EA001348B1 - Система зажигания с перемещающейся искрой и поджигатель этой системы - Google Patents

Abstract

Плазменный поджигатель или плазменный источник для зажигания рабочей смеси в двигателе внутреннего сгорания. Поджигатель включает, по меньшей мере, два находящихся на расстоянии друг от друга электрода, размеры которых и расположение таковы, что при подаче напряжения на электроды образуется плазма, движущаяся наружу. Настоящее изобретение отличается эффективным использованием электрической энергии, вводимой для запуска плазменного поджигателя, и образованием плазменного ядра зажигания, которое на несколько порядков по величине больше, чем плазменное ядро, получаемое с помощью традиционных свечей зажигания. Движение наружу и расширение плазменного ядра происходит под действием силы Лоренца, возникающей в результате взаимодействия между напряжением и током между электродами через смесь после того, как в смеси генерируется начальная плазма. Благодаря предложенной системе зажигания возможно использование очень бедных топливных смесей, в которых разбавление смеси достигается путем использования рециркуляции отработанного (выхлопного) газа. Получены повышенный КПД. двигателя и значительное понижение NOв выхлопных газах, вредных для окружающей среды.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе зажигания двигателей внутреннего сгорания, включающей электрическую схему запуска и поджигатели, такие как свечи зажигания.

Уровень техники

Автомобили претерпели многочисленные изменения с тех пор, как они появились в конце прошлого столетия. Многие из этих произошедших изменений можно рассматривать как усовершенствование технологии, но при этом основные, фундаментальные принципы остались в усовершенствованных автомобилях неизменными. Это касается, в частности, системы зажигания. Некоторые из этих разработок включают замену механических распределителей зажигания на электрические, увеличивающие надежность и позволяющие облегчить установку угла опережения поджига искрового разряда (зажигания) при различных условиях работы двигателя. Были изменены электрические схемы, предназначенные для создания высокого напряжения, требующегося для осуществления разряда, но они были заменены на общепринятые в настоящее время системы зажигания с катушкой индуктивности, собранной на транзисторах (ЗКТ), и системы зажигания с емкостным разрядом (ЗЕР). Однако базовая конструкция свечи зажигания не изменилась. Современные свечи зажигания отличаются от более ранних в основном тем, что в них используются усовершенствованные материалы, но основной принцип работы - точечный разряд, разряд от точки к точке, остался неизменным.

Для увеличения воспламеняющегося (зажигающего) ядра при заданной энергии, вводимой в систему зажигания, очень привлекательной является идея приведения в движение искры с помощью силы, возникающей в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого током искры, и самим током искры.

Давно существует необходимость создания улучшенного источника зажигания. Были созданы многочисленные устройства, которые обеспечивают получение увеличенных зажигающих ядер. Во многих разработках и патентах использовались плазменные струи и плазменные ускорители с силой Лоренца. Но ни одно из известных изобретений не привело к созданию решений, приемлемых для практического промышленного применения. Основное слабое место известных устройств состоит в том, что для их реализации требуется слишком большая энергия для зажигания, и это исключает любое возможное увеличение эффективности работы двигателя (КПД) при использовании таких конструкций. Требования, касающиеся более высокой энергии зажигания, приводят к ускорению процесса эрозии поджигающего электрода, что снижает продолжительность срока эксплуатации системы зажигания до неприемлемого уровня.

Идея увеличения объема и площади поверхности плазменного зажигающего ядра, инициированного искровым разрядом, является привлекательной в отношении возможности расширения границ по величине обеднения горючих смесей, используемых в двигателях внутреннего сгорания. Задача состоит в уменьшении временного разброса задержки зажигания топливной смеси, которая обычно характерна для двигателей, работающих на бедных рабочих топливных смесях. Более конкретно, уже давно ощущалась потребность в устранении задержки зажигания путем увеличения объема искры. Более подробное объяснение будет дано ниже. Следует отметить, что если плазма ограничена небольшим объемом между разрядными электродами (как в традиционной свече зажигания), то ее начальный объем очень мал, обычно образуется примерно 1 мм³ плазмы, имеющей температуру 60000 К. Это ядро расширяется и охлаждается до объема примерно 25 мм³ и температуры 2500 К, которые могут обеспечить воспламенение (зажигание) рабочей смеси. Этот объем представляет примерно 0.04% объема смеси, которая должна сгореть для того, чтобы получить полное сгорание в цилиндре объемом 0,5 л при коэффициенте сжатия 8:1. Из нижеприведенного описания следует, что если зажигающее ядро будет увеличено в 100 раз, то воспламенится 4% рабочей смеси и задержка зажигания будет значительно снижена. Однако до сих пор не удалось достичь этой цели в системах зажигания при использовании на практике.

Электрическая энергия, требующаяся в этих более ранних системах, см., например, патент США 4,122,816 Фитцджеральда, должна быть более чем 2 Дж на запуск (столбец 2 строки 55-63). Эта энергия примерно в 40 раз выше, чем энергия, используемая в традиционных свечах зажигания.

Матфьюз и др. раскрывает использование электрической энергии 5,5 Дж на одно зажигание или более чем в 100 раз больше, чем требуется в традиционных системах зажигания.

Рассмотрим шестицилиндровый двигатель, работающий со скоростью 3600 об/мин, в котором для каждого оборота двигателя требуется запуск трех цилиндров или 180 запусков в секунду. При 2 Дж на один запуск это составит 360 Дж/с. Эта энергия должна быть получена с помощью двигателя сгорания при обычном КПД примерно 18% и преобразована в подходящее более высокое напряжение с помощью средств преобразования энергии, которые обычно имеют КПД примерно 40%. Для суммарной КПД использования топлива двигателя это составляет примерно 7,2%. Для работы системы зажигания в системе Фитцджеральда требуется расход топлива 360/0,72 Дж/с или примерно 5000 Дж/с.

Для движения автомобиля весом 1250 кг по ровной дороге со скоростью примерно 80 км/ч требуется топливная энергия примерно 9000 Дж/с. При КПД преобразования двигательного топлива в движущую силу 18% топлива будет расходоваться для получения примерно 50000 Дж/с. Следовательно система, применяемая Фитцджеральдом, будет потреблять примерно 10% от топливной энергии, потребляемой для движения автомобиля, на работу системы зажигания. Это больше, чем предполагаемое увеличение КПД за счет использования систем зажигания Фитцджеральда.

Для сравнения, традиционные системы зажигания используют примерно 0,25 процента от энергии топлива на работу системы зажигания. Кроме того, большая энергия, применяемая в этих системах, приводит к высоким уровням эрозии электродов свечей зажигания, таким образом, значительно уменьшая продолжительность эксплуатации системы. Эта укороченная жизнь системы показана в работе Маййете и др. (см. ниже), где признается необходимость уменьшения энергии зажигая, но никакого решения не предлагается.

В качестве еще одной попытки решения этой проблемы рассмотрим статью Цао и Дурбина (Ткао Ь. и ЭитЫп Е.1., Еуа1иайоп оГ Сусйс Уапайоп апб Ьеап Оретайоп ίη а СотЬикйоп Епщпе \\Й11 а МиШ-Е1ес1тобе 8ратк 1дпйюп 8ук1ет (Эволюция разброса параметров в циклах и работа на обедненной смеси в двигателе сгорания с многоэлектродной системой искрового зажигания), Принстон Университи , МАЕ Керой, январь 1984, в которой указано, что с помощью многоэлектродной свечи зажигания генерировалось зажигающее ядро большего размера, чем обычное. При этом показано уменьшение циклической изменчивости параметров сгорания, уменьшение опережения искры и увеличение выходной мощности. Увеличение размера ядра было только в шесть раз по сравнению с обычной свечой зажигания.

