CS273306B2

CS273306B2 - Device for gas mixture ignition

Info

Publication number: CS273306B2
Application number: CS994381A
Authority: CS
Inventors: Serge Larigaldie; Gerard Labaune
Original assignee: Nat D9Etudes Et De Off
Priority date: 1980-12-29
Filing date: 1981-12-29
Publication date: 1991-03-12
Also published as: FR2497273A1; FR2497273B1; EP0055658B1; SU1074424A3; DE3173158D1; JPS6316644B2; CA1182857A; PL137486B1; US4525140A; EP0055658A1; PL234488A1; JPS57136027A; CS994381A2

Description

(57) Zapalovací zařízení a klouzavou jiskrou obsahuje vysokonapětovou elektrodu, nejméně jednu uzemněnou elektrodu, nejméně jeden protáhlý dielektrický člen s vysokým měrným odporem, jehož jedna plochá strana je ve styku s plynnou směsí, a generátor pulsního vysokého napětí, spojený s elektrodami. Elektrody se dotýkají plochy dielektriokého clenu, která je ve styku s plynnou směsí, a vymezují nad ní mezi sebou dielektrickou mezeru. K uzemněné elektrodě je připojen nejméně jeden vodivý proužek, uspořádaný na ploše dielektrického clenu, která není ve styku s plynnou směsí, a ukončený pod vysokonapětovou elektrodou.

27 3	3	06
(11)
(13)	B2
(51)	Int	Cl. ⁵
	F 02	P 13/00
	F 02	P 15/08

CS 273 306 B2

Ts v

Vynález se týká zařízení k zapalování plynné smési v motorech, s vnitřním spalováním, v hořácích na rozptýlená paliva pro průmyslové kotle, v plynových turbínách a náporových motorech, a zejména zapalovacích svíček s klouzavou jiskrou, ve kterýoh jiskra vyŠlehuje po povrchu izolátoru a zapaluje směs plynu ve spalovací komoře.

Způsob elektrického zapalování spočívá v tom, že se vytvoří elektrická jiskra ve vhodném okamžiku v plynném médiu, aby za jistých okolností došlo k zapálení a k udržovanému hoření. Pravidelně vzniká jiskra mezi dvěma elektrodami, které mají mezi sebou mezery kolem 0,6 mm, což závisí na zapalovaoích podmínkách. Podnět k zapálení směsi dává cylindrické plazma, jehož délka odpovídá mezeře mezi elektrodami. Plazma uvolňuje energii vedením tepla a vyzařováním a vysílá aktivované částice, přičemž tyto dva pochody vedou k zapálení plynné směsi paliva se vzduchem a k šíření plamene.

Následkem poměrně malých, rozměrů plazmatu je objem směsi zasažené zapálením malý oproti celkovému objemu plynu, který s'e má zapálit. To má za následek znánté obtíže při zapalování, ke kterým dochází jednak tehdy, když bohatost směsi určené k zapálení je velmi odlišná od stechiometrického poměru, a jednak tím, že plynná směs není místně dostatečně homogenní a vzniklé plazma malých rozměrů může zasáhnout zóny směsi, jejichž bohatost se značně liší od stechiometriokýoh poměrů.

Je známé, že prodloužení zapalovací jiskry vyvolává zvýšené množství energie uvolněné a přenášené vedením tepla v plynném médiu a také ke zvýšené intenzitě vyzařování a hustotě ionizovaných částic.

Již dlouhou dobu se projevují snahy prodloužit elektrickou zapalovací jiskru, aby se zvýšila pravděpodobnost, že na cestě jiskry nebo plazmatu se setká s pásmy palivové směsi, jez se blíží steohiometriokému poměru, čímž by se zlepšila funkce svíčky a zajistilo spolehlivé zapálení. Některé způsoby vedoucí k prodloužení zapalovací jiskry spočívají v tom, že se zvětší mezera mezi elektrodami a vloží se mezi ně element, který funguje jako podpora pro jiskru.

Podle francouzského patentu č. 1 540 265 je takovým vloženým elementem, který působí jako podpora pro jiskru, kovové těleso vložené doprostřed mezery mezi oběma elektrodami, elektricky izolované od elektrod a nesené izolátorem a vysokou tepelnou vodivostí. Celková délka jiskry dosahuje 1,2 mm.

