Способ зажигания топливно-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания

1 Область техники Настоящее изобретение относится к технологии воспламенения топливных смесей и более конкретно к способам ионно-плазменного воспламенения (зажигания), обеспечивающим увеличение объема области начального воспламенения (объемный поджиг). Предшествующий уровень техники Известен способ зажигания топливно-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания(авт.св. СССР 1464274), заключающийся в предварительном воспламенении небольшого количества топлива в ограниченной по объему полости около электродов свечи и последующем выбросе плазменно-факельной струи через небольшое отверстие в свече в камеру сгорания. Такой способ зажигания энергоемок, при этом конструкция свечи усложняется, увеличивается расход топлива. Известен способ зажигания топливновоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, заключающийся в воздействии на топливно-воздушную смесь электрическим импульсом в зоне электродов свечи для уменьшения электрической прочности, после чего амплитуду электрического импульса уменьшают и воспламеняют смесь под воздействием энергии,выделяемой импульсом. На фиг. 1 представлена зависимость напряжения на электродах свечи зажигания, получаемая при реализации данного способа (Росс Твег. Системы зажигания легковых автомобилей. М., Издательство За рулем,1998 г., рис. 2, стр. 5). Недостатком этого способа является относительно малый объем поджига смеси и наличие паразитных детонаций, ухудшающих надежность поджига. Известен способ зажигания топливновоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания (авт.св. СССР 1368936), заключающийся в создании между электродами свечи зажигания токопроводящей среды, содержащей заряженные частицы, придание заряженным частицам направленного движения для создания искрового разряда и последующего воспламенения топливно-воздушной смеси. Объемный поджиг в этом способе создают путем увеличения числа заряженных частиц в камере сгорания за счет использования источника электронов с автоэлектронной эмиссией, содержащего пьезокерамический резонатор и остийный эмиттер. Такой способ воспламенения экологически более чист, так как введение дополнительного количества заряженных частиц в камеру сгорания улучшает процесс воспламенения и последующего более полного сгорания смеси в цилиндре двигателя. Наличие дополнительных заряженных частиц улучшает условия горения смеси в цилиндре, что уменьшает количество токсичных веществ и уменьшает энергоемкость процесса. 2 Недостатком этого способа является относительно малый объем начального воспламенения, что увеличивает токсичность и ухудшает эффективность поджига. Сущность изобретения Основной задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание способа и системы зажигания топливно-воздушной смеси,обеспечивающих повышение экономичности и уменьшение токсичности за счет более равномерного процесса поджига и полного сгорания топливно-воздушной смеси. Согласно настоящему изобретению способ зажигания топливно-воздушной смеси включает в себя следующие последовательно выполняемые этапы: а) повышение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке свечи зажигания до его электрического пробоя; б) скачкообразное уменьшение напряженности электрического поля до заданного уровня; в) фиксация (поддержание) этого уровня напряженности в течение 2,5-25 мкс до появления высокочастотного излучения в межэлектродном промежутке свечи; г) инвертирование направления электрического поля; д) повышение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке свечи зажигания до его электрического пробоя; е) скачкообразное уменьшение напряженности электрического поля до заданного уровня; ж) фиксация (поддержание) этого уровня напряженности в течение 2,5-25 мкс до появления высокочастотного излучения в межуглеродном промежутке свечи; з) снятие электрического поля со свечи зажигания. Стадии г)-ж) целесообразно повторять многократно до окончания цикла зажигания топливно-воздушной смеси. Стадия а) осуществляется на переменном электрическом поле, причем используется гармоническое переменное поле с длительностью каждой последующей полуволны, большей предыдущей. Снятие электрического поля осуществляется плавно, при этом используется переменное электрическое поле. Решение задачи достигается также тем, что на стадиях б) и е) фиксируется ток в межэлектродном промежутке свечи зажигания. Плавное увеличение напряженности электрического поля на стадии а) в течение нескольких сотен микросекунд позволяет сформировать в межэлектродном промежутке свечи зажигания достаточную концентрацию свободных радикалов, что облегчает образование разряда между электродами