Плазменные свечи зажигания. Плазменные свечи зажигания
Плазменные свечи зажиганияAutoRemka - Ремонт автомобиля
Автомобильный рынок не прекращает развиваться и для того, чтобы придумать более эффективную систему зажигания многие изобретатели работали не покладая рук. Изобретение усовершенствованного зажигания стало насущной потребностью, во многом, по причине того, что электрическое зажигание не может полностью воспламенить горючую смесь, то есть огромная часть топлива попросту «вылетает в трубу», что при нынешней стоимости топлива не может не расстраивать. Улучшить сложившуюся ситуацию могут лазерные или плазменные свечи.
Впрочем, о не идеальности электрических свечей знали уже давно. Тем не менее, возможность сделать зажигание более эффективным появилась только с обнародованием новейших разработок, которые были предоставлены в этом году японско-румынской группой исследователей. Система лазерного зажигания, предоставленная данной интернациональной группой ученых, осуществила настоящую революцию в этой сфере.
В настоящее время группа разработчиков революционной лазерной системы зажигания ведет переговоры с концерном под названием «Denso» о широкомасштабном введении новинки в производство.
Тем временем, компания «Federal-Mogul» обнародовала результаты исследований собственных лабораторий – плазменные свечи зажигания. Известно, что название новинки «ACIS», что расшифровываться как «Передовая Система Коронарного Зажигания». Как отмечают сами разработчики системы «ACIS», плазменные свечи способны уменьшить расход топлива не менее, чем на десять процентов.
Система «ACIS» отличается от электрических свечей тем, что способна воспламенять горючую смесь не точечно, а на существенно большей площади.
Еще одним преимуществом плазменных свечей перед их электрическим аналогом является то, что высокая температура плазменного разряда способна заставить гореть даже весьма скудную смесь, которая на сегодняшний день довольно часто применяется в экономичных двигателях.
Более того, при использовании плазменных свечей единовременно воспламеняется значительно большее количество топлива, что не только способствует существенной экономии, но также позволяет использовать всю высвобожденную энергию для движения поршня.
Разработчики данной системы уверены в том, что использование «ACIS» способно предотвращать детонацию, возникающую вследствие увеличения давления на воздушно-топливную смесь. Это также является плюсом плазменных свечей, так как известно, что чрезмерно частая детонация, в конечном итоге, может спровоцировать повреждение шатунно-поршневой системы транспортного средства. Секрет в том, что новая разработка ученых срабатывает очень быстро и детонация попросту не успевает произойти.
Еще одним несомненным плюсом системы «ACIS» можно назвать то, что она может продуктивно работать даже в условиях очень высокого давления. Ученые подчеркивают, что, если ранее повышение давления тормозилось из-за детонации, то новые плазменные свечи помогут достичь давления в 14:01, и это в самом обычном автомобильном моторе. В моторах же с турбонаддувом этот показатель может достигать 12:01.
В настоящее время дальнейшее исследование новейшей разработки «ACIS» продолжается совместно с несколькими мировыми автопроизводителями. В концерне «Federal-Mogul» полагают, что спустя некоторое время ДВС, спускаемые с конвейера, уже будут оснащены их новой разработкой — плазменной системой «ACIS».
Пока же плазменные свечи создаются так, чтобы любой автомобилист мог самостоятельно заменить электронные свечи на их усовершенствованный плазменный аналог, и по достоинству оценить все преимущества новейшей технологии «ACIS»
autoremka.ru
Прощайте, свечи зажигания. Здравствуй, плазма! – Обзор – Autoutro.ru
Плазменные короны, управляемое сгорание, ионизация... Звучит, как что-то из фантастического боевика, но на самом деле речь идет не о фантастике, а о самом последнем изобретении, которое обещает снизить расход топлива и вытеснить привычные свечи зажигания, так как в свое время они вытеснили магнето.
