RU2824034C2

RU2824034C2 - Ferroceramic spark plug for aircraft engines

Info

Publication number: RU2824034C2
Application number: RU2023100602A
Authority: RU
Inventors: Леонид Юрьевич Яшнов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт машиностроения"
Filing date: 2023-01-11
Publication date: 2024-07-31

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to aircraft engineering and rocketry, particularly, to production of spark plugs for aircraft engines. Disclosed is a ferroceramic spark plug for aircraft engines, which consists of a cylindrical shaped ferroelectric discharge capacitor placed in a stainless steel housing, a central rod electrode and an external annular electrode, both electrodes are electrically connected to the corresponding capacitor plates, which have an angular profile to the peripheral side surface of the capacitor, which locally reduces the field intensity and blocks the occurrence of parasitic discharges. Working surface of the plug is a zone of the bottom of the ferroelectric capacitor between two concentrically located electrodes, where plasma-forming electric discharges are formed by supplying high pulse voltage of up to 10 kV.

EFFECT: creation a spark plug for aircraft engines of increased reliability and a wider range of external pressures.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к авиа и ракетостроению, в частности к созданию двигательных свечей зажигания.The invention relates to aircraft and rocket engineering, in particular to the creation of engine spark plugs.

Целями изобретения является создание свечей зажигания для двигателей летательных аппаратов повышенной надежности и для более широкого диапазона давлений внешней среды.The objectives of the invention are to create spark plugs for aircraft engines with increased reliability and for a wider range of external pressures.

В настоящее время в системах зажигания для двигателей летательных аппаратов используются так называемые эрозионные свечи. На фиг.1 приведена конструктивная схема эрозионной свечи. Конструкция нижней части эрозионной свечи В корпусе 1, выполненном из нержавеющей жаростойкой стали, укреплен керамический изолятор 3. Между корпусом и изолятором размещен боковой серебряный электрод 4, а между центральным стержнем 2 и изолятором - центральный серебряный электрод 5. Электроды выполнены в виде конических колец. Рабочей поверхностью А свечи является кольцевая поверхность между двумя концентрически расположенными серебряными электродами. Такая форма поверхности позволяет стабилизировать характеристики разряда. Разрядный промежуток по рабочей поверхности керамики составляет 0,7 - 1,1 мм. Система зажигания с эрозионными свечами при запуске двигателя всегда включается раньше, чем подается топливо, с целью обеспечения предварительной тренировки свечей - напыления достаточного количества частиц металла. В эрозионной свече серебряные электроды разделены керамическим изолятором, на поверхности которого напылены мельчайшие частицы серебра. При подводе напряжения к электродам свечи происходит пробой между отдельными частицами серебра, что значительно снижает величину общего напряжения пробоя Uпp. В разряде по поверхности металлизированного изолятора существуют две стадии: - стадия емкостного разряда; - стадия индуктивного разряда. В процессе емкостного разряда происходит выгорание частиц серебра с рабочей поверхности свечи, а в процессе индуктивного разряда происходит обратный процесс - процесс металлизации. Для нормальной работы эрозионной свечи должно соблюдаться динамическое равновесие между процессами выгорания и напыления металлизированных частиц серебра, что обеспечивается соответствующим выбором параметров системы зажигания. В противном случае, если происходит преобладание процесса напыления, свеча шунтируется и перестает работать. Если же преобладает процесс выгорания частиц, то при малом их числе требуемое пробивное напряжение становится слишком большим и не обеспечивается системой зажигания. Вследствие этого работа свечи также прерывается.At present, so-called erosion spark plugs are used in ignition systems for aircraft engines. Fig. 1 shows the design diagram of an erosion spark plug. Design of the lower part of the erosion spark plug In the housing 1, made of stainless heat-resistant steel, a ceramic insulator 3 is fixed. Between the housing and the insulator, a side silver electrode 4 is placed, and between the central rod 2 and the insulator - a central silver electrode 5. The electrodes are made in the form of conical rings. The working surface A of the spark plug is the annular surface between two concentrically located silver electrodes. This shape of the surface allows stabilizing the characteristics of the discharge. The discharge gap along the working surface of the ceramics is 0.7 - 1.1 mm. The ignition system with erosion spark plugs is always turned on when starting the engine before fuel is supplied, in order to ensure preliminary training of the spark plugs - spraying a sufficient number of metal particles. In an erosion spark plug, the silver electrodes are separated by a ceramic insulator with tiny silver particles sprayed on its surface. When voltage is applied to the spark plug electrodes, a breakdown occurs between the individual silver particles, which significantly reduces the total breakdown voltage Uпp. There are two stages in the discharge along the surface of the metallized insulator: - the capacitive discharge stage; - the inductive discharge stage. During the capacitive discharge, silver particles burn out from the working surface of the spark plug, and during the inductive discharge, the reverse process occurs - the metallization process. For normal operation of the erosion spark plug, a dynamic balance must be maintained between the processes of burnout and spraying of metallized silver particles, which is ensured by the appropriate selection of the ignition system parameters. Otherwise, if the spraying process predominates, the spark plug is shunted and stops working. If the process of particle burnout predominates, then with a small number of particles, the required breakdown voltage becomes too high and is not provided by the ignition system. As a result, the operation of the spark plug is also interrupted.

