Комбинированная система плазменного зажигания для двигателя внутреннего сгорания. Плазменное зажигание
Плазменное зажигание
Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
13363 
3 Снизить расход топлива и содержание вредных веществ в отработавших газах можно использованием бедных смесей, однако их искровое зажигание вызывает затруднения. Гарантированное зажигание искровым разрядом имеет место при массовом соотношении воздух/топливо не более 17. При более бедных составах возникают пропуски воспламенения, что ведет к росту содержания вредных веществ в отработавших газах.
При создании расслоенного заряда в цилиндре можно обеспечить сжигание очень бедной смеси при условии, что в зоне свечи зажигания образуется смесь богатого состава. Богатая смесь легко воспламеняется, и факел пламени, выброшенный в объем камеры сгорания, воспламеняет находящуюся там бедную смесь.
В последние годы ведутся исследования по воспламенению бедных смесей плазменным и лазерным способами, при которых в камере сгорания образуется несколько очагов горения, так как воспламенение смеси происходит одновременно в разных зонах камеры. Вследствие этого отпадают проблемы детонации, и степень сжатия можно повысить даже при использовании низкооктанового топлива. При этом возможно воспламенение бедных смесей с соотношением воздух/топливо, достигающим 27.
При плазменном зажигании электрическая дуга образует высокую концентрацию электрической энергии в ионизованном искровом промежутке достаточно большого объема. При этом в дуге развиваются температуры до 40000 °C, т. е. создаются условия, аналогичные дуговой сварке.
Плазменная свеча зажигания
 |
| 1 — корпус свечи; 2 — изолятор; 3 — центральный электрод; 4 — камера под электродом; 5 — искровой разряд; 6 — плазменный факел. |
Реализовать плазменный способ зажигания в двигателе внутреннего сгорания, однако, не так просто. Плазменная свеча зажигания изображена на рис. 1. Под центральным электродом в изоляторе свечи выполнена небольшая камера. При возникновении электрического разряда большой длины между центральным электродом и корпусом свечи газ в камере нагревается до очень высокой температуры и, расширяясь, выходит через отверстие в корпусе свечи в камеру сгорания. Образуется плазменный факел длиной около 6 мм, благодаря чему возникает несколько очагов пламени, способствующих воспламенению и сгоранию бедной смеси.
Система плазменного зажигания с насосом высокого давления
Другой тип системы плазменного зажигания использует небольшой насос высокого давления, который подает воздух; к электродам в момент образования дугового разряда. Образующийся при разряде между электродами объем ионизованного воздуха поступает в камеру сгорания
Плазменное зажигание с постоянной электрической дугой
Эти способы весьма сложны и не применяются в автомобильных двигателях. Поэтому был разработан другой метод, при котором свеча зажигания образует постоянную электрическую дугу в течение 30° угла поворота коленчатого вала. В этом случае высвобождается до 20 Дж энергии, что гораздо больше, чем при обычном искровом разряде [2]. Известно, что если при искровом зажигании не образуется достаточного количества энергии, то смесь не воспламеняется.
Плазменная дуга в сочетании с вращением заряда в камере сгорания образует большую поверхность воспламенения, так как при этом форма и размер плазменной дуги в значительной мере меняются. Наряду с увеличением длительности периода воспламенения это означает также наличие высокой высвобождаемой для него энергии.
В отличие от стандартной системы во вторичном контуре плазменной системы зажигания действует постоянное напряжение 3000 В. В момент разряда в искровом промежутке свечи возникает обычная искра. При этом сопротивление на электродах свечи уменьшается, и постоянное напряжение 3000 В образует дугу, зажженную в момент разряда. Для поддержания дуги достаточно напряжения около 900 В.
Плазменная система зажигания отличается от стандартной встроенным высокочастотным (12 кГц) прерывателем постоянного тока с напряжением 12 В. Индукционная катушка повышает напряжение до 3000 В, которое далее выпрямляется. Следует указать, что продолжительный дуговой разряд на свече зажигания существенно снижает срок ее эксплуатации.
При плазменном зажигании пламя распространяется по камере сгорания быстрее, поэтому требуется соответствующее изменение угла опережения зажигания. Испытания системы плазменного зажигания на автомобиле «Форд Пинто» (США) с рабочим объемом двигателя 2300 см3 и автоматической коробкой передач дали результаты, приведенные в табл. 1.
| Стандартная | 0,172 | 3,48 | 1,12 | 15,35 | 11,41 |
| Плазменная с оптимальным регулированием угла опережения зажигания | 0,160 | 3,17 | 1,16 | 14,26 | 10,90 |
| Плазменная с оптимальным регулированием угла опережения зажигания и состава смеси | 0,301 | 2,29 | 1,82 | 13,39 | 9,98 |
При плазменном зажигании можно осуществить качественное регулирование бензинового двигателя, при котором количество подаваемого воздуха остается неизменным, а регулирование мощности двигателя производится только регулированием количества подаваемого топлива. При применении в двигателе системы плазменного зажигания без изменения регулирования угла опережения зажигания и состава смеси расход топлива уменьшился на 0,9 %, при регулировании угла зажигания — на 4,5 %, а при оптимальном регулировании угла зажигания и состава смеси — на 14 % (см. табл. 1). Плазменное зажигание улучшает работу двигателя особенно при частичных нагрузках, и расход топлива может быть таким же, как и у дизеля.
Читайте также
Сноски
- ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.: ил.//Стр. 197—200 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
- ↺ В книге была допущена ошибка «высвобождается до 20 МДж энергии», такая энергия скорее характерна для выстрела из танковой пушки чем для свечи зажигания, поэтому исправлено на 20 Дж. – Прим. icarbio.ru
Комментарии
icarbio.ru
Электронное зажигание с плазменным эффектом
электроника для авто
Главными проблемами, всегда стоящими перед владельцами маломощной мототехники, являются улучшение экономичности двигателя и повышение надежности системы зажигания.В последние годы практически все автомобили и большинство двигателей в различной мототехнике оснащаются электронными блоками зажигания Но огромный парк старой техники по-прежнему эксплуатируется с электромеханическими блоками зажигания.
Предлагаемый для одноцилиндрового двигателя блок построен на базе генератора переменного тока с напряжением на обмотках 6 В и 12 В. Такой генератор вырабатывает переменное напряжение синусоидальной формы Кулачок прерывателя находится в разомкнутом состоянии 1/10 времени полного оборота коленчатого вала двигателя. Все остальное время контакты прерывателя замкнуты. Получается, что 9/10 времени идет на накопление энергии, а 1/10 — на новообразование.
Энергия запасается в электрическом поле специального накопительного конденсатора, который в нужные моменты времени подключается к катушке зажигания Катушка зажигания индуцирует высокое напряжение (20 30 кВ), поступающее на свечу. В разработанном устройстве (рис.1)катушка генератора должна быть отсоединена от массы двигателя. Если есть возможность, на нее нужно домотать дополнительно 35-40 витков обмоточного провода ф 0,45-0,5 мм.
Остальные детали остаются штатными С независимой обмотки генератора напряжение поступает на выпрямитель-накопитель. С диодов VD1 VD4 постоянное напряжение подается на транзисторный формирователь, который вырабатывает управляющие импульсы для открывания тиристора VS1. Конденсатор С4 защищает от дребезга контактов прерывателя. Стабилитрон VD7 ограничивает напряжение на базе VT1 и предотвращает его перегрев на максимальных оборотах Конденсатор С6 обязательно должен быть морозостойким — типа ЭТО, К53/ Его емкость может находиться в пределах 22- 33мкФ. Сопротивление резистора R2 подбирается в зависимости от применяемой катушки (200 390 Ом)
Трансформатор Т1 имеет мощность 10 Вт. Обмотка I содержит 10 витков провода ПЭВ-2 00,45...0,47 мм, обмотка II — 4500 витков ПЭВ-2 00,12...0,15 мм. Магнитопровод — ШЛ. Если есть готовый сетевой трансформатор необходимой мощности, то коэффициент трансформации должен быть 35:1. После сборки трансформатор покрывается несколькими слоями нитролака для предотвращения пробоя вторичной обмотки.
