Устройство фазовых изменений электрического разряда свечи зажигания бензинового двигателя

 

Изобретение относится к электрооборудованию бензиновых двигателей. Устройство фазовых изменений электрического разряда свечи зажигания бензинового двигателя содержит два электрода с искровым промежутком, объем пространства между которыми равен 50 - 200 мм³ при величине искрового промежутка от 0,8 до 2 мм. Предлагаемое устройство позволяет при использовании некачественного топлива оперативно, без механической подрегулировки, уменьшать угол опережения зажигания, повысить антидетонационную характеристику двигателя, удалить из зоны электрического разряда свечи зажигания несгоревшие компоненты нагара от топлива и моторного масла. Технический результат заключается в осуществлении изменения фаз электрического разряда свечи зажигания для уменьшения угла опережения зажигания и снижения скорости реакции в цилиндрах ДВС во время воспламенения на начальном этапе распространения пламени при ухудшении качества топлива. 5 ил., 2 табл.

Изобретение относится к электрооборудованию бензиновых двигателей внутреннего сгорания.

В двигателе внутреннего сгорания (двигателе) с принудительным воспламенением топлива электрической искрой, возникающей между электродами свечи зажигания (свечи) в камере сгорания двигателя, электрическая искра (электрический разряд) получается в результате подачи импульса высокого напряжения (высоковольтного сигнала) на электроды свечи зажигания. Импульс высокого напряжения создается в цепи высокого напряжения вследствие возникновения тока индукции во вторичной обмотке катушки зажигания при размыкании цепи низкого напряжения прерывателем.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема системы искрового зажигания топлива в двигателе внутреннего сгорания, где 1 - катушка зажигания, 2 - проводник высоковольтного сигнала, 3 - резистор, гасящий радиопомехи, 4 - свеча зажигания.

В бензиновых двигателях внутреннего сгорания отсутствуют устройства, с помощью которых можно было бы изменять энергетические и временные параметры фаз электрического разряда свечи применительно к условиям эксплуатации двигателя. Все элементы системы зажигания имеют фиксированные характеристики: - катушка зажигания 1 - импульс высокого напряжения определенной амплитуды, - высоковольтный проводник 2 - сопротивление 200 Ом, - резистор 3, гасящий радиопомехи, - сопротивление 10 кОм, - свеча зажигания 4 - искровой промежуток от 0,5 мм до 1 мм.

Каждый бензиновый двигатель рекомендуется эксплуатировать только с определенной маркой топлива. Однако для сохранения в будущем личного транспорта в условиях увеличения трудностей с топливом необходимы новые малолитражные с высокой степенью сжатия двигатели с искровым зажиганием, работающие на низкооктановых бензинах без применения антидетонационных добавок (для городов). Двигателям с искровым зажиганием всегда будет отдаваться предпочтение перед дизелями в автомобилях индивидуального пользования, особенно малолитражных. Но качество топлива для двигателей с искровым зажиганием по мере истощения запасов нефти будет меняться ("Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями", Москва, Машиностроение, 1988 г., стр.305, "Общие выводы").

В двигателях, работающих на некачественных бензинах, возникает детонационное сгорание топлива и увеличивается нагар на изоляторах свечей зажигания. Это может привести к остановке двигателя в ненужный момент.

Для повышения антидетонационных характеристик двигателя рекомендуется уменьшать оптимальный угол опережения зажигания, соответствующий максимальному крутящему моменту, ценой некоторого ухудшения экономичности, что не всегда доступно выполнить при эксплуатации автомобиля ("Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями", Москва, Машиностроение, 1988 г., стр.265).

Что касается нагара на свечах, то существует в настоящее время устройство, с помощью которого снижаются отказы свечей зажигания из-за нагара от попадания на изоляторы и электроды свечей моторного масла. С помощью этого устройства можно также восстанавливать работоспособность неисправных свечей (Патент RU 2120690 C1 "Наконечник свечи зажигания "КОНСТАНТА").

На фиг.2 показан наконечник свечи зажигания (Патент 2120690 C1), где 5 - корпус наконечника,
6 - электрод,
7 - контактная втулка,
8 - центральный электрод,
9 - искровый промежуток 2,0 мм.

