數字變頻控制點火裝置分析

閆東東,肖 峻,趙 軍,馮建昌

(1.天津大學 電氣自動化與信息工程學院,天津 300072;2.天津航空機電有限公司,天津 300308)

0 引言

發動機的啟動需要點火系統引燃燃油作為能量起始。點火裝置一般與點火電纜、點火電嘴組成點火系統,工作過程是:點火裝置接通電源,產生高壓脈沖,通過點火電纜傳輸,在點火電嘴表面產生擊穿放電,電火花點燃發動機燃燒室內的空氣燃油混合氣體[1]。

發動機必須具備可靠的地面和空中點火能力,這取決于點火系統的可靠性和安全性。傳統的模擬電路點火裝置工作過程中輸出參數穩定性差,受環境影響大。例如,當發動機在高原高空環境下啟動時,由于海拔高度增加,空氣變得稀薄,點火時燃燒室內的空氣流量存在不同程度的下降,燃燒條件變惡劣;同時燃油流量下降且霧化效果變差,燃燒室內的流場結構、流場內的氣體流速、火焰形態會發生很大變化,導致引燃困難或熄滅等風險[2-3]。因此,確保航空發動機在高原高空等惡劣條件下的高可靠點火性能變得尤為關鍵。同時,隨著作戰需求的不斷變化和新戰機對全天候作戰性能要求的提高,對點火系統的設計、研制、生產也提出了持續工作、壽命長、可靠性高等要求。

為解決航空發動機點火裝置輸出參數穩定性差和受環境影響大等問題,美國點火系統制造商率先開展了固態點火裝置的研究。Unison公司在20世紀90年代首次成功研制出數字固態點火裝置,采用固態器件代替機電觸點和氣體放電管,大幅提高了放電頻率的穩定性和工作可靠性。1994年開始,Unison公司的數字固態點火裝置逐漸在新型航空發動機和輔助動力裝置中應用[4]。Champion公司在2000年后也開始了數字固態點火裝置的研制,隨著電子器件的快速發展,數字固態點火裝置的技術和研制也取得了突破,如更耐高溫、質量更輕、體積更小、工作可靠性更高等[5]。目前Unison公司和Champion公司已發展成為美國最大的兩家航空點火系統制造商,憑借多年的技術優勢,其點火產品的應用覆蓋了歐美國家大多數航空發動機和輔助動力裝置。

國內的航空發動機點火裝置仍以機電觸點原理和模擬電路為主,其放電頻率和放電火花能量受環境溫度和工作電壓影響較大。為此,文獻[6]提出了一種采用晶體管RCC模擬電路的點火裝置設計方案,該方案原理簡單,制造工藝成熟,應用較廣;但受制于半導體器件工作特性,當工作電壓、工作溫度變化時,其放電頻率會發生較大波動,且短時工作時間僅為10～20 s。為此,文獻[7]提出了一種采用數字定頻輸出的它激式點火裝置設計方案,其振蕩電路采用PWM控制MOSFET變換器工作,同時通過儲能充電電路增加了反饋系統,這種點火裝置輸出參數相對穩定,能夠在高低溫環境下實現定頻輸出,近年來在部分發動機上也有了應用,點火可靠性也有了提升,但只能實現額定頻率輸出,同樣無法實現連續工作輸出;在惡劣環境工況下發生啟動困難或發動機熄火等故障。為此,文獻[8]針對現有點火裝置提出了一種具備放電頻率延時切換功能的點火裝置改進設計方案,采用RC振蕩器原理實現放電頻率切換,但只能實現3～5 s內的切換,不能實現精確控制,不能完全滿足發動機在高空高原復雜環境下點火時間延長的需求,仍存在引燃困難或熄滅等風險,且該技術原理目前仍在預研階段[9],尚未工程化應用。

