Какие способы поджигания горючей смеси используют в двигателях: Какие способы поджигания горючей смеси используют в двигателях внутреннего сгорания?

Способ искрового зажигания горючей смеси

Изобретение относится к тепловым двигателям с искровым зажиганием горючей смеси, в частности к способам искрового зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Способ искрового зажигания горючей смеси электрическим разрядом в свече зажигания заключается в зажигании горючей смеси искрой с выбранными необходимыми значениями силы тока, длины и длительности искрового разряда. Необходимые значения силы тока, длины и длительности искрового разряда предварительно выбирают из условий выполнения требуемых снижения содержания вредных веществ в составе выхлопных газов, снижения расхода топлива и повышения мощности ДВС. Технический результат заключается в обеспечении полного сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, снижении содержания вредных веществ в выхлопных газах, снижении потребления топлива и повышении мощности двигателя. 3 ил.

 

Изобретение относится к тепловым двигателям с искровым зажиганием горючей смеси, в частности к способам искрового зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания.

Изобретение может быть использовано в искровых системах зажигания двигателей внутреннего сгорания автомобилей.

Известны способы зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания автомобилей путем создания в искровом промежутке свечи зажигания искры, продолжительной искры с повышенной энергией, последовательности искр, высокочастотной искры и др.

В патенте РФ №2171909 Тарасов П.А. предлагает увеличить длительность искры до нескольких миллисекунд путем введения последовательного «LC» контура, включенного параллельно свече зажигания. Автор считает, что при этом увеличится объем плазмы. В авторском свидетельстве СССР №1746048 Шпади А.Л. и др. предлагают формировать плазму путем подачи на свечу зажигания двух импульсов.

Основным недостатком всех известных способов и систем зажигания является то, что все они создавали в свече зажигания искру с очень маленьким током. В современных системах зажигания ([1] рис.15) ток искры не превышает 0,2 А. В [1] стр.38 написано: «Искра нагревает некоторое небольшое по объему количество смеси до температуры воспламенения». Такая искра не обеспечивает эффективного зажигания горючей смеси, и смесь в двигателе сгорает не полностью.

Наиболее близким к предлагаемому способу зажигания является патент РФ №2339839 «Способ искрового зажигания горючей смесив (прототип способа).

В прототипе горючую смесь зажигают искрой с выбранным необходимым значением силы тока искры, причем необходимое значение силы тока искры предварительно выбирают путем последовательного выбора величины искрового промежутка разрядника и величины сопротивления высоковольтных проводов, из условия снижения содержания вредных веществ в составе выхлопных газов, снижения расхода топлива и повышения мощности двигателя внутреннего сгорания.

Недостатком прототипа является то, что для выполнения поставленной задачи выбирают только ток искры.

Дело в том, что эффективность зажигания горючей смеси зависит, кроме тока искры, еще от длины искры и его длительности.

Поэтому необходимо выбирать силу тока, длину и длительность искры.

Целью изобретения является обеспечение полного сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, значительное снижение содержания вредных веществ в выхлопных газах, снижение потребления топлива и повышение мощности двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что горючую смесь зажигают искрой с выбранными необходимыми значениями силы тока, длины и длительности искрового разряда, причем необходимые значения силы тока, длины и длительности искры предварительно выбирают из условия выполнения требуемых снижения содержания вредных веществ в составе выхлопных газов, снижения расхода топлива и повышения мощности двигателя внутреннего сгорания.

Длина искры равна величине зазора между электродами свечи зажигания.

Таким способом выбирают, по сути, энергию искры. Однако ток, длина и длительность искры по-разному влияют на эффективность зажигания горючей смеси. Поэтому эти параметры искры нужно выбирать по отдельности.

Выбранное для реализации предлагаемого способа устройство зажигания построено на основе патентов РФ №2107184 и №2151321.

Чертежи устройства для реализации предлагаемого способа приведены на Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3. На чертежах приняты следующие обозначения элементов устройства:

1. Блок электронного зажигания

2. Первичная обмотка

3. Катушка зажигания

4. Вторичная обмотка

5. Первый электрод

6. Разрядник

7. Второй электрод

8. Распределитель зажигания

9. Резистор

10. Центральный электрод

11. Свеча зажигания

12. Боковой электрод

13. Конденсатор

14. Высоковольтный провод

15. Высоковольтный провод

16. Высоковольтный провод

17. Паразитная емкость

18. Диод

19. Высоковольтный конденсатор

Блок электронного зажигания 1 (Фиг.1) соединен с первичной обмоткой 2 катушки зажигания 3, которая содержит также вторичную обмотку 4. Высоковольтный выход вторичной обмотки 4 соединен с первым электродом 5 разрядника 6. Второй электрод 7 разрядника 6 соединен с распределителем зажигания 8 с резистором 9. Распределитель зажигания 8 соединен с центральным электродом 10 свечи зажигания 11. Боковой электрод 12 свечи зажигания 11 соединен через конденсатор 13 с низковольтным выходом вторичной обмотки 4 катушки зажигания 3. Высоковольтные провода 14, 15 и 16 соединяют, соответственно, высоковольтный выход вторичной обмотки 4 с первым электродом 5 разрядника 6, второй электрод 7 с распределителем зажигания 8 и распределитель зажигания 8 с центральным электродом 10 свечи зажигания 11. Паразитная емкость 17 вторичной обмотки 4 соединена параллельно вторичной обмотке 4.

На Фиг.2 боковой электрод 12 соединен с низковольтным выходом вторичной обмотки 4 катушки зажигания 3 непосредственно.

На Фиг.3 введены диод 18 и высоковольтный конденсатор 19. Высоковольтный выход вторичной обмотки 4 соединен с диодом 18, конденсатор 19 включен между выходом диода 18 и низковольтным выходом вторичной обмотки 4. Выход диода 18 соединен с первым электродом 5 разрядника 6.

Предлагаемый способ может быть реализован с применением описанного выше устройства следующим образом.

Перепад напряжения с выхода блока электронного зажигания 1 (Фиг. 1) подают на первичную обмотку 2 катушки зажигания 3, который индуктирует на вторичной обмотке 4 высоковольтный импульс напряжения. С высоковольтного выхода вторичной обмотки 4 высоковольтный импульс напряжения подают на первый электрод 5 разрядника 6. Между первым 5 и вторым 7 электродами разрядника 6 возникает электрический разряд. Ток разряда с высоким напряжением со второго электрода 7 подают через распределитель зажигания 8, с резистором 9, на центральный электрод 10 свечи зажигания 11. В искровом промежутке свечи зажигания 11, образованном между центральным 10 и боковым 12 электродами, также возникает электрический разряд. Импульсный ток разряда с бокового электрода 12 возвращают на вторичную обмотку 4 через конденсатор 13.

Цепь, по которой проходит ток искры, состоит из высоковольтных проводов 14, 15, 16, разрядника 6, распределителя зажигания 8, свечи зажигания 11, конденсатора 13 и паразитной емкости 17 вторичной обмотки 4 катушки зажигания 3.

Дело в том, что по проводам вторичной обмотки 4, которая имеет значительное электрическое сопротивление и большую индуктивность, ток искры не может проходить, так как длительность импульса искры не превышает микросекунды. Ток искры проходит только через «паразитную» емкость 17 выхода вторичной обмотки 4.

