RU2362902C2 - Method of discharge voltage reduction in ignition systems of internal combustion engines - Google Patents
Method of discharge voltage reduction in ignition systems of internal combustion engines Download PDFInfo
- Publication number
- RU2362902C2 RU2362902C2 RU2007125051/06A RU2007125051A RU2362902C2 RU 2362902 C2 RU2362902 C2 RU 2362902C2 RU 2007125051/06 A RU2007125051/06 A RU 2007125051/06A RU 2007125051 A RU2007125051 A RU 2007125051A RU 2362902 C2 RU2362902 C2 RU 2362902C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge
- ignition
- energy
- voltage
- spark
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к системам зажигания двигателей внутреннего сгорания с индукционным и емкостным накоплением энергии и может использоваться в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to ignition systems of internal combustion engines with induction and capacitive energy storage and can be used in ignition systems of internal combustion engines.
Для существенного улучшения параметров двигателей внутреннего сгорания необходимо значительно увеличить энергию искрового разряда. Так как оптимальное время разряда 1,2-1,6 мс, то это возможно только увеличением мощности разряда.To significantly improve the parameters of internal combustion engines, it is necessary to significantly increase the energy of the spark discharge. Since the optimal discharge time is 1.2-1.6 ms, this is only possible by increasing the discharge power.
Известно устройство электронного зажигания, обеспечивающее лучшие условия воспламенения путем увеличения мощности электрической искры зажигания (см. SU 1838664, 30.08.1993).A device for electronic ignition is known, which provides better ignition conditions by increasing the power of an electric spark (see SU 1838664, 08/30/1993).
Известна система плазменного зажигания (см. RU 200465 С1, 09.07.1993), имеющая повышенную мощность разряда, с ионизацией искрового промежутка свечи зажигания.A known plasma ignition system (see RU 200465 C1, 07/09/1993) having an increased discharge power, with ionization of the spark gap of the spark plug.
При использовании плазменного зажигания развиваются температуры до 4000°С в достаточно большом объеме. При этом создается множество очагов воспламенения, отпадают проблемы детонации и степень сжатия можно повысить (повышаются мощность, КПД и экономичность двигателя, уменьшается время задержки воспламенения топлива). Возможно воспламенение бедных смесей с соотношением воздух - топливо 27, что позволяет перейти к качественному регулированию мощности двигателя (объемом подаваемого топлива). Плазменное зажигание улучшает работу двигателя особенно на частичных нагрузках, и расход топлива может быть таким же, как у дизеля. Однако для значительного улучшения перечисленных параметров необходимо дальнейшее существенное повышение средней мощности разряда, для чего необходимо решить две проблемы, кардинально не решенных в настоящее время.When using plasma ignition, temperatures develop up to 4000 ° C in a fairly large volume. This creates a lot of ignition foci, detonation problems disappear and the compression ratio can be increased (engine power, efficiency and efficiency are increased, the ignition delay time of the fuel is reduced). Ignition of poor mixtures with an air-fuel ratio of 27 is possible, which allows us to switch to the quality control of engine power (volume of fuel supplied). Plasma ignition improves engine performance, especially at partial loads, and fuel consumption can be the same as a diesel engine. However, to significantly improve the above parameters, a further substantial increase in the average discharge power is necessary, for which it is necessary to solve two problems that have not been radically solved at the present time.
1) Повышение мощности выделяемой в искровом разряде за счет увеличения искрового промежутка (решается данным изобретением) и/или повышение мощности путем увеличения тока разряда (ограничено квадратичной зависимостью от тока энергии, теряемой на сопротивлении высоковольтной цепи, имеющего в обычных системах зажигания значение 12000-40000 и более Ом, при этом напряжение горения дугового разряда при токе дугового разряда более 0,1 А имеет «падающую» характеристику, что значительно снижает КПД искрового разряда, например при среднем токе разряда всего 2 А и сопротивлении высоковольтной цепи 15000 Ом. мощность потерь на нем составит 60000 Вт и примерно 600 Вт будет средняя мощность в искровом разряде, поэтому в системах зажигания используются малоэффективные токи тлеющего разряда не более 0,15 А).1) An increase in the power released in the spark discharge due to an increase in the spark gap (solved by this invention) and / or an increase in power by increasing the discharge current (limited by the quadratic dependence on the current energy lost on the resistance of the high-voltage circuit, which has the value 12000-40000 in conventional ignition systems and more than Ohms, while the burning voltage of an arc discharge at an arc discharge current of more than 0.1 A has a “falling” characteristic, which significantly reduces the efficiency of a spark discharge, for example, with an average discharge current only 2 A and a high-voltage circuit resistance of 15,000 Ohms.The power loss on it will be 60,000 W and approximately 600 W will be the average power in the spark discharge, so low-efficiency glow discharge currents of not more than 0.15 A are used in ignition systems).
2) Из-за ограничений по габаритам и материалу сердечника катушки зажигания (магнитное насыщение сердечника) невозможно накопить или трансформировать значительную мощность и энергию.2) Due to limitations in the dimensions and material of the core of the ignition coil (magnetic saturation of the core), it is impossible to accumulate or transform significant power and energy.
Предлагаемый способ совместно со способом снижения потерь энергии в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания способны кардинально решить эти проблемы, позволяя получить практически любую мощность и длительность искрового разряда (ограничение в основном по возможностям источника питания).The proposed method, together with the method of reducing energy losses in the ignition systems of internal combustion engines, can radically solve these problems, allowing you to get almost any power and duration of the spark discharge (mainly limited by the capabilities of the power source).
Увеличение искрового промежутка требует большего пробивного напряжения и, следовательно, большей энергии (квадратичная зависимость от роста пробивного напряжения) для его достижения (при этом получается емкостный разряд большей энергии, но емкостный разряд не эффективен для воспламенения смеси из-за его малой длительности, кроме того, увеличиваются радиопомехи и износ контактов свечи), а также ограничено диэлектрической прочностью высоковольтной цепи и в настоящее время кардинально не решено.An increase in the spark gap requires more breakdown voltage and, therefore, more energy (a quadratic dependence on the increase in breakdown voltage) to achieve it (in this case, a capacitive discharge of higher energy is obtained, but the capacitive discharge is not effective for igniting the mixture due to its short duration, in addition , increased radio interference and wear of the contacts of the plug), and is also limited by the dielectric strength of the high-voltage circuit and is currently not fundamentally resolved.
Задача изобретения - снизить пробивное напряжение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, вплоть до 8-10 раз.The objective of the invention is to reduce the breakdown voltage in the ignition systems of internal combustion engines, up to 8-10 times.
Основные признаки способа. До момента зажигания, когда ниже давление, а следовательно и пробивное напряжение, включается серия искровых разрядов. Энергия разряда должна быть достаточна, чтобы пробить искровой промежуток, а частота следования разрядов должна поддерживать, за счет остаточной ионизации, его в таком состоянии, чтобы напряжение пробоя каждого последующего разряда было ниже предельно допустимого для данной системы зажигания, несмотря на повышение давления. Длительность и энергия искровых разрядов должна быть недостаточной для воспламенения топливной смеси. В момент зажигания энергия искры увеличивается до величины, достаточной для воспламенения топливной смеси.The main features of the method. Until the moment of ignition, when the pressure is lower, and hence the breakdown voltage, a series of spark discharges is turned on. The discharge energy should be sufficient to pierce the spark gap, and the discharge repetition rate should support, due to residual ionization, it is in such a state that the breakdown voltage of each subsequent discharge is below the maximum permissible for this ignition system, despite the increase in pressure. The duration and energy of spark discharges must be insufficient to ignite the fuel mixture. At the moment of ignition, the spark energy increases to a value sufficient to ignite the fuel mixture.
Воспламенение топливной смеси происходит при выполнении двух условий.The ignition of the fuel mixture occurs when two conditions are met.
