CZ299358B6 - Plazmový zapalovac pro systém zapalování a zpusobvýroby plazmy - Google Patents

Abstract

Plazmový zapalovac pro systém zapalování zahrnujealespon první a druhou elektrodu (18, 20) a izolacní materiál (22) pro udržování elektrod (18, 20) v predem urcených, navzájem vzdálených polohách takových, aby mezi sebou tvorily výbojovou mezeru (g.sub.1.n.) výboj iniciující oblast mezi konci elektrod (18, 20), které vycnívají za izolacní materiál (22). Elektrody (18, 20) mají takové rozmery a usporádání a jejich rozestup je takový, že délka (l) koncu elektrod (18, 20), vycnívajících za izolacní materiál (22), je vzhledem k šírce výbojové mezery (g.sub.1.n.) krátká, takže když je na elektrody (18, 20) privedeno první a druhé napetí, vytvoríse mezi elektrodami (18, 20) plazma a pusobením Lorentzových a termálních sil postupuje ven mezi elektrodami (18, 20) a ven z výbojové mezery (g.sub.1.n.). Dále je popsán zpusob výroby velkého objemupohyblivé plazmy pro užití v zapalovacím systému a další provedení plazmového zapalovace pro systémzapalování.

Description

Vynález se týká plazmového zapalovače pro systém zapalování, zahrnujícího alespoň první a druhou elektrodu a izolační materiál pro udržování elektrod v předem určených, navzájem vzdálených polohách takových, aby mezi sebou tvořily výbojovou mezeru výboj iniciující oblast mezi konci elektrod, které vyčnívají za izolační materiál. Vynález se dále týká způsobu výroby velkého objemu pohyblivé plazmy pro užití v zapalovacím systému.

Dosavadní stav techniky

Od svého objevení koncem minulého století prošly automobily mnohými změnami. Mnoho z těchto vývojových změn lze však považovat pouze za zdokonalování technologie, neboť základní principy zůstávají stejné. A to je případ i systému zapalování. Jeho vývoj vedl k nahrazení mechanických rozdělovačů elektronickými, zvýšení spolehlivosti a umožnění snadného nastavení časování jiskrového výboje podle okamžitého provozního režimu motoru. Rovněž elektronika odpovědná za vytváření vysokého napětí, které je pro výboj potřebné, se změnila. Dnes jsou obvyklé zejména tranzistorové cívkové zapalování (TCI - Transistorized Coil Ignition) a kondenzátorové zapalování (CDI - Capacitive Discharge Ignition). Základní konstrukce zapalovací svíčky se však nezměnila. Dnešní svíčky se od svých předchůdkyň liší hlavně použitím jiných materiálů, ale základní princip výboje mezi dvěma elektrodami zůstává týž.

Jiskra hnaná silou vzájemného působení (interakce) mezi magnetickým polem, které doprovází proud procházející svíčkou, a samotným proudem je velmi přitažlivou myšlenkou, jak zvětšit zážehové jádro při dané energii, která do systému zapalování vstupuje.

Potřeba přinést zlepšený zážehový zdroj vystoupila do popředí již před mnoha lety. Bylo vytvořeno mnoho vynálezů, jak zážehové jádro zvětšit. Použití proudů plazmy a plazmových urychlovačů využívajících Lorenzovy síly se stalo předmětem mnoha studií a patentů. Ovšem žádný z dosavadních vynálezů nebyl doveden do prakticky a komerčně přijatelných řešení. Základním nedostatkem dosud známých vynálezů je to, že vyžadují nadměrnou zážehovou energii, což do značné míry znehodnocuje možné přínosy v účinnosti motoru, na němž by byly použity. Vysoké zážehové energie doprovází vysoká rychlost opotřebení zapalovacích elektrod, která snižuje provozní životnost zapalování na nepřijatelnou úroveň.

Myšlenka zvětšit objem a povrchovou plochu jiskrou spouštěného plazmového zážehového jádra je však velmi přitažlivá, neboť by umožnila rozšířit meze praktické využitelnosti spalování chudých směsí ve spalovacím motoru. Cílem je snížit odchylky ve zpoždění zážehu, které je typickým jevem doprovázejícím provoz motorů s chudými směsmi. Konkrétněji, dlouho pociťovanou potřebou je zkrátit zpoždění zážehu zvětšením objemu jiskry. Ačkoliv to bude dále vysvětleno podrobněji, stojí za povšimnutí, že pokud je plazma omezena pouze na prostor mezi zapalovacími elektrodami (jiskřiště) (což je případ obvyklé zapalovací svíčky), je její počáteční objem poměrně malý, obvykle vznikne okolo 1 mm³ plazmy o teplotě 60 000 K. Toto jádro poté, než spalitelnou směs zapálí, expanduje a ochlazuje se na objem asi 25 mm³ a teplotu 2500 K. Uvedený objem představuje pouhé 0,04 % směsi, která má zcela shořet ve válci o objemu 0,5 litru s kompresním poměrem 8:1. Z dalšího popisu bude zřejmé, že pokud se zážehové jádro zvětší lOOx, zažehnou se najednou 4 % spalitelné směsi a zpoždění zážehu se významně zkrátí. Tohoto velmi přitažlivého cíle však dosud dosaženo nebylo.

Uvádí se, že elektrická energie, kterou dřívější systémy vyžadují, např. v patentu US 4 122 816 autorů Fitzgerald a kol., je větší než 2 J na jeden zážeh (sl. 2, řádky 55-63). Tato hodnota je přibližně čtyřicetinásobkem energie spotřebované obvyklou zapalovací svíčkou.

- 1 CZ 299358 B6

Matthews a kol., níže, udávají 5,5 J elektrické energie na zážeh, čili více než lOOx větší hodnotu než u obvyklé zapalovací svíčky.

Uvažujme šestiválcový motor pracující při 3600 ot./min, ve kterém během jedné otáčky proběhnou tři zážehy, čili 180 zážehů za sekundu. Při 2 J na zážeh to znamená 360 J/s. Tuto energii musí dodat spalovací motor, který pracuje s průměrnou účinností 18 %, a transformační vysokonapěťové zařízení s obvyklou účinností 40 %, takže čistá účinnost využití motorového paliva pro zapalování je asi 7,2 %.

Podle Fitzgeralda je jen pro pohon systému zapalování potřeba spotřebovat palivo s energií 360/0, 072 J/s, neboli 5000 J/s (tj. 5 kW).

K rovnoměrném pohybu 1250 kg vážícího vozidla po vodorovné silnici rychlostí asi 80 km/h (asi

50 mph) je třeba asi 9000 J/s energie. Převedeno na spotřebu motorového paliva při uvažování účinnosti transformace energií 18 % to znamená asi 50 000 J/s energie z paliva. Tedy, Fitzgeraldův systém samotný spotřebuje asi 10% energie obsažené v palivu spotřebovaném k pohybu vozidla pro pohon systému zapalování. To je více než zisk účinnosti, který lze při nasazení systému zapalování dle Fitzgeralda a kol. očekávat.

Pro srovnání, obvyklé systémy zapalování spotřebují pro svůj pohon asi 0,25 % energie obsažené v palivu. Dále, vysoké toky energie v těchto navrhovaných systémech způsobují vysoké opotřebení elektrod zapalovacích svíček a významně tak snižují jejich provozní životnost. Sníženou životnost ve své práci zmiňují i Matthews a kol., níže, přiznávají, že je potřeba spotřebu energie snížit, nenavrhují však žádné řešení.

Jako další pokus vyřešit tento problém lze uvést práci autorů Tsaoa a Durbina (Tsao, L. a Durbin, E.J., „Evaluation of Cyclic Variation and Lean Operation in a Combustion Engine with a MultiElectrode Spark Ignition System“, Princeton Univ., MAE Report (leden 1984)), kde zážehové jádro, které je větší než jádro obvyklé, vytváří zapalovací svíčka s více elektrodami. Toto provedení snížilo cyklické kolísání v hoření, umožnilo zmenšení předstihu a zvýšení výkonu. Zvětšení zážehového jádra bylo oproti normální zapalovací svíčce šesti násobné.

