数字变频控制点火装置分析

闫东东,肖 峻,赵 军,冯建昌

(1.天津大学 电气自动化与信息工程学院,天津 300072;2.天津航空机电有限公司,天津 300308)

0 引言

发动机的启动需要点火系统引燃燃油作为能量起始。点火装置一般与点火电缆、点火电嘴组成点火系统,工作过程是:点火装置接通电源,产生高压脉冲,通过点火电缆传输,在点火电嘴表面产生击穿放电,电火花点燃发动机燃烧室内的空气燃油混合气体[1]。

发动机必须具备可靠的地面和空中点火能力,这取决于点火系统的可靠性和安全性。传统的模拟电路点火装置工作过程中输出参数稳定性差,受环境影响大。例如,当发动机在高原高空环境下启动时,由于海拔高度增加,空气变得稀薄,点火时燃烧室内的空气流量存在不同程度的下降,燃烧条件变恶劣;同时燃油流量下降且雾化效果变差,燃烧室内的流场结构、流场内的气体流速、火焰形态会发生很大变化,导致引燃困难或熄灭等风险[2-3]。因此,确保航空发动机在高原高空等恶劣条件下的高可靠点火性能变得尤为关键。同时,随着作战需求的不断变化和新战机对全天候作战性能要求的提高,对点火系统的设计、研制、生产也提出了持续工作、寿命长、可靠性高等要求。

为解决航空发动机点火装置输出参数稳定性差和受环境影响大等问题,美国点火系统制造商率先开展了固态点火装置的研究。Unison公司在20世纪90年代首次成功研制出数字固态点火装置,采用固态器件代替机电触点和气体放电管,大幅提高了放电频率的稳定性和工作可靠性。1994年开始,Unison公司的数字固态点火装置逐渐在新型航空发动机和辅助动力装置中应用[4]。Champion公司在2000年后也开始了数字固态点火装置的研制,随着电子器件的快速发展,数字固态点火装置的技术和研制也取得了突破,如更耐高温、质量更轻、体积更小、工作可靠性更高等[5]。目前Unison公司和Champion公司已发展成为美国最大的两家航空点火系统制造商,凭借多年的技术优势,其点火产品的应用覆盖了欧美国家大多数航空发动机和辅助动力装置。

国内的航空发动机点火装置仍以机电触点原理和模拟电路为主,其放电频率和放电火花能量受环境温度和工作电压影响较大。为此,文献[6]提出了一种采用晶体管RCC模拟电路的点火装置设计方案,该方案原理简单,制造工艺成熟,应用较广;但受制于半导体器件工作特性,当工作电压、工作温度变化时,其放电频率会发生较大波动,且短时工作时间仅为10～20 s。为此,文献[7]提出了一种采用数字定频输出的它激式点火装置设计方案,其振荡电路采用PWM控制MOSFET变换器工作,同时通过储能充电电路增加了反馈系统,这种点火装置输出参数相对稳定,能够在高低温环境下实现定频输出,近年来在部分发动机上也有了应用,点火可靠性也有了提升,但只能实现额定频率输出,同样无法实现连续工作输出;在恶劣环境工况下发生启动困难或发动机熄火等故障。为此,文献[8]针对现有点火装置提出了一种具备放电频率延时切换功能的点火装置改进设计方案,采用RC振荡器原理实现放电频率切换,但只能实现3～5 s内的切换,不能实现精确控制,不能完全满足发动机在高空高原复杂环境下点火时间延长的需求,仍存在引燃困难或熄灭等风险,且该技术原理目前仍在预研阶段[9],尚未工程化应用。

综上,我国现有模拟电路点火装置存在放电频率波动较大问题,新的数字点火装置存在不能长时工作问题,均存在导致发动机点火过程中的可靠性降低,带来引燃效率不高进而导致发动机点火故障的风险[10]。为此,本文提出了一种基于数字变频连续输出技术原理的点火装置设计方案,并成功研发出点火装置。实现了宽电压范围内放电频率和放电电压稳定输出,具有放电火花持续时间长和变频连续输出的优点,大幅提高了发动机引燃效率、降低了熄灭风险,点火可靠性得到明显提升。

本文点火装置是国内首台已成功装机应用的具备变频连续点火能力的数字点火装置。点火装置已随发动机完成设计鉴定,为某型发动机独立配套。实际应用表明,本文点火装置能满足地面启动、空中启动和高原等复杂气候环境下的高可靠点火工作。

1 工作原理

点火装置通用工作原理框图如图1所示。接通10～30 V直流电源后,将机上直流电通过滤波电路、MOS开关电路、PWM控制电路将低压直流电变换为高压脉冲电。经过储能电路对储能电容器充电;电容器充电电压达到阈值电压后,PWM控制电路中的触发模块发出信号驱动晶闸管开关电路进行放电[11];经放电电路传导给点火电嘴,在点火电嘴表面形成电火花,电火花点燃发动机燃烧室内空气和燃油的混合气。

