УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГОРЮЧИХ СМЕСЕЙ Российский патент 2000 года по МПК H01T13/44 

Изобретение относится к искровым разрядникам, в частности, касается устройств для воспламенения горючих смесей в двигателях внутреннего сгорания.

Широко известны устройства для воспламенения горючих смесей, состоящие из свечи зажигания, подключенной к источнику высокого напряжения. Такая свеча зажигания имеет искровой промежуток, образованный высоковольтными электродами. Высокое напряжение, вырабатываемое с помощью, как правило, катушек зажигания, передается на свечу зажигания по высоковольтным проводам через высоковольтный распределитель.

В этих устройствах возникает проблема передачи топливу энергии искры в течение кратчайшего отрезка времени для обеспечения максимально мощного разряда, а значит, и возможно более высокой начальной температуры воспламенения и, как следствие - более высокой скорости горения. Это объясняется тем, что волновое, сопротивление источника высокого напряжения, определяемое большим индуктивным сопротивлением катушки зажигания, активным и индуктивным сопротивлением высоковольтных проводов, на высоких частотах обуславливает медленную передачу энергии искры искровому промежутку. Так, известные устройства, описанные, например, в выложенной заявке DE-OS-2363804, большую часть своей энергии отдают не в фазе пробоя, а в фазе дуги, следующей за фазой пробоя после воспламенения топлива и перемещения фронта пламени в направлении стенок камеры сгорания. С этого времени энергия искры целиком расходуется на разогрев электродов искрового промежутка и продувов горения топлива. Эти устройства фактически производят дуговое пламя, интенсивно разрушающее электроды искрового промежутка.

Известны также устройства для воспламенения горючих смесей, обеспечивающие подвод энергии разряда в основном в фазе пробоя. Это достигается за счет подключения емкости параллельно искровому промежутку. Электрическая схема, содержащая в том числе и конденсатор, подключенный к искровому промежутку, описана, например, в кн.: Ф.Фрюнгель. Импульсная техника. Генерирование и применение разрядов конденсаторов. Л. - М., "Энергия", 1965 г., 488 с. Такая конструкция в некоторой мере отвечает требованиям, предъявляемым к СВЧ цепям, а именно - обеспечивает минимальное паразитное сопротивление в цепи разряда конденсатора через искровой промежуток свечи зажигания, но по-прежнему требует передачи высокого напряжения катушки зажигания через высоковольтные провода, распределитель, электрические контакты к свечам зажигания.

Кроме того, известно устройство для воспламенения горючих смесей, содержащее источник входного напряжения и конденсатор, подключенный к электродам параллельно искровому промежутку, при этом обкладками конденсатора являются центральный и часть бокового электрода, переходящие в искровой промежуток (см. , например, DE 2810159). Устройство этого типа наиболее близкое к заявляемому и принятое в качестве прототипа, обеспечивает ускоренное высвобождение энергии в начальной фазе искры при незначительной энергетической составляющей дуговой фазы. Такие устройства развивают более высокую температуру и менее интенсивно разрушают электроды по сравнению с традиционными, хотя по-прежнему остается нерешенной проблема передачи высокого напряжения, вырабатываемого вне устройства воспламенения горючей смеси. Передача высокого напряжения влечет за собой необходимость в дополнительных элементах оборудования, таких как катушка зажигания, высоковольтные провода, разъемы-наконечники свечей. Большое количество высоковольтного оборудования делает неизбежным наличие высоковольтных контактных соединений (а их не менее 10 в 4-цилиндровом двигателе) и элементов их изоляции. Каждое контактное соединение является потенциальным источником энергетических потерь - на нагрев электродов контакта и на тлеющий разряд через влагу воздуха (часто наблюдается в виде светящегося ореола в темное время суток). В свою очередь, каждая дополнительная единица оборудования снижает надежность и увеличивает стоимость как устройства воспламенения, так и двигателя в целом. Кроме того, длинные (500-1000 мм) высоковольтные провода являются излучающими антеннами, увеличивающими потери энергии и создающими радиопомехи в широком диапазоне частот.

В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство для воспламенения горючих смесей, в котором благодаря тому, что обкладки конденсатора, переходящие в электроды искрового промежутка, одновременно являются и обмотками повышающего трансформатора, удалось достичь конструктивного совмещения трансформатора, высоковольтных проводов и конденсатора с электродами искрового промежутка и за счет этого минимально снизить потери и максимально увеличить мощность разряда.

