Недостатки известных способов, систем и электросвечей зажигания состоят в недостаточно эффективной интенсивности воспламенения смеси по объему камеры сгорания, особенно в зависимости качества воспламенения смеси от температуры двигателя и смеси, от давления смеси, поскольку электрическая искра возникает лишь в локальном объеме камеры сгорания и на весьма короткое время.
В связи с неразборностью конструкции известной двухэлектродной свечи зажигания, она может применяться только до критического износа длины центрального электрода вследствие его электрической коррозии, после чего свеча подлежит замене.
Изменение зазора между центральным и боковым(и) электродом(ами) вследствие их коррозионного износа также приводит к ухудшению зажигания топливной смеси, особенно в режиме запуска двигателя в зимних условиях.
В связи со значительными различиями размеров и конструкций камер сгорания ДВС, выпускаются множество различных типов электросвечей зажигания, которые не взаимозаменяемы.
Данные недостатки конструкции электросвечей препятствуют их унификации и ремонту, приводят к удорожанию и усложнению эксплуатации бензиновых ДВС, во многом являются причинами неполного дожигания топливной смеси в камерах сгорания ДВС и образованию токсичных выхлопных газов, отравляющих атмосферу планеты. особенно в больших городах.
Известен способ и система бестрамблерного зажигания топливной смеси посредством одноэлектродной электросвечи зажигания, реализующих способ воспламенения и зажигания горючей смеси в ДВС путем электроискрового разряда между центральным электродом и днищем поршня в пределах двойного угла опережения зажигания при подходе поршня к верхней мертвой точке \ прототипы - по патенту России № 2019728 от 1994 г., МКИ F 02 P 15 \ 00 , БИ № 17 за 1994 г. \..
Достоинством данного способа и системы воспламенения смеси посредством одноэлектродной свечи зажигания является более интенсивное многоискровое воспламенение топливной смеси по всему объему камеры сгорания, существенное упрощение системы распределения импульсов зажигания(устранена подвижная часть трамблера- его ротор-бегунок).
Поэтому применение одноэлектродных свечей зажигания весьма перспективно и является радикальным эффективным путем интенсификации воспламенения и дожигания топливной смеси в ДВС, а следовательно повышения экологичности автотранспорта.
Недостаток известного способа является сложность реализации и недостаточная эффективность зажигания смеси, поскольку отсутствуют операции и устройства настройки зазора между торцем центрального электрода одноэлектродной свечи и днищем поршня, воспламенение смеси осуществляют от неустойчивой искры переменного тока узкими (короткими по длительности-миллисекунды) (высоковольтными (порядка 20 кВ) импульсами на низкой частоте (порядка сотен герц), а использование существующей катушки зажигания приводит к повышенному энергопотреблению от бортового источника, которое еще более возрастает в связи с введением силового стабилизатора-регулятора напряжения в цепи первичной катушки зажигания, торцевая поверхность электросвечи и поршня в режиме электродугового импульсного воздействия электрической искры на их торцевые поверхности быстро изнашиваются, в результате снижается надежность электросвечей ,системы зажигания, всего ДВС и срок их службы.
Данный способ и система зажигания смеси на его основе не позволяют одновременно осуществить впрыск и распыление топлива непосредственно в камеры сгорания ДВС.
В известной системе электрозажигания (патент. РФ № 2019798 от 94г.) по-прежнему используют практически основные элементы классической системы зажигания : неэкономичная и громоздкая катушка зажигания, трамблер(коробка трамблера, его центробежный регулятор и вакуум-регулятор), электронный прерыватель тока катушки, введен дополнительный сложный силовой блок стабилизатора-регулятора тока катушки зажигания, конструкция одноэлектродной электросвечи не проработана, поэтому прототип (новая система электрозажигания) также имеет ограниченное применение только под определенный типоразмер камер сгорания ДВС, трудности с настройкой правильного искрообразования, ограниченный срок службы в связи с износом центрального электрода, и поршня, известная одноэлектродная свеча нерегулируема и не пригодная для ремонта. Кроме того, при несоблюдении конструктивных особенностей выполнения такой электросвечи, в частности, соотношения величины рабочего напряжения ,рабочей длины центрального электрода и толщины электроизолятора между корпусом свечи и центральным электродом, такая электросвеча вообще неработоспособна, и способ зажигания будет в реализации либо неработоспособен, либо неэффективен и ненадежен.
Цель изобретения состоит в дальнейшем развитии известных способа и системы зажигания топливной смеси путем реализации режима электрозажигания смеси электроискрой с торца центрального электрода на днище поршня, а именно, в развитии операций управления процессом зажигания смеси в этом режиме, конструкции одноэлектродной электросвечи, структуры и схем системы зажигания, способов настройки эксплуатации, диагностики и ремонта новых систем электрозажигания ,для устранения известных недостатком аналогов и прототипа, в частности, в создании универсальной регулируемой, разборной, ремонтнопригодной одноэлектродной свечи зажигания, обеспечивающей повышенный срок ее эксплуатации порядка 100 тысяч км пробега автомобиля, а также в совмещении функций и схем систем впрыска топлива и зажигания смеси при использовании электрической одноэлектродной свечи зажигания с полым центральным электродом в качестве электростатического насоса-форсунки в одном устройстве, обеспечивающим непосредственный впрыск топлива в камеры сгорания и интенсивное распыление и воспламенение смеси в момент наивысшего сжатия воздуха, т.е. впервые реализовать квазидизельный экономичный режим работы ДВС.
Предложен способ зажигания топливной смеси в камерах сгорания двигателя путем создания электроискрового разряда между центральным электродом одноэлектродной электрической свечи зажигания и днищем поршня в течении времени , соответствующему двойному углу опережения зажигания смеси, путем подачи между центральным(ими) электродом и поршнем регулируемого по амплитуде высокого напряжения от бортового преобразователя напряжения, отличающийся тем, что на центральный электрод подают минусовой знакопостоянный электрический потенциал, а на корпус двигателя положительный знакопостоянный потенциал, т.е. вводят в камеру двигателя знакопостоянное регулируемое по напряженности электрическое поле от бортового автогенераторного высоковольтного преобразователя напряжения с выходным выпрямителем и сглаживающим фильтром, причем регулируют напряженность поля и ток электронной эмиссии с торца центрального электрода свечи и угол опережения зажигания смеси путем изменения частоты и скважности импульсов рабочей частоты данного преобразователя, независимо или, например в функции оборотов двигателя по электрическому сигналу с тахометра оборотов двигателя, а также в функции потребляемого преобразователем электрического тока.