Первое: энергия и длительность электрического разряда должны быть достаточны для газификации смеси (испарение капель топлива и перемешивание паров топлива с воздухом) и нагрева объема топливной смеси, имевшей контакт с искрой, до температуры воспламенения. На это требуется не только определенная энергия искрового разряда, но и его длительность. Данный параметр зависит от степени газификации смеси, ее температуры, давления и ионизации, типа применяемого топлива (например, для воспламенения водорода требуется незначительная энергия электрического разряда).First: the energy and duration of the electric discharge should be sufficient for gasification of the mixture (evaporation of fuel droplets and mixing of fuel vapor with air) and heating of the volume of the fuel mixture that had contact with the spark to the ignition temperature. This requires not only a certain spark discharge energy, but also its duration. This parameter depends on the degree of gasification of the mixture, its temperature, pressure and ionization, the type of fuel used (for example, insignificant electric discharge energy is required to ignite hydrogen).
Второе: скорость выделения тепловой энергии, выделяемой воспламененным электрическим разрядом топлива, должна быть больше скорости роста потерь на охлаждение и газификацию топлива. Данный параметр зависит от теплотворной способности применяемого топлива, степени его газификации, степени обеднения топлива (чем больше избыток воздуха, тем больше потерь энергии на его нагрев), температуры, давления, степени ионизации и озонирования топливной смеси, от количества топлива воспламененного искровым разрядом (чем больше топлива воспламененного электрическим разрядом, тем больше скорость роста тепловой энергии и больше вероятность воспламенения всей топливной смеси). Количество воспламеняемого топлива зависит: от соотношения топливо/воздух (уменьшается при обеднении смеси); от количества топлива в единице объема (растет при сжатии смеси); от объема воспламененного электрическим разрядом топлива (зависит от объема искрового разряда и скорости обдува его турбулентными потоками топливной смеси в цилиндре). Объем искрового разряда зависит от: диаметра искры (пропорционален силе тока разряда); длины искрового разряда (зависит от искрового промежутка в свече зажигания, значительно увеличивается при обдуве искры и зависит от времени воздействия турбулентных потоков, обдувающих искру, и их скорости). Минимальная энергия и длительность электрического разряда, необходимые для воспламенения всей топливной смеси, с приближением к верхней «мертвой» точке, когда температура и давление смеси близки к условию самовоспламенения, снижается вплоть до значения менее 1 мДж. Наименьшая энергия и длительность разряда используются в тиристорных системах зажигания в двухтактных двигателях мотоциклов и мопедов 30-40 мкс, 1,9-2,1 мДж. Малая длительность и энергия разряда компенсируется использованием «богатых» смесей. При уменьшении длительности искрового разряда растет минимальная энергия, необходимая для воспламенения топливной смеси, и при значительном уменьшении длительности разряда энергия индуктивной фазы может быть значительно больше 1 мДж.Second: the rate of release of thermal energy released by the ignited electric discharge of fuel should be greater than the growth rate of losses for cooling and gasification of fuel. This parameter depends on the calorific value of the fuel used, the degree of gasification, the degree of fuel depletion (the greater the excess of air, the greater the energy loss for its heating), temperature, pressure, the degree of ionization and ozonation of the fuel mixture, the amount of fuel ignited by a spark discharge (than the more fuel ignited by an electric discharge, the greater the rate of increase in thermal energy and the greater the probability of ignition of the entire fuel mixture). The amount of flammable fuel depends on: the ratio of fuel / air (decreases with the depletion of the mixture); on the amount of fuel per unit volume (grows when the mixture is compressed); on the volume of fuel ignited by an electric discharge (it depends on the volume of the spark discharge and the speed of blowing it with turbulent flows of the fuel mixture in the cylinder). The volume of a spark discharge depends on: the diameter of the spark (proportional to the strength of the discharge current); the length of the spark discharge (depends on the spark gap in the spark plug, increases significantly when blowing the spark and depends on the time of exposure to turbulent flows that blow the spark, and their speed). The minimum energy and the duration of the electric discharge required to ignite the entire fuel mixture, with approaching the top dead center, when the temperature and pressure of the mixture are close to the self-ignition condition, decreases down to a value of less than 1 mJ. The smallest energy and discharge duration are used in thyristor ignition systems in two-stroke engines of motorcycles and mopeds 30-40 μs, 1.9-2.1 mJ. The short duration and discharge energy is compensated by the use of “rich” mixtures. With a decrease in the duration of the spark discharge, the minimum energy required to ignite the fuel mixture increases, and with a significant decrease in the duration of the discharge, the energy of the inductive phase can be significantly greater than 1 mJ.
Энергия искрового разряда состоит из емкостного (разряд емкости высоковольтной цепи Св - сумма емкостей высоковольтной обмотки зажигания, высоковольтных проводов и высоковольтного распределителя, емкости свечи, заряженной до напряжения пробоя) и индуктивного разрядов. Длительность емкостного разряда, примерно 1 мкс (без сопротивления от радиопомех и обычной емкости высоковольтной цепи), поэтому, несмотря на большую мощность, недостаточна для воспламенения смеси. Так как на емкостный разряд тратится только часть запасенной энергии (зависит от коэффициента запаса по вторичному напряжению Кз - соотношение максимального напряжения развиваемого катушкой зажигания к напряжению пробоя искрового промежутка, обычно равно 1,5), оставшаяся основная часть энергии выделяется в виде индуктивного разряда. Длительность индуктивного разряда на два-три порядка больше емкостного (возрастает при увеличении энергии, запасенной в катушке зажигания и индуктивности высоковольтной обмотки катушки зажигания, уменьшается при увеличении мощности разряда, увеличении длины искрового зазора).The energy of a spark discharge consists of capacitive (the discharge of the capacitance of the high-voltage circuit Sv is the sum of the capacities of the high-voltage ignition coil, high-voltage wires and high-voltage distributor, the capacity of the spark plug charged to the breakdown voltage) and inductive discharges. The duration of the capacitive discharge is approximately 1 μs (without resistance from radio interference and the usual capacitance of a high voltage circuit), therefore, despite the high power, it is insufficient to ignite the mixture. Since only part of the stored energy is spent on a capacitive discharge (it depends on the secondary voltage safety factor Kz - the ratio of the maximum voltage developed by the ignition coil to the breakdown voltage of the spark gap is usually 1.5), the remaining main part of the energy is released in the form of an inductive discharge. The duration of the inductive discharge is two to three orders of magnitude longer than the capacitive one (increases with increasing energy stored in the ignition coil and inductance of the high-voltage winding of the ignition coil, decreases with increasing discharge power, increasing the length of the spark gap).
Уменьшить длительность и энергию индуктивной фазы разряда можно несколькими способами, аналогичными применяемым в системах зажигания с индуктивным или емкостным накоплением энергии, но направленными не на увеличение, а на уменьшение длительности и энергии электрического разряда.There are several ways to reduce the duration and energy of the inductive phase of a discharge, similar to those used in ignition systems with inductive or capacitive energy storage, but aimed not at increasing but decreasing the duration and energy of an electric discharge.
Возможно:Maybe:
Уменьшением до минимума коэффициент запаса напряжения Кз, то есть уменьшить до минимума запасенную энергию в индуктивности или в емкости в тиристорных схемах (потребуется сложное устройство расчета необходимой запасаемой энергии для достижения пробивного напряжения на различных режимах работы двигателя).By minimizing the voltage safety factor Kz, that is, minimizing the stored energy in the inductance or in the capacitance in thyristor circuits (a sophisticated device for calculating the required stored energy to achieve breakdown voltage in various engine operating modes will be required).