При применении катушки зажигания фирмы “Motorkraft” и свечей зажигания ф.“Bosh” длительность искры составила 1,0... 1,2 мкс. Момент опережения зажигания устанавливался 1,5...1,7 мм от верхней мертвой точки, зазор свечи— 0,9...1,1 мм. При длительной работе двигателя с описанным блоком зажигания никогда не наблюдалась копоть на электродах свечи, даже на самых низких оборотах. Вид сигналов в контрольных точках блока зажигания показан на рис.2.
Литература
1. Красуцкий М. Блок электронного зажигания со стабилизатором переменного тока. — Радиолюбитель, 2001, N10, С.8.
2. Красуцкий М. Модернизация электронного блока зажигания. — Радиолюбитель, 2004, N2, С46.
radiopolyus.ru
Плазма под капотом — журнал За рулем
РЫНОК
ДЛЯ ВАС И ВАШЕЙ МАШИНЫ
ПЛАЗМА ПОД КАПОТОМ
Из множества
приспособлений и устройств,
предлагаемых автолюбителям, наше внимание привлек на сей раз прибор, именуемый
«плазменным зажиганием».
Александр БУДКИН. Фото Владимира Князева
НЕУЖЕЛИ И ВПРЯМЬ ПЛАЗМЕННОЕ?
Разработчик настаивает, что такое название вполне корректно, поскольку при использовании этого блока в искровом промежутке достигается состояние плазмы. Оппоненты деликатно уточняют: состояние плазмы в искровом промежутке характерно для всех современных систем, но называть их «плазменными» не принято — обычно пользуются термином «система зажигания высокой энергии». Рассматриваемое устройство предназначено для автомобилей VAZ 2101...2107 в качестве дополнения к штатной системе зажигания и, по замыслу, должно заметно улучшить ее характеристики, в том числе увеличить мощность искрового разряда, приблизив ее к той, что имеет сегодня «Самара». Сразу заметим: когда готовился этот материал, серийный выпуск устройства еще не был начат.
ЧТО БУДЕМ УЛУЧШАТЬ?
Зачем стремятся увеличить мощность искрового разряда, понятно: чем «мощнее» очаг воспламенения в цилиндре, тем быстрее и полнее будет сгорать топливо. Но в данном случае модернизация системы зажигания состоит не только в этом. При установке «плазменного зажигания» на свечу подается не один высоковольтный импульс, а несколько. Если верить паспорту, который прилагается к блоку, при пуске двигателя система должна выдавать «пачку» из 24 импульсов, а при максимальных оборотах обеспечивать три импульса. При этом длительность каждого разрядного импульса не зависит от оборотов двигателя. Есть и другие отличия: в обычной («классической») системе зажигания энергия накапливается в емкости (конденсаторе), а испытуемая относится к устройствам с накоплением энергии в индуктивности (катушке). Оба варианта, со всеми их плюсами и минусами, специалистам давно известны. Одно из преимуществ зажигания с накоплением в индуктивности — длительность разряда меньше зависит от величины искрового зазора — используется и в «плазменном зажигании». Применение последнего должно улучшить пусковые свойства, снизить токсичность (особенно на малых оборотах), улучшить приемистость двигателя «на низах», снизить расход топлива и прибавить мощность.
Список заявленных достоинств, как видим, внушительный. Но известно, что преимущества почти всегда идут рука об руку с недостатками, о которых, впрочем, в паспорте не пишут.
НАШЕ ЗНАКОМСТВО
Сначала заочное: согласно протоколам испытаний, проведенных двумя авторитетными лабораториями, «плазменное зажигание» (все-таки точнее — многоискровое) позволяет заметно снизить токсичность выхлопа на холостом ходу и при малых нагрузках, а также может заставить двигатель работать на обедненной топливно-воздушной смеси. После испытаний на двигателе ЗИЛ-130 специалисты сделали вывод: «плазменное зажигание» даст возможность на 30% уменьшить проходное сечение топливного жиклера холостого хода. Если при этом по-другому отрегулировать карбюратор, выставить иной угол опережения зажигания и снизить обороты холостого хода, то получим двукратное (!) снижение токсичности, 15-процентное снижение расхода топлива (на режиме холостого хода) и улучшение пусковых свойств. При наборе мощности двигателем эти преимущества исчезнут. Однако если двигатель не приспосабливать специально к «плазменному зажиганию», выигрыш окажется меньшим — на 10–20% снизится токсичность, а расход практически не изменится.
Очное знакомство с «плазменным зажиганием» началось с двух блоков. Один из них сразу установили на VAZ 21061 для эксплуатационных испытаний. Монтаж достаточно простой. Второй образец отдали для экспертизы в отдел аппаратов зажигания НИИ автоэлектроники.
ИСПЫТАНИЯ
Основной задачей стендовых испытаний была проверка заявленных возможностей системы и ее сопоставление как с «классическим» зажиганием, так и с бесконтактным. Началось с курьеза: поработав 15 минут на стенде, блок вышел из строя. Его вскрытие и осмотр результатов не дали — причину отказа найти не удалось. А «родной брат» этого блока к тому времени уже вторую неделю исправно работал на «шестерке», и никаких нареканий не было.
Для продолжения экспериментов взяли еще два блока. Предстояло определить характеристики разрядного импульса на различных режимах, бесперебойность искрообразования при изменении напряжения питания от 6 до 14 В, проверить работоспособность блока в диапазоне температур —40...+90°С, измерить ток разрыва через контакты прерывателя, определить энергию разряда в интервале частот вращения коленвала 200–5000 об/мин и кое-что еще.
Испытания показали, что «плазменное зажигание» заметно увеличивает энергию разряда: например, на холостом ходу — в три раза, а при пуске — почти четырехкратно (см. табл. 1). При этом количество импульсов в «пачке» изменяется от шести до двадцати пяти (табл. 2). Таким образом, возможности «классического» зажигания приближаются к параметрам бесконтактной системы, применяемой на «самарах», но (!) в первую очередь на режимах пуска и холостого хода.
Помимо преимуществ, испытания выявили и ряд недостатков. Из табл. 3 видно, что при наличии блока «плазменного зажигания» ток разрыва на контактной группе немногим превышает 100 мА, а для нормального самоочищения контактов через них должен идти ток не менее 200 мА (лучше — около 500 мА). Следовательно, использование «плазменного зажигания» увеличивает вероятность окисления контактной группы. Этот недостаток, пожалуй, наиболее принципиальный, но кроме него проявились и другие минусы. Испытания в термокамере показали, что материал, применяемый для изготовления крышки блока, не выдерживает высоких температур и при нагреве до 90°С она сильно коробится (см. фото). Сам же блок, однако, сохраняет работоспособность. Означает ли это, что в подкапотном пространстве крышка блока расплавится?
Инструкция изготовителя рекомендует размещать блок рядом с катушкой зажигания — там температура не столь велика. Наш опыт эксплуатации подтвердил, что при такой установке блок работает нормально. Однако с точки зрения ГОСТа испытаний теплом блок не выдержал.