Развитие способа зажигания смеси состоит в функциональном совмещении операций впрыска топлива, его распыления непосредственно в камеру(ы) сгорания ДВС и последующего воспламенения топливной смеси путем подачи топлива через калиброванное (ые) полое(ые) сквозное(ые) отверстие(я) в центральном электроде(ах) одноэлектродной(ых) свечи (ей) зажигания в интервал времени, предшествующий возникновению электрической искры в начале рабочего хода поршня(ей) ДВС, что автоматически достигают при реализации описанного выше предложенного способа подачи и регулирования электрических знакопостоянных потенциалов на центральном электроде и поршне ДВС при соблюдении условия электроизоляции топливопровода от внешнего конца центрального электрода.
Развитие способа состоит в том, что регулируют интенсивность электростатической подачи и распыления топлива через полое отверстие центрального электрода свечи путем регулирования давления топлива на входе или выходе этого полого отверстия, например, изменением величины электрических потенциалов ускоряющего и замедляющего потенциалов независимо или взаимосвязанно с изменением напряженности электрического поля внутри камер(ы) сгорания.
Развитие комбинированного способа впрыска топлива и его воспламенения посредством полой одноэлектродной свечи зажигания состоит в регулировании давления и подачи топлива через полый канал центрального электрода изменением отверстия диафрагмы на входе полого отверстия, или времени открывания этого отверстия запорным клапаном, выполненным в виде штока-ротора внутри электромагнитного насоса-соленоида, например, путем изменения частоты и скважности управляющего катушкой соленоида импульсного напряжения с одного из выходов упомянутого бортового преобразователя напряжения, например, в функции электрического сигнала задатчика (датчика) расхода топлива.
Развитие способа зажигания состоит во введении дополнительных операций предварительной настройки одноэлектродной свечи и системы зажигания, операций эксплуатации при износе центрального электрода вплоть до его замены на новый при сохранении самой разборной электросвечи(пояснены ниже в описании изобретения).
Для эффективной реализации нового способа предложена разборная, ремонтно-пригодная, регулируемая одноэлектродная свеча зажигания смеси, содержащая удлиненный металлический центральный электрод, подвижный относительно электроизолятора, например, посредством резьбового их соединения, с контргайкой и уплотнительной прокладкой между наружным внешним концом центрального электрода и электроизолятором, электроизолятор одноэлектродной свечи выполнен утолщенным на рабочем конце, погруженным в камеру сгорания, например, в виде конуса с диаметром , достаточным для прохождения в установочное отверстие в головке блока цилиндров, рабочий торец центрального электрода выполнен заостренным, либо в виде термостойкой цилиндрической пластины, имеющей игольчатые выступы в направлении поршня, причем диаметр пластины не более половины диаметра рабочего торца электроизолятора свечи внутри камеры сгорания, электроизолятор свечи выполнен подвижным относительно корпуса свечи, посредством, например, винтовой резьбы, с контргайкой и уплотнительной прокладкой между корпусом свечи и нерабочим торцом электроизолятора, причем длину вдвигаемых внутрь камеры сгорания электроизолятора и центрального электрода выбирают из условия недопущения электрического пробоя с торца центрального электрода на корпус двигателя вблизи ввертного отверстия, в частности на впускной и выпускной клапаны в их максимально открытом состоянии, и устойчивого электрического пробоя на поршень двигателя при максимальном угле опережения зажигания., т.е. при максимальном рабочем напряжении между центральным электродом и поршнем и максимальным рабочим расстоянием между ними.
Развитием изобретения является напыление, например, методом самовосстанавливающего синтеза корозионно -стойкого термостойкого покрытия из металла или сплава (коррундовый сплав на заостенный торец центрального электрода и торец вблизи центра поршня, а также на внутреннюю резьбовую поверхность керамического электроизолятора одноэлектродной свечи металлического покрытия для повышения долговечности и надежности свечи зажигания (до 100 тыс. часов)
Развитие способа зажигания состоит в способе настройки одноэлектродной электросвечи зажигания и всей системы зажигания путем первоначального поочередного ввертывания модернизированных одноэлектродных свечей зажигания в стандартные штатные отверстия в головке блока цилиндров, размещенные в серийных двигателях, например, в автомобилях “Жигули”, Газ-2410 и др. под определенным углом к плоскости поршня, до достижения расстояния от торца центрального электрода до ближайшего расстояния до поршня в его верхней мертвой точке порядка1-2 мм, например, путем ручной прокрутки коленвала неработающего двигателя до верхней мертвой точки с ориентацией по меткам на коленвалу),последующему электрическому присоединению всех внешних выходов центральных электродов к общему минусовому высоковольтному выходу постоянного тока через выпрямитель бортового высоковольтного регулируемого высокочастотного(20-40 кгц) преобразователя частоты с трансформаторной развязкой, например, стабилизированного по электропитанию и по температуре блокинг -генератора со встроенным высоковольтным выпрямителем, запитываемого от бортовой аккумуляторной батареи, и управляемого по частоте и скважности импульсов, со встроенным(и) выпрямителем(ями), второй высоковольтный плюсовой выход которого соединяют с корпусом двигателя, и последующему взаимосвязанному регулированию подачи топлива и угла опережения зажигания изменением выходного напряжения высоковольтного автогенераторного преобразователя, например, его частотой или скважностью импульсов, и заданного расстояния от поршня до торца центрального электрода путем ручного перемещения поршня (рукояткой) от верхней мертвой точки с одновременным контролем потребляемого первичного тока высоковольтным преобразователем напряжения, таким образом, чтобы первичный ток потребления высоковольтного преобразователя соответствовал его току короткого замыкания, соответствующему постоянной электрической искре с центрального электрода на поршень при уходе поршня до расстояния , соответствующему максимально возможному рабочему углу опережения зажигания смеси для данного ДВС, после чего запускают двигатель и дополнительно взаимосвязанно регулируют выходное напряжение преобразователя и длину рабочей части центрального электрода по максимуму оборотов холостого хода двигателя при различных положениях угла открытия дроссельной топливной заслонки.