свечи зажигания и делает его более устойчивым. Скачкообразное (единицы наносекунд) уменьшение напряженности электрического 3 поля до заданного уровня, определяемого минимальной величиной тока в межэлектродном промежутке, и последующая фиксация этого уровня позволяют удержать ток в межэлектродном промежутке свечи зажигания не менее определенной величины и обеспечить приток топливно-воздушной смеси в область, ограниченную межэлектродным промежутком свечи зажигания из периферийных областей камеры сгорания для поддержания разряда в течение 2,5-25 мкс. Скачкообразное инвертирование электрического поля с последующими скачкообразным(порядка одной микросекунды) повышением напряженности электрического поля до величины пробоя и скачкообразным уменьшением напряженности до заданного уровня его фиксации изменяет градиент концентрации свободных радикалов в межэлектродном промежутке свечи зажигания, что облегчает условия горения воздушно-топливной смеси между электродами свечи зажигания, быстро (порядка 1 мкс) восстанавливает ток в межэлектродном промежутке свечи зажигания и делает процесс горения практически непрерывным. Многократное повторение стадий г)-ж)(100 и более раз) на всем цикле зажигания позволяет более эффективно сжигать топливновоздушную смесь и повысить КПД двигателя и его экологические характеристики за счет увеличения на два и более порядка длительности непрерывного разряда. Использование знакопеременного электрического поля на стадии а) генерирует свободные радикалы в межэлектродном промежутке свечи зажигания, которые в силу знакопеременности электрического поля инжектируются в камеру сгорания, обеспечивая тем самым более эффективный поджиг топливно-воздушной смеси вследствие уменьшения энергии активации. Увеличение длительности каждой из последующих полуволн гармонического электрического поля на этапе а) позволяет с большей эффективностью генерировать и инжектировать свободные радикалы в камеру сгорания. Плавное уменьшение напряженности электрического поля при окончании цикла зажигания (этап дожига) позволяет продлить время существования свободных радикалов в межэлектродном промежутке свечи зажигания и обеспечить более полное сгорание топливновоздушной смеси. Знакопеременность электрического поля на этом этапе позволяет дополнительно инжектировать свободные радикалы в камеру сгорания и обеспечить более эффективный дожиг топливно-воздушной смеси. Фиксация тока в межэлектродном промежутке свечи зажигания позволяет стабилизировать процесс горения топливно-воздушной смеси при изменении ее параметров и условий горения. 4 Высокочастотное излучение, возникающее в межэлектродном промежутке свечи зажигания на стадиях в) и ж), обусловлено термодинамической неустойчивостью из-за наличия градиента концентрации положительно и отрицательно заряженных свободных радикалов, что создает экранированные области вблизи электродов свечи зажигания и тем самым препятствует процессу горения. Фиксация заданного уровня напряженности до момента возникновения высокочастотного излучения с последующим скачкообразным инвертированием электрического поля изменяет градиент концентрации свободных радикалов и тем самым снимает высокочастотное излучение, что позволяет устранить экранированные области, созданные пространственным зарядом вблизи электродов свечи зажигания. Система зажигания топливно-воздушной смеси согласно настоящему изобретению включает в себя генератор с входом включения и выключения и пьезотрансформатор, соединенный своим входом с выходом указанного генератора, и, в отличие от известных систем зажигания, содержит реориентационный резонатор,конструктивно объединенный с пьезотрансформатором и образующий с ним единый пьезоэлемент, выход которого соединен с электродом свечи зажигания. Генератор системы зажигания согласно изобретению дополнительно может содержать вход синхронизации и вход управления током разряда, а сама система имеет в этом случае две обратные связи от пьезоэлемента к генератору, одна из которых подключена к указанному входу синхронизации, а другая - к указанному входу управления током разряда генератора. Включение в систему зажигания реориентационного резонатора, конструктивно объединенного с пьезотрансформатором и образующего с пьезотрансформатором единый пьезоэлемент, позволяет создать внутреннюю обратную связь в пьезоэлементе, вызывающую инвертирование его выходного сигнала при возникновении высокочастотного излучения в межэлектродном промежутке свечи зажигания. Введение двух обратных связей от пьезоэлемента к генератору, одна из которых подключается к входу синхронизации, а вторая - к входу управления током разряда, обеспечивает возможность синхронизации частоты генератора с моментами инвертирования