В некоторых случаях, в зависимости от электрической схемы блока зажигания 1, ток искрового разряда от бокового электрода 12 возвращают на вторичную обмотку 4 по проводу (Фиг.2).

На Фиг.3 импульс напряжения с выхода вторичной обмотки 4 через диод 18 заряжает конденсатор 19 до высокого напряжения. Накопленный заряд конденсатора 19 позволяет увеличить энергию искры.

Последовательно включенный разрядник 6, позволяет увеличивать напряжение и ток искры. Путем увеличения величины искрового промежутка разрядника 6 можно увеличивать напряжение искры и до 25 кВ, и до 100 кВ и более. Происходит это потому, что напряжение на выходе вторичной обмотки 4 должно одновременно «пробить» и зазор между электродами свечи зажигания 11, и большой искровой промежуток разрядника 6.

В существующих системах зажигания, не имеющих разрядника, напряжение искры мало, т.к. маленький зазор свечи зажигания пробивается напряжением 6-10 кВ.

Средства, необходимые для осуществления выбора силы тока, длины и длительности искры следующие:

1. Для изменения напряжения искры и выбора необходимой величины тока искры должны быть изготовлены разрядники с различными параметрами. Параметры разрядника — это величина искрового промежутка, диаметры электродов, их форма и материал. Изготовить разрядники можно в соответствии с патентами РФ №2107184 и №2151321.

2. Для выбора необходимого сопротивления цепи разряда должны иметься высоковольтные провода с различными сопротивлениями (Фиг.1, 2, 3). В настоящее время имеется много видов высоковольтных проводов с различными величинами электрического сопротивления. В [1] стр.32 написано:

«Наши красные высоковольтные провода имеют распределенное сопротивление 2 кОм на метр длины… Для систем зажигания высокой энергии … применяют провода синего цвета… с распределенным сопротивлением 2,55 кОм… Зарубежные высоковольтные провода… величина распределенного сопротивления может быть в пределах 9-25 кОм… ». В действительности в продаже имеется значительно больше проводов с различными сопротивлениями. Имеются провода и с близкими к нулю сопротивлениями. Таким образом, для выбора величины тока искры имеется набор высоковольтных проводов с различными сопротивлениями.

3. Для выбора необходимого сопротивления цепи разряда в бегунок распределителя зажигания нужно устанавливать резисторы с различными величинами сопротивлений. В продаже имеются резисторы с любыми значениями сопротивлений. При необходимости можно замыкать резистор проводом.

4. Свечи зажигания должны быть без встроенных резисторов, с близкими к нулю сопротивлениями.

5. Для выбора необходимых параметров искры нужно использовать мощный промышленный источник высокого напряжения, обеспечивающий регулируемое выходное напряжение и энергию искры не менее 100 кВ и 1 кДж, соответственно.

6. Высоковольтный выход источника высокого напряжения соединяют с резистором, а другой провод (выход) резистора через конденсатор соединен с выходом источника с нулевым потенциалом. Выходом источника с изменяемой энергией искры является общая точка соединения резистора с конденсатором. Энергию искрового разряда изменяют путем соответствующего выбора параметров резистора и конденсатора.

7. Длину искры изменяют путем изменения зазора между электродами свечи.

Метод, процедура, алгоритм выбора необходимого тока, длины и длительности искры в свече зажигания следующий:

1. Начальная длительность искры должна соответствовать энергии искры 50 мДж. Для этого на выходе источника высокого напряжения величины резистора и конденсатора выбирают из условия, чтобы начальная энергия искры составляла 50 мДж.

2. Начальная длина искры должна быть равна 0,5 мм.

3. Начальное напряжение на выходе источника высокого напряжения с изменяемой энергией искры устанавливают 25 кВ.

4. Начальный ток искры, измеренный по приборам или рассчитанный по напряжению искры и сопротивлению цепи разряда, должен быть около 1 А.

5. Проверяют полученные характеристики двигателя, а именно уровень вредных выбросов двигателя, его мощность и экономичность.

6. Если характеристики двигателя не удовлетворительны, выбором высокого напряжения источника, параметров разрядника и цепи разряда последовательно увеличивают ток искры, проверяя характеристики двигателя для каждого значения тока искры, пока не будут получены требуемые характеристики двигателя. Для увеличения тока искры повышают напряжение источника, увеличивают искровой промежуток разрядника, уменьшают сопротивление цепи разряда, уменьшают сопротивление разрядника соответствующим выбором диаметра, формы и материала электродов.

7. Если требуемые характеристики двигателя получить не удается, то последовательно увеличивают длину искры, повторяя всю процедуру выбора по пп.5-6 для каждого значения длины искры, пока не будут получены требуемые характеристики двигателя.

8. Если требуемые характеристики двигателя все еще получить не удается, то выбором параметров резистора и конденсатора, на выходе источника высокого напряжения с изменяемой энергией искры, последовательно увеличивают длительность искры, повторяя всю процедуру выбора по пп. 5-7 для каждого значения длительности искры, пока не будут получены требуемые характеристики двигателя.

Описанную выше процедуру выбора производят на специализированном стенде, предназначенном для измерений уровня вредных выбросов, расхода топлива и мощности двигателя автомобиля. Например, в НАМИ или МАДИ.

На этом же стенде измеряют полученные необходимые значения тока, длины и длительности искры.

Кардинальное улучшение характеристик двигателя наступает, когда выбранные значения тока искры достигают значений, сравнимых или даже больших тока молнии. Это примерно в 10000000 раз больше тока искры в современных автомобилях. При таких больших токах искра испускает мощнейшие световые и другие излучения, которые поджигают горючую смесь во всем объеме камеры сгорания.

Изобретение позволяет существенно экономить горючее, повысить мощность двигателя автомобиля, практически полностью устранить почти все вредные выбросы.

Выбранные значения тока, длины и длительности искры могут быть использованы для создания и массового промышленного производства эффективных систем зажигания.

Использование изобретения в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием позволит существенно уменьшить ядовитые выбросы, значительно экономить топливо и увеличить мощность двигателя.

Источники информации

1. Росс Твег. Системы зажигания легковых автомобилей. М., «За рулем» 1997 г.

Способ искрового зажигания горючей смеси электрическим разрядом в свече зажигания, при котором горючую смесь зажигают искрой с выбранным необходимым значением силы тока искрового разряда, отличающийся тем, что горючую смесь зажигают искрой с выбранными необходимыми значениями силы тока, длины и длительности искрового разряда, причем необходимые значения силы тока, длины и длительности искры предварительно выбирают из условия выполнения требуемых снижения содержания вредных веществ в составе выхлопных газов, снижения расхода топлива и повышения мощности двигателя внутреннего сгорания.

Энергетическое образование

3. Бензиновые двигатели

Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой.

Четырёхтактный бензиновый двигатель.

