ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНАЯ СИСТЕМА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02P15/10 

Изобретение относится к машиностроению и к авиационной промышленности, в частности к системам воспламенения реактивных двигателей, а также может быть использовано в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Известна система электроискрового зажигания для воспламенения топливной смеси двигателей [1] содержащая непрерывный генератор ВЧ, примененный в качестве высоковольтного преобразователя, со свечей зажигания.

Однако в известной системе в преобразователе, выполненной по общеизвестной схеме блокинг-генератора, осуществлен способ накопления энергии сердечником высоковольтного трансформатора, что приводит к необходимости применения сердечника из магнитного материала, увеличивает вес всей системы в целом. Кроме того, импульсы однополярного напряжения, вырабатываемые преобразователем и подаваемые на свечу, при возникновении пробоя разрядного промежутка приводят к появлению ударной волны и, как следствие, к выбрасыванию топлива из зоны горения, что существенно снижает надежность воспламенения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве протопипа высокочастотная система воспламенения [2] содержащая высокочастотный генератор, излучатель и колебательную систему, выполненную в виде полусфер и представляющую собой объемный резонатор, в котором за счет резонанса в фокусе полусфер образуется плазма. Генератор работает на фиксированной частоте и передает энергию по каоксиалу излучателю, находящемуся в полости объемного резонатора.

Для реализации данной системы необходимо существенно переделывать головку двигателя внутреннего сгорания, а для реактивного двигателя вообще невозможно применять из-за взрыва топливной смеси внутри полости объемного резонатора при возникновении плазмы, приводящего к разрушению резонатора и двигателя в целом.

Основной задачей предлагаемого технического решения является снижение массогабаритных показателей, унификация по объектам применения.

Задача решается тем, что в заявляемом устройстве, содержащем высокочастотный задающий генератор, колебательную систему и излучатель, представляющий собой электроразрядную свечу, подключен к колебательной системе, выполненной на сосредоточенных элементах, и его электрическая емкость является частью емкости этой колебательной системы, участвующей в резонансе, а колебательная система подключена к выходу генератора в качестве нагрузки, где за счет резонанса образуется высокое напряжение, вызывающее пробой разрядного промежутка, а вход обратной связи генератора, предназначенный для коррекции фазы, частоты и амплитуды и возникновения автоколебаний, подключен к этой колебательной системе.

На фиг.1 изображена общая схема высокочастотной электроразрядной системы воспламенения; на фиг. 2 принципиальная схема высокочастотной электроразрядной системы воспламенения, задающий генератор которой выполнен, например, по схеме индуктивной трехточки.