Устройство, которое вы видите на картинке, является новейшей технологией в области зажигания и, по мнению его создателей из компании Federal-Mogul, вскоре возьмет на себя работу, которую выполняют привычные нам свечи. Оно получило название ACIS, что расшифровывается как Advanced Corona Ignition System — "Продвинутая система коронарного зажигания". Наиболее важным в этой технологии является сокращение расхода топлива не менее чем на на 10%. Более того, если разработка Federal-Mogul получит распространение, то у нее есть потенциал, который даст конструкторам двигателей возможность сделать их еще более совершенными.
Как это работает
В случае с использованием обычных свечей зажигания воспламенение смеси происходит точечно — горение распространяется от искры, газы расширяются, ускоряя движение поршня вниз. Главное отличие работы ACIS в том, что вместо точечной искры происходит воспламенение, большее по площади, - в виде короны.
Это ионизирует и возбуждает топливную смесь в камере сгорания, что инициирует более быстрое и эффективное воспламенение на более обширной площади.
Обычная свеча и ACIS. Фото: Autocar
Использование в качестве источника чрезвычайно горячей плазмы означает, что ACIS способна зажечь значительно менее воспламеняемую смесь, подобную тем, что используются в более экономичных двигателях, работающих на обедненной смеси и использующих систему рециркуляции выхлопных газов.
Быстро и ярко
Корона существует недолго, но ее интенсивность чрезвычайно высока - "обычная искра длится в течение двух или трех миллисекунд," говорит Кристофер Миксел, директор подразделения "Трансмиссии и силовые установки" компании Federal-Mogul, "корона же существует примерно 100-200 микросекунд". Но, в отличии от точечной искры, диаметр короны может достигать 30 или 40 мм. Тем самым по всей камере инициируется быстрое, обширное и равномерное сгорание смеси. По словам Миксела, это не только позволяет уже сейчас говорить об экономии топлива, но и дает возможность предположить, что на основе этой технологии могут быть разработаны новые конфигурации более эффективных камер сгорания.
Диаметр короны может достигать 30 или 40 мм. Фото: Autocar
Запуск "тощий"
Но даже при существующих конструкциях ДВС, выгоды очевидны. При использовании ACIS воздушно-топливная смесь сгорает быстрее, поэтому энергия расширяющихся газов используется полнее в цикле работы двигателя. Это также означает, что двигатель сможет работать на более бедной смеси и быть экономичнее.
... И запуск чистый
Рециркуляция отработавших газов (EGR), при которой для снижения выбросов оксидов азота часть отработавших газов возвращается и поступает в воздушно-топливную смесь, – один из любимых трюков разработчиков современных моторов. Рециркуляция отработавших газов замедляет скорость сгорания смеси и помогает поглощать любые несгоревшие углеводороды, которые остаются в выхлопных газах. Использование EGR также снижает потребность в богатой струе топлива для достижения четкого ответа на открытие дроссельной заслонки.
Тем не менее, системы рециркуляции отработавших газов могут затруднять воспламенение смеси. И вот эта проблема успешно преодолевается ACIS. Двигатель с ACIS может работать с более высоким объемом рециркуляции отработавших газов, что делает его чистым и более эффективным.
Детонация
ACIS может также уменьшить вероятность возникновения детонации, которая происходит, когда воздушно-топливная смесь воспламеняется в результате давления, подобно тому как это происходит в дизельном двигателе. Результатом детонации может стать повреждение шатунно-поршневой группы. Но ACIS сжигает смесь быстрее и на большей площади в более "управляемом" режиме, что устраняет шанс детонации.
Сжатие
Все перечисленное также означает, что двигатели, оборудованные ACIS, могут работать с более высокой степенью сжатия. Ее увеличение - давно известный путь повышения эффективности ДВС, но именно проблема детонации до сего дня мешала наращиванию этого показателя.
По мнению Кристофера Миксела, степень сжатия в двигателе с ACIS может достигать показателя 14:01 в атмосферном двигателе или 12:01 в ДВС с турбонаддувом. При этом "свечи" ACIS будут иметь более длительный срок службы по причине отсутствия коррозии электродов.
Что дальше?