綜上,我國現有模擬電路點火裝置存在放電頻率波動較大問題,新的數字點火裝置存在不能長時工作問題,均存在導致發動機點火過程中的可靠性降低,帶來引燃效率不高進而導致發動機點火故障的風險[10]。為此,本文提出了一種基于數字變頻連續輸出技術原理的點火裝置設計方案,并成功研發出點火裝置。實現了寬電壓范圍內放電頻率和放電電壓穩定輸出,具有放電火花持續時間長和變頻連續輸出的優點,大幅提高了發動機引燃效率、降低了熄滅風險,點火可靠性得到明顯提升。

本文點火裝置是國內首臺已成功裝機應用的具備變頻連續點火能力的數字點火裝置。點火裝置已隨發動機完成設計鑒定,為某型發動機獨立配套。實際應用表明,本文點火裝置能滿足地面啟動、空中啟動和高原等復雜氣候環境下的高可靠點火工作。

1 工作原理

點火裝置通用工作原理框圖如圖1所示。接通10～30 V直流電源后,將機上直流電通過濾波電路、MOS開關電路、PWM控制電路將低壓直流電變換為高壓脈沖電。經過儲能電路對儲能電容器充電;電容器充電電壓達到閾值電壓后,PWM控制電路中的觸發模塊發出信號驅動晶閘管開關電路進行放電[11];經放電電路傳導給點火電嘴,在點火電嘴表面形成電火花,電火花點燃發動機燃燒室內空氣和燃油的混合氣。

圖1 點火裝置通用工作原理框圖

2 電路設計

2.1 點火電路原理

點火裝置電路簡化原理圖如圖2所示。

圖2 點火電路簡化原理圖

電路中主要變換部分是直流變換器。當電源接通后,MOS管導通,由于變壓器T1初級線圈W1的電感特性,初級回路中的電流從0逐漸增長[12]。

忽略MOS管導通壓降、初級線圈漏感等有關參數,初級電路的方程為

(1)

式中:U1為電源電壓;L1為初級線圈W1中的電感值;R1為初級線圈W1的電阻值。

MOS管導通時,初級電路中電流Ic以指數規律增長,表達式為

(2)

(3)

(4)

MOS管關斷時,次級線圈W2通過整流二極管V2向儲能電容器C2充電,使原有的電磁能轉換為靜電能[13-15]。

初級平均電流為

(5)

將圖2中的變壓器T1按等效折算電壓電流的方法考慮[16],忽略漏感和效率損失等有關參數影響,得到等效電路模型,如圖3所示。

圖3 充電電路簡化原理圖

圖中R1為初級線圈W1的內阻,R21為次級線圈內阻R2折算到初級的等效值(R21=R2/n2,R21為次級線圈內阻,n為匝比),C21為次級儲能電容器C2電容量折算到初級的等效值,C21=n2C2。

MOS關斷時,L1因其電感特性,以關斷時的電流Icm為后端儲能電容充電,L1上的感應電壓由負載端決定。由于二極管的單向特性,儲能電容器只能充電不能放電,所以電壓電流隨時間變化的特性只能表現在電感電流由Icm降為0的時間段內。然后二極管關斷,MOS管又開始導通。

(6)

(7)

(8)

儲能電容第一次充電時間t1為

(9)

MOS管第二次關斷時,繼續對儲能電容器充電,電容器上已有電壓為Uct1,第二次充電后電容電壓Uct2計算式為:

(10)

(11)

電容二次充電時間t2計算式為

(12)

(13)

2.2 頻率控制電路設計

2.2.1 頻率發生器電路

點火裝置的放電頻率為變頻設計,發動機設計要求值由6 Hz變為1 Hz。采用分頻器(計數)電路實現頻率控制[17],本電路設計主要采用一個24級二進制紋波計數器實現,可以自激振蕩或外加時鐘頻率,適用于構成各種可編程分頻器。

通過配置外圍電路(如圖4所示),當分頻器的A(第9引腳)、B(第10引腳)、C(第11引腳)、D(第12引腳)引腳觸發編碼確定時,其輸出頻率由外圍的RC振蕩電路決定(4引腳與5引腳之間的電容C2、電阻R1、R3),本電路頻率輸出設計值要求不小于發動機設計要求值(6 Hz),即通過分頻器構成的頻率控制電路設計,使得分頻器13引腳輸出不小于6 Hz的方波信號,以用于控制關聯電路。

