Способ воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам воспламенения и сжигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания, и позволяет улучшить пусковые свойства, повысить топливную экономичность и ресурс двигателя внутреннего сгорания. Способ воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания осуществляется путем подачи на электроды свечи зажигания двух импульсов высокого напряжения, причем первый импульс формируют с энергией и длительностью, обеспечивающими ударную ионизацию в пределах радиуса центрального электрода, а второй импульс подают в момент времени, когда ударная ионизация, вызванная первым импульсом, достигает уровня наружной кромки центрального электрода. 3 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к способам воспламенения и сжигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания.

Известна высокочастотная система зажигания для двигателей легкого топлива с искровым воспламенением смеси [1], реализующая способ воспламенения, при котором вырабатывается серия искровых разрядов с малой длительностью переднего фронта. Указанная система зажигания не обеспечивает надежного воспламенения рабочей смеси на режимах пуска, холостого хода и частичных нагрузок, так как организованное таким образом выделение энергии в межэлектродном пространстве не может создать объемного поверхностного высокотемпературного источника теплоты и тем самым вовлечь в начальные процессы воспламенения больший объем рабочей смеси. Эта система требует необоснованных затрат энергии для получения серии последовательных импульсов с образованием каждый раз источника теплоты, сосредоточенного только в первоначальном канале пробоя.

Известен способ сжигания топливо-воздушной смеси серией высоковольтных импульсов [2], при котором частоту импульсов высокого напряжения изменяют в зависимости от величины тока во вторичной цепи катушки зажигания. Недостатком способа является нестабильность воспламенения рабочей смеси и смещение действительного угла опережения зажигания. Отдельные разряды в серии высоковольтных импульсов в отдельности нагревают небольшие локальные объемы рабочей смеси с ограниченной поверхностью, что не всегда позволяет обеспечить воспламенение в момент времени, определяемой углом опережения зажигания. Это приводит к необоснованным затратам энергии, повышенному эрозионному износу электродов свечей зажигания, к увеличению расхода топлива.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ И. А. Геладзе воспламенения и сжигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания [3].

Данный способ осуществляется путем подачи в межэлектродные промежутки свечи высокочастотных импульсов высокого напряжения во время рабочего цикла от начала момента зажигания, в котором высокочастотные импульсы высокого напряжения подают до начала открытия выпускного клапана, причем напряженности электрических полей в межэлектродных промежутках свечи обеспечивают равными между собой. Частоту импульсов высокого напряжения выбирают в диапазоне 2,5-40 кГц.

Недостатком указанного способа является то, что используемый для повышения надежности воспламенения длительный подвод тепловой энергии посредством непрерывных электрических разрядов от момента зажигания до начала открытия выпускного клапана, не обеспечивает своевременного воспламенения рабочей смеси от монотонных электрических разрядов, нагревающих каждый раз объемы рабочей смеси с малой поверхностью, что приводит к необоснованным затратам энергии. Реализация указанного способа не обеспечивает стабильности своевременного воспламенения рабочей смеси, что приводит к детонации и износу деталей двигателя, повышенному расходу топлива, а также прогоранию выпускных клапанов. Кроме того, поддержание искрового разряда в процессе горения энергетически не оправдано, так как искровой разряд находится в среде, состоящей из продуктов сгорания, и дополнительно увеличивает эрозию электродов, что снижает ресурс свечей зажигания.

Технической задачей предполагаемого изобретения является улучшение пусковых свойств, повышение топливной экономичности и ресурса двигателя внутреннего сгорания.

Указанная задача решается путем создания высокотемпературного источника с большей поверхностью, чем в прототипе, имеющей температуру выше температуры воспламенения рабочей смеси.

Это достигается за счет того, что в способе воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания, осуществляемого путем подачи на электроды свечи зажигания серии импульсов высокого напряжения, отличающимся тем, что на электроды свечи зажигания подают два импульса высокого напряжения, причем первый импульс формируют с энергией и длительностью, обеспечивающими ударную ионизацию в пределах радиуса центрального электрода, а второй импульс подают в момент времени, когда ударная ионизация, вызванная первым импульсом, достигает уровня наружной кромки центрального электрода.