Настоящее изобретение позволяет повысить надежность работы свечей зажигания. Это достигается тем, что вместо искрового и эрозионного способа получения поджигающей плазмы используется электрический разряд по поверхности сегнетокерамики. Для диэлектрической среды плазмообразующий разряд по сегнетокерамики происходит в широком диапазоне давлений от десятков бар до глубокого вакуума 10^-6 мм.рт.ст. В качестве сегнетодиэлектрика может использоваться керамика из титаната бария- BaTiO₂. Длительность одного плазмообразующего разрядного блока по сегнетокерамике не превышает 300 мкс. и реализуется при амплитудах импульсного напряжения от единиц до десятков кВ. с частотой до 800 Гц. Для сегнетокерамических свечей могут быть применены существующие искровые агрегаты зажигания, как с индуктивными, так и с емкостными накопителями энергии мощностью до 100 мДжThe present invention makes it possible to increase the reliability of spark plugs. This is achieved by using an electric discharge on the surface of ferroelectric ceramics instead of the spark and erosion method of obtaining the ignition plasma. For a dielectric medium, the plasma-forming discharge on ferroelectric ceramics occurs in a wide range of pressures from tens of bars to a deep vacuum of 10 ^-6 mm Hg. Ceramics made of barium titanate - BaTiO ₂ can be used as a ferroelectric dielectric. The duration of one plasma-forming discharge unit on ferroelectric ceramics does not exceed 300 μs. and is implemented at pulse voltage amplitudes from units to tens of kV. with a frequency of up to 800 Hz. For ferroelectric spark plugs, existing spark ignition units can be used, both with inductive and capacitive energy storage devices with a capacity of up to 100 mJ.

Конструктивная схема сегнетокерамической свечи приводится на фиг 2. В нижней части внешнего корпуса 1 из нержавеющей стали помещается разрядный конденсатор из сегнетокерамики 2 в керамической трубке 3, которая предназначена для механической и дополнительной электрической защиты разрядного конденсатора. Нижний край разрядного конденсатора выполнен с обратной угловой кромкой от 2 до 3 мм, и в нее впаивается серебренная обкладка 4 разрядного конденсатора, Угловой профиль обкладки 4 снижает напряженность электрического поля у внешней цилиндрической поверхности разрядного конденсатора и чем блокирует на ней формирование паразитных разрядов.The design diagram of the ferroelectric spark plug is shown in Fig. 2. In the lower part of the outer housing 1 made of stainless steel, a discharge capacitor made of ferroelectric ceramics 2 is placed in a ceramic tube 3, which is intended for mechanical and additional electrical protection of the discharge capacitor. The lower edge of the discharge capacitor is made with a reverse angular edge from 2 to 3 mm, and a silver plate 4 of the discharge capacitor is soldered into it. The angular profile of the plate 4 reduces the electric field strength at the outer cylindrical surface of the discharge capacitor and thereby blocks the formation of parasitic discharges on it.