Podle francouzského patentu č. 2 323 235, který se týká plasmového zapalovače pro motor s plynovou turbínou, je element vložený mezi elektrody tvořen válcovou tyčkou z polovodičového materiálu jako=je ferit nebo ferit dotovaný kysličníkem titaničitýmj jeho konce se mechanicky a elektricky dotýkají elektrod. Vnější povrch tyčky je izolován vůči plynné směsi povlakem nátěru s výjimkou podélného proužku, který spojuje obě elektrody a vytváří dráhu pro elektrickou jiskru. Předpokládá se, že polovodičový element předehřívá místně 3mě3 určenou k zapálení, Čímž místně poklesne hustota plynu a usnadní se přeskok jiskry. ¹

Další způsob vytvoření obloukového výboje s podstatně větší délkou než u obvyklých svíček, přičemž tato délka a poloha se dá elektronicky kontrolovat, jak je popsán v americkém patentu S. 3 974 412. Podle tohoto patentu obsahuje svíčka v kombinaci vysokonapeíovou elektrodu, která vyčnívá axiálně ven ze základní svíčky, izolační 'pláší ukrývající vysokonapěíovou elektrodu a vyčnívající spojiště ze základny svíčky do oblasti obnaženého volného konce vysoké napětově elektrody, která má na tomto konci jiskřící plochu orientovanou pod jistým úhlem k axiální části vysokonapěíové elektrody, a uzemněnou elektrodu, která vyčnívá z tělesa svíčky do blízkosti izolačního pláště na vysokonapětové elektrodě a má jiskřioí plochu orientovanou pod jistým úhlem k výměnné ose. Mezi uzemněnou elektrodou a vysokonapěíovou elektrodou je přes izolační plášt mezera, která je mnohem menší'než mezera mezi jiskřícími plochami obou elektrod. Jiskřící plocha elektrod je vhodně zešikmená tak, aby oblouk vznikající při

CS 273 306 B2 funkci svíčky sledoval zakřivenou dráhu a dopadal za každou zakřivenou jiskřící plochu v takovém směru, aby se výboj odchyloval od axiální části vysokonapětové elektrody. Oblouk mění svůj charakter v radiálním směru od axiální části vysokonapětové elektrody, a vyvolává tak správné rozložení energie a teploty ve svém vnitřku. Podle tohoto patentu lze získat jiskry dlouhé až 1 cm.

Nevýhody odstraňuje zařízení k zapalování plynné směsi podle vynálezu, složené z vysokonapětové elektrody, nejméně z jedné uzemněné elektrody, nejméně z jednoho dielektrického protáhlého tělesa s vysokým měrným odporem, jehož jedna plochá strana je ve styku s plynnou směsí, a z generátoru pro přívod pulsního vysokého napětí mezi elektrody. Podstata vynálezu spočívá v tom, že elektrody jsou v doteku s plochou dielektrického členu, která je ve styku s plynnou směsí a na které je mezi nimi vymezena dielektrická mezera, k uzemněné elektrodě je připojen nejméně jeden vodivý proužek, uspořádaný na ploše dielektrického členu, která není ve styku s plynnou směsí, a ukončený pod vysokonapětovou elektrodou. Dielektrický člen může být tvořen obdélníkovou dielektrickou destičkou, uzemněná elektroda je umístěna na jejím kraji a je kolem něj přehnuta do styku s vodivým proužkem na plose dielektrická destičky, která není ve styku s plynnou směsí. Podle dalšího výhodného provedení je dielektrický člen tvořen dielektrickou trubkou, jejíž vnitřní plocha je ve styku s plynnou směsí, přičemž vysokonapětová elektroda a uzemněná elektroda jsou v doteku s protilehlými konci dielektrické trubky a vodivý proužek je tvořen šroubovioí na vnější ploše dielektrická trubky.

Zařízení může obsahovat větší počet uzemněných elektrod' a jediný dielektrický člen, přičemž vysokonapětová elektroda a všechny uzemněné elektrody jsou v doteku s plochou dielektrického členu, která je ve styku s plynnou směsí, a na ploše dielektrického členu, která není ve styku s plynnou směsí’, je upravena soustava vodivých proužků, které jsou připojeny k uzemněným elektrodám. Přitom jsou účelně vodivé proužky umístěny ve stejné vzájemné úhlové vzdálenosti do hvězdy pod vysokonapětovou elektrodou. S výhodou jsou uzemněné elektrody, protáhlé dielektrická členy a vodivé proužky uspořádány do stejně velkých skupin, přičemž vysokonapětová elektroda a všechny uzemněné elektrody jsou v doteku s plochami dielektrických členů přivrácených k plynné směsi, a vodivé proužky jsou uloženy na plochách dielektrických členů, které nejsou ve styku s plynnou směsí, a připojeny k uzemněným elektrodám. Přitom jsou vodivé proužky umístěny na plochách dielektrických členů ve vzájemně stejných úhlových vzdálenostech do hvězdy pod vysokonapětovou elektrodou. Mezera mezi elektrodami na dielektrickém členu má délku nejméně -3 cm a generátor pulsního vysokého napětí pro elektrody má napětí 30 kV.