Поставленная задача решена тем, что в устройстве для воспламенения горючих смесей, содержащем источник входного напряжения и конденсатор, подключенный к электродам параллельно искровому промежутка, согласно изобретению, обкладки конденсатора выполнены в виде обмоток повышающего трансформатора, каждая из которых представляет собой лентообразный проводник, расширяющийся в сторону расположения искрового промежутка, при этом проводники навиты вокруг общей оси, расположены коаксиально, разделены изолятором и магнитно связаны друг с другом так, что наружный из них образует первичную обмотку, причем с одного конца такие обмотки объединены, а с другого конца вывод вторичной обмотки подключен к центральному электроду искрового промежутка.

Такое выполнение заявляемого устройства обеспечивает то, что на искровой промежуток разряжается емкость с минимальным активным и индуктивным сопротивлением. Это достигается за счет использования соединительных проводов в виде лентообразных проводников, разделенных изолятором и являющихся по существу продолжением емкости. С другой стороны, предлагаемое устройство позволяет одновременно с этим получить требуемый коэффициент трансформации и определенную индуктивность обмоток за счет того, что лентообразные проводники, навитые вокруг общей оси (например, сердечника из феррита) и расположенные коаксиально, выполнены расширяющимися в сторону размещения искрового промежутка, то есть в устройстве достигается пропорциональное увеличение ширины витков обмоток и сохраняется по существу неизменным коэффициент трансформации.

В результате предлагаемое совмещение в одном конструктивном элементе функций конденсатора, повышающего трансформатора и высоковольтных проводов позволит:
отказаться от таких традиционных элементов электрооборудования двигателей внутреннего сгорания (ДВС), как катушка зажигания, высоковольтный распределитель, высоковольтные провода, высоковольтные разъемные соединения, контакты и элементы их изоляции, так как отсутствует необходимость в передаче энергии высокого напряжения;
исключить потери энергии высокого напряжения, так как обеспечено максимальное приближение источника высокого напряжения к искровому промежутку, энергия полностью передается горючей смеси, повышая температуру, скорость и сокращая продолжительность горения, что увеличивает силу давления в цилиндре, которое, будучи переданным поршню, увеличивает крутящий момент и мощность двигателя;
снизить уровень радиопомех.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления данного изобретения обмотки могут быть размещены в свече зажигания, при этом магнитная связь между обмотками обеспечена сердечником, расположенным внутри обмоток соосно с ними, объединенный конец обмоток с одной стороны этого сердечника подключен к источнику входного напряжения, а с другой его стороны вывод первичной обмотки подключен к боковому электроду этого промежутка.

Такое осуществление данного изобретения позволяет с учетом специфики конструкции самой свечи зажигания реализовать в ней все указанные выше преимущества.

Магнитная связь между обмотками согласно еще одному предпочтительному варианту обеспечивается полым сердечником, расположенным внутри обмоток соосно с ними и выполненным в виде разъема свечи зажигания, при этом объединенный конец обмоток электрически связан с боковым электродом искрового промежутка, а с другого их конца вывод первичной обмотки подсоединен к источнику входного напряжения.

При этом электрическая связь объединенного конца обмоток с боковым электродом искрового промежутка может быть осуществлена посредством механического зажима, охватывающего корпус вставленной свечи зажигания, а электрическая связь вторичной обмотки с центральным электродом искрового промежутка может быть осуществлена также посредством механического зажима, охватывающего входной контакт этой свечи зажигания.

В этих вариантах выполнения обеспечивается дополнительное преимущество данного изобретения, заключающееся в том, что применение заявляемого устройства становится возможным в сочетании с серийно выпускаемыми свечами зажигания.

Еще одним важным аспектом настоящего изобретения является то, что магнитную связь между обмотками целесообразно обеспечивать гибким сердечником удлиненной формы, расположенным внутри обмоток соосно с ними, при этом объединенный конец обмоток может быть подключен к источнику входного напряжения, а с их другого конца, выполненного в виде разъема свечи зажигания, вывод первичной обмотки электрически связан с боковым электродом этого промежутка.

В этом варианте предпочтительного выполнения средняя часть коаксиально расположенных сердечника и обмоток, разделенных изолятором, может быть выполнена в виде кабеля, а электрическая связь обмоток с электродами искрового промежутка осуществлена каждая посредством механического зажима, охватывающего соответствующий участок свечи зажигания. За счет этого обеспечивается удобство эксплуатации таких устройств, в особенности в труднодоступных местах.