Развитие системы зажигания состоит в более усовершенствованном размещении (ввертывании) одноэлектродной электросвечи зажигания в каждой из камер сгорания ДВС, через отверстия в головке блока цилиндров, в месте и направлении напротив центральной оси цилиндрического поршня, перпендикулярно рабочей торцевой поверхности поршня, внутрь камеры, на глубину, обеспечивающей зазор между поршнем в его верхней мертвой точке и торцом центрального электрода порядка 1 мм, исключающем механическое касание поршня и центрального электрода свечи, с последующей описанной выше взаимосвязанной процедурой точной настройки расстояния между поршнем и торцом центрального электрода и величины знакопостоянного высоковольтного потенциала на свече(ах) в режимах ручной установки на неработающем двигателе, и режиме установки максимальных оборотов холостого хода после запуска ДВС при максимальной подачи топлива, соответствующему максимальному углу опережения зажигания смеси. В этом случае повышается эффективность преобразования химической энергии топлива в механическую энергию давления сжатых газов на поршень(и) вследствие упорядочения тепловых движений частиц и молекул расширяющихся газов вдоль оси(ей) продольного электрического поля и порщня(ей) ДВС.
Развитие изобретения состоит в способе коррекции длины рабочей части центрального(ых) электрода(ов) внутри камер(ы) сгорания двигателя по мере ее (их) коррозионного износа в тяжелых условиях ее(их) длительной эксплуатации на конкретном ДВС путем поддержания неизменной длины рабочей части центрального(ых) электрода(ов) внутри камеры сгорания в процессе эксплуатации свечи и износа центрального электрода путем систематического вдвигания (ввинчивания) центрального электрода и компенсации степени износа центрального электрода, по описанному выше способу настройки, что обеспечивает значительное увеличение срока эксплуатации свечи, а главное , оптимальные условия электрозажигания топливной смеси данного двигателя при неизменном топливе.
Развитие изобретения состоит в автоматическом взаимосвязанном регулировании длины рабочей(их) части(ей) центрального(ых) электрода(ов) и напряжения, подаваемого на них в путем изменения частоты и скважности импульсов напряжения высоковольтного автогенераторного преобразователя при неизменном напряжении питания этого преобразователя в функции оборотов двигателя, например, по сигналу с тахометра оборотов, в функции угла открытия дроссельной топливной заслонки, а также в функции потребляемого тока высоковольтного преобразователя напряжения посредством соответствующих функциональных преобразователей ,например, по критериям минимума расхода топлива, минимума токсичности выхлопных газов непрогретого двигателя.
Развитие изобретения состоит в способе настройки и эксплуатации данной регулируемой разборной ремонтнопригодной электрической одноэлектродной свечи на различных по мощности и типу камер сгорания ДВС, а также в зависимости от типа используемого топлива, путем первоначального взаимосвязанного регулирования длины рабочей части центрального электрода и электроизолятора внутри камер сгорания посредством их ручного или автоматического перемещения по винтовым резьбам относительно корпуса свечи в пределах рабочих углов опережения зажигания конкретного ДВС и в зависимости от типа, размеров его камеры сгорания , октановости бензина, вида топлива, температуры двигателя, вначале по критерию достижения надежной электроискры с торца центрального электрода на поршень во всем диапазоне рабочих углов опережения зажигания в ручном режиме при неработающем двигателе, а затем после запуска двигателя по критерию максимальных оборотов холостого хода двигателя и минимальной токсичности выхлопных газов данного ДВС, работающего на конкретном топливе и при конкретных условиях(например, непрогретый двигатель, низкооктановый бензин).
Отметим также, что при подаче на центральные электроды постоянного отрицательного высоковольтного потенциала на все время работы ДВС, возникает полезный эффект электронной эмиссии с торца поршня в смесь и затем в пламя воспламененной смеси, существенно интенсифицирующий процесс воспламенения и горения смеси, и улучшающий экологическую чистоту выхлопных газов, поэтому в этом режиме коррозионный износ центрального электрода значительно ниже, чем при обратной полярности, вследствие электростатического обратного переноса металла на центральный электрод с поршня и может быть вообще устранен , а центральный электрод в процессе работы будет самовосстанавливаться и упрочняться,(“вечная одноэлектродная электросвеча) в случае покрытия торца поршня коррозионно-термостойким покрытием всего на десятые доли мм.
Развитие изобретения состоит в способе предварительной настройки одноэлектродной свечи зажигания на оптимальный режим работы путем первоначального регулирования длины центрального электрода и напряжения высоковольтного преобразователя напряжения до достижения максимальных оборотов холостого хода холодного двигателя при минимальном потреблении тока от бортового источника электроэнергии.
Развитие изобретения состоит в способе эксплуатации новой разборной электросвечи путем замены изношенного(ых) центрального(ых) электрода(ов) на новый(ые) путем выворачивания старых центральных электродов и вворачивания новых унифицированных центральных электродов, что удешевляет и упрощает эксплуатацию электросвечей зажигания и системы зажигания в целом, поскольку не нужно заменять всю свечу, а только ее центральный электрод.
Развитие изобретения- способа настройки и эксплуатации предлагаемых свечей зажигания состоит в способе диагностики работы одноэлектродных свечей зажигания по величине постоянной и переменной составляющих потребляемого тока высоковольтным преобразователем напряжения путем сравнения этих величин с эталонными величинами в блоке сравнения и выдачей соответствующего сигнала водителю при неисправной работе системы электрозажигания, в частности, при пропусках зажигания, либо при ненормальных режимах работы одноэлектродных электросвечей снижается огибающая частота, фаза и амплитуда пульсаций первичного тока, по сравнению с частотой, фазой и амплитудой пульсаций этого тока при нормальной работе свечей, соответствующих частоте и фазе возникновения электрических пробоев с центральных электродов на поршни при подходе их к верхним мертвым точкам до расстояния , соответствующего текущему углу опережения зажигания смеси.