В статье Бредли и Кричли ЕКейотадпебса11у 1пбисеб Мойоп оГ 8ратк 1дпйюп Кешек (Электромагнитным способом индуцированное движение ядер искрового зажигания), СотЬик!. Е1ате 22, р. 143-152 (1974) впервые рассматривается использование электромагнитных сил для индуцирования движения искры при энергии зажигания 12 Дж. В статье Фитцджеральда Рикеб Р1акта 1дпйог Гог 1п1егпа1 СотЬикбоп Епдтек (Импульсная плазменная свеча для двигателей внутреннего сгорания), 8АЕ ререг 760764, 1976, и в статье Фитцджеральда, Врешерс Р1акта 1дпйот Гог I п(егпа1 СотЬикйоп Епдтек (Плазменный поджигатель для двигателя внутреннего сгорания), и в патенте США № 4,122,816, 1978, было предложено использовать импульсные плазменные толкатели для зажигания автомобильных двигателей со значительно меньшей, но все еще существенной, энергией зажигания - примерно 1,6 Дж. Несмотря на то, что были расширены границы обеднения для топливной смеси, но в целом эффективность таких плазменных толкателей, используемых для систем зажигания, была несколько лучше, чем у обычных свечей зажигания. В другой системе использовалась значительно более высокая величина энергии зажигания без значительного увеличения размера плазменного ядра, (см., например, Клементс, Смай, Дэйл Ап Ехрептеп1а1 81ибу оГ 1Не Е|ес11оп Месйапкт Гог Тур1са1 Р1акта 1е1 1дпйогк (Экспериментальное изучение механизма эжекции для свеч с обычными плазменными струями), СотЬик!. Е1ате 42, р. 287-295, 1981).

Недавно Холл и др. Ιπίΐίηΐ 81иб1е8 оГ а №\ν Туре оГ 1дпйог: Тйе Рабрйщ (Начальное изучение нового типа поджигателя рельсовая пробка), 8АЕ рарег 912319 (1991), и Матфьюз и др. Еиййег Апа1у818 оГ Ка11р1ид ак а №\ν Туре оГ 1дпйог (Последующий анализ рельсовой пробки в качестве нового типа поджигателя), 8АЕ рарег 922167, 1992)) показали, что рельсовая пробка, работающая при энергии свыше 6 Дж (2,4 см длиной), показала очень значительное улучшение параметров в экспериментах с бомбой для зажигания. Они также наблюдали улучшение в работе двигателя с обедненным топливом, когда его запускали со своей свечой зажигания при энергии зажигания 5,5 Дж. Они посчитали, что такая чрезмерно высокая величина энергии требуется из-за плохого согласования между параметрами электрической цепи и свечи зажигания. Энергия, затрачиваемая в свече зажигания, составляет примерно 25% от энергии, потребляемой при движении автомобиля весом 1250 кг со скоростью 80 км/ч по ровной дороге. Любая выгода в эффективности (КПД) работы двигателя должна быть больше, чем затраты за счет повышенной энергии, требующейся в системе зажигания.

Краткое изложение существа изобретения

Первым важным объектом изобретения является плазменный инжектор или поджигатель для двигателя внутреннего сгорания, включающий, по меньшей мере, первый и второй электроды, средство для удерживания электродов на заданном расстоянии друг от друга, и средство для закрепления в двигателе внутреннего сгорания, при этом активные участки электродов расположены в рабочем цилиндре двигателя. Размеры электродов, их конфигурация и пространственное расположение таково, что при подаче на электроды достаточно высокого напряжения, когда поджигатель размещен в двигателе внутреннего сгорания в среде газообразной смеси из воздуха и топлива, в смеси между электродами образовалась бы плазма и эта плазма перемещалась бы под действием силы Лоренца наружу из межэлектродной области в расширяющийся объем в цилиндре. Пространственный зазор между электродами может поддерживаться за счет окружения значительного участка электродов диэлектрическим материа лом так, что при подаче напряжения на электроды на поверхности или вблизи поверхности диэлектрика образовывалась бы плазма. Для поддержания плазмы после ее начального образования напряжение может быть понижено и увеличен подаваемый ток.

Другой объект изобретения представляет собой плазменный инжектор или поджигатель для двигателя внутреннего сгорания, первый вариант которого включает два электрода, находящихся на расстоянии друг от друга и имеющих параллельные и круглые обращенные друг к другу поверхности, между которыми в топливно-воздушной смеси при подаче на электроды напряжения образуется плазма, перемещающаяся радиально наружу.

Согласно другому аспекту изобретения плазменный инжектор или поджигатель для двигателя внутреннего сгорания содержит два находящихся на расстоянии друг от друга и, по существу, параллельных продольных электрода, между которыми при подаче на электроды напряжения образуется плазма, движущаяся наружу в продольном направлении.

Другой объект изобретения представляет собой источник поджигания, который обеспечивает получение плазменного ядра путем обеспечения достаточно высокого напряжения для создания между электродами канала, образованного плазмой, и второго напряжения с более низким потенциалом, чем первое напряжение, для поддержания тока через плазму в канале между электродами так, чтобы электрическое поле, обусловленное разностью потенциалов между электродами, и магнитное поле, соответствующее упомянутому току, взаимодействовали между собой для создания силы, действующей на плазму, чтобы вызвать ее перемещение наружу из области ее возникновения и для расширения объема плазмы.

Согласно еще одному аспекту, изобретение содержит поджигатель, который включает параллельные и находящиеся на расстоянии друг от друга электроды, включая, по меньшей мере, первый и второй электроды, образующие между собой искровой промежуток, при этом отношение суммы радиусов электродов к длине электродов больше или равно примерно четырем, а отношение разности этих двух радиусов к длине электродов больше, чем примерно одна треть, при этом диэлектрический материал окружает значительный участок электродов и пространство между ними, неизолированный конец участка каждого из электродов свободен и участки расположены напротив друг друга, и имеется средство для закрепления поджигателя так, чтобы свободные концы первого и второго электродов располагались в рабочем цилиндре двигателя сгорания.

Согласно еще одному аспекту изобретения, предлагается поджигатель, который содержит, по меньшей мере, два параллельных и на ходящихся на расстоянии друг от друга электрода, которые расположены с образованием между ними разрядного промежутка, причем радиус наибольшего цилиндра, который может быть размещен между электродами, больше, чем длина электрода, разделенная на шесть, диэлектрический материал окружает большую часть электродов и пространство между ними, неизолированный концевой участок каждого из электродов свободен от диэлектрического материала и эти участки расположены напротив друг друга, причем неизолированные концевые участки образуют длину электродов, и дополнительно имеется средство для закрепления поджигателя так, что свободные концы электродов расположены в рабочем цилиндре двигателя.

Еще один аспект изобретения представляет собой систему зажигания с перемещающейся искрой для двигателя сгорания. Система содержит поджигатель и объединенное с ним или отделенное от него электрическое средство для создания разности потенциалов между электродами. Поджигатель содержит параллельные и находящиеся на расстоянии друг от друга электроды, которые включают, по меньшей мере, первый и второй электроды, формирующие искровой промежуток между ними, причем отношение суммы радиусов к их длинам больше или равно примерно четырем, а отношение разности этих двух радиусов к длинам электродов больше, чем примерно одна треть. Диэлектрический материал, такой как поляризуемая керамика, окружает значительный участок электродов и пространство между ними, при этом неизолированный концевой участок каждого из электродов свободен от диэлектрического материала и эти участки расположены напротив друг друга. Имеется также средство для закрепления поджигателя так, что свободные концы первого и второго электродов расположены в рабочем цилиндре двигателя. Таким средством может быть резьба на одном из электродов. Электрическое средство для обеспечения разности потенциалов между электродами сначала обеспечивает достаточно высокое первое напряжение для создания между электродами в топливно-воздушной смеси канала, образованного плазмой, а затем обеспечивает второе напряжение более низкого потенциала, чем первое напряжение, для поддержания тока через плазму в канале между электродами. В результате, электрическое поле, обусловленное разностью потенциалов между электродами, взаимодействует с магнитным полем, возникающим при протекании электрического тока, при этом возникает сила, действующая на плазму, которая вызывает движение плазмы из области, где она была получена, что приводит к увеличению объема плазмы.

Согласно следующему аспекту изобретения предлагается система зажигания с перемещающейся искрой для двигателя сгорания, которая включает поджигатель и электрическое средство для последовательного получения двух разностей потенциалов между электродами поджигателя. Поджигатель содержит, по меньшей мере, параллельные пространственно разнесенные электроды, выполненные с возможностью образования искрового промежутка между ними, причем радиус наибольшего цилиндра, который может быть размещен между электродами, больше, чем длина электродов, при этом диэлектрический материал окружает значительный участок электродов и пространство между ними, в качестве которого использован поляризуемый керамический материал, неизолированный концевой участок каждого из электродов свободен от диэлектрического материала и эти концевые участки расположены напротив друг друга, причем неизолированные торцевые участки образуют длину электродов, при этом поджигатель снабжен средством для установки так, что свободные концы электродов находятся в рабочем цилиндре двигателя, в качестве которого использована резьба, выполненная на одном из электродов. Электрическое средство для последовательного получения разностей потенциалов между электродами обеспечивает первую разность потенциалов, величина которой достаточно высокая для создания между электродами канала, образованного плазмой, после чего разность потенциалов уменьшается до второго напряжения, с более низким потенциалом, чем первое напряжение, для поддержания тока через плазму в канале между электродами. Электрическое поле обусловленное разностью потенциалов между электродами, взаимодействует с магнитным полем, возникающим вследствие наличия тока, при этом возникает сила, действующая на плазму, и эта сила вызывает движение плазмы из области, где она была получена, и увеличение рабочего объема плазмы.

