СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
IGNITION SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Система зажигания для двигателей внутреннего сгорания (СЗ ДВС) относится устройствам, предназначенным для воспламенения топливовоздушной смеси в требуемый момент времени в цилиндрах или в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Текущий уровень техники
Как известно, по наличию и виду источника энергии (импульса электрического тока высокого напряжения) СЗ ДВС делятся на два класса (см. [1]): системы, получающие энергию от аккумуляторных батарей (батарейные системы зажигания); системы, получающие энергию от внутреннего генераторного источника (системы зажигания от магнето и им подобные, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую с помощью электромагнитной индукции). Также СЗ ДВС делятся на два класса по месту накопления энергии (см. [1]): с накоплением энергии в индуктивности (в катушке зажигания); с накоплением энергии в емкости (специальном накопительном конденсаторе). Как правило, рабочее напряжение, необходимое для нормального искрообразования в СЗ ДВС составляет несколько десятков киловольт, при этом энергия разряда для гарантированного воспламенения топливовоздушной смеси должна составлять несколько десятков милиджоулей (см. [1]). Кроме этого СЗ ДВС, вне зависимости от типов источника и накопителя энергии должна содержать свечи зажигания и средства для высоковольтной коммутации и подключения свечей зажигания к источнику тока высокого напряжения.
Во всех вариантах СЗ ДВС, когда для накопления энергии используются конденсаторы, их емкость не зависит от положения поршня и коленчатого вала ДВС, и эти конденсаторы используются только как накопители энергии.
Раскрытие изобретения
0
0
0
0
0
N
0
0
0
0
N
N
N
0
N
0
0
N
N
N
0
0
0
2
2
Настоящее изобретение относится к принципиально новому техническому решению: в СЗ ДВС предлагается использовать электрический конденсатор не постоянной, а переменной емкости (ЭКПЕ), который одновременно является и накопителем электрической энергии, и генератором импульсов тока высокого напряжения, преобразующим механическую энергию (например, энергию поступательно-возвратного движения поршня или вращения коленчатого вала) в электрическую энергию. В общем случае возможны самые разные варианты и источники механической энергии, так или иначе кинематически связанные с ДВС. Данное преобразование может происходить с помощью кинематической связи поршня или коленчатого вала ДВС с составными элементами ЭКПЕ посредством соответствующего механического привода, так что движение механического привода, изменяя взаимное положение электродов ЭКПЕ друг относительно друга или перемещая иные составные элементы ЭКПЕ, от которых зависит его емкость, в результате этого движения приводит к изменению емкости ЭКПЕ; при этом уменьшение емкости ЭКПЕ при сохранении постоянной величины заряда на его электродах приводит к увеличению энергии заряда и напряжения между электродами ЭКПЕ. В общем случае, если сообщить ЭКПЕ некоторый начальный заряд, который мы будем называть зарядом возбуждения, Q=CU (где С - начальная емкость ЭКПЕ, U - начальное напряжение возбуждения), потом отсоединить от источника зарядов или иным способом сделать невозможным разрядку конденсатора, а затем с помощью механического привода уменьшить его емкость в N раз, напряжение на конденсаторе в N раз увеличится (если величина заряда ЭКПЕ не меняется), так как C=C/N и Q=CU=CU, то U=(C/C)U=NU (см. [2]). При этом энергия конденсатора W тоже увеличится в N раз: W=C(U)/2=NC(U)/2=NW.
Если одновременно с уменьшением емкости предварительно заряженного ЭКПЕ в определенный момент времени к электродам ЭКПЕ подключить соответствующие электроды свечи зажигания (в некоторых случаях такое подключение может быть постоянным), то в момент времени, когда растущее напряжение на электродах ЭКПЕ и электродах свечи зажигания превысит напряжение пробоя между электродами свечи зажигания, автоматически произойдет искрообразование, то есть будет достигнут требуемый технический результат.