Bradley a Critchley (Bradley, D., Critchley, I.L., „Electromagnetically Induced Motion of Spark

Ignition Kemels“, Combust. Fláme 22, str. 143-152 (1974)) byli prvními, kteří uvažovali s použitím elektromagnetických sil pro uvedení jiskry do pohybu, ovšem se zážehovou energií 12 J. Fitzgerald (Fitzgerald, D.J., „Pulsed Plasma Ignitor for Intemal Combustion Engines“, SAE páper 760764 (1976); a Fitzgerald, D.J., Breshears, R.R., „Plasma Ignitor for Intemal Combustion Engine“, Patent US 4 122 816(1978)) navrhl použít pro zapalování automobilních motorů pulzních plazmových trysek s mnohem menší, ale přesto podstatnou zážehovou energií (přibližně 1:6 J). Ačkoliv dokázal posunout mez ochuzení směsi, celková výkonnost takových plazmových trysek použitých v systému zapalování nebyla o moc lepší než obyčejných zapalovacích svíček a jisker jimi vytvářených. V tomto systému bylo nutné použít mnohem více zážehové energie, aniž však došlo k významnému zvětšení velikosti plazmového jádra. (Clements, R.M., Smy, P.R,

Dále, J.D., „An Experimental Study of the Ejection Mechanism for Typical Plasma Jet Ignitors“, Combust. Fláme 42, str. 287-295 (1981)). Halí a kol., (Halí, 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 páper 912319 (1991)) a Matthews a kol., (Matthews, R.D., Halí, 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 páper

922167 (1992)) ukázali, že „trysková svíčka“ (rail plug) provozovaná při energii větší než 6 J (2,4 cm dlouhá) dává při pokusech s kalorimetrickou (spalovací) bombou podstatně lepší výsledky. Pozorovali rovněž zlepšení v práci motoru spalujícího chudou směs při zážehové energii na zapalovací svíčce 5,5 J. Potřebu nadměrného množství zážehové energie připsali špatnému sladění mezi elektrickým obvodem a zapalovací svíčkou. Množství energie spotřebované na

-2CZ 299358 B6 zapalovací svíčce činí asi 25 % energie spotřebované pro pohon 1 250 kg vážícího vozidla při 80 km/h na vodorovné vozovce. Zisky účinnosti v práci motoru by se více než spotřebovaly zvýšenou spotřebou energie systému zapalování.

Podstata vynálezu

Nedostatky stavu techniky odstraňuje plazmový zapalovač pro systém zapalování, zahrnující alespoň první a druhou elektrodu a izolační materiál pro udržování elektrod v předem určených, navzájem vzdálených polohách takových, aby mezi sebou tvořily výbojovou mezeru výboj ío iniciující oblast mezi konci elektrod, které vyčnívají za izolační materiál, podle vynálezu, jehož podstata spočívá vtom, že elektrody mají takové rozměry a uspořádání a jejich rozestup je takový, že délka konců elektrod, vyčnívajících za izolační materiál, je vzhledem k šířce výbojové mezery krátká, takže když je na elektrody přivedeno první a druhé napětí, vytvoří se mezi elektrodami plazma a působením Lorentzových a termálních sil postupuje ven mezi elektrodami a ven z výbojové mezery.

Nedostatky stavu techniky odstraňuje také plazmový zapalovač pro systém zapalování, zahrnující alespoň první a druhou elektrodu, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že první elektroda zahrnuje koncový povrch těla plazmového zapalovače, přičemž druhá elektroda, která je přidržována tyčí pokrytou izolačním materiálem a procházející tělem plazmového zapalovače, je tvořena diskem, kolmým k tyči a paralelním s první elektrodou a oddáleným a uspořádaným proti první elektrodě v předem dané vzdálenosti, přičemž elektrody jsou tak dimenzovány a konfigurovány a tak vzdáleny, že délka druhé elektrody, přečnívající radiálně přes izolační materiál, je krátká v porovnání s šířkou výbojové mezery mezi dvěma elektrodami, takže když je na elektro25 dy přivedeno dostatečně velké první a druhé napětí, vytvoří se mezi elektrodami plazma a působením Lorentzových a termálních sil postupuje ven mezi elektrodami a ven z výbojové mezery.

Nedostatky stavu techniky odstraňuje též způsob výroby velkého objemu pohyblivé plazmy pro užití v zapalovacím systému, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že zahrnuje poskyt30 nutí plazmového zapalovače s výbojovou mezerou mezi konci alespoň dvou elektrod v předem daném odděleném uspořádání v odstupu vůči sobě, udržovaných izolačním materiálem, přičemž šířka výbojové mezery je větší než její délka a výboj iniciující oblast je ta oblast výbojové mezery, která má ve srovnání s ostatními oblastmi výbojové mezery nižší požadavky na iniciaci výboje a výbojová mezera je mezera mezi konci elektrod, které přesahují přes izolační materiál, a dále zahrnuje přivedení vysokého napětí na plazmový zapalovač po počátečním elektrickém probití mezi elektrodami, způsobeném prvním napětím, pro zvýšení objemu plazmy zatímco je plazma odváděna z oblasti iniciace, přičemž pulz velkého proudu má takovou amplitudu a trvání a elektrody ve výbojové mezeře mají takovou délku, že oblast ionizace plazmy se pohybuje působením Lorentzovy síly podél elektrod pryč z oblasti iniciace.

Vstřikovač plazmy, nebo zapalovač, pro motor s vnitřním spalováním, zahrnuje nejméně první a druhou elektrodu; prostředek pro udržování elektrod v předem určené vzájemné vzdálenosti; a prostředek pro upevnění v motoru s vnitřním spalováním takovým způsobem, aby aktivní části elektrod zasahovaly do spalovacího prostoru válce motoru. Elektrody mají takové rozměry a uspořádání a jejich vzdálenost je taková, aby v případě, že se mezi elektrody zapalovače, který je namontován v motoru s vnitřním spalováním tak, že se elektrody nachází v prostředí plynné směsi vzduchu a paliva, přivede dostatečně vysoké napětí, vznikne ve směsi mezi elektrodami plazma, která se dále pohybuje směrem ven z prostoru mezi elektrodami do rozšiřujícího se objemu válce vlivem Lorentzovy síly. Vzájemná vzdálenost mezi elektrodami se může udržovat tím, že se podstatná část elektrod obklopí dielektrickým materiálem tak, aby v případě, že se na elektrody přivede napětí, vznikla plazma buď na nebo v blízkosti povrchu dielektrika. Kvůli udržení plazmy po jejím počátečním vzniku se může snížit napětí a zvýšit proud.

-3CZ 299358 B6

Jak je v této přihlášce podrobněji vysvětleno, dalším provedením vynálezu je zapalovač pro motor s vnitřním spalováním, jehož jedno provedení zahrnuje dvě elektrody, které jsou navzájem vzdálené a mají v podstatě rovnoběžné a kruhové protilehlé povrchy, mezi kterými se přivedením vysokého napětí na elektrody vytvoří ve směsi palivo-vzduch plazma, která se pohybuje radiálně směrem ven.

Podle dalšího provedení vynálezu, zahrnuje vstřikovač plazmy, nebo zapalovač, pro motor s vnitřním spalováním, dvě navzájem vzdálené a v podstatě rovnoběžné podélné elektrody, mezi kterými se přivedením vysokého napětí na elektrody vytvoří plazma, která se ven pohybuje v podélném směru.

Dalším provedením vynálezu, použitelným s oběma předcházejícími provedeními, je zážehový zdroj, který vytváří plazmové zážehové jádro tím, že vytvoří první napětí, které je dostatečně vysoké pro vytvoření plazmového kanálu mezi elektrodami, a druhé napětí, jehož potenciál je menší než u napětí prvního, pro udržování proudu plazmou v kanále mezi elektrodami takového, aby elektrické pole z potenciálového rozdílu mezi elektrodami a magnetické pole, které proud doprovází, na sebe vzájemně působily tak, že vznikne na plazmu působící síla, která ji nutí pohybovat se ven z oblasti jejího vzniku a objemově se rozpínat.

Podle dalšího provedení je vynálezem zapalovač, který zahrnuje v podstatě rovnoběžné, navzájem vzdálené elektrody, kde nejméně první a druhá elektroda mezi sebou tvoří mezeru, kde poměr součtu poloměrů elektrod ku délce elektrod je větší než nebo rovný asi čtyřem a poměr rozdílu těchto poloměrů ku délce elektrod je větší než asi jedna třetina; dielektrický materiál obklopuje podstatnou část elektrod a prostoru mezi nimi; neizolované konce částí každé z elektrod jsou volné (nejsou obklopeny dielektrickým materiálem) a vzájemně protilehlé; a kde se zapalovač prostředkem pro upevnění zapalovače upevní tak, aby volnými konci první a druhé elektrody zasahoval do spalovacího prostoru válce spalovacího motoru.

