Способ плазменного зажигания топливной смеси двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК H01T13/52 

Изобретение относится к области электронных систем и способов зажигания топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания.

Цель изобретения состоит в повышении надежности и быстродействии плазменного зажигания автомобильных двигателей при одновременном снижении расхода топлива и электроэнергии.

Поставленная цель достигается шунтированием искрового промежутка обычной свечи зажигания перемычкой из термостойкого полупроводникового материала, к которому прикладывают импульс напряжения с коротким передним фронтом и амплитудой в несколько сотен вольт, чем обеспечивают резкое повышение концентрации носителей электрического заряда за счет ударной и термоэлектронной ионизации атомов полупроводника. Таким образом создают условия для адиабатического теплового пробоя и поверхностной эмиссии

электронов полупроводниковой перемычки путем соответствующего ограничения длительности и тока приложенного импульса при помощи формирующей LC-цепи разряда емкостного накопителя. Благодаря этому обеспечивается последующий дуговой разряд основной части энергии емкостного накопителя через низковольтную плазму, возникающую на поверхности полупроводниковой перемычки. Эта плазма быстро нагревает газ полутороидальной камеры свечи, который под влиянием избыточного давления образующейся ударной волны выбрасывается непосредственно в камеру сгорания, где происходит надежное воспламенение топливной смеси ДВС.

Сравнительный анализ заявленного решения с прототипом (1) показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что предварительный пробой межэлектродного промежутка свечи зажигания производят не высоковольтной искрой в газе, а

ел ч

о

тепловым адиабатным пробоем твердотельной перемычки, шунтирующей электроды свечи, поверхность которой практически мгновенно начинает испускать электроны, значительно облегчающие дуговой разряд емкостного накопителя через низковольтную плазму и последующее зажигание топливной смеси.

На фиг. 1 показаны продольный разрез свечи плазменного зажигания с твердотельным шунтом; на фиг. 2 - графики напряжения и тока в ней при реализации заявленного способа на фиг. 3 - функциональная схема электронной бесконтактной системы зажигания для осуществления предложенного способа.

Примеры осуществления способа.

Предлагаемый способ плазменного зажигания может быть реализован путем несложной модификации обычной искровой свечи зажигания, у которой удаляют боковой электрод корпуса 1, а пространство между ним и изолятором 2 центрального электрода 3 частично заполняют твердотельным шунтом 4, выполненным, например, из полупроводникового материала с большой шириной запрещенной зоны.

Такой коаксиальный шунт 4 может быть выполнен путем запрессовки и последующего спекания порошкообразных компонентов карбида кремния, силита, сульфида церия или смеси окислов титана, никеля, кобальта и марганца. Такие полупроводниковые материалы сохраняют необходимые свойства в диапазоне температур от 1000 ° до 2700 °С и неразрушаются сгоревшими газами ДВС.

Кроме того могут быть использованы полярные диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, в частности, ти- танатная или станатная конденсаторная керамика. Правда, в этом случае свечу необходимо шунтировать внешним активным сопротивлением величиной в несколько кило- Ом для надежного срабатывания тиристор- ных вентилей, т.к; эта керамика обладает очень большим удельным сопротивлением. При подаче на такой шунт электрического импульса с коротким передним фронтом и амплитудой Um -500...600 Вольт в нем резко возрастает концентрация носителя электрического заряда за счет ударной и термоэлектронной ионизации материала, и возрастает удельная проводимость, ход которых описывается соответственно законом Пуля

(Е-Е);(1)

и Френеля о - OofP

.Е/2 k Т

начальная проводигде оь Се мость;

а ,/3, С- коэффициенты, зависящие от

природы полупроводника;

Е - внешнее электрическое поле; Ек - критическое электрическое поле данного полупроводника, зависящие в основном от концентрации примесей и состзвQ ляющие величину порядка 103...105 В/см; А Ео - ширина запрещенной зоны; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура. В результате этого ток через полупро5 водниковый шунт быстро нарастает, однако его максимум lm несколько отстает от максимума напряжения на время тг - ri кото- . рое необходимо для повышения концентрации носителей заряда до величиQ ны начала теплового адиабатического пробоя полупроводника. Тепловой пробой твердотельного шунта 4 сопровождается интенсивной термоэлектронной эмиссией его поверхности, что облегчает возникнове5 ния дугового разряда вдоль нее через газовый промежуток между корпусом 1 и центральным электродом свечи. Благодаря этому в открытой полутороидальной камере, образованной корпусом и центральным