В дополнение к указанному, повышению надежности и электробезопасности данного устройства может способствовать нанесение на наружную поверхность обмоток изолирующего покрытия.

В дальнейшем сущность изобретения поясняется подробным описанием конкретных примеров его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет фрагмент обмоток повышающего трансформатора устройства согласно изобретению, которые по мере приближения к искровому промежутку переходят в обкладки конденсатора;
фиг. 2 - поперечное сечение одного из вариантов выполнения устройства согласно изобретению в виде свечи зажигания;
фиг. 3 - поперечное сечение другого варианта выполнения устройства согласно изобретению в виде разъема со вставленной выпускаемой серийно свечой зажигания;
фиг. 4 - общий вид еще одного варианта выполнения устройства согласно изобретению в виде коаксиального кабеля;
фиг. 5 - поперечное сечение концевого участка устройства согласно изобретению, показанного на фиг.4, в увеличенном масштабе, выполненного в виде разъема со вставленной серийно выпускаемой свечой зажигания;
фиг.6 - поперечное сечение другого концевого участка устройства согласно изобретению, показанного на фиг.4, в увеличенном масштабе, предназначенного для подключения к источнику входного напряжения;
фиг.7 - поперечное сечение среднего участка устройства согласно изобретению, показанного на фиг.4, в увеличенном масштабе;
фиг.8 - временные зависимости токов и напряжений на входе и выходе устройства согласно изобретению.

В патентуемом устройстве для воспламенения горючих смесей предлагается обкладки конденсатора выполнять, как это показано на фиг. 1, в виде обмоток 1 и 2 повышающего трансформатора, каждая из которых представляет собой лентообразный проводник, расширяющийся в сторону расположения искрового промежутка (на фиг. 1 не показан). При этом проводники навиты вокруг общей оси, расположены коаксиально и магнитно связаны друг с другом так, что наружный из них образует первичную обмотку 1. С одного конца 1, например верхнего, как это показано на фиг. 1, выводы таких обмоток 1 и 2 объединены, в частности так, как это проиллюстрировано на фиг.1, а с другого их конца вывод 4 вторичной обмотки 2 подключен к центральному электроду искрового промежутка.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления такую конструкцию с использованием известных технологий возможно получить в устройстве для воспламенения горючих смесей, представляющем собой собственно свечу зажигания (фиг. 2). Магнитная связь между обмотками 1 и 2 в этом варианте выполнения обеспечена сердечником 5, например из феррита, расположенным внутри обмоток 1,2 соосно с ними. Объединенный конец 3 обмоток 1 и 2 с одного конца сердечника 5 через входной контакт 6 подключен к источнику входного напряжения (на фигурах не показан). С другого конца сердечника 5 вывод 4 обмотки 2 подключен к центральному электроду 7 искрового промежутка 8, а вывод 9 первичной обмотки 1 подключен к боковому электроду 10 промежутка 8. Обмотки 1 и 2 разделены друг от друга изолятором 11.

В одной из модификаций заявляемого устройства сердечник 5 может быть выполнен полым с возможностью размещения в нем серийно выпускаемой свечи зажигания, например производимой фирмой Bosh. Такая конструкция, выполненная в виде разъема со вставленной в нем серийно выпускаемой свечой 12 зажигания, показана на фиг. 3. В этом варианте выполнения объединенный конец 3 обмоток 1 и 2 электрически связан с боковым электродом 10, а вывод 4 обмотки 1 через входной контакт 6 - с источником входного напряжения. Электрическая связь конца 3 с электродом 10 осуществлена с помощью механического зажима 13, охватывающего корпус свечи 12 зажигания, а электрическая связь вывода 9 вторичной обмотки 2 с электродом 7 - с помощью механического зажима 14, охватывающего входной контакт свечи 12 зажигания. Зажимы 13 и 14 обеспечивают упругое фиксирование свечи 12 в таком разъеме.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления данного изобретения устройство для воспламенения горючих смесей возможно выполнять в виде коаксиального кабеля 15, показанного на фиг. 4. В такой конструкции магнитная связь между обмотками 1 и 2 обеспечена гибким сердечником 16 (фиг.7) удлиненной формы, расположенным внутри обмоток 1 и 2 соосно с ними. С одного конца этого устройства (со стороны расположения источника входного напряжения) объединенный конец 3 (фиг.6) обмоток 1 и 2 через входной контакт 6 подсоединен к источнику входного напряжения, а с другого конца, показанного на фиг. 6, это устройство выполнено в виде разъема, в который вставляется серийно выпускаемая свеча 12 зажигания. Вывод 9 обмотки 1 электрически связан с боковым электродом. Электрическая связь обмоток 1 и 2 с электродами 10 и 7 осуществлена каждая с помощью механических зажимов 14 и 13 соответственно. При таком выполнении существенным образом повышается удобство эксплуатации и становится возможным использовать это устройство в труднодоступных местах двигателей внутреннего сгорания.