Ограничением времени и энергии индуктивной фазы разряда коммутирующими устройствами. Во время емкостного разряда в высоковольтной цепи резко возрастает ток, по своему значению превышающий ток, проходящий по сопротивлению нагара, что можно использовать как управляющий сигнал для повторного открытия коммутирующего транзистора в системах с индукционным накоплением энергии или, наоборот, запирания коммутирующего устройства в системах с емкостным накоплением энергии. Если во время разряда в системах зажигания с индукционным накоплением энергии открыть коммутирующий транзистор - замедляется, а затем и меняется направление изменения магнитного потока, и разряд прекращается. В системах с емкостным накоплением энергии при прерывании разряда накопительного конденсатора на первичную обмотку коммутирующим устройством (например, IGBT транзистором) также ограничиваются длительность и энергия индуктивного разряда. Этим способом можно получать очень малую энергию и длительность индуктивного разряда, соизмеримую с длительностью емкостного разряда. Сигнал для срабатывания коммутирующих устройств также можно получить от устройства, учитывающего время, необходимое для получения пробивного или желаемого напряжения. В системах с индукционным накоплением энергии во время емкостного разряда напряжение коллектор-эммитер на коммутирующем транзисторе снижается с 300-400 В практически до напряжения источника питания, что также может использоваться как сигнал для ограничения времени и энергии индуктивного разряда.By limiting the time and energy of the inductive phase of the discharge by switching devices. During a capacitive discharge in a high-voltage circuit, a current increases sharply in value, exceeding the current passing through the carbon resistance, which can be used as a control signal for re-opening a switching transistor in systems with inductive energy storage or, on the contrary, locking the switching device in capacitive systems energy storage. If you open a switching transistor during a discharge in ignition systems with induction energy storage, it slows down, and then the direction of change of the magnetic flux changes, and the discharge stops. In systems with capacitive energy storage, when the discharge of the storage capacitor to the primary winding is interrupted by a switching device (for example, an IGBT transistor), the duration and energy of the inductive discharge are also limited. In this way, it is possible to obtain very low energy and the duration of the inductive discharge, commensurate with the duration of the capacitive discharge. The signal for the operation of the switching devices can also be obtained from the device, taking into account the time required to obtain a breakdown or the desired voltage. In systems with induction energy storage during a capacitive discharge, the collector-emitter voltage at the switching transistor decreases from 300-400 V almost to the voltage of the power source, which can also be used as a signal to limit the time and energy of the inductive discharge.
Использованием в тиристорных системах зажигания режима с частичной передачей энергии (на схеме фиг.1 катод диода VD1, подключенного к точке В(п), подключить к точке а или исключить этот диод из схемы), при этом энергия и время разряда существенно сокращаются, ограничиваясь первой полуволной разряда.The use of a partial energy transfer mode in thyristor ignition systems (in the diagram of Fig. 1, connect the cathode of the diode VD1 connected to point B (p) to point a or exclude this diode from the circuit), while the energy and discharge time are significantly reduced, being limited first half-wave discharge.
Уменьшением индуктивности обмоток катушки зажигания, при этом уменьшается длительность разряда, снижается собственная емкость высоковольтной обмотки и, следовательно, необходимая величина запасенной энергии для достижения пробивного напряжения, возрастает скорость роста высокого напряжения и, следовательно, снижаются потери на сопротивлении нагара.By reducing the inductance of the windings of the ignition coil, the duration of the discharge is reduced, the intrinsic capacity of the high-voltage winding is reduced, and therefore, the required amount of stored energy to achieve breakdown voltage, the growth rate of the high voltage increases and, consequently, the loss on carbon resistance decreases.
Использованием электрических разрядов, полученных с помощью пьезоэлектрического эффекта. Одиночные разряды малой энергии и длительности (мала емкость пьезоэлемента) пробивают искровой промежуток и поддерживают его в «пробитом» состоянии, в момент зажигания увеличивается частота разрядов для получения необходимой энергии воспламенения.Using electrical discharges obtained using the piezoelectric effect. Single discharges of low energy and duration (the piezoelectric element capacity is small) break through the spark gap and maintain it in a “broken” state; at the moment of ignition, the frequency of discharges increases to obtain the necessary ignition energy.
Возможны и другие способы ограничения энергии и длительности искрового разряда, а также их различные комбинации.Other methods of limiting the energy and duration of the spark discharge, as well as their various combinations, are possible.
Во время искрового разряда, уже на стадии емкостного разряда в искровом промежутке, происходит сильная ионизация, за счет чего проводимость искрового промежутка резко возрастает. Напряжение горения тлеющего разряда Uтл (ток от 10 мкА до 100000 мкА, режим индуктивной фазы горения обычно используемый в системах зажигания) практически постоянно и мало зависит от давления. Uтл=Uk+Е·q, где Uk=220-330 В - катодное падение напряжения, Е = 100 В/мм - напряженность поля в положительном столбе, q - расстояние между электродами. Расчетное напряжение горения искры при искровом зазоре 0,7-0,8 мм 400-410 В, реальное 900 В, то есть удлинение искры за счет обдува более 8 раз. Однако при малой длительности искрового разряда (искра не успеет увеличить свои линейные размеры) напряжение тлеющего горения искры будет близко к расчетному и при 7-8 мм зазоре будет незначительно больше 1100 В. После окончания разряда проводимость искрового промежутка падает (скорость падения проводимости зависит от степени ионизации, влажности, температуры, скорости вихревых потоков) за счет рекомбинации ионов и их уноса воздушными потоками. Если за паузу между разрядами снижение проводимости будет таким, что сопротивление искрового промежутка возрастет, например, при зазоре в 7 мм, с тысяч Ом, при тлеющем разряде, или с десятков Ом при дуговом разряде, не более чем до 100 МОм, то при достижении напряжения незначительно большем 1100 В сохранятся условия горения тлеющего разряда (ток не менее 10 мкА). При большей паузе между разрядами и, соответственно, большем падении проводимости условия тлеющего разряда не сохраняются и напряжение пробоя будет зависеть от степени остаточной ионизации искрового промежутка, температуры и давления. Таким образом, регулируя длительность паузы между разрядами можно добиться, чтобы напряжение пробоя каждого последующего разряда было ниже предельно допустимого для данной системы зажигания, несмотря на повышение давления (подбирается опытным или расчетным путем - зависит от режимов работы двигателя, его конструкции, температуры, степени сжатия и т.д.).During the spark discharge, already at the stage of the capacitive discharge in the spark gap, strong ionization occurs, due to which the conductivity of the spark gap increases sharply. The voltage of the glow discharge glow UTl (current from 10 μA to 100,000 μA, the mode of the inductive phase of combustion usually used in ignition systems) is almost constant and little dependent on pressure. Utl = Uk + E · q, where Uk = 220-330 V is the cathode voltage drop, E = 100 V / mm is the field strength in the positive column, q is the distance between the electrodes. The rated voltage of burning the spark with a spark gap of 0.7-0.8 mm 400-410 V, real 900 V, that is, the extension of the spark due to blowing more than 8 times. However, with a short duration of the spark discharge (the spark does not have time to increase its linear dimensions), the smoldering voltage of the spark will be close to the calculated one and at 7-8 mm the gap will be slightly more than 1100 V. After the end of the discharge, the conductivity of the spark gap decreases (the rate of conductivity drop depends on the degree ionization, humidity, temperature, speed of vortex flows) due to the recombination of ions and their entrainment by air currents. If during a pause between discharges the decrease in conductivity is such that the resistance of the spark gap increases, for example, with a gap of 7 mm, from thousands of ohms, during a glow discharge, or from tens of ohms during an arc discharge, to no more than 100 MOhm, then when voltage slightly higher than 1100 V, the conditions for burning a glow discharge (current of at least 10 μA) will remain. With a longer pause between the discharges and, correspondingly, a larger drop in conductivity, the glow discharge conditions are not preserved and the breakdown voltage will depend on the degree of residual ionization of the spark gap, temperature, and pressure. Thus, by adjusting the duration of the pause between discharges, it is possible to ensure that the breakdown voltage of each subsequent discharge is lower than the maximum permissible for a given ignition system, despite the increase in pressure (selected experimentally or by calculation, it depends on the engine operating conditions, its design, temperature, and compression ratio etc.).
