一种同轴等离子体点火器及等离子体点火系统

1.本发明涉及发动机器件研究技术领域，特别是涉及一种同轴等离子体点火器及等离子体点火系统。


背景技术：

2.随着军备竞赛的发展，为提高飞行器的反侦察、反拦截能力，以航空发动机和冲压发动机为动力的飞行器逐步向临近空间迈进。处于高空、高速、低压、低温飞行状态的发动机，其燃烧室工况十分恶劣，易出现燃烧稳定性差、燃烧效率下降、甚至吹熄后无法再点火等问题。发动机内火焰稳定的本质是火焰传播速度与来流气体速度的匹配，在点火时，发动机处于冷态，需要大量的能量注入才能成功点燃发动机；而在稳燃时，发动机内的温度较高，仅需要较少能量就能实现火焰的稳定。针对点火与稳燃时不同需求，亟需开发一种能够在极端条件下大功率点火的器件。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种同轴等离子体点火器及等离子体点火系统，以实现在极端条件下的点火，克服现有飞行器在熄火后无法再点火的技术缺陷。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种同轴等离子体点火器，所述同轴等离子体点火器包括：点火器外壳、陶瓷连接件、点火器阴极和点火器阳极；
6.所述陶瓷连接件同轴设置在所述点火器外壳的内部，所述陶瓷连接件上设置有流道，所述流道的一端与设置在点火器外壳上的进气孔连通，所述流道的另一端对准位于陶瓷连接件和所述点火器外壳之间的点火器放电区；
7.所述点火器阴极同轴设置在所述陶瓷连接件的中心孔内；
8.所述点火器阳极同轴设置在所述点火器外壳的一端。
9.可选的，所述点火器外壳为圆筒状结构。
10.可选的，所述陶瓷连接件为带有中心孔的圆筒柱结构。
11.可选的，所述点火器阴极为圆柱状结构。
12.可选的，所述点火器阳极为帽状结构。
13.可选的，所述点火器阳极和点火器外壳可为一体化结构。
14.可选的，所述点火器阴极和所述点火器阳极之间的同轴放电间隙为0.1-5mm。
15.一种等离子体点火系统，所述点火系统包括：同轴等离子体点火器、工质气体供应装置和多模式等离子体电源；
16.所述工质气体供应装置通过气路与设置在所述同轴等离子体点火器的点火器外壳上的进气孔连接，所述多模式等离子体电源与所述同轴等离子体点火器连接。
17.可选的，所述多模式等离子体电源包括弧光等离子体电源和高频脉冲等离子体电源；
18.所述弧光等离子体电源的高电平输出端和所述高频脉冲等离子体电源的输出变压器的副线圈的一端连接；所述弧光等离子体电源的地电平输出端与同轴等离子体点火器的一端连接；
19.所述高频脉冲等离子体电源的输出变压器的副线圈的另一端与同轴等离子体点火器的另一端连接。
20.可选的，所述弧光等离子体电源和所述高频脉冲等离子体电源之间还设置有耦合电路；
21.所述耦合电路包括电感l1、电感l2、电容c1；
22.所述电感l1的一端与所述弧光等离子体电源的高电平输出端连接；
23.所述电感l1的另一端与所述电感l2的一端和所述电容c1的一端连接；
24.所述电感l2的另一端与所述高频脉冲等离子体电源的输出变压器的副线圈的一端连接；
25.所述电容c1的另一端与所述弧光等离子体电源的地电平输出端连接。
26.可选的，所述高频脉冲等离子体电源的数量为一个或多个。
27.可选的，所述高频脉冲等离子体电源包括第二交流源、输入变压器、输出变压器、引弧火花塞、电容；
28.所述第二交流源的两端均与输入变压器的原边相连；
29.所述输入变压器的副边的一端与引弧火花塞的一端及电容的一端相连；
30.所述输入变压器的副边的另一端与引弧火花塞的另一端及输出变压器的原边的一端相连；
31.所述电容的另一端与所述输出变压器的原边的另一端相连。
