УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГОРЮЧИХ СМЕСЕЙ Российский патент 2004 года по МПК F02P3/06 H01F38/12 F23Q5/00 

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 высоковольтного импульсного напряжения, вырабатываемого с помощью индуктивного накопителя, совмещенного с высоковольтным трансформатором (катушки зажигания), или емкостного накопителя в виде конденсатора, разряжаемого через первичную обмотку высоковольтного трансформатора (чаще всего ту же катушку зажигания).

В этих устройствах возникает проблема эффективной передачи топливу энергии искрового разряда. Ее пытались решать увеличением энергии искрового разряда, удлиняя существование разряда в обычной свече вплоть до 30°ПКВ, или путем создания специальных плазменных воспламенителей (т.н. плазменное зажигание). Но задача создания достаточно надежных и долговечных плазменных воспламенителей еще не решена, а дополнительная энергия удлиненного искрового разряда расходуется в основном на увеличение эрозии электродов свечи и разогрев продуктов горения топлива. Кроме того, увеличение энергии искрового разряда требует увеличения подавительных резисторов (или распределенного сопротивления высоковольтных проводов), что поглощает прибавку энергии.

Известны также устройства для воспламенения горючих смесей, где при неизменной энергии увеличивают мощность искрового разряда за счет сокращения его длительности вплоть до наносекундного диапазона. Это достигается путем подключения емкости параллельно искровому промежутку. Эффективность таких систем обуславливается тем, что тепловыделение в искре пропорционально квадрату тока и линейно пропорционально времени и сопротивлению. Поскольку с ростом тока сопротивление искры уменьшается нелинейно, путем сокращения длительности разрядного импульса до наносекундного диапазона, т.е. в сотни раз, тепловыделение может быть увеличено в десять и более раз при неизменной энергии разрядного импульса.

Предложено много вариантов как самих таких устройств, так и конструкций высоковольтных конденсаторов для них. Например, в изобретении по патенту Германии №3544869, МПК Н 01 Т 13/44, опубл. 26.03.1987, высоковольтный трансформатор и конденсатор смонтированы нацело со свечой зажигания, а в изобретении по патенту Германии №3544870, МПК Н 01 Т 13/04, опубл. 19.06.1987, с наконечником свечи. Предложены конденсаторы, надеваемые на свечу зажигания (см. патент СССР №1836763, МПК Н 01 Т 13/04, опубл. 23.08.1993), и конденсаторы, являющиеся частью конструкции самих свечей (см. патент Германии №2810159, МПК Н 01 Т 15/02, опубл. 13.09.1979, и патент Великобритании №2007760, МПК Н 01 Т 13/40, опубл. 23.05.1979). Также известно устройство с высоковольтным трансформатором, обмотки которого представляют собой распределенную емкость (см. патент РФ № 2157036, МПК Н 01 Т 13/44, опубл. 27.09.2000). В устройствах этого типа индуктивность разрядного контура должна быть минимальной, следовательно, применение высоковольтных проводов и распределителя сводит на нет все их преимущества, поэтому все эти устройства либо монтируются на свече зажигания, либо объединены с ней конструктивно и требуют специальных, сложных контроллеров для управления искрообразованием в многоцилиндровых двигателях, что сдерживает их практическое применение. Кроме того, при разряде конденсатора через искровой промежуток и минимизированной индуктивности разрядного контура образуется импульс с острой вершиной длительностью в несколько наносекунд. В этом случае амплитудное значение тока ограничивается нелинейным сопротивлением искрового промежутка, и действующее значение тока не превышает 50-60% от максимально возможного. Для решения этого противоречия необходим разрядный импульс с коротким (несколько наносекунд) передним фронтом, плоской вершиной и длительностью в несколько десятков наносекунд.

Применение и расчет накопительных линий в сочетании с искровыми промежутками хорошо известно и описано в книге Г.А. Месяц, А.С. Насибов, В.В. Кремнев “Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения”, Москва, “Энергия”, 1970 г. Разница с заявляемым устройством состоит в том, что использовались несимметричные линии с заземленным экраном, которые подключались к искровым промежуткам последовательно с нагрузкой и служили или для коммутации, или как обострители переднего фронта импульсов, при этом линии могли быть заряжены до максимального напряжения, обеспечиваемого схемой. При параллельном включении линий и искровых промежутков линии, как, впрочем, и конденсаторы, не могут быть заряжены до напряжения выше пробойного, а оно в системах зажигания ДВС выбирается примерно вдвое ниже максимального, обеспечиваемого схемой с целью получения высокой надежности воспламенения.