Как было указано выше, энергия и длительность разряда, необходимые для воспламенения топливной смеси, возрастают при более раннем зажигании. Например, во время такта всасывания требуются очень большая энергия и длительность разряда - малы температура, давление, количество углеводородов в единице объема топливной смеси, скорость обдува искры, поэтому первый разряд, имеющий относительно большую энергию, необходимую для достижения пробивного напряжения, например 24000 В, не способен воспламенить топливную смесь. Последующие разряды могут иметь меньшие напряжения пробоя, вплоть до сохранения условий тлеющего разряда, а следовательно, и меньшую длительность и энергию разряда (энергия необходимая для пробоя искрового промежутка квадратична напряжению пробоя). При зазоре в 7 мм и атмосферном давлении пробивное напряжение примерно 21000 В, а напряжение тлеющего разряда порядка 1100 В. Следовательно, энергия разряда, необходимая для поддержания искрового промежутка в проводящем состоянии тлеющего разряда, более 360 раз меньше, чем для первичного пробоя. Таким образом, длительность и энергия разрядов, поддерживающих проводимость искрового промежутка, может быть значительно меньше минимальной длительности и энергии, необходимой для воспламенения, несмотря на относительно высокую частоту следования разрядов. Малая энергия предварительных разрядов легко позволяет обычными устройствами, применяемыми в системах зажигания, обеспечить необходимую энергию разрядов, несмотря на их большую частоту следования, чем частота следования искровых разрядов зажигания.As indicated above, the energy and duration of the discharge required to ignite the fuel mixture increase with earlier ignition. For example, during the suction stroke, very large energy and discharge duration are required - the temperature, pressure, the amount of hydrocarbons per unit volume of the fuel mixture, the speed of blowing the spark are small, so the first discharge, having a relatively large energy required to achieve breakdown voltage, for example 24000 V, not able to ignite the fuel mixture. Subsequent discharges can have lower breakdown voltages, up to preserving the conditions of a glow discharge, and therefore, a shorter duration and energy of the discharge (the energy necessary for the breakdown of the spark gap is quadratic to the breakdown voltage). With a gap of 7 mm and atmospheric pressure, the breakdown voltage is about 21000 V, and the glow discharge voltage is about 1100 V. Therefore, the discharge energy necessary to maintain the spark gap in the conducting state of the glow discharge is more than 360 times less than for the primary breakdown. Thus, the duration and energy of the discharges supporting the conductivity of the spark gap can be significantly less than the minimum duration and energy required for ignition, despite the relatively high discharge repetition rate. The low energy of preliminary discharges easily allows conventional devices used in ignition systems to provide the necessary energy of discharges, despite their greater repetition rate than the repetition rate of spark ignition discharges.
Согласно экспериментальному закону Пашена величина пробивного напряжения для однородных полей прямо пропорциональна давлению смеси и расстоянию между электродами и обратно пропорциональна температуре смеси (оказывают влияние состав смеси, длительность и форма приложенного напряжения, полярность пробивного напряжения, материал электродов и условия работы двигателя). Так как серия предварительных разрядов может быть включена при давлении в цилиндре даже ниже атмосферного, во время такта всасывания, то и пробивное напряжение может быть в 8-10 и более раз ниже, чем в момент зажигания (зависит от степени сжатия, наличия наддува, температуры смеси, остаточной ионизации, режимов работы двигателя, используемого коэффициента запаса пробивного напряжения и т.д.). Таким образом, можно не только снизить пробивное напряжение, но и значительно увеличить расстояние между электродами свечи (например, проверку работоспособности зажигания проверяют при атмосферном давлении и температуре окружающей среды на искровом промежутке 7-10 мм, в то время как зазор в свече 0,7-0,8 мм), что позволяет увеличить площадь электрода подверженного электроэрозии, что увеличивает срок службы свечи (решение одной из проблем при использовании плазменного зажигания). Например, при искровом зазоре в 3 миллиметра электродом может быть не только вся площадь бокового электрода, но и корпус свечи. Увеличивается энергия, выделяемая в искре, без увеличения электроэрозии электродов свечи, снижается влияние увеличения пробивного напряжения из-за их износа и, следовательно, увеличения искрового промежутка (например, влияние увеличения на 0,1 мм искрового промежутка, из-за электроэрозии контактов свечи, при зазоре 0,7 мм и при 7 мм различны). До момента зажигания рабочая смесь серией разрядов возбуждается, ионизируется, что облегчает воспламенение и увеличивает скорость горения топлива.According to Pashen’s experimental law, the breakdown voltage for homogeneous fields is directly proportional to the mixture pressure and the distance between the electrodes and inversely proportional to the mixture temperature (the composition of the mixture, the duration and shape of the applied voltage, the polarity of the breakdown voltage, the electrode material and engine operating conditions have an effect). Since a series of preliminary discharges can be turned on at a pressure in the cylinder even lower than atmospheric pressure during the suction stroke, the breakdown voltage can be 8-10 or more times lower than at the moment of ignition (depends on the degree of compression, the presence of boost, temperature mixture, residual ionization, engine operating modes, used breakdown voltage safety factor, etc.). Thus, it is possible not only to reduce the breakdown voltage, but also significantly increase the distance between the spark plug electrodes (for example, the ignition performance test is checked at atmospheric pressure and ambient temperature in the spark gap of 7-10 mm, while the gap in the spark is 0.7 -0.8 mm), which allows to increase the area of the electrode subject to electroerosion, which increases the life of the spark plug (solution of one of the problems when using plasma ignition). For example, with a spark gap of 3 millimeters, the electrode can be not only the entire area of the side electrode, but also the body of the candle. The energy released in the spark increases, without increasing the electrode spark erosion, the effect of an increase in breakdown voltage due to wear and tear, and consequently, an increase in the spark gap (for example, the effect of an increase of 0.1 mm in the spark gap due to electroerosion of the spark plug contacts, decreases). with a clearance of 0.7 mm and with 7 mm different). Until the moment of ignition, the working mixture is excited by a series of discharges, ionized, which facilitates ignition and increases the burning rate of the fuel.
В момент зажигания необходимо увеличить энергию единичного разряда или уменьшить время паузы между разрядами настолько, чтобы энергия разряда или разрядов была достаточной для эффективного воспламенения топливной смеси.At the moment of ignition, it is necessary to increase the energy of a single discharge or to reduce the pause time between discharges so that the energy of the discharge or discharges is sufficient for effective ignition of the fuel mixture.
