СПОСОБ ИСКРОВОГО ЗАЖИГАНИЯ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ
FUEL MIXTURE SPARK IGNITION METHOD

Изобретение относится к тепловым двигателям с искровым зажиганием горючей смеси, в частности к способам искрового зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания.
Изобретение может быть использовано в искровых системах зажигания двигателей внутреннего сгорания автомобилей.
Известны способы зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания автомобилей путем создания в искровом промежутке свечи зажигания искры, продолжительной искры с повышенной энергией, последовательности искр, высокочастотной искры и др.
В патенте РФ №2171909 Тарасов П.А. предлагает увеличить длительность искры до нескольких миллисекунд путем введения последовательного "LC" контура, включенного параллельно свече зажигания. Автор считает, что при этом увеличится объем плазмы. В авторском свидетельстве СССР №1746048 Шпади А.Л. и др. предлагают формировать плазму путем подачи на свечу зажигания двух импульсов.
Основным недостатком всех известных способов и систем зажигания является то, что все они создавали в свече зажигания искру с очень маленьким током. В современных системах зажигания ([1] рис.15) ток искры не превышает 0,2 А. В [1] стр.38 написано: "Искра нагревает некоторое небольшое по объему количество смеси до температуры воспламенения". Такая искра не обеспечивает эффективного зажигания горючей смеси, и смесь в двигателе сгорает не полностью.
Наиболее близким к предлагаемому способу зажигания является патент РФ №2339839 «Способ искрового зажигания горючей смесив (прототип способа).
В прототипе горючую смесь зажигают искрой с выбранным необходимым значением силы тока искры, причем необходимое значение силы тока искры предварительно выбирают путем последовательного выбора величины искрового промежутка разрядника и величины сопротивления высоковольтных проводов, из условия снижения содержания вредных веществ в составе выхлопных газов, снижения расхода топлива и повышения мощности двигателя внутреннего сгорания.
Недостатком прототипа является то, что для выполнения поставленной задачи выбирают только ток искры.
Дело в том, что эффективность зажигания горючей смеси зависит, кроме тока искры, еще от длины искры и его длительности.
Поэтому необходимо выбирать силу тока, длину и длительность искры.
Целью изобретения является обеспечение полного сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, значительное снижение содержания вредных веществ в выхлопных газах, снижение потребления топлива и повышение мощности двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что горючую смесь зажигают искрой с выбранными необходимыми значениями силы тока, длины и длительности искрового разряда, причем необходимые значения силы тока, длины и длительности искры предварительно выбирают из условия выполнения требуемых снижения содержания вредных веществ в составе выхлопных газов, снижения расхода топлива и повышения мощности двигателя внутреннего сгорания.
Длина искры равна величине зазора между электродами свечи зажигания.
Таким способом выбирают, по сути, энергию искры. Однако ток, длина и длительность искры по-разному влияют на эффективность зажигания горючей смеси. Поэтому эти параметры искры нужно выбирать по отдельности.
Выбранное для реализации предлагаемого способа устройство зажигания построено на основе патентов РФ №2107184 и №2151321.
Чертежи устройства для реализации предлагаемого способа приведены на Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3. На чертежах приняты следующие обозначения элементов устройства:
1. Блок электронного зажигания
2. Первичная обмотка
3. Катушка зажигания
4. Вторичная обмотка
5. Первый электрод
6. Разрядник
7. Второй электрод
8. Распределитель зажигания
9. Резистор
10. Центральный электрод
11. Свеча зажигания
12. Боковой электрод
13. Конденсатор
14. Высоковольтный провод
15. Высоковольтный провод
16. Высоковольтный провод
17. Паразитная емкость
18. Диод
19. Высоковольтный конденсатор
Блок электронного зажигания 1 (Фиг.1) соединен с первичной обмоткой 2 катушки зажигания 3, которая содержит также вторичную обмотку 4. Высоковольтный выход вторичной обмотки 4 соединен с первым электродом 5 разрядника 6. Второй электрод 7 разрядника 6 соединен с распределителем зажигания 8 с резистором 9. Распределитель зажигания 8 соединен с центральным электродом 10 свечи зажигания 11. Боковой электрод 12 свечи зажигания 11 соединен через конденсатор 13 с низковольтным выходом вторичной обмотки 4 катушки зажигания 3. Высоковольтные провода 14, 15 и 16 соединяют, соответственно, высоковольтный выход вторичной обмотки 4 с первым электродом 5 разрядника 6, второй электрод 7 с распределителем зажигания 8 и распределитель зажигания 8 с центральным электродом 10 свечи зажигания 11. Паразитная емкость 17 вторичной обмотки 4 соединена параллельно вторичной обмотке 4.
