устройство электроискрового зажигания топливной смеси

Формула изобретения

Устройство электроискрового зажигания топливной смеси, включающее последовательно подключенные к источнику тока ключ, первичную обмотку повышающего импульсного трансформатора и конденсатор, установленный параллельно первичной обмотке и конденсатору ключ и соединенные со вторичной обмоткой повышающего трансформатора электроды искрового промежутка, отличающееся тем, что последовательно со вторичной обмоткой подключен конденсатор-накопитель, соединенный через ключ с источником тока или отдельным зарядным устройством.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области теплоэнергетики, двигателестроения, а также электроники в части схемотехники.

Известно устройство для электроискрового зажигания топливной смеси (смеси бензина, природного газа или других видов жидкого или газообразного топлива с воздухом) в двигателях внутреннего сгорания, включающее источник постоянного тока, катушку зажигания, являющуюся повышающим трансформатором, прерыватель тока (ключ) и распределитель (см., например, А.Г.Ходасевич, Т.И.Ходасевич “Справочник по устройству и ремонту электронных приборов автомобилей. Выпуск 1. Электронные системы зажигания”, М., Издательство “АНТЕЛ-КОМ”, 2001, стр. 14-16, рис. 2.1). Искра, поджигающая смесь, формируется в искровом зазоре (искровом промежутке) свечей зажигания, снабженных двумя электродами. Отличаясь достаточной надежностью, с чем и связано широкое распространение в автомобильной промышленности именно данного устройства, последнее имеет и ряд существенных недостатков. К ним относится, прежде всего, трансформация всей энергии для образования искры до напряжения, способного пробить искровой промежуток. Это имеет следствием снижение к.п.д., т.к. в ионизированном зазоре значительно возрастает электропроводимость. В связи с этим большая часть накопленной в катушке энергии теряется во внутреннем сопротивлении источника искры. По этой причине для получения искры большой энергии приходится нерационально увеличивать размер и массу катушки зажигания либо генерировать в зазор серию последовательных разрядов, которые после первой искры лишь незначительно ускоряют сжигание топлива и дополнительно перегревают катушку. Другим недостатком устройства данного типа является повышенная энергия излучаемых радиопомех, борьба с которыми дополнительно снижает энергию искры, а также заметное снижение мощности искры при нагретой катушке.

В современных устройствах зажигания контакты прерывателя заменены бесконтактными системами. При этом сохраняется основной принцип формирования искры за счет магнитной энергии, накапливаемой катушкой зажигания в паузах между импульсами разряда (см., например, вышеуказанный источник, стр. 33, рис. 5.1). Недостатки данных устройств совпадают с указанными выше.

Известны также устройства электроискрового зажигания, именуемые конденсаторными. Они отличаются повышенной энергией искры за счет конденсатора, накапливающего заряд в паузах между импульсами и разряжаемого транзисторным либо тиристорным ключом в первичную обмотку катушки зажигания. Схемотехника конденсаторных устройств весьма разнообразна (см., например, указанный выше источник, стр. 83, рис. 6.6 и 6.7; стр. 89, рис. 6.14) при сохранении главного принципа трансформации всей запасенной энергии до напряжения 20-30 кВ, способного пробить искровой промежуток свечи при высокой компрессии в цилиндрах двигателя. К недостаткам конденсаторных устройств также относится невозможность достигнуть высокой энергоотдачи сжигаемого топлива из-за недостаточной скорости его горения и требуемого сегодня снижения токсичности выхлопных газов. Кроме того, применение существующих в настоящее время конденсаторных устройств для зажигания энергетических горелок большой мощности (газовых, мазутных и др.) возможно лишь с использованием маломощных промежуточных поджигающих горелок, что усложняет их конструктивное исполнение. Для прямого зажигания мощных горелок требуется повышение энергии искры в сотни и тысячи раз, что в устройствах вышеописанного типа недостижимо. Это же относится и к запуску ракетных систем.

Наиболее близким к настоящему изобретению является конденсаторное устройство зажигания, включающее последовательно подключенные к источнику тока ключ, первичную обмотку повышающего импульсного трансформатора и конденсатор. Параллельно первичной обмотке и конденсатору также установлен ключ. Со вторичной обмоткой повышающего трансформатора соединены электроды искрового промежутка (см., например, указанный выше источник, стр. 30, рис. 4.4). Присущие данному устройству недостатки полностью совпадают с таковыми для вышеприведенных конденсаторных устройств электроискрового зажигания топливной смеси.

Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства электроискрового зажигания топливной смеси с универсальной схемой, позволяющей неограниченно увеличивать мощность периодического искрового разряда.

Технический результат изобретения состоит в повышении к.п.д. использования накапливаемой в паузах между разрядами энергии при упрощении конструкции устройства, в уменьшении его массы и габаритов, в увеличении к.п.д. двигателей внутреннего сгорания и улучшении их экологических показателей, в снижении мощности излучения радиопомех, а также в упрощении конструкции горелочных устройств.

Указанный технический результат достигают за счет того, что в устройстве электроискрового зажигания топливной смеси, включающем последовательно подключенные к источнику тока ключ, первичную обмотку повышающего импульсного трансформатора и конденсатор, установленный параллельно первичной обмотке и конденсатору ключ и соединенные со вторичной обмоткой повышающего трансформатора электроды искрового промежутка, последовательно со вторичной обмоткой подключен конденсатор-накопитель, соединенный через ключ с источником тока или отдельным зарядным устройством.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.