Dalším provedením vynálezu je zapalovač, který zahrnuje nejméně dvě rovnoběžné, navzájem vzdálené elektrody uzpůsobené tak, aby mezi nimi vznikla výbojová mezera, kde poloměr největšího válce, jaký lze mezi elektrody vložit, je větší než délka elektrod dělená šesti; dielektrický materiál obklopuje podstatnou část elektrod a prostoru mezi nimi, délkou elektrod se míní délka neizolované koncové části, a kde se zapalovač prostředkem pro upevnění zapalovače upevní tak, aby volnými konci elektrod zasahoval do spalovacího prostoru válce motoru.

Dalším provedením vynálezu je systém zapalování s putující jiskrou pro spalovací motor, který zahrnuje zapalovač a integrální nebo samostatný elektrický prostředek pro zajišťování potenciálového rozdílu mezi elektrodami zapalovače. Zapalovač zahrnuje v podstatě rovnoběžné, navzájem vzdálené elektrody, které zahrnují nejméně první a druhou elektrodu, které mezi sebou tvoří výbojovou mezeru, kde poměr součtu poloměrů elektrod ku délce elektrod je větší než nebo rovný asi čtyřem a poměr rozdílu těchto poloměrů ku délce elektrod je větší než asi jedna třetina. Dielektrický materiál, jako je polarizovatelná keramika, obklopuje podstatnou část elektrod a prostoru mezi nimi, neizolované volné části elektrod jsou volné a navzájem protilehlé. Dále zapalovač zahrnuje prostředek pro upevnění zapalovače tak, aby volnými konci první a druhé elektrody zasahoval do spalovacího prostoru válce motoru. Tento prostředek může být závitem na jedné z elektrod. Elektrický prostředek pro zajišťování potenciálového rozdílu mezi elektrodami z počátku dává první napětí, které je dostatečně vysoké pro vytvoření plazmového kanálu ve směsi palivo-vzduch mezi elektrodami, poté dává druhé napětí s potenciálem nižším, než má první napětí, pro udržení proudu plazmou v kanále mezi elektrodami. Elektrické pole z potenciá50 lového rozdílu mezi elektrodami spolu s proudem vzbuzeným magnetickým polem na sebe navzájem působí takovým způsobem, že na plazmu působí síla, která ji vyhání z oblasti jejího vzniku, což způsobuje, že se objem plazmy zvětšuje.

Podle dalšího provedení přináší vynález systém zapalování s putující jiskrou pro spalovací motor, který zahrnuje zapalovač a elektrický prostředek pro postupné zajišťování dvou potenciálových

-4CZ 299358 B6 rozdílů mezi elektrodami zapalovače. Zapalovač zahrnuje nejméně dvě rovnoběžné, navzájem vzdálené elektrody uzpůsobené tak, aby mezi nimi vznikla výbojová mezera, kde poloměr největšího válce, jaký lze mezi elektrody vložit, je větší než délka elektrod; dielektrický materiál obklopuje podstatnou část elektrod a prostoru mezi nimi, dielektrickým materiálem může být například polarizovaný keramický materiál; neizolované koncové části obou elektrod jsou volné a navzájem protilehlé, neizolované koncové části jsou výše zmíněnou délkou elektrod; zapalovač dále zahrnuje prostředek pro upevnění zapalovače tak, aby volnými konci elektrod zasahoval do spalovacího prostoru válce motoru, tímto prostředkem může být závit na jedné z elektrod. Elektrický prostředek pro postupné zajišťování potenciálového rozdílu mezi elektrodami z poěát10 ku dává první potenciálový rozdíl, který je dostatečně vysoký ktomu, aby vytvořil mezi elektrodami plazmový kanál, poté se potenciálový rozdíl sníží na druhé napětí s potenciálem nižším, než mělo napětí první, pro udržení proudu plazmou v kanálu mezi elektrodami. Elektrické pole vyvolané potenciálovým rozdílem mezi elektrodami spolu s proudem vzbuzeným magnetickým polem na sebe navzájem působí takovým způsobem, že na plazmu působí síla, která ji vyhání z oblasti jejího vzniku, což způsobuje, že se objem plazmou ovlivněný zvětšuje.

Přehled obrázků na výkresech

Dále jsou popsána různá provedení vynálezu s odkazy na doprovodné výkresy, na nichž jsou podobné prvky označeny stejnými vztahovými značkami.

Na obr. 1 je řez válcovou Marshallovou tryskou se znázorněním její činnost (pro snadnější pochopení vynálezu).

Na obr. 2 je řez válcovým zapalovačem s putující jiskrou podle jednoho provedení vynálezu vzatý podél osy válce, včetně obou elektrod, ve kterém vytvořená plazma putuje rozpínáním v axiálním směru.

Na obr. 3 je podobný řez zapalovačem s putující jiskrou dalšího provedení vynálezu, ve kterém vytvořená plazma putuje rozpíná ním v radiálním směru.

Na obr. 4 je zobrazení provedení zapalovače dle obr. 2 zapojeného do schematického obvodu příkladného elektrického zážehového obvodu, který zapalovač řídí.

Na obr. 5 je částečný pohled na zapalovač s putující jiskrou podle prvního provedení vynálezu namontovaný ve válci motoru.

Na obr. 6 je částečný pohled na zapalovač s putující jiskrou podle druhého provedení vynálezu namontovaný ve válci motoru.

Na obr. 7 je elektrické schéma dalšího provedení zážehového obvodu podle vynálezu.

Na obr. 8 je řez dalším provedením zapalovače s putující jiskrou podle vynálezu.

Na obr. 9A je podélný řez dalším provedením zapalovače s putující jiskrou podle vynálezu.

Na obr. 9B je čelní pohled na provedení zapalovače s putující jiskrou dle obr. 9A ukazující volné konce protilehlých elektrod.

Na obr. 9C je detail dle obr. 9B.

Příklady provedení vynálezu

Vynálezem je zapalovač s putující jiskrou (TSI - Traveling Spark Initiator or Ignitor) ve formě malé Marshallovy trysky (souosé trysky) s vysokou účinností přeměny elektrické energie na plazmu. V provedení dle obr. 2 by poměr součtu poloměrů vnější elektrody (r₂) a vnitřní elektrody (η) ku délce (I) elektrod měl být větší než nebo rovný 4 a poměr rozdílu těchto dvou poloměrů (r₂-r₁)=g₁/2 ku délce (I) by měl být větší než 1/3 (s výhodou větší než 1/2), tedy

-5CZ 299358 B6 r₂ + n >4 a Γ7-1Ί > 1 1 Γ 3 kde g, je mezera mezi elektrodami.

Podobné vztahy by měly platit i u provedení dle obr. 3, kde namísto poloměrů η a r₂ vystupují poloměry Ri a R₂, mezera mezi elektrodami je označena g₂ a délka elektrod je L. Tedy

R? + Ri > 4 a g₂ > 1 ío L L 3

Přenos tepla do spalitelné směsi probíhá formou difúze iontů a radikálů z plazmy. Velké zvětšení objemu plazmy dramaticky zvýší rychlost přenosu tepla do spalitelné směsi.

Nejprve popíšeme princip práce Marshallovy trysky. Poté následuje diskuse přínosů velkých objemů jiskry pro životní prostředí. Nakonec uvedeme konstrukční detaily systémů zapalování s putující jiskrou v souvislosti s různými provedeními vynálezu.

Marshallova tryska představuje účinný prostředek pro vytváření velkých objemů plazmy. Na obr. 1, který má za úkol tento princip osvětlit, jsou naznačena elektrické pole 2 a magnetické pole 4. B, je poloidní magnetické pole směřující podél siločáry 4. Plazma 16 se pohybuje ve směru 6 působením Lorentzovy síly působící ve směru vektoru F a tepelné rozpínavosti, s tím, že v průběhu výboje spojitě vzniká nová plazma štěpením čerstvého plynu. V_z je vektor rychlosti plazmového jádra, který rovněž směřuje do směru „z“ představovaného šipkou 6. Objem plazmy

16 tedy při jejím pohybu podél elektrod 10, 12 a prostorem mezi nimi narůstá (elektrody jsou udržovány ve vzájemné vzdálenosti izolátorem nebo dielektrikem T4). Když plazma J_6 elektrody 10, 12 opustí, začne se rozpínat (expandovat) a ochlazovat. Jakmile dosáhne zážehové teploty, spalitelnou směs zapálí.

Naštěstí je zvýšení objemu plazmy v plném souhlase s uznávanými strategiemi pro snižování emisí a zlepšování využití paliva. Těmito dvěma strategiemi jsou zvyšování zředění palivové směsi uvnitř válce a snižování cyklického kolísání parametrů.