32.可选的，所述弧光等离子体电源用于点火系统在热等离子体工作模式下为同轴等离子体点火器提供电源，当弧光等离子体电源为直流激励源时，所述弧光等离子体电源输出的电压范围为：100-500v，所述弧光等离子体电源输出的电流范围为：10-100a；当弧光等离子体电源为交流激励源时，所述弧光等离子体电源输出的电压范围为：1000-50000v，所述弧光等离子体电源输出的电流范围为：50ma-50a，所述弧光等离子体电源输出的频率范围为50hz-100khz。
33.可选的，所述高频脉冲等离子体电源用于点火系统在冷等离子体工作模式下为同轴等离子体点火器提供电源，所述同轴等离子体点火器的输出电压范围、输出电流范围、频率范围、脉宽范围和脉冲上升时间范围分别为：0-100kv、0-300a、10-100khz、10-1000ns和1-10ns。
34.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
35.本发明公开了一种同轴等离子体点火器，所述同轴等离子体点火器包括：点火器外壳、陶瓷连接件、点火器阴极和点火器阳极；所述陶瓷连接件同轴设置在所述点火器外壳的内部，所述陶瓷连接件上设置有流道，所述流道的一端与设置在点火器外壳上的进气孔连通，所述流道的另一端对准位于陶瓷连接件和所述点火器外壳之间的点火器放电区；所述点火器阴极同轴设置在所述陶瓷连接件的中心孔内；所述点火器阳极同轴设置在所述点火器外壳的一端。本发明通过同轴设置点火器阴极和点火器阳极的同轴结构等离子体发生器，能够在等离子体发生器内组织等离子体，使等离子体的产生不受发动机内的高速来流
环境影响，实现在极端条件下的点火。
36.本发明还提供了一种等离子体点火系统，通过多模式等离子体电源提供多种电源，实现在点火与稳燃时输出不同的等离子体电源，实现在点火时使用高温活性粒子密度高的等离子体，提高点火的成功率；在稳燃时采用活性粒子密度高的等离子体，实现了小功率稳燃，不仅能够在极端条件下大功率点火，而且能够使用较小功率稳定燃烧室火焰的点火器，以提高发动点火的可靠性、拓宽稳定工作范围。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明提供的一种同轴等离子体点火器的结构图；
39.图2为本发明提供的多模式等离子体电源的结构组成图；
40.图3为本发明提供的另一种多模式等离子体电源的结构组成图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明的目的是提供一种同轴等离子体点火器及等离子体点火系统，以实现在极端条件下的点火，克服现有飞行器在熄火后无法再点火的技术缺陷。
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
44.如图1所示本发明实施例提供一种同轴等离子体点火器，所述同轴等离子体点火器包括：点火器外壳1、陶瓷连接件2、点火器阴极3(示例性的，点火器阴极3包括点火器阴极杆和点火器阴极端)和点火器阳极4；所述陶瓷连接件2同轴设置在所述点火器外壳1的内部，所述陶瓷连接件同轴设置在所述点火器外壳的内部，所述陶瓷连接件2上设置有流道5，所述流道5的一端与设置在点火器外壳1上的进气孔连通，所述流道5的另一端对准位于陶瓷连接件2和所述点火器外壳1之间的点火器放电区；所述点火器阴极3同轴设置在所述陶瓷连接件2的中心孔内；所述点火器阳极4同轴设置在所述点火器外壳1的一端。具体的，点火器阳极4通过螺纹安装在点火器外壳1上。
45.作为一种优选的实施方式，如图1所示，点火器外壳1的外部还设置有回流器6，回流器6与点火器外壳1螺纹连接。
46.所述点火器外壳1为圆筒状结构。
47.点火器外壳1的另一端(图1中的左侧)与发动机的燃烧室连接(连接方式为螺纹连接)，点火器外壳1的中心用于安装陶瓷连接件2，点火器外壳1的一端(图1中的右侧)安装发生器阳极(安装方式为螺纹连接)，并通过最右侧端面与点火器阳极4实现轴向定位。
48.所述陶瓷连接件2为带有中心孔的圆筒柱结构，陶瓷连接件2左侧的延伸段用于确保点火器阴极与点火器外壳间不会发生表面放电，中心孔用于安装点火器阴极，流道用于工质气体流入点火器放电区。工质气体压力为0.01-3.0mpa，所述的工质气体种类为空气、氧气或氮气。
