BR9709616B1 - Sistema de ignição por centelha móvel. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE IGNIÇÃO POR CENTELHA MÓVEL".

CAMPO DA INVENÇÃO

Esta invenção refere-se, em geral, a sistemas de ignição para motores de combustão interna, inclusive o circuito de disparo associado e dispositivos de ignição, tal como velas de ignição.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Os automóveis sofreram muitas mudanças desde seu desen- volvimento inicial, em fins do século passado. Muitas dessas mudanças evolutivas podem ser vistas como um amadurecimento de tecnologia, com os princípios fundamentais permanecendo os mesmos. Tal é o caso com o sistema de ignição. Alguns de seus desenvolvimentos incluem a substituição de distribuidores mecânicos por eletrônicos, aumentando a confiabilidade e permitindo um ajuste fácil do tempo de centelhamento, sob condições operacionais do motor diferentes. Os componentes eletrô- nicos responsáveis em criar a alta voltagem necessária para a descarga mudaram, sendo que os sistemas de ignição por bobina transistorizada (TCI) e ignição de descarga capacitiva (CDI) são comuns hoje em dia.

Porém, a estrutura básica da vela de ignição não mudou. As velas de ignição diferem atualmente das antigas, principalmente no uso de mate- riais aperfeiçoados, mas a descarga de ponto a ponto básica permanece a mesma.

Uma centelha impelida pela força da interação do campo mag- nético criado pela corrente da centelha e pela própria corrente é um conceito muito atraente para aumentar o núcleo de ignição para uma determinada entrada de energia de sistema de ignição. A necessidade de uma fonte de ignição aumentada vem sendo reconhecida há muito tempo. Têm sido feitas muitas invenções, que prevê- em núcleos de ignição aumentados. O uso de jatos de plasma e acelerado- res de plasma de força Lorentz têm sido objeto de muitos estudos e paten- tes. No entanto, nenhuma dessas invenções precedentes resultou em solu- ções práticas, comercialmente aceitáveis. A principal deficiência das inven- ções precedentes tem sido a necessidade de energia de ignição excessiva, o que elimina qualquer aumento de eficiência possível no motor no qual são usadas. Essas necessidades de energia de ignição mais altas resultaram em altos índices de erosão de eletrodos de ignição, o que diminui a vida operacional da ignição para níveis inaceitáveis. O conceito de aumentar o volume e a área superficial do núcleo de ignição de plasma iniciado por centelha é uma idéia atraente para au- mentar o limite prático pobre para misturas de combustível em um motor de combustão. O objetivo é diminuir a variação no retardamento de combustão, que é típico quando motores são operados com misturas pobres. Mais es- pecificamente, há muito vem sendo sentida a necessidade de eliminar o re- tardamento da ignição, aumentando o volume de centelhamento. Embora seja explicado mais detalhadamente abaixo, observe que se um plasma for confinado em um volume pequeno entre os eletrodos de descarga (tal como é o caso com uma vela de ignição convencional), seu volume inicial é muito pequeno, tipicamente, é formado 1 mm3 de plasma, com uma temperatura de 60.000° K. Esse núcleo se expande e se resfria para um volume de apro- ximadamente 25 mm3 e uma temperatura de 2.500° K, que pode inflamar a mistura combustível. Esse volume representa aproximadamente 0,04% da mistura que deve ser queimada para combustão completa em um cilindro de 0,5 litro, a uma relação de compressão de 8:1. Da descrição abaixo será visto que se o núcleo de ignição puder ser aumentado 100 vezes, 4% da mistura combustível seria inflamada e o retardamento da ignição seria signi- ficativamente diminuído. No entanto, essa meta de ignição atraente ainda não foi alcançada até agora em sistemas práticos. A energia elétrica necessária nesses sistemas antigos, por exemplo, Fitzgerald et al., patente U.S. 4.122.816, é reivindicada como sen- do de mais do que 2 joules por ignição (col. 2, linhas 55-63). Essa energia é aproximadamente 40 vezes mais alta do que a usada em velas de ignição convencionais.

Matthews et al., infra, relata o uso de 5,5 joules de energia elé- trica por ignição, ou mais do que 100 vezes a energia usada em sistemas de ignição convencionais.

Considere-SEum motor de seis cilindros operando a 3600 RPM, o que requer inflamar três cilindros por cada revolução do motor, ou 180 ig- nições por segundo. A 2 joules por ignição, isto dá 360 joules/segundo.

Essa energia tem de ser fornecida pelo motor de combustão a uma eficiên- cia típica de aproximadamente 18% e convertida para uma voltagem mais alta apropriada por dispositivos de conversão de energia, com uma eficiên- cia típica de aproximadamente 40%, para um uso líquido do combustível do motor, a uma eficiência de aproximadamente 7,2%. Fitzgerald requer um consumo de combustível de 360/0,072 joules/segundo ou aproximadamente 5000 joules/segundo, para operar o sistema de ignição.

Para mover um veículo de 1250 kg em uma estrada plana a aproximadamente 80 km/h (aproximadamente 50 mph), requer aproximada- mente 9000 joules/segundo de energia de combustível. A uma eficiência de conversão de combustível de motor para força motiva de 18%, são consu- midos aproximadamente 50.000 joules/segundo de combustível. Portanto, o sistema usado por Fitzgerald et al., infra, consome aproximadamente 10% da energia de combustível consumida para operar o veículo, para operar o sistema de ignição. Isto é mais do que o ganho de eficiência esperado pelo uso dos sistemas de ignição de Fitzgerald et al.

Em comparação, os sistemas de ignição convencionais usam aproximadamente 0,25 por cento da energia de combustível para operar o sistema de ignição. Além disso, a energia elevada usada nesses sistemas faz com que altos níveis de erosão ocorram nos eletrodos das velas de igni- ção, reduzindo, portanto, consideravelmente, a vida operacional. Essa vida encurtada é demonstrada no trabalho por Matthews et al., infra, no qual a necessidade de reduzir a energia de ignição é admitida, embora não seja oferecida qualquer solução.

Como tentativa adicional para solucionar esse problema, consi- dere-se o trabalho por Tsao e Durbin (Tsao, L. e Durbin, E.J., "Evaluation of Cyclic Variation and Lean Operation in a Combustion Engine with a Multi- Electrode Spark Ignition System", Princeton Univ. Mae Report, (janeiro de 1984), em que foi gerado um núcleo de ignição maior do que normal por uma vela de ignição de eletrodos múltiplos, demonstrando uma redução na variabilidade cíclica de combustão, uma redução no avanço de centelha e um aumento em energia útil. O aumento do tamanho do núcleo foi de ape- nas seis vezes o de uma vela de ignição comum.

Bradley e Critchley (Bradley, D., Critchley, I.L., "Electromagnetically Induced Motion of Spark Ignition Kemels", Combust.

Flame 22, pgs. 143-152 (1974), foram os primeiros a considerar o uso de forças eletromagnéticas para induzir um movimento da centelha, com uma energia de ignição de 12 joules. Fitzgerald (Fitzgerald, D.J., "Pulsed Plasma Ignitor for Internai Combustion Engines", SAE paper 760764 (1976): e Fitzgerald, D.J. Breshears, R.R., "Plasma Ignitor for Internai Combustion Engine", Patente U.S. N° 4,122,816 (1978) propuseram o uso de impulsor de plasma pulsado para a ignição de motores automotivos com muito me- nos, mas ainda substancial, energia de ignição (aproximadamente 1,6J).

