Свеча зажигания для двигателей и энергетических установок летательных аппаратов

Авторы патента:

Полезная модель относится к системам зажигания энергетических и двигательных установок летательных аппаратов и может быть использована при проектировании систем зажигания, для контроля качества изготовления систем зажигания на стадии серийного производства при выборочном контроле работоспособности систем зажигания в условиях пониженного давления окружающей среды. Задачей заявляемой полезной модели является повышение объективности контроля работоспособности систем зажигания в условиях пониженного давления окружающей среды. Поставленная задача решается свечой зажигания, содержащей трубчатый металлический корпус, экранный керамический изолятор, расположенный коаксиально трубчатому металлическому корпусу, керамический изолятор, герметично закрепленный в трубчатом металлическом корпусе в зоне рабочего торца свечи, центральный электрод, герметично закрепленный в керамическом изоляторе, при этом в трубчатом металлическом корпусе свечи параллельно ее оси выполнена щель, которая локализована в зоне расположения экранного керамического изолятора и протяженность которой равна или более длины экранного керамического изолятора.

Известны свечи зажигания [патент РФ 51446, дата публикации 10.02.2006 г.; патент РФ 52529, дата публикации 24.10.2005 г.; патент РФ 54466, дата публикации 27.06.2005 г.; патент РФ 101872, дата публикации 27.01.2011 г.; патент РФ 2300164, дата публикации 20.12.2006 г.; патент РФ 119532, дата публикации 20.08.2012 г.; Европейский патент 0212079, дата публикации 04.03.1987 г.; патент Канады 1198331, дата публикации 24.12.1985 г.; патент США 34152, дата публикации 29.12.1992 г.; патент США 4926087, дата публикации 15.05.1990 г.; патент Японии 1237356, дата публикации 21.09.1989 г.; Свеча СП-24 ВИ. Руководство по эксплуатации 8Г3.242.152РЭ; Свеча экранированная керамическая. Справочник «Аппараты зажигания» под. ред. В.А. Балагурова, изд. «Машиностроение», Москва 1968; Свеча СПН-6. Техническое описание, инструкция по эксплуатации и руководство по ремонту», государственное научно-техническое издательство «Оборонгиз», Москва, 1963], содержащие трубчатый металлический корпус, экранный керамический изолятор, расположенный коаксиально трубчатому металлическому корпусу, керамический изолятор, герметично закрепленный в трубчатом металлическом корпусе в зоне рабочего торца свечи, центральный электрод, герметично закрепленный в керамическом изоляторе.

Для обеспечения работы системы зажигания контактное устройство концевой заделки провода зажигания соединяется со свечой зажигания в зоне ее экранного керамического изолятора, при этом керамический изолятор контактного устройства концевой заделки провода зажигания установлен коаксиально или прилегает к экранному керамическому изолятору свечи зажигания, контакт контактного устройства концевой заделки провода зажигания сопрягается с центральным электродом свечи зажигания.

При проектировании указанных свечей зажигания необходимо выбрать длину ножки керамического изолятора в зоне рабочего торца свечи, и расстояние между контактом контактного устройства концевой заделки провода зажигания и трубчатым металлическим корпусом свечи (длину поверхностей электрических перекрытий L1 и L2 - см. фиг. 1), обеспечивающие их электропрочность при работе свечи зажигания в составе системы зажигания при пониженном давлении окружающей среды. Длина перекрытия L2 определяется электроизоляционными свойствами керамического изолятора контактного устройства концевой заделки провода зажигания.

Необходимость выбора указанных параметров связана с тем, что с уменьшением давления окружающей среды уменьшается пробивное напряжение электрических перекрытий, снижается их электропрочность, достигая минимальных значений в диапазоне давлений окружающей среды (10^-1 -10) мм рт.ст. [Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц, Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. - Новосибирск: - Наука, 1982 г.(см. с. 66)].

Кроме того, пробивное напряжение (электропрочность) также зависит от радиальных размеров свечи зажигания, диэлектрических свойств поверхности экранного керамического изолятора свечи зажигания и керамического изолятора контактного устройства концевой заделки провода зажигания, подходящего к свече зажигания. Особенности конструктивного исполнения указанных элементов значительно влияют на величину напряжения электрического пробоя свечи зажигания.

При неправильно выбранных значениях электрических перекрытий L1 и L2 при проверке работоспособности системы зажигания в условиях пониженного давления окружающей среды или при эксплуатации свечей зажигания в составе системы зажигания двигательных и энергетических установок в условиях пониженного давления окружающей среды одновременно с искрообразованием в искровом промежутке свечи зажигания может иметь место электрический разряд по поверхности электрического перекрытия L1 на трубчатый металлический корпус свечи или с контакта контактного устройства концевой заделки провода зажигания на экранный керамический изолятор по поверхности электрического перекрытия L2, также на трубчатый металлический корпус.