Для целей безопасности на открытые поверхности обмоток 1 и 2 наносят защитное изоляционное покрытие 17, как это показано на фиг. 3-7.

Работа устройства согласно изобретению может быть разделена на две стадии:
- на 1-й стадии устройство работает как импульсный трансформатор, нагруженный на конденсатор.

- на 2-й стадии устройство работает как заряженный конденсатор, разряжающийся на искровой промежуток.

Первая стадия начинается с момента, когда фронт импульса первичного напряжения U_вх (фиг.8) подается на входной контакт 6 устройства согласно изобретению, показанного, например на фиг. 2, относительно вывода 4 первичной обмотки 1, подсоединенного к корпусу двигателя и электроду 10 искрового промежутка 8. Напряжение U_вх вызывает нарастание тока I_вх со скоростью dl_вх/dt, который возбуждает в сердечнике 5 возрастающий магнитный поток. В соответствии с этим напряжение U_вых, возникающее во вторичной обмотке 2, круто возрастает, достигая своего максимального значения, за которым следует пробой искрового промежутка, образованного электродами 7 и 10. Во время нарастания напряжения U_вых нагрузкой вторичной обмотки 2 служит распределенный конденсатор, одной обкладкой которого является первичная обмотка 1, а другой - вторичная обмотка 2 трансформатора. Эффективность работы устройства на стадии импульсного трансформатора тем выше, чем больше значение dl_вх/dt, поэтому предпочтительной в этом случае является минимальная индуктивность и минимальное активное сопротивления первичной обмотки 1. Большое значение для КПД устройства имеет степень связи по магнитному полю первичной и вторичной обмоток устройства. Следует также учитывать, что при длительности трансформируемого импульса (порядка 1 мкс) намагничивание в сердечнике может распространиться лишь очень незначительно, поэтому материалы и форма сердечника не имеют существенного значения, так как крутой градиент магнитного поля будет иметь место на протяжении лишь нескольких миллиметров от места возбуждения окружающей первичной обмотки. Поэтому в устройстве согласно изобретению предпочтительно используют разомкнутый сердечник, так как трансформируемый импульс настолько короток, что не успевает использовать уменьшение магнитного сопротивления вследствие замыкания сердечника. Работа устройства на первой стадии - стадии трансформирования импульса заканчивается в момент, когда напряжение заряда U_вых распределенных конденсаторов, образованных обмотками 1, 2 и изолятором 11, достигнет напряжения пробоя.

На 2-й стадии - стадии разряда конденсатора на искровой промежуток, благодаря особенностям заявляемой конструкции, обеспечивается, как это показано на фиг.8, максимально эффективный разряд распределенной емкости, образованной обмотками 1, 2 и изолятором 11, на искровой промежуток 8, образованный электродами 7, 10. Максимальная эффективность может быть достигнута при минимальной длительности импульса разряда, так как при минимальной длительности обеспечивается максимальная мощность. Понятно, что наличие индуктивности первичной обмотки 1, а тем более вторичной обмотки 2 не способствует сокращению времени разряда, однако избавиться от индуктивности полностью невозможно, возможно лишь свести ее к минимуму и оптимально распределить по длине - от начала (объединенный конец 3) до конца (выводы 4, 9) обмоток 1, 2 трансформатора (обкладок конденсатора). Это достигается расширением лентообразных витков обмоток 1, 2 по мере их приближения к искровому промежутку 8. При этом вся распределенная емкость обмоток 1, 2 без удлинения основного импульса с минимальной длительностью будет разряжена на искровой промежуток 8 и вся энергия, запасенная в емкости обмоток 1, 2 трансформатора практически без потерь будет передана горючей смеси.

