火电路，可以实现多个电极连续放电，使电弧火团能量更高，点火电弧与混合燃料的接触面积更大，燃烧室内被点燃的更均匀，能够有效降低火花塞失火率，提高发动机运行可靠性。
本申请通过将多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数与多电极火花塞的设计参数匹配，削弱了电离区内粒子无规律产生和传输对电场均匀性的影响，使得电场不均匀系数小于预定阈值，减小火花塞的点火端面因离子的非均匀传输对电流密度的影响，使得各个中心高压电极具有较高的均匀度，更好的实现多电极连续放电。
本申请还设计了点火电路，通过控制点火电路元器件的参数，使得每个中心高压电极与接地电极之间得到一条放电通道发生放电击穿，且相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长，进一步保证了火花放电发生装置多通道放电的连续性。且通过点火电路的调控，使得每个中心高压电极处于等电位状态，相互之间不易发生放电击穿。
本申请的点火电路包括多个并联独立的RC回路，与传统火花塞单储能电路结构相比，在电容总能量相同时，本申请中单个电容储能更少，使电容器件体积更小，充能速率更快，可以降低对耐压值的要求，简化电路结构的复杂性；另外，小容量电容供能时，其元件中剩余能量所占电容总储能的比例更小，能够降低电能损耗率，有效提高火花塞电火花能量的利用效率。同时本申请的点火电路设计了单向导通的二极管保护器件，可有效防止电路短路。
附图说明
图1是本申请一个实施例中的火花放电发生装置的整体结构示意图。
图2是本申请一个实施例中的火花放电发生装置的径向截面示意图。
图3是本申请一个实施例中的火花放电发生装置的电路原理图。
图4是本申请一个实施例中的火花放电发生装置的点火端面示意图。
图5是本申请一个实施例中的火花放电发生装置的参数示意图。
附图标记：1、第一中心高压电极；2、第二中心高压电极；3、金属外壳；4、半导体材料；5、接线口。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
如图1和图2所示，本申请的一种多电极连续放电的火花放电发生装置包括点火电路和多电极火花塞，多电极火花塞包括金属外壳3以及设置在金属外壳3内部的n个中心高压电极，金属外壳3接地并作为接地电极；n是整数参数且n≥2。金属外壳3内部形成有空心圆柱型的内腔，多个中心高压电极在金属外壳的内腔内对称设置，且中心高压电极与金属外壳之间填充有半导体材料4，每个中心高压电极的规格相等且每个中心高压电极与金属外壳3之间的距离d均相等。每个中心高压电极的一端在多电极火花塞的点火端面处外露、另一端通过接线口5连接至点火电路。在一个实施例中，有两个中心高压电极，分别为第一中心高压电极1和第二中心高压电极2，两个中心高压电极对称分布于金属外壳的内腔内。
在本实施例中，中心高压电极为针尖状或棒状，中心高压电极和金属外壳为钨基不锈钢合金。可选的，半导体材料为以二氧化钛为主要成分的陶瓷半导体。
半导体材料的作用是，电流通过中心高压电极、经过半导体材料时发生电子逸出现象，电子在电场的作用下加速运动，促进电子崩的形成，进而促进中心高压电极发生放电击穿。
点火电路包括直流电源、若干个并联且独立的RC回路和若干个气体放电管，每个RC回路分别对应一个中心高压电极，每个RC回路包括串联的分压电阻和储能电容，每个RC回路的分压电阻一端连接至直流电源的正极，各个RC回路的储能电容一端均连接金属外壳并接地，每个RC回路中的分压电阻和储能电容的公共端引出并连接一个气体放电管的一端，每个气体放电管的另一端连接对应的一个中心高压电极的接线口。
气体放电管的作用是作为电路开关，当气体放电管两端电压小于击穿电压时，气体放电管不工作，开关断开，当气体放电管两端电压大于等于击穿电压时，气体放电管工作，开关导通。
在一个实施例中，每个RC回路中还包括保护二极管，保护二极管的阳极连接直流电源的正极，保护二极管的阴极连接分压电阻。保护二极管的作用是，防止单个中心高压电极发生放电击穿时，其他中心高压电极对应的RC支路短路而不再发生放电击穿。可选的，保护二极管的反向耐压值范围大于1.5kV、最大耐流值大于10A。
在一个实施例中，如图3所示，当多电极火花塞M中有两个中心高压电极时，对应两条RC回路和直流电源S，一条RC回路包括串联的保护二极管D1、分压电阻R1和储能电容C1，以及分压电阻R1和储能电容C1的公共端引出并连接的气体放电管K1；另一条RC回路包括串联的保护二极管D2、分压电阻R2和储能电容C2，以及分压电阻R2和储能电容C2的公共端引出并连接的气体放电管K2。
