Пристрій для запалення пальних сумішей

1 . Пристрій для запалювання пальних сумішей, що місти ть джерело вхідно ї напр уги і конденсатор , підключений до е лектроді в паралельно іскровому проміжку, який від різняється тим, що обкладки конденсатора виконані у вигляді обмоток підвищувального трансформатора, кожна з яких являє собою стрічкоподібний провідник, що розширюється у бік розташування іскрового проміжку, при цьому провідники намотані навколо спільної осі, розташовані коаксіально, розділені ізолятором та магнітно сполучені один з одним так, що зовнішній з них утворює первинну обмотку, причому з одного кінця такі обмотки об'єднані, а з другого їхнього кінця вивід вторинної обмотки підключений до центрального електрода іскрового проміжку. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що зазначені обмотки розміщені у запальній свічці, при цьому магнітне сполучення між обмотками забезпечується сердечником, розташованим всередині обмоток співвісно з ними, при цьому об'єднаний кінець обмоток з одного боку цього сердечника підключений до джерела вхідної напруги, а з другого його боку вивід первинної обмотки підключений до бічного електрода цього проміжку. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що магнітне сполучення між обмотками забезпечується порожнистим сердечником, розташованим всередині обмоток співвісно з ними і виконаним у вигляді рознімання запальної свічки, при цьому об'єднаний кінець обмоток з боку розташування іскрового проміжку електрично сполучений із бічним електродом цього проміжку, а з іншого їхнього кінця вивід первинної обмотки підключений до джерела вхідної напруги. 4. Пристрій за п. 3, який відрізняється тим, що електричний зв'язок об'єднаного кінця обмоток з бічним електродом іскрового проміжку здійснений за допомогою механічного затискача, який охоплює корпус запальної свічки. 5. Пристрій за п. 3, який відрізняється тим, що електричний зв'язок вторинної обмотки з центральним електродом іскрового проміжку здійснений за допомогою механічного затискача, який охоплює вхідний контакт запальної свічки. 6. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що магнітний зв'язок між обмотками забезпечується гнучким сердечником подовженої форми, розташованим всередині обмоток співвісно з ними, при цьому об'єднаний кінець обмоток підключений до джерела вхідної напруги, а з іншого їхнього кінця, виконаного у вигляді рознімання запальної свічки, вивід первинної обмотки електрично сполучений з бічним електродом цього проміжку. 7. Пристрій за п. 6, який відрізняється тим, що середня частина коаксіально розташованих сердечника та обмоток, розділених ізолятором, виконана у вигляді кабелю. 8. Пристрій за п. 6 або 7, який відрізняється тим, що електричний зв'язок обмоток з електродами іскрового проміжку здійснено кожний за допомогою механічного затискача, що охоплює відповідну ділянку запальної свічки. 9. Пристрій за будь-яким з попередніх пунктів від п. 1 до п. 8, який відрізняється тим, що на зовнішню поверхню обмоток нанесене ізолююче покриття. (19) (21) 98126874 (22) 25.12.1998 (24) 15.06.2001 (46) 15.06.2001, Бюл. № 5, 2001 р. (72) Отто Костянтин Валентинович, Ємельянов Володимир Васильович (73) НАУКОВО-ВИРОБНИЧЕ ТОВАРИСТВО З ОБМЕЖЕНОЮ ВІДПОВІДАЛЬНІСТЮ З ІНОЗЕМНИМИ ІНВЕСТИЦІЯМИ "ДОНІКС" (56) Патент ФРН № 28 10 159. C2 (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЗАП АЛЕННЯ П АЛЬНИХ СУМІШЕЙ 39232 У цих пристроях ви никає проблема передачі паливу енергії іскри протягом найкоротшо го відрізка часу для забезпечення максимально потужного розряду, а отже, і можливо більш високої початкової температури запалення та, як наслідок, більш високої швидкості горіння. Це пояснюється тим, що хвильовий опір