Ředění palivové směsi, kterého se obvykle dosahuje buď použitím nadbytku vzduchu (provoz motoru s chudou směsí) nebo recirkulací výfukových plynů (EGR - Exhaust Gas Recirculation), zmenšuje vytváření oxidů dusíku tím, že snižuje teplotu spalování. Oxidy dusíku hrají kritickou roli při vzniku smogu a jejich snížení je jednou z přetrvávajících výzev pro automobilový průmysl. Ředění palivové směsi také zvyšuje účinnost využití paliva, neboť snížení teploty doprovází snížení ztrát tepla přestupem do stěn spalovacího prostoru, zlepšení poměru měrných tepel a snížení čerpacích ztrát při částečném zatížení.

Zeilinger určil množství vzniklých oxidů dusíku na jednotku odvedené práce jako funkci směšovacího poměru (poměr vzduch-palivo) pro tři různá nastavení předstihu zážehu (Zeilinger, K., doktorandská práce, Technická univerzita Mnichov (1974)). Zjistil, že jak směšovací poměr, tak předstih zážehu ovlivňují teplotu spalování a tedy i vytváření oxidů dusíku. Je-li spalitelná směs, či poměr palivo-vzduch, ředěn nadbytkem vzduchu (tj. směšovací poměr je větší než stechiometrický), teplota klesá. Nejprve se začne vytváření oxidů dusíku zvyšovat, neboť se zvýší množství dostupného kyslíku. Při dalším ředění palivové směsi vytváření NO_X poklesne hluboko pod hodnoty při stechiometrickém poměru, protože pokles teploty spalování překoná vliv zvýše50 ného množství O₂.

Zvětšení předstihu zážehu (tj. spuštění zážehu ve větší vzdálenosti (stupňů) před horní úvratí) zvyšuje špičkovou teplotu a zmenšuje účinnost motoru, protože větší část spalitelné směsi shoří před tím, než píst dosáhne horní úvratí (HÚ, TDC - Top Dead Center), navíc se směs stlačuje a tím se dále zahřívá, což vede k mnohem větší tvorbě NO_X a větším tepelným ztrátám. Ochudí-li

-6CZ 299358 B6 se směs, předstih zážehu, při kterém je točivý moment (MBT-Maximum Brake Torque) největší, se zvětšuje.

Ředění směsi vede ke snížení hustoty energie a rychlosti šíření plamene, což ovlivňuje zážeh a spalování. Menší hustota energie zmenšuje množství tepla uvolněné chemickou reakcí v daném objemu a tak posouvá rovnováhu mezi uvolňováním chemického tepla a množstvím tepla odváděného do plynu v okolí daného objemu. Pokud se uvolňuje méně tepla než se odvádí do okolí, plamen se nešíří. Zvětšení zážehového objemu je tedy žádoucí již z toho důvodu, aby se šíření plamene při snížení hustoty energie spalitelné směsi nezpomalilo.

Snížení rychlosti šíření plamene prodlužuje dobu trvání spalování. Zpoždění zážehu je způsobeno skutečností, že čelo plamene je zpočátku velmi malé a proto se zvětšuje jen pomalu; množství zažehnuté směsi palivo-vzduch je úměrné ploše povrchu. Zvětšení zpoždění zážehu a doby trvání spalování vyžaduje zvětšení předstihu zážehu potřebného pro dosažení maximálního točivého momentu a snižuje maximální dosažitelný výkon. Větší zážehové jádro sníží potřebný předstih zážehu a tudíž zmírní negativní dopady takového většího předstihu. (Těmito zápornými jevy jsou zejména obtížnější zažehnutí spalitelné směsi, neboť ta má v okamžiku zážehu menší hustotu a teplotu, a zvětšení odchylek zpoždění zážehu, které způsobuje náchylnost k nepravidelnému chodu motoru).

Cyklické kolísání způsobují nevyhnutelná kolísání místního směšovacího poměru, teploty, množství zbytkového plynu a turbulence. Tato kolísání ovlivňují tlak ve válci zejména svým dopadem na počáteční rychlost expanze plamene. Tento dopad lze významně snížit tím, že zážehový objem bude znatelně větší než průměrná velikost nehomogenit.

Zmenšení cyklického kolísání podmínek v motoru sníží emise a zvýší účinnost, protože se sníží počet cyklů s nesprávným hořením a rozšíří se provozní rozsah poměru palivo-vzduch motoru,

Quader určil hmotnostní podíl shořelé spalitelné směsi jako funkci natočení klikového hřídele pro dvě různá nastavení předstihu zážehu (Quader, A., „What Limits Lean Operation of Spark Ignition Engines - Fláme Initiation or Propagation?“, SAE páper 760760 (1976)). Jeho motor běhal s velmi chudou směsí (tj. ekvivalentní poměr asi 0,7) při 1200ot./min a 60% škrcení. Shořelý hmotnostní podíl se okamžitě po výboji jiskry nijak znatelně nezměnil (interval mezi výbojem a okamžikem zážehu, ve kterém ještě nedochází k hoření, se obvykle nazývá zpoždění zážehu). Je to způsobeno velmi malým objemem jiskry a trváním pomalého hoření při malé ploše povrchu a nízké teplotě. Jakmile malé procento spalitelné směsi shoří, rychlost hoření se zvýší, nejprve o málo, poté s růstem čela plamene se rychlost hoření stále zvyšuje. Výkonnost motoru při obou nastaveních předstihu byla malá. V případě nastavení předstihu 60° před HÚ shoří příliš mnoho spalitelné směsi v průběhu jejího stlačování při kompresním zdvihu, koná se tedy záporná práce. Zvýšení tlaku působí proti kompresnímu zdvihu motoru. V případě předstihu 40° před HÚ shoří významná část směsi po zahájení expanzního zdvihu, snižuje se tak dosažitelný výkon motoru.

Průsečíky čáry „4 % shořelé směsi“ s křivkami určenými Quaderem ve výše citované práci naznačují potenciální výhodu, jakou by přinesl větší objem jiskry, pokud by byl k dispozici, tím, že by se zkrátilo zpoždění zážehu. Pokud by se u křivky získané pro předstih 60° před HÚ předstih změnil ze 60° na 22° před HÚ, tedy změna o téměř 40°, byla by rychlost změny shořelého hmotnostního podílu větší, protože hustota spalitelné směsi by byla v okamžiku zážehu větší. U křivky získané pro předstih 40° před HÚ by se předstih mohl snížit ze 40° na 14° před HÚ, tedy zkrátit o přibližně 25°, potom by spalitelná směs zcela shořela v bodě blízkém HÚ a účin50 nost motoru by se zvýšila.

Výše uvedené argumenty názorně ilustrují důležitost zvýšení objemu jiskry pro snížení emisí a zlepšené využití energie v palivu obsažené. S TSI systémem podle vynálezu lze předstih zážehu, při kterém má motor maximální účinnost, snížit o 20° až 30°, nebo i více.

-7CZ 299358 B6

Zvětšením objemu jiskry TSI systém rovněž zajišťuje, že se jiskra dostane hlouběji do spalitelné směsi s následným zkrácením doby hoření.

Dále jsou popsána různá příkladná provedení realizovatelného TSI systému podle vynálezu.

Vynález přináší (a) malou plazmovou trysku nebo zapalovač s putující jiskrou (známý jako TSI), který nahrazuje obvyklou zapalovací svíčku, a (b) speciálně naladěný elektronický spouštěcí (zážehový) obvod. Naladěním elektronického obvodu na parametry plazmové trysky (délka elektrod, poloměr souosých válců, doba trvání výboje) se maximalizuje objem plazmy na výstupu z trysky pro dané množství elektrické energie. Vhodnou volbou parametrů elektronického obvodu je možné dosáhnout takových průběhů proudu a napětí, při kterých se do plazmy předá v podstatě maximum elektrické energie.

TSI systém zapalování podle vynálezu s výhodou potřebuje méně než 300 mJ na zážeh. Pro srovnání, u dosud známých plazmových či Marshallových zapalovačů se nepodařilo dosáhnout praktické využitelnosti zejména díky tomu, že vyžadují mnohem větší zážehové energie (např. 2-10 J na zážeh), která způsobuje rychlé opotřebení zapalovače a jeho krátkou životnost. Případné zisky na účinnosti motoru byly znehodnoceny zvýšenou spotřebou energie v systému zapalování.

Až dosud se předpokládalo, že správným směrem vývoje je generovat plazmu pohybující se vysokou rychlostí, která pronikne do spalitelné směsi, turbulentněji rozvíří a zapálí ji ve velkém objemu. Dosahovalo se toho použitím relativně dlouhých elektrod s relativně malou mezerou mezi nimi. Například Matthews ve výše zmíněných pracech doporučuje poměr délky elektrod ku šířce výbojové mezery větší než 3, přednostně 6 až 10. Naopak vynález používá krátké elektrody s relativně velkou mezerou.