Embora ele fosse capaz de aumentar o limite pobre, o desempenho global de tais impulsores de plasma usados para sistemas de ignição não foi signi- ficativamente melhor do que o de velas de ignição convencionais e as cen- telhas que elas produzem. Nesse sistema, foi usada muito mais energia de ignição, sem um aumento significativo do tamanho do núcleo de plasmas. (Clements, R.M., Smy, P.R., Dale, J.D., "An Experimental Study of the Ejec- tion Mechanism for Typical Plasma Jet Ignitors". Combust. Flame 42. pági- nas 287-295 (1981). Mais recentemente, Hall et al. (Hall, M.J. Tajima, H., Matthews, R.D., Koeroghlian, M.M., Weldon, W.F., Nichols, S.P., "Initial Studies of a New Type of Ignitor: the Railplug", SAE paper 912319 (1991) e Matthews et al. (Matthews, R.D., Hall, M.J. Faidley, R.W., Chiu, J.P., Zhao, X.W., Annezer, I., Koening, M.H., Harber, J.F., Darden, M.H., Weldon, W.F., Nichols, S.P., "Further Analysis of Railplugs as a New Type of Ignitor", SAE paper 922167 (1992), mostraram que uma "vela de trilho", operada a uma energia de acima de 6J (2,4 cm de comprimento), mostrou uma melhora substancial em experiências de bomba de combustão. Também observa- ram-se melhoramentos na operação pobre de um motor, quando o fizeram funcionar com sua vela de ignição, a uma energia de ignição de 5,5J. Eles atribuíram a necessidade dessa quantidade excessiva de energia a uma adaptação deficiente entre o circuito elétrico e a vela de ignição. Esse nível de energia gasto na vela de ignição é de aproximadamente 25% da energia consumida para impulsionar um veículo de 1250 kg, a 80 km/h, em uma es- trada plana. Quaisquer benefícios de eficiência no desempenho do motor seriam mais do que consumidos pelo aumento de energia no sistema de ig- nição.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um primeiro aspecto significativo da invenção é um injetor de plasma, ou dispositivo de ignição, para um motor de combustão interna, que inclui pelo menos primeiro e segundo eletrodos; meio para manter os eletro- dos em uma relação distanciada, predeterminada; e meio para montagem em um motor de combustão interna, com partes ativas dos eletrodos insta- ladas em um cilindro de combustão do motor. Os eletrodos são dimensiona- dos e configurados e seu espaçamento é organizado, de modo que quando uma voltagem suficientemente alta é aplicada sobre os eletrodos, enquanto o dispositivo de ignição é instalado em um motor de combustão interna, no meio de uma mistura gasosa de ar e combustível, um plasma é formado na mistura entre os eletrodos e o plasma se move para fora, de entre os eletro- dos, para um volume em expansão no cilindro, sob uma força Lorentz. A re- lação distanciada entre os eletrodos pode ser mantida circundando uma parte substancial dos eletrodos com material dielétrico, de modo que en- quanto a voltagem é aplicada aos eletrodos, o plasma se forma sobre a ou na vizinhança da superfície do material dielétrico. A voltagem pode ser di- minuída e fornecida corrente maior, para manter o plasma depois de sua formação inicial.

Tal como explicado mais particularmente no presente, outro as- pecto da invenção é um injetor de plasma, ou dispositivo de ignição, para um motor de combustão interna, uma modalidade do qual inclui dois eletro- dos que estão distanciados e têm superfícies de revestimento substancial- mente paralelas e circulares, entre as quais é formado um plasma que se move radialmente para fora na mistura de combustível-ar, por meio de uma voltagem aplicada sobre os eletrodos.

De acordo com outro aspecto da invenção, um injetor de plas- ma, ou dispositivo de ignição, para um motor de combustão interna inclui dois eletrodos longitudinais distanciados e substancialmente paralelos, en- tre os quais é formado um plasma que se move longitudinalmente para fora, por meio de uma alta voltagem aplicada sobre os eletrodos.

Outro aspecto da invenção, usável com os dois aspectos prece- dentes da invenção, é uma fonte de ignição, que obtém um núcleo de plas- ma de ignição fornecendo uma primeira voltagem suficientemente alta, para criar um canal formado de plasma entre os eletrodos e uma segunda volta- gem com potencial mais baixo do que a primeira voltagem, para sustentar corrente através do plasma no canal entre os eletrodos, de modo que um campo elétrico da diferença de potencial entre os eletrodos e o campo mag- nético associado à referida corrente interagem para criar uma força sobre o plasma, para fazer com que ele se mova para fora de sua região de origem e se expanda em volume.

De acordo com ainda um outro aspecto, a invenção compreende um dispositivo de ignição que inclui eletrodos distanciados e substancial- mente paralelos, incluindo pelo menos primeiros segundos eletrodos for- mando um vão de descarga entre os mesmos, em que a relação da soma dos raios dos eletrodos para o comprimento dos eletrodos é maior do que ou igual a aproximadamente quatro, enquanto a relação da diferença des- ses dois raios para o comprimento dos eletrodos é maior do que aproxima- damente um terço; um material dielétrico circunda uma parte substancial dos eletrodos e o espaço entre os mesmos; uma parte terminal não-isolada de cada um dos eletrodos está livre do referido material dielétrico e em rela- ção oposta uma à outra; e em que há um meio para montar o dispositivo de ignição, com as extremidades livres dos primeiros segundos eletrodos ins- taladas em um cilindro de combustão de um motor de combustão.

De acordo com ainda um outro aspecto da invenção, é obtido um dispositivo de ignição que inclui pelo menos dois eletrodos paralelos e distanciados, adaptados para formar vãos de descarga entre os mesmos, em que o raio do maior cilindro que pode encaixar-se entre os eletrodos é maior do que o comprimento dos eletrodos; um material dielétrico circunda uma parte substancial dos eletrodos e o espaço entre os mesmos; uma parte terminal não-isolada de cada um dos eletrodos está livre do material elétrico e em relação oposta uma à outra, sendo que às partes terminais estão designados os comprimentos dos eletrodos, e incluindo, ainda, um meio para montar o dispositivo de ignição, com as extremidades livres dos eletrodos em um cilindro de combustão de um motor.

Ainda um outro aspecto da invenção é um sistema de ignição por centelha móvel para um motor de combustão, que inclui um dispositivo de ignição e, juntamente com o mesmo ou separadamente do mesmo, um meio elétrico para obter uma diferença de potencial entre os eletrodos do dispositivo de ignição. O dispositivo de ignição inclui eletrodos substancial- mente paralelos e distanciados, que incluem pelo menos primeiros e segun- dos eletrodos formando um vão de descarga entre os mesmos, em que a relação da soma dos raios dos eletrodos para seus comprimentos é maior do que ou igual a aproximadamente quatro, enquanto a relação da diferença desses dois raios para os comprimentos dos eletrodos é maior do que apro- ximadamente um terço. Um material dielétrico, tal como cerâmica polarizá- vel, circunda uma parte substancial dos eletrodos e o espaço entre os mes- mos, sendo que uma parte terminal não-isolada de cada uma dos eletrodos está livre do material dielétrico e em relação oposta uma à outra. Está in- cluído um meio para montar o dispositivo de ignição, com as extremidades livres do primeiro e segundo eletrodos instaladas em um cilindro de com- bustão de um motor. Esses meio podem incluir roscas em um dos eletrodos. O meio elétrico para obter uma diferença de potencial entre os eletrodos fornece, inicialmente, uma primeira voltagem suficientemente alta, para criar um canal formado de plasma na mistura combustível-ar entre os ele- trodos e, depois, fornece uma segunda voltagem de potencial mais baixo do que a primeira voltagem, para sustentar uma corrente através do plasma no canal entre os eletrodos. Como resultado, um campo elétrico da diferença de potencial entre os eletrodos interage com um campo magnético, que se origina da referida corrente, de modo a criar uma força sobre o plasma para fazer com que ele se mova para fora de sua região de origem, o que faz com que o volume de plasma aumente.