Еще одна проверка — холодом. Блоки в той же термокамере охладили до —40° и выдержали их там в течение трех часов. Результат — частичная потеря работоспособности: будучи столь сильно охлажденными, приборы отказываются работать при напряжении питания менее 12 В. Стоит их немного «отогреть», и они вновь оживают. Значит, лютой зимой, при —40° «плазменное зажигание», скорее всего, подведет. Применяемая элементная база ограничила его предел —35°С. Именно при этой температуре еще можно рассчитывать на нормальную работу блока при напряжении питания от 6 до 12 В. Будем ли мы эксплуатировать свой автомобиль в такие морозы или нет — дело хозяйское. Но испытаний холодом, опять-таки с точки зрения ГОСТа, «плазменное зажигание» тоже не выдержало. Есть, однако, оправдание: промышленный выпуск к моменту испытаний не был освоен, доработка системы еще продолжалась. Требовалось подобрать термостойкий материал для крышек и заменить нес
www.zr.ru
комбинированная система плазменного зажигания для двигателя внутреннего сгорания - патент РФ 2019727
Использование: в электрооборудовании транспортных средств, системах зажигания двигателей внутреннего сгорания и для маломощной плазменной сварки. Сущность изобретения: устройство включает искровое зажигание 1, плазменное зажигание 3. Особенностью изобретения является введение резистора 13, конденсатора 30, что позволяет повысить надежность. 4 ил. Изобретение относится к электрооборудованию транспортных средств, а именно к системам зажигания для двигателей внутреннего сгорания, и может быть также использовано для маломощной плазменной сварки металлов. Известны устройства для получения в специальных плазменных свечах плазменных ядер поджига горючей смеси. Так, в системе зажигания, содержащей оптимизированный конденсатор, оптимизированную катушку зажигания, в специальных плазменных свечах и специальной камере сгорания реализуется плазменный факел большой мощности, который поджигает горючую смесь в цилиндрах дизельного двигателя внутреннего сгорания [1]. Недостатком данного устройства являются значительные токи плазмы, которые приводят к двукратному увеличению габаритов оптимизированной катушки зажигания, применению плазменных свечей зажигания, изменению формы камеры сгорания, что необходимо для воспламенения дизельного топлива и не требуется для воспламенения бензинового топлива в карбюраторном двигателе внутреннего сгорания (ДВС). Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является комбинированная плазменная система зажигания для карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, содержащая искровое зажигание, включающее катушку искрового зажигания и прерыватель, вход первичной обмотки катушки зажигания соединен с источником питания, выход - с прерывателем распределителя, плазменное зажигание с реактивным фильтром подавления радиопомех, свечи зажигания [2]. Принцип работы системы состоит в том, что искра от искрового зажигания поджигает в специальной свече плазму, которая образуется за счет разряда конденсатора плазменной системы зажигания. Недостатком известной системы является параллельное включение обеих систем зажигания, то объясняется низким напряжением на выходе плазменной системы зажигания и, следовательно, большими токами в системе зажигания. Такое плазменное зажигание нельзя включать перед распределителем либо последовательно с вторичной обмоткой катушки искрового зажигания, потому что за этим последует их отказ. Большие токи плазменного зажигания требуют наличия блока управления работой плазменного зажигания в зависимости от оборотов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, электромеханического регулятора мощности плазменного зажигания, дополнительного источника питания плазменной системы, специального реактивного фильтра подавления радиопомех, мощных высоковольтных разделительных диодов, соединяющих выход плазменного зажигания с проводом на специальную свечу зажигания каждого цилиндра, разделительного диода, соединяющего катушку искрового зажигания с распределителем. Естественно, все это усложняет электрическую схему устройства, снижает надежность системы и существенно увеличивает габариты устройства, что в целом снижает его потребительские свойства и эксплуатационные возможности. Целью изобретения является повышение эксплуатационных возможностей системы зажигания. Цель достигается тем, что в систему плазменного зажигания введены удвоитель напряжения и инвертор с самовозбуждением, трансформатор которого имеет обмотку управления и две симметричные первичные обмотки, соединенные с коллекторами двух транзисторов p-n-p-типа, базы которых подключены к обмотке управления и последовательно соединены с двумя диодами и первым и вторым сопротивлениями, подключенными к шине общего источника питания, вторичная обмотка трансформатора соединена с вторичной обмоткой катушки зажигания через удвоитель напряжения и параллельно подключенные к его диодам третье и четвертое сопротивления, при этом вторичная обмотка катушки зажигания использована в качестве фильтра радиопомех, выходной вывод которой подсоединен к распределителю, подключенному к свечам зажигания каждого цилиндра двигателя. Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемая система отличается тем, что в ней имеются дополнительные узлы - инвертор, удвоитель напряжения, отсутствует дополнительный источник питания плазменного зажигания, разделительные диоды, дроссель и резистор фильтра, блок управления плазменным зажиганием, специальные свечи зажигания. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает на широкую известность таких устройств, как инвертор с самовозбуждением, удвоитель напряжения, а также параллельное включение диодам резисторов в удвоителе напряжения, подключение вторичной обмотки катушки искрового зажигания к диоду и конденсатору удвоителя напряжения, применение транзисторов инвертора типа p-n-p. Однако использование указанных признаков в заявленном техническом решении для формирования плазменного факела в свече зажигания проявляют новые свойства, заключающиеся в исключении взаимного влияния искрового и плазменного зажигания, в устойчивости запуска инвертора плазменного зажигания независимо от скорости нарастания напряжения питания при емкостной нагрузке и коротком замыкании в свечах зажигания, использование обычных свечей зажигания, что позволяет обеспечить гарантированный запуск инвертора, повысить эксплуатационную безопасность, существенно подавить радиопомехи, сохранить ресурс обычных свечей зажигания, избежать доработок двигателя внутреннего сгорания, получить в увеличенном зазоре между электродами свечи зажигания плазменный факел, что, помимо упрощения электрической схемы системы, повышает экономичность, экологичность ДВС. На фиг. 1 представлена электрическая схема комбинированной системы плазменного зажигания; на фиг.2 - комбинированная система плазменного зажигания, вид спереди; на фиг.3 - то же, вид сверху; на фиг.4 - график зависимости энергии оптимизированных конденсаторов от числа оборотов коленчатого вала ДВС. Комбинированная система плазменного зажигания содержит (фиг.1) искровую систему зажигания 1 с электромеханическим прерывателем 2, плазменную систему зажигания (ПЗ) 3 с подсоединенным между шинами общего для систем 1 и 3 источника питания 4 однофазным инвертором 5 с самовозбуждением, состоящим из трансформатора 6 с обмоткой управления 7, соединенной с базами мощных транзисторов 8, 9 p-n-p-типа, включенных с общим эмиттером, база каждого из транзисторов 8, 9 соединена с катодом диодов 10, 11, аноды диодов 10, 11 соединены с резисторами 12, 13, которые соединены с общей шиной источника питания 4 и с общей точкой симметричных коллекторных обмоток 14, 15 трансформатора 6, вторичная обмотка 16 трансформатора 6 связана с удвоителем напряжения, при этом один вывод соединен с анодом диода 17 и катодом диода 18, другой вывод вторичной обмотки 16 соединен со средней точкой конденсаторов 19, 20, анод диода 18 соединен с общей шиной источника питания 4 и конденсатором 20, катод диода 17 соединен с плюсовой обкладкой конденсатора 19 и входным выводом вторичной обмотки 21 катушки искрового зажигания 24, в которой вторичная обмотка 21 служит реактивным фильтром подавления радиопомех, выходной вывод вторичной обмотки 21 катушки искрового зажигания 22 соединен с распределителем зажигания 23, подвижный контакт 24 которого поочередно подсоединяет выход искровой системы зажигания 1 и плазменной системы зажигания 3 со свечами зажигания 25 - 28, выключатель плазменного зажигания 29 соединен с общей точкой эмиттеров мощных транзисторов 8, 9 инвертора 5 и плюсовой шиной источника питания 4, конденсатор 30 включен между общей точкой эмиттеров мощных транзисторов 8, 9 и общей шиной источника питания 4, с плюсовой шиной которого соединена первичная обмотка 31 катушки искрового зажигания 22. Комбинированная система плазменного зажигания размещена в бескорпусном моноблоке 32 ( фиг.2), залитом эпоксидным компаундом, и крепится к кузову автомобиля с помощью профилей 33. Мощные транзисторы 8, 9 закреплены на игольчатых радиаторах 34 (фиг.3), резисторы 12, 13 размещены между профилями 33. Провод от распределителя зажигания 24 вставляется в съемный переходник 35 (фиг.2), который соединен с вторичной обмоткой 21 катушки искрового зажигания 22, к клеммам 36 присоединены провода электрооборудования системы зажигания автомобиля, тумблер выключателя 29 выведен на боковую поверхность моноблока 32. Описываемая система зажигания работает следующим образом. При включенном выключателе 29 напряжение от источника питания 4 подается на инвертор 5. Через запускающие цепочки из диодов 10, 11, резисторов 12, 13 начинает протекать начальный ток и падение напряжения на резисторах 12, 13 создает отпирающее смещение на входах транзисторов 8, 9, которые приоткрываются, в результате чего через коллекторные обмотки 14, 15 трансформатора 6 начинают протекать различные по величине и фазе начальные