Краткое описание чертежей

Различные варианты воплощения изобретения проиллюстрированы и описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 - изображает поперечное сечение известной цилиндрической пушки Маршалла, где схематично показан принцип действия;

фиг. 2 - поперечное сечение цилиндрического поджигателя с перемещающейся искрой для первого варианта выполнения изобретения, где полученная плазма перемещается путем расширения в осевом направлении согласно изобретению;

фиг. 3 - поперечное сечение поджигателя с перемещающейся искрой для другого варианта выполнения изобретения, в котором полученная плазма перемещается путем расширения в радиальном направлении согласно изобретению;

фиг. 4 - вариант выполнения поджигателя, показанного на фиг. 2, соединенного со схемой электрической цепи зажигания согласно изобретению;

фиг. 5 - разрез поджигателя с перемещающейся искрой для первого варианта выполнения изобретения, причем поджигатель установлен в цилиндре двигателя;

фиг. 6 - разрез поджигателя с перемещающейся искрой для второго варианта выполнения изобретения, причем поджигатель установлен в цилиндре двигателя;

фиг. 7 - электрическая схема другого варианта схемы зажигания согласно изобретению;

фиг. 8 - поперечное сечение еще одного варианта выполнения поджигателя с перемещающейся искрой согласно изобретению;

фиг. 9А - продольное сечение другого варианта выполнения поджигателя с перемещающейся искрой согласно изобретению;

фиг. 9В - вид с торца поджигателя с перемещающейся искрой, показанного на фиг. 9А, показаны свободные концы противоположных электродов согласно изобретению;

фиг. 9С - часть вида, показанного на фиг. 9В в увеличенном масштабе согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Изобретение представляет собой возбудитель или поджигатель с перемещающейся искрой (ППИ) в виде миниатюрной пушки Маршалла (коаксиальная пушка), причем поджигатель имеет высокую эффективность передачи электрической энергии в создаваемый плазменный объем. В варианте, показанном на фиг. 2, отношение суммы радиусов (г₂) и (г₁) внешнего электрода и внутреннего электрода, соответственно к длине (1) электродов должно быть больше или равно 4, в то же время отношение разности этих двух радиусов (г₂ - г₁) = д₁/2 к длине (1) электродов должно быть больше, чем 1/3 (предпочтительно больше, чем 1/2), т.е. соответствуют следующим соотношениям:

(г₂ + г₁)/1 > 4 и (г₂ - г₁)/1 >1/3, где д - межэлектродный промежуток.

Аналогичные отношения должны выполняться для варианта, показанного на фиг. 3, где г₂ и г, из фиг. 2 заменяются на К.₂ и К₁, как показано; промежуток между электродами - д₂; и длина электродов - Ь. Таким образом, (Ю + Е1)/Ь >4 и _ё2/Ь > 1/3

Перенос тепла к рабочей смеси происходит в виде диффузии ионов и радикалов из плазмы. Очень большое увеличение плазменного объема резко увеличивает скорость теплопереноса к рабочей смеси.

Сначала обсудим основной принцип работы пушки Маршалла. Затем последует обсуждение возможного снижения выбросов вредных веществ в окружающую среду, получаемого за счет создания больших искровых объемов.

Принцип работы пушки Маршалла представляет эффективный способ создания большого объема плазмы. Схематично на фиг. 1 пока зано электрическое поле 2 и магнитное поле 4 в коаксиальной плазменной пушке, где В_т - полоидальное магнитное поле, направленное вдоль силовой линии 4. Плазма 16 движется в направлении 6 под действием силы Лоренца (вектор Р) и теплового расширения, при этом непрерывно создается новая плазма за счет пробоя свежего газа в виде постоянного разряда. ν_ζ - вектор скорости плазменного ядра, также направленный в направлении ζ, показанном стрелкой 6. Таким образом, плазма 16 увеличивается в объеме по мере ее продвижения вдоль промежутка между электродами 10, 12 и через этот промежуток (электроды удерживаются на расстоянии друг от друга с помощью изолятора или диэлектрика 14). Когда плазма 16 выходит из области электродов 10, 12, она начинает расширяться в объеме, охлаждаясь в ходе этого процесса. Она зажигает рабочую смесь после того, как охладится до температуры зажигания.

Увеличение плазменного объема согласуется с общепризнанными направлениями по снижению выбросов вредных веществ и увеличению экономии топлива. Два таких направления представляют собой увеличение разбавления газовой смеси внутри цилиндра и уменьшение разброса параметров в циклах.

Разбавление газовой смеси обычно достигается путем использования избыточного воздуха (работа двигателя на бедной топливной смеси) или рециркуляции отработавшего (выхлопного) газа (РОГ), что приводит к уменьшению образования оксидов азота за счет понижения температуры сгорания. Оксиды азота играют критическую роль в образовании смога и их снижение - это одна из постоянных задач автомобильной промышленности. Разбавление газовой смеси также увеличивает эффективность сжигания топлива за счет снижения температуры и, следовательно, уменьшения тепловых потерь через стенки камеры сгорания, улучшая отношение удельных теплоемкостей, и за счет понижения потерь при перекачке при неполной нагрузке.

Зейлингер (2еШпдет) определил величину образования оксида азота на одну л.с. за час работы в виде функции отношения количества воздуха к топливу для трех различных режимов по углу опережения зажигания (возбуждения искрового разряда). Он обнаружил, что и величина отношения воздуха к топливу и установка угла опережения зажигания влияют на температуру сгорания смеси и, следовательно, на образование оксида азота. Если рабочая смесь или отношение воздух/топливо (В/Т) разбавлена с избытком воздуха (т.е. величина В/Т больше, чем величина, соответствующая стехиометрии), то температура падает. Сначала этот эффект ослаблен из-за увеличения количества кислорода. Образование ΝΟ_Χ увеличивается. Когда смесь еще больше разбавляется, тогда образование ΝΟ_Χ уменьшается до величины, значительно более низкой, чем величина, получаемая при стехиометрической смеси, поскольку падение температуры сгорания подавляет увеличение О2.

Режим зажигания с большим опережением (т.е. инициирование поджига при больших углах до верхней мертвой точки) приводит к увеличению пиковой температуры и уменьшению эффективности двигателя, поскольку большая часть рабочей смеси сгорает до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ) и смесь сжимается при более высокой температуре, приводя к значительно более высоким уровням ΝΟ_Χ и тепловым потерям. Если смесь обедненная, то угол опережения зажигания (синхронизация поджига искры), который обеспечивает получение максимального пускового момента (синхронизация по МПМ), увеличивается.

Разбавление смеси приводит к уменьшению плотности энергии и скорости распространения факела, что влияет на поджиг и горение.

Пониженная плотность энергии уменьшает количество тепла, выделившегося в результате химической реакции в пределах данного объема, и, следовательно, смещает баланс между химическим тепловыделением и потерями тепла в окружающий газ. Если выделение тепла меньшее, чем потери, тогда факел не будет распространяться. Увеличение зажигаемого объема требуется для обеспечения такого режима, чтобы распространение факела не затухало бы медленно по мере уменьшения плотности энергии, поступающей в рабочую смесь.

Уменьшение скорости распространения факела увеличивает длительность сгорания. Задержка зажигания происходит из-за того, что фронт факела вначале очень маленький, что приводит к очень медленному его росту, так как количество воспламененной топливно-воздушной смеси пропорционально площади поверхности. Увеличение задержки зажигания и длительности сгорания приводит к увеличению опережения искры, требующегося для достижения максимального момента, и снижает величину полезной выходной работы. Большее ядро зажигания будет приводить к уменьшению величины опережения зажигания в требующемся режиме синхронизации искры и, следовательно, будет уменьшать неблагоприятные эффекты, связанные с таким опережением. К этим неблагоприятным эффектам относится повышенная сложность поджига рабочей смеси вследствие более низкой плотности и температуры в момент возбуждения искры и увеличение разброса задержки зажигания, что приводит к ухудшению качества автомобиля.