На фиг. 3 изображена принципиальная схема системы искрового зажигания в двигателе с использованием наконечника (Патент RU 2120690 C1), где
1 - катушка зажигания,
2 - проводник высоковольтного сигнала,
3 - резистор, гасящий радиопомехи,
4 - свеча зажигания,
10 - наконечник свечи зажигания.

Недостатком изображенного на фиг.2 устройства является отсутствие возможности изменения фаз электрического разряда свечи зажигания (как энергетического, так и временного) для уменьшения угла опережения зажигания из-за фиксированного объема между центральным электродом 8 и контактной втулкой 7. Из описания к Патенту RU 2120690 C1 следует, что фазы пробоя в свече зажигания (между электродами) и в наконечнике фиг.2 (между центральным электродом 8 и контактной втулкой 7) происходят одновременно, без временного разделения, т.к. диаметры электрода 8 и центрального электрода свечи зажигания имеют одинаковую величину ("Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями", Москва, Машиностроение, 1988 г., стр.117-126).

Задачей предлагаемого изобретения является осуществление как временного, так и энергетического изменения фаз электрического разряда свечи зажигания для оперативного уменьшения угла опережения зажигания и снижения скорости реакций в цилиндрах двигателя во время воспламенения и на начальном этапе распространения пламени при ухудшении качества топлива, а также удаление из зоны электрического разряда свечи несгоревших компонентов нагара от топлива и моторного масла.

Это достигается размещением в электрической цепи системы зажигания двигателя между катушкой зажигания и свечой зажигания устройства, содержащего два электрода с искровым промежутком между ними, у которого объем пространства между электродами равен (50 - 200) мм³ при величине искрового промежутка от 0,8 мм до 2 мм.

По сравнению с существующим устройством (Патент 2120690) использование заявляемого устройства фазовых изменений электрического разряда свечи зажигания бензинового двигателя позволит:
- при использовании некачественного топлива оперативно, без механической подрегулировки уменьшать угол опережения зажигания;
- повысить антидетонационную характеристику двигателя;
- удалять из зоны электрического разряда свечи зажигания несгоревшие компоненты нагара.

На фиг.4 показано заявляемое устройство фазовых изменений электрического разряда свечи зажигания бензинового двигателя (заявляемое устройство).

В пластмассовом корпусе 11 расположен цилиндрический электрод 12, внутри которого размещен центральный электрод 13, закрепленный на изоляционной втулке 14 и электрически связанный с проводом 15 и наконечником 16. Между электродами 12, 13 расположено пространство 17 с объемом от 50 мм³ до 200 мм³ и искровым промежутком от 0,8 мм до 2 мм.

На фиг.5 изображена принципиальная схема зажигания с использованием заявляемого устройства, где
1 - катушка зажигания,
2 - проводник высоковольтного сигнала,
3 - резистор, гасящий радиопомехи,
4 - свеча зажигания,
12 - цилиндрический электрод заявляемого устройства,
13 - центральный электрод заявляемого устройства,
17 - пространство между электродами с объемом от 50 мм³ до 200 мм³.

Первоначально с ростом амплитуды сигнала высокого напряжения катушки 1 пространство 17 и искровой промежуток свечи 4 заполняются ионизированным облаком под воздействием напряженности электрического поля сигнала, приложенного к электроду 13. По мере того как вырабатывается достаточное количество электронов обратной связи, происходит сверхэкспотенциальное увеличение силы тока разряда между электродами свечи 4 под действием объемного заряда. Практически это происходит, когда сила тока превышает 10 мА.

Поскольку ток ничем не ограничивается, в течение нескольких наносекунд его сила увеличивается до нескольких сотен или тысяч ампер, увеличение продолжается, пока ему не будет препятствовать сопротивление разряда во внешней цепи вблизи искрового промежутка свечи 4. На этом этапе напряжение в искровом промежутке свечи 4 и напряженность электрического поля быстро уменьшаются до очень малых значений (100 В и 1 кВ/см соответственно, т.е. наступает фаза пробоя (пробой). В момент пробоя между электродами свечи 4 объемный заряд в пространстве 17 с объемом (50 - 200) мм³ не достиг необходимой величины для наступления фазы пробоя в искровом промежутке пространства 17.

Учитывая это, ток в искровом промежутке свечи 4 будет практически определяться током между электродами 12 и 13 и иметь величину тлеющего разряда до наступления фазы пробоя в промежутке пространства 17.