V zapalovacím zařízení podle vynálezu má klouzavá zapalovací jiskra značnou délku, například několika centimetrů nebo desítek centimetrů, přičemž dráha obloukového výboje odpovídá libovolně zvolenému průběhu. Zvětšená délka jiskry zajištuje elektrické zapálení plynné směsi i tehdy, když je tato směs velmi chudá a heterogenní v prostoru a čase.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s příklady provedení, znázorněnými.na výkresu, kde značí obr. 1 schematicky zapalovací svíčku s klouzavou jiskrou podle vynálezu, obr. 2 axonometrický pohled na zařízení z obr. 1, obr. 3 půdorys zapalovací svíčky z obr. -1, vysvětlující mechanismus elektrického výboje, obr. 4 řez svíčkou z obr. 1, obr. 5a a 5b příklady aplikace vynálezu ve stěně spalovací komory a obr. 6 další příklad vytvoření zapalovací svíčky podle vynálezu, uložené uvnitř spalovací komory proudového motoru.

Na schematickém obr. 1 a 2 je vysokonapětová elektroda £ připojena k vysokému pulsnímu napětí, například 30 kV. Jeden konec 10 vysokonapětové elektrody £ se těsně dotýká horní plochy 11 dielektrického Členu 12 ve tvaru obdélníkové destičky. Druhá,

GS 273 306 B2 uzemněná elektroda 2 je uložena na kraji 17 dielektrického členu 12 a její konec 20 leží nad dielektrickým tělesem 12. Elektrody J, 2 jsou napájeny z vysokonapětového pulsního generátoru 21.

Uzemněná elektroda 2 je přehnuta přes kraj 17 dielektrického členu 12 a na jeho dolní ploše 13 na ni navazuje vodivý proužek 13 zakončený pod vysokonapětovou elektrodou χ, jehož tvar odpovídá dráze, po které má běžet zapalovací jiskra.

Obr. 3 znázorňuje průběh elektrického výboje na ploše dielektrického členu 12. Napětí vysokonapěňové elektrody χ se zvyšuje od nuly na několik desítek tisíc voltů s výhodou během několika mikrosekund, to znamená poměrně pomalu. Elektrické pole vznikající v oblasti kolem konce 10 vysokonapětové elektrody χ nabývá velké intenzity a vyvolává místní ionizaci plynné směsi. Další -zvyšování napětí vyvolá vznik velkého počtu vysoce ionizovaných vodivých vláken 15, která se se zvyšováním napětí postupně prodlužují. Konec každého vodivého vlákna 15 se rozvětvuje jako studený koronový výboj na velký počet krátkých rozvětvených vlákének 16. Vodivými vlákny 15 protéká proud a jejich teplota se zvyšuje. Protože jsou vodivá, přemísňuje se elektrické pole ke koncům krátkých rozvětvených vlákének 16, která tak vytvářejí pozitivní náboj na ploše dielektrického členu 12. Na konci celého pochodu jedno z ionizovaných vodivých vláken 15 dojde k uzemněné elektrodě 2 a zkratuje vysokonapěňový pulsní generátor 21, který je chráněn sériovým odporem. Uvnitř příslušného vodivého vlákna 15 vznikne proudová vlna, která směřuje od uzemněné elektrody 1_ k vysokonapětové elektrodě χ a značně zahřeje vodivé vlákno 15. Vzniklý oblouk dostává prakticky všechnu energii, která je k dispozici, a může mít prakticky libovolnou délku. Nicméně je tento mechanismus zapalování málo uspokojivý, protože ve většině případů dojde k uzemněné elektrodě χ pouze jedno vodivé vlákno 15, zatímco ostatní vlákna, kterých je velký počet, jsou rozptýlena do libovolných směrů a spotřebovávají pouze zbyteně část energie.

Z tohoto důvodu je podle vynálezu uzemněná elektroda 2 prodloužená ve vodivý proužek 14, tvořený například kovovým páskem, drátem nebo kovovou vrstvou a ležící v nepatrné vzdálenosti od té plochy dielektrického členu 12, na které vzniká elektrická jiskra. Třes dielektrický materiál se nad vodivým proužkem 14 vytvoří vodivá vlákna, která odpovídají tvaru vodivého proužku a soustředují v sobě maximum energie.