выходного сигнала пьезоэлемента и фиксировать ток в межэлектродном промежутке свечи зажигания. Описание чертежей На фиг. 1 приведена зависимость напряжения на электродах свечи зажигания в известном способе; на фиг. 2 - временная диаграмма, иллюстрирующая предлагаемый способ согласно изобретению; 5 на фиг. 3 - блок-схема системы зажигания согласно настоящему изобретению; на фиг. 4 - эпюры напряжений управляющих импульсов и возбуждающего напряжения; на фиг. 5 - еще один вариант блок-схемы системы зажигания в соответствии с настоящим изобретением. Примеры осуществления изобретения Обратимся к рассмотрению фиг. 2, на которой обозначены: U - ось напряжения между электродами свечи зажигания; t - время; Uпр.о начальное напряжение пробоя; Uви - напряжение повторного пробоя; Uрп - напряжение стабилизации; tпр - длительность периода стабилизации; tи.вкл. - продолжительность плавного нарастания напряженности электрического поля; tи.выкл. - продолжительность плавного уменьшения напряженности электрического поля. До момента возникновения электрического пробоя в течение времени tи.вкл. плавно повышают напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке свечи зажигания до Uпр.o, причем электрическое поле переменное. Затем скачкообразно уменьшают напряженность электрического поля до заданного уровня Uрп и фиксируют этот уровень. После возникновения в межэлектродном промежутке свечи зажигания высокочастотного излучения скачкообразно инвертируют направление электрического поля и снова скачкообразно повышают напряженность электрического поля до уровня возникновения электрического пробоя в межэлектродном промежутке свечи зажигания(Uви), причем Uви меньше, чем Uпр.o, и затем снова скачкообразно уменьшают напряженность электрического поля до заданного уровня Uрп и фиксируют этот уровень. Далее процесс многократно повторяется до окончания цикла зажигания. Затем электрическое поле плавно уменьшается в течение времени tи.выкл. Блок-схема системы зажигания, изображенная на фиг. 3, реализующая способ зажигания топливно-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания согласно изобретению,содержит свечу зажигания 5, пьезотрансформатор 2 и генератор 1 с входом включения и выключения 7, соединенный своим выходом с входом пьезотрансформатора 2, а также реориентационный резонатор 3, конструктивно объединенный с пьезотрансформатором 2 и образующий с ним единый пьезоэлемент 4, в результате чего образуется внутренняя обратная связь 6, причем выход пьезоэлемента 4 соединен с электродом свечи зажигания 5. Схема работает следующим образом. Импульсы управления (фиг. 4 а) длительностьюty=2-5 мс с периодом Ту=20-200 мс, зависящие от скорости вращения коленчатого вала двигателя, определяющие момент начала и длительность цикла зажигания топливно-воздушной смеси, подаются на вход включения и выключе 003162 6 ния 7 генератора 1 и разрешают его работу. Синусоидальный сигнал (фиг. 4 б) в течение длительности ty управляющего импульса с выхода генератора 1 поступает на сигнальный вход пьезотрансформатора 2 и далее через последовательно соединенный реориентационный резонатор 3, образующий с пьезотрансформатором 2 единый пьезоэлемент 4, на электрод свечи зажигания 5. В связи с высокой добротностью пьезоэлемента 4 амплитуда синусоидального сигнала на его выходе будет плавно нарастать по закону(см. фиг. 2) до величины Uпр.о 10 кВ, то есть до момента начала образования разряда. Тем самым обеспечивается плавное повышение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке свечи зажигания (стадия а). В момент начала разряда происходит скачкообразное уменьшение напряжения до заданного уровня Uрп 650 В, на котором удерживается, практически, до окончания текущего полупериода возбуждающего напряжения стадии б) и в) способа. Заданный уровень обеспечивается выбором амплитуды синусоидального сигнала раскачки, подаваемого на вход пьезоэлемента 4. При возникновении высокочастотного излучения в межэлектродном промежутке срабатывает внутренняя обратная связь в пьезоэлементе, вызывающая инвертирование его выходного сигнала. Наличие внутренней обратной связи обусловлено тем, что при возникновении высокочастотного излучения в межэлектродном промежутке происходит резкое изменение выходного импеданса свечи зажигания 5. Это вызывает реориентацию вектора поляризации поверхностных слоев в реорентационном резонаторе 3,что приводит к скачкообразному изменению фазовых соотношений при распространении акустических волн в пьезотрансформаторе 2(тем самым реализуется внутренняя обратная связь 6 в пьезоэлементе 4), в результате чего происходит инвертирование выходного напряжения пьезоэлемента (стадия г) способа. В следующий полупериод напряжение нарастает до уровня электрического пробоя Uви 2 кВ, который примерно в 5 раз меньше начального уровня пробоя Uпр.