Предлагалось также использовать обычную, несимметричную коаксиальную линию, внешний проводник которой имел разрыв посередине, в него было вставлено кольцо из диэлектрика (см. патент Германии №3840315, МПК F 02 P 15/00, опубл. 08.03.1990). Предполагалось, что в такой резонансной системе с распределенными параметрами энергия разрядного импульса преобразуется в затухающие СВЧ колебания, которые должны возбудить высокочастотный разряд.

В качестве наиболее близкого аналога выбрано изобретение по патенту Великобритании №695495, опубл. 12.08.1953, согласно которому система искрового зажигания для двигателя внутреннего сгорания представляет собой источник высоковольтных разрядных импульсов, являющийся резонансным импульсным трансформатором с индуктивно связанными контурами (трансформатор Тесла) и содержащий накопитель, разряжаемый непосредственно через искровой промежуток.

Целью данного изобретения было создать такое устройство для воспламенения горючих смесей, которое, имея все преимущества устройств с конденсатором, подключенным параллельно искровому промежутку, могло бы управляться при помощи широко распространенных контроллеров для двухискровых катушек зажигания, давало бы разрядный импульс с передним фронтом в единицы наносекунд, продолжительностью десятки наносекунд и плоской вершиной, было не менее надежно и долговечно, чем производимые в настоящее время, содержало только известные, проверенные практикой элементы и было просто по конструкции и дешево в массовом производстве.

Поставленная задача решена тем, что устройство для воспламенения горючих смесей представляет собой источник высоковольтных разрядных импульсов, являющийся резонансным импульсным трансформатором с индуктивно связанными контурами (трансформатор Тесла) и содержащий накопитель, разряжаемый непосредственно через искровой промежуток. При этом согласно изобретению в качестве накопителя применена накопительная линия, например коаксиальная. Ее центральный проводник разделен разрывом по середине, а в разрыв включены концы высоковольтной катушки вторичного контура трансформатора Тесла. Концы центрального проводника накопительной линии подключены к искровым промежуткам двух свечей зажигания. Катушки резонансного трансформатора с индуктивно связанными контурами применены в качестве бесконтактного соединителя для подключения накопительной линии к источнику импульсного разрядного напряжения. При этом катушка вторичного контура выполнена в виде штекера и смонтирована нацело с накопительной линией в точке разрыва центрального проводника, а катушка первичного контура оформлена в виде гнезда на корпусе коммутатора.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:

Фиг.1 - принципиальная схема устройства для воспламенения горючих смесей;

Фиг.2 - схема системы зажигания четырехцилиндрового двигателя, выполненной согласно заявленному изобретению;

Фиг.3 - конструктивное оформление катушек трансформатора;

Фиг.4 - разрез штекера высоковольтной катушки вторичного контура;

Фиг.5 - фотография общего вида устройства;

Фиг.6 - фотография единичных искровых разрядов.

Согласно изобретению устройство (Фиг.1) представляет собой резонансный импульсный трансформатор с индуктивно связанными контурами (трансформатор Тесла), состоящий из C1, L1, L2 и симметричной накопительной линии Л1, разделенной средним разрывом центрального проводника на два симметричных плеча, подключенной разрывом к высоковольтной катушке вторичного контура, а концами - к искровым промежуткам 2^-х свечей зажигания. Это дает возможность получить разрядный импульс с коротким (в несколько наносекунд) передним фронтом, как при разряде конденсатора, и в месте с тем, подбирая погонную емкость и индуктивность линии, можно получить длительность импульса до десятков и сотен наносекунд с плоской вершиной, т.е. большую часть времени разряда ток в канале остается неизменным, при этом действующее значение тока может достигать 100 и более ампер. Однако за промежуток времени в несколько десятков наносекунд дуга сформироваться не успевает и эрозии электродов свечи не происходит. Поскольку коаксиальная накопительная линия симметрична, то, несмотря на столь большой ток, радиопомехи практически отсутствуют, и подавительные резисторы оказываются ненужными, что способствует более полному использованию энергии искрового разряда. Именно возможность поддержания столь большого тока в течение нескольких десятков наносекунд и является основным преимуществом предлагаемого устройства. Разряд происходит с характерным хлопком, что говорит о значительном местном повышении давления и взрывном характере процесса. Выпускаемые в настоящее время промышленностью системы зажигания с двухискровыми катушками легко могут быть приспособлены для работы с предлагаемым устройством.