Поэтому применение предлагаемых регулируемых разборных ремонтно-пригодных одноэлектродных свечей зажигания в сочетанием с предложенными способами их настройки и эксплуатации существенно упрощает эксплуатацию и диагностику всей системы зажигания, а в случае применения компактного, малогабаритного и надежного регулируемого высоковольтного высокочастотного преобразователя напряжения, например, блокинг -генератора с встроенным выходным выпрямителем, присоединенным минусом к общему выводу центральных электродов, а плюсом к корпусу двигателя, вообще отпадает необходимость в громоздкой и неэкономичной катушке зажигания, электронном коммутаторе тока катушки, распределительной коробке трамблера и самом трамблере(или его электронных аналогов) со сложными системами измерения положения поршней центробежным регулятором и вакуум -регулятором угла опережения зажигания, системами распределения высоковольтных импульсов зажигания. Вместо трамблера можно поставить простую заглушку Вследствие резкого упрощения системы электрозажигания при использовании одноэлектродных свечей зажигания повышается экономичность и надежность работы двигателя, повышается полнота сгорания топливной смеси и как следствие, снижается токсичность выхлопных газов ДВС, существенно возрастает надежность и эффективность работы электрических свечей зажигания и всей системы электрозажигания смеси.
Дальнейшее развитие изобретения -одноэлектродной свечи зажигания состоит в конструктивном совмещении электростатического насоса-распылителя топлива и одноэлектродной свечи зажигания смеси в одном устройстве посредством выполнения центрального электрода одноэлектродной свечи полым с капиллярным сквозным отверстием для электростатической подачи и распыления топлива непосредственно в камеру сгорания (квазидизельный режим бензинового ДВС) ,причем к внешнему концу полого центрального электрода герметично присоединяют через дополнительную электроизоляционную втулку топливопровод и подают топливо в полое отверстие центрального электрода вообще без давления и одновременно, за данной втулкой через токопроводящую клемму на металлический центральный электрод подключают минусовой выход высоковольтного потенциала от упомянутого высоковольтного бортового преобразователя напряжения. В результате, с увеличением выходного постоянного по знаку высоковольтного напряжения автоматически возрастают подача топлива в камеру сгорания и угол опережения зажигания смеси, а следовательно и мощность ДВС. По мере ухода поршня от верхней мертвой точки, либо при снижении величины знакопостоянного выходного напряжения между центральным электродом и поршнем двигателя, мощность и электросмотическое давление на столб жидкости электростатического насоса автоматически снижаются, снижается и подача топлива в камеру сгорания. Известно, что в современных бензиновых двигателях максимальное давление сжатой смеси составляет порядка 7-10 атмосфер, расчеты и опыт показывают, что электростатический насос при подаче потенциала на капиллярный столб жидкого топлива при правильном выборе диаметра и материала капилляров позволяет создать давление на выходе капилляра до 10-15 атмосфер, что вполне достаточно для подачи топлива и распыления его в сжатый воздух в камеру сгорания. Для повышения эффективности работы такого электроосмотического насоса в режиме “электросвеча-топливный насос” полый центральный электрод целесообразно выполнить из несмачиваемой термостойкой мелкосотовой керамической трубки с напылением на ее внешние боковые и торцевые поверхности токопроводящего покрытия , либо в виде пучка стекловолокон с калиброванными сквозными отверстиями, жестко закрепленных внутри центрального электрода
Данное конструктивное совмещение функций электростатического насоса и электросвечи позволяет вообще устранить карбюратор или его электронные аналоги и механический насос высокого давления, поскольку электростатические впрыск и распыление топлива осуществляют через капиллярные отверстия центрального электрода при минимальных энергозатратах. Электростатическая подача и регулирование подачи топлива осуществляются в данном варианте совмещенной “электросвечи - топливной форсунки” автоматически с принудительным изменением величины высоковольтного выходного напряжения, а также в течении времени полного цикла2-х, 4-х, 8-ми - тактного ДВС при неизменном высоком напряжении электропитания этого насоса-электросвечи по мере приближения -удаления поршня относительно верхней мертвой точки вследствие изменения напряженности электрического поля в рабочем пространстве между торцом капиллярного отверстия центрального электрода и поршнем двигателя и, как следствие, изменения электроосмотического давления топлива на выходе капиллярных отверстий с торца центрального электрода внутри камеры сгорания.
Отметим еще одно положительное свойство такого конструктивного и функционального совмещения одноэлектродной свечи и электростатического насоса для бензиновых ДВС, состоящее в том, что впрыск топлива происходит в ней именно в период впуска и сжатия воздуха(окислителя), поскольку в момент возникновения электрической искры с центрального электрода на поршень и начала электровоспламенения смеси, выходное напряжение преобразователя снижается до нуля, потому в этот период электростатический насос не работает и топливо в камеру не подается, а по мере ухода поршня в рабочем такте от верхней мертвой точки и в такте выпуска горящих выхлопных газов пламя также электрически шунтирует высокое напряжение преобразователя между центральным электродом и поршнем, поэтому реально электростатический насос подает топливо именно на тактах впуска и сжатия воздуха, одновременно озонируя воздух и электростатически распыляя топливо.
Таким образом, в данном случае автоматически решается задача подачи, распыления, смешивания топлива с озонированным окислителем и последующего воспламенения смеси без карбюратора или сложнейшей электронной системы впрыска. Естественно, интенсивность подачи топлива можно регулировать изменением диаметра капиллярных отверстий в центральном электроде, регулированием входного давления топлива и величиной высокого напряжения электропитания электростатического насоса в зависимости от режима работы, мощности и типоразмера его камеры сгорания.
