СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF DISCHARGE VOLTAGE REDUCTION IN IGNITION SYSTEMS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к системам зажигания двигателей внутреннего сгорания с индукционным и емкостным накоплением энергии и может использоваться в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Для существенного улучшения параметров двигателей внутреннего сгорания необходимо значительно увеличить энергию искрового разряда. Так как оптимальное время разряда 1,2-1,6 мс, то это возможно только увеличением мощности разряда.
Известно устройство электронного зажигания, обеспечивающее лучшие условия воспламенения путем увеличения мощности электрической искры зажигания (см. SU 1838664, 30.08.1993).
Известна система плазменного зажигания (см. RU 200465 С1, 09.07.1993), имеющая повышенную мощность разряда, с ионизацией искрового промежутка свечи зажигания.
При использовании плазменного зажигания развиваются температуры до 4000°С в достаточно большом объеме. При этом создается множество очагов воспламенения, отпадают проблемы детонации и степень сжатия можно повысить (повышаются мощность, КПД и экономичность двигателя, уменьшается время задержки воспламенения топлива). Возможно воспламенение бедных смесей с соотношением воздух - топливо 27, что позволяет перейти к качественному регулированию мощности двигателя (объемом подаваемого топлива). Плазменное зажигание улучшает работу двигателя особенно на частичных нагрузках, и расход топлива может быть таким же, как у дизеля. Однако для значительного улучшения перечисленных параметров необходимо дальнейшее существенное повышение средней мощности разряда, для чего необходимо решить две проблемы, кардинально не решенных в настоящее время.
1) Повышение мощности выделяемой в искровом разряде за счет увеличения искрового промежутка (решается данным изобретением) и/или повышение мощности путем увеличения тока разряда (ограничено квадратичной зависимостью от тока энергии, теряемой на сопротивлении высоковольтной цепи, имеющего в обычных системах зажигания значение 12000-40000 и более Ом, при этом напряжение горения дугового разряда при токе дугового разряда более 0,1 А имеет «падающую» характеристику, что значительно снижает КПД искрового разряда, например при среднем токе разряда всего 2 А и сопротивлении высоковольтной цепи 15000 Ом. мощность потерь на нем составит 60000 Вт и примерно 600 Вт будет средняя мощность в искровом разряде, поэтому в системах зажигания используются малоэффективные токи тлеющего разряда не более 0,15 А).
2) Из-за ограничений по габаритам и материалу сердечника катушки зажигания (магнитное насыщение сердечника) невозможно накопить или трансформировать значительную мощность и энергию.
Предлагаемый способ совместно со способом снижения потерь энергии в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания способны кардинально решить эти проблемы, позволяя получить практически любую мощность и длительность искрового разряда (ограничение в основном по возможностям источника питания).
Увеличение искрового промежутка требует большего пробивного напряжения и, следовательно, большей энергии (квадратичная зависимость от роста пробивного напряжения) для его достижения (при этом получается емкостный разряд большей энергии, но емкостный разряд не эффективен для воспламенения смеси из-за его малой длительности, кроме того, увеличиваются радиопомехи и износ контактов свечи), а также ограничено диэлектрической прочностью высоковольтной цепи и в настоящее время кардинально не решено.
Задача изобретения - снизить пробивное напряжение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, вплоть до 8-10 раз.
Основные признаки способа. До момента зажигания, когда ниже давление, а следовательно и пробивное напряжение, включается серия искровых разрядов. Энергия разряда должна быть достаточна, чтобы пробить искровой промежуток, а частота следования разрядов должна поддерживать, за счет остаточной ионизации, его в таком состоянии, чтобы напряжение пробоя каждого последующего разряда было ниже предельно допустимого для данной системы зажигания, несмотря на повышение давления. Длительность и энергия искровых разрядов должна быть недостаточной для воспламенения топливной смеси. В момент зажигания энергия искры увеличивается до величины, достаточной для воспламенения топливной смеси.
Воспламенение топливной смеси происходит при выполнении двух условий.
Первое: энергия и длительность электрического разряда должны быть достаточны для газификации смеси (испарение капель топлива и перемешивание паров топлива с воздухом) и нагрева объема топливной смеси, имевшей контакт с искрой, до температуры воспламенения. На это требуется не только определенная энергия искрового разряда, но и его длительность. Данный параметр зависит от степени газификации смеси, ее температуры, давления и ионизации, типа применяемого топлива (например, для воспламенения водорода требуется незначительная энергия электрического разряда).