Вариант осуществления изобретения.
d
d
Существует множество различных вариантов реализации зависимости емкости конденсатора от взаимного расположения его составных частей. Например, простейшим таким вариантом является ЭКПЕ, состоящий из двух плоских электродов, разделенных достаточно тонким слоем диэлектрика и в начальный момент времени плотно (через разделяющий их диэлектрик) примыкающих друг к другу, при этом один из электродов (или оба) могут двигаться в направлении, перпендикулярном плоскости электродов, удаляясь друг от друга. По мере увеличения расстояния между электродами, емкость такого конденсатора будет быстро уменьшаться. Пусть S - площадь электродов, d - толщина разделяющего электроды диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью равной ε Пластины могут двигаться друг относительно друга в направлении, перпендикулярном плоскости пластин, при этом образовавшееся пространство между слоями диэлектрика шириной x заполняется веществом с относительной диэлектрической проницаемостью ε (таким веществом может быть воздух, специальная газовая смесь или жидкий диэлектрик, например конденсаторное масло). В таком виде данное устройство является электрическим конденсатором переменной емкости, величина которой зависит от x (см. [2]):
0
-12
где ε - электрическая постоянная, равная 8,85·10 Ф/м.
0
0
d
При x=0 мы получаем начальную емкость устройства С=εε S/d, а для напряжения на электродах ЭКПЕ получаем следующую зависимость от x:
0
d
x
U(x)=U(1+(ε/ε)(x/d)).
N
х
d
Для того чтобы увеличить напряжение в N, необходимо раздвинуть электроды ЭКПЕ на расстояние x=(N-1)(ε/ε)d.
*
d
х
*
d
x
*
При этом очень важно следить за тем, чтобы напряжение на ЭКПЕ, которое будет увеличено на несколько порядков, не превысило напряжение пробоя между электродами ЭКПЕ, иначе искрообразование станет невозможным, а устройство может выйти из строя. Напряжение пробоя U(x) между электродами ЭКПЕ зависит от электрической прочности диэлектрика E, его ширины d, электрической прочности вещества, заполняющего пространство между электродами ЭКПЕ Е и ширины x согласно формуле U(x)=dE+xE, при этом стандартные правила электротехники требуют, чтобы напряжение на ЭКПЕ U(x) всегда было меньше половины напряжения пробоя U(x). То есть для гарантированной работы без пробоя электродов ЭКПЕ в соответствии с электротехническими правилами безопасности необходимо выполнение следующего условия:
Поскольку электрическая прочность воздуха составляет всего около 2 МВ/м, для повышения эффективности устройства, уменьшения его размеров и повышения удельной мощности в качестве вещества, заполняющего пространство между электродами ЭКПЕ при их отдалении друг от друга, вместо воздуха необходимо использование газообразных и жидких диэлектриков, у которых электрическая прочность существенно выше. Для этого ЭКПЕ должно быть помещено в герметичную оболочку, имеющую достаточную внутреннюю полость, полностью заполненную газообразным или жидким диэлектриком так, что при любом положении электродов ЭКПЕ все внутреннее пространство в оболочке и между электродами ЭКПЕ полностью было заполнено данным диэлектриком. Например, в качестве такого диэлектрика может использоваться конденсаторное масло, электрическая прочность которого составляет 20-30 МВ/м. Также в качестве диэлектрика, предотвращающего пробой между электродами ЭКПЕ при его работе, можно использовать твердый диэлектрик с высокой электрической прочностью, который можно специально вставлять в пространство между раздвигающимися электродами ЭКПЕ.
2
N
N
Для того чтобы убедиться в том, что представленная система зажигания ДВС может генерировать требуемые величины напряжения и энергии, рассмотрим следующий ниже пример. Пусть для воспламенения топливовоздушной смеси требуется напряжение на электродах свечи зажигания не менее 30 кВ и энергия разряда не менее 30 мДж (достаточно распространенные параметры для СЗ ДВС, см. [1]), а для создания зарядов возбуждения на электродах ЭКПЕ используется аккумулятор с напряжением 12 В. В качестве диэлектрика, нанесенного на электроды ЭКПЕ и разделяющего их (когда расстояние между электродами x равно нулю), возьмем конденсаторную бумагу марки КОН-2 толщиной 4 микрометра, пропитанную конденсаторным маслом, относительная диэлектрическая проницаемость которой составляет примерно 3,5 (зависит от типа пропиточного материала), электрическая прочность в сухом виде не менее 60 МВ/м, а в пропитанном не менее 30 МВ/м; в качестве жидкого диэлектрика возьмем конденсаторное масло с относительной диэлектрической проницаемостью около 2,2 и электрической прочностью около 20 МВ/м. Тогда для достижения указанных выше параметров искрообразования площадь электродов S должна составить 220 см (две пары квадратных пластин 10,5×10,5 см), а минимальная ширина x, на которую надо раздвинуть электроды, составит 6,5 мм. При этом условие (*) выполняется с большим запасом прочности, т.к. напряжение пробоя в точке x составляет более 130 кВ.