В настоящее время ACIS находится на стадии исследований и разработок. В "Федерал Могул" заявляют, что работы ведутся в партнерстве с несколькими автопроизводителями (Mazda, однако, в их число не входит, даже при том, что ее новый бензиновый двигатель SkyActiv уже работает со степенью сжатия 14:01.)
autoutro.ru
Плазменные свечи зажигания
Полезное
С тех пор, как появились свечи зажигания, конструкторы пытаются их усовершенствовать. Это и не странно, ведь обычным свечам зажигания не по силам сжигать всю топливную смесь в камере зажигания, и некоторая ее часть просто выходит в выхлопную трубу.
Сегодня, когда все государства Мира борются за энергетические ресурсы, плазменные свечи становятся просто не заменимыми. Обычное, такое привычное для нас, электрическое зажигание далеко не идеально. Еще в 2007 году японские разработчики совместно с румынами создали новейшую лазерную систему зажигания. По словам главного японского инженера – до недавнего времени лазеры можно было использовать только в каких-то экспериментах, так как они были слишком большие, но сейчас их размеры существенно уменьшились, и дает возможность для разработок нашей модели зажигания.
Ученым удалось направить 2-3 лазерных луча в различные места камеры сгорания, что существенно повысило количество сгораемой топливной смеси. Так же, такие свечи будут выполнены из керамического материала, который намного легче переносит высокие температуры, чем металл.
В это же время компания «Federal-Mogu» похвасталась своей разработкой уже плазменных свечей. Они будут носить название ACIS. Новейшая система зажигания, как заявляют ее разработчики, будет экономить до 10 процентов топлива. Плазменные свечи воспламеняют горючую смесь плазменным зарядом, который действует на большой площади. В результате сгорание смеси будет происходить намного быстрее и эффективнее. Важным положительным качеством плазменных свечей является то, что они могут воспламенять даже очень бедную топливную смесь, которую сейчас часто применяют в малолитражных машинах.
Площадь воспламенения плазмы достигает 3-4 сантиметра, что очень эффективно поджигает топливо. Так, вся энергия от сгорания топлива идет на перемещение поршня.
Так же плазменные свечи зажигания «не боятся» высокого давления. Используя обычные свечи зажигания повышение давления притормаживало работу двигателя. С плазменными свечами таких проблем нет.
auto-myinfo.ru
Плазменная полупроводниковая свеча зажигания
Плазменная полупроводниковая свеча зажигания содержит корпус с кольцевым боковым электродом, центральный электрод, концентрично закрепленный в корпусе через изолятор, и полупроводниковый элемент в виде кольца, соединенного с электродами. В свече выполнена полость, образованная рабочими поверхностями электродов и сопряженной с ними боковой поверхностью полупроводникового элемента и сообщенная через центральное отверстие бокового электрода с камерой сгорания. Центральный электрод выступает в указанную полость. Рабочие поверхности электродов и боковая поверхность полупроводникового элемента выполнены коническими с образованием кольцевого зазора, суженного в сторону центрального отверстия бокового электрода. В центральном электроде имеется канал для подвода плазмообразующего воздуха. Канал имеет несколько выходов на конической поверхности центрального электрода. В одном из вариантов исполнения свечи зажигания каналы для подвода плазмообразующего воздуха проходят через изолятор и полупроводниковый элемент, а выходы каналов расположены на поверхности полупроводникового материала между центральным и боковыми электродами. В другом варианте исполнения свечи зажигания каналы для подвода плазмообразующего воздуха проходят через боковой электрод, причем выходы каналов расположены в полости между центральным и боковыми электродами над поверхностью полупроводникового материала. Технический результат - создание плазменной полупроводниковой свечи зажигания с высоким ресурсом работы и с пробивным напряжением, не зависящим от давления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к свечам зажигания в составе плазменных систем зажигания, применяемых для розжига горючих смесей в камерах сгорания газотурбинных двигателей, газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов и энергетических установок.