Как следует из названия, рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов. 1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь. 2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо?льшим октановым числом, которое дороже. 3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы основная масса бензовоздушной смеси успела воспламениться к моменту, когда поршень будет находиться в ВМТ (процесс воспламенения является медленным процессом относительно скорости работы поршневых систем современных двигателей). При этом использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику. В этом случае используется датчик положения коленчатого вала, работающий обычно по емкостному принципу. 4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала. Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Рабочий цикл четырехтактного двигателя:

  1. Впуск. Длится от 0 до 180° поворота распредвала. Открыты впускные клапаны. При впуске поршень движется вниз от верхней мертвой точки, открыт впускной клапан. В цилиндре образуется разрежение, за счёт которого в него засасывается порция топливно-воздушной смеси. При наличии нагнетателя смесь нагнетается в цилиндр под давлением.

  2. Сжатие. 180 — 360° поворота распредвала. Все клапаны закрыты. Поршень движется вверх к так называемой «верхней мертвой точке» (ВМТ), при этом заряд сжимается поршнем до давления степени сжатия. За счёт сжатия достигается большая удельная мощность, чем могла бы быть у двигателя, работающего при атмосферном давлении, за счёт того, что в небольшом объёме заключен весь заряд рабочей смеси. Кроме того, повышение степени сжатия позволяет добиться повышения КПД двигателя.

  3. Рабочий ход. 360 — 540° распредвала. Свеча поджигает сжатую топливно-воздушную смесь, в результате происходит маленький взрыв, толкающий поршень вниз цилиндра. Происходит движение поршня в сторону нижней мёртвой точки (НМТ) под давлением горячих газов, передаваемого поршнем через шатун коленчатому валу.

  4. Выпуск. 540 — 720° поворота распредвала. Открываются выпускные клапаны, поршень движется в сторону верхней мёртвой точки, вытесняя выхлопные газы. Происходит очистка цилиндра от отработавшей смеси.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя.

Ремень ГРМ. Это резиновый ремень, соединяющий коленвал и распредвалы двигателя. Распредвалов обычно два — впускной и выпускной. Впускной управляет открытием клапанов на впуск, выпускной соответственно — выхлоп. Коленвал вращается за счет поршней через связующие ремни. Это происходит по тому же принципу, что и вращение шестерни велосипеда. Распредвал открывает клапаны с помощью кулачкового механизма в верхней точке движения поршня (ВМТ), поэтому необходимо синхронизировать вращения распределительного и коленчатого валов. Этой цели служит ремень ГРМ. Посредствам зубцов он приводит в движение шкивы (распределительные шестерни) обоих валов и регламентирует их вращение. Ремень ГРМ меняется по регламенту производителя при пробеге, в зависимости от рекомендаций каждые 50000 км пробега. Обрыв ремня приводит к рассинхронизации работы клапанов и цилиндров, что приводит чаще всего к загибанию клапанов и выходу двигателя из строя. На некоторых моделях ремень заменяет цепь ГРМ. Замена цепи требуется обычно реже, чем замена ремня, поскольку цепь больше ресурсоемка, однако она имеет свойство растягиваться, что также приводит к рассинхронизации работы двигателя. Своевременная замена цепи или ремня ГРМ — важная и необходимая процедура обслуживания двигателя.

Головка блока цилиндров (ГБЦ) и блок цилиндров. Верхняя часть двигателя соединяется с блоком цилиндров по определенным точкам. Так как в места соединения очень сильно нагружены во время работы двигателя, то соединяются они через специальную прокладку, называемую прокладкой ГБЦ, во избежание повреждения корпуса двигателя. Со временем прокладка имеет теряет свои герметичные свойства и требуется ее замена. Для этого двигатель разбирается, старая прокладка удаляется, корпус чистится и устанавливается новая прокладка. Данная деталь одноразовая, ставится один раз и не подлежит ремонту, только замена. Протечка прокладки может привести к перегреву, попаданию лишнего воздуха в камеру сгорания, прогоранию клапанов и выходу двигателя из строя. Также может произойти смещение ГБЦ и блока цилиндров, что приводит к заклиниванию поршней. Восстановление двигателя после такой поломки — очень дорогостоящая операция.

Коленчатый вал. Основной вал двигателя, преобразующий толкающее движение поршней во вращение маховика, которое передается на колеса через трансмиссию. Находится чуть ниже блока цилиндров в картере, устанавливлен на так называемых вкладышах, которые предохраняют картер от механических повреждений. Наиболее распространенная поломка — прикипание вкладышей к коленвалу и последующее их проворачивание, что приводит к зазорам на валу и последующему разрушению картера. Наиболее частая причина — утечка масла.

Число оборотов в минуту (RPM). Если Ваш двигатель работает с частотой 3000 об/мин (по показаниям тахометра), это означает 50 полных оборотов коленчатого вала в секунду! Эксплуатация двигателя на повышенных оборотах приводит к перегреву и выходу его из строя.

Упрощенная схема работы четырехцилиндрового двигателя.

Топливные инжекторы (на старых автомобилях — карбюраторы) управляют впрыском топлива в цилиндры в определенный момент. Подача топлива в цилиндры управляется электронным блоком управления и различными датчиками, такими как датчик положения дроссельной заслонки, датчик коленвала, датчик температуры и другими. Основная задача — обеспечить впрыск определенного количества топлива в определенный цилиндр в момент, определенный зажиганием. Выход из строя одного из компонентов системы может привести к некорректной подаче топлива в цилиндры, что приводит в лучшем случае к остановке работы одного или нескольких цилиндров, а то и вовсе прекращению его работы.

Октановое число — показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) для ДВС. Если из выхлопной трубы валит черный дым, а двигатель издает резкие звуки, это означает, что бензин в цилиндрах вместо сгорания начинает взрываться. Стук в двигателе создаётся волнами давления, возникающими при быстром сгорании смеси и отражающимися от стенок цилиндра и поршня. При этом снижается мощность двигателя и ускоряется его износ, а при возникновении детонационных волн двигатель может быть повреждён или разрушен. Использование не рекомендуемого производителем автомобиля бензина может привести к печальным последствиям и выходу двигателя из строя. Бензин с высоким октановым числом обычно требуется для форсированных двигателей, с более высокой компрессией, для предотвращения самовозгорания топлива.

Топливная система.

Соотношение топлива к кислороду должно быть 1:14. Воздушный фильтр очищает входящий поток воздуха от грязи и пыли. Недостаток, как и переизбыток подачи воздуха в цилиндры приводит к ухудшению качества воздушно-топливной смеси, что может привести к неправильной работе двигателя и последующему выходу его из строя. Поэтому важна своевременная замена фильтра и недопущение засора впускного коллектора для нормальной работы двигателя. Турбинные двигатели отличаются тем, что нагнетание воздуха в цилиндры происходит принудительно.

Воздушная система.

Моторное масло смазывает движущиеся части, очищает, предотвращает коррозию и охлаждает детали двигателя, предотвращая перегрев и увеличивая износостойкость деталей. Маслонасос обеспечивает ток масла по масляным магистралям, поддерживая необходимое давление внутри магистралей. Масляный фильтр очищает масло от инородных элементов, предотвращая их попадание внутрь двигателя. Основная масса масла содержится в картере, или масляном поддоне. Именно там Вы проверяете уровень масла в Вашем двигателе. Поршневые кольца предотвращают попадание масла внутрь камеры сгорания, обеспечивая при этом смазку цилиндры тонким слоем масла. Появление черного дыма из выхлопной трубы и запаха горелого масла означает попадание масла в цилиндры, обычно это означает износ маслосъемных колпачков и поршневых колец. Выход из строя одного или нескольких компонентов масляной системы двигателя приводит к перегреву двигателя, снижению ресурса трущихся деталей и выходу двигателя из строя, что приводит к дорогостоящему капитальному ремонту.