токи, пропорциональные коэффициентам усиления транзисторов 8, 9. Больший ток в одной из коллекторных обмоток 14, 15 индуцирует в обмотке управления 7 фазу отпирающего тока, совпадающего с фазой начального большего тока одного из транзисторов 8, 9. Инвертор 5 запускается и переходит в автоколебательный режим, для гарантированного запуска которого при работе на емкостную нагрузку и возможном коротком замыкании на его выходе при любой скорости нарастания напряжения служат запускающие цепочки на диодах 10, 11 и резисторах 12, 13. Величина резисторов 12, 13 выбирается такой, чтобы автоколебания не срывались при напряжении источника 4 питания 1-2 В, начальном токе смещения не более 40 мА и коротком замыкании на выходе инвертора 5. Трансформатор 6 повышает напряжение источника питания 4 до 1,650 - 1,750 кВ, умножитель напряжения на диодах 17, 18 и накопительных конденсаторах 19, 20 переменное напряжение выпрямляет, удваивает до величины 3,3 - 3,5 кВ. Постоянное повышенное напряжение через высоковольтную обмотку 21 катушки искрового зажигания 22 поступает на подвижный электрод 24 распределителя 23, через воздушный промежуток между подвижным электродом 24 распределителя 23 в виде тлеющего разряда поступает на электрод одной из свеч зажигания 25 - 28. Воздушный зазор между электродами распределителя 24 и свечей зажигания 25 - 28 велик для зажигания плазмы, но воздушная среда между электродами ионизирована и подготовлена к пробою электрической искрой от искрового зажигания 1. При проворачивании коленчатого вала ДВС в высоковольтной обмотке 21 катушки искрового зажигания 22 индуцируется высокое напряжение до 30 кВ, с которым суммируется напряжение с накопительных конденсаторов 19, 20 плазменной системы зажигания 3, воздушные промежутки между электродами распределителя 23 и одной из свеч зажигания 25 - 28 пробиваются, электрическая искра искровой системы зажигания 1 поджигает плазменный факел, конденсаторы 19, 20 плазменного зажигания 3 разряжаются, инвертор 5 переходит в режим короткого замыкания и поддерживает горение плазмы не более 1,0 мс. При увеличении оборотов ДВС выше средних, если не снижать напряжение на конденсаторах 19, 20, резерв по тепловой нагрузке обычных свечей зажигания 25 - 28 будет исчерпан и начнется капельное зажигание. Для управления энергией плазменного зажигания 3 в зависимости от числа оборотов коленчатого вала ДВС выполняют оптимизированные характеристики плазменного зажигания 3, которыми являются выходная мощность инвертора 3, величина емкостей 19, 20 и величина напряжения на выходе инвертора 3. При заданных оптимизированных характеристиках зависимость энергии, отдаваемой плазменным зажиганием 3, от числа оборотов коленчатого вала ДВС приведена на фиг.4, где n1 соответствует числу оборотов в стартерном режиме; n2 - средним оборотам; n3 - максимальным оборотам коленчатого вала ДВС (5500 об/мин). При увеличении числа оборотов коленчатого вала ДВС напряжение на конденсаторах 19, 20 линейно снижается с 3,5 до 1,0 кВ, энергия, отдаваемая конденсаторами 19, 20, снижается пропорционально квадрату напряжения на них, чем обеспечивается падающая характеристика энергии ПЗ 3 при оборотах коленвала ДВС выше средних. Электрическая эрозия тонкого бокового электрода обычной свечи зажигания снижена подключением катодов диодов 17, 18, ПЗ 3 к вторичной обмотке 21 катушки зажигания 22, что позволяет электрически разгрузить боковой и нагрузить массивный центральный электрод обычной свечи зажигания. Мощные транзисторы 8, 9 инвертора 5 выбраны кремниевые типа p-n-p для повышения надежности инвертора 5, потому что при возможном эксплуатационном коротком замыкании радиаторов 35 с транзисторами 8, 9 типа n-p-n произойдет мгновенный их пробой. Конденсаторы 19, 20 устраняют коммутационные перегрузки инверсными токами транзисторов 8, 9. В случае отказа ПЗ 3 из-за выхода из строя любого элемента ПЗ 3 система зажигания сохраняет свою работоспособность за счет нормального функционирования искрового зажигания 1. Защита транзисторов 8, 9 от воздействия искровой системы зажигания обеспечивается закорачиванием переменной составляющей искрового зажигания 1 на общую шину питания через диоды 17, 18 и конденсаторы 19, 20 ПЗ 3, защиты транзисторов 8, 9 от пиковых напряжений при работе на емкостную нагрузку не требуется, для защиты транзисторов 8, 9 от электрических помех введен конденсатор 30. Путем изменения номиналов резисторов 12, 13, изменения числа витков в обмотках трансформатора 6 можно получить четыре качественно отличных процесса горения в зазоре между электродами свечей зажигания 25 - 28 на открытом воздухе. 1. Автоколебания инвертора 5 срываются и возобновляются сразу после прекращения искры искрового зажигания 1. В этом случае конденсаторы 19, 20 работают как вольтодобавка и наблюдается имитация электронной системы зажигания. 2. Автоколебания инвертора 5 не срываются, но между электродами свечей зажигания 25 - 28 на весь период горения плазмы образуется поток электронов в виде тонкой прямой нити красного цвета. Ток через электроды свечей зажигания на порядок меньше требуемого. 3. Автоколебания не срываются, но образуется слаботочная дуга в виде тонкой прямой нити синего цвета. Ток через электроды свечей зажигания несколько больше указанного в п.2. 4. Собственно плазма в виде плазменного факела большого диаметра ярко-белого свечения с синими областями. В нормальных условиях при атмосферном давлении и напряжении питания 12,5 В в зазоре между электродами не менее 7 мм после первой искры искрового зажигания 1 поддерживается устойчивое горение плазменного факела диаметром до 6 мм. Высокая температура и большая площадь боковой поверхности плазменного факела позволяют существенно улучшить эксплуатационные характеристики ДВС. В предлагаемом техническом решении облегчен запуск ДВС, средняя экономия топлива составляет 13 %, содержание СО в выхлопных газах пониженное, обеспечены устойчивость сгорания топлива на малых оборотах коленвала ДВС, и отсутствие детонации на оборотах коленвала ДВС выше средних, снижены требования к сортности применяемого топлива, сохранен ресурс свечей зажигания, которыми комплектуется ДВС, ощутимо увеличен крутящий момент на валу ДВС. Предусмотренная повышенная безопасность эксплуатации ПЗ облегчает выполнение работ с зажиганиями. Существенное упрощение схемы позволяет реализовать систему в габаритах 65 х 85 х 150 (фиг.2, 3) с установкой и подключением по месту обычной катушки искрового зажигания. По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволяет получить следующие преимущества: повысить надежность системы зажигания, обусловленную упрощением электрической схемы зажигания, избежать изменений в электрической схеме автомобиля, исключить доработки ДВС для размещения узлов плазменного зажигания в автомобиле, использовать обычные свечи искрового зажигания, которыми комплектуется ДВС.ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПЛАЗМЕННОГО ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая соединенные последовательно искровое зажигание и плазменное зажигание, которое содержит инвертор, включающий трансформатор, который имеет обмотку управления, первичную обмотку, которая состоит из двух частей, соединенных последовательно, вторичную обмотку, выход которой является выходом инвертора, первый и второй транзисторы, коллекторы которых соединены соответственно с началом и концом первичной обмотки, базы которых соединены с началом и концом обмотки управления, первый и второй диоды, первый резистор, источник питания, плюсовая клемма которого соединена с общей шиной, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, в инвертор плазменного зажигания введены второй резистор и конденсатор, причем база первого и второго транзисторов соединены соответственно через соединенные последовательно первый диод и первый резистор, второй диод и второй резистор с общей шиной, эмиттеры первого, второго транзисторов соединены непосредственно через введенный переключатель с плюсовой клеммой и через конденсатор с общей шиной, обе части первичной обмотки трансформатора выполнены симметричными, а их средняя точка соединена с общей шиной.www.freepatent.ru
| Россия, Тверская обл., г. Кимры E-mail: [email protected] Web-sait: smirnov.ucoz.com Обычное батарейное («классическое») зажигание имеет следующие недостатки:
Доминирующей системой электронного зажигания в настоящее время является ICI (Ignition Coil Inductor — Зажигание Катушкой Индуктивности) — дальнейшее развитие «классического» зажигания. Систему электронного зажигания ICI называют ещё «транзисторной». Применение электронного коммутатора, датчика Холла и низкоомной катушки позволило исключить прерыватель, а вместе с ним и дуговой разряд между его контактами, бесполезно тративший энергию катушки при запуске и на низких оборотах. При этом стал ненужным и конденсатор, который снижал скорость нарастания ЭДС самоиндукции катушки, чтобы дать возможность контактам прерывателя разомкнуться раньше возникновения дугового разряда. В результате, значительно подросли напряжение на свече и энергия искрового разряда. ICI система электронного зажигания позволяет поднять мощность разряда, однако не может значительно увеличить скорость нарастания напряжения по сравнению с обычным зажиганием. Относительно низкая скорость перемагничивания сердечника катушки обуславливает резкий рост тока первичной обмотки на высоких оборотах, из-за чего время нарастания напряжения на запальной свече может занимать весь угол опережения, заходя даже в фазу быстрого сгорания. Как следствие, вторичное напряжение в катушке не успевает достигнуть напряжения пробоя, и энергия разряда, пропорциональная квадрату тока, резко снижается на высоких (более ~3000) оборотах двигателя. Моменты искрообразования и начальной фазы воспламенения становятся вероятностными и запаздывают, что обуславливает необходимость в установке раннего зажигания. В результате, при движении поршня к верхней мёртвой точке