Известны плазменные свечи зажигания с воздушным искровым промежутком, в которых через полость свечи протекает плазмообразующий газ (воздух). При этом образующаяся электрическая дуга между электродами выдувается за пределы искрового зазора. (Романовский Г.Ф., Матвеев И.Б., Сербия С.И. Плазменные системы газоперекачивающих агрегатов. - СПб.: Недра, 1992. - 142 с; Патент РФ №74523, H01T 13/00 от 27.06.2008; Патент РФ №94070, H01T 13/00 от 10.05.2010). Пробой свечи обеспечивает осциллятор, входящий в состав плазменной системы зажигания. При повышении давления в камере сгорания напряжение на выходе осциллятора может оказаться недостаточным для пробоя искрового промежутка плазменной свечи, что приведет к отказу системы зажигания.
К недостаткам плазменных свечей относится зависимость пробивного напряжения воздушного искрового промежутка от давления в соответствии с законом Пашена.
Известны также полупроводниковые свечи, в зазоре которых между центральным и боковым электродами расположен полупроводниковый элемент. (Патент РФ №2063098, H01T 13/52 от 27.06.1996; Патент РФ №2029196, F23Q 3/00 от 20.02.1995; Патент РФ №51793, H01T 13/02 от 27.02.2006). В полупроводниковых свечах в отличие от плазменных пробивное напряжение искрового промежутка практически не зависит от давления в силу специфического механизма развития разряда. (Электрооборудование летательных аппаратов: в 2-х т. Т. 2: Элементы и системы электрооборудования - приемники электрической энергии / С.А. Грузков [и др.]. - 2008. - 552 с.).
К недостаткам полупроводниковых свечей относится сравнительно низкий ресурс работы, так как полупроводник выгорает под действием длительного искрового разряда. Полупроводниковые свечи по своим функциональным возможностям неприменимы в качестве свечей для плазменных систем зажигания, так как в них не предусмотрен канал для прохождения плазмообразующего воздуха.
Наиболее близким изобретением к предлагаемому является свеча зажигания (АС СССР №1688340, H01T 13/50 от 30.10.1991). В этой свече зажигания для уменьшения износа полупроводникового элемента под действием искрового разряда рабочие поверхности бокового и центрального электродов и боковая поверхность полупроводникового элемента выполнены коническими с образованием суженного в сторону центрального отверстия бокового электрода кольцевого зазора. В результате такого конструктивного решения искровой разряд удален от поверхности полупроводникового элемента, что приводит к уменьшению его износа.
Недостатком этой свечи зажигания является то, что по своим функциональным возможностям она неприменима в качестве свечи для плазменных систем зажигания, так как в ней отсутствует канал для прохождения плазмообразующего воздуха.
Задача изобретения - создание плазменной полупроводниковой свечи зажигания, обладающей возможностями и преимуществами полупроводниковых и плазменных свечей зажигания.
Технический результат: увеличивается ресурс работы свечи зажигания, пробивное напряжение свечи зажигания не зависит от давления.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемой плазменной полупроводниковой свече зажигания, содержащей корпус с кольцевым боковым электродом, концентрично закрепленный в корпусе через изолятор центральный электрод и полупроводниковый элемент в виде кольца, соединенного с электродами, причем в свече выполнена полость, образованная рабочими поверхностями электродов и сопряженной с ними боковой поверхностью полупроводникового элемента и сообщенная через центральное отверстие бокового электрода с камерой сгорания, а центральный электрод выступает в полость, рабочие поверхности электродов и боковая поверхность полупроводникового элемента выполнены коническими с образованием суженного в сторону центрального отверстия бокового электрода кольцевого зазора, в отличие от прототипа в центральном электроде имеется канал для подвода плазмообразующего воздуха, причем канал имеет несколько выходов на конической поверхности центрального электрода.
Кроме того, в плазменной полупроводниковой свече зажигания в отличие от прототипа каналы для подвода плазмообразующего воздуха проходят через изолятор и полупроводниковый элемент, причем выходы каналов расположены на поверхности полупроводникового материала между центральным и боковыми электродами.
Кроме того, в плазменной полупроводниковой свече зажигания в отличие от прототипа каналы для подвода плазмообразующего воздуха проходят через боковой электрод, причем выходы каналов расположены в полости между центральным и боковыми электродами над поверхностью полупроводникового материала.