点火电路用于给多电极火花塞供电，使得每个中心高压电极与接地电极之间得到一条放电通道发生放电击穿，且相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长。
直流电源给各个RC回路中的储能电容充电，每个气体放电管两端的电压与所连接的RC回路中的储能电容两端的电压同步增长；当气体放电管两端的电压差未达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管处于断开状态，当气体放电管两端的电压差达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管击穿导通给所连接的中心高压电极供电。
本申请火花放电发生装置的工作原理为：直流电源持续为储能电容充电，直至储能电容两端电压达到击穿电压，气体放电管工作，点火电路导通，该储能电容对应的中心高压电极与金属外壳之间形成放电通道，产生电火花。
由于本申请的火花放电发生装置具有多个中心高压电极，且偏离金属外壳的中心轴线，因此火花塞点火端面内部各个中心高压电极处的电场强度分布不均匀，会出现电场强度最强的火花塞最先放电击穿的情况，使得多个中心高压电极出现放电延时差。
为了使得本申请的火花放电发生装置实现连续放电，提高点火效率，需对该装置的参数进行设计，达到两个设定目标，包括：
1、多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值
如图4所示为一个实施例中采用两个中心高压电极的点火端面示意图，基于多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值的设计目标，确定b/r0的取值范围，并根据金属外壳的半径R以及中心高压电极的数量n确定满足b/r0的取值范围的每个中心高压电极的半径r0以及每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d。
其中，任意一个中心高压电极的偏移距离b的取值范围为d≤b≤R+δ，δ是每个中心高压电极的中心与金属外壳的中心之间的电极偏心距离。示例性的，预定阈值为2。
多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数的表达式为：Emax为多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的最大值，/>Eav为多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的平均值，/> 表示任意第i个中心高压电极在多电极火花塞的点火端面内部任意位置j处的电场强度，1≤j≤m，m是多电极火花塞的点火端面内部的位置总数且为整数参数，Ui为第i个中心高压电极的电压；q为正在发生放电击穿的中心高压电极的数量。
在一个实施例中，大多数时刻只有一个中心高压电极在发生放电击穿，q＝1；少部分时刻存在两个中心高压电极同时发生放电击穿，q＝2；三个及三个以上中心高压电极同时发生放电击穿的情况较少出现。q的取值可通过计算相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差得到。
任意第i个中心高压电极在多电极火花塞的点火端面内部任意位置j处的电场强度其中，x为第i个中心高压电极与位置j的直线距离，b为第i个中心高压电极在沿着第i个中心高压电极至位置j的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离。如图5所示为参数b、x示意图。
本申请通过控制电场不均匀系数小于预定阈值，减小火花塞的点火端面因离子的非均匀传输对电流密度的影响，使得各个中心高压电极具有较高的均匀度，更好的实现多电极连续放电。
2、相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长
确定火花放电发生装置第一次发生放电击穿时的击穿电压U1的表达式为其中，p为第一次发生放电击穿连接的气体放电管内的气压，γ为二次电子发射系数，A、B为第一次发生放电击穿连接的气体放电管内的气体种类相关的实验常数。