49.所述点火器阴极3为圆柱状结构，所述点火器阳极4为帽状结构。
50.所述点火器阴极3和所述点火器阳极4之间的同轴放电间隙为0.1-5mm。
51.在所述点火器阴极3和所述点火器阳极4之间的放电区域还设置有点火器阴极3的轴向固定装置7。该轴向固定装置7为u型结构，其u型结构的开口与陶瓷连接件的中心孔相对，并与陶瓷连接件2的右端连接。该轴向固定装置7的材质为紫铜，除了用于限制点火器阴极3的轴向移动之外，还具有放电功能。
52.本发明还提供一种等离子体点火系统，所述点火系统包括：同轴等离子体点火器、工质气体供应装置和多模式等离子体电源；所述工质气体供应装置通过气路与设置在所述同轴等离子体点火器的点火器外壳上的进气孔连接，所述多模式等离子体电源与所述同轴等离子体点火器连接。
53.所述工质气体供应装置通过气路连接为同轴等离子体点火器提供工质气体，多模式等离子体电源工作时在同轴等离子体点火器的阴极和阳极间形成电场，使工质气体放电击穿产生等离子体流；所述等离子体电源由直流等离子体电源及高频脉冲等离子体电源组合形成，可以通过电源选择器实现两种不同的工作模式下自由切换，即多模式工作方式。
54.作为一种实施方式，即，如图2所示，当弧光等离子体电源为直流激励时，该电源为直流等离子体电源，此时所述多模式等离子体电源包括直流等离子体电源、高频脉冲等离子体电源；直流等离子体电源的高电平输出端与高频脉冲等离子体电源的输出变压器的副线圈的一端连接，直流等离子体电源的地电平输出端与同轴等离子体点火器的一端连接，高频脉冲等离子体电源的输出变压器的副线圈的另一端与同轴等离子体点火器的另一端连接。示例性的，同轴等离子体点火器的一端为同轴等离子体点火器的点火器阳极或阴极，对应的同轴等离子体点火器的一端为同轴等离子体点火器的点火器阴极或阳极。作为一种优选的实施方式，同轴等离子体点火器的一端为同轴等离子体点火器的点火器阳极，同轴等离子体点火器的一端为同轴等离子体点火器的点火器阴极。
55.作为另一种实施方式，如图3所示，当弧光等离子体电源为交流激励时，该电源为交流等离子体电源，此时所述多模式等离子体电源包括交流等离子体电源、高频脉冲等离子体电源；交流等离子体电源的高电平输出端与高频脉冲等离子体电源的输出变压器的副线圈的一端连接，交流等离子体电源的地电平输出端与同轴等离子体点火器的一端连接，高频脉冲等离子体电源的输出变压器的副线圈的另一端与同轴等离子体点火器的另一端连接。示例性的，同轴等离子体点火器的一端为同轴等离子体点火器的点火器阳极或阴极，对应的同轴等离子体点火器的一端为同轴等离子体点火器的点火器阴极或阳极。作为一种优选的实施方式，同轴等离子体点火器的一端为同轴等离子体点火器的点火器阳极，同轴等离子体点火器的一端为同轴等离子体点火器的点火器阴极。
56.直流等离子体电源包括依次连接的第一交流源、第一整流器、逆变器和第二整流器。第一整流器和逆变器之间设置有滤波电路。示例性的，该第一交流源为市电(该市电为图2中的交流源位置)。
57.交流等离子体电源包括依次连接的第一交流源、第一整流器和逆变器。第一整流器和逆变器之间设置有滤波电路。示例性的，该第一交流源为市电。
58.本发明的等离子体点火系统还可以实现多频等离子体点火器的功能，实现方式为一个弧光等离子体电源与一个及一个以上的高频脉冲等离子体电源耦合使用。
59.本发明根据需要进行选择，实现只由弧光等离子体电源工作、只由高频脉冲等离子体电源工作或两个等离子体电源协同工作；所述的等离子体电源(弧光等离子体电源和高频脉冲等离子体电源)可以通过调节输出参数控制输入点火器的功率；所述的弧光等离子体电源可输出参数为包括电压、电流；所述的高频脉冲等离子体电源可输出参数为包括电压、电流、频率、脉宽和脉冲上升时间。