Снизу в корпус 1 вворачивается коронка 5 из тугоплавкого сплава обеспечивающая электрический контакт от корпуса 1 с обкладкой 4 и механический контакт по периметру с нижней плоскостью разрядного конденсатора 2, эта контактная часть коронки 5 является отрицательным разрядным электродом свечи. Центральный положительный разрядный электрод 6 в виде стержня из тугоплавкого сплава с конусной головкой, прижимаемой к внутренней кромке отверстия в разрядном конденсаторе посредством пружины 8 и упорной шайбы 9. Такая схема электрода позволяет компенсировать выработку сегнетокерамики и электрода в точках контакта от разрядов. Для свечей с малым ресурсом и/или высокими давлениями среды возможно исполнение внутреннего электрода 6 без пружинного узла, а жестко впаянным во внутреннем отверстии разрядного конденсатора 2. Внутренняя цилиндрическая обкладка 7 выполняется с горловиной большего диаметра с внутренней стороны разрядного конденсатора и электрически контактирует с центральным положительным электродом 6. Электрическая емкость разрядного конденсатора может быть от 200 до 400пф. В верхней части свечи разрядный конденсатор 2 герметизируется и электрически изолируется диэлектриком 10. Плазмообразующие разряды в сегнетокерамической свече от импульсов высокого напряжения последовательно происходят по поверхности сегнентокерамики, между коронкой 5 - и центральным электродом 6. Импульсное напряжение от высоковольтного источника напряжением до 10 кВ по внешним проводам подводится к центральному электроду 6 и корпусу 1. Номинальная частота разрядов сегнетокерамической свечи 400 Гц. Для импульсного питания сегнетокерамической свечи могут использоваться высоковольтные преобразователи от искровых свечей, как с индуктивными, так и с емкостными накопителями энергии, мощностью от 20 до 100 мДж. Корпус 1 может иметь в нижней части винтовую резьбу как у современных эрозионных свечей -18 мм.From below, a crown 5 made of a refractory alloy is screwed into the housing 1, providing electrical contact from the housing 1 with the plate 4 and mechanical contact along the perimeter with the lower plane of the discharge capacitor 2, this contact part of the crown 5 is the negative discharge electrode of the spark plug. The central positive discharge electrode 6 in the form of a rod made of a refractory alloy with a conical head pressed against the inner edge of the hole in the discharge capacitor by means of a spring 8 and a thrust washer 9. Such an electrode arrangement allows for compensation of the wear of the ferroelectric ceramics and the electrode at the contact points from the discharges. For spark plugs with a short service life and/or high medium pressures, it is possible to make the internal electrode 6 without a spring unit, but rigidly soldered into the internal hole of the discharge capacitor 2. The internal cylindrical lining 7 is made with a neck of a larger diameter on the inside of the discharge capacitor and is in electrical contact with the central positive electrode 6. The electric capacitance of the discharge capacitor can be from 200 to 400 pF. In the upper part of the spark plug, the discharge capacitor 2 is sealed and electrically insulated with a dielectric 10. Plasma-forming discharges in the ferroelectric-ceramic spark plug from high-voltage pulses sequentially occur along the surface of the ferroelectric ceramics, between the crown 5 and the central electrode 6. Pulse voltage from a high-voltage source with a voltage of up to 10 kV is supplied to the central electrode 6 and the housing 1 through external wires. The nominal discharge frequency of the ferroelectric-ceramic spark plug is 400 Hz. For pulse power supply of the ferroelectric spark plug, high-voltage converters from spark plugs can be used, both with inductive and capacitive energy storage devices, with a power of 20 to 100 mJ. The housing 1 can have a screw thread in the lower part, like modern erosion spark plugs - 18 mm.

Claims

A ferroelectric-ceramic spark plug for aircraft engines, characterized in that it uses a ferroelectric-ceramic capacitor made of barium titanate, located in the lower part of a cylindrical body made of stainless steel, a central rod electrode and a ring electrode-crown made of refractory alloys, while in the upper part of the spark plug, insulated from the body, an electrical terminal for supplying high voltage is installed, and the outer silver plate occupies the lower third of the side surface of the capacitor, and it is applied to a surface of reduced diameter by 2-3 mm with an angular transition to the full diameter of the capacitor, the inner surface of the central hole of the capacitor only at the end of the upper part, on the high voltage side the plate ends with a disk profile, while the ring electrode-crown is installed from below in the spark plug body with a threaded connection, ensuring its mechanical contact with the lower end surface of the ferroelectric-ceramic capacitor and the outer silver plate, and the electrical capacity of the ferroelectric-ceramic capacitor is within from 200 to 400 pF, and from the high-voltage terminal to the internal lining and the central electrode in the spark plug a wire electrical connection is made, isolated from the body, and the discharge surface of the spark plug is the annular zone of the bottom of the ferroelectric capacitor between two conically located electrodes, the central rod, and the ring electrode crown, in which plasma discharges occur by applying a pulse voltage with an amplitude of up to 10 kV to the external connection terminal and the spark plug body.