Uvažme, že kinetická energie plazmy je úměrná součinu hmotnosti plazmy, M_p, a čtverce její rychlosti v_p, tedy:

K.E.« M_p v_p ²

Zdvojnásobením rychlosti plazmy se její kinetická energie zvýší čtyřikrát. Hmotnost plazmy je p_p x Vol_p, kde p_p je hustota plazmy a Vol_p je její objem. Tedy, pokud se objem plazmy při stejné rychlosti zdvojnásobí, požadovaná energie vzroste také pouze dvakrát.

Vynález zvyšuje poměr objemu plazmy ku energii potřebné ke vzniku plazmy. Činí se tak pomocí rychlého dosažení jen mírné rychlosti plazmy.

Pokud předpokládáme sférický tvar objemu zážehové plazmy, zvyšuje se plocha povrchu se čtvercem poloměru objemu. K zážehu spalitelné směsi dojde na povrchu objemu plazmy poté, co se plazma rozpínáním ochladí na zážehovou teplotu spalitelné směsi. Tedy, rychlost jakou spalitelná směs hoří, závisí především na její teplotě, nikoliv na počáteční rychlosti. Následně, maximalizace podílu objemu a teploty plazmy ku vstupní energii maximalizuje účinnost využití vstupní elektrické energie na urychlení spalování spalitelné směsi.

Odpor D rozpínajícího se objemu plazmy je úměrný hustotě spalitelné směsi p_c a čtverci rychlosti rozpínající se plazmy v_p, tedy:

D ~ PcV_p

Velikost elektrické síly F, která plazmu rozpíná, je úměrná proudu výboje I na druhou. Obě tyto dvě síly by se měly rovnat, proto

F ~ I = D ~ p_cv_p ²

-8CZ 299358 B6 to

J v_p(t) dt,

Poloměr r objemu plazmy Vol_p je úměrný o kde t_D je doba trvání výboje. Objem plazmy je úměrný třetí mocnině poloměru r, zatímco jKt)dt = Q, poloměr objemu plazmy je úměrný o elektrickému náboji vloženému do plazmy. Tedy, objem plazmy je úměrný Q³.

Pokud je zdrojem energie kondenzátor, potom Q=VC, kde v je napětí, při kterém se náboj Q v kondenzátoru uchovává, a C je kapacitance, je energie uchovaná v kondenzátoru dána rovnicí E=l/2 CV².

Maximální objem plazmy se získá z dané energie při maximálním poměru objemu plazmy Vol_p k elektrické energii E. Vol_p/E je úměrné C³V³/CV², což dává C²V. Pro danou konstantní energii E=1 /2 CV² je C úměrné V . Odtud platí, že Vol_P/E je úměrné V³.

Tedy, optimálním je elektrický obvod navržený tak, aby uchovával elektrickou energii ve velkém kondenzátoru při nízkém napětí. Pro zvýšení účinnosti by měl výboj proběhnout při nejnižším možném napětí. Proto podle vynálezu k počátečnímu výboji elektrické energie dojde na povrchu izolátoru a přívod energie se použije ke zvýšení vodivosti mezery v blízkosti povrchu izolátoru. Hlavní zdroj energie se uchovává a použije při nejnižším možném napětí, které ještě spolehlivě vytváří plazmu.

Dalším cílem je přednostně předejít rekombinaci velkého množství iontů a elektronů putující jiskry (plazmy) na stěnách elektrod. Ztráty energie plynoucí z rekombinace iontů a elektronů snižují účinnost systému. Protože rekombinace narůstá s časem, musí vytvoření iontů proběhnout rychle, aby se minimalizovala pravděpodobnost jejich interakce se stěnami. Z tohoto důvodu by výboj měl být rychlý. Dá se toho dosáhnout dosažením požadované rychlosti na krátké dráze.

Druhým mechanismem vzniku ztrát je odpor, který plazmě klade při jejím pronikání spalitelná směs podél její dráhy. Tyto ztráty se mění se čtvercem rychlosti. Tedy, výstupní rychlost plazmy by měla být kvůli těmto ztrátám pokud možno nízká.

Požadovaný vysoký objem plazmy spolu s potřebou rychlého výboje vedou ke konstrukci charakterizované krátkou délkou I, kterou má plazma před opuštěním zapalovače urazit, a relativně širokou mezerou mezi elektrodami. Tento požadavek lze vyjádřit geometricky dvěma poměry popsanými výše v souvislosti s obr. 2 a 3.

Jaké jsou skutečné fyzické rozměry? Pokud je objem plazmy při výboji mezi bodovými elektrodami obvyklé zapalovací svíčky asi 1 mm³, bylo by žádoucí a výhodné vytvořit plazmu o objemu nejméně lOOx větším, tj. Vol_p « 100 mm³. U uspořádání dle obr. 2 by příkladné rozměry, které by tento požadavek naplnily, mohly být: délka 1=2,5 mm, poloměr (vnitřní) válcové elektrody s větším průměrem r₂=5,8 mm (mimochodem to je obvyklý poloměr válcové elektrody při použití obvyklé zapalovací svíčky s průměrem závitu 14 mm) a poloměr válcové elektrody s menším průměrem η=4,6 mm.

Jak je z obr. 2 a 3 zřejmé, TSI 17 a 27 sdílejí mnoho stejných prvků se standardní zapalovací svíčkou, například standardní upevňovací prostředek nebo závit 19, standardní kolíkový konektor 21 a izolátor 23. Konce či plazmu vytvářející ěásti TSI 17 a 27 se však od obvyklé zapalovací svíčky významně odlišují. V zapalovači s putující jiskrou (TSI) podle prvního provedení vynálezu, který je zobrazen na obr. 2, je vnitřní elektroda 18 umístěna tak, že její spodní část zasahuje na opačném konci, než je konektor 2j_, souose do vnitřního otevřeného objemu vnější elektrody

20. Prostor mezi elektrodami, až na poslední 2 až 3 mm na konci zapalovače 17, které jsou označeny kótou I, vyplňuje izolační materiál 22 (např. keramický). Prostor nebo jiskřiště gi mezi elektrodami může mít v tomto případě radiální rozměr asi 1,2 až 1,5 mm. Rozměry I a gi jsou

-9CZ 299358 B6 důležité v tom smyslu, že TSI s výhodou pracuje jako systém s odpovídajícím způsobem naladěnou elektronikou (bude popsána dále) tak, aby se dosáhlo maximální účinnosti. Výboj mezi elektrodami 18 a 20 začíná podél obnaženého vnitřního povrchu izolátoru 23, protože ke spuštění výboje podél povrchu izolátoru je zapotřebí menšího napětí než v plynu v určité vzdálenosti od tohoto povrchu. Když se na elektrody přivede napětí, plyn (směs paliva a vzduchu) se vzniklým elektrickým polem ionizuje, vznikne plazma 24, která je dobrým vodičem a umožňuje vedení proudu mezi elektrodami při nižším napětí. Tento proud ionizuje více plynu (směsi palivovzduch) a podporuje vznik Lorentzovy síly, která zvětšuje objem plazmy 24. V TSI podle obr. 2 plazma akceleruje ven ze „svíčky“ 17 v axiálním směru.

Obr. 3 zobrazuje TSI 27 s vnitřní elektrodou 25, která je souose umístěna do vnější elektrody 28. Prostor mezi elektrodami 26 a 28 je vyplněn izolačním (např. keramickým) materiálem 30. Hlavním rysem, který odlišuje provedení dle obr. 3 od provedení dle obr. 2, je to, že k volnému konci středové elektrody 25 je buď připevněn, nebo je její integrální částí, plochý kruhový povrch 26 elektrody, který je kolmý k podélné ose elektrody 25 a čelní elektrody 28. Povšimněte si rovněž, že vodorovná rovina disku 26 je v případě, že je plazmový zapalovač 27 namontován ve válci motoru, rovnoběžná s čelem pístu (není zobrazen). Koncový povrch elektrody 28, který je protilehlý elektrodě 26, má také v podstatě plochý kruhový tvar aje rovnoběžný s protilehlým povrchem elektrody 26. Výsledkem je vznik prstencové dutiny 29 mezi protilehlými povrchy elektrod 26 a 28. Jinak řečeno, zapalovač 27 zahrnuje dva v podstatě rovnoběžné, navzájem vzdálené povrchy elektrod 26 a 28, které jsou orientovány rovnoběžně s čelem příslušného pístu, na rozdíl od provedení dle obr. 2, kde elektrody zapalovače 17 namontovaného ve válci motoru vzhledem k vršku příslušného pístu probíhají kolmo. Když se směs palivo-vzduch zapálí, příslušný píst „stoupá“ a dostane se do blízkosti zapalovací svíčky nebo zapalovače 27, takže vzdálenost od mezery 29 zapalovače 27 ke stěně příslušného válce je s výhodou větší než k hlavě pístu. Přednostním směrem pohybu plazmy, ve kterém dojde k maximálnímu možnému styku plazmy se spalitelnou směsí, je tedy cesta z mezery 29 ke stěně válce. Rovnoběžné elektrody 26 a 28 jsou v podstatě rovnoběžné s největším rozměrem objemu spalitelné směsi v okamžiku zážehu, na rozdíl od provedení dle obr. 2 a jiných dosud známých provedení, ve kterých jsou elektrody k tomuto rozměru orientovány kolmo. Zjistilo se, že pokud se pro zážeh zapalovačů 17 a 27 použije stejných elektrických podmínek, jsou akcelerační délky I a L plazmy pro získání optimální produkce plazmy prakticky shodné. TSI 27 pracuje dobře za následujících podmínek: poloměr diskové elektrody 26 R₂=6,8 mm, poloměr izolační keramiky R,=4,3 mm, mezera mezi elektrodami g₂=l ,2 mm a délka L=2,5 mm.