60.所述的多模式工作方式包括热等离子体模式和冷等离子体模式；所述的热等离子体模式为等离子体电源单独由弧光等离子体电源工作的模式；所述的冷等离子体模式为等离子体电源单独由高频脉冲等离子体电源工作的模式。
61.所述弧光等离子体电源(直流等离子体电源或交流等离子体电源)用于点火系统在热等离子体工作模式下为同轴等离子体点火器提供电源，所述直流等离子体电源输出的电压范围为：100-500v，所述直流等离子体电源输出的电流范围为：10-100a；所述交流等离子体电源输出的电压范围为：1000-50000v；所述交流等离子体电源输出的电流范围为：50ma-50a，所述交流等离子体电源输出的频率范围为50hz-100khz，能够输入大功率的能量，并主要表现为热效应，用于保障点火必须的高温环境，有利于提升恶劣工况下的点火可靠性。
62.所述的弧光等离子体电源用于点火系统在热等离子体工作模式下为同轴等离子体点火器提供电源。该电源可以选择直流等离子体电源，也可以选择交流等离子体电源。当弧光等离子体电源选择直流等离子体电源时，所述同轴等离子体点火器的输出电流范围为10-100a；当弧光等离子体电源选择交流电弧等离子体电源时，所述同轴等离子体点火器的输出电流范围为0-100kv。
63.所述高频脉冲等离子体电源用于点火系统在冷等离子体工作模式下为同轴等离子体点火器提供电源，电压范围、电流范围、频率范围、脉宽范围和脉冲上升时间范围分别为：0-100kv、0-300a、10-100khz、10-1000ns和1-100ns，可实现在输入较少的能量的情况下，产生很多用于提高反应速度的活性基团加快燃烧反应的速率，在耗能低的情况下，可降低点火的能量阈值，易于点火；该模式可以在点火完成后继续工作，用于提高燃烧效率，有利于提高发动机的经济性。
64.所述的高频脉冲等离子体电源包括第二交流源(示例性的为市电，为图2和3中的交流源)、输入变压器、引弧火花塞、输出变压器和电容，第二交流源的电压首先经过输入变压器升压，加载到引弧火花塞上，同时为电容充电，在电压超过引弧火花塞的击穿电压后，火花塞击穿变为通路，电容向火花塞进行放电，并通过输出变压器输出到同轴等离子体点火器中。
65.耦合电路c包括电感l1、电感l2和电容c2，电感l1与弧光等离子体源的输出端相连，起到隔脉冲通直流的作用，电感l2起到分压保护直流电弧等离子体源的作用，电容c1起到隔直流通脉冲的作用，为脉冲输出提供通路。
66.本发明的点火系统，可以在不改变点火器结构和电源供应的前提下，根据实际需
求，实现多种工作模式的切换，既保证了点火的可靠性，又能用提升发动机的经济性。
67.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
68.本发明公开了一种同轴等离子体点火器，所述同轴等离子体点火器包括：点火器外壳、陶瓷连接件、点火器阴极和点火器阳极；所述陶瓷连接件同轴设置在所述点火器外壳的内部，所述陶瓷连接件上设置有流道，所述流道的一端与设置在点火器外壳上的进气孔连通，所述流道的另一端对准位于陶瓷连接件和所述点火器外壳之间的点火器放电区；所述点火器阴极同轴设置在所述陶瓷连接件的中心孔内；所述点火器阳极同轴设置在所述点火器外壳的一端。本发明通过同轴设置点火器阴极和点火器阳极的同轴结构等离子体发生器，能够在等离子体发生器内组织等离子体，使等离子体的产生不受发动机内的高速来流环境影响，实现在极端条件下的点火。
69.本发明还提供了一种等离子体点火系统，通过多模式等离子体电源提供多种电源，实现在点火与稳燃时输出不同的等离子体电源，实现在点火时使用高温活性粒子密度高的等离子体，提高点火的成功率；在稳燃时采用活性粒子密度高的等离子体，实现了小功率稳燃，不仅能够在极端条件下大功率点火，而且能够使用较小功率稳定燃烧室火焰的点火器，以提高发动点火的可靠性、拓宽稳定工作范围。
70.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