Разброс параметров от цикла к циклу вызван неизбежными колебаниями локальной величины отношения воздух/топливо, температуры, величины остаточного газа и турбулентностью. Влияние этих колебаний на давление в цилиндре обусловлено в значительной степени их влиянием на начальную скорость расшире ния факела. Это влияние может быть существенно уменьшено путем создания искрового объема, который значительно больше, чем средние размеры неоднородностей.

Уменьшение циклических разбросов параметров двигателя будет снижать выброс загрязняющих веществ в атмосферу и увеличивать эффективность работы двигателя за счет уменьшения числа холостых циклов и расширения рабочего диапазона для двигателя по величине отношения воздух/топливо.

Квадер определил массовую долю сгорающей рабочей смеси для двух различных режимов синхронизации поджига искры в виде функции угла поворота коленчатого вала \νΐιαΙ ЫшЙ8 Ьеап Орегайоп ίη 8рагк Ιβηίΐίοη Епдтек Иаше Ιηίΐίαΐίοη ог Ргорадайоп? (Что ограничивает работу на бедной топливной смеси в двигателях с искровым зажиганием - инициирование или распространение факела?), 1976. Его двигатель работал на очень обедненной топливной смеси, т. е. эквивалентное отношение примерно 0,7 при 1200 об/мин и с дроссельной заслонкой, открытой на 60%. Непосредственно после возникновения искры, насколько можно было заметить, сгораемая массовая доля не изменялась. Существует интервал, в котором любое горение может быть выявлено с трудом, этот интервал обычно известен как задержка зажигания. Это связано с очень маленьким размером искры, а медленное сгорание - из-за малой площади поверхности и относительно низкой температуры. Когда небольшой процент рабочей смеси сгорел, тогда увеличивается скорость сгорания, сначала медленно, а затем более быстро, по мере роста фронта факела. Параметры двигателя при этих двух режимах синхронизации искры плохие. В случае установки угла опережения зажигания 60° Д.В.М.Т. (до верхней мертвой точки) слишком большое количество смеси сгорает до того момента, когда поршень выполнит сжатие смеси, поэтому совершается отрицательная работа. Рост давления препятствует выполнению тактов сжатия двигателя.

В случае установки угла опережения зажигания 40° Д.В.М.Т. значительная доля смеси сгорает после начала тактов расширения, таким образом, приводя к уменьшению полезной выходной работы.

Пересечение линии, соответствующей 4% сгоревшей смеси, с кривыми, установленными Квадером, показывает потенциально возможное преимущество, заключающееся в том, что большой объем искры, если бы его удалось получить, позволил бы устранить задержку зажигания. Для кривой, соответствующей установке угла опережения зажигания 60° Д.В.М.Т., если установка угла опережения зажигания изменяется от 60° до 22° Д.В.М.Т., изменение составляет примерно 40°, тогда скорость изменения сгораемой массовой доли будет выше, потому что плотность рабочей смеси будет выше в мо мент зажигания. Для кривой, соответствующей установке угла опережения зажигания 40° Д.В.М.Т., если установка угла опережения зажигания изменяется от 40° до 14° Д.В.М.Т., изменение составляет примерно 25°, тогда рабочая смесь будет полностью сгорать в точке, находящейся вблизи ВМТ (верхней мертвой точки), таким образом, увеличивая эффективность.

Вышеприведенные доводы наглядно иллюстрируют важность увеличения объема искрового разряда для снижения выброса вредных веществ и повышения экономии топлива. Для максимальной эффективности, предложенной в настоящем изобретении системы НИИ (поджигание с перемещающейся искрой) требующееся опережение поджига искрового разряда может быть понижено на 20-30° или более.

Наряду с увеличением объема искрового разряда система ППИ также обеспечивает перемещение искры глубже в рабочую смесь, при этом происходит уменьшение продолжительности сжигания.

Ниже описана конструкция системы ППИ для различных вариантов воплощения изобретения.

В соответствии с изобретением предлагается: (а) маленькая плазменная пушка или поджигатель с перемещающейся искрой (также известный как ППИ), которые заменяют традиционную свечу зажигания, и (Ь) специально согласованная электронная цепь зажигания. Согласование электронной цепи с параметрами плазменной пушки (длина электродов, диаметры коаксиальных цилиндров, длительность разряда) приводит к максимальному увеличению объема плазмы, когда она выходит из пушки, для конкретной величины накопленной электрической энергии. Путем точного выбора параметров электронной схемы возможно получить временные профили (диаграммы) тока и напряжения, чтобы по существу максимальная электрическая энергия передавалась в плазму.

Предпочтительно, чтобы предложенная в настоящем изобретении схема зажигания с ППИ использовала не более 300 мДж на один запуск. Для сравнения, известные плазменные поджигатели и пушка Маршалла не получили практического использования, потому что им требуется значительно большая энергия зажигания (например, 2-10 Дж на один запуск), что приводит к быстрой эрозии поджигателя и короткому сроку службы. Дополнительный рост эффективности по характеристикам двигателя не был получен из-за повышенной энергии, потребляемой системой зажигания.

Как изложено выше, предполагалось, что принцип наиболее совершенной конструкции заключается в том, чтобы получить плазму, движущуюся с очень высокой скоростью, которая проникала бы в рабочую смесь для создания высокого уровня турбулентности и поджигала бы большой объем этой смеси. Это было осуще ствлено путем использования электродов довольно большой длины и с относительно небольшим промежутком между ними. Например, Матфьюз предложил отношение длины электрода и разрядному промежутку более 3, а предпочтительно 6-10. В настоящем изобретении напротив используются электроды относительно короткие по длине с относительно большим промежутком между ними.

Будем считать, что кинетическая энергия плазмы пропорциональна произведению массы М_р и квадрату ее скорости ν_ρ и имеет следующий вид:

К.Э. ~ МрУр²

При увеличении скорости плазмы в два раза кинетическая энергия увеличивается в четыре раза. Масса плазмы - р_р х νο1_ρ, где р_р и νο1_ρ - плотность плазмы и объем плазмы соответственно. Следовательно, если объем плазмы увеличивается в два раза при неизменной скорости, тогда требующаяся энергия увеличивается только в два раза.

В соответствии с настоящим изобретением увеличивается отношение объема плазмы к энергии, требующейся для образования этой плазмы. Это реализуется путем быстрого достижения небольшой скорости плазмы.

Если предположить, что объем поджигающей плазмы (зона поджига) имеет сферическую форму, тогда площадь поверхности этого объема увеличивается как квадрат радиуса этого объема. Зажигание рабочей смеси происходит на поверхности плазменного объема после того, как плазма расширится и охладится до температуры зажигания рабочей смеси. Таким образом, скорость, с которой сгорает рабочая смесь, сначала зависит в первую очередь от температуры плазмы и не зависит от ее начальной скорости. Следовательно, создание максимального отношения объема плазмы и температуры к энергии, введенной в плазму, приводит к получению максимальной эффективности использования введенной электрической энергии для ускорения сжигания рабочей смеси.

Сопротивление Ό к расширению объема плазмы пропорционально плотности рабочей смеси р_с и квадрату скорости расширяющейся плазмы νρ следующим образом:

О ~ рс-νρ²

Величина электрической силы Е способствующая расширению плазмы, пропорциональна току разряда I в квадрате. Приравнивая эти две силы, получают следующее соотношение:

Е ~ I² = О ~ рс-νρ²

Радиус г плазменного объема νο1_ρ пропорционален ,,.(4-,,(1)61. где 1_О - длительность разряда. Объем плазмы пропорционален кубу радиуса г, а радиус плазменного объема пропорционален _о/^4П1(1)б1 = ^, электрическому разряду, введенному в плазму. Таким образом, объем плазмы пропорционален ^³.

Если источником электрической энергии является энергия, запасенная в конденсаторе, тогда = νθ, где ν - напряжение, при котором накапливается заряд ^, а С - емкость. Энергия, накопленная в конденсаторе, Е = 1/2 СУ².

Для получения максимального плазменного объема для конкретной заданной энергии отношение плазменного объема νο1_ρ к электрической энергии Е должно быть максимальным. νο1_ρ/Ε пропорционально С³У³/СУ². что равно ΟΎ Для заданной постоянной энергии Е = 1/2 СУ. С будет пропорциональна ν^-2. Следовательно, νο1ρ/Ε пропорционально ν^-3.