джерела високої напруги, який визначається великим індуктивним опором котушки запалювання, активним та індуктивним опором високовольтних дротів, на ви соких частотах зумовлює повільну передачу енергії іскри іскровому проміжку. Так, ві домі пристрої, описані, наприклад, у викладеній заявці DE-OS-23 63 804, велику частину своєї енергії віддають не у фазі пробою, а у фазі дуги, що йде за фазою пробою після запалення палива та переміщення фронту по лум'я у напрямку стінок камери згоряння. З цього часу енергія іскри цілком витрачається на розігрів електродів іскрового проміжку та продуктів горіння палива. Ці пристрої фактично виробляють дугове полум'я, яке інтенсивно руйнує електроди іскрового проміжку. Відомі також пристрої для запалення пальних сумішей, що забезпечують підведення енергії розряду в основному у фа зі пробою. Це досягається за рахунок підключення ємності паралельно іскровому проміжку. Електрична схема, що містить у тому числі й конденсатор, підключений до іскрового проміжку, описана, наприклад, у Ф.Фрюнгеля "Импульсная техника. Генерирование и применение разрядов конденсаторов". Л.-М., "Энергия", 1965 р., 488 с. Така конструкція в деякій мірі відповідає вимогам, які висуваються до НВЧ ланцюгів, а саме - забезпечує мінімальний паразитний опір в ланцюзі розряду конденсатора через іскровий проміжок запальної свічки, але як і раніше потребує передачі високої напруги котушки запалювання через високовольтні дроти, розподільник, електричні контакти до запальних сві чок. Крім того, відомо пристрій для запалення пальних сумішей, що містить джерело вхідної напруги і конденсатор, підключений до електродів паралельно іскровому проміжку, при цьому обкладками конденсатора є центральний і частина бічного електрода, які переходять в іскровий проміжок (див., наприклад, DE 28 10 159). Пристрій цього типу найбільш близький до того, що заявляється, і визнаний за прототип, забезпечує прискорене вивільнення енергії в початковій фазі іскри при незначній енергетичній складовій дугової фа зи. Такі пристрої розвивають більш високу температуру і менш інтенсивно руйнують електроди порівняно з традиційними, хоча як і раніше залишається невирішеною проблема передачі високої напруги, що виробляється поза пристроєм запалення пальної суміші. Передача високої напруги веде за собою необхідність у додаткових елементах обладнання, таких як котушка запалювання, високовольтні дроти, рознімання-наконечники свічок. Велика кількість високовольтного обладнання робить неминучою наявність високовольтних контактних з'єднань (а їх не менше 10 у 4-х циліндровому двигуні) та елементів їхньої ізоляції. Кожне контактне з'єднання є потенційним джерелом енерге тичних втрат на нагрівання електродів контакту і на тліючий розряд через вологу повітря (часто спостерігається у вигляді ореола, що сві титься у темний час доби). В свою чергу, кожна додаткова одиниця обладнання знижує надійність і збільшує вар тість - як пристрою запалення, так і двигуна в цілому. Крім того, довгі (500...1000 мм) високовольтні дроти є випромінювальними анте нами, які збільшують втрати енергії і створюють радіоперешкоди в широкому діапазоні частот. В основу ви находу покладено завдання створити такий пристрій для запалення пальних сумішей, у якому завдяки тому, що обкладки конденсатора, які переходять в електроди іскрового проміжку, одночасно є й обмотками підвищувального трансфор матора, вдалося досягти конструктивного суміщення трансформатора, високовольтних дротів і конденсатора з електродами іскрового проміжку і за рахунок цього мінімально знизити втрати та максимально збільшити потужність розряду. Поставлене завдання вирішене тим, що в пристрої для запалення пальних сумішей, який містить джерело