Применение резонансного трансформатора с индуктивно связанными контурами (трансформатора Тесла) дает возможность не только повысить надежность, упростить и удешевить конструкцию, но главное сократить время заряда накопительной линии, поскольку катушки трансформатора Тесла имеют значительно меньшую индуктивность по сравнению с обмотками обычных импульсных трансформаторов на магнитных сердечниках. Сокращение времени заряда с нескольких микросекунд до долей микросекунды позволяет получить перенапряжение на электродах разрядника 10-30% и таким образом увеличить энергию, запасенную в емкости, на 20-70%. Кроме того, линия, разряжаясь за время в несколько десятков наносекунд при постоянном токе, получает возможность “подзаряжаться” в процессе разряда от высоковольтной катушки, удлиняя плоскую вершину импульса на 10-20 наносекунд и увеличивая теплоотдачу искрового разряда еще на 20-30%. На Фиг.2 представлена конденсаторная (тиристорная) система зажигания четырехцилиндрового двигателя, накопительный конденсатор С1 которой служит первичной емкостью для двух трансформаторов Тесла. Таким образом, контроллер должен управлять двумя тиристорами, аналогично управлению двумя обычными двухискровыми катушками зажигания.

Высоковольтная катушка трансформатора Тесла имеет обычно от нескольких десятков до нескольких сотен витков, намотанных в один слой. Такая намотка надежнее многослойной, т.к. исключает внутренние замыкания, связанные с пробоем межслойной изоляции. Кроме того, такая катушка удобно помещается коаксиально внутри катушки первичного контура, что обеспечивает хорошую индуктивную связь между ними. Размеры таких катушек 30-40 мм в длину и 15-20 мм в диаметре, что позволяют свободно расположить их внутри корпуса коммутатора. Если в корпусе стационарно установить только катушку первичного контура (Фиг.3), оформленную как гнездо 1, то высоковольтную катушку вторичного контура, выполненную в виде штекера 2, можно легко вставлять и вынимать и таким образом использовать ее для бесконтактного подключения и отключения накопительных линий. Накопительную линию в виде 2^-х отрезков коаксиального кабеля 3, зачищают с одного конца на 20-30 мм от внешней оплетки, вставляют в приготовленные отверстия внутри каркаса катушки вдоль ее оси, соединяют центральные проводники 5 с концами катушки 6, выведенными в эти отверстия, и герметично запрессовывают нацело с катушкой в изоляционный материал в виде штекера (Фиг.4). Внешние оплетки 4 кабелей 3 соединяют между собой. Таким образом, высоковольтная катушка, объединенная с накопительной линией, становится единым высоковольтным аппаратом зажигания, который имеет контактное соединение только в месте присоединения к свечам зажигания. Такая конструкция высоковольтной части системы зажигания делает ее не только очень надежной ввиду герметичности и отсутствия многочисленных контактных соединений, но и легко заменяемой. При этом первичный контур надежно помещается в корпусе коммутатора и тоже хорошо защищен.

Предлагаемое устройство увеличивает тепловыделение при искровом разряде за счет увеличения кпд искры с единиц до нескольких десятков процентов. Непосредственное подключение накопительной линии к свечам зажигания и, как следствие, отсутствие высоковольтных проводов и распределителя, снижает уровень радиопомех и позволяет отказаться от применения подавительных резисторов.

Был построен и опробован упрощенный вариант устройства с целью проверки работоспособности. Общий вид устройства приведен на фотографии (Фиг.5); оно состоит из блока зажигания с трансформатором Тесла, накопительной симметричной линии и двух разрядников, к которым подключены концы линии. В качестве одного из разрядников использовалась обычная свеча зажигания, а второй разрядник имел регулируемый промежуток от 0 до 6 мм.