De acordo com outro aspecto da invenção, está previsto um sistema de uma ignição por centelha móvel, que inclui um dispositivo de ig- nição e meio elétrico para fornecer seqüencialmente duas diferenças de potencial entre eletrodos do dispositivo de ignição. O dispositivo de ignição inclui pelo menos eletrodos paralelos, distanciados, adaptados para formar vãos de descarga entre os mesmos, em que o raio do maior cilindro que pode ser encaixado entre os referidos eletrodos é maior do que o compri- mento dos eletrodos; um material dielétrico circunda uma parte substancial dos eletrodos e um espaço entre os mesmos, material dielétrico que pode ser, por exemplo, um material cerâmico polarizável; uma parte terminal não- isolada de cada um dos eletrodos está livre do material dielétrico e em rela- ção oposta uma à outra, sendo que as partes terminais não-isoladas são os comprimentos citados acima dos eletrodos; e está previsto um meio para montar o dispositivo de ignição com as extremidades livres dos eletrodos em um cilindro de combustão de um motor, sendo que esse meio são, por exemplo, roscas dispostas em um dos eletrodos. O meio elétrico para forne- cer seqüencialmente diferenças de potencial entre os eletrodos fornece uma primeira diferença de potencial, que é suficientemente alta para criar um ca- nal formado de plasma entre os eletrodos, após o que a diferença de poten- cial é diminuída para uma segunda voltagem de potencial mais baixo do que a primeira voltagem, para sustentar uma corrente através do plasma no ca- nal entre os eletrodos. Um campo elétrico causado pela diferença de poten- cial entre os eletrodos interage com um campo magnético que se origina da corrente, de modo a criar uma força sobre o plasma para fazer com que ele se mova para fora de sua região de origem, para aumentar o volume elimi- nado do plasma.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

Diversas modalidades da invenção estão ilustradas e descritas abaixo com referência aos desenhos anexos, nos quais itens semelhantes estão identificados com os mesmos indicadores de referência, em que: Figura 1 é uma vista em corte transversal de uma pistola Mar- shall, com uma representação ilustrada de sua operação, que é útil para entender a invenção.

Figura 2 é uma vista em corte transversal de um dispositivo de ignição por centelha móvel, cilíndrico, para uma modalidade destas inven- ção, tomada através dos eixos do cilindro, incluindo dois eletrodos e em que o plasma produzido se move expandindo-se na direção axial.

Figura 3 é uma vista em corte transversal semelhante de um dispositivo de ignição por centelha móvel para outra modalidade da inven- ção, em que o plasma produzido se move expandindo-se na direção radial.

Figura 4 é uma representação da modalidade de dispositivo de ignição da Figura 2, associada a um diagrama esquemático de um circuito de ignição elétrico exemplificado, para operar o dispositivo de ignição, de acordo com uma modalidade da invenção.

Figura 5 é uma vista ilustrativa cortada de um dispositivo de ig- nição por centelha móvel para uma modalidade da invenção, tal como ins- talado em um cilindro de um motor.

Figura 6 é uma vista ilustrativa cortada de um dispositivo de ig- nição por centelha móvel para uma segunda modalidade da invenção, tal como instalado em um cilindro de um motor.

Figura 7 mostra um diagrama de circuito esquemático de outra modalidade de circuito de ignição de acordo com a invenção.

Figura 8 mostra uma vista em corte transversal de ainda outro dispositivo de ignição por centelha móvel para uma modalidade da inven- ção.

Figura 9A mostra uma vista em corte transversal longitudinal de outro dispositivo de ignição por centelha móvel para outra modalidade da invenção.

Figura 9B é uma vista da extremidade do dispositivo de ignição por centelha móvel da Figura 9A, mostrando as extremidades livres de ele- trodos opostos.

Figura 9C é uma vista ampliada de uma parte da Figura 9B.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A invenção é um iniciador ou dispositivo de ignição por centelha móvel (TSI) na forma de uma pistola Marshall em miniatura (pistola coaxial), com alta eficiência de transferência de energia elé- trica para criação de volume de plasma. Na modalidade da Figura 2, uma relação de uma soma dos raios (r2) e (r-ι) de um eletrodo exter- no e eletrodo interno, respectivamente, para o comprimento (I) dos eletrodos deve ser maior do que ou igual a 4, enquanto a relação da diferença desses dois raios (r2-r1 )=g1/2 para o comprimento (I) dos eletrodos, deve ser maior do que 1/3 (preferivelmente maior do que /4), tal como se segue: e gi é o espaço do vão entre os eletrodos.

Relações semelhantes são necessárias para a modalidade da Figura 3, onde r2 e ri da Figura 2 estão substituídos por R2 e Ri, tal como mostrado, o vão entre os eletrodos é g2, e o comprimento dos eletrodos é L.

Por conseguinte, A transferência de calor para a mistura combustível ocorre na forma de difusão de íons e radicais do plasma. O aumento muito grande de volume de plasma aumenta dramaticamente a velocidade da transferência de calor para a mistura combustível. O princípio da pistola de Marshall é descrito em primeiro lugar.

Segue-se uma descrição dos benefícios ambientais oferecidos por volumes de centelha maiores. Os detalhes da construção de um tal sistema são en- tão descritos com relação a diversas modalidades da invenção. O princípio da pistola de Marshall apresenta um modo eficaz de criar um volume grande de plasma. A apresentação esquemática na Figura 1 mostra o campo elétrico 2 e o campo magnético 4 em uma pistola de plasma coaxial ilustrativa, onde BT é o campo magnético poloidal dirigido ao longo da linha de campo 4. O plasma 16 é movido na direção 6 pela ação do vetor de força Lorentz F e expansão térmica, sendo que plasma novo é continuamente criado pela decomposição de gás fresco, à medida que a descarga continua. V2 é o vetor de velocidade do núcleo de plasma, também dirigido na direção z, representada pela seta 6. Desse modo, o plasma 16 cresce enquanto se move ao longo e através dos espaços entre os eletro- dos 10, 12 (que são mantidos em uma relação distanciada pelo isolador ou material dielétrico 14). Quando o plasma 16 deixa os eletrodos 10, 12, ele se expande em volume, resfriando-se no processo. Ele inflama a mistura combustível depois de ter se resfriado para a temperatura de ignição.

Felizmente, volume de plasma maior é coerente com estratégias reconhecidas para reduzir emissões e melhorar economia de combustível.

Duas dessas estratégias são para aumentar a diluição da mistura de gás dentro do cilindro e reduzir as variações de ciclo para ciclo. A diluição da mistura de gás, que mais usualmente é obtida pelo uso ou de ar excedente (fazendo o motor funcionar de modo pobre) ou re- circulação de gás de escapamento (EGR), reduz a formação de óxidos de nitrogênio baixando a temperatura da combustão. Óxidos de nitrogênio de- sempenham um papel crítico na formação de smog e sua redução é um dos desafios constantes para a indústria automotiva. A diluição da mistura de gás também aumenta a eficiência de combustível baixando a temperatura e, desse modo, diminuindo a perda de calor, através das paredes da câmara de combustão, melhorando a relação de calores específicos, e baixando as perdas de bombeamento a uma carga parcial.

Zeilinger determinou a formação de óxido de nitrogênio por hora de cavalo-força de trabalho realizado, como função da relação de ar para combustível, para três tempos de centelhamento diferentes (Zeilinger, K., tese de Ph.D, Universidade Técnica de Munique (1974)). Ele constatou que tanto a relação de ar para combustível como o tempo de centelhamento afetam a temperatura de combustão e, portanto, a formação de óxido de ni- trogênio. À medida que a mistura combustível ou relação de ar/combustível (A/F) é diluída com ar excedente (isto é, A/F maior do que estequiométrico), a temperatura cai. No início, esse efeito é diminuído pelo aumento na quan- tidade de oxigênio. A formação de Nox aumenta. Quando a mistura é diluída adicionalmente, a formação de Nox diminui para valores muito abaixo da- queles de uma mistura estequiométrica, porque o declínio da temperatura de combustão supera o aumento de 02.

Um tempo de centelhamento mais avançado (isto é, iniciando a ignição muitos graus antes do centro morto máximo) eleva a temperatura de pico e diminui a eficiência do motor, porque uma fração grande da mistura combustível queima-se antes que o pistão chegue ao centro morto máximo (TDC) e a mistura é comprimida para uma temperatura mais alta, portanto, levando a níveis de Nox muito mais altos e perdas de calor. À medida que a mistura é tornada pobre, o tempo de centelhamento, que dá o torque de fre- nagem máximo (tempo de MBT), aumenta. A diluição da mistura resulta em uma redução da densidade de energia e a velocidade de propagação da chama, que afetam a ignição e a combustão. A densidade de energia mais baixa reduz o calor liberado da reação química dentro de um determinado volume e, portanto, transfere o equilíbrio entre a liberação de calor química e o calor perdido para o gás circundante. Se o calor liberado for menor do que o perdido, a chama não se propaga. Um aumento no volume de ignição é necessário para garantir que a propagação da chama não reduza a velocidade, à medida que a den- sidade de energia da mistura combustível é diminuída.

