СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR REDUCTION OF ENERGY LOSSES IN IGNITION SYSTEMS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к системам зажигания двигателей внутреннего сгорания с индукционным или емкостным накоплением энергии и может использоваться в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, а также в устройствах, где требуется, при малых габаритах и стоимости установки, получение с высоким КПД и малыми потерями искрового разряда с большими значениями тока и энергии.
В двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием воспламенение топливно-воздушной (горючей) смеси достигается электроискровым разрядом между электродами свечи зажигания. Для существенного улучшения процесса воспламенения и увеличения скорости горения, особенно сильно обедненных топливных смесей (27:1), исключения детонации, даже при использовании низкооктановых топлив, получения расхода топлива таким же, как у дизеля, улучшения мощностных и экологических характеристик двигателя необходимо значительно увеличить энергию электроискрового разряда, для получения большего объема получаемой плазмы (окислителя) и увеличения степени ионизации топливной смеси [1], [4].
Известны особенности вольт-амперной характеристики разряда в воздушном промежутке [2]. Искра между электродами свечи создает сильно нагретый ионизированный канала При этом может иметь место тлеющий разряд менее 0,1 А или дуговой разряд, когда токи велики вследствие большой мощности источника тока и малого сопротивления цепи. Напряжение горения искры много меньше пробивного напряжения. Для получения большего объема плазмы, пропорционального произведению среднего тока разряда на время и на длину искрового промежутка (Кулон на метр), энергетически выгоднее дуговые разряды, имеющие меньшие напряжения горения дуги («падающая» вольт-амперная характеристика), чем при тлеющем разряде. Величина тока дугового разряда ограничена большим омическим сопротивлением высоковольтной цепи (в обычных системах зажигания) и, следовательно, большими потерями энергии на нем, квадратично зависящими от величины разрядного тока. Доля энергии, выделяющаяся в искровом разряде, с ростом тока дугового разряда из-за «падающей» вольт-амперной характеристики, нелинейно уменьшается [1].
Снижение сопротивления вторичной обмотки катушки зажигания (КЗ), требует увеличения силы тока, коммутируемого коммутатором, или увеличения частоты разрядов, что ограничено гистерезисными и индукционными потерями в КЗ, элементной базой коммутатора и потерями в нем, а также возможностью электрооборудования обеспечить большие токи коммутации. Кроме того, КЗ имеет низкий КПД, так как обеспечивает две задачи - пробой искрового промежутка (высокое напряжение) и обеспечение искрового разряда энергией, достаточной для эффективного воспламенения горючей смеси, при этом напряжение горения искры в 10-30 и более раз меньше пробивного, особенно при дуговых разрядах [2].
Известны системы комбинированного - обычного и плазменного зажигания (см. Патент РФ №2019727 С1, 15.09.1994). Системы состоят из обычного зажигания с индукционным или емкостным накоплением энергии, обеспечивающего пробой и обычную энергию искрового разряда, а также системы плазменного зажигания, состоящей из высоковольтного высокочастотного преобразователя постоянного тока, заряжающего накопительный конденсатор и включенного последовательно высоковольтной обмотке стандартной КЗ. После пробоя искрового промежутка энергия разряда накопительного конденсатора и высоковольтного преобразователя обеспечивает дополнительную энергию разряда в течение 1 мс с током, значительно большим, чем в обычных системах зажигания. Данные системы позволяет значительно улучшить параметры двигателя.
В качестве прототипа принята система плазменного зажигания, представленная в Патенте РФ №2019727 С1, 15.09.1994. Недостаток данной системы - высокое сопротивление высоковольтной цепи, ограничивающее величину разрядного тока и низкий КПД.
Сущность предлагаемого изобретения - с малыми потерями энергии и высоким КПД получить энергию разряда, большую, чем способен обеспечить источник пробивного напряжения - КЗ.
Технический результат достигается за счет того, что энергия разряда КЗ уменьшена вплоть до величины, достаточной только для достижения пробивного напряжения, уменьшено сопротивление высоковольтной цепи вплоть до значений менее 10 Ом; последовательно с высоковольтной обмоткой КЗ включен конденсатор, разряд которого, через малые сопротивления высоковольтной цепи и «пробитого» искрового промежутка, является основным источником энергии разряда.