Устройство вырабатывает искры яркого бело-голубого свечения, сопровождающиеся характерными хлопками и запахом озона. На фотографии (Фиг.6) приведены единичные искровые разряды с энергией разрядного импульса 60 мДж при десятикратном увеличении: искровой разряд обычной конденсаторной системы зажигания (Фиг.6а) длительностью 5-10 мкс и разряд накопительной линии (Фиг.6б) длительностью 50-100 нс. На фотографиях хорошо видна разница в объеме и яркости разряда. Практическая проверка проводилась на автомобиле УАЗ-452 с классической системой зажигания, устройство содержало накопительную линию, подключенную к обычному распределителю и далее обычными проводами к свечам зажигания, подавительные резисторы были удалены. Такое упрощение было вполне допустимо, поскольку испытания проводились на действующем автомобиле в реальных дорожных условиях, и замерялось очень ограниченное число параметров. Никаких изменений и переделок двигателя не производилось. Регулировался только угол опережения зажигания в пределах октан-корректора и обеднение горючей смеси на холостом ходу. Были получены следующие результаты:

1. Максимальная скорость возросла со 107 км/ч до 118 км/ч.

2. Время разгона до 100 км/ч сократилось с 40 с до 34 с.

3. Содержание СО уменьшилось 0,15% до 0,05%.

Особо следует отметить, что при изменении опережения зажигания во всем пределе регулирования никаких видимых изменений скоростных и разгонных характеристик автомобиля не наблюдалось, только при максимальных опережениях появлялась небольшая детонация; при обеднении смеси холостого хода стабильная работа двигателя сохранялась вплоть до предела регулирования. Это указывает на отсутствие задержки воспламенения и мгновенное образование объемного очага горения. Таким образом, решается основное техническое противоречие воспламенения горючих смесей в двигателях Отто, а именно противоречие между объемным характером горения и точечным характером воспламенения.

Применяемые элементы, такие как высоковольтные коаксиальные кабели и трансформаторы Тесла давно и хорошо известны, накоплен большой опыт в их конструировании, производстве и эксплуатации. Это позволяет рассчитывать на создание надежных, долговечных и дешевых систем зажигания ДВС и на быстрое их внедрение в коммерческий оборот.

Изобретение относится к искровым разрядникам, в частности к устройствам для воспламенения горючих смесей в двигателях внутреннего сгорания. Технический результат заключается в возможности создания устройства для воспламенения горючих смесей, которое могло бы управляться при помощи широко распространенных контроллеров для двухискровых катушек зажигания, давало бы разрядный импульс с передним фронтом в единицы наносекунд, продолжительностью десятки наносекунд и плоской вершиной, было надежным, долговечным, простым по конструкции и дешевым в массовом производстве. Согласно изобретению устройство для воспламенения горючих смесей представляет собой источник высоковольтных разрядных импульсов, содержащий накопитель, разряжаемый непосредственно через искровые промежутки двух свечей зажигания. В качестве источника высоковольтных разрядных импульсов применен резонансный импульсный трансформатор с индуктивно связанными контурами (трансформатор Тесла), а в качестве накопителя - коаксиальная накопительная линия, центральный проводник которой разделен разрывом по середине. В разрыв включены концы высоковольтной катушки вторичного контура трансформатора Тесла. Концы центрального проводника накопительной линии подключены к искровым промежуткам двух свечей зажигания. Катушки резонансного трансформатора с индуктивно связанными контурами применены в качестве бесконтактного соединителя для подключения накопительной линии к источнику импульсного разрядного напряжения. При этом катушка вторичного контура выполнена в виде штекера и смонтирована нацело с накопительной линией в точке разрыва центрального проводника, а катушка первичного контура оформлена в виде гнезда на корпусе коммутатора. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для воспламенения горючих смесей, представляющее собой источник высоковольтных разрядных импульсов, являющийся резонансным импульсным трансформатором с индуктивно связанными контурами (трансформатор Тесла) и содержащий накопитель, разряжаемый непосредственно через искровой промежуток, отличающееся тем, что в качестве накопителя применена накопительная линия, например коаксиальная, при этом ее центральный проводник разделен разрывом по середине, в разрыв включены концы высоковольтной катушки вторичного контура трансформатора Тесла, а концы центрального проводника накопительной линии подключены к искровым промежуткам двух свечей зажигания.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катушки резонансного трансформатора с индуктивно связанными контурами применены в качестве бесконтактного соединителя для подключения накопительной линии к источнику импульсного разрядного напряжения, при этом катушка вторичного контура выполнена в виде штекера и смонтирована нацело с накопительной линией в точке разрыва центрального проводника, а катушка первичного контура оформлена в виде гнезда на корпусе коммутатора.