В качестве демонстрации возможности реализации данного способа предлагаются описание и схема на фиг.1 одного из возможных способов. Используется принцип значительного снижения индуктивности обмоток (W1, W2) катушки зажигания КЗ, позволяющий значительно уменьшить длительность и энергию индуктивной фазы разряда. В качестве источника пробивного напряжения использовалась самодельная катушка зажигания КЗ, намотанная в один слой (для получения наименьшей собственной емкости, простоты конструкции, отсутствия изоляции между слоями, повышения надежности, снижения стоимости), на кольцевом ферритовом сердечнике (для простоты конструкции и изготовления, снижения цены целесообразно использовать разборный сердечник) K45.0×28.0×12.0 марки 6000НМ, провод ПЭВ-1 диаметром 0,4 мм (обе обмотки). Первичная обмотка W1 - менее 2 витков (1,75 витка), вторичная высоковольтная W2 - 104 витка. Сопротивление W2 - менее 0,8 Ом. Использование такой катушки дает ряд преимуществ. Малые габариты и цена позволяют применить индивидуальные на каждый цилиндр катушки зажигания, расположенные непосредственно у свечи зажигания (так как предварительные разряды включаются раньше момента зажигания, то высоковольтный распределитель при обычных габаритах не обеспечит нормального распределения высоковольтных разрядов; использование двухвыводных катушек не целесообразно из-за повышенных потерь на больших искровых зазорах и в два раза большем износе контактов свечи). Отсутствие высоковольтного распределителя и, следовательно, потерь в его искровом зазоре, отсутствия его емкости, а также емкостей высоковольтных проводов при значительном снижении емкости высоковольтной обмотки (W2) КЗ, в разы снижают величину емкости высоковольтной цепи (Св) и, следовательно, необходимую энергию для достижения напряжения пробоя. В разы уменьшенная энергия и длительность емкостного разряда, отсутствие искрового зазора высоковольтного распределителя (неэкранированного источника радиопомех), малая длина излучающей помехи антенны (высоковольтного провода, соединяющего КЗ со свечей), значительно снижают радиопомехи, что позволяет исключить сопротивление от радиопомех (при этом уменьшаются потери энергии разряда, особенно значительно при использовании дуговых электрических разрядов), без применения экранирования (или незначительном экранировании). Большое уменьшение емкости высоковольтной цепи и особенно индуктивности W2 значительно повышает скорость роста высокого напряжения, значительно снижая потери энергии на шунтирующем сопротивлении нагара (но пробивное напряжение, при высокой скорости роста высокого напряжения, возрастет до 30%, что связано с соизмеримостью скорости роста напряжения и временем формирования искрового разряда). Ферритовый сердечник КЗ имеет малые гистерезисные потери энергии. Таким образом, энергия и длительность электрического разряда могут быть очень малыми. Однако необходимая энергия для достижения пробивного напряжения снижается в разы, в то же время индуктивности W1, W2 снижаются в сотни раз, что предъявляет повышенные требования к выходным коммутирующим устройствам (по величине коммутируемого тока и быстродействию) для получения необходимого пробивного напряжения. Особенно тяжелые условия для получения необходимого пробивного напряжения по коммутируемому току в системах с индуктивным накоплением энергии (
Для снижения гистерезисных и индукционных потерь в катушке зажигания, потерь в высоковольтной цепи и коммутаторе при реализации данного способа предпочтительно использовать способ снижения потерь энергии в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Принципиальное отличие способа снижения потерь энергии состоит в том, что необходимая энергии разряда подводится непосредственно в высоковольтную цепь, что исключает необходимость ее накопления или трансформирования катушкой зажигания. С этой целью последовательно W2 подключается источник энергии разряда, например заряженный конденсатор С2 (полярность практически не имеет значения), см. фиг.1. Задача катушки зажигания ограничивается в данном способе созданием пробивного напряжения и кратковременного снижения напряжения горения искры ниже напряжения заряда С2, при этом С2 начнет разряжаться через обмотку W2 в искровой промежуток. На это требуется небольшая длительность и энергия разряда КЗ при относительно большой мощности искрового разряда. Таким образом, можно существенно уменьшить индуктивность обмоток катушки зажигания, их сопротивление (значительно уменьшив количество витков обмоток и увеличив сечение провода высоковольтной обмотки W2, чем меньше ее сопротивление, тем выше эффективность данного способа, особенно при использовании дуговых разрядов) и емкость W2 (в качестве примера параметры катушки зажигания, описанной ранее). При отсутствии сопротивления от радиопомех (возможность его исключения описывалась ранее) величина потерь в искровом разряде будет зависеть только от омического сопротивления W2, проводов высоковольтной цепи (сердечник катушки зажигания при разряде С2 быстро выходит в режим насыщения, и индуктивность W2 незначительно влияет на скорость изменения тока разряда). Таким образом, требования к параметрам КЗ, их энергии и длительности разряда в обоих способах совпадают, что делает возможным их совместное использование. Совместное использование обоих способов кардинально решает проблему повышения мощности и энергии, выделяемой в искровом разряде. При совместном использовании обоих способов происходит взаимное улучшение их характеристик. Способ уменьшения потерь энергий позволяет получать в момент зажигания с высоким КПД электрический разряд очень большой мощности и энергии (вплоть до значений, в тысячи раз больших, чем в современных системах зажиганиях). Способ снижения пробивного напряжения за счет большей длины искрового промежутка уменьшает ток разряда, при этом увеличивает его длительность, уменьшает электроэрозию, снижает влияние увеличения искрового зазора из-за износа контактов свечи, позволяет увеличить площадь поверхности износа контактов свечи, повышая срок службы свечи, см. выше. Так как энергия индуктивного разряда КЗ практически не влияет на воспламеняющую способность топливной смеси, коэффициент запаса пробивного напряжения (Кз) можно снизить с 1,5 почти до 1,0, что позволит уменьшить максимальное напряжение, развиваемое КЗ (почти в 1,5 раза, что почти в 2,25 раза снижает необходимую энергию для достижения этого напряжения, позволяя еще больше уменьшить число витков обмоток, их сопротивление и емкость), или увеличить длину искрового промежутка.To reduce hysteresis and induction losses in the ignition coil, losses in the high-voltage circuit and the switch when implementing this method, it is preferable to use the method of reducing energy losses in the ignition systems of internal combustion engines. The fundamental difference between the method of reducing energy loss is that the necessary discharge energy is supplied directly to the high-voltage circuit, which eliminates the need for its accumulation or transformation by the ignition coil. For this purpose, a discharge energy source is connected in series W2, for example, a charged capacitor C2 (the polarity is practically irrelevant), see Fig. 1. The task of the ignition coil is limited in this method to the creation of a breakdown voltage and a short-term decrease in the burning voltage of the spark below the charge voltage C2, while C2 will begin to discharge through the winding W2 into the spark gap. This requires a short duration and short-circuit discharge energy with a relatively high spark discharge power. Thus, it is possible to significantly reduce the inductance of the windings of the ignition coil, their resistance (by significantly reducing the number of turns of the windings and increasing the cross-section of the wire of the high-voltage winding W2, the lower its resistance, the higher the efficiency of this method, especially when using arc discharges) and capacity W2 (as example parameters of the ignition coil described earlier). In the absence of resistance from radio interference (the possibility of eliminating it was described earlier), the magnitude of losses in the spark discharge will depend only on the ohmic resistance W2, the wires of the high-voltage circuit (the core of the ignition coil quickly goes into saturation when the C2 discharge, and the inductance W2 slightly affects the rate of change of current discharge). Thus, the requirements for the short circuit parameters, their energy and discharge duration in both methods are the same, which makes it possible to share them. The combined use of both methods dramatically solves the problem of increasing the power and energy released in the spark discharge. When both methods are used together, their characteristics are mutually improved. The way to reduce energy losses allows you to receive at the moment of ignition with high efficiency an electric discharge of very high power and energy (up to values thousands of times greater than in modern ignition systems). A way to reduce breakdown voltage due to the greater length of the spark gap reduces the discharge current, while increasing its duration, reduces electroerosion, reduces the effect of increasing spark gap due to wear of the contacts of the plug, allows you to increase the surface area of the wear of the contacts of the plug, increasing the life of the plug, see above. Since the short-circuit inductive discharge energy practically does not affect the flammability of the fuel mixture, the breakdown voltage safety factor (C3) can be reduced from 1.5 to almost 1.0, which will reduce the maximum voltage developed by the short-circuit (almost 1.5 times, which almost 2.25 times reduces the necessary energy to achieve this voltage, allowing you to further reduce the number of turns of the windings, their resistance and capacity), or increase the length of the spark gap.
При снижении напряжения заряда С2 требуется увеличение энергии разряда КЗ. При увеличении напряжения на С2 до значений, выше напряжения горения тлеющего разряда, требуется энергия разряда КЗ, достаточная только для пробоя искрового промежутка (при пробое как минимум создаются условия для тлеющего разряда), С2 при достаточной емкости обеспечит дуговой разряд. Однако чем больше напряжение С2, тем приходится квадратично от роста напряжения снижать его емкость. Это связано с ограничением по мощности источника повышенного напряжения, обеспечивающего заряд С2. Чем больше напряжение на С2, тем больше при прочих равных условиях дуговой ток разряда. С учетом нелинейной зависимости падения сопротивления при росте тока дугового разряда («падающая» характеристика) нелинейно уменьшается длительность искрового разряда. С учетом меньшей емкости С2 длительность разряда становится недостаточной для эффективного сгорания топливной смеси. Поэтому для получения более длительного искрового разряда с более высоким КПД выгодно уменьшить напряжение заряда С2 и пропорционально квадрату снижения напряжения увеличить емкость С2 (энергия конденсатора С2 останется неизменной).With a decrease in the charge voltage C2, an increase in the short-circuit discharge energy is required. When the voltage on C2 increases to values higher than the burning voltage of the glow discharge, a short-circuit discharge energy is required that is sufficient only for breakdown of the spark gap (at breakdown, at least conditions for a glow discharge are created), C2 with sufficient capacity will provide an arc discharge. However, the greater the voltage C2, the lower the capacitance of the voltage quadratically from the voltage increase. This is due to the limited power of the source of high voltage, providing a charge of C2. The higher the voltage at C2, the greater, ceteris paribus, the arc discharge current. Taking into account the nonlinear dependence of the resistance drop upon an increase in the arc discharge current (“falling” characteristic), the duration of the spark discharge decreases nonlinearly. Given the smaller capacity C2, the discharge duration becomes insufficient for efficient combustion of the fuel mixture. Therefore, to obtain a longer spark discharge with higher efficiency, it is advantageous to reduce the charge voltage C2 and increase the capacitance C2 in proportion to the square of the voltage decrease (the energy of the capacitor C2 will remain unchanged).