вхідної напруги і конденсатор, підключений до електродів паралельно іскровому проміжку, згідно з винаходом обкладки конденсатора виконані у вигляді обмоток підвищувального трансфор матора, кожна з яких являє собою стрічкоподібний провідник, що розширюється у бік розташування іскрового проміжку, при цьому провідники намотані навколо спільної осі, розташовані коаксіально, розділені ізолятором та магнітно сполуче ні один з одним так, що зовнішній з них утворює первинну обмотку, причому з одного кінця такі обмотки об'єднані, а другого кінця вивід вто ринної обмотки підключений до центрального електрода іскрового проміжку. Таке виконання пристрою, що заявляється, забезпечує те, що на іскровий проміжок розряджається ємність з мінімальним активним та індуктивним опором. Це досягається за рахунок використання з'єднувальних дротів у вигляді стрічкоподібних провідників, розділених ізолятором і які є по суті продовженням ємності. З іншо го боку, запропонований пристрій дозволяє одночасно з цим одержати необхідний коефіцієнт трансформації і певну індуктивність обмоток за рахунок того, що стрічкоподібні провідники, намотані навколо спільної осі (наприклад, сердечника з фериту) і розташовані коаксіально, виконані такими, що розширюються у бік розміщен ня іскрового проміжку, тобто у пристрої досягається пропорційне збільшення ширини витків обмоток і зберігається по суті незмінним коефіцієнт трансформації. В результаті запропоноване суміщення в одному конструктивному елементі функцій конденсатора, підвищувального трансформатора і високовольтних дротів дозволить: • відмовити ся від таких традиційних елементів електрообладнання двигунів вн утрішнього згоряння (ДВЗ), як котушка запалювання, високовольтний розподільник, високовольтні дроти, високовольтні рознімні з'єднання, контакти та елементи їхн ьої ізоляції, то му що є відсутн ьою необхідність у передачі енергії високої напруги; •• виключити втрати енергії високої напруги, тому що забезпечено максимальне наближення джерела високої напруги до іскрового проміжку, енергія повністю передається пальній суміші, підвищуючи температуру, швидкість і скорочуючи тривалість горіння, що збільшує силу тиску в ци 2 39232 ліндрі, який будучи переданим поршню, збільшує обертальний момент та потужність двигуна; ••• знизити рівень радіоперешкод. В одному з більш прийнятних варіантів здійснення даного винаходу обмотки можуть бути розміщені у запальній свічці, при цьому магнітний зв'язок між обмотками забезпечується сердечником, розта шованим всередині обмоток співвісно з ними, об'єднаний кінець обмоток з одного боку цього сердечника підключений до джерела вхідної напруги, а з др угого його боку ви від первинної обмотки підключений до бічного електрода цього проміжку. Таке здійснення даного винаходу дозволяє з урахуванням специфі ки конструкції самої запальної свічки реалізувати в ній усі зазначені вище переваги. Магнітний зв'язок між обмотками згідно з ще одним більш прийнятним варіантом забезпечується порожнистим сердечником, розта шованим всередині обмоток співвісно з ними і виконаним у вигляді рознімання запальної свічки, при цьому об'єднаний кінець обмоток електрично сполуче ний з бічним електродом іскрового проміжку, а з іншого їхн ього кінця вивід первинної обмотки підключений до джерела вхідної напруги. При цьому електричний зв'язок об'єднаного кінця обмоток з бічним електродом іскрового проміжку може бути здійснений за допомогою механічного затискача, що о хоплює корпус вставленої запальної свічки, а електричний зв'язок вторинної обмотки з центральним електродом іскрового проміжку може бути здійснений також за допомогою механічного затискача, який охоплює вхідний контакт цієї запальної свічки. У цих