V provedení dle obr. 3 se plazma 32 začíná tvořit ve výbojové mezeře 29 na obnaženém povrchu izolátoru 25, roste a rozpíná se ven v radiálním směru šipek 29A. Toto uspořádání má několik výhod oproti TSI provedení dle obr. 2. Za prvé, plocha diskové elektrody 26 vystavené plazmě 32 je v podstatě rovná ploše koncové části plazmě 32 vystavené vnější elektrody 28. To znamená, že lze očekávat, že eroze vnitřní části diskové elektrody 26 bude významně nižší než obnažená část vnitřní elektrody 18 v TSI 17 dle obr. 2, u které je plazmě vystavený povrch mnohem menší. Za druhé, izolační materiál 30 v TSI 27 dle obr. 3 tvoří pro elektrodu 26 dodatečný tepelný most. Přidaný izolační materiál 30 udržuje odvodem tepla kov vnitřní elektrody 25, 26 chladnější, než je elektroda 1_8 dle obr. 2, zvyšuje se tím spolehlivost TSI 27 oproti TSI Γ7. A nakonec, u TSI 27 nenaráží plazma přímo na hlavu příslušného pístu a nepodporuje jeho případné opotřebení.

Na obr. 5 a 6 je znázorněn rozdíl v trajektoriích plazmy u TSI 17 dle obr. 2 a TSI 27 dle obr. 3 namontovaných v motoru. Na obr. 5 je TSI 17 namontován v hlavě 90 válce, která přísluší válci 92 a pístu 94, který se ve válci 92 pohybuje vratně. Stejně jako v obvyklém motoru s vnitřním spalováním se v okamžiku, kdy se čelo pístu 96 blíží horní úvrati, TSI 17 aktivuje. Ten vytvoří plazmu 24, která urazí ve směru šipky 98 pouze krátkou vzdálenost ve směru kčelu pístu.

V průběhu cesty plazma 24 zažehne směs palivo-vzduch (není zobrazena) ve válci 92. Hoření začne v blízkosti plazmy 24. Naproti tomu u TSI 27, jak je ukázáno na obr. 6, putuje plazma 32 ve směru šipek 100 a zažehne větší množství směsi palivo-vzduch, než je tomu u TSI 17.

- 10CZ 299358 B6

Elektrody mohou být vyrobeny z libovolného vodivého materiálu, jako je ocel, plátované kovy, platinou pokrytá ocel (pro zvýšenou odolnost proti opotřebení nebo „závodní“ motory), měď a vysokoteplotní elektrodové kovy, jako jsou například molybden nebo wolfram. Kov může mít regulovanou teplotní roztažnost, jako je např. Kovar (obchodní značka a výrobek firmy Carpenter

Technology Corp.), a může být pokryt materiálem, jako je oxid měďný, který zaručí dobré přilnutí ke sklu nebo keramice izolátoru. Materiál elektrod se může vybírat také z hlediska snížení spotřeby energie. Například se může použít wolframu s přísadou thoria, neboť jeho mírná radioaktivita může napomáhat předionizování vzduchu mezi elektrodami a tak možná snižovat požadované zážehové napětí. Nebo se mohou elektrody vyrobit z permanentně magnetického materiálu s vysokou Curieovou teplotou polarizovaného tak, aby pomáhal Lorentzově síle vyhánět plazmu ze štěrbiny.

Elektrody, až na několik milimetrů na konci, jsou odděleny izolátorem nebo izolačním materiálem, kterým je vysokoteplotní, polarizovatelné dielektrikum. Tímto materiálem může být porcelán nebo vypálená glazovaná keramika, stejné materiály, jakých se používá u obvyklých zapalovacích svíček. Alternativně se může použít žáruvzdorného cementu, obrobitelné sklokeramiky, jako je Macor (obchodní značka a výrobek firmy Corning Glass Company), odlitého oxidu hlinitého (alumina), stabilizovaného oxidu zirkoničitého, apod., vypáleného a ke kovovým elektrodám upevněného například skleněným fritem. Jako u materiálu elektrod, i keramika může obsahovat permanentně magnetický materiál, jako je ferit barya.

Obě provedení vynálezu dle obr. 2 a 3 jsou Činná následujícím způsobem: když se elektrody J_8, 20, respektive 25, 26 propojí se zbytkem TSI systému, stanou se částí elektrického systému, který zahrnuje rovněž obvod pro zajišťování potenciálových rozdílů, které jsou natolik vysoké, aby v mezeře mezi příslušným párem elektrod vytvořily jiskru. Výsledné magnetické pole, které obklopuje proud v elektrodách a plazmovém kanálu v mezeře mezi elektrodami, a to v obou provedeních vynálezu, se vzájemně ovlivňuje s elektrickým polem tak, že na materiál v plazmovém kanále začne působit Lorentzova síla. Tato síla způsobí, že se počátek plazmového kanálu začne pohybovat, nezůstane ve stálé poloze, a plocha průřezu plazmového kanálu se začne výše popsaným mechanismem zvětšovat. Na rozdíl od vynálezu zůstává u tradičních jiskrových systémů zapalování počátek vzniku jiskry stálý. Elektrické obvody uzpůsobené TSI systémům obou provedení vynálezu jsou podrobně popsány dále.

Příklad 1

Na obr. 4 je TSI svíčka nebo zapalovač 17 se schématickým znázorněním základních stavebních prvků elektrického nebo elektronického zážehového obvodu, ke kterému je připojen a který dodává napětí a proud potřebné pro výboj plazmy. (Stejný obvod a prvky lze použít i pro TSI

27). Výboj mezi oběma elektrodami 18 a 20 začíná podél povrchu 56 izolačního materiálu 22.

Směs palivo-vzduch se výbojem ionizuje, vytvoří plazmu 24, která je dobrým vodičem proudu a umožňuje vedení proudu mezi elektrodami při nižším napětí, než bylo napětí, které tvorbu plazmy odstartovalo. Tento proud ionizuje další plyn (směs palivo-vzduch) a zvyšuje objem plazmy 24.

Elektrický obvod na obr. 7 zahrnuje obvyklý systém 42 zapalování (např. kondenzátorové zapalování, CDI, nebo tranzistorové cívkové zapalování, TCI), zdroj 44 nízkého napětí (V_s), kondenzátory 46 a 48, diody 50 a 52 a odpor 54. Obvyklý systém 42 zapalování dává vysoké napětí potřebné k počátečnímu průrazu, nebo ionizaci, směsi palivo-vzduch v mezeře podél povrchu 56 v TSI 17. Jakmile se vodivá cesta přes mezeru ustaví, kondenzátor 46 se přes diodu 50 rychle vybije a svou energii tak při velkém proudu předá plazmě 24. Diody 50 a 52 jsou nutné k elektrickému oddělení zapalovací cívky (není zobrazena) obvyklého systému 42 zapalování od relativně velkého kondenzátoru 46 (mezi 1 až 4 pF). Pokud by tam diody 50 a 52 nebyly, cívka by kvůli nízké impedanci kondenzátoru 46 nedávala vysoké napětí, ale kondenzátor 46 místo toho nabíjela. Úkolem odporu 54, kondenzátoru 48 a zdroje 44 napětí je opětovné nabití

-11 CZ 299358 B6 kondenzátoru 46 po vybíjecí části cyklu. Odpor 54 je prostředkem, jak proudu zabránit v toku nízkoodporovou cestou ze zdroje 44 napětí a mezerou TSI 17.

Obvod dle obr. 4 je zjednodušený, napomáhá pouze lepšímu pochopení činnosti TSI systému.