Параллельное протекание разряда по электрическим перекрытиям L1 или L2 и в искровом промежутке свечи, вызванное пробоями во внутренней полости свечи зажигания, приводит к уменьшению энергии, выделяемой в искровом промежутке свечи, следствием чего является соответствующее невоспламенение компонентов топлива при запуске двигательных и энергетических установок летательных аппаратов в условиях пониженного давления или задержка воспламенения топлива [В.А. Сосунов, Ю.А. Литвинов. Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1975 (см. с. 147; М.А. Алабин, Б.М. Кац, Ю.А. Литвинов // Запуск авиационных газотурбинных двигателей // М: Машиностроение, 1968 (см. с. 62); А.Н. Лефевр. Изменение минимальной энергии зажигания в струе керосиновоздушной смеси. Combustion and Flame 1, август 1976]. Такая задержка при больших расходах топлива может вызвать так называемые «пушечные» запуски с броском давления в камере сгорания, которое за счет ударного воздействия может повредить элементы двигателя и систем автоматического управления [Х.В. Кесаев, P.C. Трофимов, Надежность двигателей летательных аппаратов. - М.: - Машиностроение, 1982 г.]

Поэтому в процессе проведения ОКР по разработке свечей зажигания необходимо убедиться, что электрические пробои во внутренней полости свечи отсутствуют.Кроме этого, при серийном изготовлении систем зажигания также требуется проведение выборочных контрольных испытаний свечей зажигания, то есть проверок качества их изготовления, в том числе проверок работоспособности свечей зажигания в условиях пониженного давления окружающей среды. Конструктивное исполнение описанных выше свечей зажигания не позволяет проводить требуемые проверки качества их изготовления: указанные свечи зажигания имеют цельный цилиндрический металлический корпус и коаксиальный ему экранный керамический изолятор, которые не позволяют при исследовании методом выборочного контроля убедиться в отсутствии электрических пробоев во внутренней полости свечи зажигания по электрическим перекрытиям L1hL2.

Указанные недостатки имеет также свеча зажигания, выбранная за прототип [патент РФ 2497251, дата публикации 27.10.2013 г.], которая содержит трубчатый металлический корпус, экранный керамический изолятор, расположенный коаксиально трубчатому металлическому корпусу, керамический изолятор, герметично закрепленный в трубчатом металлическом корпусе в зоне рабочего торца свечи, центральный электрод, герметично закрепленный в керамическом изоляторе.

Задачей заявляемой полезной модели является повышение объективности контроля работоспособности систем зажигания в условиях пониженного давления окружающей среды.

Поставленная задача решается свечой зажигания, содержащей трубчатый металлический корпус, экранный керамический изолятор, расположенный коаксиально трубчатому металлическому корпусу, керамический изолятор, герметично закрепленный в трубчатом металлическом корпусе в зоне рабочего торца свечи, центральный электрод, герметично закрепленный в керамическом изоляторе, при этом в трубчатом металлическом корпусе свечи параллельно ее оси выполнена щель, которая локализована в зоне расположения экранного керамического изолятора и протяженность которой равна или более длины экранного керамического изолятора.

Новым согласно полезной модели является то, что в трубчатом металлическом корпусе свечи параллельно ее оси выполнена щель, локализованная в месте расположения экранного керамического изолятора, протяженность которой равна или более длины экранного керамического изолятора.

Предлагаемая полезная модель позволяет контролировать наличие или отсутствие недопустимых пробоев электрических перекрытий L1 и L2 во внутренней полости свечи зажигания, определяемой соединением свечи и провода зажигания.

На фиг 1. представлено конструктивное исполнение типовых свечей-аналогов и прототипа заявляемой свечи зажигания в соединении с проводом зажигания.

На фиг. 2 представлено конструктивное исполнение заявляемой свечи зажигания.

На фиг. 3 показано отражение света при электрическом пробое по поверхности экранного керамического изолятора со стороны, противоположной расположению щели в трубчатом металлическом корпусе.

Поставленная задача решается свечой зажигания, содержащей трубчатый металлический корпус 1, экранный керамический изолятор 2, расположенный коаксиально трубчатому металлическому корпусу 1, керамический изолятор 3, герметично закрепленный в трубчатом металлическом корпусе 1, центральный электрод 4, герметично закрепленный в керамическом изоляторе 3, при этом в трубчатом металлическом корпусе 1 параллельно оси свечи зажигания выполнена щель 5, которая локализована в месте расположения экранного керамического изолятора 2 и протяженность которой равна или более длины экранного керамического изолятора 2.

Предлагаемая свеча зажигания работает следующим образом: свеча зажигания со щелью в трубчатом металлическом корпусе подключается к агрегату зажигания с помощью провода зажигания и помещается в вакуумную камеру, при этом свеча располагается так, чтобы щель в ее трубчатом металлическом корпусе наблюдалась через окно вакуумной камеры. При достижении необходимого пониженного давления в вакуумной камере на агрегат зажигания подается напряжение питания. В случае внутреннего электрического пробоя, при отсутствии освещения внутри вакуумной камеры, в щели трубчатого металлического корпуса свечи зажигания через смотровое окно вакуумной камеры наблюдается свечение внешней поверхности экранного керамического изолятора, при отсутствии электрических пробоев внутри свечи зажигания свечение не наблюдается.