0 электродом свечи, возникает так называемая низковольтная плазма, напряжение Ui, на которой значительно меньше напряжения зажигания обычной дуги и составляет 30...35 В. Поэтому ток через твердотельный

5 шунт Г резко падает до незначительной величины И, тогда как основной электрический ток замыкается через плазму, разогревая ее очень быстро до высокой температуры, так что образуется сверхзвуковая

0 ударная волна, которая своим избыточным давлением выбрасывает широкий плазменный факел непосредственно в камеру сгорания ДВС, где и происходит эффективный поджиг топливной смеси даже довольно

5 бедного состава. При этом общая длительность процесса г составляет обычно 1 OOjw з,но при необходимости ее: длительность может быть увеличена форми- рующим контуром до безударного выброса

0 плазмы, что может потребоваться для под- жига топливной смеси, склонной к детонации.

Анализируя экспериментальные графики фиг.2 нетрудно заметить, что заштрихо5 ванная область I-Г, соответствующая току через плазму, тем больше, чем больше удельное сопротивление материала шунта и короче передний фронт импульса тока и напряжения. Поэтому желательно брать материал с возможно меньшей начальной

проводимостью, которая ограничивается ли иь необходимой величиной амплитуды импульса напряжения, безопасного для ти- ристорных вентилей электронной системы зажигания, реализующей заявленный способ.

Сопоставительный анализ схемы этого устройства показывает, что оно отличается от своего прототипа наличием новых конструктивных элементов и новых связей между ними, т.е. формирующим LC-контуром, включенным между накопительным конденсатором и тиристорными вентилями, управляемых электронным распределителем зажигания с бесконтактным датчиком и выходным одновибратором, который блокирует высоковольтный преобразователь напряжения накопительного конденсатора на время его разряда через плазменные свечи зажигания с полупроводниковыми шунтами искрового промежутка.

Функциональная схема устройства для реализации предложенного способа содержит высокочастотный преобразователь на- пряжения 5, подключенный через однопериодный выпрямитель на диодах 6 и 7 к накопительному конденсатору 8, у которого один из выводов соединен с общей шиной источника питания 9 преобразователя 5. Накопительный конденсатор 8 через формирующий LC-контур 10 с собственной частотой 10..,20 кГц и емкостью, величиной 0,1...0,5% емкости накопительного конденсатора, подключен к управляемым вентилям 11, выходы которых нагружены на центральные электроды плазменных свечей зажигания 3 (фиг.З), Для четырехцилиндрового ДВС таких вентилей и свечей должно быть естественно, четыре .

Все тиристорные вентили 11 управляются электронным распределителем зажигания 12 в виде кольцевого счетчика на D-триггерах, счетный вход которого подключен к выходу одновибратора 13, а установочный вход сброса - к бесконтактному датчику 14 положения поршня первого цилиндра. Выход этого датчика 14 соединен так же со входом блокировочного триггера 15, выход которого подключен ко входу выше указанного одновибратора 13, соединенного с блокирующим входом преобразователя напряжения 5. Кроме того вход одновибратора 13 через электронный регулятор угла опережения зажигания 16 соединен с бесконтактным датчиком положения поршней цилиндров 17, магнитные шунты которого 18 и 19 расположены на распределительном валу ДВС 20.

Устройство работает следующим образом:

При включении источника питания 9 его напряжение повышается преобразовать лем 5, выпрямляется диодом б и заряжает накопительный конденсатор 8. При этом 5 блокировочный триггер 15 находится в исходном состоянии, запрещающем работу одновибратора 13. После некоторого поворота распределительного вала 19 импульс датчика положения 14 поршня первого ци0 линдра вблизи ВМТ на такте сжатия, генерируемый только при прохождении магнитного шунта 18, устанавливает электронный распределитель 12 зажигания в первое состояние 1, а так же перебрасывает

5 блокировочный триггер 15 в состояние, при котором одновибратор 13 разблокирован. При дальнейшем вращении распредвала 20 импульс датчика 17 положения поршней на такте сжатия за 60° до верхней мертвой

0 точки, генерируемый при прохождении всех магнитных шунтов 18 и 19, поступает на вход электронного регулятора 16 угла опережения зажигания, где задерживается на время, соответствующее оптимальному углу

5 опережения зажигания, и подается на вход одновибратора 13, вырабатывающего нормированный по длительности импульс, который блокирует на время работу преобразователя напряжения 5 и приводит

0 электронный распределитель 12 во второе состояние П. При этом его выходной сигнал воздействует на управляющий электрод соответствующего тиристорного вентиля 11 и открывает его. Тогда напряжение заряжен5 ного накопительного конденсатора 8 практически мгновенно прикладывается к центральному электроду 3 плазменной свечи зажигания, в которой происходит адиабатный пробой твердотельного шунта 4 и

0 возникает дуговой разряд.