Второе: скорость выделения тепловой энергии, выделяемой воспламененным электрическим разрядом топлива, должна быть больше скорости роста потерь на охлаждение и газификацию топлива. Данный параметр зависит от теплотворной способности применяемого топлива, степени его газификации, степени обеднения топлива (чем больше избыток воздуха, тем больше потерь энергии на его нагрев), температуры, давления, степени ионизации и озонирования топливной смеси, от количества топлива воспламененного искровым разрядом (чем больше топлива воспламененного электрическим разрядом, тем больше скорость роста тепловой энергии и больше вероятность воспламенения всей топливной смеси). Количество воспламеняемого топлива зависит: от соотношения топливо/воздух (уменьшается при обеднении смеси); от количества топлива в единице объема (растет при сжатии смеси); от объема воспламененного электрическим разрядом топлива (зависит от объема искрового разряда и скорости обдува его турбулентными потоками топливной смеси в цилиндре). Объем искрового разряда зависит от: диаметра искры (пропорционален силе тока разряда); длины искрового разряда (зависит от искрового промежутка в свече зажигания, значительно увеличивается при обдуве искры и зависит от времени воздействия турбулентных потоков, обдувающих искру, и их скорости). Минимальная энергия и длительность электрического разряда, необходимые для воспламенения всей топливной смеси, с приближением к верхней «мертвой» точке, когда температура и давление смеси близки к условию самовоспламенения, снижается вплоть до значения менее 1 мДж. Наименьшая энергия и длительность разряда используются в тиристорных системах зажигания в двухтактных двигателях мотоциклов и мопедов 30-40 мкс, 1,9-2,1 мДж. Малая длительность и энергия разряда компенсируется использованием «богатых» смесей. При уменьшении длительности искрового разряда растет минимальная энергия, необходимая для воспламенения топливной смеси, и при значительном уменьшении длительности разряда энергия индуктивной фазы может быть значительно больше 1 мДж.
Энергия искрового разряда состоит из емкостного (разряд емкости высоковольтной цепи Св - сумма емкостей высоковольтной обмотки зажигания, высоковольтных проводов и высоковольтного распределителя, емкости свечи, заряженной до напряжения пробоя) и индуктивного разрядов. Длительность емкостного разряда, примерно 1 мкс (без сопротивления от радиопомех и обычной емкости высоковольтной цепи), поэтому, несмотря на большую мощность, недостаточна для воспламенения смеси. Так как на емкостный разряд тратится только часть запасенной энергии (зависит от коэффициента запаса по вторичному напряжению Кз - соотношение максимального напряжения развиваемого катушкой зажигания к напряжению пробоя искрового промежутка, обычно равно 1,5), оставшаяся основная часть энергии выделяется в виде индуктивного разряда. Длительность индуктивного разряда на два-три порядка больше емкостного (возрастает при увеличении энергии, запасенной в катушке зажигания и индуктивности высоковольтной обмотки катушки зажигания, уменьшается при увеличении мощности разряда, увеличении длины искрового зазора).
Уменьшить длительность и энергию индуктивной фазы разряда можно несколькими способами, аналогичными применяемым в системах зажигания с индуктивным или емкостным накоплением энергии, но направленными не на увеличение, а на уменьшение длительности и энергии электрического разряда.
Возможно:
Уменьшением до минимума коэффициент запаса напряжения Кз, то есть уменьшить до минимума запасенную энергию в индуктивности или в емкости в тиристорных схемах (потребуется сложное устройство расчета необходимой запасаемой энергии для достижения пробивного напряжения на различных режимах работы двигателя).
Ограничением времени и энергии индуктивной фазы разряда коммутирующими устройствами. Во время емкостного разряда в высоковольтной цепи резко возрастает ток, по своему значению превышающий ток, проходящий по сопротивлению нагара, что можно использовать как управляющий сигнал для повторного открытия коммутирующего транзистора в системах с индукционным накоплением энергии или, наоборот, запирания коммутирующего устройства в системах с емкостным накоплением энергии. Если во время разряда в системах зажигания с индукционным накоплением энергии открыть коммутирующий транзистор - замедляется, а затем и меняется направление изменения магнитного потока, и разряд прекращается. В системах с емкостным накоплением энергии при прерывании разряда накопительного конденсатора на первичную обмотку коммутирующим устройством (например, IGBT транзистором) также ограничиваются длительность и энергия индуктивного разряда. Этим способом можно получать очень малую энергию и длительность индуктивного разряда, соизмеримую с длительностью емкостного разряда. Сигнал для срабатывания коммутирующих устройств также можно получить от устройства, учитывающего время, необходимое для получения пробивного или желаемого напряжения. В системах с индукционным накоплением энергии во время емкостного разряда напряжение коллектор-эммитер на коммутирующем транзисторе снижается с 300-400 В практически до напряжения источника питания, что также может использоваться как сигнал для ограничения времени и энергии индуктивного разряда.