Техническим результатом использования предлагаемого изобретения являются: снижение потерь энергии в системе зажигания двигателя внутреннего сгорания, получение практически любого требуемого объема плазмы в разряде с меньшими, до 36 и более раз, затратами энергии на единицу получаемого объема плазмы, возможность воспламенения и более быстрое сгорание сильно обедненных топливных смесей с соотношением воздух/топливо до 27:1, улучшение экономических и экологических характеристик двигателя, особенно при частичных нагрузках, возможность регулирования мощности двигателя только изменением количества подаваемого топлива (нет дросселирования воздуха, как у дизеля, упрощается и удешевляется топливная аппаратура). Уменьшается время задержки воспламенения, увеличивается скорость сгорания топливной смеси, что устраняет детонацию, даже при использовании низкооктанового топлива, позволяет увеличить степень сжатия и отрегулировать угол опережения зажигания, на режим большей мощности и экономичности двигателя (расход топлива, как у дизеля). Малое сопротивление высоковольтной цепи позволяет использовать с малыми потерями большие токи (сотни и тысячи А) и энергии плазменного разряда, что позволяет утилизировать в нем за малое время практически любое количество электрической энергии, полученной рекуперацией энергии выхлопных газов и энергии торможения транспортного средства, при минимальном требовании к величине накапливаемой энергии (малые габариты и стоимость этих рекуперирующих устройств), что делает их применение экономически выгодным. КЗ в данном способе имеет малое число витков и габариты (надежность, простота изготовления, малая цена). По соотношению энергии разряда к массе КЗ данная система значительно превосходит показатели других систем зажигания (почти в 9000 раз по результатам макетных испытаний и это не предел).
Данный способ имеет повышенную электроэрозию контактов свечи и их тепловую напряженность. Необходимо увеличить площадь изнашиваемых контактов и толщину их возможного износа, то есть допустимый объем изнашиваемого материала. Существуют методы, позволяющие в 8-10 раз увеличить искровой зазор (см. Патент РФ №2192082 С1, 27.10.2002 и опубликованные 10.01.2009 сведения о заявке РФ №2007125051). Данные методы снижают негативное влияние увеличения зазора, заключающееся в износе контактов свечи. При искровом зазоре более 3 мм в качестве бокового электрода может использоваться корпус свечи - увеличивается площадь наиболее изнашиваемого электрода, то есть снижается негативное влияние электроэрозии, облегчается тепловой режим свечи, упрощается и удешевляется ее конструкция. Увеличивается доля энергии (и объем получаемой плазмы), выделяемая в искре, без увеличения потерь энергии.
При реализации данного изобретения используется КЗ по конструкции и принципу действия аналогичная КЗ, применяемым в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания с индукционным и емкостным накоплением энергии. Уменьшение сопротивления высоковольтной обмотки КЗ достигается уменьшением числа витков обмоток и увеличением сечения провода высоковольтной обмотки. Кроме того, исключается сопротивление от радиопомех, что возможно благодаря значительному снижению емкости высоковольтной цепи (малое число витков высоковольтной обмотки) и, следовательно, малой энергии высоковольтного емкостного разряда; отсутствию высоковольтного распределителя, обязательное условие в связи с большими разрядными токами (нет радиопомех от его неэкранированного искрового промежутка); расположению индивидуальных катушек зажигания непосредственно у свечи (малая длина излучающей антенны). Подбор длительности и энергии разряда, развиваемого напряжения КЗ, в данном способе аналогичен средствам и методам, применяемым в системах зажигания с индукционным и емкостным накоплением энергии и методикой их расчета [2]. Величина энергии разряда КЗ, достаточная для достижения пробивного напряжения, обеспечения условия для разряда конденсатора, включенного последовательно высоковольтной обмотке, различна для разных составов и температуры топливной смеси, режимов работы и типов двигателей, величина искрового зазора и напряжения заряда конденсатора (увеличивается при увеличении искрового зазора, индуктивности и сопротивлении высоковольтной обмотки КЗ, уменьшении напряжения заряда конденсатора) рассчитывается, при изготовлении системы зажигания, для конкретного двигателя с конкретными параметрами.
При реализации данного изобретения предпочтительнее использовать тиристорную схему зажигания, так как малая длительность и энергия разряда в данном способе не являются недостатком, а большая скорость роста высокого напряжения, малая зависимость напряжения заряда накопительного конденсатора от частоты разрядов улучшают параметры системы зажигания. Кроме того, легче получить большие токи коммутации в первичной цепи КЗ. Тиристоры могут работать без радиаторов охлаждения, несмотря на большие токи коммутации, так как работают в импульсном ключевом режиме с малым временем коммутации (примерно 250 мкс в 1 с, при 4 цилиндрах и 6000 об/мин, в макетных испытаниях средняя коммутируемая мощность 4,25 Вт) на индуктивную нагрузку. К тиристорам предъявляются повышенные требования по скорости включения (di/dt не менее 1000 А/с), импульсный (ударный) ток более 100 А.