Таким образом, оптимальной электрической цепью будет такая электрическая цепь, в которой накапливается требующаяся электрическая энергия при большой емкости и низком напряжении.

Следовательно, для увеличения эффективности разряд должен происходить при как можно более низком напряжении. И в заключение, согласно изобретению, начальный разряд электрической энергии происходит на поверхности изолятора и вкладываемая мощность идет на увеличение проводимости межэлектродного промежутка вблизи поверхности изолятора, а основной ресурс разрядной энергии накапливается и обеспечивается при как можно более низком напряжении, что будет оказывать положительное влияние на надежность создания плазмы.

Еще одна задача состоит в том, чтобы предпочтительно устранить рекомбинацию большого количества ионов и электронов перемещающейся искры на стенках электродов. Потери энергии вследствие рекомбинации ионов и электронов уменьшают эффективность системы. Поскольку процессы рекомбинации увеличиваются со временем, то для сведения к минимуму вероятности взаимодействия ионов со стенками, образование ионов должно происходить быстро. Поэтому, для уменьшения рекомбинации продолжительность разряда должна быть короткой. Это можно осуществить путем достижения требующейся скорости на небольшом расстоянии перемещения искры.

Существует второй механизм потерь - сила торможения, действующая на плазму, поскольку плазма сталкивается с рабочей смесью, находящейся впереди, на пути ее распространения. Эти потери изменяются как квадрат скорости. Следовательно, выходная скорость должна быть как можно более низкой, чтобы уменьшить или свести к минимуму такие потери.

Требующийся большой объем в сочетании с необходимостью быстрого разряда приводит к структуре, характеризующейся короткой длиной 1 перемещения плазмы и относительно широким межэлектродным промежутком. Это требование соответствует определенной геометрии, которая выражается через две пары отношений, приведенных выше.

Что это означает в отношении физических размеров? Если объем плазмы в электрическом разряде от точки к точке, реализуемом в традиционной свече зажигания, составляет примерно 1 мм³, то потребуется создать плазменный объем, по меньшей мере, в 100 раз больший, т.е. νο1ρ ~100 мм³. Следовательно, используя конфигурацию, показанную на фиг. 2, примерные размеры, удовлетворяющие таким условиям, могут быть следующими: длина 1 =2,5 мм, радиус (внутренний) цилиндрического электрода большего диаметра г2 = 5,8 мм (это обычный радиус цилиндрического электрода, используемого в традиционной свечи зажигания, с диаметром резьбы 14 мм), а радиус цилиндрического электрода меньшего диаметра η = 4,6 мм.

Как показано в вариантах, представленных на фиг. 2 и 3, для НИИ 17, 27 роль многих аналогичных физических характеристик такая же, как и в стандартной свече зажигания, так например, стандартные элементы крепления или резьба 19, стандартный штыревой контакт 21 свечи зажигания и изолятор 23. Ири этом заостренные концы или участки, формирующие плазму, в ИИИ 17 и 27 значительно отличаются от традиционных свечей зажигания. В поджигателе с перемещающейся искрой (ИИИ) в первом варианте настоящего изобретения, показанном на фиг. 2, внутренний электрод 18 размещен так, что нижний участок проходит коаксиально вовнутрь открытого объема внешнего электрода 20, находящегося на отдалении от контакта 21. Иространство между электродами заполнено изолирующим материалом 22, например, керамикой за исключением последних 2-3 мм, в этом примере, находящихся на конце поджигателя 17, это расстояние обозначено как 1. Иространственный или искровой промежуток д между электродами может иметь в этом примере радиальный размер примерно 1.2-1.5 мм. Эти размеры для 1 и д важны, потому что для получения максимальной эффективности ИИИ работает предпочтительно как система с согласованными электрическими параметрами (обсуждается ниже). Разряд между электродами 18-20 начинается вдоль открытой внутренней поверхности изолятора 23, поскольку для инициирования разряда вдоль поверхности изолятора требуется более низкое напряжение, чем для разряда в газе, на некотором расстоянии от поверхности изолятора. Когда прикладывается напряжение, газ (воздушно-топливная смесь) ионизируется под действием результирующего электрического поля, создавая плазму 24, которая становится хорошим проводником и поддерживает ток между электродами при пониженном напряжении. Этот ток ионизирует еще больше газа (воздушно-топливную смесь) и приводит к возникновению силы Лоренца, которая увеличивает объем плазмы 24. В ИИИ, показанном на фиг. 2, плазма ускоренно вылетает из свечи зажигания' 17 в осевом направлении.

На фиг. 3 показан НИИ 27 с внутренним электродом 25, который расположен коаксиально во внешнем электроде 28. Иространство между электродами 26 и 28 заполнено изолирующим материалом 30, например, керамикой. Основное отличие варианта на фиг. 3 от варианта на фиг. 2 состоит в том, что имеется плоский дискообразный (круглый) электрод 26, выполненный в виде единого элемента с центральным электродом 25, или он прикреплен к свободному концу этого электрода 25, причем электрод 26 ориентирован поперек продольной оси электрода 25 и обращенного к нему электрода 28. Дополнительно заметим, что горизонтальная плоскость диска 26 параллельна соответствующей головке поршня (не показан), когда плазменный поджигатель 27 установлен в поршневом цилиндре. Торцевая поверхность электрода 28, которая обращена к электроду 26, также имеет плоскую круглую форму, вытянутую параллельно поверхности электрода 26, обращенной к электроду 28. В результате, между противоположными поверхностями электродов 26 и 28 образуется кольцевая полость 29. А более точно, имеется две по существу параллельные поверхности электродов 26 и 28, пространственно разнесенные и ориентированные параллельно верхней плоскости головки соответствующего поршня, в противоположность варианту, показанному на фиг. 2, где электроды при использовании проходят перпендикулярно головке соответствующего поршня. Отметим, что, когда поджигается воздушно-топливная смесь, соответствующий поршень поднимается и приближается к свече зажигания или поджигателю 27, так что смесь предпочтительно продвигается из промежутка 29 поджигателя 27 в направлении стенки соответствующего цилиндра, а не к головке поршня. Таким образом, предпочтительное направление перемещения плазмы для получения максимального взаимодействия со смесью - это направление от промежутка 29 к стенке цилиндра. Существенным является то, что параллельные электроды 26 и 28 параллельны наиболее длинному размеру объема рабочей смеси, который она имеет в момент зажигания, в отличие от варианта на фиг. 2 и известных решений, в которых ориентация электродов перпендикулярна по отношению к этому размеру и направлена к головке поршня. Обнаружено, что когда при возбуждении поджигателей 17 и 27 используются одинаковые электрические условия, длины 1 и Ь, соответственно, на которых происходит ускорение плазмы, по существу, должны быть равны, чтобы получить оптимальную плазму. Кроме того, для ИИИ 27 при этих условиях предпочтительны следующие размеры: радиус дискового электрода 26 В₂ = 6,8 мм, радиус изолирующей керамики В! = 4,3 мм, промежуток между электродами д₂ = 1,2 мм и длина Ь = 2,5 мм.

В варианте на фиг. 3 плазма 32 инициируется в искровом промежутке 29 на открытой поверхности изолятора 25 и растет и расширяется наружу в радиальном направлении, показанном стрелкой 29А. Это обеспечивает несколько дополнительных преимуществ по сравнению с вариантом НИИ на фиг. 2. Во-первых, площадь поверхности дискового электрода 26, на которую воздействует плазма 32, по существу, равна площади торцевого участка наружного электрода 28, на который воздействует плазма 32. Это означает, что можно ожидать, что эрозия внутреннего участка дискового электрода 26 будет значительно меньше, чем эрозия открытого участка внутреннего электрода 18 НИИ 17 на фиг. 2, причем последний имеет значительно меньшую площадь поверхности, подвергаемую воздействию плазмы. Во-вторых, изолирующий материал 30 в НИИ 27 на фиг. 3 обеспечивает дополнительный путь отвода тепла от электрода

26. Добавленный изолирующий материал 30 будет сохранять внутренние металлические электроды 25, 26 более холодными, чем электрод 18 на фиг. 2, благодаря чему улучшается надежность ИИИ 27 по сравнению с ИИИ 17. И в заключение, при использовании ИИИ 27 плазма не будет ударять в головку соответствующего поршня и разъедать ее.