Использованием в тиристорных системах зажигания режима с частичной передачей энергии (на схеме фиг.1 катод диода VD1, подключенного к точке В(п), подключить к точке а или исключить этот диод из схемы), при этом энергия и время разряда существенно сокращаются, ограничиваясь первой полуволной разряда.
Уменьшением индуктивности обмоток катушки зажигания, при этом уменьшается длительность разряда, снижается собственная емкость высоковольтной обмотки и, следовательно, необходимая величина запасенной энергии для достижения пробивного напряжения, возрастает скорость роста высокого напряжения и, следовательно, снижаются потери на сопротивлении нагара.
Использованием электрических разрядов, полученных с помощью пьезоэлектрического эффекта. Одиночные разряды малой энергии и длительности (мала емкость пьезоэлемента) пробивают искровой промежуток и поддерживают его в «пробитом» состоянии, в момент зажигания увеличивается частота разрядов для получения необходимой энергии воспламенения.
Возможны и другие способы ограничения энергии и длительности искрового разряда, а также их различные комбинации.
Во время искрового разряда, уже на стадии емкостного разряда в искровом промежутке, происходит сильная ионизация, за счет чего проводимость искрового промежутка резко возрастает. Напряжение горения тлеющего разряда Uтл (ток от 10 мкА до 100000 мкА, режим индуктивной фазы горения обычно используемый в системах зажигания) практически постоянно и мало зависит от давления. Uтл=Uk+Е·q, где Uk=220-330 В - катодное падение напряжения, Е = 100 В/мм - напряженность поля в положительном столбе, q - расстояние между электродами. Расчетное напряжение горения искры при искровом зазоре 0,7-0,8 мм 400-410 В, реальное 900 В, то есть удлинение искры за счет обдува более 8 раз. Однако при малой длительности искрового разряда (искра не успеет увеличить свои линейные размеры) напряжение тлеющего горения искры будет близко к расчетному и при 7-8 мм зазоре будет незначительно больше 1100 В. После окончания разряда проводимость искрового промежутка падает (скорость падения проводимости зависит от степени ионизации, влажности, температуры, скорости вихревых потоков) за счет рекомбинации ионов и их уноса воздушными потоками. Если за паузу между разрядами снижение проводимости будет таким, что сопротивление искрового промежутка возрастет, например, при зазоре в 7 мм, с тысяч Ом, при тлеющем разряде, или с десятков Ом при дуговом разряде, не более чем до 100 МОм, то при достижении напряжения незначительно большем 1100 В сохранятся условия горения тлеющего разряда (ток не менее 10 мкА). При большей паузе между разрядами и, соответственно, большем падении проводимости условия тлеющего разряда не сохраняются и напряжение пробоя будет зависеть от степени остаточной ионизации искрового промежутка, температуры и давления. Таким образом, регулируя длительность паузы между разрядами можно добиться, чтобы напряжение пробоя каждого последующего разряда было ниже предельно допустимого для данной системы зажигания, несмотря на повышение давления (подбирается опытным или расчетным путем - зависит от режимов работы двигателя, его конструкции, температуры, степени сжатия и т.д.).
Как было указано выше, энергия и длительность разряда, необходимые для воспламенения топливной смеси, возрастают при более раннем зажигании. Например, во время такта всасывания требуются очень большая энергия и длительность разряда - малы температура, давление, количество углеводородов в единице объема топливной смеси, скорость обдува искры, поэтому первый разряд, имеющий относительно большую энергию, необходимую для достижения пробивного напряжения, например 24000 В, не способен воспламенить топливную смесь. Последующие разряды могут иметь меньшие напряжения пробоя, вплоть до сохранения условий тлеющего разряда, а следовательно, и меньшую длительность и энергию разряда (энергия необходимая для пробоя искрового промежутка квадратична напряжению пробоя). При зазоре в 7 мм и атмосферном давлении пробивное напряжение примерно 21000 В, а напряжение тлеющего разряда порядка 1100 В. Следовательно, энергия разряда, необходимая для поддержания искрового промежутка в проводящем состоянии тлеющего разряда, более 360 раз меньше, чем для первичного пробоя. Таким образом, длительность и энергия разрядов, поддерживающих проводимость искрового промежутка, может быть значительно меньше минимальной длительности и энергии, необходимой для воспламенения, несмотря на относительно высокую частоту следования разрядов. Малая энергия предварительных разрядов легко позволяет обычными устройствами, применяемыми в системах зажигания, обеспечить необходимую энергию разрядов, несмотря на их большую частоту следования, чем частота следования искровых разрядов зажигания.