N
Уменьшение в два раза толщины конденсаторной бумаги в конструкции представленного выше ЭКПЕ в два раза уменьшает необходимые величины S и x, то есть делает устройство в два раза компактнее; при этом уменьшается напряжение пробоя, но условие отсутствия пробоя (*) выполняется.
Таким образом, представленная в настоящем изобретении система зажигания ДВС отличается предельной простотой и компактностью. При этом оно содержит в себе преимущество систем зажигания с накоплением энергии в емкости (мощная высоковольтная искра без тлеющей фазы разряда, см. [1]), а также позволяет получить ряд других важных технических результатов, представленных ниже.
Достигаемые технические результаты.
Во-первых, основным техническими результатом, достигаемым настоящим изобретением, является то, что данная система зажигания может генерировать очень мощные импульсы высоковольтного напряжения с практически любым заданным наперед значением напряжения. Напряжение импульса, подаваемого на электроды свечи зажигания, ограничено только электрической прочностью материалов, из которых состоит ЭКПЕ и напряжением пробоя системы высоковольтной коммутации. Причем конструктивно не составляет большого труда поместить ЭКПЕ максимально близко к свечам зажигания или объединить их в единый конструктивный блок, для этого достаточно предусмотреть соответствующую кинематическую связь электродов ЭКПЕ с поршнем или коленчатым валом ДВС. Энергия электрического импульса при заданном рабочем напряжении можно увеличивать, наращивая площадь электродов S, прямопропорционально которой зависят емкость ЭКПЕ и генерируемая им энергия (при прочих одинаковых параметрах ЭКПЕ). Повышение мощности и напряжения искры зажигания может существенно снизить требования к качеству топлива, используемого в ДВС, и повысить его КПД.
Во-вторых, представленное устройство позволяет свести к минимуму энергетические затраты в ДВС, потребляемые системой зажигания, поскольку генерация высокого напряжения в данном устройстве происходит практически с максимально возможным КПД.
В-третьих, представленная система зажигания ДВС состоит из минимального количества составных частей: свечей зажигания, системы высоковольтной коммутации, системы включения устройства в цепь аккумулятора для снабжения ее зарядом возбуждения и конденсатора переменной емкости очень простой конструкции (например, ЭКПЕ, состоящего из плоских электродов, которые посредством кинематической связи с поршнем ДВС могут раздвигаться на определенное расстояние и сдвигаться обратно, и содержащего тонкий слой диэлектрика между электродами). Такая конструктивная простота выгодно отличает данную систему зажигания ДВС от используемых в настоящее время аналогов, которым для работы нужны дополнительные элементы.
В-четвертых, важным техническими результатом, достигаемым настоящим изобретением, является то, что напряжение и мощность искры зажигания не зависят от скорости вращения коленчатого вала (от оборотов двигателя), что практически невозможно во многих существующих технических решениях, где для устранения такой зависимости приходится использовать специальное дополнительное оборудование. В описанном изобретении напряжение и мощность искры могут зависеть только от начального напряжения возбуждения и от фиксированных параметров ЭКПЕ, а синхронность искрообразования с тактами работы ДВС является автоматической, что достигается кинематической связью ЭКПЕ с поршнем ДВС.