Развитие изобретения - совмещенной конструкции топливного насоса и электрической одноэлектродной свечи для ДВС различной мощности состоит во введении дополнительных устройств регулирования подачи топлива, например, дополнительного регулируемого входного импульсного электромагнитного насоса, герметично размещенного на внешнем по отношению к двигателю входе полого центрального электрода,(электромагнитный насос -электросвеча- электростатическая форсунка), либо второй ступени электростатического насоса в виде Электроизолятора с внутренними капиллярными отверстиями, на входе полого центрального электрода, содержащей промежуточные ускоряющие и запирающие кольцевые электроды , причем в изоляторной втулке на внешнем входе центрального электрода размещают запорный кольцевой электрод, подключенный к противоположному, положительному регулируемому потенциалу с одного из выходов упомянутого высоковольтного преобразователя, а над рабочим торцем капиллярного электрода внутри камеры сгорания размещают на расстоянии 0,5мм. коаксиальный ускоряющий кольцевой электрод, присоединенный к корпусу электросвечи, с диаметром, исключающим электропробой между центральным и ускоряющим электродами, между электроизолятором и центральным полым электродом введена регулируемая (термомеханическая либо электромеханическая) диафрагма для изменения расхода топлива путем изменения входного диаметра центрального электрода.
Развитие универсальной свечи-насоса -форсунки состоит в том, что на входе полого центрального электрода с калиброванным сквозным отверстием размещен электромагнитный импульсный топливный насос с индуктивной соленоидальной статорной катушкой-обмоткой, управляемый изменением частоты и скважности модулированного напряжения с одного из низковольтных выходов упомянутого преобразователя частоты и с линейным ротором-штоком с заостренным рабочим концом и с шариковым запорным клапаном на его конце с диаметром,равным диаметру отверстия полого электрода.
Предложен способ эксплуатации совмещенной “электросвечи-электростатического насоса”, отличающийся тем, что первоначально на этапе настройки взаимосвязанно регулируют длину рабочей части полого центрального электрода, диаметр отверстия диафрагмы, величину рабочего напряжения между торцем центрального электрода и корпуса двигателя, потенциалы и положение запирающих и ускоряющих электродов до достижения устойчивого запуска и работы холодного двигателя на обедненной смеси порядка 1: 25-30 по условию максимума оборотов холостого хода и минимального потребления топлива и электроэнергии от бортового высоковольтного преобразователя напряжения.
Предложен способ эксплуатации(управления) одноэлектродной свечи -насоса в бензиновых ДВС, отличающийся тем, что взаимосвязанное регулирование подачи топлива и одновременно угла опережения зажигания топливной смеси осуществляют при необходимости регулирования тяги и мощности ДВС, изменением величины электрических потенциалов на центральном и ускоряющем электроде свечи относительно потенциала корпуса от бортового высоковольтного преобразователя напряжения, конкретнее изменением частоты и скважности его импульсов, а независимое изменение угла опережения зажигания при неизменной подаче топлива, например, при изменении оборотов двигателя, осуществляют аналогично при одновременном регулировании потенциала на запорном кольцевом электроде электростатического насоса, независимое регулирование подачи топлива, например, в режиме форсажа, осуществляют изменением (открытием) диаметра диафрагмы на входе полого центрального электрода.
Развитием изобретения является также введение высоковольтного разрядника-индикатора наличия высокого напряжения в цепи между центральным электродом и корпусом свечи, пробивающимся при напряжении выше 40 кв, что повышает надежность работы электрической одноэлектродной свечи.
Вследствие поляризации частиц и молекул топлива при прохождении их по тракту электростатического насоса, а также ввиду тонкого электростатического распыления топлива в камере сгорания появляется дополнительный экологический эффект его более полного сгорания , снижения расхода топлива и токсичности выхлопных газов, кроме того, эжектируемое через полость центрального электрода свечи, топливо охлаждает конструкцию совмещенной свечи -насоса, что повышает надежность ее работы, охлаждение внутренних стенок камеры вследствии испарения топлива в такте сжатия воздуха обеспечивает более сильную компрессию и возможность работы двигателя на обедненных смесях.
Электроосмотический эффект работы такого электростатического насоса еще более усилится, а давление топлива на его выходе возрастет в случае электроизоляции внутренних стенок цилиндра камеры сгорания ДВС, кроме той части днища поршня, на которую происходит электроискровой разряд с торца центрального электрода свечи, например, термостойкой керамикой или пластмассой.
Положительный эффект от внедрения совмещенной электросвечи-насоса, кроме того, состоит в автоматическом охлаждении конструкции и элементов свечи эжектируемым через полость центрального электрода свечи, топливом, что улучшает тепловой режим свечей зажигания и приводит к увеличению срока их безотказной работы., повышает надежность работы новой системы зажигания.
Предложена новая система электрозажигания для эксплуатации одноэлектродной(ых) свечи(ей) зажигания, отличающаяся тем, что содержит разборные регулируемые одноэлектродные свечи зажигания, по числу камер сгорания, высоковольтный высокочастотный управляемый по частоте, например, (10-60 кгц) и скважности индуктивно-полупроводниковый преобразователь напряжения автогенераторного типа с внутренней положительной обратной связью и внутренней схемной автоматической стабилизацией по входному напряжению питания и температуре, и выходным(и) выпрямителем(и),подключенный по низковольтной стороне непосредственно к бортовой аккумуляторной батарее , а по высоковольтной стороне постоянного тока минусовым потенциалом к центральному электроду, а плюсовым (и)потенциалом(ами) к корпусу камеры сгорания, причем выходы управляющего органа присоединены к взаимосвязанным каналам регулирования частоты и скважности импульсов несущей частоты, на входы полупроводниковых элементов автогенератора через сравнивающие элементы и датчики первичного тока автогенератора, скорости(с тахометра), и задатчик мощности двигателя.
Предложена новая система электрозажигания, отличающаяся тем, что выполняет одновременно функцию воспламенения топливной смеси и функцию впрыска и распыления топлива непосредственно в камеру(ы) сгорания двигателя посредством выполнения центрального электрода полым с калиброванным сквозным отверстием о подключением топливопровода непосредственно через герметичную электроизоляционную втулку к внешнему концу центрального электрода, или через дополнительный топливный насос, например, импульсный электромагнитный насос, содержащий катушку соленоида, присоединенную по электропитанию к регулируемому выходу низковольтного напряжения упомянутого бортового преобразователя частоты, с ротором штоком и запорным шариковым клапаном с диаметром, равным диаметру сквозного отверстия полого центрального электрода, либо через дополнительный электростатический насос, содержащий упомянутую входную электроизолирующую втулку и управляющие запорный и ускоряющий кольцевых электроды, на которые подключены выходы высоковольтного напряжения автогенераторного преобразователя напряжения.