На фиг. 1, 2 и 3 проиллюстрирован заявляемый способ, где обозначено: 1 - центральный электрод свечи зажигания; 2 - боковой электрод свечи зажигания; 3 - канал пробоя; 4 - наружная кромка центрального электрода; P - давление во фронте ударной волны; r - радиус распространения ударной волны.

Способ осуществляется следующим образом.

В момент зажигания, определяемый оптимальным углом опережения зажигания, в конце такта сжатия рабочей смеси на электроды свечи зажигания подают первый импульс высокого напряжения, который пробивает межэлектродное пространство. Во время пробоя (несколько наносекунд) через искровой промежуток, в той части, где он имеет повешенную электропроводность, по узкому каналу диаметром около 40 мкм проходит интенсивный ток (~ 200 А) фиг. 1 [5].

Вследствие чрезвычайно быстрого повышения температуры в искровом канале до 60000 К давление в нем почти мгновенно повышается до нескольких сотен МПа, вызывая тем самым распространение сильной ударной волны [4]. На фиг. 2 показано распределение давления в радиальном сечении межэлектродного пространства в начальный момент времени. В образовавшемся фронте ударной волны при значительном повышении температуры возникает очень высокая степень ионизации молекул, называемая ударной ионизацией. Все тяжелые частицы полностью диссоциируются, ионизируются и сильно возбуждаются, часть молекул распадается на атомы, а электроны покидают внешние оболочки атомов, образуя электронный газ, тем самым создается зона высокой электрической проводимости. Фронт ударной волны, двигаясь радиально от центра канала, образует цилиндрическую поверхность, которая имеет повышенную электрическую проводимость. Получение наибольшей поверхности с температурой не менее температуры, необходимой для воспламенения рабочей смеси, достигается путем подбора энергии и длительности первого импульса высокого напряжения, из расчета, чтобы при подходе фронта ударной волны к уровню наружной кромки центрального электрода его температура была достаточной для ионизации рабочей смеси. В момент времени, когда давление и соответственно температура во фронте ударной волны будут еще достаточными для ионизации рабочей смеси, а ударная волна достигает уровня наружной кромки центрального электрода, подают второй, воспламеняющий импульс высокого напряжения. Профиль давления в зависимости от радиуса фронта ударной волны показан на фиг. 3. Ток разряда будет протекать по цилиндрической поверхности, образованной внешним фронтом ударной волны, так как она будет иметь повышенную электрическую проводимость. Площадь контакта плазмы разряда и рабочей смеси в этом случае будет значительно больше, а выделение с большой скоростью дополнительной энергии по цилиндрической поверхности, непосредственно на границе фронта ударной волны существенно повышает вероятность воспламенения рабочей смеси.

Таким образом, подавая второй импульс в момент, когда ударная волна достигает уровня наружной кромки центрального электрода, добиваемся эффекта увеличения площади источника воспламенения и скорости выделения энергии в предварительно подготовленной цилиндрической поверхности, а это обеспечит высокую эффективность передачи энергии, повысит вероятность контакта горячей поверхности и рабочей смеси, что улучшит надежность и своевременность воспламенения рабочей смеси на всех режимах работы двигателя. Это обеспечит высокую вероятность воспламенения при значительных колебаниях состава рабочей смеси на режимах пуска, холостого хода, частичных нагрузок и как следствие улучшение пусковых свойств, повышение топливной экономичности и ресурса двигателя внутреннего сгорания.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 161181, кл. 46с³, 16, МПК F 02 D, 1964 г.

2. Патент РФ N 2004835 C1, кл. F 02 P 15/00, 1993 г.

3. Авторское свидетельство СССР N 8796008, кл. F 02 P 15/00, 1981 г. (прототип).

4. Компанеец А. С. Ударные волны. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963, с. 43.

5. Топливная экономичность автомобилей с бензиловыми двигателями. /Под редакцией Д.Хиллиарда, М.: Машиностроение, 1988, с. 118.

Формула изобретения

Способ воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания, осуществляемый путем подачи на электроды свечи зажигания серии импульсов высокого напряжения, отличающийся тем, что на электроды свечи зажигания подают два импульса высокого напряжения, причем первый импульс формируют с энергией и длительностью, обеспечивающими ударную ионизацию в пределах радиуса центрального электрода, а второй импульс подают в момент времени, когда ударная ионизация, вызванная первым импульсом, достигает уровня наружной кромки центрального электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3