В-пятых, техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является то, что напряжение и мощность искры в течение короткого цикла искрообразования постоянно растут, достигая строго определенного максима, например, в верхней мертвой точке (ВМТ) цикла работы поршневого ДВС, и искрообразование может происходить в широком диапазоне состояний топливовоздушной смеси (с разными напряжениями пробоя), которые могут возникать в разных режимах работы ДВС и при разных оборотах двигателя (как известно, напряжение пробоя свечи сильно зависит от давления в камере сгорания, состава топливовоздушной смеси, его температуры и многих других факторов). Для гарантированного искрообразования во всех возможных режимах работы ДВС необходимо, чтобы напряжение и энергия ЭКПЕ в точке ВМТ (или близкой к ней точке) соответствовали максимально возможному напряжению пробоя между электродами свечи, которое может возникнуть в реальной работе. Если в каком-либо режиме работы необходимое для искрообразования напряжение пробоя будет меньше данного максимально возможного значения, искра возникнет автоматически, когда напряжение на электродах ЭКПЕ достигнет необходимой величины. Таким образом, представленное техническое решение позволяет устранить негативные побочные эффекты, которые присущи существующим решениям и которые могут возникнуть, когда напряжение между электродами свечи, подаваемое системой зажигания ДВС, значительно превышает величину напряжения пробоя, существующую в данный момент работы ДВС. Данный технический результат может существенно увеличить срок эксплуатации свечей зажигания.
И, наконец, важным техническим результатом является возможность совмещения высокой мощности высоковольтной искры с возможностью использования системы зажигания в автономном режиме, независимо от основной аккумуляторной батареи и основного электрогенератора. Это может быть реализовано с помощью дополнительного автономного мини-электрогенератора, создающего низковольтный (от единиц вольт до нескольких десятков вольт) и низкоэнергетический (менее милиджоуля) электрический импульс, для формирования минимально необходимого заряда возбуждения. В качестве таких электрогенераторов может использоваться пьезоэлектрический генератор, автономные аккумулятор или электрическая батарея, магнето или иные электрогенераторы малой мощности, генерирующие электрический ток посредством электромагнитной индукции с помощью постоянных магнитов.
Дополнительные варианты осуществления изобретения.
Для повышения надежности и эффективности процесса снабжения ЭКПЕ зарядами возбуждения от источника электропитания представленная СЗ ДВС может быть дополнительно снабжена усилителем энергии и напряжения заряда возбуждения. Например, таким устройством может быть катушка индуктивности или любой другой индуктивный элемент, включаемый в цепь зарядки электродов ЭКПЕ от источника зарядов возбуждения и накапливающий электромагнитную энергию, пропорциональную величине ее индуктивности. Кроме этого, цепь зарядки может содержать электрический вентиль, коммутируемый таким образом, чтобы исключить или сделать минимально возможным электрический ток в направлении, обратном току зарядки электродов ЭКПЕ зарядом возбуждения. Также существует множество способов осуществления ЭКПЕ, помимо описанного выше устройства с раздвигаемыми электродами. Электроды ЭКПЕ могут быть фиксированы друг относительно друга, а для уменьшения их взаимной емкости в пространстве между ними можно заменить один диэлектрик на другой диэлектрик, имеющий значение диэлектрической проницаемости меньше, чем у предыдущего. К такому же эффекту приводит замена проводника, помещенного между электродами ЭКПЕ на любой диэлектрик.
Также для формирования более устойчивого и равномерного электрического разряда между электродами ЭКПЕ в цепь коммутации электродов ЭКПЕ с электродами свечи зажигания можно включать индуктивный элемент (например, катушку индуктивности), который будет сглаживать фронт электрического импульса и увеличивать его временной интервал.
Также для отключения электродов ЭКПЕ от источника зарядов возбуждения (это необходимо, чтобы исключить ток утечки или пробой через данный источник в процессе роста напряжения на электродах ЭКПЕ) можно использовать обычный механический или иной ключ, связанный с поршнем или коленчатым валом ДВС, который будет автоматически отключать электроды ЭКПЕ от источника зарядов в момент, когда они начинают движение друг относительно друга, а после завершения процесса искрообразования данный ключ будет коммутировать электроды с источником зарядов. В таком случае моменты выключения и включения контакта электродов ЭКПЕ с источником зарядов возбуждения могут быть синхронизованы с заданными положениями поршня ДВС (или иной части ДВС), циклически повторяющимися при работе ДВС.
Кроме этого можно дополнительно использовать средства для управления моментом подключения свечей зажигания к ЭКПЕ, которые имеют широкое применение в настоящее время.
Источники информации
1. Волков B.C. Электротехника и электрооборудование транспортных и транспортно-технологических комплексов: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / B.C. Волков. - М.: Издательский центр «Академия», 2011. - 368 с.
2. Иванов А.Е, Иванов С.А. Электродинамика: учебник. - М.: КНОРУС, 2012. - 576 с.