На Фиг.2 боковой электрод 12 соединен с низковольтным выходом вторичной обмотки 4 катушки зажигания 3 непосредственно.
На Фиг.3 введены диод 18 и высоковольтный конденсатор 19. Высоковольтный выход вторичной обмотки 4 соединен с диодом 18, конденсатор 19 включен между выходом диода 18 и низковольтным выходом вторичной обмотки 4. Выход диода 18 соединен с первым электродом 5 разрядника 6.
Предлагаемый способ может быть реализован с применением описанного выше устройства следующим образом.
Перепад напряжения с выхода блока электронного зажигания 1 (Фиг.1) подают на первичную обмотку 2 катушки зажигания 3, который индуктирует на вторичной обмотке 4 высоковольтный импульс напряжения. С высоковольтного выхода вторичной обмотки 4 высоковольтный импульс напряжения подают на первый электрод 5 разрядника 6. Между первым 5 и вторым 7 электродами разрядника 6 возникает электрический разряд. Ток разряда с высоким напряжением со второго электрода 7 подают через распределитель зажигания 8, с резистором 9, на центральный электрод 10 свечи зажигания 11. В искровом промежутке свечи зажигания 11, образованном между центральным 10 и боковым 12 электродами, также возникает электрический разряд. Импульсный ток разряда с бокового электрода 12 возвращают на вторичную обмотку 4 через конденсатор 13.
Цепь, по которой проходит ток искры, состоит из высоковольтных проводов 14, 15, 16, разрядника 6, распределителя зажигания 8, свечи зажигания 11, конденсатора 13 и паразитной емкости 17 вторичной обмотки 4 катушки зажигания 3.
Дело в том, что по проводам вторичной обмотки 4, которая имеет значительное электрическое сопротивление и большую индуктивность, ток искры не может проходить, так как длительность импульса искры не превышает микросекунды. Ток искры проходит только через «паразитную» емкость 17 выхода вторичной обмотки 4.
В некоторых случаях, в зависимости от электрической схемы блока зажигания 1, ток искрового разряда от бокового электрода 12 возвращают на вторичную обмотку 4 по проводу (Фиг.2).
На Фиг.3 импульс напряжения с выхода вторичной обмотки 4 через диод 18 заряжает конденсатор 19 до высокого напряжения. Накопленный заряд конденсатора 19 позволяет увеличить энергию искры.
Последовательно включенный разрядник 6, позволяет увеличивать напряжение и ток искры. Путем увеличения величины искрового промежутка разрядника 6 можно увеличивать напряжение искры и до 25 кВ, и до 100 кВ и более. Происходит это потому, что напряжение на выходе вторичной обмотки 4 должно одновременно «пробить» и зазор между электродами свечи зажигания 11, и большой искровой промежуток разрядника 6.
В существующих системах зажигания, не имеющих разрядника, напряжение искры мало, т.к. маленький зазор свечи зажигания пробивается напряжением 6-10 кВ.
Средства, необходимые для осуществления выбора силы тока, длины и длительности искры следующие:
1. Для изменения напряжения искры и выбора необходимой величины тока искры должны быть изготовлены разрядники с различными параметрами. Параметры разрядника - это величина искрового промежутка, диаметры электродов, их форма и материал. Изготовить разрядники можно в соответствии с патентами РФ №2107184 и №2151321.
2. Для выбора необходимого сопротивления цепи разряда должны иметься высоковольтные провода с различными сопротивлениями (Фиг.1, 2, 3). В настоящее время имеется много видов высоковольтных проводов с различными величинами электрического сопротивления. В [1] стр.32 написано:
«Наши красные высоковольтные провода имеют распределенное сопротивление 2 кОм на метр длины… Для систем зажигания высокой энергии … применяют провода синего цвета… с распределенным сопротивлением 2,55 кОм… Зарубежные высоковольтные провода… величина распределенного сопротивления может быть в пределах 9-25 кОм… ». В действительности в продаже имеется значительно больше проводов с различными сопротивлениями. Имеются провода и с близкими к нулю сопротивлениями. Таким образом, для выбора величины тока искры имеется набор высоковольтных проводов с различными сопротивлениями.