在一个实施例中，由于电场不均匀系数小于2，电场在放电击穿前无可见电晕，电晕产生起始条件即为间隙击穿条件，确定多电极火花塞的点火端面内部的电场强度在第一次发生放电击穿时为电晕起始场强且由于第n击穿电极会对第一击穿电极的电场产生削弱，因此在第n-1击穿电极发生放电击穿后第n击穿电极减少的电场强度等于第n-1击穿电极放电击穿后增加的电场强度。第n-1击穿电极是火花放电发生装置第n-1次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极，第n击穿电极是火花放电发生装置第n次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极。
由于第n-1击穿电极发生放电击穿后改变了火花塞点火端面的电场分布，减小了第n击穿电极处的电场强度，因此第n击穿电极无法达到电晕起始场强E0，需要施加更高的电压才能实现放电击穿。在本实施例中，确定任意第k+1击穿电极处的电场强度在任意第k击穿电极发生放电击穿后减小确定第k+1击穿电极发生放电击穿时的击穿电压Uk+1＝Uk+ΔUk，/>
已知电容升压公式为其中，U(t)为储能电容在t时刻的电压，UA为直流电源的电压。当储能电容达到第k击穿电极发生放电击穿时的击穿电压Uk时，当储能电容达到第k+1击穿电极发生放电击穿时的击穿电压Uk+1时，根据电容升压公式确定第k+1击穿电极进行放电击穿的击穿时刻与第k击穿电极进行放电击穿的击穿时刻之间的延时差为且正比于Uk，整数参数1≤k≤n-1。
确定当k＝n-1时Uk取得最大值，对应的延时差取得最大值为整理得到相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式：/>
其中，Uk为第k击穿电极的击穿电压，Uk+1为第k+1击穿电极的击穿电压，xk为第k击穿电极与第k+1击穿电极之间的直线距离，bk为第k击穿电极在沿着第k击穿电极至第k+1击穿电极的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离，Δtmax为相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值，Un-1为第n-1击穿电极的击穿电压，xn-1为第n-1击穿电极与第n击穿电极之间的直线距离，bn-1为第n-1击穿电极在沿着第n-1击穿电极至第n击穿电极的射线方向上与金属外壳之间的偏移距离。
第k击穿电极是火花放电发生装置第k次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极，第k+1击穿电极是火花放电发生装置第k+1次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极。
火花放电发生装置在实际工作时，由于每个中心高压电极的电场强度随距离增大而减小，因此当一个中心高压电极发生放电击穿后，距离其越远的中心高压电极最易达到放电击穿条件，通过分析公式中xk和bk对延时差Δtk的影响也可得出，xk和bk越大，延时差Δtk越小。
通过分析延时差Δtk的公式可知，每次放电击穿的击穿电压不断增加，且相邻两次放电击穿的延时差Δtk与击穿电压Uk成正比，因此，当装置设计参数固定时，相邻两次放电击穿的延时差随着时间增加而呈增加趋势，因此相邻两次放电击穿的延时差的最大值为最后两次放电击穿之间的延时差。
基于相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长的设计目标，确定每个RC回路中分压电阻的阻值R以及储能电容的容值C的乘积的取值范围，并确定满足乘积的取值范围的阻值R以及容值C。在一个实例中，火花塞的电弧持续时长为10微秒，则需保证本申请的相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值Δtmax小于10微秒。
在一个实施例中，每个RC回路中分压电阻的阻值R以及储能电容的容值C的乘积的取值范围为2.5×10-4kΩ·μF～2×10-3kΩ·μF。可选的，每个RC回路中分压电阻的阻值R的取值范围为1kΩ～3kΩ、储能电容的容值C的取值范围为0.1μF～5.5μF。
本申请通过合理设计分压电阻和储能电容的参数，控制储能电容电压上升速度，使得相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长，提高了多通道放电的连续性，大大提高了点火效率。
