УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЕМ СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
MANAGEMENT OF ELECTRIC POWER SUPPLY OF IGNITION PLUG OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Объектом настоящего изобретения является способ электропитания свечи зажигания до электрического напряжения, обеспечивающего генерирование разветвленной искры зажигания, в частности, для двигателя внутреннего сгорания.
Объектом настоящего изобретения является также устройство питания такой свечи, причем этом устройство содержит средства питания свечи электрической энергией до электрического напряжения, обеспечивающего генерирование разветвленной искры зажигания.
Известно, что для лучшего управления зажиганием воспламеняемой смеси в двигателе внутреннего сгорания предпочтительно использовать электрическую искру большого размера. Действительно, чем больше размер искры, тем выше возможность прохождения горячей электрической дуги через облако топлива и, следовательно, тем эффективнее происходит воспламенение. Однако для обычной свечи зажигания размер искры (порядка одного кубического миллиметра) ограничен расстоянием между электродами свечи.
Для увеличения размера искры свечи зажигания уже было предложено:
- в US-A-5623179: увеличить расстояние между электродами свечи; однако такое выполнение требует значительно более высокого напряжения питания, которое прямо пропорционально расстоянию между электродами,
- в ЕР-А-1202411 или ЕР-А-1526618: использовать электрическую дугу, которая скользит по изолятору свечи, что позволяет удлинить искру без существенного повышения электрического напряжения; однако в таком варианте выполнения удлинение искры остается относительно небольшим, и изолирующая поверхность быстро разрушается под действием горячей дуги;
- в FR-A-2886776 или FR-A-2878086: формировать разветвленную радиочастотную искру, распространяющуюся только от одного заостренного электрода; это позволяет существенно увеличить длину искры, но в известном варианте такого выполнения число одновременно формирующихся нитей искры ограничено (не более 2-3).
Задачей настоящего изобретения является устранение ограничений известных технических решений.
Изобретение призвано также существенно увеличить степень разветвления радиочастотной искры (то есть общее число одновременно генерируемых нитей) и увеличить, таким образом, эту искру и, следовательно, повысить эффективность зажигания смеси, поступающей в окружающее ее пространство.
Согласно решению, предлагаемому для достижения этого(их) результата(ов), подача электрического питания содержит этап повышения ступенями (то есть, по меньшей мере, с одной такой ступенью) напряжения питания этой смеси до соответствующего напряжения зажигания.
Что касается устройства, было предложено выполнять средства для питания свечи электрической энергией с возможностью генерирования первого напряжения начала образования искры и последующего повышения этого первого электрического напряжения до соответствующего напряжения зажигания.
Далее следует более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, которые носят не ограничительный характер и на которых:
фиг.1 - схематичное изображение радиочастотной свечи, установленной в двигателе внутреннего сгорания;
фиг.2 - схема типового изменения времени/напряжения на РЧ свечах, управляемых традиционным способом;
фиг.3, 4 - схемы примера изменения времени/напряжения в соответствии с настоящим изобретением на РЧ свече, управляемой другим способом;
фиг.5 - схематичный вид разветвленной искры, которую можно получить путем управления, показанного на фиг.3, 4, в сравнении с искрой, показанной на фиг.1.
На фиг.1 показана резонансная радиочастотная (РЧ) свеча 1, установленная на головке блока 3 двигателя 5 внутреннего сгорания. Наконечник 1а свечи выходит в камеру 7 сгорания двигателя, куда впрыскивают предназначенную для воспламенения смесь.
Эта плазменная РЧ свеча 1 возбуждается от РЧ источника 9 питания низким напряжением, которым управляет бортовое вычислительное устройство 11, установленное на транспортном средстве, содержащем указанный двигатель. Таким образом, каждая разветвленная искра 13 формируется, начиная от единственного заостренного наконечника 1а свечи.
Общий принцип работы такой свечи описан, например, FR-A-2878086, FR-A-2886776 или FR-A-2888421.
Как схематично показано на фиг.2, где представлено известное техническое решение, обычно различают две основные фазы электрического питания РЧ свечи 1:
Во время первоначальной фазы 15а, которая начинается в момент t_0 подачи напряжения, электрическое напряжение U, подаваемое на свечу, непрерывно повышают таким образом, чтобы сформировались тонкие электрические каналы, начинающиеся от наконечника 1а свечи.