Внедрение предложенной одноэлектродной свечи зажигания и способов ее настройки, эксплуатации и управления позволяет устранить ненадежные трамблер, вакуум-регулятор, центробежный регулятор опережения угла зажигания или его электронные аналоги, а также громоздкую неэкономичную индуктивную катушку зажигания, снизить электрические потери системы зажигания, а внедрение совмещенной конструкции “одноэлектродной свечи-электростатического топливного насоса” с полым центральным электродом позволяет устранить и карбюратор, либо его аналог-систему электронного впрыска, т.е. резко упростить все основные системы современного ДВС при одновременном достижении высоких экологических показателей за счет интенсификации воспламенения и дожигания смеси непосредственно в камерах двигателя вообще без внешних систем химической очистки выхлопных газов.
Изобретение пояснено на фиг. 1 в виде развернутой блок-схемы, где упрощенно показаны совмещенная конструкция разборной регулируемой “одноэлектродной свечи зажигания- электростатического насоса”, и новая бескарбюраторная и бестрамблерная система впрыска- электрозажигания топлива бензинового ДВС на ее основе.
Для простоты чертежа и ясности понимания изобретения некоторые элементы совмещенной конструкции “электросвечи -насоса” и новой системы электрозажигания на ее основе пояснены схематично, в частности, не показан ускоряющий электрод насоса -свечи, не раскрыта принципиальная схема высоковольтного преобразователя напряжения, поскольку стабилизированные по входу и регулируемые по частоте и скважности импульсов блокинг-генераторы достаточно хорошо известны и изучены (см., например, Справочник по импульсной технике под редакц. Яковлева В.И., М., 1978 г.)
Фиг.1
Эта схема является собственностью изобретателя и может быть предоставлена по личному запросу на имя автора изобретения
Устройство, обеспечивающее работоспособность ДВСпри использовании предложенной управляемой разборной одноэлектродной свечи зажигания состоит из камеры сгорания 1, поршня 2 с напыленным на него рабочем торце слоя 3 коррозионно-стойкого сплава или металла толщиной не более 0,2-0,5 мм, в состав новой свечи зажигания входят съемный полый центральный электрод 4 с калиброванным сквозным отверстием (топливным каналом) 5, и заостренным рабочим торцем 4-1, подвижный относительно центрального электрода и корпуса свечи электроизолятор 6, в состав свечи входят такжеметаллический корпус 7, с шестигранником 8 для заворачивания ее свечным ключом, герметизирующая уплотнительная прокладка 9, фиксаторная герметизирующая втулка 10, в основании верхней крышки камеры сгорания 1 размещена электроизолирующая прокладка 11 с отверстиями под центральный электрод и клапаны цилиндра, корпус свечи фиксируется относительно электроизолятора свечи 6 втулкой 12, электроизолятор 6 зафиксирован относительно центрального электрода герметизирующей втулкой 13, на внешний торец центрального электрода герметично соединена электроизолирующая втулка 14, с регулируемой диафрагмой 15, запорным кольцевым электродом 16, на вход втулки 14 герметично присоединен электромагнитный топливный импульсный насос 17 с игольчатым штоком и запорным шариковым клапаном по диаметру полого отверстия электрода 4 (электромагнит и шток на фиг.1 не показаны), высоковольтные потенциалы подведены к центральному и запорному электродам через клеммы 18, электросвеча дополнена высоковольтным разрядником- индикатором 19, включенным через балластный помехогасящий резистор(не показан) между центральным электродом 4 и корпусом камеры 1,имеющей впускной(20) и выпускной (21)клапаны, в состав безтрамблерной системы зажигания входит также управляемый по частоте и скважности высоковольтный автогенераторный преобразователь 22 с регулируемым выходным рабочим напряжением от 15-20 до 40 кВ и мощностью не более 30-40 вт, содержащий стабилизированный по входному напряжению и термостабилизированный индуктивно-полупроводниковый заторможенный по входу автогенератор, например повышающий блокинг-генератор, работающий на несущей частоте 25-30 кГц, имеющий выход(ы) переменного тока и два высокочастотных выпрямителя, причем его высоковольтный отрицательный потенциал(минус) присоединен через клемму 18 к центральному электроду 4, а положительный(ые)е потенциал(ы) присоединен(ы) к корпусу камеры 1 двигателя и к управляющим электродам 16 электростатического насоса, силовая схема 23 преобразователя22 управляется от схемы управления 24, в состав которой входят датчики тока (25), скорости вала двигателя(не показан), а также задатчик мощности(расхода топлива). Электропитание преобразователь 22 получает от бортовой электросети 26, например, от бортовой аккумуляторной батареи (АБ) напряжением =12 \ 24 вольта.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
- Способ зажигания топливной смеси в камерах сгорания двигателя путем создания электроискрового разряда между центральным электродом одноэлектродной электрической свечи зажигания и днищем поршня в течении времени, соответствующему двойному углу опережения зажигания смеси, путем подачи между центральным(ими) электродом (ами) и поршнем (ями) регулируемого по амплитуде высокого напряжения от бортового преобразователя напряжения, отличающийся тем, что на центральный электрод подают минусовой знакопостоянный электрический потенциал, а на корпус двигателя положительный знакопостоянный потенциал, посредством которых вводят в камеру(ы) сгорания двигателя знакопостоянное регулируемое по напряженности электрическое поле на все время работы двигателя, например, от бортового автогенераторного высоковольтного преобразователя напряжения с выходным выпрямителем и сглаживающим фильтром, причем регулируют напряженность поля и ток электронной эмиссии с торца центрального электрода свечи и угол опережения зажигания смеси путем изменения частоты и скважности импульсов рабочей частоты данного преобразователя, независимо или, например в функции оборотов двигателя по электрическому сигналу с тахометра оборотов двигателя, а также в функции потребляемого преобразователем электрического тока.