Существо изобретения поясняется чертежом 1, где изображена конструкция предлагаемой плазменной полупроводниковой свечи зажигания.
Свеча зажигания содержит корпус 1 с кольцевым боковым электродом 2. В корпусе 1 концентрично электроду 2 через изолятор 3 закреплен центральный электрод 4. Между электродами 2 и 4 размещен полупроводниковый элемент 5, выполненный в виде кольца и соединенный с электродами 2 и 4. В свече выполнена полость 6, образованная рабочими поверхностями 7 и 8 соответственно бокового электрода 2 и центрального электрода 4 и сопряженной с ними боковой поверхностью 9 полупроводникового элемента 5. Полость 6 сообщается с камерой сгорания (на чертеже не показана) через центральное отверстие 10 бокового электрода 2. Центральный электрод 4 выступает в полость 6. Рабочие поверхности 7 и 8 и боковая поверхности 9 выполнены коническими, причем поверхности 7 и 8 образуют суженный в сторону центрального отверстия 10 кольцевой зазор 11. В центральном электроде имеется канал 12 для подвода плазмообразующего воздуха, который имеет несколько выходов 13 на конической поверхности центрального электрода.
Свеча зажигания работает следующим образом. При подаче напряжения на электроды 2 и 4 возникает электрическое поле, силовые линии которого концентрируются на острие центрального электрода 4. Одновременно происходит нагрев и испарение полупроводникового материала, что приводит к ионизации междуэлектродного промежутка вдоль боковой поверхности 9 полупроводникового элемента 5 и его пробою. Так как максимальная концентрация силовых линий приходится на конец центрального электрода, то разряд, возникающий вдоль поверхности полупроводника, смещается на конец центрального электрода. В результате такого перемещения разряда от поверхности полупроводника значительно уменьшается износ полупроводникового материала. Перемещению разряда способствует и сужение кольцевого зазора от поверхности полупроводника к острию центрального электрода.
После пробоя свечи между электродами образуется электрическая дуга, которая выдувается плазмообразующим воздухом из центрального отверстия 10.
Данное техническое решение позволяет объединить в одной свече преимущества плазменных и полупроводниковых свечей. Наличие полупроводникового элемента 5 делает независимым пробивное напряжение свечи от давления, а канал 12 с выходами 13 обеспечивает выдувание длительного дугового разряда за пределы центрального отверстия 10. В данном случае полупроводниковый элемент не контактирует с электрической дугой, что снижает его износ.
Таким образом, заявляемое изобретение объединяет в одной свече преимущества плазменных и полупроводниковых свечей; пробивное напряжение свечи не зависит от давления, в свече может образовываться длительный дуговой разряд без существенного износа полупроводникового элемента, так как дуговой разряд не соприкасается непосредственно с полупроводниковым элементом.
Другие возможные варианты предлагаемого технического решения показаны на чертеже 2 и чертеже 3. Отличие чертежа 2 от чертежа 1 состоит в разном расположении каналов для протекания плазмообразующего воздуха. На чертеже 2 каналы 12 проходят через полупроводниковый материал, причем каналы расположены перпендикулярно поверхности полупроводникового материала между центральным и боковым электродами. Отличие чертежа 3 от чертежа 1 состоит в том, что каналы 12 для протекания плазмообразующего воздуха проходят через боковой электрод и выходят в полость между центральным и боковым электродами над поверхностью полупроводникового материала.
1. Плазменная полупроводниковая свеча зажигания, содержащая корпус с кольцевым боковым электродом, концентрично закрепленный в корпусе через изолятор центральный электрод и полупроводниковый элемент в виде кольца, соединенного с электродами, причем в свече выполнена полость, образованная рабочими поверхностями электродов и сопряженной с ними боковой поверхностью полупроводникового элемента и сообщенная через центральное отверстие бокового электрода с камерой сгорания, а центральный электрод выступает в полость, рабочие поверхности электродов и боковая поверхность полупроводникового элемента выполнены коническими с образованием суженного в сторону центрального отверстия бокового электрода кольцевого зазора, отличающаяся тем, что в центральном электроде имеется канал для подвода плазмообразующего воздуха, причем канал имеет несколько выходов на конической поверхности центрального электрода.