Согласно экспериментальному закону Пашена величина пробивного напряжения для однородных полей прямо пропорциональна давлению смеси и расстоянию между электродами и обратно пропорциональна температуре смеси (оказывают влияние состав смеси, длительность и форма приложенного напряжения, полярность пробивного напряжения, материал электродов и условия работы двигателя). Так как серия предварительных разрядов может быть включена при давлении в цилиндре даже ниже атмосферного, во время такта всасывания, то и пробивное напряжение может быть в 8-10 и более раз ниже, чем в момент зажигания (зависит от степени сжатия, наличия наддува, температуры смеси, остаточной ионизации, режимов работы двигателя, используемого коэффициента запаса пробивного напряжения и т.д.). Таким образом, можно не только снизить пробивное напряжение, но и значительно увеличить расстояние между электродами свечи (например, проверку работоспособности зажигания проверяют при атмосферном давлении и температуре окружающей среды на искровом промежутке 7-10 мм, в то время как зазор в свече 0,7-0,8 мм), что позволяет увеличить площадь электрода подверженного электроэрозии, что увеличивает срок службы свечи (решение одной из проблем при использовании плазменного зажигания). Например, при искровом зазоре в 3 миллиметра электродом может быть не только вся площадь бокового электрода, но и корпус свечи. Увеличивается энергия, выделяемая в искре, без увеличения электроэрозии электродов свечи, снижается влияние увеличения пробивного напряжения из-за их износа и, следовательно, увеличения искрового промежутка (например, влияние увеличения на 0,1 мм искрового промежутка, из-за электроэрозии контактов свечи, при зазоре 0,7 мм и при 7 мм различны). До момента зажигания рабочая смесь серией разрядов возбуждается, ионизируется, что облегчает воспламенение и увеличивает скорость горения топлива.
В момент зажигания необходимо увеличить энергию единичного разряда или уменьшить время паузы между разрядами настолько, чтобы энергия разряда или разрядов была достаточной для эффективного воспламенения топливной смеси.
В качестве демонстрации возможности реализации данного способа предлагаются описание и схема на фиг.1 одного из возможных способов. Используется принцип значительного снижения индуктивности обмоток (W1, W2) катушки зажигания КЗ, позволяющий значительно уменьшить длительность и энергию индуктивной фазы разряда. В качестве источника пробивного напряжения использовалась самодельная катушка зажигания КЗ, намотанная в один слой (для получения наименьшей собственной емкости, простоты конструкции, отсутствия изоляции между слоями, повышения надежности, снижения стоимости), на кольцевом ферритовом сердечнике (для простоты конструкции и изготовления, снижения цены целесообразно использовать разборный сердечник) K45.0×28.0×12.0 марки 6000НМ, провод ПЭВ-1 диаметром 0,4 мм (обе обмотки). Первичная обмотка W1 - менее 2 витков (1,75 витка), вторичная высоковольтная W2 - 104 витка. Сопротивление W2 - менее 0,8 Ом. Использование такой катушки дает ряд преимуществ. Малые габариты и цена позволяют применить индивидуальные на каждый цилиндр катушки зажигания, расположенные непосредственно у свечи зажигания (так как предварительные разряды включаются раньше момента зажигания, то высоковольтный распределитель при обычных габаритах не обеспечит нормального распределения высоковольтных разрядов; использование двухвыводных катушек не целесообразно из-за повышенных потерь на больших искровых зазорах и в два раза большем износе контактов свечи). Отсутствие высоковольтного распределителя и, следовательно, потерь в его искровом зазоре, отсутствия его емкости, а также емкостей высоковольтных проводов при значительном снижении емкости высоковольтной обмотки (W2) КЗ, в разы снижают величину емкости высоковольтной цепи (Св) и, следовательно, необходимую энергию для достижения напряжения пробоя. В разы уменьшенная энергия и длительность емкостного разряда, отсутствие искрового зазора высоковольтного распределителя (неэкранированного источника радиопомех), малая длина излучающей помехи антенны (высоковольтного провода, соединяющего КЗ со свечей), значительно снижают радиопомехи, что позволяет исключить сопротивление от радиопомех (при этом уменьшаются потери энергии разряда, особенно значительно при использовании дуговых электрических разрядов), без применения экранирования (или незначительном экранировании). Большое уменьшение емкости высоковольтной цепи и особенно индуктивности W2 значительно повышает скорость роста высокого напряжения, значительно снижая потери энергии на шунтирующем сопротивлении нагара (но пробивное напряжение, при высокой скорости роста высокого напряжения, возрастет до 30%, что связано с соизмеримостью скорости роста напряжения и временем формирования искрового разряда). Ферритовый сердечник КЗ имеет малые гистерезисные