- Способ зажигания смеси по п.1, отличающийся тем, что осуществляют первоначальную настройку системы зажигания путем установки рабочего зазора между торцом центрального электрода и днищем поршня в его верхней мертвой точке порядка 1мм, например, путем ручной установки поршня двигателя в верхней мертвой точке с ориентацией по меткам на коленвалу, последующей подачи на центральный(ые) электрод(ы) минусового высоковольтного потенциала с выхода постоянного тока бортового высоковольтного регулируемого высокочастотного преобразователя частоты с выходным выпрямителем, а “плюсового” высоковольтного потенциала со второго выхода постоянного тока преобразователя к корпусу двигателя, и последующему взаимосвязанному регулированию выходного напряжения преобразователя, например, его частотой или скважностью, и данного расстояния от поршня путем последующего ручного перемещения поршня от верхней мертвой точки с одновременным контролем потребляемого первичного тока высоковольтным преобразователем напряжения, в режиме его внешнего короткого замыкания, соответствующему постоянной электроискре с центрального электрода на поршень в рабочем диапазоне допустимых углов опережения зажигания смеси для данного ДВС, после чего запускают двигатель и дополнительно взаимосвязанно регулируют выходное напряжение преобразователя и длину рабочей части центрального электрода по максимуму оборотов холостого хода двигателя при различных положениях угла открытия дроссельной топливной заслонки.
- Способ зажигания по п.1, отличающийся тем, что диагностику исправной работы одноэлектродных свечей зажигания и величины рабочего зазора между торцом центрального электрода и днищем поршня ДВС осуществляют по величине постоянной и переменной (амплитуда, фаза, частота) составляющих величины потребляемого тока высоковольтным преобразователем напряжения путем сравнения этих величин с эталонными величинами этих составляющих тока, хранимых в блоке памяти и сравнения, с выдачей соответствующего информационного сигнала водителю в случае их несоответствия для конкретный режимов работы ДВС (пуск, холостой ход, различные нагрузки).
- Способа зажигания смеси по п.1-3, отличающийся тем, что функционально совмещают операции впрыска топлива, его распыления непосредственно в камеру(ы) сгорания ДВС и последующего воспламенения топливной смеси путем подачи топлива через калиброванное (ые) полое(ые) сквозное(ые) отверстие(я) в центральном электроде(ах) одноэлектродной(ых) свечи (ей) зажигания в интервал времени, предшествующий возникновению электрической искры в начале рабочего хода поршня(ей) ДВС.
- Способ по п.1-4, отличающийся тем, что регулируют интенсивность подачи и распыления топлива через полое отверстие центрального электрода свечи путем регулирования давления топлива на входе этого полого отверстия, изменением отверстия диафрагмы на его входе, размещенной между дополнительным насосом постоянного давления и входом полого центрального электрода, или времени открывания этого отверстия запорным клапаном, выполненным в виде штока-ротора внутри электромагнитного насоса-соленоида, например, путем изменения частоты и скважности управляющего катушкой соленоида импульсного напряжения с одного из выходов упомянутого бортового преобразователя напряжения, например, в функции электрических сигналов задатчика (педали акселератора) и датчика расхода топлива .
- Устройство для зажигания топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания по п. 1-5, отличающееся тем, что одноэлектродная свеча зажигания выполнена разборной, с регулируемой подачей удлиненного металлического центрального электрода внутрь камеры сгорания, выполненного подвижным относительно электроизолятора свечи, например, посредством резьбового их соединения, с контргайкой и уплотнительной прокладкой между наружным внешним концом центрального электрода и электроизолятором, электроизолятор одноэлектродной свечи выполнен утолщенным на рабочем конце, погруженным в камеру сгорания, например, в виде конуса с диаметром, достаточным для прохождения в установочное отверстие в головке блока цилиндров, рабочий торец центрального электрода выполнен заостренным, либо в виде термостойкой цилиндрической пластины, имеющей игольчатые выступы в направлении поршня, причем диаметр пластины не более половины диаметра рабочего торца электроизолятора свечи внутри камеры сгорания, электроизолятор свечи выполнен подвижным относительно металлического корпуса свечи, посредством, например, винтовой резьбы, с контргайкой и уплотнительной прокладкой между корпусом свечи и нерабочим торцом электроизолятора, днище поршня в зоне электрического пробоя искры упрочнено коррозионно-стойким, термостойким покрытием с толщиной порядка долей миллиметра, причем длину вдвигаемых внутрь камеры сгорания электроизолятора и центрального электрода выбирают из условия недопущения электрического пробоя с торца центрального электрода на корпус двигателя вблизи ввертного отверстия, в частности на впускной и выпускной клапаны в их максимально открытом состоянии, и устойчивого электропробоя на поршень двигателя при максимальном угле опережения зажигания.
- Одноэлектродная электрическая свеча зажигания топливной смеси ДВС, содержащая металлический центральный электрод, Электроизолятор снаружи центрального электрода и внешний металлический корпус с резьбой и уплотнительной прокладкой, отличающаяся тем, что конструкция одноэлектродной свечи выполнена разборной и регулируемой, а именно центральный электрод выполнен удлиненным, съемным и подвижным относительно электроизолятора, например, посредством винтового их соединения, с контргайкой и уплотнительной прокладкой между наружным внешним концом центрального электрода и электроизолятором, электроизолятор одноэлектродной свечи выполнен утолщенным на рабочем конце, погруженным в камеру сгорания, например, в виде венца с диаметром, достаточным для прохождения в установочное отверстие в головке блока цилиндров, рабочая часть центрального электрода выполнена с термостойким, коррозионно-стойким покрытием и заостренным в направлении поршня концом, электроизолятор свечи выполнен подвижным относительно корпуса свечи, посредством, например, винтовой резьбы, с контргайкой и уплотнительной прокладкой между корпусом свечи и нерабочим торцом электроизолятора, причем длину и диаметры вдвигаемых внутрь камеры сгорания электроизолятора и центрального электрода выбирают из условия недопущения электрического пробоя с торца центрального электрода на корпус электросвечи и корпус двигателя вблизи ввертного отверстия, в частности на впускной и выпускной клапаны двигателя в их максимально открытом состоянии, и устойчивого электропробоя с торца центрального электрода на поршень двигателя, при максимальном угле опережения зажигания.
