航空发动机点火系统的能量计算研究

刘力瑜 王新悦 杨宇鹏 孙兆荣

摘 要：针对目前航空发动机在使用过程中存在的点火不成功且难以发现的问题，根据点火系统的结构与工作原理，通过采用积分法对采集的火花电压和放电电流信号进行分析计算，得到点火系统的点火能量，为点火系统性能测试提供一种快速有效的方法，为点火器的维修提供一种方便快捷的手段。实验表明，积分法能更加准确的测算出点火系统在点火过程中释放的能量，这有利于准确判断点火系统的工作状况，及时排除隐患；也有利于降低成本，提高经济效益。

关键词：点火系统；电容储能；能量计算；积分法

中图分类号：V233.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0033-03

Abstract： In view of the problem that the ignition of aero-engine is unsuccessful and difficult to find， this paper is based on the structure and working principle of ignition system， and the collected spark voltage and discharge current signal are analyzed and calculated by integral method. The ignition energy of the ignition system is obtained， which provides a fast and effective method for the performance test of the ignition system and a convenient and fast method for the maintenance of the igniter. Experimental results show that the integration method can more accurately estimate the energy released in the ignition process， which is conducive to accurately judge the working status of the ignition system， timely eliminate hidden dangers， but also help to reduce costs and improve economic benefits.

Keywords： ignition system； capacitive energy storage； energy calculation； integral method

引言

目前，航空发动机在使用过程中存在着点火不成功却难以发现的问题，外场点火系统测试只能通过目视检测或用替代件更换原系统部件的方式实现测试及排故，这样做不仅成本太高，而且存在较大的人为不确定因素，为飞机的安全飞行埋下隐患。为此，通过对点火系统结构与工作原理的分析研究，设计一种对点火能量进行计算的优化算法，以点火过程中的能量值为指标来判断点火是否成功。这样，通过将点火问题量化，可以有效地避免目前存在的问题，节省物力财力，为点火系统的性能测试提供理论支持，更为飞机的安全飞行提供有力保障。

1 航空发动机点火系统点火激励器的结构及工作过程

根据能量变化原理的不同，点火系统可以分为电感储能式和电容储能式两种。电感储能式由电感线圈储存能量，储存的能量仅为几十毫焦耳，而且放电频率较高，不可控。而电容储能式储存的能量可达到十几焦耳，且放电频率较低，可控。因此，现代航空发动机点火系统基本采用电容储能式，故我们此次搭建的点火激励器是采用电容储能式的交流高频高压高能点火激励器。

航空发动机交流高频高压高能点火电路结构图如上图1所示，主要由交流升压模块、整流倍压储能模块、放电模块三部分构成。在点火激励器输入端所加的115V、400Hz的交流电经扼流圈L3后，通过升压变压器T1升压，可在次级绕组L2两端感应出高达2900V的高压交流电，再经整流电路和倍压电路处理后对储能电容C2进行充电。储能电容C2两端的电压持续上升，当达到放电管的阈值电压后，放电管SG电离导通，使电容C4、高频变压器T2的初级线圈和地之间通过导通的放电管SG形成高频振荡回路，从而有高频电流流过变压器T2的初级线圈，在高频变压器T2的次级线圈上感应出的高电压加到点火电嘴的两个电极之间，产生强烈的火花放电，工作时产生的电火花可点燃燃烧室或气缸内的混合可燃气体，完成点火过程。

2 放电能量的计算

2.1 根据电容上储存的总能量来计算放电能量

依據电容放电的原理，在不考虑外界因素对放电过程产生影响的条件下，理论计算电火花放电能量的计算式为

其中公式中：E总称为电容C2中储存的总能量，单位：焦耳J；C称为总电容，单位：法拉F；U称为充电过程结束后电容两端的电压，单位：福特V。由于在放电的过程中，电容不能完全将储存的电能放尽，并且电路中还存在着能量损耗等问题，故电容中储存的总能量要比电火花放电所释放的真实能量要大[1]。

通过借助Micro_cap软件对本实验所用的电路进行仿真，可得出充电结束后电容C2的电压大小，代入上式（1）可计算出放电过程中电容释放的能量大小约为E总=18J。

2.2 电火花放电过程中实际放电能量的计算

如上所述，一般而言，电容在放电过程中不可避免地会存在有能量损耗的问题，假设忽略外界因素对火花放电过程产生的影响，而只考虑放电过程结束后电容中残余的能量，则通过计算可得到电火花放电的能量，其计算公式[2][3]为

其中公式中：E1称为电容在放电过程结束后残余的能量，单位：焦耳J；Q2称为电容在放电过程结束后残余的电荷量，单位：库伦C；Q22称为在放电过程中电容转移的电荷量，单位：库伦C；Q21称为在电容中储存的总的电荷量，单位：库伦C；i（t）称为电容在放电过程中放电电路中电流的瞬时值，单位：安培A；E2称在该假设条件下电火花的实际放电能量，单位：焦耳J。