圖4 頻率發生器電路

為保證放電頻率f>6 Hz,根據電路原理,需要調整控制放電頻率的分頻器13引腳輸出頻率大于6 Hz,根據MC14536B芯片手冊,分頻器13引腳的輸出頻率f和振蕩頻率fosc之間的表達式為f=fosc/212,由分頻器外部的R1、R3和C2共同決定,即

(14)

式中RT為R1、R3并聯后阻值,且

(15)

2.2.2 變頻放電控制電路

變頻放電控制電路主要是通過計數器原理[18],實現在規定時間內的由6 Hz到1 Hz放電頻率的切換。圖5中是一種8位可預置同步二進制減法計數器芯片,通過配置外圍電路可實現預置值為200的減法計數器功能。計數器14引腳輸出高電平,時鐘信號端2引腳接收方波信號開始計數,接收一個上升沿信號計數器減1,直到將預置值200減到0,14引腳輸出由高電平變為低電平。此時頻率發生器電路分頻器的A、B、C、D由原來的1100變為1010。同時R1、R3由原來的并聯接入變為R1單獨接入。通過這樣的電路連接,分頻器的輸出放電頻率由額定的6 Hz變為1 Hz左右。

圖5 變頻放電控制電路

計數200次后,計數器14引腳輸出低電平,MOS管關斷,只有R3接入電路,同時分頻器配置引腳變為1010,對應214,此時有:

(16)

(17)

2.3 放電控制電路設計

放電控制電路采用晶閘管開關替代現有點火裝置中壽命短、可靠性較低的氣體放電管,氣體放電管因其原理特性,擊穿電壓分散性較大(通常為±20%),且壽命較短。圖6所示為放電控制電路原理圖,S1晶閘管為放電開關,R6為保護電阻,R7電阻用于充電監測取樣,當儲能電容器C16達到規定充電電壓后,觸發后級電路工作,完成能量釋放。

圖6 放電控制電路

圖6中,儲能電容器C16達到規定充電電壓后,比較器輸出觸發信號,S4晶閘管導通,T2觸發變壓器開始工作,S1晶閘管導通,能量釋放輸出,比較器復位,進行下一周期的充放電工作,放電控制電路可以實現放電電壓的穩定輸出,從而減少放電過程中的能量損耗。

3 仿真與測試

本文點火裝置在裝機應用前通過了135 min時長的持續點火工作性能考核,能夠滿足每架次工作時長(1～2 h)的使用要求。按GJB 150.1A標準完成了高低溫(-55～125 ℃)、低氣壓、濕熱、霉菌、鹽霧、振動、沖擊等環境適應性考核[19],本文點火裝置均能正常工作。

本節詳細介紹充電電路波形仿真、放電頻率、放電輸出電壓等關鍵性能參數的測試驗證。

3.1 充電電路仿真

點火裝置通過MOS管的開關信號,使得變壓器T1周期性地導通與截止,實現了直流—交流轉換,通過變壓器T1的反激特性,對儲能電容進行周期性充電,采用Saber軟件對充電波形進行仿真,結果如圖7所示。

圖7 儲能電容器充電波形

由圖7可見,儲能電容器按設定頻率周期性充電,每個周期內的充電峰值電壓為2.8 kV。

根據要求工作電壓(直流)為10～30 V,現通過設置工作電壓為10 V、28 V、30 V時,測試電容充電的時間,如圖8所示。不同工作電壓下電容器充電時間如表1所示。

表1 不同工作電壓下電容器充電時間

圖8 不同工作電壓下儲能電容器充電狀態

由圖8和表1可見,在10～30 V范圍內,本文點火裝置均能在發動機設計要求值6 Hz對應時間166.67 ms內完成充電。

3.2 放電頻率測試

點火裝置在規定時間內完成儲能電容器高壓脈沖電能的充放,并周期性進行,此為點火裝置高壓脈沖電能的輸出頻率,即放電頻率,測試結果見表2。

表2 放電頻率測試

從表2可知,本文裝置在不同工作電壓下的放電頻率穩定,可以實現放電頻率啟動時為6 Hz、啟動后自動變換為1 Hz的功能,在10～30 V工作電壓范圍內放電頻率浮動在0.5 Hz以內,放電頻率波動率[波動率=(頻率最大值-頻率最小值)/頻率最小值]約為7%。