Фиг. 5 и 6 иллюстрируют различия в траекториях плазмы для ЗИИ 17 на фиг. 2 и НИИ 27 на фиг. 3, когда НИИ установлены в двигателе. На фиг. 5 НИИ 17 закреплен на крышке (головке) 90 цилиндра, соответствующей цилиндру 92 и поршню 94, который совершает возвратнопоступательное движение, т.е. движение вверх и вниз - в цилиндре 92. Как и в любом обычном двигателе внутреннего сгорания, ИИИ 17 будет подсоединяться к источнику питания, когда головка 96 поршня находится вблизи верхней мертвой точки. Это будет приводить к образованию плазмы 24, которая будет перемещаться в направлении стрелки 98 только на короткое расстояние в направлении к головке 96 поршня или до головки 96. Во время этого перемещения плазма 24 будет поджигать воздушнотопливную смесь (не показана) в цилиндре 92. Зажигание начинается вблизи плазмы 24. В отличие от такого перемещения плазмы 24 ИИИ

27, как показано на фиг. 6, обеспечивает перемещение плазмы 32 в направлении стрелки 100, приводя в результате к зажиганию большего количества воздушно-топливной смеси, чем в случае зажигания с помощью ИИИ 17, как пояснялось ранее.

Материалами электродов могут быть любые подходящие проводники, такие как сталь, плакированные металлы, сталь с платиновым покрытием (для повышения эрозионной стойкости или эксплуатационных качеств двигателя), медь и высокотемпературные электродные металлы, такие как, например молибден или вольфрам. Металл может быть с регулируемым тепловым расширением, таким как Ковар (торговая марка и продукт СагрспЮг Тсе11по1оду Согр.) и покрыт материалом, таким как оксид одновалентной меди, чтобы он давал хорошее последующее соединение со стеклом или керамикой. Электродные материалы могут также выбираться, исходя из уменьшения потребляемой мощности. Например, может использоваться ториевый вольфрам, поскольку его слабая радиоактивность может помочь предварительной ионизации воздуха между электродами, возможно уменьшая требующееся напряжение зажигания. Кроме того, электроды могут быть выполнены из материалов постоянных магнитов с высокой температурой Кюри, поляризованных (намагниченных) так, чтобы способствовать действию силы Лоренца по выталкиванию плазмы.

Электроды за исключением нескольких миллиметров на конце покрыты изолятором или электроизолирующим материалом, который является высокотемпературным электрически поляризуемым диэлектриком. Таким материалом может быть, например, фарфор или обожженная керамика с глазурью, которые используются в традиционных свечах зажигания. В другом случае он может быть, например, из огнеупорного цемента, стеклокерамики, пригодной для механической обработки, такой как Масог (торговая марка и продукт Согшпд С1а55 Сотрапу), или расплавленного глинозема, стабилизированного цирконием, или обожженного и спаянного с металлическими электродами с помощью припоя из стеклянного фритта. Как указывалось выше, керамика также может содержать материал постоянных магнитов, такой как феррит бария.

Работа вариантов, показанных на фиг. 2 и 3, осуществляется следующим образом.

Когда электроды 18, 20 и 25, 26, соответственно, подсоединяются к остальной части системы с ИИИ, они становятся частью электрической системы, которая также включает электрические цепи, обеспечивающие получение разностей потенциалов, которые достаточно высокие для получения искры в промежутке между соответствующими парами электродов. Результирующее магнитное поле вокруг электродов и в искровом канале в каждом из вариантов изобретения взаимодействует с электрическим полем, в результате этого взаимодействия возникает сила Лоренца, действующая на материал в искровых каналах. Это воздействие приводит к движению точки возникновения искрового канала, ее местоположение изменяется, таким образом, происходит увеличение площади поперечного сечения искровых каналов, как это было описано выше. Это отличается от традиционных систем искрового зажигания, в которых точка возникновения искры остается фиксированной, на неизменном месте. Электрические цепи, согласованные с ИИИ 17 и 27, делают систему с ЗПИ полной для каждого из вариантов.

Пример 1.

На фиг. 4 показана свеча НИИ или поджигатель 17 вместе с подсоединенной к нему электрической или электронной цепью зажигания, включающей основные элементы. Электрическая цепь генерирует напряжение или ток для получения разряда (плазмы). Такие же схемы (цепи) и элементы, входящие в цепи, могут использоваться для запуска НИИ 27. Разряд между двумя электродами 18 и 20 начинается вдоль поверхности 56 электроизолирующего материала 22. Газ (воздушно-топливная смесь) ионизируется этим разрядом, создавая плазму 24, которая становится хорошим проводником тока и обеспечивает протекание тока между электродами при более низком напряжении, чем напряжение, при котором инициируется плазма. Этот ток ионизирует еще большее количество газа воздушно-топливной смеси и увеличивает объем плазмы 24.

Электрическая схема, показанная на фиг. 4, включает традиционную систему 42 зажигания, например, зажигание емкостным разрядом, ЗЕР, или зажигание катушкой индуктивности, собранной на транзисторах, ЗКТ, источник 44 низкого напряжения (У₈), конденсаторы 46 и 48, диоды 50 и 52, и резистор 54. Традиционная система 42 зажигания обеспечивает высокое напряжение, необходимое для пробоя или ионизации воздушно-топливной смеси в промежутке вдоль поверхности 56 ППИ 17. Когда установлен проводящий канал, конденсатор 46 быстро разряжается через диод 50, обеспечивая ввод большой мощности или тока в плазму 24. Диоды 50 и 52 необходимы для того, чтобы электрически изолировать катушку зажигания (не показана) традиционной системы 42 зажигания от конденсатора 46 с относительно большой емкостью от 1 до 4 мкФ. Если диоды 50, 52 отсутствуют, катушка не может создать большое напряжение вследствие низкого полного сопротивления (импеданса), обеспечиваемого конденсатором 46. Катушка будет вместо этого заряжать конденсатор 46. Функция резистора 54, конденсатора 48 и источника напряжения 44 заключается в том, чтобы осуществлять повторную зарядку конденсатора 46 после разрядного цикла. Резистор 54 - это одно из средств для предотвращения образования пути протекания тока при низком сопротивлении между источником напряжения 44 и искровым промежутком ЗПИ 17.

Схема на фиг. 4 является упрощенной. При промышленном применении для повторной зарядки конденсатора 46 более экономичным способом в энергетическом отношении является схема на фиг. 7, описанная ниже под заголовком Пример 2, использующая резонансную цепь. Более того, традиционная система 42 зажигания, единственная цель которой состоит в создании начального пробоя, модифицирована таким образом, чтобы она использовала меньше энергии и разряд осуществлялся быстрее, чем в традиционной системе. Почти вся энергия зажигания поступает из конденсатора 46. Модификация в первую очередь уменьшает индуктивность катушки высокого напряжения за счет использования немного меньшего количества вторичных витков. Это возможно, потому что инициирование разряда может произойти при значительно более низком напряжении, если разряд происходит на поверхности изолятора. Требующееся напряжение может составлять примерно одну треть от напряжения, требующегося для осуществления газового пробоя в воздухе.

Ток, текущий через центральный электрод 18 и плазму 24 к внешнему электроду 20, создает вокруг центрального электрода 18 полоидальное (азимутальное) магнитное поле В_т (I, г), которое зависит от величины тока и расстояния (радиус г, см. фиг. 1) от оси электрода 18. Следовательно ток I, протекающий через плазму 24 перпендикулярно полоидальному магнитному полю В_т, создает силу Лоренца Б, действующую на заряженные частицы в плазме 24 вдоль осевого направления ζ цилиндров 18, 20. Сила вычисляется в соответствии с уравнением (6):

Б~1 х В Б;. ~ 1_г · В_т

Эта сила ускоряет заряженные частицы, которые из-за столкновений с незаряженными частицами ускоряют всю плазму. Заметим, что плазма состоит из заряженных частиц (электроны и ионы) и нейтральных атомов. Температура в разряде не достаточно высока для полной ионизации всех атомов.

Первоначальные пушки Маршалла, как источник плазмы для устройств ядерного синтеза, работали в вакууме и газ инжектировался в область между электродами в коротком импульсе. Плазма, созданная между электродами с помощью разряда конденсатора, ускорялась на расстоянии многих сантиметров до скорости примерно 10⁷ см/с.