Масляная система.

Во время работы двигатель сильно нагревается. Система охлаждения рассеивает выделяемое тепло, отводя его от двигателя. Теплоотводы представляют собой полости в ГБЦ и самом блоке цилиндров. Помпа (насос) системы охлаждения заставляет циркулировать охлаждающую жидкость по системе охлаждения. Радиатор состоит из металлических труб, окруженных плаcтинами. Горячая охлаждающая жидкость из двигателя попадает в трубы радиатора, где охлаждается воздухом от вентилятора радиатора. Из радиатора охлажденная жидкость подается обратно в двигатель, обеспечивая непрерывную циркуляцию и охлаждение. В качестве охлаждающей жидкости обычно используется антифриз, разбавленный с водой. (В магазинах обычно продается уже готовый раствор). Реже используется тосол. Температура кипения антифриза около 1973 градусов по Цельсию. Температура замерзания — минус 12.7 градусов по Цельсию. Антифриз позволяет предотвратить закипание и замерзание охлаждающей жидкости в двигателе. Остановка вентилятора, пробитый радиатор и, как следствие — утечка антифриза и прекращение циркуляции охлаждающей жидкости в двигателе ведет к быстрому перегреву и выходу двигателя из строя, что в свою очередь приводит к дорогостоящему капитальному ремонту.

Система охлаждения.

Распределитель зажигания управляет подачей заряда на свечи в определенный период времени в определенном порядке, обеспечивая последовательную работу цилиндров. В каждый момент времени срабатывает зажигание только в одном цилиндре. Свечи накаливания передают электрическую искру в цилиндры, поджигая воздушно-топливную смесь. Свеча состоит из внешнего и внутреннего электродов, разделенных керамическим изолятором. Искра возникает в нижней части свечи между двумя электродами. Стартер запускает двигатель, проворачивая маховик, что приводит в движение цилиндры. В это же время подается зажигание и начинается работа двигателя. Генератор конвертирует механическую энергию в электричество, заряжая аккумулятор и поддерживает электрические системы автомобиля в рабочем состоянии во время работы двигателя. Аккумулятор питает электрические системы автомобиля и служит для запуска двигателя. Выход из строя одного или нескольких компонентов системы электрообеспечения приводит к прекращению подачи электричества двигателю, что приводит к его остановке.

Система зажигания.

Выхлопной коллектор отводит отработанные газы от двигателя. Катализатор снижает выброс вредных веществ в отработанных газах. Глушитель гасит шум, производимы двигателем.

Выхлопная система.

Наружный ремень двигателя используется для управления и питания периферийного оборудования двигателя, такого как водяная помпа, генератор, система охлаждения и многого другого. Обрыв ремня чаще всего приводит к прекращению работы генератора, что приводит к обесточиванию автомобиля, поскольку аккумулятор перестает заряжаться во время работы двигателя.

Общая модель.

Рабочий цикл двухтактного двигателя.

В двухтактном двигателе рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. При этом от цикла четырёхтактного двигателя остаётся только сжатие и расширение. Впуск и выпуск заменяются продувкой цилиндра вблизи НМТ поршня, при которой свежая рабочая смесь вытесняет отработанные газы из цилиндра. Более подробно цикл двигателя устроен следующим образом: когда поршень идёт вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно, движущийся вверх поршень создаёт разрежение в кривошипной камере. Под действием этого разрежения открывается клапан впускного коллектора и свежая порция топливовоздушной смеси (как правило, с добавкой масла) засасывается в кривошипную камеру. При движении поршня вниз давление в кривошипной камере повышается и клапан закрывается. Поджиг, сгорание и расширение рабочей смеси происходят так же, как и в четырёхтактном двигателе. Однако, при движении поршня вниз, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (в смысле, поршень перестаёт перекрывать выпускное окно). Выхлопные газы (имеющие ещё большое давление) устремляются через это окно в выпускной коллектор. Через некоторое время поршень открывает также впускное окно, расположенное со стороны впускного коллектора. Свежая смесь, выталкиваемая из кривошипной камеры идущим вниз поршнем, попадает в рабочий объём цилиндра и окончательно вытесняет из него отработанные газы. При этом часть рабочей смеси может выбрасываться в выпускной коллектор. При движении поршня вверх часть свежей смеси вытолкнутой из выпускного коллектора засасывается назад в кривошипную камеру. Можно заметить, что двухтактный двигатель при том же объёме цилиндра, должен иметь почти в два раза большую мощность. Однако, полностью это преимущество не реализуется, из-за недостаточной эффективности продувки по сравнению с нормальным впуском и выпуском. Мощность двухтактного двигателя того же литража, что и четырёхтактный больше в 1,5 — 1,8 раза. Важное преимущество двухтактных двигателей — отсутствие громоздкой системы клапанов и распределительного вала.

Сгорание в дизельных двигателях

Сгорание в дизельных двигателях

Ханну Яаскеляйнен, Магди К. Хайр

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

  • Приготовление и смешивание дизельного топлива
  • Исследовательские двигатели для оптической диагностики

Abstract : В дизельных двигателях топливо впрыскивается в цилиндр двигателя ближе к концу такта сжатия. Во время фазы, известной как задержка воспламенения, топливная струя распыляется на мелкие капли, испаряется и смешивается с воздухом. По мере того, как поршень продолжает двигаться ближе к верхней мертвой точке, температура смеси достигает температуры воспламенения топлива, вызывая воспламенение некоторого количества предварительно перемешанного количества топлива и воздуха. Остаток топлива, не участвовавший в предварительном сгорании, расходуется на фазе сжигания с регулируемой скоростью.

  • Компоненты процесса сжигания
  • Скорость тепловыделения в двигателях с прямым впрыском
  • Три фазы сгорания дизельного топлива
  • Концептуальная модель сжигания дизельного топлива
  • Шум, создаваемый горением

Сгорание в дизельных двигателях очень сложное, и до 1990-х годов его подробные механизмы не были хорошо изучены. В течение десятилетий его сложность, казалось, не позволяла исследователям раскрыть его многочисленные секреты, несмотря на доступность современных инструментов, таких как высокоскоростная фотография, используемая в «прозрачных» двигателях, вычислительная мощность современных компьютеров и множество математических моделей, разработанных для имитации сгорания в дизельном топливе. двигатели. Применение лазерной визуализации к обычному процессу сгорания дизельного топлива в 1990-е годы стали ключом к значительному расширению понимания этого процесса.

В этой статье будет рассмотрена наиболее известная модель сгорания для обычного дизельного двигателя . Это «обычное» дизельное сгорание в первую очередь контролируется смешиванием с, возможно, сгоранием с предварительным смешиванием, которое может происходить из-за смешивания топлива и воздуха перед воспламенением. Это отличается от стратегий сжигания, которые пытаются значительно увеличить долю происходящего сжигания предварительно смешанного топлива, например, различные ароматы низкотемпературного сгорания.