При реализации изобретения, с использованием способа снижения потерь энергии, предпочтительнее использовать тиристорную схему зажигания, так как малая длительность и энергия индуктивной фазы разряда (более 4 раз меньше, чем в системах с индукционным накоплением энергии) в данном способе является достоинством, а не недостатком, а большая скорость роста высокого напряжения (примерно в 10 раз выше, чем с индукционным накоплением энергии, и, следовательно, меньшие потери на шунтирующем сопротивлении нагара), малая зависимость напряжения искрообразования от частоты разрядов улучшают параметры системы зажигания. Кроме того, величина высокого напряжения зависит только от напряжения на накопительном конденсаторе, коэффициента трансформации и соотношений емкостей низковольтной и высоковольтной цепей. Появляется возможность использования катушки зажигания с очень малыми индуктивностью, собственной емкостью, объемом сердечника, числом витков и сопротивлением обмоток.When implementing the invention, using the method of reducing energy losses, it is preferable to use a thyristor ignition circuit, since the short duration and energy of the inductive phase of the discharge (more than 4 times less than in systems with induction energy storage) in this method is an advantage, not a disadvantage, and a high growth rate of high voltage (about 10 times higher than with induction energy storage, and, therefore, lower losses on the shunt resistance of soot), a small dependence of the spark voltage formation of the frequency discharges improve parameters of the ignition system. In addition, the magnitude of the high voltage depends only on the voltage on the storage capacitor, the transformation coefficient and the ratio of the capacitances of the low-voltage and high-voltage circuits. It becomes possible to use an ignition coil with very small inductance, own capacity, core volume, number of turns and winding resistance.
На схеме фиг.1 изображена одна из возможных схем реализации предлагаемого способа. Стандартная тиристорная схема зажигания со статическим распределением высоковольтной энергии имеет несколько индивидуальных на каждую свечу катушек зажигания К3(n), изображена одна. Один вывод первичных обмоток которых подключен к накопительному конденсатору С1, точка а, а второй - к индивидуальным (на каждую КЗ) тиристорам VD(n) (тиристоры VD(n) - КУ221А: 700 В, 3,2А, ударный ток до 100 A, di/dt - 1150 А/мкс, при такой малой индуктивности W1 требуется высокая скорость открывания тиристора, du/dt - 500 В/мкс), точка В(n), изображен один. Схема отличается наличием дополнительного конденсатора С2 (основной источник энергии искрового разряда), включенного последовательно высоковольтным обмоткам катушек зажигания, точка с. В макетных испытаниях С1 имел следующие параметры - емкость от 0,1 до 0,45 мкФ при напряжении 612-640 В С2 0,05-1100 мкФ и напряжение 375-640 В. Конденсаторы С1 и С2 заряжаются источником повышенного напряжения с непрерывным накоплением энергии, на схеме не изображен. Длина искрового промежутка - 11 мм. Диод VD1 обеспечивает режим полной передачи энергии в первичную обмотку зажигания. Сопротивления защиты от радиопомех отсутствуют (возможность исключения резистора защиты от радиопомех рассматривалась выше).The diagram of figure 1 shows one of the possible implementation schemes of the proposed method. The standard thyristor ignition circuit with a static distribution of high-voltage energy has several K3 (n) individual ignition coils for each spark plug, one is shown. One terminal of the primary windings of which is connected to the storage capacitor C1, point a, and the second to the individual (for each short circuit) VD (n) thyristors (VD (n) thyristors - KU221A: 700 V, 3.2 A, shock current up to 100 A , di / dt - 1150 A / μs, with such a small inductance W1 a high thyristor opening speed is required, du / dt - 500 V / μs), point B (n), one is shown. The circuit is distinguished by the presence of an additional capacitor C2 (the main source of spark energy), connected in series to the high-voltage windings of the ignition coils, point c. In prototype tests, C1 had the following parameters - capacitance from 0.1 to 0.45 microfarads at a voltage of 612-640 V C2 0.05-1100 microfarads and a voltage of 375-640 V. Capacitors C1 and C2 are charged with an increased voltage source with continuous energy storage , not shown in the diagram. The length of the spark gap is 11 mm. The diode VD1 provides a mode of complete energy transfer to the primary ignition coil. There are no RFI protection resistances (the possibility of eliminating the RFI resistor has been discussed above).
При открывании тиристора VD(n) и разряде С1 - 0,45 мкФ с напряжением 612-640 В в обмотку W1, в высоковольтной вторичной цепи после пробоя проходит ток с периодом колебаний 5 мкс и максимальным током в первой полуволне примерно 31-34 А (см. фиг.2, в первые десять мкс проходит два периода колебаний). При С2 5 мкФ. и напряжении 612-640 В происходит дуговой разряд С2 до 171,4 А, длительностью 127 мкс (КПД примерно 30%, энергия, выделяемая в искре примерно 0.3 Дж). На фото фиг.3 и 4 в масштабе 1: 1 (в натуральную величину) для сравнения эффективности показаны разряды с одновременным использованием указанных способов, при указанных параметрах (фиг.3), и разряд катушки зажигания Б 115В с сопротивлением от радиопомех - 15000 Ом, параметры С1 аналогичные (фиг.4). Энергия разряда на фиг.3 примерно в 11 раз больше, чем на фиг.4, однако полученный объем плазмы примерно в 104 раза больший, при этом и температура разряда (судя по цвету разряда) значительно выше (температура дугового разряда 40000 Кельвинов, примерно в 4 раза больше тлеющего искрового разряда), но длительность более чем в два раза меньше. При напряжении на С2 меньше 375 В энергии разряда К3(n) недостаточно для понижения горения искры ниже этого значения и разряда С2 не происходит. Энергию и длительность разряда К3(n) можно уменьшить, используя режим частичной передачи энергии (ограничена первой полуволной - 2.5 мкс). В макетных испытаниях, при С1 - 0.1 мкФ, 612-640 В, пробой искрового промежутка в 11 мм происходил, но разряда С2 не происходило. Таким образом, при частичной передаче энергии можно получить очень малую энергию разряда с длительностью менее 1.25 мкс, достаточную для пробоя искрового промежутка, но недостаточную для воспламенения смеси при любых режимах и типах используемого топлива. В момент зажигания за счет увеличения частоты разрядов С1, увеличения его емкости (подключения к С1 дополнительного заряженного конденсатора), увеличения напряжения, включения режима полной передачи энергии (или способом описанным ниже), создаются условия для разряда С2. Энергия разряда С2 обеспечивает эффективное воспламенение смеси. При длительном разряде, как отмечалось выше, за счет обдува произойдет значительное удлинение дугового разряда, что многократно, значительно больше кратности удлинения искры (за счет нелинейной зависимости сопротивления от тока дугового разряда) уменьшится ток и длительность разряда, при этом повысится его КПД из-за квадратичного уменьшения потерь на сопротивлении высоковольтной цепи.When the thyristor VD (n) is opened and the C1 discharge is 0.45 μF with a voltage of 612-640 V into the winding W1, a current with an oscillation period of 5 μs and a maximum current in the first half wave of about 31-34 A passes through the high-voltage secondary circuit see figure 2, in the first ten μs passes two periods of oscillation). At C2 5 uF. and at a voltage of 612-640 V, an C2 arc discharge occurs up to 171.4 A, with a duration of 127 μs (efficiency of about 30%, the energy released in the spark of about 0.3 J). In the photo of FIGS. 3 and 4, on a scale of 1: 1 (full-size), to compare the efficiency, discharges are shown with the simultaneous use of the indicated methods, with the indicated parameters (Fig. 3), and the discharge of the ignition coil B 115V with radio interference resistance of 15,000 Ohms , C1 parameters are similar (Fig. 4). The discharge energy in FIG. 3 is approximately 11 times greater than in FIG. 4, however, the resulting plasma volume is approximately 104 times greater, and the discharge temperature (judging by the color of the discharge) is much higher (arc discharge temperature of 40,000 Kelvin, approximately 4 times the smoldering spark discharge), but the duration is more than two times less. When the voltage on C2 is less than 375 V, the energy of the K3 (n) discharge is insufficient to lower the spark burning below this value and the C2 discharge does not occur. The energy and duration of the K3 (n) discharge can be reduced using the partial energy transfer mode (limited by the first half-wave - 2.5 μs). In prototype tests, at C1 - 0.1 μF, 612-640 V, a breakdown of the spark gap of 11 mm occurred, but C2 discharge did not occur. Thus, with partial energy transfer, it is possible to obtain a very small discharge energy with a duration of less than 1.25 μs, sufficient for the breakdown of the spark gap, but not enough to ignite the mixture under any conditions and types of fuel used. At the moment of ignition, due to an increase in the frequency of discharges C1, an increase in its capacity (connecting an additional charged capacitor to C1), an increase in voltage, and the inclusion of the full energy transfer mode (or by the method described below), conditions are created for the discharge C2. The discharge energy C2 provides effective ignition of the mixture. During a long discharge, as noted above, due to blowing, a significant elongation of the arc discharge will occur, which is many times, much more than the multiplicity of the elongation of the spark (due to the nonlinear dependence of the resistance on the current of the arc discharge), the current and duration of the discharge will decrease, while its efficiency will increase due to quadratic reduction of losses on the resistance of the high voltage circuit.