потери энергии. Таким образом, энергия и длительность электрического разряда могут быть очень малыми. Однако необходимая энергия для достижения пробивного напряжения снижается в разы, в то же время индуктивности W1, W2 снижаются в сотни раз, что предъявляет повышенные требования к выходным коммутирующим устройствам (по величине коммутируемого тока и быстродействию) для получения необходимого пробивного напряжения. Особенно тяжелые условия для получения необходимого пробивного напряжения по коммутируемому току в системах с индуктивным накоплением энергии (, где U2m - максимальное напряжение, развиваемое высоковольтной обмоткой, при отсутствии утечек энергии, Iр - ток разрыва - для быстродействующих транзисторов, L1 - индуктивность низковольтной обмотки, Св - емкость высоковольтной цепи), кроме того, повышенные требования к источнику питания по обеспечению необходимой мощности. Так как энергия, запасаемая или трансформируемая в катушке зажигания, мала для воспламенения топливной смеси и значительно ее невозможно увеличить (ограничения по коммутируемому току и возможности сердечника катушки зажигания), для получения достаточной для эффективного воспламенения средней мощности и длительности разряда, необходимо в момент зажигания иметь источник питания с повышенным напряжением, например заряженный конденсатор, так как повышение энергии до значения, необходимого для эффективного воспламенения будет достигаться в основном повышением частоты следования разрядов (уменьшения паузы между ними), что повысит потери в коммутирующих устройствах, снизит надежность системы зажигания, повысит гистерезисные потери (незначительны при ферритовом сердечнике КЗ).
Для снижения гистерезисных и индукционных потерь в катушке зажигания, потерь в высоковольтной цепи и коммутаторе при реализации данного способа предпочтительно использовать способ снижения потерь энергии в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Принципиальное отличие способа снижения потерь энергии состоит в том, что необходимая энергии разряда подводится непосредственно в высоковольтную цепь, что исключает необходимость ее накопления или трансформирования катушкой зажигания. С этой целью последовательно W2 подключается источник энергии разряда, например заряженный конденсатор С2 (полярность практически не имеет значения), см. фиг.1. Задача катушки зажигания ограничивается в данном способе созданием пробивного напряжения и кратковременного снижения напряжения горения искры ниже напряжения заряда С2, при этом С2 начнет разряжаться через обмотку W2 в искровой промежуток. На это требуется небольшая длительность и энергия разряда КЗ при относительно большой мощности искрового разряда. Таким образом, можно существенно уменьшить индуктивность обмоток катушки зажигания, их сопротивление (значительно уменьшив количество витков обмоток и увеличив сечение провода высоковольтной обмотки W2, чем меньше ее сопротивление, тем выше эффективность данного способа, особенно при использовании дуговых разрядов) и емкость W2 (в качестве примера параметры катушки зажигания, описанной ранее). При отсутствии сопротивления от радиопомех (возможность его исключения описывалась ранее) величина потерь в искровом разряде будет зависеть только от омического сопротивления W2, проводов высоковольтной цепи (сердечник катушки зажигания при разряде С2 быстро выходит в режим насыщения, и индуктивность W2 незначительно влияет на скорость изменения тока разряда). Таким образом, требования к параметрам КЗ, их энергии и длительности разряда в обоих способах совпадают, что делает возможным их совместное использование. Совместное использование обоих способов кардинально решает проблему повышения мощности и энергии, выделяемой в искровом разряде. При совместном использовании обоих способов происходит взаимное улучшение их характеристик. Способ уменьшения потерь энергий позволяет получать в момент зажигания с высоким КПД электрический разряд очень большой мощности и энергии (вплоть до значений, в тысячи раз больших, чем в современных системах зажиганиях). Способ снижения пробивного напряжения за счет большей длины искрового промежутка уменьшает ток разряда, при этом увеличивает его длительность, уменьшает электроэрозию, снижает влияние увеличения искрового зазора из-за износа контактов свечи, позволяет увеличить площадь поверхности износа контактов свечи, повышая срок службы свечи, см. выше. Так как энергия индуктивного разряда КЗ практически не влияет на воспламеняющую способность топливной смеси, коэффициент запаса пробивного напряжения (Кз) можно снизить с 1,5 почти до 1,0, что позволит уменьшить максимальное напряжение, развиваемое КЗ (почти в 1,5 раза, что почти в 2,25 раза снижает необходимую энергию для достижения этого напряжения, позволяя еще больше уменьшить число витков обмоток, их сопротивление и емкость), или увеличить длину искрового промежутка.