разгорающаяся воздушно-топливная смесь вызывает повышение давления, что создаёт силу противодействия, отнимающую мощность у двигателя. При этом топливно-воздушная смесь сгорает не полностью — наступает ограничение мощности и числа оборотов двигателя. Несколько лучшим решением этой проблемы, является применение сдвоенных и счетверённых катушек зажигания («модуль зажигания» с управлением от компьютера), где нагрузка распределена по частоте перемагничивания с одной катушки зажигания на две или четыре, тем самым, снижая частоту перемагничивания сердечника для одной катушки зажигания. Непреодолёнными в ICI электронной системе зажигания оказались и указанные выше в пунктах 3 и 4 недостатки «классической» системы. CDI (Capacitive Discharge Ignition – Ёмкостного Разряда Зажигание) — тиристорно-конденсаторная система зажигания, основанная на накоплении энергии в ёмкости конденсатора, заряжаемого до напряжения 300-500 В от повышающего преобразователя DC/DC. При поступлении сигнала управления тиристор подключает заряженный конденсатор к первичной обмотке катушки зажигания. Катушка зажигания и заряженный конденсатор образуют ударный LC-контур. На резонансной частоте контура возникают затухающие колебания, энергия которых трансформируется повышающей обмоткой катушки в высокое напряжение, вызывающее искрообразование на запальных свечах. CDI устройства отвечают большинству требований, предъявляемых к системе зажигания. По сравнению с ICI их отличает большая экономичность, ведь ток через катушку течет только в момент искрообразования. Однако из-за повышенного уровня импульсных помех CDI системы трудно использовать на автомобиле. В основном их устанавливают на высокооборотных двигателях спортивных автомобилей и 2-х тактных импортных двигателях, где уровень помех не имеет определяющего значения. На данный момент в автомобильной промышленности практически отсутствуют CDI системы зажигания. В CDI системах зажигания вопрос о скорости нарастания высокого напряжения не стоит вообще: 1 - 3 микросекунды (в зависимости от типа катушки) против 30-60 микросекунд — в транзисторных системах, что позволяет точно задать момент искрообразования вне зависимости от условий пробоя искрового промежутка, состояния топливно-воздушной смеси и т. п. Выделение большого количества энергии за малый промежуток времени позволяет иметь устойчивое искрообразование со значительными шунтирующими нагрузками, такими как, присутствие на изоляторе свечи копоти, нагара из металлосодержащих соединений, влаги на высоковольтных проводах и случая, когда залило свечи. Мощность разряда легко увеличить простым увеличением ёмкости коммутирующего конденсатора (даже с применением обычных катушек зажигания можно поднять мощность искры многократно и убить всех зайцев сразу). СDI системы зажигания незаменимы в следующих случаях:
В плазменном зажигании самостоятельный искровой разряд стандартного электронного зажигания используется для инициализации — первоначального пробоя искрового промежутка запальной свечи и создания канала проводимости, по которому потечёт ток несамостоятельного дугового конденсированного (заряд конденсатора C непосредственно превращается в энергию плазмы) разряда. При возникновении высокого напряжения на вторичной обмотке катушки диод VD1 открывается, а VD2 — закрывается. Напряжение между электродами свечи повышается, возникает самостоятельный инициирующий искровой разряд. Его вольт-амперная характеристика падающая. Поэтому по мере прогрева плазмы напряжение на искровом промежутке будет уменьшаться вплоть до 1500-900 В. Однако уже при напряжении менее 3000 В диод VD2 откроется, а VD1 — закроется, и на свечу начнёт поступать заряд ёмкости C. Начинается самое главное — возникает несамостоятельный конденсированный дуговой разряд, во время которого температура под «шубой» плазмы в шнуре дуги повышается (~ 40 000°C), а напряжение разряда резко уменьшается, что позволяет ёмкости C наиболее полно и интенсивно отдать свой заряд. К концу разряда возникает состояние, когда заряд ёмкости C израсходован и напряжение на нём мало, а ток, текущий по сопротивлению R, не способен поддерживать существование термодинамически неравновесной газоразрядной плазмы и плазма начинает исчезать (деионизироваться) быстрее, чем увеличивается напряжение на ёмкости C (явление гистерезиса). После угасания дугового разряда начинается новый цикл релаксационного процесса — накопление заряда ёмкостью C для следующего дугового разряда и т. д. Плазменное зажигание можно выполнить на базе конденсаторного СDI зажигания, разместив дополнительно на трансформаторе преобразователя обмотку для источника питания +3000 В. При этом выпрямитель выгодно выполнить по схеме удвоения напряжения — тогда потребуется вдвое меньше витков. Общая мощность преобразователя должна быть не менее 80 ВА. В самом простом случае (минимум электроники) преобразователь можно выполнить по схеме автогенератора Ройера, который теоретически обладает свойством автоматической защиты при коротких замыканиях выхода. В этом случае при открытом тиристоре (искрообразование) генерация будет прекращаться, а через транзисторы преобразователя будет течь лишь ток запуска. Резистор R, видимо, не понадобится, т. к. его функцию будет выполнять конечное выходное сопротивление преобразователя. Величина ёмкости C — десятки нанофарад (определяет требуемую мощность источника питания +3000 В). Однако, как показывает опыт, не следует гнаться за рекордными значениями ёмкости C и мощности источника +3000 В. Мощный дуговой разряд не только вызывает эрозию электродов свечей (испарение металла в анодном и катодном пятнах), но и разогревает их. На высоких оборотах разогрев усилится, а условия отвода тепла ухудшатся, что может вызвать калильное зажигание. С таким явлением ограничения скорости в 150 км/час я столкнулся на ВАЗ 2108 в 90-х при использовании штатной низкоомной катушки и обычных свечей в мощном конденсаторном СDI зажигании собственной разработки. Поиск причины увенчался успехом только после того, как на испытательном стенде (свечи — в воздухе) при имитации соответствующих высоких оборотов я увидел, как от электродов свечей идёт дым. А ведь это было, по сути, ещё только инициирующее зажигание. Видимо имеет смысл в плазменном зажигании использовать инициирующее зажигание системы СDI минимальной мощности, а в дуговом — подобрать ёмкость C на высоких оборотах по отсутствию калильного эффекта. Мощный плазменный разряд способен интенсивно прогреть (через состояние сильно ионизированной плазмы) и воспламенить сжатую топливно-воздушную смесь сразу в большом объёме. При этом неопределённость и задержка момента воспламенения уменьшаются, а значит, угол опережения зажигания может быть уменьшен. Последнее обстоятельство особенно благоприятно для высокооборотных двигателей, ведь раннее зажигание вызывает повышение давления разгорающейся воздушно-топливной смеси при движении поршня к верхней мёртвой точке, что создаёт силу противодействия, отнимающую мощность у двигателя, повышающую его температуру, увеличивающую нагрузку на все детали двигателя. Таким образом, плазменное зажигание позволяет повысить обороты, поднять мощность и КПД двигателя — улучшить топливную экономичность, снизить нагрев, вибрацию и шумность, увеличить ресурс двигателя. В плазменном зажигании необходимо использовать запальные свечи без встроенного помехоподавляющего резистора! Помехоподавляющий резистор в бегунке трамблёра необходимо перемкнуть перемычкой! Высоковольтные провода — со сплошной медной жилой в силиконовой изоляции! В противном случае что-нибудь из только что перечисленного обязательно перегорит! К сожалению, исключение помехоподавляющих элементов из цепи дугового разряда сразу превращает плазменное зажигание в генератор мощных импульсных помех. Дело в том, что падающая вольт-амперная характеристика искро-дугового разряда представляет собой двухполюсник отрицательного сопротивления. Такой двухполюсник нейтрализует сопротивление потерь в распределённых цепях высоковольтных проводов, заставляя их генерировать и излучать электромагнитные волны на резонансных частотах (на схожем принципе в доламповое время строились искровые и дуговые радиопередатчики [6, с. 8-11]). Бороться с указанным явлением чрезвычайно сложно. Можно использовать взамен разрядной ёмкости C формирующие LC-линии, например, простейшую из них — добавив последовательно с ёмкостью C индуктивность L. Характеристическое (волновое) сопротивление данной цепи ограничит амплитуду и скорость нарастания тока. Дополнительно полезно использовать ранее выпускавшийся отечественной промышленностью провод с высокой погонной индуктивностью и не очень большим сопротивлением, состоящий из тонкой проволоки, навитой спиралью на центральную ферромагнитную жилу, который назывался "ПВВП". При этом ток разряда будет проходит по спиральной траектории, что сконцентрирует магнитное поле вдоль оси провода. Однако самым действенным представляется размещение всех элементов разрядных цепей плазменного зажигания прямо на запальных свечах — в виде индивидуальных модулей с управлением по оптическим линиям от компьютера. Плазменное зажигание позволяет снизить расход топлива и содержание вредных веществ в отработавших газах за счёт использования бедных смесей с соотношением воздух/топливо более 17. При этом отпадают проблемы детонации, а степень сжатия можно повысить даже при использовании низкооктанового топлива, причём становится возможным воспламенение бедных смесей с соотношением воздух/топливо, достигающим 27. При плазменном зажигании можно осуществить качественное регулирование бензинового двигателя, при котором количество подаваемого воздуха остается неизменным, а регулирование мощности двигателя производится только регулированием количества подаваемого топлива. Естественно, что подобное регулирование лучше осуществлять с помощью компьютера, программа которого будет учитывать замедление воспламенения и сгорания бедных смесей.