在一个实施例中，在满足上述两个设定目标的情况下设计得到一个火花放电发生装置。示例性的，金属外壳的半径R0的取值范围为6.5mm～9mm，电极偏心距离δ的取值范围为2mm～4mm且R0/δ的取值范围为3～4；每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d的取值范围为4mm～7mm，每个中心高压电极的半径r0的取值范围为0.5mm～1.5mm，且d/r0的取值范围为6～10，b/r0的取值范围为6～12，且任意两个中心高压电极的中心之间的距离大于3mm。示例性的，半导体材料的深度范围为1mm～3mm、电导率范围为10-6S/m～105S/m、电阻阻值范围为0.3Ω～0.75Ω、电容容值范围为20pF～40pF。示例性的，气体放电管的击穿电压范围为150V～4000V、最大耐流值大于15kA、电容容值的取值范围为1pF～10pF。
在一个实例中，金属外壳的半径R0为9mm，电极偏心距离δ为3mm，R0/δ为3，每个中心高压电极的半径r0为1mm，每个中心高压电极与金属外壳之间的距离d为6mm，d/r0为6，任意两个中心高压电极的中心之间的距离为4mm。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多电极连续放电的火花放电发生装置，其特征在于，所述火花放电发生装置包括点火电路和多电极火花塞，所述多电极火花塞包括金属外壳以及设置在所述金属外壳内部的n个中心高压电极，所述金属外壳接地并作为接地电极；n是整数参数且n≥2；
所述金属外壳内部形成有空心圆柱型的内腔，所述多个中心高压电极在所述金属外壳的内腔内对称设置，且中心高压电极与所述金属外壳之间填充有半导体材料，每个中心高压电极的规格相等且每个中心高压电极与所述金属外壳之间的距离d均相等；
所述多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数f与所述多电极火花塞的设计参数匹配，且所述多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值，所述多电极火花塞的设计参数包括每个中心高压电极的半径r0以及每个中心高压电极与所述金属外壳之间的距离d；
所述点火电路用于给所述多电极火花塞供电，使得每个中心高压电极与所述接地电极之间得到一条放电通道发生放电击穿，且相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长。
2.根据权利要求1所述的火花放电发生装置，其特征在于，确定所述多电极火花塞的设计参数包括：
基于所述多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数小于预定阈值的设计目标，确定b/r0的取值范围，并根据所述金属外壳的半径R0以及中心高压电极的数量n确定满足b/r0的取值范围的每个中心高压电极的半径r0以及每个中心高压电极与所述金属外壳之间的距离d；
其中，所述多电极火花塞的点火端面内部的电场不均匀系数的表达式为：Emax为所述多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的最大值，/>Eav为所述多电极火花塞的点火端面内部的电场强度的平均值，/> 表示任意第i个中心高压电极在所述多电极火花塞的点火端面内部任意位置j处的电场强度，1≤j≤m，m是所述多电极火花塞的点火端面内部的位置总数且为整数参数；Ui为所述第i个中心高压电极的电压；q为正在发生放电击穿的中心高压电极的数量；
任意第i个中心高压电极在所述多电极火花塞的点火端面内部任意位置j处的电场强度其中，x为第i个中心高压电极与位置j的直线距离，b为所述第i个中心高压电极在沿着第i个中心高压电极至位置j的射线方向上与所述金属外壳之间的偏移距离。
3.根据权利要求1所述的火花放电发生装置，其特征在于，所述点火电路包括直流电源、若干个并联且独立的RC回路和若干个气体放电管，每个RC回路分别对应一个中心高压电极，每个RC回路包括串联的分压电阻和储能电容，每个RC回路的分压电阻一端连接至所述直流电源的正极，各个RC回路的储能电容一端均连接所述金属外壳并接地，每个RC回路中的分压电阻和储能电容的公共端引出并连接一个气体放电管的一端，每个气体放电管的另一端连接对应的一个中心高压电极；
所述直流电源给各个RC回路中的储能电容充电，每个气体放电管两端的电压与所连接的RC回路中的储能电容两端的电压同步增长；当气体放电管两端的电压差未达到所述气体放电管的击穿电压时，所述气体放电管处于断开状态，当所述气体放电管两端的电压差达到所述气体放电管的击穿电压时，所述气体放电管击穿导通给所连接的中心高压电极供电。
4.根据权利要求3所述的火花放电发生装置，其特征在于，每个RC回路中还包括保护二极管，所述保护二极管的阳极连接所述直流电源的正极，所述保护二极管的阴极连接所述分压电阻。