При снижении напряжения заряда С2 требуется увеличение энергии разряда КЗ. При увеличении напряжения на С2 до значений, выше напряжения горения тлеющего разряда, требуется энергия разряда КЗ, достаточная только для пробоя искрового промежутка (при пробое как минимум создаются условия для тлеющего разряда), С2 при достаточной емкости обеспечит дуговой разряд. Однако чем больше напряжение С2, тем приходится квадратично от роста напряжения снижать его емкость. Это связано с ограничением по мощности источника повышенного напряжения, обеспечивающего заряд С2. Чем больше напряжение на С2, тем больше при прочих равных условиях дуговой ток разряда. С учетом нелинейной зависимости падения сопротивления при росте тока дугового разряда («падающая» характеристика) нелинейно уменьшается длительность искрового разряда. С учетом меньшей емкости С2 длительность разряда становится недостаточной для эффективного сгорания топливной смеси. Поэтому для получения более длительного искрового разряда с более высоким КПД выгодно уменьшить напряжение заряда С2 и пропорционально квадрату снижения напряжения увеличить емкость С2 (энергия конденсатора С2 останется неизменной).
При реализации изобретения, с использованием способа снижения потерь энергии, предпочтительнее использовать тиристорную схему зажигания, так как малая длительность и энергия индуктивной фазы разряда (более 4 раз меньше, чем в системах с индукционным накоплением энергии) в данном способе является достоинством, а не недостатком, а большая скорость роста высокого напряжения (примерно в 10 раз выше, чем с индукционным накоплением энергии, и, следовательно, меньшие потери на шунтирующем сопротивлении нагара), малая зависимость напряжения искрообразования от частоты разрядов улучшают параметры системы зажигания. Кроме того, величина высокого напряжения зависит только от напряжения на накопительном конденсаторе, коэффициента трансформации и соотношений емкостей низковольтной и высоковольтной цепей. Появляется возможность использования катушки зажигания с очень малыми индуктивностью, собственной емкостью, объемом сердечника, числом витков и сопротивлением обмоток.
На схеме фиг.1 изображена одна из возможных схем реализации предлагаемого способа. Стандартная тиристорная схема зажигания со статическим распределением высоковольтной энергии имеет несколько индивидуальных на каждую свечу катушек зажигания К3(n), изображена одна. Один вывод первичных обмоток которых подключен к накопительному конденсатору С1, точка а, а второй - к индивидуальным (на каждую КЗ) тиристорам VD(n) (тиристоры VD(n) - КУ221А: 700 В, 3,2А, ударный ток до 100 A, di/dt - 1150 А/мкс, при такой малой индуктивности W1 требуется высокая скорость открывания тиристора, du/dt - 500 В/мкс), точка В(n), изображен один. Схема отличается наличием дополнительного конденсатора С2 (основной источник энергии искрового разряда), включенного последовательно высоковольтным обмоткам катушек зажигания, точка с. В макетных испытаниях С1 имел следующие параметры - емкость от 0,1 до 0,45 мкФ при напряжении 612-640 В С2 0,05-1100 мкФ и напряжение 375-640 В. Конденсаторы С1 и С2 заряжаются источником повышенного напряжения с непрерывным накоплением энергии, на схеме не изображен. Длина искрового промежутка - 11 мм. Диод VD1 обеспечивает режим полной передачи энергии в первичную обмотку зажигания. Сопротивления защиты от радиопомех отсутствуют (возможность исключения резистора защиты от радиопомех рассматривалась выше).