До момента зажигания, например на такте всасывания, когда напряжение на С2, заряжаемого от источника повышенного напряжения, меньше 375 В, подается краткий управляющий импульс от блока управления, на схеме не изображен, на отпирание тиристора, управляющего КЗ, где должен в момент зажигания произойти разряд. Происходит предварительный разряд относительно большой энергии, но недостаточной, для выше приведенных параметров К3(п) и С 1 0,3-0,45 мкФ, 612-620 В, для воспламенения смеси (как указывалось выше на режиме всасывании нужна очень большая длительность и энергия разряда). После окончания разряда тиристор в течение 3-5 мкс запирается. При этом С2 не разряжается. Сопротивление искрового промежутка за счет сильной ионизации, при дуговом разряде, падает до значений в десятки Ом. Затем блок управления дает серию коротких управляющих импульсов (не менее одного) на отпирание этого тиристора и продолжающихся до момента зажигания. Проходит серия разрядов. Пауза между разрядами выбирается (опытным путем, различна, как указывалось выше, для разных двигателей и режимов их работы и может меняться) такой, чтобы обеспечить проводимость искрового промежутка достаточную, чтобы при подаче напряжения несколько большем напряжения тлеющего разряда, для данной длины искрового промежутка, мог возникнуть разряд с током не менее 10 мкА (ток тлеющего разряда). Проходит короткий разряд. Чем больше сила тока разряда, тем больше ионизация, и можно иметь большую паузу между разрядами. Для получения напряжения в искровом разряде порядка 1100 В (при отсутствии удлинения, за счет обдува искрового разряда, при его малой длительности, см. выше), достаточного для тлеющего разряда, требуется малое напряжение на С1 60-70 В (энергия разряда С1 при таком напряжении примерно в 80 раз меньше, чем при первом разряде, напряжение С1 регулируется источником повышенного напряжения) и, следовательно, длительность и энергия разрядов будет недостаточна для воспламенения смеси даже при высокой температуре и давлении вблизи верхней «мертвой» точки. Напряжения тлеющего разряда не достаточно для создания условия разряда С2 даже при максимальном напряжении на нем (640 В). К моменту зажигания источник повышенного напряжения должен обеспечить заряд С2 большим 375 В (за счет повышенной температуры и давления это напряжение в момент зажигания будет ниже, чем при макетных испытаниях, определяется опытным путем для конкретного типа двигателей и режимов его работы). Перед моментом зажигания (определяется по углу поворота и числу оборотов двигателя) блок управления прекращает предварительные разряды. Источник повышенного напряжения к моменту зажигания за эту паузу заряжает С1 до напряжения 612-640 В (малая энергия, запасаемая С1, позволяет это сделать за малое время паузы), что обеспечивает в момент зажигания при разряде С1 энергию искрового разряда КЗ, достаточную для разряда С2, при его заряде, большем 375 В. Энергия разряда С2 обеспечивает эффективное воспламенение топливной смеси. Пауза между прекращением предварительных разрядов и моментом зажигания должна быть такой, чтобы пробивное напряжение не возросло до значения, большего предельно допустимого для данной системы зажигания.Until ignition, for example, at the suction stroke, when the voltage at C2, charged from the increased voltage source, is less than 375 V, a brief control pulse is supplied from the control unit, is not shown in the diagram, to unlock the thyristor controlling the short circuit, where it should occur at the time of ignition discharge. A preliminary discharge occurs of relatively high energy, but insufficient, for the above parameters K3 (p) and
Уменьшить ток разряда, увеличить его КПД и длительность возможно следующим способом. Параллельно С2 подключается через диод VD2 дополнительный конденсатор С3 (катод VD2 подключается к точке с). Емкость С3 на испытаниях была 94 мкФ, напряжение заряда (заряжается от источника повышенного напряжения) меньше или равно напряжению на С2. Диод VD2 обеспечивает возможность заряда С3 до напряжения меньшего, чем на С2. Емкость С2 уменьшена до 0,05 мкФ. Схема работает аналогичным образом описанному выше. Первый предварительный импульс проходит при напряжении на С2, С3 менее 375 В, при этом их разряда не происходит. Последующие предварительные разряды поддерживают параметры необходимые для поддержания тлеющего разряда. С2 и С3 заряжаются во время предварительных зарядов до напряжения не более 640 В, что недостаточно для их разряда при развиваемом напряжении КЗ примерно 1100 В (условие тлеющего разряда). За время паузы после окончания предварительных разрядов источник повышенного напряжения заряжает до 612-640 В не только С1, но и С2. Разница в работе двух схем состоит в том, что уменьшенная энергия разряда С2 (меньше емкость) в момент зажигания (при емкости С2 0,05 мкФ и напряжении 612-640 В) обеспечивает разряд С3, если напряжение его заряда будет более 100 В (снижение минимального напряжения разряда с 375 В до 100 В, что позволяет использовать при той же энергии разряда квадратично снижению напряжения увеличенную емкость С3, при этом резко, нелинейно растет сопротивление искрового разряда, уменьшается ток, увеличивается время разряда и его КПД из-за квадратичного снижения тока и, следовательно, уменьшения потерь на сопротивлении высоковольтной цепи). Энергия разрядов С2 и С3 обеспечивают воспламенение топливной смеси. На осциллограмме фиг.5 ток разряда С3, при напряжении 104.7 В. Максимальный ток разряда 14 А, длительность 728 мкс, энергия, выделяемая в искре, 0,35 Дж, КПД разряда около 92% (сравнить энергию, величину тока, длительность разряда и КПД на фиг.2). При напряжении С3 197 В, фиг.6, максимальный ток разряда 65,2 А, длительность 580 мкс, энергия, выделяемая в искре 1,17 Дж, КПД разряда около 75% (в двигателе за счет удлинения искрового промежутка при обдуве искрового разряда средний ток уменьшится, а время разряда и КПД увеличатся). При увеличении напряжения нелинейно растет ток и уменьшаются время разряда и КПД (из-за «падающей» характеристики сопротивления дугового разряда), несмотря на более чем в 3,5 раза большую энергию разряда С3.It is possible to reduce the discharge current, increase its efficiency and duration in the following way. In parallel, C2 is connected via the diode VD2 to an additional capacitor C3 (the cathode VD2 is connected to point c). The capacitance C3 in the tests was 94 μF, the charge voltage (charged from the source of increased voltage) is less than or equal to the voltage on C2. The diode VD2 provides the ability to charge C3 to a voltage lower than that on C2. Capacitance C2 reduced to 0.05 uF. The circuit works in the same way as described above. The first preliminary pulse passes at a voltage of C2, C3 less than 375 V, while their discharge does not occur. Subsequent preliminary discharges support the parameters necessary to maintain a glow discharge. C2 and C3 are charged during precharges to a voltage of not more than 640 V, which is not enough to discharge them at a developed short-circuit voltage of approximately 1100 V (glow discharge condition). During the pause after the end of the preliminary discharges, the increased voltage source charges not only C1, but also C2 to 612-640 V. The difference in the operation of the two circuits is that the reduced C2 discharge energy (lower capacitance) at the time of ignition (with a C2 capacitance of 0.05 μF and a voltage of 612-640 V) provides a C3 discharge if its charge voltage is more than 100 V (decrease the minimum discharge voltage from 375 V to 100 V, which makes it possible to use the increased capacitance C3 at the same discharge energy to squarely decrease the voltage, while the spark discharge resistance increases sharply, nonlinearly, the current decreases, the discharge time and its efficiency increase due to a quadratic current decrease and with edovatelno, reducing losses at the high voltage resistance circuit). The energy of the discharges C2 and C3 provide ignition of the fuel mixture. On the waveform of FIG. 5, the discharge current is C3, at a voltage of 104.7 V. The maximum discharge current is 14 A, duration 728 μs, the energy released in the spark, 0.35 J, the discharge efficiency is about 92% (compare the energy, current, discharge duration and Efficiency in figure 2). At a voltage of C3 197 V, FIG. 6, the maximum discharge current is 65.2 A, duration 580 μs, the energy released in the spark is 1.17 J, the discharge efficiency is about 75% (in the engine due to the extension of the spark gap when blowing the spark discharge, the average current will decrease, and discharge time and efficiency will increase). With increasing voltage, the current increases nonlinearly and the discharge time and efficiency decrease (due to the "falling" characteristic of the resistance of the arc discharge), despite the C3 discharge energy being more than 3.5 times higher.