Основной предпосылкой дизельного сгорания является его уникальный способ высвобождения химической энергии, содержащейся в топливе. Чтобы выполнить этот процесс, кислород должен быть доступен для топлива определенным образом, чтобы облегчить горение. Одним из наиболее важных аспектов этого процесса является смешивание топлива и воздуха, которое часто называют приготовлением смеси .

В дизельных двигателях топливо часто впрыскивается в цилиндр двигателя ближе к концу такта сжатия, всего за несколько градусов угла поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки 9. 0042 [391] . Жидкое топливо обычно впрыскивается с высокой скоростью в виде одной или нескольких струй через небольшие отверстия или форсунки в наконечнике форсунки. Он распыляется на мелкие капли и проникает в камеру сгорания. Распыленное топливо поглощает тепло окружающего нагретого сжатого воздуха, испаряется и смешивается с окружающим высокотемпературным воздухом высокого давления. По мере того, как поршень продолжает двигаться ближе к верхней мертвой точке (ВМТ), температура смеси (в основном воздуха) достигает температуры воспламенения топлива. Быстрое воспламенение некоторых предварительно смешанного топлива и воздуха происходит после периода задержки воспламенения. Это быстрое воспламенение считается началом сгорания (а также концом периода задержки воспламенения) и характеризуется резким повышением давления в цилиндре по мере того, как происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Повышенное давление, возникающее в результате сжигания предварительно смешанной смеси, сжимает и нагревает несгоревшую часть заряда и сокращает время задержки перед его воспламенением. Это также увеличивает скорость испарения оставшегося топлива. Распыление, испарение, смешение паров топлива с воздухом и горение продолжаются до тех пор, пока не сгорит все впрыскиваемое топливо.

Сгорание дизельного топлива характеризуется обедненным общим соотношением A/F. Самое низкое среднее отношение A/F часто наблюдается в условиях максимального крутящего момента. Чтобы избежать чрезмерного дымообразования, соотношение A/F при пиковом крутящем моменте обычно поддерживается на уровне выше 25:1, что значительно выше стехиометрического (химически правильного) отношения эквивалентности, равного примерно 14,4:1. В дизельных двигателях с турбонаддувом соотношение A/F на холостом ходу может превышать 160:1. Поэтому избыточный воздух, находящийся в цилиндре после сгорания топлива, продолжает смешиваться с горящими и уже сгоревшими газами на протяжении всего процесса сгорания и расширения. При открытии выпускного клапана избыток воздуха вместе с продуктами сгорания выбрасывается, что объясняет окислительный характер дизельного выхлопа. Хотя сгорание происходит после того, как испарившееся топливо смешивается с воздухом, образуя локально богатую, но горючую смесь, и достигается надлежащая температура воспламенения, общее соотношение воздух/топливо обеднено. Другими словами, большая часть воздуха, поступающего в цилиндр дизельного двигателя, сжимается и нагревается, но никогда не участвует в процессе сгорания. Кислород в избыточном воздухе помогает окислять газообразные углеводороды и окись углерода, уменьшая их концентрацию в выхлопных газах до чрезвычайно малых концентраций.

Следующие факторы играют основную роль в процессе сгорания дизельного топлива:

  • Модель инжектировала наддувочный воздух , его температуру и кинетическую энергию в нескольких измерениях.
  • Распыление впрыскиваемого топлива , проникающая способность, температура и химические характеристики.

Хотя эти два фактора являются наиболее важными, существуют и другие параметры, которые могут сильно на них влиять и, следовательно, играть второстепенную, но все же важную роль в процессе горения. Например:

  • Конструкция впускного отверстия , которая оказывает сильное влияние на движение наддувочного воздуха (особенно когда он входит в цилиндр) и, в конечном счете, на скорость смешивания в камере сгорания. Конструкция впускного отверстия также может влиять на температуру наддувочного воздуха. Это может быть достигнуто за счет передачи тепла от водяной рубашки к наддувочному воздуху через площадь поверхности впускного отверстия.
  • Впускной клапан размера , который регулирует общую массу воздуха, поступающего в цилиндр за конечное время.
  • Степень сжатия , которая влияет на испарение топлива и, следовательно, на скорость смешивания и качество сгорания.
  • Давление впрыска , которое определяет продолжительность впрыска для заданного размера отверстия сопла.
  • Геометрия отверстия сопла (длина/диаметр), которая контролирует проникновение струи, а также распыление.
  • Геометрия распыления , которая напрямую влияет на качество сгорания за счет использования воздуха. Например, больший угол конуса распыления может поместить топливо на верхнюю часть поршня и за пределы камеры сгорания в дизельных двигателях с прямым впрыском с открытой камерой сгорания. Это условие привело бы к чрезмерному дымлению (неполному сгоранию) из-за лишения топлива доступа к воздуху, находящемуся в камере сгорания (камере). Большие углы конуса также могут привести к распылению топлива на стенки цилиндра, а не внутрь камеры сгорания, где это требуется. Топливо, распыляемое на стенку цилиндра, в конечном итоге будет стекать в масляный картер, что сократит срок службы смазочного масла. Поскольку угол распыления является одной из переменных, влияющих на скорость смешивания воздуха с топливной струей вблизи выходного отверстия форсунки, он может оказывать значительное влияние на общий процесс сгорания.
  • Конфигурация клапана , который управляет положением форсунки. Двухклапанные системы заставляют форсунку располагаться под наклоном, что подразумевает неравномерное распыление, что приводит к ухудшению смешивания топлива и воздуха. С другой стороны, четырехклапанная конструкция допускает вертикальную установку форсунок, симметричное расположение топливных форсунок и равный доступ к доступному воздуху для каждой из топливных форсунок.
  • Верхнее положение поршневого кольца , которое контролирует мертвое пространство между верхней кромкой поршня (область между верхней канавкой поршневого кольца и верхней частью днища поршня) и гильзой цилиндра. Это мертвое пространство/объем задерживает воздух, который сжимается во время такта сжатия и расширяется, даже не участвуя в процессе сгорания.

Поэтому важно понимать, что система сгорания дизельного двигателя не ограничивается камерой сгорания, форсунками и их ближайшим окружением. Скорее, он включает в себя любую часть, компонент или систему, которые могут повлиять на конечный результат процесса сгорания.

###

Способ и устройство для воспламенения горючих смесей

ВВЕДЕНИЕ

Изобретение относится к способу и устройству для воспламенения горючих смесей, а именно к таким способам и устройствам, которые включают предварительное молекулярное модифицирование компонентов горения.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Текучие углеводородные топлива и газообразный кислород получили практически универсальное применение в качестве компонентов горения в тепловых двигателях и различных газовых приборах (сушилки для белья, печи, водонагреватели, духовки/плиты и т.п.). В таких приложениях компоненты горения (которые в общем определяются как топливо и окислитель) объединяются в текущую смесь, которая воспламеняется с помощью механизма, который передает энергию электрического искрового разряда, тепловую энергию от излучающего тела, химическую энергию. каталитической реакции или повышением температуры и давления одного или обоих компонентов. Наиболее часто используемыми видами топлива являются бензин, мазут, метан, пропан, этан и бутан. Эти виды топлива объединяются с окислителем (чаще всего это газообразный кислород, находящийся в воздухе) для поддержания экзотермической реакции после воздействия механизма воспламенения, который инициирует такую ​​экзотермическую реакцию.