图1 点火装置通用工作原理框图

2 电路设计

2.1 点火电路原理

点火装置电路简化原理图如图2所示。

图2 点火电路简化原理图

电路中主要变换部分是直流变换器。当电源接通后,MOS管导通,由于变压器T1初级线圈W1的电感特性,初级回路中的电流从0逐渐增长[12]。

忽略MOS管导通压降、初级线圈漏感等有关参数,初级电路的方程为

(1)

式中:U1为电源电压;L1为初级线圈W1中的电感值;R1为初级线圈W1的电阻值。

MOS管导通时,初级电路中电流Ic以指数规律增长,表达式为

(2)

(3)

(4)

MOS管关断时,次级线圈W2通过整流二极管V2向储能电容器C2充电,使原有的电磁能转换为静电能[13-15]。

初级平均电流为

(5)

将图2中的变压器T1按等效折算电压电流的方法考虑[16],忽略漏感和效率损失等有关参数影响,得到等效电路模型,如图3所示。

图3 充电电路简化原理图

图中R1为初级线圈W1的内阻,R21为次级线圈内阻R2折算到初级的等效值(R21=R2/n2,R21为次级线圈内阻,n为匝比),C21为次级储能电容器C2电容量折算到初级的等效值,C21=n2C2。

MOS关断时,L1因其电感特性,以关断时的电流Icm为后端储能电容充电,L1上的感应电压由负载端决定。由于二极管的单向特性,储能电容器只能充电不能放电,所以电压电流随时间变化的特性只能表现在电感电流由Icm降为0的时间段内。然后二极管关断,MOS管又开始导通。

(6)

(7)

(8)

储能电容第一次充电时间t1为

(9)

MOS管第二次关断时,继续对储能电容器充电,电容器上已有电压为Uct1,第二次充电后电容电压Uct2计算式为:

(10)

(11)

电容二次充电时间t2计算式为

(12)

(13)

2.2 频率控制电路设计

2.2.1 频率发生器电路

点火装置的放电频率为变频设计,发动机设计要求值由6 Hz变为1 Hz。采用分频器(计数)电路实现频率控制[17],本电路设计主要采用一个24级二进制纹波计数器实现,可以自激振荡或外加时钟频率,适用于构成各种可编程分频器。

通过配置外围电路(如图4所示),当分频器的A(第9引脚)、B(第10引脚)、C(第11引脚)、D(第12引脚)引脚触发编码确定时,其输出频率由外围的RC振荡电路决定(4引脚与5引脚之间的电容C2、电阻R1、R3),本电路频率输出设计值要求不小于发动机设计要求值(6 Hz),即通过分频器构成的频率控制电路设计,使得分频器13引脚输出不小于6 Hz的方波信号,以用于控制关联电路。

图4 频率发生器电路

为保证放电频率f>6 Hz,根据电路原理,需要调整控制放电频率的分频器13引脚输出频率大于6 Hz,根据MC14536B芯片手册,分频器13引脚的输出频率f和振荡频率fosc之间的表达式为f=fosc/212,由分频器外部的R1、R3和C2共同决定,即

(14)

式中RT为R1、R3并联后阻值,且

(15)

2.2.2 变频放电控制电路

变频放电控制电路主要是通过计数器原理[18],实现在规定时间内的由6 Hz到1 Hz放电频率的切换。图5中是一种8位可预置同步二进制减法计数器芯片,通过配置外围电路可实现预置值为200的减法计数器功能。计数器14引脚输出高电平,时钟信号端2引脚接收方波信号开始计数,接收一个上升沿信号计数器减1,直到将预置值200减到0,14引脚输出由高电平变为低电平。此时频率发生器电路分频器的A、B、C、D由原来的1100变为1010。同时R1、R3由原来的并联接入变为R1单独接入。通过这样的电路连接,分频器的输出放电频率由额定的6 Hz变为1 Hz左右。

图5 变频放电控制电路

计数200次后,计数器14引脚输出低电平,MOS管关断,只有R3接入电路,同时分频器配置引脚变为1010,对应214,此时有:

(16)

(17)

2.3 放电控制电路设计

放电控制电路采用晶闸管开关替代现有点火装置中寿命短、可靠性较低的气体放电管,气体放电管因其原理特性,击穿电压分散性较大(通常为±20%),且寿命较短。图6所示为放电控制电路原理图,S1晶闸管为放电开关,R6为保护电阻,R7电阻用于充电监测取样,当储能电容器C16达到规定充电电压后,触发后级电路工作,完成能量释放。

图6 放电控制电路

图6中,储能电容器C16达到规定充电电压后,比较器输出触发信号,S4晶闸管导通,T2触发变压器开始工作,S1晶闸管导通,能量释放输出,比较器复位,进行下一周期的充放电工作,放电控制电路可以实现放电电压的稳定输出,从而减少放电过程中的能量损耗。

3 仿真与测试

本文点火装置在装机应用前通过了135 min时长的持续点火工作性能考核,能够满足每架次工作时长(1～2 h)的使用要求。按GJB 150.1A标准完成了高低温(-55～125 ℃)、低气压、湿热、霉菌、盐雾、振动、冲击等环境适应性考核[19],本文点火装置均能正常工作。