В результате небольшая емкость формирующего контура 10 быстро заояжается и в дальнейшем ток плазмы ограничивается и стабилизируется индуктивностью этого кон5 тура. Поскольку в это время работа преобразователя напряжения 5 блокирована одновибратором 13, то после разряда накопительного конденсатора 8 тиристорный вентиль 11 выключается и дуговой разряд

0 между электродами 3 и 1 свечи гаснет, а остальной ток коммутации индуктивности формирующего контура 10 демпфируется диодом 7, предотвращая переразряд накопительного конденсатора 8. С приходом

5 следующего импульса от датчика положения поршней на такте сжатия цикл работы схемы повторяется для следующего цилиндра, причем импульсы с датчика 14 первого цилиндра через каждый оборот распредвала 20 контролируют правильность работы

электронного распределителя зажигания, предотвращая сбои в его работе.

Использование заявляемых изобретений позволяет полностью отказаться от вы- соковольтных цепей катушки и распределителя зажигания, что существенно повышает надежность и быстродействие всей системы зажигания,- снижение расхода топлива и электроэнергии за счет кратковременной генерации низковольтной плазмы между электродами свечи, которая обеспечивает надежное зажигание сильно обедненной топливной смеси и практически не чувствительна к нагару на ее электродах благодаря надежному контакту между ними через твердотельный шунт, покрывающий изолятор центрального электрода. Путем несложной технологической модификации обычных искровых свечей зажигания возможно их последующее использование совместно с бесконтактной электронной системой зажигания фактически на всех типах ныне выпускаемых двигателях, а так же их дальнейшая модернизация и перевод на работу с обедненными смесями и более тяжелыми видами топлива.

Формула изобретения 1. Способ плазменного зажигания топливной смеси двигателя внутреннего сгора- ния, заключающийся в создании поверхностного разряда емкостного накопителя между эл-ектродами свечи зажигания с термостойким твердотелым шунтом между электродами, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и быстродействия зажигания, снижения расхода топлива и электроэнергии, создают низковольтную плазму между электродами свечи путем создания критической напряженности поля адиабатического пробоя посредством приложения к электродам свечи импульса напряжения с коротким передним фронтом, длительность которого не превышает времени повышения концентрации

носителей заряда шунта за счет ударной и термоэлектронной ионизации, и затем создают поверхностный разряд между электродами свечи через низковольтную плазму, при этом ограничивают длительность и величину тока разряда С-контуром.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в качестве твердотельного шунта используют полупроводник.

3. Способ по п.1,отличающийся тем, что в качестве твердотельного шунта используют полярный диэлектрик.

4. Устройство для плазменного зажигания топливной смеси двигателя внутреннего сгорания, содержащее преобразователь

напряжения с выпрямителем и накопительным конденсатором, свечи зажигания поверхностного разряда о термостойкости твердотельными шунтами между электродами, тиристорные вентили по числу свечей,

управляемые электронным распределителем и регулятором угла опережения зажигания с выходным одновибратором и бесконтактными датчиками положения поршней двигателя, отличающееся тем,

что преобразователь напряжения снабжен блокирующим входом, соединенным с выходом одновибратора, и С-контуром, включенным между накопительным конденсатором и тиристорными вентилями.

5. Устройство .по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что в качестве твердотельного шунта используют полярный диэлектрик.

6. Устройство по п.4, отличающее- с я тем, что в качестве твердотельного шунта используют полупроводник с большой шириной запрещенной зоны.

Использование: плазменное зажигание топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: создают поверхностный разряд емкостного накопителя между электродами свечи зажигания с термостойким твердотельным шунтом между электродами, для чего создают критическую напряженность поля адиабатического пробоя посредством приложения к электродам свечи импульса напряжения с коротким передним фронтом, при этом ограничивают длительность и величину тока разряда С- контуром. В качестве твердотельного шунта может быть использован полупроводник. 2 с.и 4 з.п.ф-лы, 3 ил.