V komerčním nasazení by byl výhodnější obvod dle obr. 7, který je popsán dále v příkladu 2 a ve kterém se kondenzátor 46 nabíjí energeticky úspornějším způsobem pomocí rezonančního obvodu. Dále, obvyklý systém 42 zapalování, jehož jediným úkolem je zajistit počáteční průraz mezerou, je oproti obvyklým systémům upraven tak, aby spotřebovával méně energie a rychleji se vybíjel. Téměř veškerou zážehovou energii dává kondenzátor 46. Úpravy spočívají zejména ve ío snížení induktance vysokonapěťové cívky, která má méně závitů sekundárního vinutí. To je možné díky tomu, že spouštěcí výboj probíhá podél povrchu izolátoru a tudíž je potřebné menší napětí. Oproti napětí potřebnému k průrazu ve vzduchu stačí v tomto případě asi třetinové. Proud, který prochází středovou elektrodou 18 a plazmou 24 do vnější elektrody 20 tvoří okolo středové elektrody 1_8 poloidní (úhlové) magnetické pole B_t (I, r), které závisí na proudu a vzdálenosti (poloměr r₀, viz obr. 1) od osy elektrody 18. Proto proudí, který protéká plazmou 24 kolmo k poloidnímu magnetickému poli B, generuje Lorentzovu sílu F, která působí na nabité částice plazmy 24 v podélném směru válců 18, 20. Síla se vypočte podle následujícího vztahu (6):

F ~ I x B —» F_z ~ I_r.B_e

Tato síla urychluje nabité částice, které se střetávají s částicemi nenabitými a tak urychlují celý objem plazmy. Plazma se skládá z nabitých částic (elektronů a iontů) a neutrálních atomů. Teplota při výboji není dostatečně vysoká k tomu, aby se ionizovaly všechny atomy.

Původní Marshallovy trysky byly provozovány jako zdroje plazmy pro fúzní zařízení ve vakuu s krátkými pulzy vstřikování plynu mezi elektrody. Plazma vzniklá mezi elektrodami výbojem kondenzátoru se na vzdálenosti desítky centimetrů urychlovala na konečnou rychlost asi 10⁷cm/s. Plazmová tryska použitá v zapalování motoru pracuje při relativně vysokých tlacích plynu (směs palivo-vzduch). Odporová síla F_v takového plynu je přibližně úměrná čtverci rychlosti plazmy:

F_v~v_p ²

Vzdálenost, na které může být plazma urychlena je krátká, jen 2-3 mm. Experimenty prokázaly, že zvýšení akcelerační délky na více než 2 až 3 mm výstupní rychlost plazmy nijak významně nezvýší, a to navzdory významnému zvětšení množství elektrické energie uchovávané v kondenzátoru 46. Při atmosférickém tlaku a vstupní elektrické energii asi 300 mJ se výstupní rychlost blíží 5xl0⁴cm/s a při vyšších tlacích v motoru se dále sníží. Při kompresním poměru 8:1 tato rychlost činí přibližně 3x10⁴ cm/s.

Pro srovnání, pokud se zvýší přívod energie do jediného výboje obvyklé svíčky, poněkud se sice zvýší jeho intenzita, ale objem vytvořené plazmy to významně neovlivní. V obvyklé zapalovací svíčce se totiž mnohem větší část přivedené energie poté, co se výbojem zvýší vodivost plynu mezi elektrodami, změní v elektrodách na teplo.

Příklad 2

TSI zapalovače 17 a 27 dle obr. 2 a 3 se mohou propojit se zážehovou elektronikou, která je schematicky zobrazena na obr. 7. Zážehovou elektroniku lze rozdělit do čtyř částí: primárního a sekundárního obvodu 77 a 79, a jim příslušných nabíjecích obvodů 75 a 81. Sekundární obvod 79 se dále dělí na vysokonapěťovou část 83 a nízkonapěťovou část 85.

Primární a sekundární obvody 77 a 79 odpovídají primárnímu 58 a sekundárnímu 60 vinutí zapalovací cívky 62. Když se přivedením spouštěcího signálu na hradlo 65 otevře tyristor 65,

- 12CZ 299358 B6 kondenzátor 66 se začne přes tyristor 64 vybíjet a primárním vinutím 58 začne procházet proud. Ten na oplátku indukuje v sekundárním vinutí 60 vysoké napětí, které způsobí průraz v plynu v mezeře 68 svíčky a vytvoření vodivé cesty, tj. plazmy. Jakmile vznikne plazma, otevřou se diody 86 a začne se vybíjet sekundární kondenzátor 70. Symbol mezery svíčky 68 představuje zapalovač podle vynálezu, jako jsou například příkladná provedení TSI zařízení 17 a 27 dle obr. 2 a 3.

Poté, co se primární a sekundární kondenzátory 66 a 70 vybijí, je příslušné nabíjecí obvody 75 a 81 opětovně nabijí. Oba nabíjecí obvody 75 a 81 se skládají z cívky 72, resp. 74, diody 76, resp. ío 78, a zdroje 80, resp. 82. Úkolem cívek 72, 74 je zabránit zkratování zdrojů přes zapalovač.

Diody 76 a 78 brání oscilacím. Kondenzátor 84 brání nadměrném kolísání ve zdroji 82 napětí V₂.

Oba zdroje 80 a 82 dávají napětí V) a V₂ řádu 500 V nebo méně. Mohou být sloučeny do jediného zdroje. (V pokusech prováděných autory vynálezu byly oba zdroje oddělené, neboť tak bylo snazší měnit nezávisle na sobě obě napětí). Zdroji 80 a 82 mohou být stejnosměrné (DC) převodníky CDI systému (kapacitního zapalování) napájené například z 12V baterie automobilu.

Jednou z nej důležitějších částí zážehového obvodu dle obr. 7 je jedna nebo více vysokoproudových diod 86, které mají vysoké průrazové napětí, vyšší než maximální průrazové napětí mezery jak TSI 17, tak TSI 27, a to za všech provozních podmínek motoru. Úkolem diod 86 je oddělit sekundární kondenzátor 70 od zapalovací cívky 62 tím, že blokují proud ze sekundárního vinutí 60 do kondenzátoru 70. Pokud by diod 68 nebylo, sekundární napětí zapalovací cívky 62 by nabíjelo sekundární kondenzátor 70 a zapalovací cívka 62 by nikdy nebyla schopna dát napětí požadované k průrazu směsi palivo-vzduch v mezeře 68.

Dioda 88 brání vybíjení kondenzátoru 70 přes sekundární vinutí 60 v případě, kdy v mezeře 68 není plazma. Nakonec se může volitelně pro zmenšení proudu sekundárním vinutím použít odpor 90, čímž se sníží elektromagnetické vyzařování (rádiový šum) obvodu.

V TSI systému podle vynálezu se mezi vnitřní a vnější elektrody dle obr. 2 až 4 může přidat spouštěcí elektroda, která sníží napětí na kondenzátoru 70 v obr. 7. Takový tříelektrodový zapalovač je zobrazen na obr. 8 a popsán v následujícím odstavci.

Na obr. 8 je schematicky zobrazen tříelektrodový plazmový zapalovač 100. Vnitřní elektroda 104 je umístěna souose do vnější elektrody 106, obě mají průměr řádově několik mm. Radiálně mezi vnitřní elektrodou 104 a vnější elektrodou 106 se nachází třetí elektroda 108. Tato třetí elektroda 108 je spojena s vysokonapěťovou (VN) cívkou 110. Třetí elektroda 108 spouští výboj mezi oběma hlavními elektrodami 104 a 106 tím, že nabije obnažený povrch 114 izolátoru 112. Prostor mezi všemi třemi elektrodami 104, 106, 108 je, až na poslední 2 až 3 mm mezi elektrodami 104 a

1 06 na volném konci zapalovače 100, vyplněn izolačním materiálem 112 (např. keramickým).

Výboj mezi oběma hlavními elektrodami 104 a 106, po inicializaci třetí elektrodou 108, začíná podél povrchu 114 izolátoru 112. Plyn (směs palivo-vzduch) se výbojem ionizuje. Výboj vytvoří plazmu, která je dobrým elektrickým vodičem a umožňuje tak zvýšení intenzity proudu. Zvětšený proud ionizuje další plyn (směs palivo-vzduch) a výše popsaným způsobem zvyšuje objem plazmy.

Vysoké napětí mezi špičkou třetí elektrody 108 a vnější elektrodou 106 dává výboj s velmi nízkým proudem, který postačuje k vytvoření množství nabitých částic na povrchu 114 izolátoru 112 dostatečného k tomu, aby se hlavní kondenzátor mohl vybít proudem mezi elektrodami 104 a

106 podél povrchu 114 dielektrika nebo izolátoru 112.