71.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种同轴等离子体点火器，其特征在于，同轴等离子体点火器包括：点火器外壳、陶瓷连接件、点火器阴极和点火器阳极；所述陶瓷连接件同轴设置在所述点火器外壳的内部，所述陶瓷连接件上设置有流道，所述流道的一端与设置在点火器外壳上的进气孔连通，所述流道的另一端对准位于陶瓷连接件和所述点火器外壳之间的点火器放电区；所述点火器阴极同轴设置在所述陶瓷连接件的中心孔内；所述点火器阳极同轴设置在所述点火器外壳的一端。2.根据权利要求1所述的同轴等离子体点火器，其特征在于，所述点火器外壳为圆筒状结构。3.根据权利要求1所述的同轴等离子体点火器，其特征在于，所述陶瓷连接件为带有中心孔的圆筒柱结构。4.根据权利要求1所述的同轴等离子体点火器，其特征在于，所述点火器阴极为圆柱状结构。5.根据权利要求1所述的同轴等离子体点火器，其特征在于，所述点火器阳极为帽状结构。6.根据权利要求1所述的同轴等离子体点火器，其特征在于，所述点火器阴极和所述点火器阳极之间的同轴放电间隙为0.1-5mm。7.一种等离子体点火系统，其特征在于，所述点火系统包括：权利要求1-6任一项所述的同轴等离子体点火器、工质气体供应装置和多模式等离子体电源；所述工质气体供应装置通过气路与设置在所述同轴等离子体点火器的点火器外壳上的进气孔连接，所述多模式等离子体电源与所述同轴等离子体点火器连接。8.根据权利要求7所述的等离子体点火系统，其特征在于，所述多模式等离子体电源包括弧光等离子体电源和高频脉冲等离子体电源；所述弧光等离子体电源的高电平输出端和所述高频脉冲等离子体电源的输出变压器的副线圈的一端连接；所述弧光等离子体电源的地电平输出端与同轴等离子体点火器的一端连接；所述高频脉冲等离子体电源的输出变压器的副线圈的另一端与同轴等离子体点火器的另一端连接。9.根据权利要求8所述的等离子体点火系统，其特征在于，所述弧光等离子体电源和所述高频脉冲等离子体电源之间还设置有耦合电路；所述耦合电路包括电感l1、电感l2、电容c1；所述电感l1的一端与所述弧光等离子体电源的高电平输出端连接；所述电感l1的另一端与所述电感l2的一端和所述电容c1的一端连接；所述电感l2的另一端与所述高频脉冲等离子体电源的输出变压器的副线圈的一端连接；所述电容c1的另一端与所述弧光等离子体电源的地电平输出端连接。10.根据权利要求9所述的等离子体点火系统，其特征在于，所述高频脉冲等离子体电源的数量为一个或多个。11.根据权利要求8所述的等离子体点火系统，其特征在于，所述高频脉冲等离子体电
源包括第二交流源、输入变压器、输出变压器、引弧火花塞、电容；所述第二交流源的两端均与输入变压器的原边相连；所述输入变压器的副边的一端与引弧火花塞的一端及电容的一端相连；所述输入变压器的副边的另一端与引弧火花塞的另一端及输出变压器的原边的一端相连；所述电容的另一端与所述输出变压器的原边的另一端相连。

技术总结
本发明涉及一种同轴等离子体点火器，所述同轴等离子体点火器包括：点火器外壳、陶瓷连接件、点火器阴极和点火器阳极；所述陶瓷连接件同轴设置在所述点火器外壳的内部，所述陶瓷连接件上设置有流道，所述流道的一端与设置在点火器外壳上的进气孔连通，所述流道的另一端对准位于陶瓷连接件和所述点火器外壳之间的点火器放电区；所述点火器阴极同轴设置在所述陶瓷连接件的中心孔内；所述点火器阳极同轴设置在所述点火器外壳的一端。本发明通过同轴设置点火器阴极和点火器阳极的同轴结构等离子体发生器，能够在等离子体发生器内组织等离子体，使等离子体的产生不受发动机内的高速来流环境影响，实现在极端条件下的点火。实现在极端条件下的点火。实现在极端条件下的点火。


技术研发人员：唐井峰 李寄 周德胜 张浩然 刘强 周广栋 于达仁 鲍文
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.01.13
技术公布日：2023/5/30