варіанта х ви конання забезпечується додаткова перевага даного винаходу, яка полягає у тому, що застосуван ня пристрою, який заявляється, стає можливим у поєднанні із запальними свічками, що ви пускаються серійно. Ще одним важливим аспектом даного винаходу є те, що магнітний зв'язок між обмотками доцільно забезпечува ти гнучким сердечником подовженої форми, розташова ним всередині обмоток співвісно з ними, при цьому об'єднаний кінець обмоток може бути підключений до джерела вхідної напруги, а з їхнього другого кінця, виконаного у вигляді рознімання запальної свічки, вивід первинної обмотки електрично сполучений з бічним електродом цього проміжку. У цьому варіанті більш прийнятного ви конання середня части на коаксіально розташованих сердечника та обмоток, розділених ізолятором, може бути виконана у вигляді кабелю, а електричний зв'язок обмоток з електродами іскрового проміжку здійснений кожен за допомогою механічного затискача, що охоплює відповідну ділянку запальної свічки. За рахунок цього забезпечується зручність експлуа тації таких пристроїв, особливо у важкодоступ них місцях. На додаток до зазначеного, підвищенню надійності та електробезпечності даного пристрою може сприяти нанесення на зовнішню поверхню обмоток ізолюючого покриття. Далі сутність винаходу пояснюється докладним описом конкретних прикладів його здійснення з посиланнями на креслення, що додаються, на яких: фіг. 1 подає фрагмент обмоток підвищувального трансформатора пристрою відповідно до винаходу, які у міру наближення до іскрового проміжку переходять в обкладки конденсатора; фіг. 2 - поперечний перетин одного з варіантів ви конання пристрою відповідно до винаходу у вигляді запальної свічки; фіг. 3 - поперечний перетин іншого ва ріанта виконання пристрою відповідно до винаходу у вигляді рознімання зі вставленою запальною свічкою, що ви пускається серійно; фіг. 4 - загальний вигляд ще одного варіанта виконання пристрою відповідно до винаходу у вигляді коаксіального кабелю; фіг. 5 - по перечний перетин кінцевої ділянки пристрою відповідно до винаходу, показаного на фіг. 4, у збільше ному масштабі, виконаної у вигляді рознімання зі вставленою запальною свічкою, що ви пускається серійно; фіг. 6 - поперечний перетин іншої кінцевої ділянки пристрою відповідно до винаходу, показаного на фіг. 4, у збільше ному масштабі, призначеної для підключення до джерела вхідної напруги; фіг. 7 - поперечний перетин середньої ділянки пристрою відповідно до винаходу, показаного на фіг. 4, у збільше ному масштабі; фіг. 8 - часові залежності струмів і напруг на вхо ді та ви ході пристрою відповідно до винахо ду. У пристрої, що па тентуєть ся, для запалення пальних сумішей пропонується обкладки конденсатора виконувати, як це показано на фіг.1, у вигляді обмоток 1 і 2 підвищувального трансформатора, кожна з яких являє собою стрічкоподібний провідник, що розширюється у бік розташування іскрового проміжку (на фіг. 1 не показаний). При цьому провідники намотані навколо спільної осі, розташовані коаксіально та магнітно сполуче ні один з одним так, що зовнішній із них утворює первинну обмотку 1. З одного кінця 1, наприклад, верхнього, як це показано на фіг.1, ви води таких обмоток 1 і 2 об'єднані зокрема так, як це проілюстровано на фіг. 1, а з другого їхн ього кінця вивід 4 вто ринної обмотки 2 підключений до центрального електрода іскрового проміжку. В одному з більш прийнятних варіантів здійснення таку конструкцію з використанням відомих технологій можна одержати у пристрої для запалення пальних сумішей, який являє собою власне запальну свічку (фіг. 2). Магнітний зв'язок між обмотками 1 і 2 у цьому варіанті виконання забезпечений сердечником 5 (наприклад, з фериту), розташованим всередині