После формирования, во время следующей фазы 15b (между t_1 и t_2 на фиг.1) такая разветвленная структура нагревается до нескольких тысяч °С электрическим током, поступающим от управляемого РЧ источника 9 питания. Электрическое напряжение (по существу Um), подаваемое на свечу, остается (практически) постоянным во время всей этой второй фазы.
В конце этой фазы нагрева (часть 15b1 до t_2) горячие нити воспламеняют смесь в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, с которым соединена камера 7 сгорания.
Затем, во время финальной фазы 15с этого цикла воспламенения смеси свечой (между t_2 и t_3 на фиг.1) электрическое напряжение, подаваемое на эту свечу, опять непрерывно понижают до нуля.
Длина L (порядка одного см; фиг.1) нитей 13, образующихся в конце фазы 15b1, зависит только от максимальной амплитуды напряжения U, подаваемого на наконечник 1а.
Поскольку во время фазы нагрева 15b/15b1 амплитуда РЧ напряжения Um, соответствующего максимальному электрическому напряжению (или соответствующему напряжению зажигания), подаваемому на наконечник свечи, сохраняется стабильной (постоянной), длина нитей 13, а также их число не менее или почти не меняет.
Авторы изобретения заметили, что в этом известном варианте работы степень разветвления (то есть число точек разветвления, обозначенных на фиг.1 позициями 13а, 13b) РЧ искры 13 остается относительно низкой: нити, формирующиеся во время фазы формирования, являются скорее прямыми с немногочисленными точками разветвления (обычно не более 2-3), что ограничивает размер искры.
Чтобы повысить степень разветвления разветвленной искры, авторы изобретения предлагают изменить режим электрического питания РЧ свечи 1, как показано, в частности, на фиг.3.
Так, вместо (как на фиг.2) подачи на наконечник электрода 1а свечи напряжения, при котором в момент t_1 (конец первоначальной фазы 15а), сразу следующий за t_0, максимальное напряжение Um (соответствующее напряжение зажигания для воспламенения) присутствует на нем после непрерывного повышения этого напряжения с момента начала подачи питания (момент t_0), применяют этап ступенчатого повышения электрического напряжения питания свечи до указанного максимального напряжения Um.
На фиг.3 такое повышение показано в виде нескольких ступеней, в данном случае двух: 17.1 и 17.2.
Следовательно, можно отметить, что согласно заявленному решению и в примере применения, показанном на фиг.3, на первом этапе между t_0 и t_10 электрическое напряжение повышают только до значения U1, необходимого лишь для формирования нитей 130 первого поколения, то есть нитей, обозначенных, в частности, на фиг.5 буквой «а», которые все начинаются от наконечника 1а электрода свечи.
В момент t_10, то есть, как правило, через несколько мкс после возбуждения в момент t_0 (от 5 до 10 мкс в предложенном варианте выполнения), РЧ питание стабилизирует амплитуду подаваемого напряжения и поддерживает его в значении U1 в течение нескольких мкс (от 2 до 5 мкс в предложенном варианте выполнения) до момента t_20.
Это является первой фазой нагрева, соответствующей ступени 17.1
Предпочтительно значение U1 электрического напряжения на этой ступени является как раз достаточным для формирования на свободном конце 1а электрода электрических нитей, начинающихся от этого конца.
В этот период времени температура первичных нитей 130 «а» достигает 1000-5000°С, газ внутри каналов становится сильно ионизированным, и его удельное электрическое сопротивление падает от бесконечности всего до нескольких кОм. В результате напряжение свечи оказывается приложенным к концам нитей «а», которые стали проводниками (сплошные точки на фиг.5).
Между моментами t_20 и t_30 РЧ питание опять (непрерывно) повышает амплитуду напряжения свечи до промежуточного напряжения U2 (при этом, разумеется, U2 превышает U1).
Предпочтительно разность напряжений между нулевым напряжением и напряжением U1 первой ступени напряжения должна превышать разность электрических напряжений между электрическим напряжением U1 первой ступени напряжения и указанным соответствующим напряжением Urn зажигания, что схематично показано на фиг.3, 4.