2. Плазменная полупроводниковая свеча зажигания по п.1, отличающаяся тем, что каналы для подвода плазмообразующего воздуха проходят через изолятор и полупроводниковый элемент, причем выходы каналов расположены на поверхности полупроводникового материала между центральным и боковыми электродами.
3. Плазменная полупроводниковая свеча зажигания по п.1, отличающаяся тем, что каналы для подвода плазмообразующего воздуха проходят через боковой электрод, причем выходы каналов расположены в полости между центральным и боковыми электродами над поверхностью полупроводникового материала.
www.findpatent.ru
Мир на колесах: Плазменные свечи зажигания
Автомобильный рынок не прекращает развиваться и для того, чтобы придумать более эффективную систему зажигания многие изобретатели работали не покладая рук. Изобретение усовершенствованного зажигания стало насущной потребностью, во многом, по причине того, что электрическое зажигание не может полностью воспламенить горючую смесь, то есть огромная часть топлива попросту «вылетает в трубу», что при нынешней стоимости топлива не может не расстраивать. Улучшить сложившуюся ситуацию могут лазерные или плазменные свечи.Впрочем, о не идеальности электрических свечей знали уже давно. Тем не менее, возможность сделать зажигание более эффективным появилась только с обнародованием новейших разработок, которые были предоставлены в этом году японско-румынской группой исследователей. Система лазерного зажигания, предоставленная данной интернациональной группой ученых, осуществила настоящую революцию в этой сфере.
В настоящее время группа разработчиков революционной лазерной системы зажигания ведет переговоры с концерном под названием «Denso» о широкомасштабном введении новинки в производство.
Тем временем, компания «Federal-Mogul» обнародовала результаты исследований собственных лабораторий – плазменные свечи зажигания. Известно, что название новинки «ACIS», что расшифровываться как «Передовая Система Коронарного Зажигания». Как отмечают сами разработчики системы «ACIS», плазменные свечи способны уменьшить расход топлива не менее, чем на десять процентов.
Система «ACIS» отличается от электрических свечей тем, что способна воспламенять горючую смесь не точечно, а на существенно большей площади.
Еще одним преимуществом плазменных свечей перед их электрическим аналогом является то, что высокая температура плазменного разряда способна заставить гореть даже весьма скудную смесь, которая на сегодняшний день довольно часто применяется в экономичных двигателях.
Более того, при использовании плазменных свечей единовременно воспламеняется значительно большее количество топлива, что не только способствует существенной экономии, но также позволяет использовать всю высвобожденную энергию для движения поршня.
Разработчики данной системы уверены в том, что использование «ACIS» способно предотвращать детонацию, возникающую вследствие увеличения давления на воздушно-топливную смесь. Это также является плюсом плазменных свечей, так как известно, что чрезмерно частая детонация, в конечном итоге, может спровоцировать повреждение шатунно-поршневой системы транспортного средства. Секрет в том, что новая разработка ученых срабатывает очень быстро и детонация попросту не успевает произойти.
Еще одним несомненным плюсом системы «ACIS» можно назвать то, что она может продуктивно работать даже в условиях очень высокого давления. Ученые подчеркивают, что, если ранее повышение давления тормозилось из-за детонации, то новые плазменные свечи помогут достичь давления в 14:01, и это в самом обычном автомобильном моторе. В моторах же с турбонаддувом этот показатель может достигать 12:01.
В настоящее время дальнейшее исследование новейшей разработки «ACIS» продолжается совместно с несколькими мировыми автопроизводителями. В концерне «Federal-Mogul» полагают, что спустя некоторое время ДВС, спускаемые с конвейера, уже будут оснащены их новой разработкой - плазменной системой "ACIS".