Если С2 перед моментом зажигания заряжать до значения большего напряжения горения тлеющего разряда, можно уменьшить емкость С1 до 0,1 мкФ и использовать режим частичной передачи энергии (длительность разряда менее 1,25 мкс). Так как энергия разряда КЗ при этих параметрах будет достаточна для пробоя и создания тлеющего разряда, то произойдет разряд С2 (при напряжении С2, большем напряжения горения тлеющего разряда), обеспечивающий разряд С3. Такой способ, из-за очень малой длительности и энергии разряда КЗ, позволяет начинать предварительную серию разрядов во время сжатия, когда мала минимальная энергия воспламенения, и не поддерживать высокую степень ионизации искрового промежутка для сохранения условий возникновения тлеющего разряда.If C2 is charged before the moment of ignition to a value of a higher burning voltage of a glow discharge, it is possible to reduce the capacitance of C1 to 0.1 μF and use the partial energy transfer mode (discharge duration less than 1.25 μs). Since the short-circuit discharge energy at these parameters will be sufficient for breakdown and the creation of a glow discharge, a discharge C2 will occur (at a voltage C2 higher than the burning voltage of a glow discharge), which ensures a discharge C3. This method, due to the very short duration and short-circuit discharge energy, allows one to start a preliminary series of discharges during compression, when the minimum ignition energy is low, and not to maintain a high degree of ionization of the spark gap in order to maintain the conditions for a glow discharge.
Потенциальная возможность описанной схемы приведена на фиг.7. При С2 1100 мкФ (или С3, при его использовании, позволяет получать энергию разрядов в более широких пределах), напряжении заряда 612-640 В, максимальный ток разряда 411,6 А, длительность разряда 7,56 мс, энергия, выделяемая в искре, 117 Дж, КПД разряда 39%, диаметр плазменного шара, полученного при разряде, 24 см. Такой способ позволяет с высоким КПД (при еще большем уменьшении сопротивления W2 возможно, получать с высоким КПД значительно большую энергию разряда) утилизировать в энергию электрического разряда практически любое количество энергии полученной рекуперацией энергии выхлопных газов и торможения. При этом повышаются экономичность и мощность двигателя не только за счет утилизации этой энергии, но и за счет улучшения параметров самого двигателя.The potential of the described circuit is shown in Fig.7. When C2 is 1100 μF (or C3, when used, it allows one to obtain discharge energy in a wider range), a charge voltage of 612-640 V, a maximum discharge current of 411.6 A, a discharge duration of 7.56 ms, the energy released in the spark, 117 J, discharge efficiency 39%, diameter of the plasma ball obtained by the discharge, 24 cm. This method allows high efficiency (with an even greater decrease in resistance W2, it is possible to obtain a much higher discharge energy with high efficiency) to utilize almost any the amount of energy received p exhaust energy and braking. At the same time, the efficiency and power of the engine are increased not only by utilizing this energy, but also by improving the parameters of the engine itself.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007125051/06A RU2362902C2 (en) | 2007-07-03 | 2007-07-03 | Method of discharge voltage reduction in ignition systems of internal combustion engines |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007125051/06A RU2362902C2 (en) | 2007-07-03 | 2007-07-03 | Method of discharge voltage reduction in ignition systems of internal combustion engines |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007125051A RU2007125051A (en) | 2009-01-10 |
| RU2362902C2 true RU2362902C2 (en) | 2009-07-27 |
Family
ID=40373874
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007125051/06A RU2362902C2 (en) | 2007-07-03 | 2007-07-03 | Method of discharge voltage reduction in ignition systems of internal combustion engines |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2362902C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2558720C2 (en) * | 2013-11-21 | 2015-08-10 | Открытое акционерное общество "КБ Электроприбор" | Method of improvement of technical and environmental performance of internal combustion engine with spark ignition |
-
2007
- 2007-07-03 RU RU2007125051/06A patent/RU2362902C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2558720C2 (en) * | 2013-11-21 | 2015-08-10 | Открытое акционерное общество "КБ Электроприбор" | Method of improvement of technical and environmental performance of internal combustion engine with spark ignition |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007125051A (en) | 2009-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10072629B2 (en) | Repetitive ignition system for enhanced combustion | |
| US9765751B2 (en) | Ignition apparatus | |
| JPS5859376A (en) | Plasma igniter | |
| WO1981000885A1 (en) | Plasma jet ignition system | |
| WO1993010348A1 (en) | Plasma-arc ignition system | |
| CN105579701A (en) | Method and device for igniting gas-fuel mixture | |
| JP6773004B2 (en) | Ignition system for internal combustion engine | |
| JPS61241465A (en) | Ignition system | |
| RU2362902C2 (en) | Method of discharge voltage reduction in ignition systems of internal combustion engines | |
| US6796299B2 (en) | Ignition system for internal combustion engine and ignition method of fuel charged in a fuel chamber | |
| RU2364744C2 (en) | Method for reduction of energy losses in ignition systems of internal combustion engines | |
| EP1887217A2 (en) | Ignition system for an internal combustion engine | |
| RU2384728C2 (en) | Internal combustion engine ignition device | |
| Mon | Capacitive Discharge Ignition CDI System for Spark Ignition SI Engine Pulse Control Circuit | |
| EP2554832A1 (en) | An ignition method, an ignition plug and an engine using an ignition plug | |
| JP3116964B2 (en) | Engine ignition device | |
| Lorenz et al. | Advanced Ignition Systems: Technical Possibilities and Limitations | |
| JPS6077385A (en) | Spark plug for internal combustion engine | |
| US7240670B2 (en) | Extended duration high-energy ignition circuit | |
| CN2205450Y (en) | Capacity energy storage electronic ignitor | |
| RU2019727C1 (en) | Combined plasma ignition system for internal combustion engine | |
| Ängeby et al. | Ignition Systems for SI-ICE Fueled by Alternative and Renewable Fuels | |
| JP2023135718A (en) | Ignition device | |
| RU2161265C2 (en) | Ignition coil | |
| RU2235898C1 (en) | Fuel mixture igniter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150704 |