Плазменная пушка, используемая здесь в качестве поджигателя двигателя, работает при относительно высоком давлении газа (воздушно-топливной смеси). Сила сопротивления Б,, такого газа приблизительно пропорциональна квадрату скорости плазмы, как показано ниже:

Б ~ V ² ν ^ν р

Расстояние, на котором плазма ускоряется, мало и составляет 2-3 мм. Экспериментальные исследования показали, что увеличение длины, на котором происходит ускорение плазмы свыше 2-3 мм, не приводит к существенному увеличению выходной скорости плазмы, хотя накопленная в конденсаторе 46 электрическая энергия должна быть увеличена значительно. При атмосферных давлениях и вводимой электрической энергии примерно 300 мДж средняя скорость близка к 5х10⁴ см/с, и она будет еще ниже при высоком давлении, создаваемом в двигателе. При коэффициенте сжатия 8:1 эта средняя скорость будет приблизительно 3х10⁴ см/с.

Напротив, если в одиночный разряд традиционной искры вводится больше энергии, то интенсивность искры в некоторой степени увеличивается, но объем создаваемой плазмы значительно не увеличивается. В традиционной искре значительно большая доля вводимой энергии идет на нагрев электродов, когда увеличивается проводимость разрядного пути.

Пример 2.

Поджигатели НИИ 17 и 27 на фиг. 2 и 3 могут быть объединены с электрическими схемами зажигания, показанными на фиг. 7. Электрическая цепь зажигания может быть разделена на четыре части: первичная и вторичная цепи 77, 79, соответственно, и соответствующие им зарядные цепи 75, 81. Вторичная цепь 79, в свою очередь, подразделяется на высоковольтный участок 83 и низковольтный участок 85.

Первичной и вторичной цепям 77, 79 соответствуют первичная 58 и вторичная 60 обмотки катушки 62 зажигания. Когда 8СЕ (триодный тиристор) 64 включается путем подачи сигнала запуска на затвор 65, конденсатор 66 разряжается через 8СЕ 64, что приводит к протеканию тока по первичной обмотке 58 катушки. Это, в свою очередь, приводит к появлению высокого напряжения на соответствующей вторичной обмотке 60, которое вызывает пробой газа в искровом промежутке 68 и образование проводящего пути, т.е. плазмы. Когда плазма создана, включаются диоды 86 и вторичный конденсатор 70 разряжается. Искровой промежуток 68 представляет поджигатель, выполненный в соответствии с изобретением, например, как приведенные в качестве примера устройства ППИ 17 и 27 на фиг. 2 и 3, соответственно.

После того как первичный и вторичный конденсаторы 66 и 70 разрядились, они заряжаются повторно с помощью соответствующих зарядных цепей 75 и 81. Обе зарядные цепи 75, 81 включают индуктивность 72, 74, соответственно и диод 76, 78, соответственно вместе с источником энергии 80, 82, соответственно. Функция индуктивностей 72, 74 заключается в том, чтобы источники энергии не оказались короткозамкнутыми через поджигатель. Функция диодов 76 и 78 заключается в том, чтобы не возникали колебания. Конденсатор 84 препятствует возникновению больших флуктуаций в напряжении ν₂ источника 82 энергии.

Оба источника энергии 80 и 82 обеспечивают напряжения ν₁ и ν₂, соответственно, порядка 500 В или ниже. Они могут быть объединены в один источник энергии. В приведенных экспериментах эти источники энергии оставались раздельными, чтобы легче было изменять два напряжения независимо друг от друга. Источники энергии 80 и 82 могут быть, например, преобразователями ПТ (постоянного тока) в ПТ из системы ЗЕР (зажигание емкостным разрядом), которая может запитываться от автомобильного аккумулятора на 12 В.

Существенную часть цепи зажигания, показанной на фиг. 7, составляет один или несколько сильноточных диодов 86, которые имеют высокое напряжение обратного пробоя, большее, чем максимальное напряжение пробоя искрового промежутка ППИ 17 или ЗПИ 27 во всех режимах работы двигателя. Функция диодов 86 заключается в том, чтобы изолировать вторичный конденсатор 70 от катушки 62 зажигания путем блокирования тока, протекающего из вторичной обмотки 60 в конденсатор 70. Если такая изоляция отсутствует, тогда вторичное напряжение катушки 62 зажигания будет заряжать вторичный конденсатор 70 и, поскольку он имеет большую емкость, катушка 62 зажигания никогда не сможет развить достаточно высокое напряжение для осуществления пробоя воздушно-топливной смеси в искровом промежутке 68.

Диод 88 препятствует разрядке конденсатора 70 через вторичную обмотку 60, когда отсутствует искра или плазма. Дополнительный резистор 90 может использоваться для уменьшения тока через вторичную обмотку 60, благодаря чему уменьшается электромагнитное излучение (радио-шум), испускаемое этой цепью.

В представленной системе с ППИ между внутренним и наружным электродами на фиг. 24 может быть добавлен запускающий электрод, чтобы на конденсаторе 70 на фиг. 7 было более низкое напряжение. Такой поджигатель с тремя электродами показан на фиг. 8 и описан ниже.

На фиг. 8 схематично представлен плазменный поджигатель 100 с тремя электродами. Внутренний электрод 104 размещен коаксиально с внешним электродом 106, причем оба имеют размеры порядка нескольких миллиметров. Радиально между внутренним электродом 104 и внешним электродом 106 размещен третий электрод 108. Этот третий электрод 108 соединен с катушкой 110 высокого напряжения (ВН). Третий электрод 108 инициирует разряд между двумя основными электродами 104 и 106 за счет того, что заряжает открытую поверхность 114 изолятора 112. Пространство между всеми тремя электродами 104, 106, 108 заполнено электроизолирующим материалом 112, например, керамикой, за исключением пространства между электродами 104 и 106 на последних 2-3 мм поджигающего конца поджигателя 100. Разряд между двумя основными электродами 104 и 106 после инициирования его третьим электродом 108 начинается вдоль поверхности 114 изолятора 112. Газ (воздушно-топливная смесь) ионизируется за счет разряда. Этот разряд создает плазму, которая становится хорошим электрическим проводником и способствует увеличению величины тока. Увеличенный ток ионизи рует больше газа (воздушно-топливную смесь) и увеличивает объем плазмы, как пояснялось ранее.

Высокое напряжение между вершиной третьего электрода 108 и внешним электродом 106 обеспечивает очень слаботочный разряд, который достаточен для создания достаточного количества заряженных частиц на поверхности 114 изолятора 112, так чтобы основной конденсатор разряжался между электродами 104 и 106 вдоль поверхности 104 диэлектрика или изолятора 112.

Как показано на фиг. 9А, 9В и 9С, другой вариант изобретения включает поджигатель 120 с перемещающейся искрой, имеющий параллельные электроды 122 и 124 в виде стержней. Параллельные электроды 122, 124 на значительном участке своей длины герметизированы с помощью диэлектрического изолирующего материала 126. Верхний конец диэлектрика 126 удерживает соединитель 21 свечи зажигания, который механически и электрически прикреплен к верхнему концу электрода 122. Как показано на фиг. 9А, диэлектрический материал 126 жестко удерживает электроды 122 и 124 параллельно друг другу, а часть его жестко удерживает наружный металлический корпус 128, имеющий на нижнем участке резьбу 19 для закрепления корпуса. В этом примере электрод 124 механически и электрически прикреплен к внутренней стенке металлического корпуса 128 через жесткое крепление 130. Каждый из электродов 122 и 124 выступает на расстояние 1 наружу от поверхности нижнего торца диэлектрика 126.

Обратимся к фиг. 9В и 9С; электроды 122 и 124 находятся на расстоянии 2г друг от друга, где г - радиус наибольшего возможного цилиндра, который может быть размещен между электродами 122, 124 (фиг. 9С).

Несмотря на то, что показаны и раскрыты в описании различные варианты изобретения, это не означает, что изобретение ими ограничивается, они показаны только в качестве примера. Например, электроды 18 и 20 ППИ 17 и 25 ППИ 27 могут быть не цилиндрическими. Кроме того, дискообразный электрод 26 может быть не круглым, а например, в виде прямого стержня. Для ППИ 17 электроды 18 и 20 могут также быть и не коаксиальными, такими как, например параллельные стержни или параллельные вытянутые прямоугольные конфигурации. Несмотря на то, что показанные электроды имеют одинаковые длины, это также может быть изменено, в этом случае термин длина, который используется в формуле изобретения, будет относится к размеру перекрытия электродов вдоль направления выброса плазмы из поджигателя.