Jak je ukázáno na obr. 9A, 9B a 9C, další provedení vynálezu zahrnuje zapalovač 120 s putující jiskrou, který má rovnoběžné tyčové elektrody 122 a 124. Jak je ukázáno, převážná část délky rovnoběžných elektrod 122 a 124 je obklopena dielektrickým izolačním materiálem 126. Horní konec dielektrika 126 nese kolíkový konektor 21, který je jak mechanicky, tak elektricky

- 13 CZ 299358 B6 připevněn k hornímu konci elektrody 122. Rovnoběžné elektrody 122 a 124 jsou v dielektrickém materiálu 126 uloženy pevně, na části dielektrika je dále pevně uloženo vnější kovové těleso 128 s upevňovacím závitem 19 ve spodní části. Elektroda 124 je pomocí pevné propojky 130 jak mechanicky, tak elektricky připevněna k vnitřní stěně kovového tělesa 128. Jak je ukázáno na obr. 9A, obě elektrody přesahují povrch spodního čela dielektrika 126 o vzdálenost I.

Elektrody 122 a 124 jsou navzájem vzdálené o vzdálenost 2r, kde r je poloměr největšího válce, jaký lze vložit mezi elektrody 122 a 124 (viz obr. 9B a 10 9C).

Ačkoliv jsou v tomto dokumentu zobrazena a popsána různá provedení vynálezu, nejsou tato provedení myšlena jako omezující, nýbrž jako příkladná. Například elektrody 18 a 20 TSI T7 a 25 TSI 27 mohou mít i jiný průřez než kruhový. Rovněž disková elektroda 26 může mít jiný tvar - například může být tyčová. V TSI YJ_ nemusí být elektrody J_8 a 20 souosé, mohou je tvořit rovnoběžné kruhové nebo obdélníkové tyče. Dále, ačkoliv mají zobrazené elektrody stejnou délku, kde v tomto smyslu délkou označujeme rozměr elektrody, kterým přesahuje ve směru pohybu plazmy dielektrikum, mohou mít elektrody v případných jiných provedeních délky rozdílné. Odborníkům budou jistě zřejmé další úpravy popsaných provedení. Všechny tyto úpravy by měly být poměřovány duchem a rozsahem připojených patentových nároků.

Claims (18)

1. Plazmový zapalovač pro systém zapalování, zahrnující alespoň první a druhou elektrodu (18, 20), izolační materiál (22) pro udržování elektrod (18, 20) v předem určených, navzájem vzdálených polohách takových, aby mezi sebou tvořily výbojovou mezeru (gi) výboj iniciující oblast mezi

30 konci elektrod (18, 20), které vyčnívají za izolační materiál (22), vyznačující se tím, že elektrody (18, 20) mají takové rozměry a uspořádání a jejich rozestup je takový, že délka (I) konců elektrod (18, 20), vyčnívajících za izolační materiál (22), je vzhledem k šířce výbojové mezery (gi) krátká, takže když je na elektrody (18, 20) přivedeno první a druhé napětí, vytvoří se

35 mezi elektrodami (18, 20) plazma a působením Lorentzových a termálních sil postupuje ven mezi elektrodami (18, 20) a ven z výbojové mezery (gj.

2. Plazmový zapalovač podle nároku 1, vyznačující se tím, že výboj iniciující oblast zahrnuje povrch izolačního materiálu (22) mezi přilehlými konci elektrod (18, 20) a délka

40 výbojové mezery (g,) zahrnuje vzdálenost (I) od výboj iniciující oblasti ke konci elektrod (18, 20) a šířka výbojové mezery (gi) je větší než jedna třetina délky výbojové mezery (gi).

3. Plazmový zapalovač podle nároku 2, vyznačující se tím, že šířka výbojové mezery (gi) je větší než polovina délky konců elektrod (18, 20).

4. Plazmový zapalovač podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektrody (18, 20) jsou koncentrické válcové elektrody a poměr poloměrů elektrod k délce konců elektrod je větší nebo roven čtyřem.

50 5. Plazmový zapalovač podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že elektrody jsou podélné a v podstatě paralelní vůči sobě.

-14CZ 299358 B6

5 koncentrické válce.

6. Plazmový zapalovač podle nároku 5, vyznačující se tím, že elektrody jsou paralelní tyčovitě tvarované elektrody (18, 20).

7. Plazmový zapalovač podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že elektrody jsou

8. Plazmový zapalovač podle nároku 7, vyznačující se tím, že poměr součtu poloměrů elektrod k délce (I) konců elektrod je větší nebo roven čtyřem, zatímco poměr rozdílu těchto poloměrů k délce těchto elektrod je větší než jedna třetina.

io

9. Plazmový zapalovač podle nároků laž4, vyznačující se tím, že axiální délka konců elektrod je menši než nebo rovna asi 3 mm a odstup elektrod je od asi 1 mm do asi 3 mm.

10. Plazmový zapalovač podle nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že elektrody jsou

11. Plazmový zapalovač podle nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že dále zahrnuje třetí elektrodu (108), uspořádanou mezi první a druhou elektrodou a první napětí je mezi druhou a třetí elektrodou a druhé napětí je mezi první a druhou elektrodou.

12. Plazmový zapalovač podle nároků lažll, vyznačující se tím, že alespoň část alespoň jedné z elektrod je vytvořena z magnetického materiálu, polarizovaného pro napomáhání Lorentzovým silám při vypuzování plazmy.

25

13. Plazmový zapalovač podle nároků lažl2, vyznačující se tím, že je opatřen elektrickými prostředky pro poskytnutí prvního a druhého napětí, přičemž celková energie na zážeh je menší než 300 mJ.

14. Způsob výroby velkého objemu pohyblivé plazmy pro užití v zapalovacím systému,

30 vyznačující se tím, že zahrnuje poskytnutí plazmového zapalovače s výbojovou mezerou (gj) mezi konci alespoň dvou elektrod v předem daném odděleném uspořádání v odstupu vůči sobě, udržovaných izolačním materiálem, přičemž šířka výbojové mezery (gi) je větší než její délka (I) a výboj iniciující oblast je ta oblast výbojové mezery (gi), která má ve srovnání s ostatními oblastmi výbojové mezery (gi) nižší požadavky na iniciaci výboje a výbojová mezera

35 (gi) je mezera mezi konci elektrod, které přesahují přes izolační materiál, a dále zahrnuje přivedení vysokého napětí na plazmový zapalovač po počátečním elektrickém probití mezi elektrodami, způsobeném prvním napětím, pro zvýšení objemu plazmy zatímco je plazma odváděna z oblasti iniciace, přičemž pulz velkého proudu má takovou amplitudu a trvání a elektrody ve výbojové mezeře (gi) mají takovou délku, že oblast ionizace plazmy se pohybuje

40 působením Lorentzovy síly podél elektrod pryč z oblasti iniciace.

15. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že povrch izolačního materiálu je částí výboj iniciující oblasti.

45

15 paralelní s podélnou osou zařízení.

16. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že zahrnuje krok nastavení amplitudy a trvání pulzu velkého proudu pro řízení rychlosti plazmy když prochází výbojovou mezerou.

17. Plazmový zapalovač pro systém zapalování, zahrnující alespoň první a druhou elektrodu,

50 vyznačující se tím, že první elektroda (28) zahrnuje koncový povrch těla plazmového zapalovače, přičemž druhá elektroda (26), která je přidržována tyčí pokrytou izolačním materiálem (23) a procházející tělem plazmového zapalovače, je tvořena diskem, kolmým k tyči a paralelním s první elektrodou (28) a oddáleným a uspořádaným proti první elektrodě (28) v předem dané vzdálenosti, přičemž elektrody (26, 28) jsou tak dimenzovány a konfigurovány a

55 tak vzdáleny, že délka (L) druhé elektrody (26), přečnívající radiálně přes izolační materiál (23),

- 15CZ 299358 B6 je krátká v porovnání s šířkou (g₂) výbojové mezery mezi dvěma elektrodami (26, 28), takže když je na elektrody (26, 28) přivedeno dostatečně velké první a druhé napětí, vytvoří se mezi elektrodami (26, 28) plazma a působením Lorentzových a termálních sil postupuje ven mezi elektrodami (26, 28) a ven z výbojové mezery.

18. Plazmový zapalovač podle nároku 17, vyznačující se tím, že radiální šířka neizolované části kruhového disku je menší nebo rovna asi 3 mm a odstup elektrod (26, 28) je od asi 1 mm do asi 3 mm.