Таким образом, совмещение обмоток высоковольтного трансформатора с обкладками накопительного конденсатора и объединение этого узла с электродами искрового промежутка в патентуемом устройстве исключает передачу энергии высокого напряжения и высокой частоты на расстояние. При этом потери энергии практически отсутствуют, радиопомехи уменьшаются до минимума, вся генерируемая энергия доходит до искрового промежутка без потерь и передается топливной смеси. Кроме того, в устройстве согласно изобретению отсутствует необходимость в коммутации высокого напряжения, и. как следствие, в высоковольтном распределителе, и соответственно, появляется возможность осуществлять коммутацию искры зажигания полупроводниковыми коммутаторами.

Отсутствие необходимости передавать высокое напряжение по проводам избавляет от утечки высоковольтной энергии, от риска пробоя деталей высоковольтного трансформатора, распределителя, проводов, разъемов-наконечников.

Устройство согласно изобретению обладает более высокой надежностью, т.к. высокое напряжение образуется внутри устройства, наружу не выходит, а сразу попадает в искровой промежуток.

В заявляемом устройстве искра заканчивается за 1-2 нс в стадии пробоя, при этом дуга не образуется и потери энергии на разогрев электродов не превышают 5%.

Как следствие, ожидаемый срок службы электродов такого устройства увеличивается в несколько раз.

Изобретение относится к двигателестроению. В устройстве для воспламенения горючих смесей, содержащем источник входного напряжения и конденсатор, подключенный к электродам параллельно искровому промежутку, согласно изобретению обкладки конденсатора выполнены в виде обмоток повышающего трансформатора, каждая из которых представляет собой лентообразный проводник, расширяющийся в сторону расположения искрового промежутка, при этом проводники навиты вокруг общей оси, расположены коаксиально, разделены изолятором и магнитно связаны друг с другом так, что наружный из них образует первичную обмотку, причем с одного конца такие обмотки объединены, а с другого их конца вывод вторичной обмотки подключен к центральному электроду искрового промежутка. Предлагаются различные модификации данного устройства, в частности, с полым сердечником, выполненным в виде разъема для выпускаемых серийно свечей зажигания, и с гибким сердечником, позволяющим, кроме возможности использования его с серийно выпускаемыми свечами зажигания, выполнить такое устройство в виде кабеля. Технический результат: снижение потерь энергии высокого напряжения и увеличение мощности разряда за счет совмещения в одном конструктивном элементе функций конденсатора, повышающего трансформатора и высоковольтных проводов. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для воспламенения горючих смесей, содержащее источник входного напряжения и конденсатор, подключенный к электродам параллельно искровому промежутку, отличающееся тем, что обкладки конденсатора выполнены в виде обмоток повышающего трансформатора, каждая из которых представляет собой лентообразный проводник, расширяющийся в сторону расположения искрового промежутка, при этом проводники навиты вокруг общей оси, расположены коаксиально, разделены изолятором и магнитно связаны друг с другом так, что наружный из них образует первичную обмотку, причем с одного конца такие обмотки объединены, а с другого их конца вывод вторичной обмотки подключен к центральному электроду искрового промежутка. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что означенные обмотки размещены в свече зажигания, при этом магнитная связь между обмотками обеспечена сердечником, расположенным внутри обмоток соосно с ними, при этом объединенный конец обмоток с одной стороны этого сердечника подключен к источнику входного напряжения, а с другой его стороны вывод первичной обмотки подключен к боковому электроду этого промежутка. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитная связь между обмотками обеспечена полым сердечником, расположенным внутри обмоток соосно с ними и выполненным в виде разъема свечи зажигания, при этом объединенный конец обмоток электрически связан с боковым электродом этого промежутка, а с другого их конца вывод первичной обмотки подсоединен к источнику входного напряжения. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что электрическая связь объединенного конца обмоток с боковым электродом искрового промежутка осуществлена посредством механического зажима, охватывающего корпус свечи зажигания. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что электрическая связь вторичной обмотки с центральным электродом искрового промежутка осуществлена посредством механического зажима, охватывающего входной контакт свечи зажигания. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитная связь между обмотками обеспечена гибким сердечником удлиненной формы, расположенным внутри обмоток соосно с ними, при этом объединенный конец обмоток подключен к источнику входного напряжения, а с другого их конца, выполненного в виде разъема свечи зажигания, вывод первичной обмотки электрически связан с боковым электродом этого промежутка. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средняя часть коаксиально расположенных сердечника и обмоток, разделенных изолятором, выполнена в виде кабеля. 8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что электрическая связь обмоток с электродами искрового промежутка осуществлена каждая посредством механического зажима, охватывающего соответствующий участок свечи зажигания. 9. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что на наружную поверхность обмоток нанесено изолирующее покрытие.