Аналог эффекта Ганна в полупроводниковых и эрозионных свечах систем зажигания авиационных газотурбинных двигателей

Представленные исследования были проведены с целью поиска путей повышения эффективности систем зажигания авиационных газотурбинных двигателей.

Как известно, в данных системах применяются полупроводниковые и эрозионные свечи поверхностного разряда [1...3]. Полупроводником является двуокись титана, частично восстановленная в водороде. В эрозионных свечах на поверхность изолятора между электродами нанесены частицы металла, изолятором является синоксаль - металлические частицы из титана. Межэлектродный промежуток равен 1 мм для эрозионной и 2 мм для полупроводниковой свечи [4]. Свечи питаются напряжением 3,5...5,0 кВ, а напряжение пробоя для этих промежутков составляет 15...20 кВ. Такое низкое пробивное напряжение объясняется тем [1...3], что вначале ток протекает в полупроводнике или металлизированном слое, разогревает его, испаряет и ионизирует межэлектродный промежуток, после чего вспыхивает дуга. Но теория не объясняет перехода тока из поверхностного слоя в межэлектродное пространство, поскольку с ростом температуры проводимость этого слоя растет, так как с ростом температуры растет и подвижность носителей заряда. Иными словами, электронам энергетически выгоднее двигаться в проводящем слое, чем пробивать воздушный зазор.

Цля проведения испытаний использовались экспериментальные стенды (рис. 1...3).

Цля схемы применялись входное сопротивление R j = 10 кОм, ограничивающие напряжение сопротивления R ₂ = 5 кОм и R ₃ = 5 кОм.

К осциллографу

Рис. 2. Схема исследования напряжения на контактах

в первичной цепи индукционной катушки: 1 - сердечник;

2 - первичная обмотка; 3 - вторичная обмотка;

4 - конденсатор; 5 - прерыватель; 6 - свеча

KS

Рис. 3. Схема понижения частоты

+30 В

На «+» катушки

Рис. 1. Схема исследования системы зажигания:

1 - агрегат зажигания; 2 - сопротивление 1,7 Ом;

3 - свеча зажигания; 4 - двухканальный осциллограф;

5 - фотодиод; 6 - сопротивление 5 кОм; 7 - выключатель

В качестве основного измерительного прибора применен осциллограф С1-55. Цля получения постоянного напряжения 10 В использовался источник питания постоянного тока Б5-47. Цля получения постоянного напряжение 30 В применялся блок питания на 30 В.

При исследованиях в разрыв экрана проводки свечи вставлялся шунт, напряжение с которого подавалось на первый вход с осциллографа. На второй вход подавалось напряжение, пропорциональное току, проходящему через фотодиод, установленный напротив центрального электрода свечи. Таким образом, были получены осциллограммы тока разряда и изменения яркости дуги (рис. 4).

и , , в

Совместно с индукционной катушкой КНО-II использовалась схема понижения частоты смыкания-размыкания контактов, собранная на тиристоре КУ-202Л и конденсаторе К50-16 на 200 мкФ (рис. 3).

10 0

10 0

0 0,4    1,2    2,0    2,8    3,6

Рис. 4. Ток разряда (верхняя осциллограмма) и яркость дуги (нижняя осциллограмма)

и , в

t , мс

Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева

Результаты экспериментов показали их большие отличия от теории. В эксперименте ток возрастает ступенчато, в начале каждой ступеньки происходит вспышка, во время которой происходят высокочастотные колебания (рис. 5). При этом идет непрерывное падение напряжения. Исходя из этих наблюдений можно сделать вывод, что межэлектродный проводящий слой в свече имеет падающий участок вольт-амперной характеристики. При наличии такого участка в полупроводниках происходит образование домена - участка, в котором отсутствуют быстрые носители зарядов. Это явление соответствует эффекту Ганна в полупроводниках [5].

и , в

60--

40"

20 "

10 0

0    0,2    0,4    0,6    0,8    1,0    1,2       t , мс

Рис. 5. Ток разряда (нижняя осциллограмма) и яркость дуги (верхняя осциллограмма)

и , в

Механизм разряда в эрозионных свечах можно представить следующим образом. В начале слой, в который внедрены частицы металла, не проводит электрического тока. По мере роста напряжения начинается движение зарядов вследствие тоннельного эффекта. Когда напряжение превысит критическое для эффекта Ганна значение, в слое образуется домен, к которому прикладывается почти все напряжение. Размеры домена невелики (меньше 0,1 мм), и напряжения вполне хватает для пробоя воздушного промежутка над ним. Поскольку напряжение на свечу подается через разрядник, в начале разряда оно намного больше критического, т. е. разряд начинается с нижней точки падающего участка вольт-амперной характеристики. Процесс повторяется несколько раз, каждый раз при более низком напряжении, до тех пор, пока напряжение не станет ниже критического. Затем разряд идет в поверхностном слое без пробоя. В полупроводниковых свечах процесс протекает аналогично, только в самом начале происходит скачок тока без образования дуги, который убирает быстрые носители зарядов.

Зажигание топливовоздушной смеси осуществляется только во время горения дуги, которая составляет не более 5 % от цикла разряда. Чем больше время разряда, тем большая зона горения образуется, тем больше вероятность того, что эта зона горения станет самопод-держивающейся. Связано это с тем, что потери тепла пропорциональны квадрату радиуса зоны, а количество тепла в ней пропорционально кубу радиуса. Радиус пропорционален времени горения дуги и скорости движения фронта горения. Большая по размерам зона содержит больше теплоты, теряет ее меньше, ее объем растет быстрее.

В заключение сдлеаем следующие выводы:

• 1.    Для повышения эффективности необходимо увеличить время горения дуги. Для этого на свечу необходимо подать напряжение выше критического и поддерживать его все время, необходимое для зажигания топливовоздушной смеси.

• 2.    Полупроводниковые свечи имеют малую эффективность, так как они используют значительную часть энергии разряда для нагрева полупроводника.

• 3.    Рассмотренное авторами явление названо аналогом эффекта Ганна, поскольку в металлизированном изоляторе нет второй зоны проводимости, а эффект Ганна, как известно, возникает в двухзонных полупроводниках [5].