Схема высокочастотной электроразрядной системы воспламенения состоит из высоковольтного высокочастотного генератора 1 с колебательной системой 2 и свечи 3 с центральным электродом 4, выполнена в одном корпусе как единое устройство. Принципиальная схема высокочастотной электроразрядной системы воспламенения, задающий генератор которой выполнен по схеме индуктивности трехточки, включает в себя катушку индуктивности 5, первый выход которой (верхний по схеме) соединен с первым выводом конденсатора 6, образующих колебательную систему 2, настроенную на частоту 2 5 МГц, второй вывод последнего соединен с базой транзистора 7, образуя обратную связь, и первым выводом резистора 8 и с первым выводом резистора 9, второй вывод последнего соединен с первым выводом блокирующего конденсатора 10 и с коллектором транзистора 7, эмиттер последнего соединен с вторым выводом резистора 8 и с отводом катушки 5, являющейся нагрузкой генератора, второй вывод которой (нижний по схеме) соединен с общим проводом питания, с вторым выводом конденсатора 10, с корпусом прибора и корпусом электроразрядной свечи зажигания 3, центральный электрод последней соединен с первым выводом катушки 5. Таким образом, емкость свечи включена в состав колебательной системы и участвует в резонансе. Напряжение питания подается на коллектор транзистора 7 и на общий провод.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения питания на коллектор транзистора 7 последний открывается через делитель напряжения, выполненный на резисторах 8 и 9, что приводит к появлению тока через нижнюю по схеме часть витков катушки 5, который, в свою очередь, вызовет ЭДС индукции в верхней по схеме части витков катушки 5. Это напряжение через обратную связь и открытый переход ЭБ транзистора 7 и резистора 8 прикладывается к конденсатору 6, заряжая его и одновременно током заряда еще сильнее открывая транзистор 7, приводя его в насыщение, после чего рост тока через транзистор 7, а следовательно, и через нижнюю по схеме часть витков катушки 5 прекращается, что вызывает уменьшение ЭДС индукции в верхней по схеме части витков катушки 5, которая через резистор 8 перезаряжает конденсатор 6, но уже напряжением, противоположным по знаку первоначальному. Конденсатор 6, приняв накопленную в катушке 5 энергию, начнет разряжаться и отдавать накопленную энергию через резистор 8 катушке 5 и в момент, когда конденсатор 6 разрядится почти до нуля, транзистор 7 откроется и добавит в колебательную систему 2, образованную катушкой 5, конденсатором 6 и свечей 3, энергию, затраченную на потери при обмене энергией между конденсатором 6, катушкой 5 и свечей 3, а также на потери, вызванные разрядом в свечном промежутке, после чего процесс повторится. Таким образом, в данном устройстве возникают незатухающие электромагнитные колебания. Напряжения на катушке 5, конденсаторе 6 и свече 3, образующих колебательную систему, практически равны по величине и сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 90 град. Величина этого напряжения есть функция соотношения числа витков в катушке 5 и добротности колебательной системы. Математически напряжение на свече выражается приблизительной формулой:
,
где
U_вых напряжение на свече;
ω₁ число витков в верхней по схеме части катушки 5;
ω₂ число витков в нижней по схеме части катушки 5;
Q добротность колебательной системы;
U_пит -напряжение питания;
Таким образом, в точке соединения катушки 5, конденсатора 6 и свечи 3 имеется синусоидальное высокочастотное высоковольтное напряжение, при определенных параметрах схемы достигающее амплитуды 4 10 кВ, которое в этой точке будет столько времени, сколько времени будет находится напряжение питания на коллекторе транзистора 7, и может лежать в пределах от единиц микросекунд до десятков минут. Поэтому, изменяя время команды питания схемы, можно получать в искровом промежутке искру любой длительности, в том числе и непрерывную. Кроме того, сумма комплексных величин напряжений на катушке индуктивности 5 и конденсаторе 6 на резонансной частоте величина действительная и стремится к нулю, т.к. сопротивление колебательной системы 2 на резонансной частоте величина чисто активная, практически равная активному сопротивлению провода, из которого изготовлена катушка индуктивности 5, поэтому на базе транзистора 7 нет высокого напряжения, а протекает только через базу относительно большой ток, который и управляет транзистором 7, поддерживая незатухающие колебания.

Включение свечи в колебательную систему приводит при изменении параметров среды проводимости, давления, температуры в свечном зазоре к изменению резонансной частоты, а обратная связь позволяет при этом отследить эти измерения и подстроить частоту, фазу и амплитуду генератора под изменившиеся параметры. Фактически выходная колебательная система со свечой при этом является одновременно и задающим контуром для генератора. Таким образом, независимо от внешних параметров система всегда остается в резонансе даже при 10-кратном и более изменении резонансной частоты.

Синусоидальная форма выходного напряжения приводит к тому, что при появлении дуги в свечном промежутке и во время ее горения полностью отсутствует ударная волна, присущая всем электроисковым системам воспламенения, что, в свою очередь, исключает выбрасывание топлива из зоны горения плазмы и, как следствие, повышает надежность воспламенения топливной смеси.

В связи с тем, что колебательная система выполнена на сосредоточенных элементах (катушке индуктивности и конденсаторе), оказалось возможным построить высокочастотную систему воспламенения, в которой высокое напряжение получается за счет резонанса, и в отличие от прототипа без переделки двигателя. Это дало возможность применить заявляемое устройство - высокочастотную электроразрядную систему воспламенения для реактивных двигателей и для ДВС без переделки камер сгорания, т.е. достигнута унификация по объектам применения. Кроме того, катушка 5 колебательной системы 2 выполнена без сердечника из магнитного материала, что позволило существенно уменьшить вес системы в целом.

Изобретение может использоваться в системах, где требуется поджиг топлива для любых типов двигателей и для горелок любого жидкого и газообразного топлива. Основной задачей является унификация системы вне зависимости от типа двигателей и топлива. Сущность изобретения: система воспламенения содержит: высокочастотный задающий генератор, колебательную систему и излучатель, представляющий собой электроразрядную свечу и являющийся частью колебательной системы. 2 ил.

Высокочастотная электроразрядная система воспламенения, содержащая высокочастотный задающий генератор, колебательную систему и излучатель, отличающаяся тем, что излучатель, представляющий собой электроразрядную свечу, подключен к колебательной системе, выполненной на сосредоточенных элементах, и является частью емкости этой колебательной системы, колебательная система подключена к выходу высокочастотного задающего генератора в качестве нагрузки, а вход обратной связи высокочастотного задающего генератора подключен к этой системе.