Поскольку диаметр ионизированных нитей 130 (как правило, примерно 50-100 мкм) существенно меньше диаметра наконечника (как правило, порядка 500 мкм), то достаточно незначительного повышения подаваемого электрического напряжения U, чтобы локальное электрическое поле на концах нитей 130 «а» (обратно пропорциональное квадрату их диаметра) было достаточно большим для формирования нитей 2-го поколения. Новые нити, обозначенные на той же фиг.3 позициями 130 «b», отходят от концов нитей «а», а не от наконечника 1а свечи.
В период времени между t_30 и t_40 происходит нагрев нитей «Ь». Напряжение опять стабилизируется, в данном случае на значении U2, что соответствует второй ступени 17.2. Потенциал наконечника при этом оказывается на концах этих последних нитей (контурные точки на фиг.5).
Между моментами t_40 и t_50 РЧ питание опять повышает напряжение свечи 1а, что приводит к зарождению 3-го поколения нитей 130 «с», начиная от концов нитей предыдущего поколения.
Этот процесс может быть продолжен. В представленном примере мы предположили, что он прерывается, как показано на фиг.3, 4, 5, поскольку предполагается, что соответствующее напряжение Um зажигания достигнуто в момент t_50.
Таким образом, согласно предпочтительному признаку изобретения, чтобы достичь искомого результата, между первоначальным моментом t_0 начала подачи электрического питания на свечу и стабилизированной подачей максимального напряжения в t_50 получили, по меньшей мере, одну ступень стабилизированного электрического напряжения продолжительностью от 1 до 10 мкс.
После формирования с разветвлениями последовательных поколений нитей 130 а, b, с (первоначальная фаза 150а ступенчатого повышения напряжения) такая разветвленная структура во время следующей фазы 150b нагревается (как было указано выше) до нескольких тысяч °С электрическим током, обеспечиваемым управляемым РЧ источником 9 питания. Электрическое напряжение (Um), подаваемое на свечу, остается (по существу) постоянным в течение всей этой второй фазы, как показано на фиг.3.
Как и в традиционном варианте работы, в конце этой фазы нагрева (часть 150b1 до момента t_60) горячие нити осуществляют воспламенение смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, с которым соединена камера 7 сгорания.
Во время конечной фазы 150 с этого цикла воспламенения смеси свечой электрическое напряжение, подаваемое на эту свечу, опять непрерывно уменьшается до нуля (момент t_70).
Предпочтительно между двумя повышениями напряжения (t_10-t_20 и t_30-t_40) продолжительность ступеней напряжения превышает интервал времени между двумя последовательными ступенями повышения указанного напряжения (t_20-t_30).
Цикл «формирование нитей → их нагрев → повышение напряжения → формирование… → нагрев… → повышение…» можно повторять столько раз, сколько это необходимо. При каждом новом повышении напряжения появляются новые точки разветвления.
Таким образом, средства питания 9, 11 электрической энергией усовершенствованы по сравнению с известным решением, показанным на фиг.2, таким образом, чтобы по мере получения ступеней 17.1… свыше первого напряжения U1 начала образования искры способствовать созданию новых разветвлений 130… на конце (сплошной кружок или сплошные кружки) электрической искры, сформированной на первой ступени.
0
0
total
В конечном счете, сформированная таким образом искра 130 отличается намного большей степенью разветвления, чем в случае обычного возбуждения, схематично показанного на фиг.2. Общее число нитей можно рассчитать как , где N является числом нитей одного поколения, а n является числом циклов. Таким образом, в случае, представленном на фиг.5, где N≈3 и n=3, получаем N≈39, то есть в ~10 раз больше, чем в случае обычного РЧ возбуждения. Даже если средняя длина нитей каждого нового поколения становится все меньше, общая длина искры в конце питания намного больше, чем в случае обычного питания (см. фиг.1 и 5). Это повышает вероятность встречи горячей дуги и смеси топливо/воздух и делает, таким образом, зажигание более эффективным.
Разумеется, на фиг.2-4 показано переменное электрическое напряжение (Um, U1…), что ясно выражается синусоидальной кривой напряжения U, схематично показанной слева.