Пока же плазменные свечи создаются так, чтобы любой автомобилист мог самостоятельно заменить электронные свечи на их усовершенствованный плазменный аналог, и по достоинству оценить все преимущества новейшей технологии «ACIS».
carwheelblog.blogspot.com
Плазменное зажигание - Плазменные свечи зажигания - Каталог статей
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.
ldsto.ru
ПЛАЗМЕННАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ
Изобретение относится к электротехнике, в частности к свечам зажигания в составе плазменных систем зажигания, применяемых для розжига горючих смесей в камерах сгорания газотурбинных двигателей, газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов и энергетических установок.
Известны плазменные свечи зажигания с воздушным искровым промежутком, в которых через полость свечи протекает плазмообразующий газ (воздух). При этом образующаяся электрическая дуга между электродами выдувается за пределы искрового зазора. (Романовский Г.Ф., Матвеев И.Б., Сербия С.И. Плазменные системы газоперекачивающих агрегатов. - СПб.: Недра, 1992. - 142 с; Патент РФ №74523, H01T 13/00 от 27.06.2008; Патент РФ №94070, H01T 13/00 от 10.05.2010). Пробой свечи обеспечивает осциллятор, входящий в состав плазменной системы зажигания. При повышении давления в камере сгорания напряжение на выходе осциллятора может оказаться недостаточным для пробоя искрового промежутка плазменной свечи, что приведет к отказу системы зажигания.
К недостаткам плазменных свечей относится зависимость пробивного напряжения воздушного искрового промежутка от давления в соответствии с законом Пашена.
Известны также полупроводниковые свечи, в зазоре которых между центральным и боковым электродами расположен полупроводниковый элемент. (Патент РФ №2063098, H01T 13/52 от 27.06.1996; Патент РФ №2029196, F23Q 3/00 от 20.02.1995; Патент РФ №51793, H01T 13/02 от 27.02.2006). В полупроводниковых свечах в отличие от плазменных пробивное напряжение искрового промежутка практически не зависит от давления в силу специфического механизма развития разряда. (Электрооборудование летательных аппаратов: в 2-х т. Т. 2: Элементы и системы электрооборудования - приемники электрической энергии / С.А. Грузков [и др.]. - 2008. - 552 с.).
К недостаткам полупроводниковых свечей относится сравнительно низкий ресурс работы, так как полупроводник выгорает под действием длительного искрового разряда. Полупроводниковые свечи по своим функциональным возможностям неприменимы в качестве свечей для плазменных систем зажигания, так как в них не предусмотрен канал для прохождения плазмообразующего воздуха.
Наиболее близким изобретением к предлагаемому является свеча зажигания (АС СССР №1688340, H01T 13/50 от 30.10.1991). В этой свече зажигания для уменьшения износа полупроводникового элемента под действием искрового разряда рабочие поверхности бокового и центрального электродов и боковая поверхность полупроводникового элемента выполнены коническими с образованием суженного в сторону центрального отверстия бокового электрода кольцевого зазора. В результате такого конструктивного решения искровой разряд удален от поверхности полупроводникового элемента, что приводит к уменьшению его износа.
Недостатком этой свечи зажигания является то, что по своим функциональным возможностям она неприменима в качестве свечи для плазменных систем зажигания, так как в ней отсутствует канал для прохождения плазмообразующего воздуха.
Задача изобретения - создание плазменной полупроводниковой свечи зажигания, обладающей возможностями и преимуществами полупроводниковых и плазменных свечей зажигания.
Технический результат: увеличивается ресурс работы свечи зажигания, пробивное напряжение свечи зажигания не зависит от давления.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемой плазменной полупроводниковой свече зажигания, содержащей корпус с кольцевым боковым электродом, концентрично закрепленный в корпусе через изолятор центральный электрод и полупроводниковый элемент в виде кольца, соединенного с электродами, причем в свече выполнена полость, образованная рабочими поверхностями электродов и сопряженной с ними боковой поверхностью полупроводникового элемента и сообщенная через центральное отверстие бокового электрода с камерой сгорания, а центральный электрод выступает в полость, рабочие поверхности электродов и боковая поверхность полупроводникового элемента выполнены коническими с образованием суженного в сторону центрального отверстия бокового электрода кольцевого зазора, в отличие от прототипа в центральном электроде имеется канал для подвода плазмообразующего воздуха, причем канал имеет несколько выходов на конической поверхности центрального электрода.