Источники информации:
|
Плазменное зажигание (рисунок) состоит из стандартного электронного зажигания (желательно СDI) и заторможенного релаксационного генератора плазмы, состоящего из источника питания +3000 В, разрядной RC-цепи, ёмкость C которой — накопитель заряда для конденсированного дугового разряда в запальной свече, которую подключает трамблёр к моменту искрообразования в нужном цилиндре. Алгоритм формирования плазмы задаётся схемой логического сложения 2ИЛИ на высоковольтных (Uобр. › 30 кВ, Iср. › 0,3 А) диодах VD1, VD2 (Каждый диод — последовательная цепь, набранная из дискретных высоковольтных диодов или столбов, на требуемое обратное напряжение. Например, можно использовать телевизионные демпферные диоды (столбы) типа КЦ109А, которых потребуется по 5 штук. Ещё лучше — диоды КД226Д, но их потребуется по 50 штук.). 
smirnov.ucoz.com
СтатьиНовостиО сайтеБиблиотека Hrm.Wayback Machine doesn't have that page archived. This page is available on the web!Help make the Wayback Machine more complete! Your use of the Wayback Machine is subject to the Internet Archive's Terms of Use.
| Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1] Снизить расход топлива и содержание вредных веществ в отработавших газах можно использованием бедных смесей, однако их искровое зажигание вызывает затруднения. Гарантированное зажигание искровым разрядом имеет место при массовом соотношении воздух/топливо не более 17. При более бедных составах возникают пропуски воспламенения, что ведет к росту содержания вредных веществ в отработавших газах. При создании расслоенного заряда в цилиндре можно обеспечить сжигание очень бедной смеси при условии, что в зоне свечи зажигания образуется смесь богатого состава. Богатая смесь легко воспламеняется, и факел пламени, выброшенный в объем камеры сгорания, воспламеняет находящуюся там бедную смесь. В последние годы ведутся исследования по воспламенению бедных смесей плазменным и лазерным способами, при которых в камере сгорания образуется несколько очагов горения, так как воспламенение смеси происходит одновременно в разных зонах камеры. Вследствие этого отпадают проблемы детонации, и степень сжатия можно повысить даже при использовании низкооктанового топлива. При этом возможно воспламенение бедных смесей с соотношением воздух/топливо, достигающим 27. При плазменном зажигании электрическая дуга образует высокую концентрацию электрической энергии в ионизованном искровом промежутке достаточно большого объема. При этом в дуге развиваются температуры до 40000 °C, т. е. создаются условия, аналогичные дуговой сварке. Плазменная свеча зажигания
Реализовать плазменный способ зажигания в двигателе внутреннего сгорания, однако, не так просто. Плазменная свеча зажигания изображена на рис. 1. Под центральным электродом в изоляторе свечи выполнена небольшая камера. При возникновении электрического разряда большой длины между центральным электродом и корпусом свечи газ в камере нагревается до очень высокой температуры и, расширяясь, выходит через отверстие в корпусе свечи в камеру сгорания. Образуется плазменный факел длиной около 6 мм, благодаря чему возникает несколько очагов пламени, способствующих воспламенению и сгоранию бедной смеси. Система плазменного зажигания с насосом высокого давленияДругой тип системы плазменного зажигания использует небольшой насос высокого давления, который подает воздух; к электродам в момент образования дугового разряда. Образующийся при разряде между электродами объем ионизованного воздуха поступает в камеру сгорания Плазменное зажигание с постоянной электрической дугойЭти способы весьма сложны и не применяются в автомобильных двигателях. Поэтому был разработан другой метод, при котором свеча зажигания образует постоянную электрическую дугу в течение 30° угла поворота коленчатого вала. В этом случае высвобождается до 20 Дж энергии, что гораздо больше, чем при обычном искровом разряде [2]. Известно, что если при искровом зажигании не образуется достаточного количества энергии, то смесь не воспламеняется.Плазменная дуга в сочетании с вращением заряда в камере сгорания образует большую поверхность воспламенения, так как при этом форма и размер плазменной дуги в значительной мере меняются. Наряду с увеличением длительности периода воспламенения это означает также наличие высокой высвобождаемой для него энергии. В отличие от стандартной системы во вторичном контуре плазменной системы зажигания действует постоянное напряжение 3000 В. В момент разряда в искровом промежутке свечи возникает обычная искра. При этом сопротивление на электродах свечи уменьшается, и постоянное напряжение 3000 В образует дугу, зажженную в момент разряда. Для поддержания дуги достаточно напряжения около 900 В. Плазменная система зажигания отличается от стандартной встроенным высокочастотным (12 кГц) прерывателем постоянного тока с напряжением 12 В. Индукционная катушка повышает напряжение до 3000 В, которое далее выпрямляется. Следует указать, что продолжительный дуговой разряд на свече зажигания существенно снижает срок ее эксплуатации. При плазменном зажигании пламя распространяется по камере сгорания быстрее, поэтому требуется соответствующее изменение угла опережения зажигания. Испытания системы плазменного зажигания на автомобиле «Форд Пинто» (США) с рабочим объемом двигателя 2300 см3 и автоматической коробкой передач дали результаты, приведенные в табл. 1.
При плазменном зажигании можно осуществить качественное регулирование бензинового двигателя, при котором количество подаваемого воздуха остается неизменным, а регулирование мощности двигателя производится только регулированием количества подаваемого топлива. При применении в двигателе системы плазменного зажигания без изменения регулирования угла опережения зажигания и состава смеси расход топлива уменьшился на 0,9 %, при регулировании угла зажигания — на 4,5 %, а при оптимальном регулировании угла зажигания и состава смеси — на 14 % (см. табл. 1). Плазменное зажигание улучшает работу двигателя особенно при частичных нагрузках, и расход топлива может быть таким же, как и у дизеля. Новости партнёровНа правах рекламызаходите - здесь прага салон красоты для васСноски
|
archive.li
Комбинированная система плазменного зажигания для двигателя внутреннего сгорания
Использование: в электрооборудовании транспортных средств, системах зажигания двигателей внутреннего сгорания и для маломощной плазменной сварки. Сущность изобретения: устройство включает искровое зажигание 1, плазменное зажигание 3. Особенностью изобретения является введение резистора 13, конденсатора 30, что позволяет повысить надежность. 4 ил.
