СПОСОБ КОНТРОЛЯ ДЕТОНАЦИИ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L23/22 F02P11/06 

Изобретение относится к области контроля детонации в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием и может быть использовано при регулировке ДВС в стационарных условиях и в процессе ремонта и эксплуатации.

При работе ДВС в напряженных режимах при определенных условиях возникает детонация [1, 2] резко снижающая мощность и угрожающая в дальнейшем прогаром поршня и разрушением двигателя, с другой стороны, режим работы вблизи порога детонации наиболее эффективен по мощности и экономичности, поэтому поиски способов и устройств, решающих задачу контроля появления и определения интенсивности детонации, начатые еще в 30-е годы, продолжаются до сих пор.

Известные способы контроля детонации в ДВС можно разделить на несколько групп: механические (игла Миджлея); пьезоэлектрические [3] электроакустические [4, 5] ионизационные [6, 7]
Большинство известных способов контроля детонации используют специальные датчики, расположенные на головках цилиндров ДВС, либо вводимые внутрь них, что требует отдельных специальных отверстий.

К другим недостаткам известных способов можно отнести следующее: механические способы архаичны ввиду их малой чувствительности. Для электроакустических способов характерны помехи от посадки клапанов и от детонации в других цилиндрах многоцилиндрового двигателя. Такие же помехи возникают и в пьезоэлектрических способах.

Известен способ контроля детонации путем измерения ионизационного тока, возникающего в цепи датчика с приходом пламени к ионизационному датчику, вводимому в камеру сгорания (КС) каждого цилиндра. Ионизационный датчик соединен с источником питания и с измерительной схемой, регулирующей возникновение детонации [7]
Известный способ [7] обеспечивает достаточно высокую чувствительность измерений, однако этот вариант ионизационного контроля детонации также требует сверления дополнительного отверстия под датчик в каждой камере сгорания.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля детонации в ДВС с принудительным зажиганием путем измерения ионизационного тока, протекающего через свечу зажигания, соединенную через высоковольтное сопротивление с дополнительным источником питания и последовательно с ним с измерительным сопротивлением, при этом в качестве дополнительного источника питания используют громоздкую батарею напряжением 500 В, а в качестве измерительного сопротивления низкоомное сопротивление [8]
Известный способ [8] позволяет избежать необходимости сверления специального дополнительного отверстия для датчика и обеспечивает достаточную чувствительность измерений, но при этом необходимо использовать громоздкую высоковольтную батарею и низкоомное измерительное сопротивление, что не позволяет достичь тем не менее оптимального соотношения полезный сигнал/помеха от искры.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа контроля детонации в ДВС, который сочетал бы высокую чувствительность измерений с отсутствием необходимости использования громоздкой высоковольтной батареи в качестве источника питания ионизационного тока и позволил бы значительно улучшить соотношение полезный сигнал/помеха от искры зажигания.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом контроля детонации в двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием путем измерения ионизационного тока, протекающего через свечу зажигания, соединенную через высоковольтное сопротивление с дополнительным источником питания и последовательно с ним с измерительным сопротивлением, в котором дополнительный источник питания и измерительное сопротивление шунтируют стабилитроном, напряжение стабилизации которого превышает электродвижущую силу дополнительного источника питания, причем в качестве измерительного сопротивления используют высокоомное сопротивление.

Дополнительный источник питания и измерительное сопротивление можно шунтировать неоновой лампой или динистором, или тиристором.

Использование в предлагаемом способе свечи зажигания одновременно как зонда и как источника зажигания требует выполнения двух противоречащих друг другу условий: защиты питающей батареи (Б) (см. схему на чертеже), выходного измерительного сопротивления (R_и), а также последующих цепей, обрабатывающих полученный сигнал, от искрового пробоя, с одной стороны, и подачи на свечу зажигания, так как она является одновременно и датчиком напряжения батареи Б порядка 10 В с другой.

В известном способе [8] получить допустимую величину помехи от искры (u¹) на измерительном сопротивлении R_u удается, лишь выполнив условие R_u < R_b. При U_искры 20000 В и u¹ 10 В получаем: При протекании ионизационного тока добавляется сопротивление ионизационного промежутка в свече (R_i), тогда величина сигнала ионизации (u) будет равно а отношение полезный сигнал/помеха равно: т. е. для удаления этого отношения в известном способе имеется только одна возможность увеличение напряжения дополнительного источника питания E. При E 500 В [8] отношение u/u¹ в известном способе равно 0,0125.

В предлагаемом способе поставленная задача решается другим путем.

Из литературы известно использование диодов для ограничения импульсов, например [9] но выполнить оба указанных выше требования с помощью высоковольтных столбов или диодов, или малоинерционных переключателей затруднительно и в последнем случае небезопасно для аппаратуры. При малых значениях приложенного напряжения и высоковольтные столбы, и вакуумные диоды обладают чрезвычайно высоким сопротивлением и не будут пропускать необходимое напряжение на датчик.

В предлагаемом способе проблема решается заменой диода высоковольтным сопротивлением и стабилизатором (или неоновой лампой). Возможно использование и других пороговых ограничителей, например динистора или тиристора.