При открывании тиристора VD(n) и разряде С1 - 0,45 мкФ с напряжением 612-640 В в обмотку W1, в высоковольтной вторичной цепи после пробоя проходит ток с периодом колебаний 5 мкс и максимальным током в первой полуволне примерно 31-34 А (см. фиг.2, в первые десять мкс проходит два периода колебаний). При С2 5 мкФ. и напряжении 612-640 В происходит дуговой разряд С2 до 171,4 А, длительностью 127 мкс (КПД примерно 30%, энергия, выделяемая в искре примерно 0.3 Дж). На фото фиг.3 и 4 в масштабе 1: 1 (в натуральную величину) для сравнения эффективности показаны разряды с одновременным использованием указанных способов, при указанных параметрах (фиг.3), и разряд катушки зажигания Б 115В с сопротивлением от радиопомех - 15000 Ом, параметры С1 аналогичные (фиг.4). Энергия разряда на фиг.3 примерно в 11 раз больше, чем на фиг.4, однако полученный объем плазмы примерно в 104 раза больший, при этом и температура разряда (судя по цвету разряда) значительно выше (температура дугового разряда 40000 Кельвинов, примерно в 4 раза больше тлеющего искрового разряда), но длительность более чем в два раза меньше. При напряжении на С2 меньше 375 В энергии разряда К3(n) недостаточно для понижения горения искры ниже этого значения и разряда С2 не происходит. Энергию и длительность разряда К3(n) можно уменьшить, используя режим частичной передачи энергии (ограничена первой полуволной - 2.5 мкс). В макетных испытаниях, при С1 - 0.1 мкФ, 612-640 В, пробой искрового промежутка в 11 мм происходил, но разряда С2 не происходило. Таким образом, при частичной передаче энергии можно получить очень малую энергию разряда с длительностью менее 1.25 мкс, достаточную для пробоя искрового промежутка, но недостаточную для воспламенения смеси при любых режимах и типах используемого топлива. В момент зажигания за счет увеличения частоты разрядов С1, увеличения его емкости (подключения к С1 дополнительного заряженного конденсатора), увеличения напряжения, включения режима полной передачи энергии (или способом описанным ниже), создаются условия для разряда С2. Энергия разряда С2 обеспечивает эффективное воспламенение смеси. При длительном разряде, как отмечалось выше, за счет обдува произойдет значительное удлинение дугового разряда, что многократно, значительно больше кратности удлинения искры (за счет нелинейной зависимости сопротивления от тока дугового разряда) уменьшится ток и длительность разряда, при этом повысится его КПД из-за квадратичного уменьшения потерь на сопротивлении высоковольтной цепи.
До момента зажигания, например на такте всасывания, когда напряжение на С2, заряжаемого от источника повышенного напряжения, меньше 375 В, подается краткий управляющий импульс от блока управления, на схеме не изображен, на отпирание тиристора, управляющего КЗ, где должен в момент зажигания произойти разряд. Происходит предварительный разряд относительно большой энергии, но недостаточной, для выше приведенных параметров К3(п) и С 1 0,3-0,45 мкФ, 612-620 В, для воспламенения смеси (как указывалось выше на режиме всасывании нужна очень большая длительность и энергия разряда). После окончания разряда тиристор в течение 3-5 мкс запирается. При этом С2 не разряжается. Сопротивление искрового промежутка за счет сильной ионизации, при дуговом разряде, падает до значений в десятки Ом. Затем блок управления дает серию коротких управляющих импульсов (не менее одного) на отпирание этого тиристора и продолжающихся до момента зажигания. Проходит серия разрядов. Пауза между разрядами выбирается (опытным путем, различна, как указывалось выше, для разных двигателей и режимов их работы и может меняться) такой, чтобы обеспечить проводимость искрового промежутка достаточную, чтобы при подаче напряжения несколько большем напряжения тлеющего разряда, для данной длины искрового промежутка, мог возникнуть разряд с током не менее 10 мкА (ток тлеющего разряда). Проходит короткий разряд. Чем больше сила тока разряда, тем больше ионизация, и можно иметь большую паузу между разрядами. Для получения напряжения в искровом разряде порядка 1100 В (при отсутствии удлинения, за счет обдува искрового разряда, при его малой длительности, см. выше), достаточного для тлеющего разряда, требуется малое напряжение на С1 60-70 В (энергия разряда С1 при таком напряжении примерно в 80 раз меньше, чем при первом разряде, напряжение С1 регулируется источником повышенного напряжения) и, следовательно, длительность и энергия разрядов будет недостаточна для воспламенения смеси даже при высокой температуре и давлении вблизи верхней «мертвой» точки. Напряжения тлеющего разряда не достаточно для создания условия разряда С2 даже при максимальном напряжении на нем (640 В). К моменту зажигания источник повышенного напряжения должен обеспечить заряд С2 большим 375 В (за счет повышенной температуры и давления это напряжение в момент зажигания будет ниже, чем при макетных испытаниях, определяется опытным путем для конкретного типа двигателей и режимов его работы). Перед моментом зажигания (определяется по углу поворота и числу оборотов двигателя) блок управления прекращает предварительные разряды. Источник повышенного напряжения к моменту зажигания за эту паузу заряжает С1 до напряжения 612-640 В (малая энергия, запасаемая С1, позволяет это сделать за малое время паузы), что обеспечивает в момент зажигания при разряде С1 энергию искрового разряда КЗ, достаточную для разряда С2, при его заряде, большем 375 В. Энергия разряда С2 обеспечивает эффективное воспламенение топливной смеси. Пауза между прекращением предварительных разрядов и моментом зажигания должна быть такой, чтобы пробивное напряжение не возросло до значения, большего предельно допустимого для данной системы зажигания.