Из различных используемых типов воспламенителей широкое распространение получил электроискровой тип. Системы зажигания со свечами зажигания используются почти исключительно в двигателях внутреннего сгорания. Кроме того, приборы бытового типа часто модернизируются, чтобы заменить искровые воспламенители системами, в которых в качестве меры энергосбережения используется постоянно горящая контрольная лампа.

Хотя искровое зажигание углеводородного топлива является обычной практикой, имеющиеся в продаже устройства имеют ряд характерных недостатков, значимость которых зависит от области применения. Любая электрическая искра, возникающая через воздушный зазор, требует относительно высокого уровня мощности (произведение напряжения и тока), что может представлять опасность поражения электрическим током, а также риск непреднамеренного возгорания при использовании вблизи летучих видов топлива. Кроме того, искровые устройства имеют тенденцию излучать электромагнитную энергию на высоких частотах и ​​сокращать срок службы из-за миграции металла между электродами. Поддержание размеров искрового промежутка часто имеет решающее значение для работы устройств предшествующего уровня техники, что требует относительно частых осмотров и/или обслуживания.

Дополнительный недостаток искровых запальников заключается в том, что искра, возникшая между двумя электродами, является очень локализованным явлением. Например, когда для детонации смеси топлива и окислителя в камере сгорания используется искра, фронт пламени горящей смеси должен распространяться наружу от локализованной искры, охватывая всю камеру. В некоторых применениях это время распространения может быть относительно большим и приводить к неполному сгоранию и неэффективной работе соответствующего устройства. В некоторых других применениях, особенно когда количество топлива в смеси меньше стеикометрического, фронт пламени, возникающий из-за локализованной искры, может погаснуть, т. е. фронт пламени может перестать распространяться, и горение может прекратиться преждевременно.

Из прочтения описания становится очевидным, что настоящее изобретение может быть выгодно использовано во многих различных применениях, требующих сжигания углеводородного топлива и окислителей. Однако изобретение особенно полезно при использовании с бытовыми приборами. Соответственно, предпочтительный вариант осуществления изобретения будет описан в этой среде. Кроме того, настоящее изобретение также полезно при применении с двигателями внутреннего сгорания, и в связи с ним будут описаны два альтернативных варианта осуществления изобретения.

Концепция и особенности работы устройств коронного разряда в целом хорошо известны в других областях, таких как лазеры, датчики пламени и детекторы дыма. Широко используемое коммерческое применение коронных разрядных трубок — счетчики Гейгера.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает чрезвычайно простой, недорогой и конструктивно надежный воспламенитель смесей компонентов горения, а именно топлива и окислителей. Предлагаемый способ воспламенения таких смесей компонентов горения включает этапы создания зоны коронного разряда путем приложения электрического потенциала не менее чем к двум электродам и направления рабочего тела, содержащего хотя бы один из компонентов горения, через зону коронного разряда. для создания молекулярных радикалов, которые объединяются с молекулярными радикалами из других компонентов, чтобы инициировать горение. Этот метод обеспечивает надежное воспламенение смесей топлива и окислителя при очень низких уровнях электрической мощности.

Запальное устройство по изобретению содержит первый и второй разнесенные электроды, к которым приложен потенциал напряжения для создания области интенсивного электрического поля, средство для получения рабочей жидкости, состоящей из одного или обоих компонентов горения, и для воздействия на рабочую жидкость область интенсивного электрического поля для генерации из нее молекулярных радикалов, тем самым устанавливая электрический ток между электродами. Устройство дополнительно содержит средства для объединения радикалов с молекулярными радикалами из других компонентов для инициирования горения, а также средства, обеспечивающие поддержание результирующего характеристического соотношения напряжения, потенциала и тока в рабочей области коронного разряда. Эта компоновка обеспечивает преимущество воспламенителя с чрезвычайно малой мощностью, который можно использовать во множестве применений, где рабочей жидкостью является только топливо, только окислитель или их предварительно смешанная комбинация.

В соответствии с другим аспектом изобретения предусмотрены средства для электрического отключения источника напряжения от электродов после начала горения. Эта компоновка обеспечивает преимущество дополнительной экономии энергии, поскольку воспламенитель получает питание только во время фактического процесса воспламенения и обесточивается во время самоподдерживающегося горения.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения электроды содержат удлиненную металлическую проволоку, концентрически расположенную внутри металлической трубки для создания распределенного электрического поля. Такое расположение обеспечивает простую прочную конструкцию электродов воспламенителя.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения цилиндрический электрод используется в качестве канала для одного из компонентов горения. Эта компоновка обеспечивает преимущество воспламенителя, который может быть выполнен как единое целое с системой подачи топлива, а не как приложение к ней.

Эти и другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после прочтения следующего описания, в котором наряду с патентными чертежами подробно описывается и раскрывается предпочтительный вариант осуществления, а также два альтернативных варианта осуществления изобретения.

Подробное описание конкретных вариантов осуществления ссылается на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

РИС. 1 представляет собой схематическое изображение предпочтительного варианта осуществления изобретения применительно к типичному бытовому газовому прибору;

РИС. 2 представляет собой графическое представление типичных вольт-амперных характеристик в трубке коронного разряда, имеющей две альтернативные геометрические конфигурации и конфигурации рабочего тела;

РИС. 3 — графическое представление контуров надежного зажигания по расстоянию и угловому смещению электродов воспламенителя от газового коллектора фиг. 1;

РИС. 4 иллюстрирует вид в разрезе типичного цилиндра и головки двигателя внутреннего сгорания, включающего первый альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения; и

РИС. 5 показан вид в разрезе головки двигателя внутреннего сгорания, включающей в себя второй альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 предпочтительные варианты осуществления предлагаемого воспламенителя, в целом обозначенного позицией 10, проиллюстрированы применительно к коллектору 12 типичного бытового прибора. ИНЖИР. 1 проиллюстрирован схематично, чтобы исключить ненужные детали, не относящиеся к настоящему изобретению.

Воспламенитель 10 включает первый цилиндрический электрод 14, изготовленный из электропроводящего металла, такого как алюминий, нержавеющая сталь или другой подходящий материал. Второй электрод 16 образован из удлиненной проводящей проволоки и расположен концентрически внутри электрода 14. Электрод 16 проходит коаксиально, по существу, по всей длине электрода 14. Электрод 16 полностью зависит от опорной детали 18, которая сформирована под прямым углом к ​​нему и проходит радиально. снаружи от электрода 14 через изолирующую втулку 20. Источник питания 22 электрически подключен непосредственно к электроду 14 и соединен с электродом 16 через переключатель 24 и опорную деталь 18. потенциал напряжения на электродах 14 и 16. Переключателем 24 можно управлять вручную, чтобы электрически отключить источник питания 22 от электрода 16. Заявитель экспериментально определил, что уровень напряжения приблизительно 10 кВ желателен в варианте осуществления, показанном на фиг. 1, что приведет к потреблению энергии приблизительно в 1 ватт по сравнению с десятками или сотнями ватт в устройствах предшествующего уровня техники для аналогичных приложений.