Такая замена позволяет не только ограничить помеху искры, но и приложить к свече напряжение батареи Б, чтобы обеспечить ток ионизации и выделение его сигнала на измерительном сопротивлении при детонации. Назначение стабилитрона (или других пороговых элементов) работать отпертым диодом в момент подачи искры и быть запертым диодом (т.е. высокоомным сопротивлением) после ее окончания, чтобы не шунтировать свечу-зонд при подаче на нее питающего напряжения от батареи Б (около 10 В). Напряжение стабилизации стабилитрона U_ст должно превышать электродвижущую силу батареи Б. При этом u¹=U_ст.

При напряжении стабилизации стабилитрона равном 10 В и напряжении питающей батареи Б 9 В отношение полезный сигнал/помеха от искры будет равно
т. е. по сравнению с известным способом [8] получим увеличение этого отношения в 4 раза при использовании несравнимо меньшего по напряжению и габаритам дополнительного источника питания Б.

На чертеже приведены три части (I, II, III) общей схемы, используемой в предлагаемом способе. Части I и II позволяют получить ионизационный сигнал, характеризующий состояние продуктов горения в КС двигателя нормальное или детонационное от свечи зажигания.

Не упомянутые ранее обозначения: Пр прерыватель, Р распределитель искры по цилиндрам, КЗ катушка зажигания, 1, 2, 3, 4 свечи в КС четырехцилиндрового двигателя, П переключатель, подключающий часть II схемы к одной из КС двигателя, Т тумблер, включающий питание свечи-зонда от батареи Б.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Часть II схемы подключают переключателем П к КС исследуемого цилиндра работающего двигателя. Замыкают тумблер Т.

По условиям процесса в ДВС через свечу зажигания до 50 раз в секунду (при числе оборотов до 6000 1/мин) проходит искровой разряд напряжением в максимуме до 30-40 кВ, продолжительностью 0,5-2,5 мс [10] после которого через несколько миллисекунд возникает очаг горения с ионизацией продуктов сгорания. При зажигании благодаря введению в электрическую измерительную схему части II высоковольтного сопротивления R_в (порядка сотен килоом) лишь небольшая (менее 1% ) доля энергии искры ответвляется в эту измерительную схему и почти вся замыкается через стабилитрон, что приводит к тому, что лишь малая часть этой доли (много менее миллионной доли энергии искры) проходит через батарею Б и измерительное сопротивление R_и в регистрирующую часть схемы (III) в виде помехи, легко устраняемой ею. Этим выполняется требование защиты измерительной цепи от искрового разряда. Второе требование питание свечи-зонда, выполняется тем, что свеча через R_в соединена с батареей питания Б. Возникающий при горении топливной смеси ток ионизации порядка микроампер течет от плюса батареи Б через R_в, ионизованный газ в зазоре свечи R_i, резистор R_и к минусу батареи. Падение напряжения на R_и от тока ионизации дает полезный сигнал, содержащий в случае детонации детонационные колебания, используемые далее для контроля детонации.

Литература
1. Б.Льюис, Г. Эльбе. Горение, пламя и взрывы в газах. М. Мир, 1968, с. 544.

2. А. С. Соколик. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М. АН СССР, 1960, с. 244, 234, 389.

3. А. П. Усачев. Пьезокварцевый индикатор детонации. ТВФ, 1946, N 2, с. 15.

4. А.С.Соколик, А.И.Соколик, Б.К.Шапиро, М.И.Родман. ТВФ, 1947, N 5.

5. М.И.Родман, Е.С.Семенов. Устройство для регистрации детонации в ДВС. Авт. св. N 79149, кл. G 01 L 23/08, 1947.

6. Таусс, Герлахер и Дрексель. Сб. ДВС, т. III. Под. ред. С.Н.Васильева, 1987, с. 153.

7. Л.А.Гуссак, Е.С.Семенов, Н.Г.Артемов, В.П.Зудин. Выяснение возможности применения ионизационной аппаратуры для определения начального момента, места возникновения, интенсивности и частоты детонации в ДВС. Отчет по теме N 70001112, И.ХФ АН СССР, 1974.

8. Заявка ФРГ N 2507286, кл. F 02 P 11/06, 1978.

9. В.В. Гусев. Формирование импульсов. М. Воениздат, 1958, с.27.

10. А. Х.Синельников. Электроника в автомобиле. М. Радио и связь, с. 7, 21, 39.

Использование: при регулировке двигателей внутреннего сгорания с принудительным зажиганием в стационарных условиях и в процессе ремонта и эксплуатации. Сущность изобретения: способ контроля детонации в двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием заключается в измерении ионизированного тока, протекающего при горении топливно-воздушной смеси в измерительной печи, содержащей источник питания и подключенной к свече зажигания. Причем измерение осуществляют в условиях защиты измерительной электрической цепи от действия высокого напряжения искры зажигания, для чего в цепь вводят комбинацию высоковольтного сопротивления с пороговым элементом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля детонации в двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием путем измерения ионизационного тока, протекающего при горении топливно-воздушной смеси в цепи, состоящей из дополнительного источника питания, высоковольтного сопротивления, зазора свечи зажигания и измерительного сопротивления, отличающийся тем, что измерение ионизационного тока осуществляют в условиях защиты измерительной электрической цепи от действия высокого напряжения с помощью порогового элемента, через который замыкается часть энергии искры. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порогового элемента используют стабилитрон или неоновую лампу. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порогового элемента используют динистор или тиристор.