通过分析放电管被击穿后电容的放电过程，并结合基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）可知，在放电管击穿的瞬间电路中的各物理量满足下式

公式中：uc2（t）表示放电过程中电容C2两端电压的瞬时值，单位：福特V；i2（t）表示流过电容C2的电流瞬时值，单位：安培A； L5表示变压器T2的初级线圈，单位：亨特H；M表示变压器T2两线圈间的互感系数，单位：亨特H；uc4（t）表示电容C4两端的电压瞬时值，单位：福特V；i2（t）表示流过电容C4的电流瞬时值，单位：安培A；L4表示变压器T2的次级线圈，单位：亨特H；rg（t）表示火花动态电阻，单位：欧姆Ω。

借助MALTAB软件，结合式（5）和（6）对火花放电过程中电流数据进行仿真，仿真结果如下图2所示。

结合仿真结果，根据式（2）（3）（4），即可求得电火花放电过程中实际释放的能量E2=6.48J。

此小节在第一小节的基础上更加详细地分析了点火过程中的能量变化，所得的结果也更接近于实际值，且由式（4）可知，E1即为两种计算方法得到的电火花能量的差值，由此可求得电容的能量损耗率，即电容中残存的能量占其储存的总能量的百分比φ1=×100%=64%。可见，电容用于放电的能量不足其储存能量的一半，能量利用率较低。

2.3 积分法求放电全过程的能量

为了能够更准确的测量出放电过程释放的能量，参照国标GB/T1994[4]、欧盟标准EN13821：2002[5]、美国材料试验协会标准E2019-03[6]中提出的方法，通过对点火电嘴两端的电流和电压乘积的积分来直接计算整个过程中的放电能量，计算公式为

公式中：E称为电火花有效能量，单位：焦耳J；usp（t）称为火花放电时点火电嘴两端电压，单位：伏特V；t称为从电容刚刚开始放电到结束放电时所需的总时间，单位：秒s。

根据式（7），利用MALTAB仿真，可得出火花放电时能量变化情况以及释放的能量值E=9.049J，仿真结果如图3所示。

由于积分法全面考虑了电容中的残存能量和电路中的损耗能量，而且计算公式中所用的电压值和电流值均能通过实验测量而准确得到，因此，积分法求得的能量值与火花放电能量的真实值更接近，误差更小。采用积分法求得的放电全过程的能量E与上述第二步计算得到的电火花能量E2的差值即为电路中损耗能量E损，即E损=E-E2=2.569J。电路的能量损耗率，即电路中损耗的能量占电容储存的总能量的百分比φ2=×100%=14.3%。

3 结束语

本实验的目的在于提供一种航空发动机点火系统能量计算的方法，为点火系统的性能测试提供技术支持。本文根据点火系统的工作及结构原理，设计采用航空发动机实际使用的交流高频高压高能点火激励器为实验电路，分析研究了在放电过程中火花放电的能量变化情况，并借助Micro_cap与MATLAB软件进行了波形与数值的仿真。通过查阅相关文献资料[7][8]，采用积分法分三步来逐步求解计算点火过程中释放的能量值及对应的损耗大小。由于放电过程中高电压、大电流的影响，电路损耗较大而用于实际放电的能量较少。通过采集点火过程中电压、电流等参数的值，能够快速准确的测量出火花放电的能量，判断点火成功与否，大大提高工作的效率与准确性，为点火器的维修诊断提供技术理论支持。

参考文献：

[1]Eckhoff R K， Ngo M， Olsen W. On the minimum ignition energy（MIE） for propane/air[J]. Journal of Hazardous Materials， 2010，175（12）： 293-297.

[2]Shepherd J E， Bane S P M， Kwon E， et al. Statistical analysis of electrostatic spark ignition of lean H2/O2/Air mixtures[J].International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（7）：2344-2350.

[3]Ngo M. Determination of The minimum ignition energy of premixed propane/air[D].Bergen， Norway： University of Bergen，2009.

[4]GB/T 16428-1996，粉尘云最小着火能测定方法[S].国家技术监督局，1996.

[5]European Standard EN 13821：2002 Potentially explosive atmospheres， explosion prevention and protection， determination of minimum ignition energy of dust/air mixtures[S]. Comite Europeen de Normalisation（CEN），2002.

[6]Standards： E2019-02 Standard test method for minimum ignition energy of a dust cloud in air[S].American Society for Testing and Materials（ASTM），2002.

[7]刘庆明，汪建平，李磊，等.电火花放电能量及其损耗的计算[J].高压电技术，2014，40（4）：1255-1260.

[8]李宏光.航空点火器故障机理及測试方法研究[D].中国民航大学，2015.