Под действием потоков топливной смеси в камере сгорания двигателя начальный разряд в искровом промежутке свечи 4 может прерваться с последующим образованием искр, каждая из которых начинается с фазы пробоя. Плазмы пробоя, сопутствующие этим искрам, менее эффективны из-за меньшей напряженности поля и значительной предионизации в искровом промежутке.

Напряжение повторного зажигания мало и составляет (2 - 3 кВ) ("Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями", Москва, Машиностроение, стр.125).

С дальнейшим ростом амплитуды сигнала высокого напряжения катушки 1 при достижении напряженности электрического поля между электродами 12, 13 величины (50 - 100) кВ/см наступает фаза пробоя искрового промежутка пространства 17. Ток пробоя пропорционален величине искрового промежутка пространства 17. Ток фазы дугового разряда в этом промежутке, следующий за фазой пробоя, будет определяться величиной напряжения на катушке зажигания 1, сопротивлением внешней цепи высокого напряжения (сопротивление: проводов, резистор, гасящий радиопомехи) и сопротивлениями искровых промежутков пространства 17 и свечи зажигания 4.

При изменении объема и величины искрового промежутка пространства 17 энергии фаз пробоя и дугового разряда в этом промежутке будут перераспределяться. При увеличении объема и величины искрового промежутка пространства 17 растут токи пробоя и дугового разряда с уменьшением продолжительности фазы дугового разряда.

Учитывая вышеуказанное, через искровой промежуток свечи зажигания 4 будут протекать токи следующих фаз электрического разряда свечи:
- ток фазы пробоя искрового промежутка свечи 4;
- ток тлеющего разряда в промежуток времени между фазами пробоя свечи 4 и искрового промежутка пространства 17;
- ток фазы дугового разряда, равный току дугового разряда искрового промежутка пространства 17;
- ток фазы тлеющего разряда.

Известно следующее:
1. Одной лишь плазмы пробоя, образующейся в свече зажигания 4, недостаточно для формирования самоподдерживающегося фронта пламени. Реакция затормаживается до тех пор, пока не подведется достаточное количество энергии плазмы дугового разряда.

2. Уменьшение энергии фазы пробоя свечи 4 непосредственно перед началом фазы дугового разряда свечи уменьшает скорость распространения пламени и снижает скорости реакций во время воспламенения, на начальном этапе распространения пламени и при последующем горении топливной смеси ("Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями", Москва, Машиностроение, 1988 г., стр.131, 132, 135, 159).

Из вышеизложенного следует, что:
1. Временной промежуток между фазами пробоя в свече зажигания и в искровом промежутке пространства 17 будет временем задержки зажигания, т.е. уменьшением угла опережения зажигания, что улучшает антидетонационную характеристику двигателя.

2. Разделение фаз пробоя и дугового разряда тлеющим разрядом в искровом промежутке свечи 4 снижает скорость реакции в цилиндре двигателя не только во время воспламенения и на начальном этапе распространения пламени, но и при последующем горении топливной смеси.

3. Увеличение искрового промежутка пространства 17 в заявляемом устройстве приводит к увеличению тока дугового разряда в этом устройстве и увеличению тока дугового разряда свечи зажигания 4, что способствует удалению из зоны электрического разряда свечи 4 несгоревших компонентов нагара от топлива и моторного масла.

Для экспериментальной проверки заявляемое устройство было установлено на автомобиль ВАЗ-2101 с пробегом 180000 км, у которого свечи имели нагар на изоляторах черного цвета из-за попадания в цилиндры двигателя моторного масла через колпачки клапанов. Топливный бак автомобиля был заполнен бензином А-76 вместо АИ-93, что имитировало эксплуатацию автомобиля с некачественным топливом. Испытания проводились с нагрузкой, имитирующей наличие в салоне автомобиля 3-х пассажиров.

Объем испытаний и их результаты приведены в таблицах 1 и 2.

Таким образом, экспериментальная проверка устройства на автомобиле подтвердила оптимальность конструкции устройства для достижения поставленной цели.

Формула изобретения

Устройство фазовых изменений электрического разряда свечи зажигания, содержащее два электрода с искровым промежутком между ними, отличающееся тем, что объем пространства между электродами равен 50-200мм³ при величине искрового промежутка от 0,8 до 2 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6