本节详细介绍充电电路波形仿真、放电频率、放电输出电压等关键性能参数的测试验证。

3.1 充电电路仿真

点火装置通过MOS管的开关信号,使得变压器T1周期性地导通与截止,实现了直流—交流转换,通过变压器T1的反激特性,对储能电容进行周期性充电,采用Saber软件对充电波形进行仿真,结果如图7所示。

图7 储能电容器充电波形

由图7可见,储能电容器按设定频率周期性充电,每个周期内的充电峰值电压为2.8 kV。

根据要求工作电压(直流)为10～30 V,现通过设置工作电压为10 V、28 V、30 V时,测试电容充电的时间,如图8所示。不同工作电压下电容器充电时间如表1所示。

表1 不同工作电压下电容器充电时间

图8 不同工作电压下储能电容器充电状态

由图8和表1可见,在10～30 V范围内,本文点火装置均能在发动机设计要求值6 Hz对应时间166.67 ms内完成充电。

3.2 放电频率测试

点火装置在规定时间内完成储能电容器高压脉冲电能的充放,并周期性进行,此为点火装置高压脉冲电能的输出频率,即放电频率,测试结果见表2。

表2 放电频率测试

从表2可知,本文装置在不同工作电压下的放电频率稳定,可以实现放电频率启动时为6 Hz、启动后自动变换为1 Hz的功能,在10～30 V工作电压范围内放电频率浮动在0.5 Hz以内,放电频率波动率[波动率=(频率最大值-频率最小值)/频率最小值]约为7%。

3.3 放电输出电压测试

放电输出电压为点火装置高压脉冲电能输出的峰值电压,当点火装置储能电容器达到规定充电电压后,触发后级电路工作,完成储能电容器中的放电输出,并按输出频率周期性进行。图9为本文装置放电输出时的电压波形。

图9 放电输出电压波形

放电输出电压设计要求值大于2.5 kV,点火电嘴最小放电电压要求值小于1.5 kV。由图9可知,本文点火装置放电输出电压稳定,电压峰值为2.8 kV,完全满足击穿点火电嘴产生电火花的要求。

3.4 放电火花能量测试

放电火花能量是衡量点火性能的一项重要技术指标,通过对点火电嘴产生电火花瞬间电极间的电压、电流及电火花持续时间的测量,得到实时消耗的电能,以此确定放电火花能量,并衡量能量转化效率。

图10 放电火花能量波形

由图10可知,单个放电火花能量为497 mJ,放电火花持续时间约为176 μs(现有点火装置为40～120 μs)。本文点火装置采用数字固态放电控制电路实现了放电火花能量的稳定输出。

4 与现有技术比较

国外发动机主要以数字定频点火装置为主,如点火装置E3X,个别发动机应用了数字变频点火装置,但多以短时间歇式工作方式为主,由于数据保密原因,未获得国外点火装置装机应用的可靠性数据,因此本文只进行性能指标对比,装机应用的可靠性数据不予对比。

国内现有装机的点火装置多以模拟电路为主,如点火装置X1;少部分型号应用了数字定频技术原理的点火装置,如点火装置X2。本文点火装置和现有点火装置的性能对比如表3所示。

表3 与现有同类发动机点火装置的性能指标对比

由表3可见,本文点火装置和现有点火装置相比,能够长时持续工作,从而保证发动机燃烧室具有持续输出的稳定点火源,因而能大幅提高引燃效率、降低熄灭风险,提升发动机的点火可靠性。

本文点火装置能在较宽的工作电压范围尤其是10 V低电压应急状态工作,因此点火过程中的可靠性也得到提高。

本文点火装置的放电频率波动率明显低于现有点火装置X1,与现有点火装置X2、国外点火装置EX3相当。较低的波动率能保证点火装置具有更好的环境适应性和点火过程中的稳定输出,从而提升发动机的点火可靠性[21]。

本文点火装置在研制阶段随发动机完成了4 535次启动,试飞阶段累计飞行27架次/37 h,工作正常,未发生故障,满足发动机装机使用要求[22]。对现有点火装置和本文点火装置的点火故障数据进行统计和对比见表4。点火故障一般指引燃不充分或未点燃造成熄火,从而引起发动机启动失败。

表4 与现有点火装置的点火故障数据对比

由表4可知,2018年至今,本文点火装置的故障次数、故障产品占比和故障率均为0,明显低于现有点火装置。

相对现有点火装置,由于本文点火装置装机数量较少,装机使用数据还不够充分,后续随着本文点火装置在同类型发动机的拓展应用,装机数量会继续增加,需持续跟踪本文点火装置的应用情况和可靠性数据。

5 结论

本文设计了一种具有连续变频输出的数字点火装置,点火装置采用数字变频控制电路,采用固态开关控制放电输出,实现了宽电压范围内放电频率和放电电压稳定输出,具有放电火花持续时间长和变频连续输出的优点,提高了点火可靠性。

本文点火装置的研制应用也为其他同类型发动机的拓展应用提供了参考。