Изобретение относится к электрооборудованию транспортных средств, а именно к системам зажигания для двигателей внутреннего сгорания, и может быть также использовано для маломощной плазменной сварки металлов.
Известны устройства для получения в специальных плазменных свечах плазменных ядер поджига горючей смеси. Так, в системе зажигания, содержащей оптимизированный конденсатор, оптимизированную катушку зажигания, в специальных плазменных свечах и специальной камере сгорания реализуется плазменный факел большой мощности, который поджигает горючую смесь в цилиндрах дизельного двигателя внутреннего сгорания [1]. Недостатком данного устройства являются значительные токи плазмы, которые приводят к двукратному увеличению габаритов оптимизированной катушки зажигания, применению плазменных свечей зажигания, изменению формы камеры сгорания, что необходимо для воспламенения дизельного топлива и не требуется для воспламенения бензинового топлива в карбюраторном двигателе внутреннего сгорания (ДВС). Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является комбинированная плазменная система зажигания для карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, содержащая искровое зажигание, включающее катушку искрового зажигания и прерыватель, вход первичной обмотки катушки зажигания соединен с источником питания, выход - с прерывателем распределителя, плазменное зажигание с реактивным фильтром подавления радиопомех, свечи зажигания [2]. Принцип работы системы состоит в том, что искра от искрового зажигания поджигает в специальной свече плазму, которая образуется за счет разряда конденсатора плазменной системы зажигания. Недостатком известной системы является параллельное включение обеих систем зажигания, то объясняется низким напряжением на выходе плазменной системы зажигания и, следовательно, большими токами в системе зажигания. Такое плазменное зажигание нельзя включать перед распределителем либо последовательно с вторичной обмоткой катушки искрового зажигания, потому что за этим последует их отказ. Большие токи плазменного зажигания требуют наличия блока управления работой плазменного зажигания в зависимости от оборотов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, электромеханического регулятора мощности плазменного зажигания, дополнительного источника питания плазменной системы, специального реактивного фильтра подавления радиопомех, мощных высоковольтных разделительных диодов, соединяющих выход плазменного зажигания с проводом на специальную свечу зажигания каждого цилиндра, разделительного диода, соединяющего катушку искрового зажигания с распределителем. Естественно, все это усложняет электрическую схему устройства, снижает надежность системы и существенно увеличивает габариты устройства, что в целом снижает его потребительские свойства и эксплуатационные возможности. Целью изобретения является повышение эксплуатационных возможностей системы зажигания. Цель достигается тем, что в систему плазменного зажигания введены удвоитель напряжения и инвертор с самовозбуждением, трансформатор которого имеет обмотку управления и две симметричные первичные обмотки, соединенные с коллекторами двух транзисторов p-n-p-типа, базы которых подключены к обмотке управления и последовательно соединены с двумя диодами и первым и вторым сопротивлениями, подключенными к шине общего источника питания, вторичная обмотка трансформатора соединена с вторичной обмоткой катушки зажигания через удвоитель напряжения и параллельно подключенные к его диодам третье и четвертое сопротивления, при этом вторичная обмотка катушки зажигания использована в качестве фильтра радиопомех, выходной вывод которой подсоединен к распределителю, подключенному к свечам зажигания каждого цилиндра двигателя. Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемая система отличается тем, что в ней имеются дополнительные узлы - инвертор, удвоитель напряжения, отсутствует дополнительный источник питания плазменного зажигания, разделительные диоды, дроссель и резистор фильтра, блок управления плазменным зажиганием, специальные свечи зажигания. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает на широкую известность таких устройств, как инвертор с самовозбуждением, удвоитель напряжения, а также параллельное включение диодам резисторов в удвоителе напряжения, подключение вторичной обмотки катушки искрового зажигания к диоду и конденсатору удвоителя напряжения, применение транзисторов инвертора типа p-n-p. Однако использование указанных признаков в заявленном техническом решении для формирования плазменного факела в свече зажигания проявляют новые свойства, заключающиеся в исключении взаимного влияния искрового и плазменного зажигания, в устойчивости запуска инвертора плазменного зажигания независимо от скорости нарастания напряжения питания при емкостной нагрузке и коротком замыкании в свечах зажигания, использование обычных свечей зажигания, что позволяет обеспечить гарантированный запуск инвертора, повысить эксплуатационную безопасность, существенно подавить радиопомехи, сохранить ресурс обычных свечей зажигания, избежать доработок двигателя внутреннего сгорания, получить в увеличенном зазоре между электродами свечи зажигания плазменный факел, что, помимо упрощения электрической схемы системы, повышает экономичность, экологичность ДВС. На фиг. 1 представлена электрическая схема комбинированной системы плазменного зажигания; на фиг.2 - комбинированная система плазменного зажигания, вид спереди; на фиг.3 - то же, вид сверху; на фиг.4 - график зависимости энергии оптимизированных конденсаторов от числа оборотов коленчатого вала ДВС. Комбинированная система плазменного зажигания содержит (фиг.1) искровую систему зажигания 1 с электромеханическим прерывателем 2, плазменную систему зажигания (ПЗ) 3 с подсоединенным между шинами общего для систем 1 и 3 источника питания 4 однофазным инвертором 5 с самовозбуждением, состоящим из трансформатора 6 с обмоткой управления 7, соединенной с базами мощных транзисторов 8, 9 p-n-p-типа, включенных с общим эмиттером, база каждого из транзисторов 8, 9 соединена с катодом диодов 10, 11, аноды диодов 10, 11 соединены с резисторами 12, 13, которые соединены с общей шиной источника питания 4 и с общей точкой симметричных коллекторных обмоток 14, 15 трансформатора 6, вторичная обмотка 16 трансформатора 6 связана с удвоителем напряжения, при этом один вывод соединен с анодом диода 17 и катодом диода 18, другой вывод вторичной обмотки 16 соединен со средней точкой конденсаторов 19, 20, анод диода 18 соединен с общей шиной источника питания 4 и конденсатором 20, катод диода 17 соединен с плюсовой обкладкой конденсатора 19 и входным выводом вторичной обмотки 21 катушки искрового зажигания 24, в которой вторичная обмотка 21 служит реактивным фильтром подавления радиопомех, выходной вывод вторичной обмотки 21 катушки искрового зажигания 22 соединен с распределителем зажигания 23, подвижный контакт 24 которого поочередно подсоединяет выход искровой системы зажигания 1 и плазменной системы зажигания 3 со свечами зажигания 25 - 28, выключатель плазменного зажигания 29 соединен с общей точкой эмиттеров мощных транзисторов 8, 9 инвертора 5 и плюсовой шиной источника питания 4, конденсатор 30 включен между общей точкой эмиттеров мощных транзисторов 8, 9 и общей шиной источника питания 4, с плюсовой шиной которого соединена первичная обмотка 31 катушки искрового зажигания 22. Комбинированная система плазменного зажигания размещена в бескорпусном моноблоке 32 ( фиг.2), залитом эпоксидным компаундом, и крепится к кузову автомобиля с помощью профилей 33. Мощные транзисторы 8, 9 закреплены на игольчатых радиаторах 34 (фиг.3), резисторы 12, 13 размещены между профилями 33. Провод от распределителя зажигания 24 вставляется в съемный переходник 35 (фиг.2), который соединен с вторичной обмоткой 21 катушки искрового зажигания 22, к клеммам 36 присоединены провода электрооборудования системы зажигания автомобиля, тумблер выключателя 29 выведен на боковую поверхность моноблока 32. Описываемая система зажигания работает следующим образом. При включенном выключателе 29 напряжение от источника питания 4 подается на инвертор 5. Через запускающие цепочки из диодов 10, 11, резисторов 12, 13 начинает протекать начальный ток и падение напряжения на резисторах 12, 13 создает отпирающее смещение на входах транзисторов 8, 