На чертеже изображена одна из возможных схем реализации предлагаемого способа. Стандартная тиристорная схема зажигания со статическим распределением высоковольтной энергии имеет индивидуальные на каждую свечу КЗ(n), изображена одна, один вывод первичных обмоток которых подключен к накопительному конденсатору С1, точка а, а второй - к индивидуальным тиристорам VD(n), точка В(n), изображен один. Схема отличается наличием конденсатора С2, один вывод которого подключен к высоковольтным выводам катушек КЗ(n), точка с, а второй - к минусу источника питания, непосредственно или через коммутатор К(о), как показано на схеме. Диоды VD1 и VD2 создают цепь разряда высоковольтной цепи при запертом коммутаторе и обеспечивают защиту от перегрузок и обратных токов коммутатора К(о). Конденсаторы С1 и С2 заряжаются источником повышенного напряжения с непрерывным накоплением энергии, на схеме не изображен. В момент зажигания от блока управления, на схеме не изображен, одновременно приходит сигнал на отпирание конкретного тиристора и коммутатора К(о). После пробоя зазора свечи через низкое сопротивление (вплоть до значения менее 10 Ом) высоковольтной цепи, малое сопротивление и напряжение искрового промежутка, при дуговом разряде, создаются условия для эффективного разряда конденсатора С2, имеющего относительно низкое напряжение заряда - менее 1000 В (напряжение горения тлеющего разряда и менее, в зависимости от энергии разряда КЗ, величины сопротивления и индуктивности высоковольтной обмотки). По мере разряда конденсатора С2 уменьшается ток, увеличивается сопротивление и падение напряжения на искровом промежутке, разряд прекращается. Сила тока, энергия разряда регулируется подбором величины емкости и напряжения заряда конденсатора, длиной искрового промежутка, регулировкой времени и режимом разряда, непрерывный или прерывистый коммутатором К(о).
Результаты макетных испытаний. Из макетной схемы (чертеж) исключены К(о) и диоды VD1, VD2. КЗ(n) - кольцевой ферритовый сердечник К45.0×28.0×12.0 марки 6000 НМ, обе обмотки намотаны проводом диаметром 0,4 мм, сопротивление W2 - 0,8 Ом, масса менее 0,1 кг, W1 - 1,75 витка, W2 - 104 витка. Искровой зазор 11 мм. С1 0,45 мкФ, 612 В, Е разряда - 0,085 Дж. Период колебаний высоковольтного разряда 5 мкс, время разряда 10 мкс, максимальный ток в первом полупериоде разряда I - 30 А. 1) Разряд С2 5 мкФ, 612 В, Е - 0,936 Дж, Е искры - 0,346 Дж. I мах. - 171,4 А, время разряда t - 117 мкс, КПД разряда С2 - 47%. 2) Разряд С2 1100 мкФ, 612 В, Е - 197 Дж, Е искры - 70 Дж, I мах. - 411,6 А, t - 7,56 мс, КПД - 35,5%. 3) С2 94 мкФ, 104,7 В, Е - 0,293 Дж, Е искры - 0,258 Дж, I мах. - 14-16 А, t - 817 мкс, КПД - 88%. Получены плазменные разряды ослепительно белого цвета: в испытании 1) овальной формы 13 на 8 мм; в 2) шарообразной формы с диаметром 240 мм, с мощным звуковым импульсом. Эффективность получения плазмы (произведение среднего тока разряда на его время и на длину искрового промежутка Кулон на метр) данным способом сравнивалась с характеристикой искрового разряда катушки 2108-37050-10 («Фасет», Италия - наибольшие показатели энергии разряда 0,121 Дж) приведенной в [3]. При этом плазма, получаемая в предлагаемом способе, КЗ не учитывалась, а энергия, подводимая к W1 (0,085 Дж), учитывалась при подсчете затрат энергии на единицу объема полученной плазмы. То есть, расчетные данные эффективности в данном способе ниже реальных. В 1) испытании плазмы получено в 98 раз больше, чем катушкой «Фасет», удельные затраты энергии по выработке единицы объема плазмы в 18,8 раза меньше. Соответственно в 2) в 8913 раз больше и в 8,9 раза меньше, в 3) в 70,8 раз больше и в 36,7 раза меньше, по сравнению с прототипом [5], при меньшей в 3 раза подведенной энергии, в данном способе получено плазмы в 28 раз больше, а удельные затраты энергии в 84 раза меньше. Отношение количества энергии в искровом разряде к массе КЗ в 2) 700 Дж/кг в 8861 раза больше, чем у катушки 31.3705 [3].
ЛИТЕРАТУРА
1. Опарин И.М., Купеев Ю.А., Белов Е.Л. «Электронные системы зажигания». - М.: Машиностроение, 1987, с. 5-14, 20-23, 42-72, 76-89, 96-101, 103-104, 108, 112-113, 159-161, 163-167, 176-185.
2. А.Г. Ходасевич, Т.И. Ходасевич. «Справочник по устройству и ремонту электронных приборов автомобилей». Часть 1. «Электронные системы зажигания». - М.: Антелком, 2005, с. 8-25, 27-33, 69.
3. А.Г. Ходасевич, Т.И. Ходасевич. «Справочник по устройству и ремонту электронных приборов автомобилей». Часть 2. Электронные системы зажигания. - М.: Антелком, 2004, с. 9, 12-14.
4. Ю. Мацкерле. «Современный экономичный автомобиль». - М.: Машиностроение, 1987, с. 197-200.