Obr. 4 znázorňuje alternativní provedení zapalovací svíčky podle vynálezu, kde uzemněná elektroda 2 je prodloužena vodivým proužkem 14, zasazeným do dielektrického členu 12 rovnoběžně s plochou 11 ve vzdálenosti d. Na obr. 4 jsou znázorněny kladné náboje, ukládané na ploše 11 dielektrického členu 12 vodivými vlákny 15, a záporné náboje vyvolávané vodivým proužkem 14, tvořícím prodloužení uzemněné elektrody 2.

Tím je zajištěno, že uvnitř dielektrického členu 12 vzniká elektrické pole.

Na obr. 5a je zapalovací zařízení podle vynálezu uspořádáno ve spalovací komoře, jejíž dolní stěna je půlkulová. Na vnitřní^- ploše dolní stěny jsou připevněny, naneseny nebo jinak upevněny zakřivené vodivé proužky 14a. 14b, 14c. které běží po kruhových obloukách, mají vzájemnou úhlovou vzdálenost 120° a jsou pokryty dielektrickými cleny 12a, 12b, 12c, například keramickým povlakem. Vodivé proužky 14a, 14b, 14c jsou na koncích přehnuty přes tento keramický povlak a tvoří elektrody 102a, 102b, 102c. Vysokonapšíová elektroda 101 má tři vyčnívající větve 101a, 101b, 10íc, ležící rovnoběžně s elektrodami 102a, 102b, 102c. Vznikající zapalovací jiskra má tvar hvězdy.

Na obr. 5b je zapalovací zařízení podle vynálezu instalováno do postranní kovové stěny 50 spalovací komory nebo proudového motoru, které má k tomuto účelu vybrání. Účelem vynálezu je vytvořit na kovové stěně 50 co nejdelší zapalovací jiskru. Zapalovač má vysokonapětovou elektrodu 201, připojenou k pulsnímu vysokonapštovému generátoru 21, uzemněnou elektrodu 202, připojenou ke kovové stěně 50 a spojenou elektricky se zemnicí svorkou vysokonapětového pulsního generátoru 21 a dielektrický člen 12,

CS 273 306 B2 jehož plocha 11 má sloužit jako dráha pro elektrickou jiskru. Uzemněná elektroda 202 je prodloužena vodivým proužkem £4, který je rovnoběžný s plochou 11 dielektrického členu 12. Vodivý proužek 14 je vytvořen tenkou rovinnou destičkou, takže zapalovací jiskra se šíří na ploše 11 dielektrického členu 12 ve směru rovné čáry .na délce několika desítek centimetrů.

Obr. 6 znázorňuje jiné provedení zařízení, podle vynálezu k zapalování směsi v proudových nebo náporových motorech. Zapalovač se skládá z kovového tělesa 60, které je připevněno ke kovové stěně 50 spalovací komory. Vysokonapětová elektroda 301 je uložena axiálně v zapalovači uvnitř izolátoru 51 a nese na konci trubkový dielektrický člen 12 ve tvaru trubky, která spočívá na uzemněné elektrodě 302. Do mezery mezi oběma elektrodami 301, 302 vede trubka 61. která umožňuje přívod malého množství paliva.

Na vnitřní ploše 11 dielektrického členu £2 přivrácené k plynné směsi vzniká elektrická jiskra. Vnější plooha 13 dielektrického členu 12 se opírá o šroubovioové žebro mezi závity šroubovioové drážky 314 v kovovém tělese 60 zapalovače. Toto žebro tvoří vedení, které indikuje šíření Zapalovací jiskry po vnitřní ploše 11 dielektrického členu 12 ve tvaru šroubovioové jiskry.

=ftj

Dielektrické materiály v zařízení podle vynálezu patří mezi materiály, které bývají běžně k dispozici. Tak například-je možné zvolit keramické směsi na bázi oxidu hlinitého nebo jakýkoli jiný ekvivalentní materiál za předpokladu, že má potřebný vysoký měrný odpor nejméně 10 ohm.cm a s výhodou větší než 10 ohm.om. Bodle konkrétního případu může být dielektrioký člen 12 vytvořen jako montážní celek s uzemněnou elektrodou 2a jejím vodivým proužkem 14 a tento celek pak může být upevněn na stěnu spalovací komory. Alternativně je možné vytvořit všechny tři díly zapalovače přímo na stěně spalovací komory stříkáním nebo naprasováním, například plazmovým hořákem, a to jak dielektrioký materiál', tak vodivý proužek £4, .prodlužující uzemněnou elektrodu 2.

Jak bylo uvedeno, lze vynález použít s výhodou ve všech případech, kdy se má vyvolat zapálení plynných směsí, a to nezávisle na typu a tvaru spalovací komory.