5.根据权利要求3所述的火花放电发生装置，其特征在于，确定每个RC回路中分压电阻的阻值和储能电容的容值包括：
基于相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值小于电弧持续时长的设计目标，确定每个RC回路中分压电阻的阻值R以及储能电容的容值C的乘积的取值范围，并确定满足所述乘积的取值范围的阻值R以及容值C；
其中，相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式为：其中，Δtmax为相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值，Ui-1为第n-1击穿电极的击穿电压，xn-1为第n-1击穿电极与第n击穿电极之间的直线距离，bn-1为第n-1击穿电极在沿着第n-1击穿电极至第n击穿电极的射线方向上与所述金属外壳之间的偏移距离，UA为直流电源的电压；
所述第n-1击穿电极是所述火花放电发生装置第n-1次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极，所述第n击穿电极是所述火花放电发生装置第n次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极。
6.根据权利要求5所述的火花放电发生装置，其特征在于，确定相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式包括：
确定所述火花放电发生装置第一次发生放电击穿时的击穿电压U1的表达式为其中，p为第一次发生放电击穿连接的气体放电管内的气压，γ为二次电子发射系数，A、B为与第一次发生放电击穿连接的气体放电管内的气体种类相关的实验常数；
确定任意第k+1击穿电极处的电场强度在任意第k击穿电极发生放电击穿后减小确定所述第k+1击穿电极发生放电击穿时的击穿电压Uk+1＝Uk+ΔUk，根据电容升压公式确定第k+1击穿电极进行放电击穿的击穿时刻与第k击穿电极进行放电击穿的击穿时刻之间的延时差为/>且正比于Uk，整数参数1≤k≤n-1；
确定当k＝n-1时Uk取得最大值，对应的延时差取得最大值为整理得到相邻两次放电击穿的击穿时刻之间的延时差的最大值的表达式：/>
其中，Uk为第k击穿电极的击穿电压，Uk+1为第k+1击穿电极的击穿电压，xk为第k击穿电极与第k+1击穿电极之间的直线距离，bk为第k击穿电极在沿着第k击穿电极至第k+1击穿电极的射线方向上与所述金属外壳之间的偏移距离；
所述第k击穿电极是所述火花放电发生装置第k次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极，所述第k+1击穿电极是所述火花放电发生装置第k+1次发生放电击穿的放电通道对应的中心高压电极。
7.根据权利要求2所述的火花放电发生装置，其特征在于，任意一个中心高压电极的偏移距离d≤b≤R+δ，δ是每个中心高压电极的中心与所述金属外壳的中心之间的电极偏心距离，所述金属外壳的半径R0的取值范围为6.5mm～9mm，电极偏心距离δ的取值范围为2mm～4mm且R0/δ的取值范围为3～4；每个中心高压电极与所述金属外壳之间的距离d的取值范围为4mm～7mm，每个中心高压电极的半径r0的取值范围为0.5mm～1.5mm，且d/r0的取值范围为6～10，b/r0的取值范围为6～12，且任意两个中心高压电极的中心之间的距离大于3mm。
8.根据权利要求7所述的火花放电发生装置，其特征在于，所述中心高压电极与所述金属外壳之间填充的半导体材料的深度范围为1mm～3mm、电导率范围为10-6S/m～105S/m、电阻阻值范围为0.3Ω～0.75Ω、电容容值范围为20pF～4-pF。
9.根据权利要求4所述的火花放电发生装置，其特征在于，每个RC回路中分压电阻的阻值R的取值范围为1kΩ～3kΩ、储能电容的容值C的取值范围为0.1μF～5.5μF，所述分压电阻的阻值R以及所述储能电容的容值C的乘积的取值范围为2.5×10-4kΩ·μF～2×10-3kΩ·μF。
10.根据权利要求9所述的火花放电发生装置，其特征在于，每个所述气体放电管的击穿电压的电压范围为150V～4000V、最大耐流值大于15kA、电容容值的取值范围为1pF～10pF；每个所述保护二极管的反向耐压值大于1.5kV、最大耐流值大于10A。
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