Кроме того, в плазменной полупроводниковой свече зажигания в отличие от прототипа каналы для подвода плазмообразующего воздуха проходят через изолятор и полупроводниковый элемент, причем выходы каналов расположены на поверхности полупроводникового материала между центральным и боковыми электродами.
Кроме того, в плазменной полупроводниковой свече зажигания в отличие от прототипа каналы для подвода плазмообразующего воздуха проходят через боковой электрод, причем выходы каналов расположены в полости между центральным и боковыми электродами над поверхностью полупроводникового материала.
Существо изобретения поясняется чертежом 1, где изображена конструкция предлагаемой плазменной полупроводниковой свечи зажигания.
Свеча зажигания содержит корпус 1 с кольцевым боковым электродом 2. В корпусе 1 концентрично электроду 2 через изолятор 3 закреплен центральный электрод 4. Между электродами 2 и 4 размещен полупроводниковый элемент 5, выполненный в виде кольца и соединенный с электродами 2 и 4. В свече выполнена полость 6, образованная рабочими поверхностями 7 и 8 соответственно бокового электрода 2 и центрального электрода 4 и сопряженной с ними боковой поверхностью 9 полупроводникового элемента 5. Полость 6 сообщается с камерой сгорания (на чертеже не показана) через центральное отверстие 10 бокового электрода 2. Центральный электрод 4 выступает в полость 6. Рабочие поверхности 7 и 8 и боковая поверхности 9 выполнены коническими, причем поверхности 7 и 8 образуют суженный в сторону центрального отверстия 10 кольцевой зазор 11. В центральном электроде имеется канал 12 для подвода плазмообразующего воздуха, который имеет несколько выходов 13 на конической поверхности центрального электрода.
Свеча зажигания работает следующим образом. При подаче напряжения на электроды 2 и 4 возникает электрическое поле, силовые линии которого концентрируются на острие центрального электрода 4. Одновременно происходит нагрев и испарение полупроводникового материала, что приводит к ионизации междуэлектродного промежутка вдоль боковой поверхности 9 полупроводникового элемента 5 и его пробою. Так как максимальная концентрация силовых линий приходится на конец центрального электрода, то разряд, возникающий вдоль поверхности полупроводника, смещается на конец центрального электрода. В результате такого перемещения разряда от поверхности полупроводника значительно уменьшается износ полупроводникового материала. Перемещению разряда способствует и сужение кольцевого зазора от поверхности полупроводника к острию центрального электрода.
После пробоя свечи между электродами образуется электрическая дуга, которая выдувается плазмообразующим воздухом из центрального отверстия 10.
Данное техническое решение позволяет объединить в одной свече преимущества плазменных и полупроводниковых свечей. Наличие полупроводникового элемента 5 делает независимым пробивное напряжение свечи от давления, а канал 12 с выходами 13 обеспечивает выдувание длительного дугового разряда за пределы центрального отверстия 10. В данном случае полупроводниковый элемент не контактирует с электрической дугой, что снижает его износ.
Таким образом, заявляемое изобретение объединяет в одной свече преимущества плазменных и полупроводниковых свечей; пробивное напряжение свечи не зависит от давления, в свече может образовываться длительный дуговой разряд без существенного износа полупроводникового элемента, так как дуговой разряд не соприкасается непосредственно с полупроводниковым элементом.
Другие возможные варианты предлагаемого технического решения показаны на чертеже 2 и чертеже 3. Отличие чертежа 2 от чертежа 1 состоит в разном расположении каналов для протекания плазмообразующего воздуха. На чертеже 2 каналы 12 проходят через полупроводниковый материал, причем каналы расположены перпендикулярно поверхности полупроводникового материала между центральным и боковым электродами. Отличие чертежа 3 от чертежа 1 состоит в том, что каналы 12 для протекания плазмообразующего воздуха проходят через боковой электрод и выходят в полость между центральным и боковым электродами над поверхностью полупроводникового материала.
edrid.ru