Как показали проведенные экспериментальные исследования, материал, из которого изготовлен керамический изолятор, благодаря своим спектральным характеристикам, обеспечивает пропускание через себя излучения, генерируемого емкостным электрическим разрядом во внутренней полости соединения свечи зажигания и провода зажигания в широком диапазоне частот видимой части спектра. Это позволяет как визуально, так и инструментально, например, с помощью фотодиодов или фотоэлектронных умножителей идентифицировать наличие пробоя по поверхности керамического изолятора в зоне рабочего торца свечи и керамического изолятора контактного устройства концевой заделки провода зажигания - электрических перекрытий L1 и L2.

Выполнение протяженности щели в трубчатом металлическом корпусе свечи равной или более длины экранного керамического изолятора и локализация щели в месте его расположения позволяет контролировать наличие или отсутствие пробоя изоляции по всей длине ножки керамического изолятора, герметично закрепленного в трубчатом металлическом корпусе в зоне рабочего торца свечи, и керамического изолятора контактного устройства концевой заделки провода зажигания. В том случае, если пробой изоляции проходит по поверхности указанных изоляторов вне проекции щели в трубчатом металлическом корпусе на ножку керамического изолятора в зоне рабочего торца свечи, то наличие свечения на поверхности экранного керамического изолятора свечи через щель также можно наблюдать, так как часть излучения за счет кривизны внутренней поверхности экранного керамического изолятора и ножки изолятора в зоне рабочего торца свечи при отражении попадает в щель. Это позволяет фиксировать пробой по поверхности экранного керамического изолятора в месте соединения свечи и провода зажигания независимо от его локализации (см. фиг. 3).

Таким образом, применение полезной модели повышает объективность контроля работоспособности системы зажигания в условиях пониженного давления.

В процессе проведения ОКР изготавливается свеча зажигания с щелью в трубчатом металлическом корпусе, имеющая минимальные допускаемые по конструкторской документации размеры L1 и L2. Испытания в вакуумной камере проводятся при заданных пониженных давлениях окружающей среды в соответствии с требованиями технического задания на разработку системы зажигания. Это позволяет подтвердить правильность выбора размеров L1 и L2 свечи с точки зрения обеспечения ее электропрочности и определить запасы электропрочности свечи, а также позволяет при необходимости уточнить размеры L1 и L2.

Дополнительно следует отметить, что для повышения пробивного напряжения искрового промежутка свечи зажигания со щелью в корпусе он может быть увеличен или свеча может быть установлена в специальное устройство, обеспечивающее повышенное давление в зоне ее рабочего торца [Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц, Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. - Новосибирск: - Наука, 1982 г. (см. с. 66)]. Такая свеча зажигания может использоваться для проверки электропрочности высоковольтной части концевых заделок провода зажигания, как при проведении ОКР, так и при их серийном производстве.

Использование свечи зажигания, в которой дополнительно увеличено пробивное напряжение искрового промежутка, при проверках в процессе ОКР разрабатываемых агрегатов зажигания и проводов зажигания в условиях пониженного давления окружающей среды позволяет подтвердить правильность выбора конструкции высоковольтных частей агрегата зажигания и провода зажигания.

В процессе серийного производства систем зажигания, например, при проведении их периодических испытаний, отбирается одна система зажигания, в корпусе входящей в ее состав свечи зажигания выполняется щель, как показано на фиг. 2. Испытания системы зажигания проводятся в сборе со свечой зажигания при пониженном давлении окружающей среды, значение которого указано в техническом задании на разработку системы зажигания. Кроме того, при проведении испытаний в свече зажигания дополнительно может быть увеличено пробивное напряжение искрового промежутка, что позволит подтвердить стабильность качества изготавливаемых свечей зажигания и концевых заделок провода зажигания.

Конструктивное исполнение свечи зажигания, выбранное с использованием свечи зажигания согласно заявляемой полезной модели, позволяет обеспечить бесперебойное искрообразование в искровом промежутке свечи зажигания, что в итоге способствует стабильному воспламенению компонентов топлива.

Предлагаемая полезная модель апробирована при разработке и выпуске систем зажигания, при этом показано повышение объективного контроля качества изготавливаемых систем зажигания, сокращение затрат на выбор габаритных размеров свечи зажигания и параметров высоковольтной части агрегата зажигания и провода зажигания.

Свеча зажигания для двигателей и энергетических установок летательных аппаратов, содержащая трубчатый металлический корпус, экранный керамический изолятор, расположенный коаксиально трубчатому металлическому корпусу, керамический изолятор, герметично закрепленный в трубчатом металлическом корпусе в зоне рабочего торца свечи, центральный электрод, герметично закрепленный в керамическом изоляторе, отличающаяся тем, что в трубчатом металлическом корпусе свечи параллельно ее оси выполнена щель, которая локализована в зоне расположения экранного керамического изолятора и протяженность которой равна или более длины экранного керамического изолятора.