В прототипе вся накопленная в конденсаторе энергия одновременно используется для ионизации искрового промежутка и образования искры. При ионизации искрового промежутка в значительной мере снижается его сопротивление, и большая часть энергии теряется во внутреннем сопротивлении устройства. Кроме того, сила тока в искровом промежутке меньше, чем в первичной обмотке трансформатора, во столько раз, во сколько число витков вторичной обмотки трансформатора больше числа витков первичной обмотки. Сила тока в искровом промежутке в двигателях внутреннего сгорания таким образом меньше, чем в первичной обмотке, приблизительно в 100 раз.

Желаемое повышение энергии искры может быть достигнуто прямым разрядом (не через трансформатор) накопленной в конденсаторе энергии в ионизированный искровой промежуток. Использование прямого разряда в искровом промежутке известно за счет применения третьего ионизирующего электрода, например в устройствах, формирующих фотовспышку. Однако применение ионизирующего электрода далеко не всегда допустимо, особенно при использовании искры большой мощности. При работе двигателей внутреннего сгорания третий ионизирующий электрод не применяют, что, вероятно, связано с усложнением конструкции свечи и собственно устройства из-за необходимости применения дополнительных проводников и высокими температурами в цилиндрах. Но и в случае, если было бы возможным использование ионизирующего электрода, очевидно появление дополнительных проблем. При высокой частоте циклов прямого разряда конденсатора в искровой промежуток необходимо смягчать режим разряда. Смягчение может быть достигнуто за счет увеличения времени собственно разряда. Без указанного смягчения, т.е. при жестком разряде наступает быстрое разрушение конденсатора, а следовательно, становится ненадежной работа всего устройства. В настоящем изобретении для формирования искры использован именно прямой разряд с соответствующим решением проблемы его смягчения при исключении третьего ионизирующего электрода. Таким образом, трансформатор совмещает ионизирующие и силовые функции. Поскольку энергия излучаемых радиопомех зависит от величины напряжения в цепях разряда, использование прямого разряда конденсатора при напряжении на два порядка меньшем, чем при существующих устройствах зажигания, снижает радиопомехи до уровня, не требующего специальных мер борьбы с ними.

Устройство, реализующее настоящее изобретение, представлено на фиг.1.

К источнику тока 1 подключены последовательно соединенные ключ 2, первичная обмотка 3 повышающего импульсного трансформатора 4 и конденсатор 5. Параллельно первичной обмотке 3 трансформатора 4 и конденсатору 5 установлен ключ 6. Со вторичной обмоткой 7 трансформатора 4 соединены электроды 8 и 9 искрового промежутка 10.

Последовательно со вторичной обмоткой 7 трансформатора 4 соединен конденсатор-накопитель 11. Конденсатор-накопитель 11 соединен с источником тока 1 через ключ 12 (данный вариант предусматривает наличие одного источника тока).

На фиг.2 изображено устройство, имеющее отдельное зарядное устройство 13 (все остальные позиции фиг.2 совпадают по названиям и нумерации с позициями фиг.1), с которым через ключ соединен конденсатор-накопитель 11.

Устройство электроискрового зажигания топливной смеси по настоящему изобретению работает следующим образом. Работа устройства по сути носит циклический характер при трех фазах в каждом цикле. Рассмотрим работу устройства, изображенного на фиг.1. В первой фазе замыкают ключи 2 и 12. При этом конденсаторы 5 и 11 заряжаются до полного напряжения источника 1. Во второй фазе ключи 2 и 12 размыкают. В третьей фазе замыкают ключ 6. Конденсатор 5 разряжается через ключ 6 и первичную обмотку 3 повышающего трансформатора 4. В соответствии с коэффициентом трансформации во вторичной обмотке 7 трансформатора 4 индуктируется импульс высокого напряжения, способного пробить искровой промежуток 10 между электродами 8 и 9. Возникшая искра ионизирует искровой промежуток 10, создавая цепь для разряда конденсатора-накопителя 11 через вторичную обмотку трансформатора.

Происходит разряд конденсатора-накопителя 11 в искровой промежуток 10. Индуктивность вторичной обмотки 7 трансформатора 4 удлиняет время разряда конденсатора-накопителя 11, обеспечивая мягкий режим разряда.

Работа устройства, соответствующего фиг.2, проходит также. Отличие состоит лишь в том, что конденсатор 11 заряжается отдельным зарядным устройством 13.

В качестве ключей 2 и 12 при источнике постоянного тока могут быть использованы тиристоры, транзисторы, контакты реле. При источнике переменного тока в качестве ключей 2 и 12 используют диоды. В качестве ключа 6 может быть применен тиристор, транзистор, контакты реле либо контакты ручного переключателя.

Поскольку разряд конденсатора-накопителя создает в трансформаторе постоянную составляющую магнитного потока в сердечнике, последний должен иметь зазор, ускоряющий размагничивание сердечника за время паузы между циклами разряда. Объем сердечника трансформатора должен соответствовать мощности разряда, зависящей от емкости конденсатора 11, напряжения на нем и частоты периодов “заряд-разряд”. Предлагаемое устройство допускает получение разрядов мощностью в десятки кВт при средней мощности в единицы кВт и при частоте циклов разряда в десятки Гц, что бывает необходимо при зажигании мощных энергетических горелок и запуске ракетных двигателей в кратковременном режиме, а также при использовании в установках электрогидравлического удара в более длительном режиме. В двигателях внутреннего сгорания с длительным режимом максимальная мощность предлагаемого устройства составляет десятки Вт.