9, которые приоткрываются, в результате чего через коллекторные обмотки 14, 15 трансформатора 6 начинают протекать различные по величине и фазе начальные токи, пропорциональные коэффициентам усиления транзисторов 8, 9. Больший ток в одной из коллекторных обмоток 14, 15 индуцирует в обмотке управления 7 фазу отпирающего тока, совпадающего с фазой начального большего тока одного из транзисторов 8, 9. Инвертор 5 запускается и переходит в автоколебательный режим, для гарантированного запуска которого при работе на емкостную нагрузку и возможном коротком замыкании на его выходе при любой скорости нарастания напряжения служат запускающие цепочки на диодах 10, 11 и резисторах 12, 13. Величина резисторов 12, 13 выбирается такой, чтобы автоколебания не срывались при напряжении источника 4 питания 1-2 В, начальном токе смещения не более 40 мА и коротком замыкании на выходе инвертора 5. Трансформатор 6 повышает напряжение источника питания 4 до 1,650 - 1,750 кВ, умножитель напряжения на диодах 17, 18 и накопительных конденсаторах 19, 20 переменное напряжение выпрямляет, удваивает до величины 3,3 - 3,5 кВ. Постоянное повышенное напряжение через высоковольтную обмотку 21 катушки искрового зажигания 22 поступает на подвижный электрод 24 распределителя 23, через воздушный промежуток между подвижным электродом 24 распределителя 23 в виде тлеющего разряда поступает на электрод одной из свеч зажигания 25 - 28. Воздушный зазор между электродами распределителя 24 и свечей зажигания 25 - 28 велик для зажигания плазмы, но воздушная среда между электродами ионизирована и подготовлена к пробою электрической искрой от искрового зажигания 1. При проворачивании коленчатого вала ДВС в высоковольтной обмотке 21 катушки искрового зажигания 22 индуцируется высокое напряжение до 30 кВ, с которым суммируется напряжение с накопительных конденсаторов 19, 20 плазменной системы зажигания 3, воздушные промежутки между электродами распределителя 23 и одной из свеч зажигания 25 - 28 пробиваются, электрическая искра искровой системы зажигания 1 поджигает плазменный факел, конденсаторы 19, 20 плазменного зажигания 3 разряжаются, инвертор 5 переходит в режим короткого замыкания и поддерживает горение плазмы не более 1,0 мс. При увеличении оборотов ДВС выше средних, если не снижать напряжение на конденсаторах 19, 20, резерв по тепловой нагрузке обычных свечей зажигания 25 - 28 будет исчерпан и начнется капельное зажигание. Для управления энергией плазменного зажигания 3 в зависимости от числа оборотов коленчатого вала ДВС выполняют оптимизированные характеристики плазменного зажигания 3, которыми являются выходная мощность инвертора 3, величина емкостей 19, 20 и величина напряжения на выходе инвертора 3. При заданных оптимизированных характеристиках зависимость энергии, отдаваемой плазменным зажиганием 3, от числа оборотов коленчатого вала ДВС приведена на фиг.4, где n1 соответствует числу оборотов в стартерном режиме; n2 - средним оборотам; n3 - максимальным оборотам коленчатого вала ДВС (5500 об/мин). При увеличении числа оборотов коленчатого вала ДВС напряжение на конденсаторах 19, 20 линейно снижается с 3,5 до 1,0 кВ, энергия, отдаваемая конденсаторами 19, 20, снижается пропорционально квадрату напряжения на них, чем обеспечивается падающая характеристика энергии ПЗ 3 при оборотах коленвала ДВС выше средних. Электрическая эрозия тонкого бокового электрода обычной свечи зажигания снижена подключением катодов диодов 17, 18, ПЗ 3 к вторичной обмотке 21 катушки зажигания 22, что позволяет электрически разгрузить боковой и нагрузить массивный центральный электрод обычной свечи зажигания. Мощные транзисторы 8, 9 инвертора 5 выбраны кремниевые типа p-n-p для повышения надежности инвертора 5, потому что при возможном эксплуатационном коротком замыкании радиаторов 35 с транзисторами 8, 9 типа n-p-n произойдет мгновенный их пробой. Конденсаторы 19, 20 устраняют коммутационные перегрузки инверсными токами транзисторов 8, 9. В случае отказа ПЗ 3 из-за выхода из строя любого элемента ПЗ 3 система зажигания сохраняет свою работоспособность за счет нормального функционирования искрового зажигания 1. Защита транзисторов 8, 9 от воздействия искровой системы зажигания обеспечивается закорачиванием переменной составляющей искрового зажигания 1 на общую шину питания через диоды 17, 18 и конденсаторы 19, 20 ПЗ 3, защиты транзисторов 8, 9 от пиковых напряжений при работе на емкостную нагрузку не требуется, для защиты транзисторов 8, 9 от электрических помех введен конденсатор 30. Путем изменения номиналов резисторов 12, 13, изменения числа витков в обмотках трансформатора 6 можно получить четыре качественно отличных процесса горения в зазоре между электродами свечей зажигания 25 - 28 на открытом воздухе. 1. Автоколебания инвертора 5 срываются и возобновляются сразу после прекращения искры искрового зажигания 1. В этом случае конденсаторы 19, 20 работают как вольтодобавка и наблюдается имитация электронной системы зажигания. 2. Автоколебания инвертора 5 не срываются, но между электродами свечей зажигания 25 - 28 на весь период горения плазмы образуется поток электронов в виде тонкой прямой нити красного цвета. Ток через электроды свечей зажигания на порядок меньше требуемого. 3. Автоколебания не срываются, но образуется слаботочная дуга в виде тонкой прямой нити синего цвета. Ток через электроды свечей зажигания несколько больше указанного в п.2. 4. Собственно плазма в виде плазменного факела большого диаметра ярко-белого свечения с синими областями. В нормальных условиях при атмосферном давлении и напряжении питания 12,5 В в зазоре между электродами не менее 7 мм после первой искры искрового зажигания 1 поддерживается устойчивое горение плазменного факела диаметром до 6 мм. Высокая температура и большая площадь боковой поверхности плазменного факела позволяют существенно улучшить эксплуатационные характеристики ДВС. В предлагаемом техническом решении облегчен запуск ДВС, средняя экономия топлива составляет 13 %, содержание СО в выхлопных газах пониженное, обеспечены устойчивость сгорания топлива на малых оборотах коленвала ДВС, и отсутствие детонации на оборотах коленвала ДВС выше средних, снижены требования к сортности применяемого топлива, сохранен ресурс свечей зажигания, которыми комплектуется ДВС, ощутимо увеличен крутящий момент на валу ДВС. Предусмотренная повышенная безопасность эксплуатации ПЗ облегчает выполнение работ с зажиганиями. Существенное упрощение схемы позволяет реализовать систему в габаритах 65 х 85 х 150 (фиг.2, 3) с установкой и подключением по месту обычной катушки искрового зажигания. По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволяет получить следующие преимущества: повысить надежность системы зажигания, обусловленную упрощением электрической схемы зажигания, избежать изменений в электрической схеме автомобиля, исключить доработки ДВС для размещения узлов плазменного зажигания в автомобиле, использовать обычные свечи искрового зажигания, которыми комплектуется ДВС.Формула изобретения
КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПЛАЗМЕННОГО ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая соединенные последовательно искровое зажигание и плазменное зажигание, которое содержит инвертор, включающий трансформатор, который имеет обмотку управления, первичную обмотку, которая состоит из двух частей, соединенных последовательно, вторичную обмотку, выход которой является выходом инвертора, первый и второй транзисторы, коллекторы которых соединены соответственно с началом и концом первичной обмотки, базы которых соединены с началом и концом обмотки управления, первый и второй диоды, первый резистор, источник питания, плюсовая клемма которого соединена с общей шиной, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, в инвертор плазменного зажигания введены второй резистор и конденсатор, причем база первого и второго транзисторов соединены соответственно через соединенные последовательно первый диод и первый резистор, второй диод и второй резистор с общей шиной, эмиттеры первого, второго транзисторов соединены непосредственно через введенный переключатель с плюсовой клеммой и через конденсатор с общей шиной, обе части первичной обмотки трансформатора выполнены симметричными, а их средняя точка соединена с общей шиной.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4www.findpatent.ru