Reduzir a velocidade da propagação da chama aumenta a dura- ção da combustão. O retardamento da ignição resulta do fato de que a frente da chama é muito pequena no início, o que faz com que cresça muito lentamente, uma vez que a quantidade da mistura de combustível-ar infla- mada é proporcional à área de superfície. 0 aumento do retardamento de ignição e a duração da combustão resultam em um aumento do avanço da centelha necessário para obter o torque máximo e diminui a quantidade de trabalho efetivo disponível. Um núcleo de ignição maior reduz o avanço no tempo de centelhamento necessário e, desse modo, reduz os efeitos adver- sos associados a esse avanço. (Esses efeitos adversos são uma dificuldade maior para inflamar a mistura combustível, devido à densidade mais baixa e temperatura no momento da centelhamento e um aumento da variação do retardamento de ignição, que faz com que a dirigibilidade se deteriore).

Variações cíclicas são causadas por variações inevitáveis na relação local de ar para combustível, temperatura, quantidade de gás resi- dual e turbulência. O efeito dessas variações sobre a pressão do cilindro se deve grandemente ao seu impacto sobre a velocidade de expansão inicial da chama. Esse impacto pode ser diminuído significativamente se for forne- cido um volume de centelha que seja consideravelmente maior do que os tamanhos médios das não uniformidades.

Uma diminuição das variações cíclicas das condições do motor reduz emissões e aumenta eficiência, reduzindo o número de ciclos de combustão deficientes, e ampliando o alcance da relação de ar e combustí- vel operacional do motor.

Quader determinou a fração de massa da mistura combustível que foi queimada como uma função do ângulo da manivela para dois tem- pos de partida diferentes (Quader, A., "What Limits Lean Operation in Spark Ignition Engines - Flame Initiation or Propagation?", SAE paper 760760 (1976). Seu motor estava funcionando de modo muito pobre (i.e, uma rela- ção de equivalência de aproximadamente 0,7), a 1200 rpm e a 60% de afo- gador. A fração de massa queimada não mudou imediatamente de modo perceptível depois de ter ocorrido a centelha (existe um intervalo em que dificilmente pode ser detectada qualquer queima, usualmente conhecido como o retardamento de ignição). Isto deve-se ao volume muito pequeno da centelha e a duração lenta da combustão, devido à pequena área de super- fície e temperatura relativamente baixa. Quando uma pequena porcentagem da mistura combustível foi queimada, a velocidade de combustão aumenta, lentamente no início e depois mais rapidamente, à medida que a frente da chama aumenta. O desempenho do motor nesses dois tempos de centelha- mento é deficiente. No caso de 60° de B.T.D.C. (antes do tempo de ignição do centro morto máximo), uma quantidade grande demais da mistura é queimada, enquanto o pistão está comprimindo a mistura, portanto, é reali- zado trabalho negativo. O aumento de pressão se opõe aos cursos de com- pressão do motor. No caso de tempo de B.T.D.C. de 40°, uma fração consi- derável da mistura é queimada depois que os cursos de expansão se inicia- ram, desse modo reduzindo o trabalho efetivo disponível. A interseção de uma linha queimada de 4% com as curvas de- terminadas por Quader, ld., mostra a vantagem potencial que um grande volume de centelhamento, se estivesse disponível, teria em eliminar o retar- damento de ignição. Para a curva de centelhamento de B.T.D.C. de 60°, se o tempo de centelhamento for mudado de 60° para 22° de B.T.D.C., uma mudança de aproximadamente 40 graus, a velocidade da mudança da fra- ção de massa queimada é mais alta, porque a densidade da mistura com- bustível é mais alta no momento da ignição. Para a curva de tempo de cen- telhamento de B.T.D.C. de 40°, se o tempo for mudado de 40° para 14° de B.T.D.C., uma mudança de aproximadamente 25 graus, a mistura combustí- vel será completamente queimada em um ponto mais próximo a TDC, desse modo aumentando a eficiência.

Os argumentos acima ilustram claramente a importância de um aumento no volume de centelhamento, para emissão reduzida e economia de combustível aperfeiçoada. Com o sistema de TSI da presente invenção, o avanço de centelha necessário para eficiência máxima pode ser reduzido em 20° a 30°, ou mais.

Enquanto aumenta o volume do centelhamento, o sistema de TSI também obtém que a centelha seja movida mais profundamente para dentro da mistura combustível, com o efeito de reduzir a duração de com- bustão. A construção de um sistema de TSI prático é descrita agora para diversas modalidades exemplificadas da invenção.

De acordo com a presente invenção, são previstas (a) uma pe- quena pistola de plasma ou dispositivo de ignição por centelha móvel (também conhecido como TSI), que substitui uma vela de ignição convenci- onal e (b) circuito de disparo (isto é ignição) eletrônico especialmente adaptado. Adaptar o circuito eletrônico aos parâmetros da pistola de plasma (comprimento dos eletrodos, diâmetros de cilindros coaxiais, duração da descarga) maximiza o volume do plasma quando ele deixa a pistola para uma determinada reserva de energia elétrica. Por escolha adequada dos parâmetros do circuito eletrônico, é possível obter perfis de corrente e tem- po de voltagem, de modo que substancialmente o máximo de energia elétri- ca é transferido para o plasma.

Preferivelmente, o sistema de ignição de TSI da presente inven- ção não usa mais do que aproximadamente 300 mJ por ignição. Em con- traste, dispositivos de ignição de plasma e de pistola Marshall antigos não atingiram utilidade prática, porque eles usavam energias de ignição muito maiores (por exemplo, 2-10 joules por ignição), o que causava uma rápida erosão do dispositivo de ignição e vida curta. Outros ganhos de eficiência no desempenho de motor foram anulados por consumo aumentado de ener- gia do sistema de ignição.

Até agora, pensava-se que o princípio de projeto apropriado era gerar plasma móvel com uma velocidade muito alta, que penetraria na mis- tura combustível para criar um alto nível de turbulência e inflamaria um vo- lume grande dessa mistura. Isto foi obtido usando-se um comprimento rela- tivamente longo de eletrodos, com um vão relativamente pequeno entre os mesmos. Por exemplo, uma relação de aspecto de comprimento de eletrodo para vão de descarga maior que 3 e, preferivelmente 6-10, foi proposta por Matthews et al., supra. Em contraste, a presente invenção usa um compri- mento relativamente curto de eletrodos, com um vão relativamente grande entre os mesmos.

Considere-se que a energia cinética do plasma é proporcional ao produto de massa de plasma, Mp por sua velocidade, vp, ao quadrado, tal como se segue: Duplicar a velocidade do plasma multiplica a energia cinética quatro vezes. A massa do plasma é pp x Volp, onde pp e Volp são a densida- de do plasma e o volume do plasma, respectivamente. Portanto, se o volu- me do plasma for duplicado, à mesma velocidade, a energia necessária é apenas duplicada. A presente invenção aumenta a relação de volume de plasma para energia necessária para formar o plasma. Isto é feito obtendo-se rapi- damente uma velocidade de plasma modesta.