обмоток 1, 2 співвісно з ними. Об'єднаний кінець З обмоток 1 і 2 з одного кінця сердечника 5 через вхідний контакт 6 підключений до джерела вхідної напруги (на фігура х не показано). З др угого кінця сердечника 5 вивід 4 обмотки 2 підключений до центрального електрода 7 іскрового проміжку 8, а вивід 9 первинної обмотки 1 підключений до бічного електрода 10 проміжку 8. Обмотки 1 і 2 розділені одна від одної ізолятором 11. В одній з модифікацій пристрою, що заявляється, сердечник 5 може бути ви конаний порожнистим з можливістю розміщення в ньому запальної свічки, що випускається серійно, наприклад, виробництва фірми Bosh. Така конструкція, ви 3 39232 конана у вигляді рознімання зі вставленою в ньому запальною свічкою 12, що ви пускається серійно, показана на фіг. 3. У цьому варіанті виконання об'єднаний кінець 3 обмоток 1 і 2 електрично сполуче ний з бічним електродом 10, а вивід 4 обмотки 1 через вхідний контакт 6 - з джерелом вхідної напруги. Електричний зв'язок кінця 3 з електродом 10 здійснений за допомогою механічного затискача 13, що охоплює корпус запальної свічки 12, а електричний зв'язок виводу 9 вто ринної обмотки 2 з електродом 7 - за допомогою механічного затискача 14, що охоплює вхідний контакт запальної свічки 12. Затискачі 13 і 14 забезпечують пружне фіксування свічки 12 у та кому розніманні. У ще одному більш прийнятному ва ріанті здійснення даного винаходу пристрій для запалення пальних сумішей можна виконувати у вигляді коаксіального кабелю 15, показаного на фіг. 4. У такій конструкції магнітний зв'язок між обмотками 1 і 2 забезпечений гнучким сердечником 16 (фіг.7) подовженої форми, розташова ним всередині обмоток 1 і 2 співвісно з ними. З одного кінця цього пристрою (з боку розта шування джерела вхідної напруги) об'єднаний кінець 3 (фіг. 6) обмоток 1 і 2 через вхідний контакт 6 підключений до джерела вхідної напруги, а з іншого кінця, як показано на фіг. 5, цей пристрій виконаний у вигляді рознімання, в яке вставляється запальна свічка 12, що випускається серійно, вивід 9 обмотки 1 електрично сполуче ний з бічним електродом. Електричний зв'язок обмоток 1 і 2 з електродами 7 і 10 здійснений кожен за допомогою механічних затискачів 14 і 13 відповідно. При такому виконанні істотним чином підвищується зручність експлуатації і стає можливим використовува ти цей пристрій у важкодоступ них місцях дви гунів внутрішнього згоряння. З метою безпеки на відкриті поверхні обмоток 1 і 2 наносять захисне ізоляційне покриття 17, як це показано на фіг. 3-7. Робота пристрою відповідно до винаходу може бути поділена на дві стадії: - на 1-й стадії пристрій працює як імпульсний трансфор матор, навантажений на конденсатор; - на 2-й стадії пристрій працює як заряджений конденсатор, що розряджається на іскровий проміжок. Перша стадія починається з моменту, коли фронт імпульсу первинної напруги Uвх (фіг. 8) подається на вхідний контакт 6 пристрою згідно з винаходом, показаного, наприклад, на фіг. 2, стосовно виводу 4 первинної обмотки 1, підключеного до корпуса двигуна та електрода 10 іскрового проміжку 8. Напруга Uвх викликає збільшення струму Івх зі швидкістю dIвx/dt, який збуджує у сердечнику 5 зростаючий магнітний потік. Відповідно до цього напруга Uвих, що ви никає у вторинній обмотці 2, різко зростає, до сягаючи свого максимального значення, за яким йде пробій іскрового проміжку, утвореного електродами 7 і 10. Під час збільшення напруги Uвих навантаженням вторинної обмотки 2 служить розподілений конденсатор, одною обкладкою якого є первинна обмотка 1, а другою вто ринна обмотка 2 трансформатора. Ефективність роботи пристрою на стадії імпульсного трансформатора тим вище, чим більше значення dІx/dt, тому більш прийнятною у цьому