Коллектор 12 предназначен для иллюстрации тех, которые обычно используются в бытовых приборах, таких как сушилки для белья, печи, водонагреватели, духовки и плиты, в которых используется углеводородное топливо, обычно класса алканов (метан — CH 4 , пропан- -C 3 H 8 , этан—C 2 H 6 , бутан—C 4 H 10 и т. д.), вводится в них из резервуара или источника, такого как топливо под давлением бутылка 26 или через подземные распределительные сети. Для целей иллюстративного предпочтительного варианта осуществления на фиг. 1 показан топливный баллон 26 с обычным узлом клапана и регулятора 28, соединенный с коллектором 12 через трубу 30, имеющую соответствующие фитинги 32 на каждом ее конце.

Коллектор 12 имеет U-образную форму (показана только половина), имеет круглое поперечное сечение и изготовлен из литого или волоченного металла. Коллектор 12 имеет множество разнесенных по окружности противоположных пар отверстий 34, причем отверстия 34а и 34b составляют одну пару. Отверстия 34 расположены практически по всей протяженности коллектора 12, за исключением одного конца, обозначенного 12а, который связан с фитингом 32, через который топливо поступает в коллектор 12. Рядом с концом 12а коллектор 12. Когда топливо под давлением подается в коллектор 12 из баллона 26, оно проходит через штуцер 32 и течет через него мимо отверстий 36. Этот поток топлива создаст локализованную область низкого давления и втянет воздух, обозначенный стрелками 38, в коллектор 12 через отверстия 36. Затем топливо и воздух 38 смешиваются внутри коллектора 12 и распределяются по нему, в конечном итоге сливаясь наружу через отверстия 34 по всей протяженности коллектора 12. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, атмосфера является источником воздуха, поступающего в отверстия 36. Однако предполагается, что воздух может предварительно смешиваться с топливом внутри баллона 26 или иметь другие источники.

Порт 34а в силу его близости к воспламенителю 10 обозначен как порт воспламенения, то есть газ, выходящий из порта 34а, воспламеняется первым в процессе воспламенения. Отверстия 34 открываются в атмосферу горизонтально из коллектора 12. Свободный конец электрода 16 заканчивается примерно заподлицо с одним из открытых концов (крайним правым концом, как показано на фиг. 1) электрода 14. Электроды 14 и 16 выровнены так, чтобы их общая ось пересекает ось коллектора 12 в точке, поперечно совпадающей с осью порта 34а, но смещенной от нее на угол θ. Конец электродов 14 и 16, ближайший к коллектору 12, смещен от него на расстояние D. В приложениях, использующих природный газ и воздух, заявитель обнаружил, что минимальный внутренний диаметр электрода 14 должен составлять 3/8 дюйма. Диаметр внутреннего электрода 16 должен быть как можно меньше (чтобы помочь минимизировать требуемый уровень напряжения) при сохранении необходимой структурной целостности. Длина электродов 14 и 16 должна быть достаточной только для адекватного воздействия электрического поля на рабочую жидкость, чтобы образовалось достаточное количество радикалов для последующего инициирования горения.

Для целей настоящего описания рабочая жидкость определяется как жидкость или газ, в котором находятся электроды 14 и 16. В частности, это жидкость, которая заполняет объем, расположенный между электродами 14 и 16. Когда переключатель 24 замкнут, источник питания 22 подает напряжение на электроды 14 и 16. В данном примере перед тем, как клапан 28 топливного баллона 26 повернется при этом рабочим телом воспламенителя 10 является только воздух. Когда к электродам 14 и 16 приложено напряжение, вокруг электрода 16 будет генерироваться область интенсивного электрического поля, которое будет стремиться генерировать свободные электроны и молекулярные радикалы из кислорода, такие как те, что указаны в следующих уравнениях. О 2 ➝20 О 2 ➝20 + +2e — O 2 ➝O+O + +e — (1)

и 16, и в зависимости от их полярности высвобожденные свободные электроны и ионы кислорода будут мигрировать в противоположных направлениях к электродам 14 и 16, тем самым устанавливая протекание тока. Можно использовать источник переменного или постоянного тока. При использовании источника постоянного тока электрод 16 должен быть положительным. Отрицательная корона на электроде 16 оказалась пятнистой или менее однородной.

Ссылаясь на фиг. 2 показанная конфигурация электродов и состав рабочей жидкости приводят к характерному соотношению между потенциалом напряжения на электродах и током, протекающим между ними, как обозначено «Конфигурация А». Характеристическая кривая, относящаяся к конфигурации А, будет иметь характеристический перегиб 40, который отличает область коронного разряда для уровней тока ниже нее от области искрового разряда для уровней тока выше нее. Если уровень напряжения источника питания превысит уровень, обнаруженный на характерном изломе кривой, коронный разряд прекратится и между электродами 14 и 16 возникнет локальная дуга, что приведет к резкому увеличению протекающего тока. Чтобы гарантировать, что воспламенитель 10 работает в области коронного разряда, предусмотрены средства для поддержания уровней напряжения и тока ниже колена 40. Этого можно добиться с помощью переменного резистора 42 в источнике питания 22, который предотвращает превышение протекающим от него током значение найдено на колене 40.

Когда воспламенитель 10 поддерживается в зоне действия коронного разряда, коронный разряд, а также область интенсивного электрического поля распределяются по объему, определяемому электродом 14, и будут иметь тенденцию генерировать радикалы из свободного кислорода, содержащегося в воздухе .

Для целей настоящей заявки предполагается, что топливный баллон 26 содержит газообразный метан (СН 4 ), который смешивается с воздухом 38 в коллекторе 12 и выходит первоначально из отверстий 34а и 34b в виде восходящего шлейфа, обычно обозначаемого пунктирными линиями 44. Электроды 14 и 16 расположены относительно коллектора 12 таким образом, что их концы будут погружены в шлейф 44, когда газ и воздух 38 выходят из отверстия 34а, среди прочего. При установлении коронного разряда в воздухе молекулы метана будут стремиться подняться вверх и в полость, образованную электродом 14. Затем эти молекулы войдут в состав рабочего тела и, проходя через область напряженного электрического поля, превратятся в радикалы , пример такого преобразования указан в следующем уравнении. Ч. 4 ➝CH 3 +H (2)

В это время присутствуют радикалы обоих компонентов горения, то есть топлива (метан) и окислителя (кислород), которые инициируют горение. Смесь метана и воздуха, поступающая в нижний (самый правый) конец электрода 14, будет вытеснять первоначально содержащийся в ней воздух из верхнего (крайнего левого) конца электрода 14. В результате горения из стабильного кислорода высвобождается больше радикалов и Молекулы метана выходят из отверстия 34а, образуя переднюю часть рамы, обозначенную позицией 46. Поскольку шлейф 44 примыкает по всей протяженности коллектора 12 к соседним отверстиям 34, фронт пламени 46 будет распространяться последовательно вдоль него до тех пор, пока не появятся дополнительные фронты пламени 48 из каждого из отверстий 34 и горелки. функция коллектора 12 полностью работоспособна. В этот момент переключатель 24 может быть разомкнут, чтобы обесточить воспламенитель 10. Из-за дымоходного эффекта фронтов пламени 46 и 48 предполагается шлейф меньшего профиля, обозначенный пунктирными линиями 45. Электроды 14 и 16 расположены так, чтобы быть на расстоянии от шлейфа 45, и поэтому они не будут подвергаться длительному воздействию повышенных температур, что продлевает срок службы электродов 14 и 16.