Presumindo-se um formato esférico para o volume de plasma de ignição, a área de superfície do volume aumenta como o quadrado do raio do volume. A ignição da mistura combustível ocorre na superfície do volume de plasma, depois de o plasma ter se expandido e resfriado para a tempe- ratura de ignição da mistura combustível. Portanto, a velocidade à qual a mistura combustível queima depende, inicialmente, principalmente da tem- peratura do plasma e não de sua velocidade inicial. Conseqüentemente, maximizar a relação de volume e temperatura de plasma para energia apli- cada de plasma, maximiza a eficiência da energia elétrica aplicada, acele- rando a combustão da mistura combustível. A resistência, D, sobre o volume de plasma em expansão é pro- porcional à densidade da mistura combustível, pc, e o quadrado da veloci- dade do plasma em expansão, vp, tal como se segue: O tamanho da força elétrica, F, para expandir o plasma é pro- porcional à corrente de descarga, I, ao quadrado. Equacionando essas duas forças, obtém-se o seguinte: O raio r, do volume de plasma, Volp, é proporcional a 0ftD, (1)) vp(t)dt, onde tD é a duração da descarga. O volume do plasma é proporcio- nal ao cubo do raio r, enquanto o raio do volume de plasma é proporcional a 0ftD l(t)dr=Q, a carga elétrica inserida no plasma. Portanto, o volume do plasma é proporcional a Q3.

Se a fonte de energia elétrica for a que está armazenada em um capacitor, então Q=VC, onde V é a voltagem à qual a carga Q é armazena- da e C é a capacitância; e a energia armazenada no capacitor é E=1/2CV2.

Para maximizar o volume de plasma para determinada energia, a relação de volume de plasma, Volp, para energia elétrica, E, tem de ser maximizada. Volp/E é proporcional a CWCV2, que é C2V. Para uma deter- minada energia constante E=1/2CV2, C é proporcional a V2. Por conse- guinte, Volp/E é proporcional a V3.

Portanto, a modalidade de circuito ótima é a que armazena a energia elétrica desejada em um capacitor grande, a uma voltagem baixa.

Para aumentar eficiência, portanto, a descarga deve ocorrer à voltagem a menor possível. Para esse fim, de acordo com a invenção a des- carga inicial de energia elétrica ocorre na superfície de um isolador e um abastecimento de energia é usado para aumentar a condutividade do vão próximo à superfície daquele isolador e a fonte principal de energia de des- carga é armazenada e fornecida à voltagem a menor possível, que seja efi- caz para criar o plasma de modo confiável.

Um outro objetivo, preferivelmente, é evitar recombinação da grande quantidade de íons e elétrons da centelha móvel (plasma) nas pare- des dos eletrodos. As perdas de energia devidas à recombinação de íons e elétrons diminuem a eficiência do sistema. Como os processos de recombi- nação aumentam com o tempo, a formação de íons deve ocorrer rapida- mente, para minimizar a probabilidade de interação de íons com as paredes.

Para reduzir a recombinação, portanto, o tempo de descarga deve ser curto.

Isto pode ser obtido atingindo-se a velocidade desejada sobre uma distância de deslocamento curta.

Existe um segundo mecanismo de perda: a força de resistência sobre o plasma quando ela atinge a mistura combustível à frente de seu curso. Essas perdas variam como o quadrado da velocidade. Portanto, a velocidade de saída deve ser a mais baixa possível, para reduzir ou minimi- zar essas perdas. O alto volume que é desejado, associado à necessidade de descarga rápida, leva a uma estrutura caracterizada por um comprimento ( curto para o deslocamento de plasma, com um vão relativamente grande entre os eletrodos. Essa exigência é especificada geometricamente pelos dois pares de relação descritos com referência às Figuras 2 e 3, acima. O que isso significa com relação a dimensões físicas? Se o vo- lume do plasma em uma descarga de ponto a ponto de uma vela de ignição convencional é de aproximadamente 1 mm3, seria desejável, preferivelmen- te, criar um volume de plasma pelo menos 100 vezes maior, isto é, Volp = 100 mm3. Portanto, usando-se a configuração da Figura 2, um exemplo que satisfaz essas condições deve ter: comprimento t = 2,5 mm, o raio (dentro) do eletrodo cilíndrico de diâmetro maior sendo r2 = 5,8 mm (este seria um raio típico do eletrodo cilíndrico usando-se o vão de ignição convencional, com um diâmetro de rosca de 14 mm) e o raio do eletrodo cilíndrico de diâ- metro menor sendo n = 4,6 mm.

Tal como mostrado nas modalidades das Figuras 2 e 3, TS117, 27, respectivamente, compartilham muitos dos mesmos atributos físicos de uma vela de ignição convencional, tal como meio de montagem ou roscas 19 padronizados, um conector 21 de vela de ignição macho padronizado e um isolador 23. No entanto, as pontas ou partes formadoras de plasma dos TS117 e 27, respectivamente, diferem significativamente de velas de ignição convencionais. Em um Dispositivo de Ignição por Centelha Móvel (TSI)para uma modalidade da presente invenção, tal como mostrada na Figura 2, um eletrodo interno 18 é disposto com uma parte inferior estendendo-se coaxi- almente no volume aberto interno do conector 21 de pé distai do eletrodo externo 20. O espaço entre os eletrodos está preenchido com um material isolante 22 (por exemplo, cerâmica), exceto pelos últimos 2 a 3 mm, neste exemplo, na extremidade do dispositivo de ignição 17, sendo que essa dis- tância é mostrada como C. O espaço ou vão de descarga g! entre os eletro- dos pode ter uma distância radial de aproximadamente 1,2 a aproximada- mente 1,5 mm, neste exemplo. Essas distâncias para t e g, são importantes pelo fato de que o TSI preferivelmente trabalha como um sistema com os dispositivos eletrônicos correspondentes (descritos abaixo), a fim de obter eficiência máxima. Uma descarga entre os eletrodos 18-20 inicia-se ao lon- go da superfície interna exposta do isolador 23, uma vez que é necessária uma voltagem mais baixa para iniciar uma descarga ao longo da superfície de um isolador do que no gás, a alguma distância da superfície do isolador.

Quando a voltagem é aplicada, o gás (mistura de ar/combustível) é ionizado pelo campo elétrico resultante, criando um plasma 24, que se torna um bom condutor e sustenta uma corrente entre os eletrodos a uma voltagem mais baixa. Essa corrente ioniza mais gás (mistura de ar/combustível) e dá ori- gem a uma força Lorenz, que aumenta o volume do plasma 24. No TSI da Figura 2, o plasma acelera-se para fora da "vela de ignição" 17 na direção axial. A Figura 3 mostra um TSI 27 com um eletrodo interno 25, que está disposto coaxialmente no eletrodo externo 28. O espaço entre os ele- trodos 26 e 28 está preenchido com um material isolante 30 (por exemplo, cerâmica). A característica distintiva principal da modalidade da Figura 3 em relação à Figura 2, é que há uma superfície 26 de eletrodo em formato de disco (circular), plana, formada de modo inteiriço com ou unida à extremida- de livre do eletrodo central 25, estendendo-se transversalmente ao eixo lon- gitudinal do eletrodo 25 e voltada para o eletrodo 28. Observe, ainda, que o plano horizontal do disco 26 está paralelo à cabeça de pistão associada (não-mostrada), quando o dispositivo de ignição 27 de plasma é instalado em um cilindro de pistão. A superfície terminal do eletrodo 28, que está vol- tada para o eletrodo 26, também é de um formato circular, substancialmente plano, que se estende paralelamente à superfície oposta do eletrodo 26.

Como resultado, é formada uma cavidade 29 anular entre superfícies opos- tas dos eletrodos 26 e 28. Mais precisamente, há duas superfícies dos ele- trodos 26 e 28 substancialmente paralelas, distanciadas e orientadas para estarem paralelas à parte superior de uma cabeça de pistão associada, contrariamente à modalidade da Figura 2, em que os eletrodos se estendem perpendicularmente a uma cabeça de pistão, quando em uso. Considere-se que quando a mistura de ar/combustível é inflamada, o pistão associado "sobe" e está próximo à vela de ignição ou dispositivo de ignição 27, de modo que ele está preferivelmente mais longe do vão 29 do dispositivo de ignição 27 para a parede do cilindro associado do que da cabeça do pistão.