Pro orientaci lze uvést, že zapalovací zařízení podle vynálezu s dielektrickým členem 12 ve tvaru destičky, která mela tloušíku 0,1 mm a měrný odpor 10¹⁰ ohm.om a byla napájena pulsním napětím 30 kV, dávalo jiskru 3 om v plynu pod tlakem 1 MPa, zatímco dosavadní svíčky nepřevyšují hodnotu 0,1 cm danou paschenovým zákonem.

Třebaže v předchozím textu byly popsány pouze dva typy zapalovacíoh jisker klouzavého typu, totiž divergující rozvětvená zapalovací jiskra a klouzavá jiskra s jedinou šroubovioovou větví, lze v zařízení podle vynálezu vytvořit jakoukoli libovolnou konfiguraci. Zejména lze vytvořit, jiskry s četnými rovnoběžnými rameny, vznikajícími na společné uzemněné elektrodě·} jako příklad lze uvést jiskru složenou ze dvou ramen tvaru V obrácených k sobě a spojených vodorovným ramenem, která má tvar Q ,

Claims

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

1. Zařízení k zapalování plynné směsi, složené z vysokonapěíové elektrody, z nejméně jedné uzemněné elektrody, z nejméně jednoho dielektrického protáhlého tělesa s vysokým měrným odporem, jehož jedna plochá strana je ve styku s plynnou směsí, a z generátoru pro přívod pulsního vysokého napětí mezi elektrody, vyznačené tím, že elektrody (1, 2) jsou v doteku s plochou (11) dielektrického členu (12), která je ve styku s plynnou směsí, a na které je mezi nimi vymezena dielektrická mezera,

CS 273 306 B2 k uzemněné elektrodě (2) je připojen nejméně jeden vodivý proužek (14), uspořádaný na ploše (13) dielektrického členu (12), která není ve styku s plynnou směsí, a ukončený pod vysokonapětovou elektrodou (1).
2. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že dielektrický člen (12) je tvořen obdélníkovou dielektrickou destičkou, uzemněná elektroda (1) je umístěna na jejím kraji (17) a je kolem něj přehnuta do styku s vodivým proužkem (14) na ploše (13) dielektrickó destičky, která není ve styku s plynnou směsí.
3. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že dielektrický člen (12) je tvořen dielektrickou trubkou, jejíž vnitřní plocha (11) je ve styku s plynnou směsí, přičemž vysokonapětová elektroda (301) a uzemněná elektroda (302) jsou v doteku s protilehlými konci dielektrioké trubky a vodivý proužek (14) js tvořen šroubovioí na vnější ploše (13) dielektrioké trubky.
4. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že obsahuje dielektrický člen (12), přičemž vysokonapěŤová elektroda (101) a všechny uzemněné elektrody (102a, 102b,

102c) jsou vidoteku s plochou (11) dielektrického členu (12), která je ve Styku s plynnou směsí, a na ploše (13) dielektrického clenu (12), která není ve styku s' plynnou směsí, je upravena soustava vodivých proužků. (14a, 14b, 14c), které jsou připojeny k uzemněným elektrodám (102a, 102b, 102o).
5. Zařízení podle bodu 4, vyznačené tím, že vodivé proužky (14a, 14b, 14o) jsou umístěny ve stejné vzájemné úhlové vzdálenosti do hvězdy pod vysokonapětovou elektrodou (101).
6. Zařízení podle bodu 1, význačné tím, že obsahuje první skupinu uzemněných elektrod (102a, 102b, 102c), druhou stejně velkou skupinu protáhlých dielektrickýoh členů (12a, 12b, 12c), přičemž vysokonapěíová elektroda (101) a všeohny uzemněné elektrody (10a, 102b, 102c) jsou v doteku s plochami dielektrickýoh členů (12a, 12b, 12c) přivrácených k plynné směsi, a třetí stejně velkou skupinu vodivých proužků (14a, 14b, 14c) uložených na plochách dielektrickýoh členů (12a, 12b, 12o), které nejsou ve styku s plynnou směsí a připojených k uzemněným elektrodám (102a, 102b, 102c).
7. Zařízení podle bodu 6, vyznačené tím, že vodivé proužky (14a, 14b, 14c) jsou umístěny na plochách dielektrickýoh členů (12a, 12b, 12c), které nejsou ve styku s plynnou směsí, ve vzájemně stejných úhlových vzdálenostech do hvězdy pod vysokonapětovou elektrodou (101).
8. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že mezera mezi elektrodami (1, 2) na dielektrickém členu (12) má délku 3 cm a generátor (21) pulsního vysokého napětí pro elektrody (1, 2) má napětí 30 kV.