3.3 放電輸出電壓測試

放電輸出電壓為點火裝置高壓脈沖電能輸出的峰值電壓,當點火裝置儲能電容器達到規定充電電壓后,觸發后級電路工作,完成儲能電容器中的放電輸出,并按輸出頻率周期性進行。圖9為本文裝置放電輸出時的電壓波形。

圖9 放電輸出電壓波形

放電輸出電壓設計要求值大于2.5 kV,點火電嘴最小放電電壓要求值小于1.5 kV。由圖9可知,本文點火裝置放電輸出電壓穩定,電壓峰值為2.8 kV,完全滿足擊穿點火電嘴產生電火花的要求。

3.4 放電火花能量測試

放電火花能量是衡量點火性能的一項重要技術指標,通過對點火電嘴產生電火花瞬間電極間的電壓、電流及電火花持續時間的測量,得到實時消耗的電能,以此確定放電火花能量,并衡量能量轉化效率。

圖10 放電火花能量波形

由圖10可知,單個放電火花能量為497 mJ,放電火花持續時間約為176 μs(現有點火裝置為40～120 μs)。本文點火裝置采用數字固態放電控制電路實現了放電火花能量的穩定輸出。

4 與現有技術比較

國外發動機主要以數字定頻點火裝置為主,如點火裝置E3X,個別發動機應用了數字變頻點火裝置,但多以短時間歇式工作方式為主,由于數據保密原因,未獲得國外點火裝置裝機應用的可靠性數據,因此本文只進行性能指標對比,裝機應用的可靠性數據不予對比。

國內現有裝機的點火裝置多以模擬電路為主,如點火裝置X1;少部分型號應用了數字定頻技術原理的點火裝置,如點火裝置X2。本文點火裝置和現有點火裝置的性能對比如表3所示。

表3 與現有同類發動機點火裝置的性能指標對比

由表3可見,本文點火裝置和現有點火裝置相比,能夠長時持續工作,從而保證發動機燃燒室具有持續輸出的穩定點火源,因而能大幅提高引燃效率、降低熄滅風險,提升發動機的點火可靠性。

本文點火裝置能在較寬的工作電壓范圍尤其是10 V低電壓應急狀態工作,因此點火過程中的可靠性也得到提高。

本文點火裝置的放電頻率波動率明顯低于現有點火裝置X1,與現有點火裝置X2、國外點火裝置EX3相當。較低的波動率能保證點火裝置具有更好的環境適應性和點火過程中的穩定輸出,從而提升發動機的點火可靠性[21]。

本文點火裝置在研制階段隨發動機完成了4 535次啟動,試飛階段累計飛行27架次/37 h,工作正常,未發生故障,滿足發動機裝機使用要求[22]。對現有點火裝置和本文點火裝置的點火故障數據進行統計和對比見表4。點火故障一般指引燃不充分或未點燃造成熄火,從而引起發動機啟動失敗。

表4 與現有點火裝置的點火故障數據對比

由表4可知,2018年至今,本文點火裝置的故障次數、故障產品占比和故障率均為0,明顯低于現有點火裝置。

相對現有點火裝置,由于本文點火裝置裝機數量較少,裝機使用數據還不夠充分,后續隨著本文點火裝置在同類型發動機的拓展應用,裝機數量會繼續增加,需持續跟蹤本文點火裝置的應用情況和可靠性數據。

5 結論

本文設計了一種具有連續變頻輸出的數字點火裝置,點火裝置采用數字變頻控制電路,采用固態開關控制放電輸出,實現了寬電壓范圍內放電頻率和放電電壓穩定輸出,具有放電火花持續時間長和變頻連續輸出的優點,提高了點火可靠性。

本文點火裝置的研制應用也為其他同類型發動機的拓展應用提供了參考。