Por conseguinte, a direção de movimento preferida para que o plasma obte- nha o máximo de interação com a mistura, é do vão 29 para a parede do ci- lindro. Os eletrodos 26 e 28, essencialmente paralelos, estão substancial- mente paralelos à maior dimensão do volume da mistura combustível no momento da ignição, em vez de estar orientados perpendicularmente a essa dimensão e em direção à cabeça do pistão, tal como na modalidade da Fi- gura 2, e na técnica anterior. Constatou-se que quando são usadas as mesmas condições elétricas para energizar os dispositivos de ignição 17 e 27, os comprimentos í e L de aceleração do plasma, respectivamente, são substancialmente iguais, para obter produção ótima de plasma. Também, para TSI 27, sob essas condições, as seguintes medidas funcionam bem: o raio do eletrodo de disco 26 é R2 = 6,8 mm, o raio da cerâmica de isola- mento é R! = 4,3 mm, o vão entre os eletrodos g2 = 1,3 mm e o comprimento L = 2,5mm.

Na modalidade da Figura 3, o plasma 32 começa no vão de descarga 29 na superfície do isolador 25 e cresce e se expande para fora na direção radial das setas 29A. Isto oferece diversas vantagens adicionais sobre a modalidade de TSI da Figura 2. Em primeiro lugar, a área de super- fície do eletrodo de disco 26 exposta ao plasma 32 é substancialmente igual à da parte terminal do eletrodo 28 externo exposta ao plasma 32. Isto signi- fica que a erosão da parte interna do eletrodo 26 de disco pode ser espera- da para ser significativamente menor do que a da parte exposta do eletrodo interno 18 do TS117 da Figura 2, sendo que esse último tem uma área de superfície muito menor exposta ao plasma. Em segundo lugar, o material isolante 30 no TSI 27 da Figura 3 oferece uma via condutora de calor adici- onal para o eletrodo 26. O material isolante 30 adicional mantém o metal do eletrodo interno 25, 26 mais frio do que o eletrodo 18 na Figura 2, desse modo aumentando a confiabilidade do TSI 27 em relação ao TSI 17. Final- mente, usando-se o TSI 27, o plasma não irá colidir com e, talvez, erodir a cabeça de pistão associada.

As Figuras 5 e 6 representam ilustrativamente as diferenças nas trajetórias de plasma entre TS117 da Figura 2 e TSI 27 da Figura 3, quando instalados em um motor. Na Figura 5, um TS117 está montado em uma ca- beça de cilindro 90, associada a um cilindro 92 e um pistão 94, que se mo- vimenta alternadamente - isto é, move-se para cima e para baixo - no cilin- dro 92. Tal como em qualquer motor de combustão interna convencional, quando a cabeça do pistão 96 se aproxima do centro morto superior, o TSI 17 é energizado. Isto produz o plasma 24, que se desloca na direção da seta 98, apenas por uma curta distância em direção à ou para a cabeça do pistão 96. Durante esse deslocamento, o plasma 24 inflama a mistura de ar/combustível (não-mostrada) no cilindro 92. A ignição se inicia n vizinhan- ça do plasma 24. Em contraste a esse deslocamento de plasma 24, o TSI, tal como mostrado na Figura 6, obtém que o plasma 32 desloque-se na di- reção das setas 100, resultando na ignição de uma quantidade maior da mistura de ar/combustível do que a obtida pelo TSI 17, tal como explicado previamente.

Os materiais de eletrodo podem incluir qualquer condutor apro- priado, tal como aço, metais revestidos, aço chapeado com platina (para re- sistência à erosão ou "motores de desempenho"), cobre e metais de ele- trodo de alta temperatura, tal como molibdênio ou tungstênio, por exemplo. O metal pode ser de expansão térmica controlada, tal como Kovar (uma marca registrada e produto de Carpenter Technology Corp.) e revestido com um material tal como óxido cuproso, de modo a produzir boas vedações subseqüentes em vidro ou cerâmica. Materiais de eletrodo também podem ser escolhidos para reduzir consumo de energia. Por exemplo, tungstênio toriado pode ser usado, uma vez que sua ligeira radiatividade pode ajudar a ionizar previamente o ar entre os eletrodos, possivelmente diminuindo a voltagem de ignição necessária. Também, os eletrodos podem ser feitos de materiais magnéticos permanentes de alta temperatura Curie, polarizados para ajudar a força Lorentz a expelir o plasma.

Os eletrodos, exceto por alguns poucos milímetros na extremi- dade, são separados por um isolador ou material isolante, que é um material dielétrico elétrico, polarizável, de alta temperatura. Esse material pode ser porcelana, ou uma cerâmica queimada com um vidrado, tal como é usado em velas de ignição convencionais, por exemplo. Alternativamente, ele pode ser formado de cimento refratário, uma cerâmica de vidro trabalhada em máquina, tal como Macor (uma marca registrada e produto de Corning Glass Company), ou alumina moldada, zircônia estabilizada ou similar, queimado e selado aos eletrodos de metal com uma frita de vidro de solda, por exem- plo. Tal como acima, a cerâmica também pode compreender um material magnético permanente, tal como ferrita de bário.

Em termos de operação das modalidades das Figuras 2 e 3, quando os eletrodos 18, 20 e 25, 26, respectivamente, são ligados ao res- tante do sistema de TSI, eles se tornam parte de um sistema elétrico que também compreende um circuito elétrico para obter diferenças de potencial que sejam suficientemente altas para criar uma centelha no vão entre os respectivos pares de eletrodos. O campo magnético resultante que circunda a corrente nos eletrodos e no canal de centelhamento, para cada modalida- de da invenção, interage com o campo elétrico para criar uma força Lorentz no material nos canais de centelhamento; esse efeito faz com que o ponto de origem do canal de centelhamento mova-se, e não permaneça fixo em posição, desse modo aumentando a área de seção transversal dos canais de centelhamento, tal como descrito previamente. Isto está em contraste com os sistemas de ignição por centelha tradicionais, em que o ponto de origem da centelha permanece fixo. Circuitos eletrônicos adaptados aos TSI 17 e 27 completam o sistema de TSI para cada modalidade, e são descritos nos exemplos a seguir.

Exemplo 1 A Figura 4 mostra a vela de TSI ou dispositivo de ignição 17, com uma representação esquemática dos elementos básicos de um circuito de ignição elétrica ou eletrônica ligado ao mesmo, que fornece a voltagem e corrente para a descarga (plasma). (Os mesmos circuitos e elementos de circuito podem ser usados para operar o TSI 27). Uma descarga entre os dois eletrodos 18 e 20 inicia-se ao longo da superfície 56 do material iso- lante 22. O gás (mistura de ar/combustível) é ionizado pela descarga, crian- do um plasma 24, que se torna um bom condutor de corrente e permite cor- rente entre os eletrodos a uma voltagem mais baixa do que aquela que deu início ao plasma. Essa corrente ioniza mais gás (mistura de ar/combustível) e aumenta o volume do plasma 24. O circuito elétrico mostrado na Figura 4 inclui um sistema de ig- nição 42 convencional (por exemplo, ignição por descarga capacitiva, DCI, ou ignição por bobina transistorizada, TCI), um abastecimento de baixa voltagem (Vs) 44, capacitores 46 e 48, diodos 50 e 52 e um resistor 54. O sistema de ignição 42 convencional fornece a alta voltagem necessária para decompor ou ionizar a mistura de ar/combustível no vão ao longo da super- fície 56 do TS117. Uma vez que a via condutora tenha sido estabelecida, o capacitor 46 rapidamente descarrega através do diodo 50, fornecendo uma alta entrada de energia, ou corrente, no plasma 24. Os diodos 50 e 52 são necessários par isolar eletricamente a bobina de ignição (não-mostrada) do sistema de ignição 42 convencional do capacitor 46 relativamente grande (entre 1 e 4 pF). Se os diodos 50, 52 não estivessem presentes, a bobina não podería produzir uma alta voltagem, devido à baixa impedância forneci- da pelo capacitor 46. Em vez disso, a bobina iria carregar o capacitor 46. A função do resistor 54, do capacitor 48 e da fonte de voltagem 44 é recarre- gar o capacitor 46 depois de um ciclo de descarga. O resistor 54 é uma ma- neira de evitar um curso de corrente de baixa resistência entre a fonte de voltagem 44 e o vão de centelhamento do TS117.