випадку є мінімальна індуктивність та мінімальний активний опір первинної обмотки 1. Велике значення для ККД пристрою має ступінь зв'язку за магнітним полем первинної та вторинної обмоток пристрою. Слід також врахо вувати, що при тривалості трансформованого імпульсу (порядку 1 мкс) намагнічування у сердечнику може поширитися лише дуже незначно, тому матеріали та форма сердечника не мають істотного значення, тому що крутий градієнт магнітного поля буде мати місце впродовж лише декількох міліметрів від місця збудження оточуючої первинної обмотки. Тому у пристрої відповідно до винаходу більш прийнятно використовують розімкнутий сердечник, через те що трансфор мований імпульс настільки короткий, що не встигає ви користа ти зменшення магнітного опору внаслідок замикання сердечника. Робота пристрою на першій стадії - стадії трансформування імпульсу - закінчується в момент, коли напруга заряду Uвих розподілених конденсаторів, утворених обмотками 1, 2 та ізолятором 11, досягне напруги пробою. На 2-й стадії - ста дії розряду конденсатора на іскровий проміжок - завдяки особливостям конструкції, що заявляється, забезпечується, як це показано на фіг. 8, максимально ефективний розряд розподіленої ємності, утвореної обмотками 1, 2 та ізолятором 11, на іскровий проміжок 8, утворений електродами 7, 10. Максимальна ефективність може бути досягнута при мінімальній тривалості імпульсу розряду, тому що при мінімальній тривалості забезпечується максимальна потужність. Зрозуміло, що наявність індуктивності первинної обмотки 1, а тим більше вторинної обмотки 2, не сприяє скороченню часу розряду, проте позбутися індук тивності повністю неможливо, можна лише звести її до мінімуму та оптимально розподілити за довжиною - від початку (об'єднаний кінець 3) до кінця (виводи 4, 9) обмоток 1,2 трансформатора (обкладок конденсатора). Це досягається розширенням стрічкоподібних витків обмоток 1, 2 у міру їхн ього наближення до іскрового проміжку 8. При цьому уся розподілена ємність обмоток 1,2 без подовження основного імпульсу з мінімальною тривалістю буде розряджена на іскровий проміжок 8 і уся енергія, запасена в ємності обмоток 1, 2 трансформатора, практично без втрат буде передана пальній суміші. Таким чином, суміщення обмоток високовольтного трансформатора з обкладками нагромаджувального конденсатора та об'єднання цього вуз ла з електродами іскрового проміжку у пристрої, що патентується, виключає передачу енергії високої напруги та високої частоти на відстань. При цьому втрати енергії практично відсутні, радіоперешкоди зменшуються до мінімуму, уся ге нерована енергія доходить до іскрового проміжку без втрат і передається паливній суміші. Крім того, у пристрої згідно з винаходом є відсутн ьою необхідність у комутації ви сокої напруги, і як наслідок, у високовольтному розподільнику, і відповідно, з'являється можливість здійснювати комута цію іскри запалювання напівпровідниковими комутаторами. Відсутність необхідності передавати високу напругу по дрота х позбавляє втрат високовольтної енергії, ризику пробою деталей високовольтного трансфор матора, розподільника, дротів, рознімань-наконечників. 4 39232 Пристрій відповідно до винаходу має більш високу надійність, тому що ви сока напруга утворюється всередині пристрою, назовні не виходить, а відразу потрапляє в іскровий проміжок. У пристрої, що заявляється, іскра закінчуєть ся за 1-2 нс у стадії пробою, при цьому дуга не утворюється і втрати енергії на розігрів електродів не перевищують 5%. Як наслідок, очікуваний термін служби електродів такого пристрою збільшується у декілька разів. Фіг. 1 5 39232 Фіг. 3 Фіг. 2 Фіг. 4 6 39232 Фіг. 6 Фіг. 5 Фіг. 7 7 39232 Фіг. 8 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 8