о, что обусловлено наличием остаточной ионизации (свободных радикалов) в межэлектродном промежутке свечи зажигания 5 (стадия д) способа. После образования разряда в этом полупериоде напряжение вновь падает до заданного уровня Uрп, на котором удерживается, практически, до окончания текущего полупериода возбуждающего напряжения 7 Такой процесс повторяется в каждом полупериоде до окончания воздействия возбуждающего напряжения на входе пьезоэлемента 4. По окончанию возбуждающего воздействия на входе пьезоэлемента 4 амплитуда синусоидального сигнала на его выходе начинает плавно убывать по экспоненциальному закону в течение времени tи.выкл.0,5 мс, что обеспечивает плавное уменьшение напряженности переменного электрического поля. При поступлении следующего управляющего импульса процесс повторяется. Блок-схема системы зажигания, изображенная на фиг. 5, отличается от блок схемы,приведенный на фиг. 3, тем, что генератор 1 дополнительно содержит вход синхронизации 8 и вход управления током разряда 9 и с пьезоэлемента введены две обратные связи, одна из которых подключена ко входу синхронизации 8,а вторая - к входу управления током разряда 9 генератора 1. Введение обратной связи к входу синхронизации 8 генератора 1 позволяет синхронизировать инвертирование выходного сигнала пьезоэлемента 4 с изменением фазы выходного сигнала генератора 1, а подключение обратной связи к входу управления током разряда 9 генератора 1 обеспечивает возможность автоматического поддержания фиксированного уровня тока в межэлектродном промежутке свечи зажигания 5 путем, например, изменения выходной мощности генератора 1. Проведенные эксперименты показали, что характерными значениями Uпр.о для заявляемого способа является 8-14 кВ;tи.вкл. - 0,4-0,6 мс; время скачкообразного уменьшения напряженности электрического поля после пробоя - 3-10 нc; скачкообразное повышения напряженности электрического поля при инвертировании - 0,5-1 мкс; Uви - 1-2 кВ;tи.выкл. - 0,4-0,6 мс. При этом была достигнута экономия топлива за счет более полного сгорания 15-30% и уменьшение токсичности - от 20 до 30%. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ зажигания топливно-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, включающий в себя следующие последовательно выполняемые этапы: а) повышение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке свечи зажигания до электрического пробоя его; б) скачкообразное уменьшение напряженности электрического поля до заданного уровня; 8 в) поддержание этого уровня напряженности в течение 2,5-25 мкс; г) инвертирование направления электрического поля; д) повышение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке свечи зажигания до электрического пробоя его; е) скачкообразное уменьшение напряженности электрического поля до заданного уровня; ж) поддержание этого уровня напряженности в течение 2,5-25 мкс; з) снятие электрического поля со свечи зажигания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадии г) - ж) повторяются многократно до окончания цикла зажигания топливновоздушной смеси. 3. Способ по пп.1-2, отличающийся тем,что стадия а) осуществляется на переменном электрическом поле. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что на стадии а) используется гармоническое переменное электрическое поле, причем длительность каждой последующей полуволны превышает предыдущую. 5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем,что снятие электрического поля осуществляют только с многократным изменением его знака. 6. Способ по пп.1-2, отличающийся тем,что на стадиях б) и е) фиксируется ток в межэлектродном промежутке свечи зажигания. 7. Способ по пп.1-2, отличающийся тем,что на стадиях в) и ж) поддержание заданного уровня напряженности производится до возникновения в межэлектродном промежутке свечи зажигания высокочастотного излучения. 8. Система зажигания топливно-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащая свечу зажигания, пьезотрансформатор и генератор с входом включения и выключения,соединенный своим выходом со входом пьезотрансформатора, отличающаяся тем, что в нее включен реориентационный резонатор, конструктивно соединенный с пьезотрансформатором и образующий с ним единый пьезоэлемент,причем выход последнего соединен с электродом свечи зажигания. 9. Система зажигания по п.8, отличающаяся тем, что генератор дополнительно содержит вход синхронизации и вход управления током в разряде, а с пьезоэлемента в генератор введены две обратные связи, одна из которых подключена к указанному входу синхронизации, а вторая - к указанному входу управления током разряда генератора.