Observe que o circuito da Figura 4 está simplificado, para fins de ilustração. Em uma aplicação comercial, o circuito da Figura 7 descrito abaixo sob o cabeçalho "Exemplo 2" é preferido para recarregar o capacitor 46 de um modo mais eficiente em energia, usando um circuito ressonante.

Além disso, o sistema de ignição 42 convencional, cujo único propósito é criar a decomposição inicial, está modificado para usar menos energia e para descarregar mais rapidamente do que tem sido convencional. Pratica- mente toda energia de ignição é abastecida pelo capacitor 46. A modifica- ção é, principalmente, reduzir a indutância de bobina de alta voltagem pelo uso de menos voltas secundárias. Isto é possível porque a descarga inicial pode ser de uma voltagem muito mais baixa quando a descarga ocorre so- bre uma superfície isolante. A voltagem necessária pode ser de aproxima- damente um terço da necessária para produzir uma decomposição gasosa no ar. A corrente através do eletrodo central 18 e o plasma 24 para o eletrodo externo 20 cria em torno do eletrodo central 18 um campo magnéti- co BT (l,r) poloidal (angular), que depende da corrente e da distância (raio r, veja Figura 1) do eixo do eletrodo 18. Por conseguinte, a corrente I que cor- re através do plasma 24, perpendicular ao campo magnético B poloidal, gera uma força F Lorentz sobre as partículas carregadas no plasma 24, ao longo da direção axial z dos cilindros 18, 20. A força é computada tal como se segue na equação (6): Essa força acelera as partículas carregadas, o que, devido a co- lisões com partículas não carregadas, acelera todo o plasma. Observe que o plasma consiste em partículas carregadas (elétrons e íons) e átomos neu- tros. A temperatura não é suficientemente alta na descarga para ionizar completamente todos os átomos.

As pistolas Marshall originais como fonte de plasma para dispo- sitivos de fusão eram operadas em um vácuo, com um pulso curto de inje- ção de gás entre os eletrodos. O plasma criado entre os eletrodos pela des- carga de um capacitor era acelerado em uma distância de uma dúzia de centímetros para uma velocidade final de aproximadamente 107 cm/s. A pistola de plasma usada como dispositivo de ignição de motor no presente opera a uma pressão relativamente alta do gás (mistura de ar/combustível). A força de resistência F„ de um tal gás é aproximadamente proporcional ao quadrado da velocidade do plasma, tal como mostrado abaixo: A distância sobre a qual o plasma acelera-se é curta (2-3mm).

Na verdade, ensaios mostraram que aumentar o comprimento da distância de aceleração do plasma para além de 2 a 3 mm, não aumenta significati- vamente a velocidade de saída de plasma, embora energia elétrica armaze- nada no capacitor 46 tenha de ser significativamente aumentada. A pres- sões atmosféricas e para energia elétrica aplicada de aproximadamente 300 mJ, a velocidade média está próxima a 5X104 cm/s e é mais baixa a pressão alta no motor. A uma relação de compressão de 8:1, essa velocidade média é de aproximadamente 3x104 cm/s.

Em contraste, se mais energia é introduzida em uma única des- carga de uma vela convencional, sua intensidade é de algum modo aumen- tada, mas o volume do plasma criado não aumenta significativamente. Em uma vela convencional, uma fração muito maior da entrada de energia vai para o aquecimento dos eletrodos quando a condutividade da via de des- carga é aumentada.

Exemplo 2 Os dispositivos de ignição de TSI 17 e 27 das Figuras 2 e 3, respectivamente, podem ser combinados com os dispositivos eletrônicos de ignição mostrados na Figura 7. Os dispositivos eletrônicos de ignição po- dem ser divididos em quatro partes, tal como mostrado: os circuitos primário e secundário 77, 79, respectivamente, e seus circuitos de carga 75, 81 as- sociados, respectivamente. O circuito secundário 79, por sua vez, está divi- do em uma seção de alta voltagem 83 e uma seção de baixa voltagem 85.

Os circuitos primário e secundário 77, 79, respectivamente, cor- respondem aos enrolamentos primário 58 e secundário 60 de uma bobina de ignição 62. Quando o SCR 64 é ligado por meio de um sinal de disparo para sua entrada 65, o capacitor 66 descarrega através do SCR 64, o que provoca uma corrente no enrolamento primário 58 da bobina. Isto, por sua vez, confere uma alta voltagem sobre o enrolamento secundário 60 associ- ado, o que faz com que o gás no vão de centelhamento 68 se decomponha e forme uma via condutora, isto é, um plasma. Uma vez criado o plasma, são ligados os diodos 86 e o capacitor secundário 70 descarrega. O símbolo de vão de centelhamento 68 é representativo de um dispositivo de ignição, de acordo com a invenção, tal como, por exemplo, os dispositivos de TSI 17 e 27 das Figuras 2 e 3, respectivamente.

Depois que os capacitares primário e secundário 66 e 70 tive- rem descarregado, eles são recarregados por seus respectivos circuitos de recarga 75 e 81. Os dois circuitos de carga 75, 81 incorporam um indutor 72, 74 (respectivamente) e um diodo 76, 78 (respectivamente), juntamente com um abastecimento de energia 80, 82 (respectivamente). A função do indutor 72, 74 é evitar que os abastecimentos de energia sofram curto- circuito através do dispositivo de ignição. A função dos diodos 76 e 78 é evitar oscilações. O capacitor 84 evita que a voltagem V2 do abastecimento de energia 82 passe por grandes flutuações.

Os abastecimentos de energia 80 e 82 abastecem, ambos, na ordem de 500 volts ou menos para voltagens Vi e V2, respectivamente. Eles podem ser combinados em um abastecimento de energia. (Em ensaios rea- lizados pelos inventores, esses abastecimentos de energia foram medidos separados para tornar mais fácil que as duas voltagens fossem variadas de modo independente). Os abastecimentos de energia 80 e 82 podem ser conversores de CD para CD de um sistema de CDI (ignição de descarga capacitiva), que pode ser dotado de energia por uma bateria de carro de 12 volts, por exemplo.

Uma parte essencial do circuito de ignição da Figura 7 são um ou mais diodos de corrente alta 86, que têm uma voltagem de decomposi- ção de alta reversão, maior do que a voltagem de decomposição máxima do vão de centelhamento, tanto do TS117 como do TSI 27, para todas as con- dições operacionais do motor. A função dos diodos 86 é isolar o capacitor 70 secundário da bobina de ignição 62, por bloqueamento de corrente do enrolamento secundário 60 para o capacitor 70. Se esse isolamento não es- tivesse presente, a voltagem secundária da bobina de ignição 62 carregaria o capacitor secundário 70 e, dada uma capacitância grande, a bobina de ignição 62 nunca seria capaz de desenvolver uma voltagem suficientemente alta para decompor a mistura de ar/combustível no vão de centelhamento 68. O diodo 88 evita que o capacitor 70 descarregue através do en- rolamento secundário 60 quando não houver centelha ou plasma. Finalmen- te, o resistor 90 opcional pode ser usado para reduzir corrente através do enrolamento secundário 60, desse modo reduzindo a radiação eletromagné- tica (ruído de rádio) emitida pelo circuito.

No presente sistema de TSI, um eletrodo de disparo pode ser adicionado entre os eletrodos interno e externo das Figuras 2 a 4, para bai- xar a voltagem no capacitor 70 na Figura 7. Um desses dispositivos de igni- ção de três eletrodos é mostrado na Figura 8 e está descrito no parágrafo seguinte.