Если характер рабочей жидкости или геометрическая конфигурация электродов 14 и 16 изменяются, результирующая характеристическая зависимость напряжения, потенциала и тока будет изменяться, как обозначено «Конфигурация B» на фиг. 2. Новая характеристика будет иметь другое колено, обозначенное 40′, но сохранит, по существу, ту же форму, что и характеристика, связанная с конфигурацией А. Следовательно, переменный резистор 42 должен быть отрегулирован для компенсации сдвигов или изменений в вольтамперной характеристике. В настоящем варианте осуществления это проиллюстрировано как ручная регулировка, но предполагается, что может быть использовано более сложное автоматическое компенсирующее устройство.

Ссылаясь на фиг. 3 представлены типичные эмпирически полученные данные относительно расстояния D и угла смещения θ для конкретного устройства, используемого заявителем. Данные предназначены только для примера и не должны рассматриваться как ограничивающие, поскольку разные геометрические конфигурации будут давать разные оптимальные расстояния и углы.

Показанная конструкция электродов 14 и 16 имеет ряд особых преимуществ. В дополнение к тому, что он недорог и относительно прост в изготовлении, внешний электрод 14 служит для защиты внутреннего электрода 16 и может иметь относительно толстое сечение для защиты его от внешних воздействий. Как будет показано ниже, цилиндрический электрод 14 можно также использовать в качестве канала для одного или обоих компонентов горения.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения представляет собой способ инициирования горения, в котором окисляющим агентом (воздухом) является рабочая жидкость. Затем топливо вводят после того, как установится состояние коронного разряда. Напротив, первый альтернативный вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 4 иллюстрирует пример, когда горючим является рабочая жидкость, которая затем смешивается с кислородными радикалами. ИНЖИР. 5 иллюстрирует еще одно применение, в котором предварительно смешанные топливо и воздух являются рабочей жидкостью с последующим установлением коронного разряда.

Ссылаясь на фиг. 4 показан частичный вид поперечного сечения обычного двигателя 50 внутреннего сгорания, работающего на обедненной смеси, который содержит обычный блок 52, определяющий стенку 54 цилиндра, внутри которой расположен поршень 56 с возвратно-поступательным перемещением. Верх стенки 54 цилиндра закрыт впускным коллектором 58, который образует камеру 60 сгорания в сочетании с верхней поверхностью поршня 56 и частью блока 52, определяющей стенку 54 цилиндра. Впускное отверстие 62 сообщается с камерой 60 сгорания через обычный впускной клапан 64. Стандартный порт выпускного клапана (не показан) предусмотрен и функционирует, как хорошо известно в данной области техники. Нагреватель 58 также определяет впускное отверстие 66 для топлива, которое получает газообразное топливо под давлением, такое как пропан (C 3 H 8 ) из резервуара или контейнера через впускной топливопровод 68 и подходящий штуцер 70. Конец впускного отверстия 66 напротив штуцера 70 сообщается с камерой сгорания 66 через впускной топливный клапан 72, который приводится в действие кулачковый или аналогичный механизм (не показан), как у обычных впускных и выпускных клапанов.

Впускное отверстие 66 имеет участок увеличенного диаметра, внутри которого расположен цилиндрический изолятор 74, который сам имеет участок увеличенного внутреннего диаметра, внутри которого плотно зацеплен цилиндрический электрод 76. отверстие 78, в противном случае соединяющее входное отверстие 66 для топлива и атмосферу. Электрический вывод 80 электрически соединен с электродом 76 и отформован внутри изолятора 74, когда он проходит наружу через его часть 74А. Второй электрод 82 расположен концентрически внутри электрода 76. Электрод 82 поддерживается в показанном положении опорной клеммой 84, которая выполнена за одно целое с концом электрода 82, ближайшим к фитингу 70, и проходит наружу через часть 74А изолятора 74. Электрод 82 проходит по всей длине электрода 76 и граничит с ним в осевом направлении. Таким образом, электроды 76 и 82 смонтированы внутри головки 58 с изоляцией и доступны для внешнего электрического доступа через клеммы 80 и 84.

Предполагается, что электроды 76 и 82 при применении будут подсоединены к источнику питания, такому как описано со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления изобретения на фиг. 1.

Когда электрический потенциал прикладывается к электродам 76 и 82, когда газообразное топливо вводится во входное отверстие 66 для топлива, образуются радикалы топлива. В соответствующий момент во время каждого цикла работы двигателя 50 клапан 72 открывается, позволяя топливу и радикалам поступать в камеру сгорания 60, смешиваясь с молекулами кислорода, поступающими через впускное отверстие 62 для воздуха. Затем радикалы топлива объединяются с радикалами кислорода, которые либо происходят естественным образом, либо в результате увеличения уровня энергии кислорода из-за остаточного тепла в камере сгорания или в результате столкновений с радикалами топлива с относительно высокой энергией. Конечным результатом комбинации будет воспламенение.

Ссылаясь на фиг. 5 показан второй альтернативный вариант осуществления изобретения, также относящийся к двигателю внутреннего сгорания. ИНЖИР. 5 показан «вид с глазком на поршень» вышележащей головки 86 цилиндра, включая обычные впускной и выпускной клапаны 88 и 90 соответственно. Тонкая электропроводящая проволока 92 с изоляцией крепится к части головки 86, определяющей верхнюю часть камеры сгорания, и распределяется вокруг нее по изолирующим гребням 94, изготовленным из термостойких электроизоляционных материалов, таких как оксид алюминия или диоксид кремния. Провод 92 предпочтительно представляет собой высокотемпературный сплав, такой как Inconal, и является как можно более тонким, но при этом обладает способностью выдерживать воздействие окружающей среды в камере сгорания. Пробка из изоляционного материала 96 изолирует провод 92 от головки 86, обеспечивая при этом внешний доступ к нему без потери сжатия внутри камеры сгорания.

При применении альтернативный вариант осуществления, показанный на фиг. 5 будет иметь источник питания, подключенный для подачи напряжения между проводом 92 и головкой 86, которая изготовлена ​​из стали или другого электропроводящего материала. Провод 92 проложен так, что расстояние от ближайшего примыкания к головке 86 является относительно равномерным. Фактически проволока 92 содержит один электрод, а головка 86 содержит второй электрод. Когда к ней прикладывается электрический потенциал, вокруг провода 92 образуется область интенсивного электрического поля. Конечным результатом будет коронный разряд между проводом 92 и головкой 86, который распределяется относительно равномерно по всей верхней поверхности камеры сгорания, что приведет к в относительно равномерном или распределенном сгорании по всей камере, а не в точечном зажигании, характерном для обычных систем зажигания свечного типа.

Какие способы поджигания горючей смеси используют в двигателях: Какие способы поджигания горючей смеси используют в двигателях внутреннего сгорания?