3. Для выбора необходимого сопротивления цепи разряда в бегунок распределителя зажигания нужно устанавливать резисторы с различными величинами сопротивлений. В продаже имеются резисторы с любыми значениями сопротивлений. При необходимости можно замыкать резистор проводом.
4. Свечи зажигания должны быть без встроенных резисторов, с близкими к нулю сопротивлениями.
5. Для выбора необходимых параметров искры нужно использовать мощный промышленный источник высокого напряжения, обеспечивающий регулируемое выходное напряжение и энергию искры не менее 100 кВ и 1 кДж, соответственно.
6. Высоковольтный выход источника высокого напряжения соединяют с резистором, а другой провод (выход) резистора через конденсатор соединен с выходом источника с нулевым потенциалом. Выходом источника с изменяемой энергией искры является общая точка соединения резистора с конденсатором. Энергию искрового разряда изменяют путем соответствующего выбора параметров резистора и конденсатора.
7. Длину искры изменяют путем изменения зазора между электродами свечи.
Метод, процедура, алгоритм выбора необходимого тока, длины и длительности искры в свече зажигания следующий:
1. Начальная длительность искры должна соответствовать энергии искры 50 мДж. Для этого на выходе источника высокого напряжения величины резистора и конденсатора выбирают из условия, чтобы начальная энергия искры составляла 50 мДж.
2. Начальная длина искры должна быть равна 0,5 мм.
3. Начальное напряжение на выходе источника высокого напряжения с изменяемой энергией искры устанавливают 25 кВ.
4. Начальный ток искры, измеренный по приборам или рассчитанный по напряжению искры и сопротивлению цепи разряда, должен быть около 1 А.
5. Проверяют полученные характеристики двигателя, а именно уровень вредных выбросов двигателя, его мощность и экономичность.
6. Если характеристики двигателя не удовлетворительны, выбором высокого напряжения источника, параметров разрядника и цепи разряда последовательно увеличивают ток искры, проверяя характеристики двигателя для каждого значения тока искры, пока не будут получены требуемые характеристики двигателя. Для увеличения тока искры повышают напряжение источника, увеличивают искровой промежуток разрядника, уменьшают сопротивление цепи разряда, уменьшают сопротивление разрядника соответствующим выбором диаметра, формы и материала электродов.
7. Если требуемые характеристики двигателя получить не удается, то последовательно увеличивают длину искры, повторяя всю процедуру выбора по пп.5-6 для каждого значения длины искры, пока не будут получены требуемые характеристики двигателя.
8. Если требуемые характеристики двигателя все еще получить не удается, то выбором параметров резистора и конденсатора, на выходе источника высокого напряжения с изменяемой энергией искры, последовательно увеличивают длительность искры, повторяя всю процедуру выбора по пп.5-7 для каждого значения длительности искры, пока не будут получены требуемые характеристики двигателя.
Описанную выше процедуру выбора производят на специализированном стенде, предназначенном для измерений уровня вредных выбросов, расхода топлива и мощности двигателя автомобиля. Например, в НАМИ или МАДИ.
На этом же стенде измеряют полученные необходимые значения тока, длины и длительности искры.
Кардинальное улучшение характеристик двигателя наступает, когда выбранные значения тока искры достигают значений, сравнимых или даже больших тока молнии. Это примерно в 10000000 раз больше тока искры в современных автомобилях. При таких больших токах искра испускает мощнейшие световые и другие излучения, которые поджигают горючую смесь во всем объеме камеры сгорания.
Изобретение позволяет существенно экономить горючее, повысить мощность двигателя автомобиля, практически полностью устранить почти все вредные выбросы.
Выбранные значения тока, длины и длительности искры могут быть использованы для создания и массового промышленного производства эффективных систем зажигания.
Использование изобретения в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием позволит существенно уменьшить ядовитые выбросы, значительно экономить топливо и увеличить мощность двигателя.
Источники информации
1. Росс Твег. Системы зажигания легковых автомобилей. М., «За рулем» 1997 г.