Na Figura 8, um dispositivo de ignição 101 de plasma de três eletrodos está mostrado esquematicamente. Um eletrodo interno 104 está disposto coaxialmente dentro do eletrodo externo 106, ambos com diâme- tros na ordem de vários milímetros. Radialmente entre o eletrodo interno 104 e o externo 106 há um terceiro eletrodo 108. O terceiro eletrodo 108 es- tá ligado a uma bobina 110 de alta voltagem (HV). O terceiro eletrodo 108 inicia uma descarga entre os dois eletrodos 104 e 106 principais carregando a superfície 114 exposta do isolador 112. O espaço entre todos os três ele- trodos 104,106,108 está preenchido com material isolante 112 (por exem- plo, cerâmica), exceto pelo último espaço de 2-3 mm entre os eletrodos 104 e 106, na extremidade de combustão do dispositivo de ignição 101. Uma descarga entre os dois eletrodos 104 e 106 principais, depois de iniciada pe- lo terceiro eletrodo 108, começa ao longo da superfície 114 do isolador 112. O gás (mistura de ar-combustível) é ionizado pela descarga. Essa descarga cria um plasma, que se torna um bom condutor elétrico e permite um au- mento no tamanho da corrente. A corrente aumentada ioniza mais gás (mis- tura de ar-combustível) e aumenta o volume do plasma, tal como explicado previamente. A alta voltagem entre a ponta do terceiro eletrodo 108 e o ele- trodo externo 106 fornece uma descarga de corrente muito baixa, que é su- ficiente para criar partículas carregadas suficientes na superfície 114 do isolador 112, para que o capacitor principal descarregue entre os eletrodos 104 e 106 ao longo da superfície 104 do material dielétrico ou isolador 112.

Tal como mostrado nas Figuras 9A, 9B e 9C, outra modalidade da invenção inclui um dispositivo de ignição de centelha móvel 120 com eletrodos 122 e 124 em forma de vareta, paralelos, tal como mostrado. Os eletrodos 122,124 paralelos têm uma parte substancial de seus respectivos comprimentos encapsulada por material isolante dielétrico 126, tal como mostrado. Uma extremidade superior do material dielétrico 126 sustenta um conector de pé 21 de vela de ignição, que está fixado tanto mecanicamente como eletricamente na extremidade superior do eletrodo 122. O material di- elétrico 126 sustenta rigidamente os eletrodos 122 e 124, paralelos, e uma parte sustenta rigidamente o corpo metálico externo 128, que tem roscas 19 de montagem em torno de uma parte inferior, tal como mostrado. O eletrodo 124 está fixado tanto mecanicamente como eletricamente em uma parede interna do corpo metálico 128 por meio de um encaixe 130 rígido, tal como mostrado neste exemplo. Tal como mostrado na Figura 9A, cada um dos eletrodos 122 e 124 estende-se por uma distância I para fora da superfície da extremidade inferior do material dielétrico 126.

Com referência às Figuras 9B e 9C, os eletrodos 122 e 124 es- tão afastados por uma distância 2r, onde r é o raio do maior cilindro que pode encaixar-se entre os eletrodos 122,124 (veja Figura 9C).

Embora diversas modalidades da invenção estejam mostradas e descritas no presente, elas não pretendem ser limitadoras, uma vez que elas são mostradas apenas a título de exemplo. Por exemplo, os eletrodos 18 e 20 do TS117, e 25 do TSI27 podem ser diferentes de cilíndricos. Tam- bém, o eletrodo 26 em formato de disco pode ser diferente de circular - uma vareta reta, por exemplo. Para o TSI 17, os eletrodos 18 e 20 também po- dem ser diferentes de coaxiais, tal como varetas paralelas ou configurações retangulares alongadas, paralelas. Embora os eletrodos sejam mostrados apresentando comprimentos iguais, isto também pode ser variado, caso em que o termo "comprimento", tal como usado nas reivindicações, refere-se à dimensão da sobreposição do eletrodo ao longo da direção da ejeção de plasma do dispositivo de ignição. Os que são peritos na técnica irão aceitar ainda outras modificações nas modalidades, modificações essas que pre- tende-se que sejam cobertas pelo espírito e alcance das reivindicações apensas.

Claims (9)

1. Sistema de ignição por centelha móvel (TSI) para uma câmara de combustão, que compreende um dispositivo de ignição (17, 27, 100), e meios elétricos (102) para proporcionar uma diferencial de potencial elétrico ao dispositivo de ignição, o dispositivo de ignição compreendendo: primeiro e segundo eletrodos (18,20; 26,28; 104,106; 122,124) substancialmente paralelos e interespaçados por um material dieléctrico (22; 30; 114; 126) que preenche um parte substancial do espaço entre os eletro- dos (18, 20; 26, 28; 104, 106; 122, 124) ao longo de uma porção dos com- primentos destes de modo cada eletrodo possui uma porção de extremidade não insulada que é livre do material dielétrico e em relação oposta ao outro eletrodo, definindo um vão de descarga (gi; g2) representado pela distância entre os eletrodos; e meios para montar o referido dispositivo de ignição (17,27,100), com as referidas porções de extremidade livres dos referidos primeiro (18; 26; 104; 122) e segundo (20; 28; 106; 124) eletrodos instaladas em uma câ- mara de combustão (92), sendo que os referidos meios elétricos (102) são configurados para aplicar inicialmente uma primeira voltagem aos eletrodos (18, 20; 26, 28; 104, 106; 122,124) para criar um arco de descarga entre os eletrodos e uma segunda voltagem para manter a plasma, caracterizado pelo fato de que: a relação entre o referido vão de descarga (gi; g2) e o compri- mento da porção de extremidade não insulada dos eletrodos (18, 20; 26, 28; 104,106; 122,124) é pelo menos um terço; e o vão de descarga (gi; g2) possui uma largura (I; L) igual à di- mensão da porção de extremidade não isolada dos eletrodos (18,20; 26, 28; 104, 106; 122, 124), a largura (I; L) sendo delimitada em um lado por uma superfície do material dielétrico (22; 30; 114; 126) e aberta no outro lado.

2. Sistema de ignição por centelha móvel (TSI) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos meios elétricos são caracterizados pelo fato de incluírem: uma primeira fonte de voltagem (42, 80, 110) para fornecer a referida primeira voltagem com uma amplitude relativamente alta, mas baixa magnitude de corrente; e uma segunda fonte de voltagem (44, 82, 124) para fornecer a referida segunda fonte de voltagem de amplitude substancialmente mais baixa do que a primeira voltagem, mas com magnitude de corrente mais alta em relação àquela da referida primeira fonte de voltagem.

3. Sistema de ignição por centelha móvel (TSI) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: o referido dispositivo de ignição (17, 27, 100) inclui ainda um ter- ceiro eletrodo (108) localizado entre os referidos primeiro (104) e segundo (106) eletrodos; e a referida primeira voltagem é aplicada entre os referidos segun- do (106) e terceiro (108) eletrodos, e a referida segunda voltagem é aplicada entre o referido primeiro eletrodo (104) e o referido segundo eletrodo (106).

4. Sistema de ignição por centelha móvel (TSI) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos primeiro (26) e segundo (28) eletrodos são superfícies planas.

5. Sistema de ignição por centelha móvel (TSI) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos primeiro (18; 104) e segundo (20; 106) eletrodos são cilindros paralelos.

6. Sistema de ignição por centelha móvel (TSI) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o comprimento axial da par- te não-isolada do primeiro (18; 104) e segundo (20, 106) eletrodos é menor do que ou igual a aproximadamente 3 mm e a separação radial dos eletro- dos é de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 3 mm.

7. Sistema de ignição por centelha móvel (TSI) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos primeiro (18; 104; 122) e segundo (20; 106; 124) eletrodos paralelos são paralelos a um eixo longitudinal do referido dispositivo de ignição (17,101,120).

8. Sistema de ignição por centelha móvel (TSI) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as superfícies não-isoladas dos referidos primeiro (26) e segundo (28) eletrodos paralelos, que estão opostas uma à outra, são na forma de seções anulares de discos orientados em um plano perpendicular a um eixo longitudinal do referido dispositivo de ignição (27).

9. Sistema de ignição por centelha móvel (TSI) de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a largura radial da referida parte não-isolada dos discos anulares é menor do que ou igual a aproxima- damente 3 mm e a separação dos eletrodos (26, 28) é de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 3 mm.