Уменьшить ток разряда, увеличить его КПД и длительность возможно следующим способом. Параллельно С2 подключается через диод VD2 дополнительный конденсатор С3 (катод VD2 подключается к точке с). Емкость С3 на испытаниях была 94 мкФ, напряжение заряда (заряжается от источника повышенного напряжения) меньше или равно напряжению на С2. Диод VD2 обеспечивает возможность заряда С3 до напряжения меньшего, чем на С2. Емкость С2 уменьшена до 0,05 мкФ. Схема работает аналогичным образом описанному выше. Первый предварительный импульс проходит при напряжении на С2, С3 менее 375 В, при этом их разряда не происходит. Последующие предварительные разряды поддерживают параметры необходимые для поддержания тлеющего разряда. С2 и С3 заряжаются во время предварительных зарядов до напряжения не более 640 В, что недостаточно для их разряда при развиваемом напряжении КЗ примерно 1100 В (условие тлеющего разряда). За время паузы после окончания предварительных разрядов источник повышенного напряжения заряжает до 612-640 В не только С1, но и С2. Разница в работе двух схем состоит в том, что уменьшенная энергия разряда С2 (меньше емкость) в момент зажигания (при емкости С2 0,05 мкФ и напряжении 612-640 В) обеспечивает разряд С3, если напряжение его заряда будет более 100 В (снижение минимального напряжения разряда с 375 В до 100 В, что позволяет использовать при той же энергии разряда квадратично снижению напряжения увеличенную емкость С3, при этом резко, нелинейно растет сопротивление искрового разряда, уменьшается ток, увеличивается время разряда и его КПД из-за квадратичного снижения тока и, следовательно, уменьшения потерь на сопротивлении высоковольтной цепи). Энергия разрядов С2 и С3 обеспечивают воспламенение топливной смеси. На осциллограмме фиг.5 ток разряда С3, при напряжении 104.7 В. Максимальный ток разряда 14 А, длительность 728 мкс, энергия, выделяемая в искре, 0,35 Дж, КПД разряда около 92% (сравнить энергию, величину тока, длительность разряда и КПД на фиг.2). При напряжении С3 197 В, фиг.6, максимальный ток разряда 65,2 А, длительность 580 мкс, энергия, выделяемая в искре 1,17 Дж, КПД разряда около 75% (в двигателе за счет удлинения искрового промежутка при обдуве искрового разряда средний ток уменьшится, а время разряда и КПД увеличатся). При увеличении напряжения нелинейно растет ток и уменьшаются время разряда и КПД (из-за «падающей» характеристики сопротивления дугового разряда), несмотря на более чем в 3,5 раза большую энергию разряда С3.
Если С2 перед моментом зажигания заряжать до значения большего напряжения горения тлеющего разряда, можно уменьшить емкость С1 до 0,1 мкФ и использовать режим частичной передачи энергии (длительность разряда менее 1,25 мкс). Так как энергия разряда КЗ при этих параметрах будет достаточна для пробоя и создания тлеющего разряда, то произойдет разряд С2 (при напряжении С2, большем напряжения горения тлеющего разряда), обеспечивающий разряд С3. Такой способ, из-за очень малой длительности и энергии разряда КЗ, позволяет начинать предварительную серию разрядов во время сжатия, когда мала минимальная энергия воспламенения, и не поддерживать высокую степень ионизации искрового промежутка для сохранения условий возникновения тлеющего разряда.
Потенциальная возможность описанной схемы приведена на фиг.7. При С2 1100 мкФ (или С3, при его использовании, позволяет получать энергию разрядов в более широких пределах), напряжении заряда 612-640 В, максимальный ток разряда 411,6 А, длительность разряда 7,56 мс, энергия, выделяемая в искре, 117 Дж, КПД разряда 39%, диаметр плазменного шара, полученного при разряде, 24 см. Такой способ позволяет с высоким КПД (при еще большем уменьшении сопротивления W2 возможно, получать с высоким КПД значительно большую энергию разряда) утилизировать в энергию электрического разряда практически любое количество энергии полученной рекуперацией энергии выхлопных газов и торможения. При этом повышаются экономичность и мощность двигателя не только за счет утилизации этой энергии, но и за счет улучшения параметров самого двигателя.