Claims (22)

1. Система зажигания с перемещающейся искрой для двигателя сгорания, содержащая поджигатель, включающий параллельные и находящиеся на расстоянии друг от друга электроды, включающие, по меньшей мере, первый и второй электроды, образующие искровой промежуток между ними, причем первый электрод является внешним электродом, а второй электрод является внутренним электродом и оба электрода имеют в поперечном сечении круговые конфигурации, при этом под радиусами электродов понимаются внешний радиус внутреннего электрода и внутренний радиус внешнего электрода, длина электрода относительно короткая по отношению к размеру промежутка, а размер промежутка относительно большой по отношению к длине, так что отношение суммы радиусов электродов к длине электродов больше или равно примерно четырем, а отношение разности этих двух радиусов к длине электродов больше чем примерно одна треть, диэлектрический материал, заполняющий существенную часть пространства между электродами, неизолированный участок на конце каждого из электродов свободен от диэлектрического материала, и эти участки находятся напротив друг друга, средство для закрепления поджигателя так, что свободные концы первого и второго электродов расположены в рабочем цилиндре двигателя, и электрическое средство для подачи разности потенциалов между электродами для начальной подачи на них высокого первого напряжения, достаточного для создания канала, сформированного плазмой между электродами, и второго напряжения более низкого потенциала, чем первое напряжение, для поддержания тока через плазму в канале между электродами, при этом электрическое поле, обусловленное разностью потенциалов между электродами, и магнитное поле, возникающее благодаря току, взаимодействуют между собой таким образом, что создается сила, действующая на плазму, вызывающая ее перемещение из области ее возникновения и увеличение ее объема, причем электрическое средство обеспечивает формирование первого и второго напряжения таким образом, что общая энергия, подаваемая на поджигатель для воспламенения, составляет менее около 1% энергии, имеющейся в газообразной смеси, находящейся в цилиндре сгорания.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что электрическое средство включает первый источник напряжения для создания первого напряжения, имеющего относительно высокую амплитуду, но низкую величину тока, и второй источник напряжения для создания второго напряжения, значительно более низкого по амплитуде, чем первое напряжение, но имеющий большую величину тока относительно величины тока первого источника напряжения.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что поджигатель дополнительно содержит третий электрод, расположенный между первым и вторым электродами, и первое напряжение подается между вторым и третьим электродами, а второе напряжение подается между первым электродом и вторым электродом.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй электроды представляют собой параллельные цилиндры.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй электроды имеют одинаковую длину.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что длина вдоль оси неизолированного участка первого и второго электродов меньше или равна 3 мм, а в радиальном направлении электроды отделены друг от друга расстоянием от около 1 мм до около 3 мм.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что параллельные первый и второй электроды параллельны продольной оси поджигателя.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что неизолированные поверхности параллельных первого и второго электродов, которые обращены друг к другу, имеют форму кольцевых участков дисков, ориентированных в плоскости, перпендикулярной продольной оси поджигателя.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что радиальная ширина неизолированной кольцевой части дисков меньше или равна 3 мм, а электроды находятся друг от друга на расстоянии от около 1 мм до около 3 мм.

10. Система зажигания с перемещающейся искрой для двигателя сгорания, работающего на газообразной топливо-воздушной смеси, содержащая, по меньшей мере, два параллельных электрода, расположенных на расстоянии друг от друга, чтобы обеспечивать образование искрового промежутка между ними, причем длина, по меньшей мере, одного из электродов относительно короткая по отношению к размеру промежутка, а размер промежутка относительно большой по отношению к этой длине, так что радиус наибольшего цилиндра, который может быть размещен между упомянутыми электродами, больше, чем длина, по меньшей мере, одного из электродов, диэлектрический материал, заполняющий существенную часть пространства между электродами, при этом неизолированный участок на конце каждого из электродов свободен от диэлектрического материала, и эти участки находятся напротив друг друга, а неизолированные концевые участки являются длинами электродов, соответственно, средство для закрепления поджигателя так, чтобы свободные концы электродов располагались в рабочем цилиндре двигателя, и электрическое средство для подачи двух напряжений между электродами, причем первое подаваемое напряжение достаточно высокое для создания из газообразной топливо-воздушной смеси канала, образованного плазмой между электродами, а подаваемое второе напряжение имеет меньшую амплитуду, чем первое напряжение, для поддержания тока через плазму в канале между электродами, вследствие чего электрическое поле, обусловленное напряжением между электродами, и магнитное поле, возникающее благодаря току, взаимодействуют между собой таким образом, что создается сила, действующая на плазму, вызывая ее перемещение из начальной области возникновения плазмы между электродами, вследствие чего существенно увеличивается объем, занимаемый плазмой, при этом электрическое средство обеспечивает подачу двух напряжений таким образом, что общая энергия, подаваемая на поджигатель для одного воспламенения, меньше около 300 мДж.

11. Плазменный поджигатель для двигателя внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере, первый и второй электроды, средство для удерживания электродов на заданном расстоянии друг от друга, обеспечивающем установление искрового промежутка между ними, при этом размеры, конфигурация и пространственное расположение электродов выбраны так, что длина, по меньшей мере, одного из электродов была относительно короткой по отношению к размеру промежутка, а размер межэлектродного промежутка относительно большой по отношению к длине, так что при подаче достаточно высокого напряжения на электроды, когда поджигатель установлен в рабочем цилиндре двигателя сгорания, в области нахождения газообразной воздушно-топливной смеси, между электродами из воздушнотопливной смеси образовывалась плазма, которая под действием силы Лоренца перемещалась наружу из межэлектродного пространства в расширяющийся объем цилиндра, причем высокое напряжение прикладывается таким образом, что общая энергия, подаваемая на поджигатель на одно воспламенение, составляет менее около 1% от энергии газообразной смеси, средство для закрепления поджигателя так, чтобы активные участки первого и второго электродов размещались в рабочем цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

12. Плазменный поджигатель по п. 11, отличающийся тем, что электроды имеют круговые поверхности, обращенные друг к другу, которые параллельны и находятся на расстоянии друг от друга, причем радиус и расстояние выбраны так, чтобы обеспечивать образование плазмы и перемещение плазмы наружу в радиальном направлении при подаче высокого напряжения.

13. Плазменный поджигатель по п.11, отличающийся тем, что электроды находятся на расстоянии друг от друга и представляют собой параллельные продольные электроды, а плазма при подаче высокого напряжения перемещается наружу из межэлектродного пространства в продольном направлении.

14. Плазменный поджигатель по п. 13, отличающийся тем, что дополнительно содержит диэлектрический материал, окружающий значительный участок электродов и пространство между ними, при этом неизолированный участок на конце каждого из электродов свободен от диэлектрического материала и эти участки расположены напротив друг друга, при этом неизолированные концевые участки являются длинами электродов, а радиус наибольшего цилиндра, который теоретически может быть размещен между электродами, больше, чем длина электродов, деленная на шесть.

15. Плазменный поджигатель по любому из пп. 12-14, отличающийся тем, что отношение суммы радиусов электродов к длине электродов больше или равно примерно четырем, а отношение разности этих двух радиусов к длине электродов больше, чем примерно одна треть.

16. Плазменный поджигатель по п.13, отличающийся тем, что диэлектрический материал окружает значительный участок электродов и пространство между ними, а неизолированный концевой участок каждого из электродов свободен от диэлектрического материала и эти концевые участки расположены напротив друг друга.

17. Плазменный поджигатель по п.11, отличающийся тем, что диэлектрический материал окружает значительный участок электродов и пространство между ними, причем неизолированный концевой участок каждого из электродов свободен от диэлектрического материала и расположены эти концевые участки напротив друг друга, так что при подаче напряжения плазма образуется сначала на диэлектрическом материале или вблизи от него.

18. Плазменный поджигатель по п.11, отличающийся тем, что содержит третий электрод, размещенный между первым и вторым электродами, причем указанное высокое напряжение приложено между вторым и третьим электродами, а второе напряжение, которое ниже чем указанное высокое напряжение, приложено между первым электродом и вторым электродом.

19. Плазменный поджигатель по п.1, отличающийся тем, что общая энергия, подаваемая на поджигатель, составляет менее около 300 мДж.

20. Плазменный поджигатель по п.11, отличающийся тем, что общая энергия, подаваемая на поджигатель, составляет менее около 300 мДж.

21. Плазменный поджигатель по п. 1 , отличающийся тем, что соотношение воздуха и топлива в топливо-воздушной смеси меньше стехиометрической смеси.

22. Плазменный поджигатель по п. 11, отличающийся тем, что соотношение воздуха и топлива в топливо-воздушной смеси меньше стехиометрической смеси.