- Устройство по п.1-7, отличающееся тем, что дополнено высоковольтным разрядником-индикатором высокого напряжения, включенным в цепи между центральным электродом и корпусом свечи или корпусом двигателя, пробивающимся при напряжениях порядка 40 кВ.
- Устройство по п.1-8, отличающееся тем, что для повышения долговечности свечи наносят термостойкое и коррозионно-стойкое напыление, например, вольфрамовое, корундовое или платиновое напыление на рабочий торец центрального электрода и поршня, а также металлическое термостойкое напыление на внутреннюю и внешнюю резьбовые поверхности керамической электроизолятора одноэлектродной свечи.
- Устройство по п., отличающееся тем, что одноэлектродная(ые) электросвеча(и) выполнена(ы) с диаметром ввертной части корпуса и шагом резьбы, совпадающими с диаметром и шагом резьбы штатных отверстий под электросвечи зажигания в головке блока цилиндров .
- Устройство по п., отличающееся тем, что ввертная(ые) отверстия одноэлектродной свечи зажигания размещены в головке блока цилиндров ДВС напротив центра (ов) поршня(ей) по его(их)оси(ям) вращения.
- Устройство по п., отличающееся тем, что одноэлектродная свеча зажигания конструктивно и функционально совмещена с электростатическим топливным насосом-распылителем посредством выполнения центрального электрода одноэлектродной свечи полым с капиллярным(и) сквозным(и) отверстием(ями) для электростатической подачи и распыления топлива непосредственно в камеру сгорания для осуществления квазидизельного режима бензинового ДВС, причем полый центральный электрод герметично присоединен через дополнительную электроизоляционную втулку с топливопроводом, сам центральный электрод присоединен через токопроводящую клемму к минусовому выходу высоковольтного высоковольтного управляемого высокочастотного бортового преобразователя напряжения (типа модулятор-демодулятор с рабочей частотой десятки килогерц, модулятор типа повышающего управляемого по частоте и скважности блокинг -генератора и демодулятор в виде высокочастотного выпрямителя), причем второй плюсовой выход выпрямителя данного преобразователя присоединен к корпусу двигателя, а количество и диаметр капиллярных сквозных отверстий и величина рабочего высокого напряжения определяются из совместных условий требуемой производительности электростатического насоса и достаточной мощности электрической искры на поршень для интенсивного зажигания топливной смеси.
- Устройство по , отличающееся тем, что на входе полого центрального электрода с калиброванным сквозным отверстием размещен электромагнитный импульсный топливный насос, содержащий статорную индуктивную соленоидальную катушку, присоединенную к регулируемому по частоте и скважности выходному напряжению упомянутого преобразователя напряжения с игольчатым ротором-штоком возвратно-поступательного хода и шариковым запорным клапаном на конце штока, с диаметром клапана, достаточным для запирания отверстия полого электрода.
- Устройство по п. 5, отличающееся тем, что совмещенное устройство “электросвеча -электростатический насос” снабжено дополнительным управляющим органом в виде дополнительной ступени электростатического насоса посредством выполнения соединяющей полый центральный электрод и топливопровод Электроизолятора с сквозными внутренними капиллярными отверстиями, с подвижным запирающим кольцевыми электродом, размещенным на дальнем от центрального электрода конце Электроизолятора, электрически подключенный к противоположному, положительному регулируемому электрическому потенциалу с одного из регулируемых выходов упомянутого высоковольтного преобразователя, а над рабочим торцем центрального полого электрода внутри камеры сгорания размещают коаксиально ускоряющий кольцевой электрод, присоединенный к корпусу электросвечи, с диаметром этого ускоряющего электрода, и на расстоянии, исключающим электропробой между центральным и ускоряющим электродами свечи во всех ее рабочих режимах, дополнительно между электроизолятором и центральным полым электродом введена регулируемую диафрагма для изменения расхода топлива путем изменения входного диаметра отверстия внутри центрального электрода одноэлектродной электросвечи, а капилляры внутри центрального электрода выполнены из несмачиваемого топливом материала, например, диэлектрика с максимальной диэлектрической проницаемостью.
- Система электрозажигания на основе одноэлектродной(ых) свечи(ей) зажигания, отличающаяся тем, что содержит разборные регулируемые одноэлектродные свечи зажигания, по числу камер сгорания, высоковольтный высокочастотный управляемый по частоте, например, (10-60 кГц) и скважности индуктивно-полупроводниковый преобразователь напряжения автогенераторного типа с внутренней положительной обратной связью и внутренней схемной автоматической стабилизацией по входному напряжению питания и температуре, и выходным(и) выпрямителем(и), подключенный по низковольтной стороне непосредственно к бортовой аккумуляторной батарее, а по высоковольтной стороне постоянного тока минусовым потенциалом к центральному электроду, а плюсовым (и) потенциалом (ами) к корпусу камеры сгорания, причем выходы управляющего органа присоединены к взаимосвязанным каналам регулирования частоты и скважности импульсов несущей частоты, на входы полупроводниковых элементов автогенератора через сравнивающие элементы и датчики первичного тока автогенератора, скорости (с тахометра), и задатчик мощности двигателя
- Система электрозажигания по п.8., отличающаяся тем, что выполняет одновременно и функцию впрыска и распыления топлива непосредственно в камеру(ы) сгорания двигателя посредством выполнения центрального электрода полым с калиброванным сквозным отверстием о подключением топливопровода непосредственно через герметичную электроизоляционную втулку к внешнему концу центрального электрода, или через дополнительный топливный насос, например, импульсный электромагнитный насос с игольчатым штоком и запорным шариковым клапаном с диаметром, равным диаметру сквозного отверстия полого центрального электрода, либо через дополнительный электростатический насос, содержащий упомянутую входную электроизолирующую втулку и управляющие запорный и ускоряющий кольцевых электроды, на которые подключены выходы высоковольтного напряжения автогенераторного преобразователя напряжения.
- Способ эксплуатации одноэлектродной свечи зажигания, отличающийся тем, что в условиях длительной эксплуатации свечи и естественного износа рабочей части центрального электрода поддерживают постоянным зазор между торцем центрального электрода свечи и поршнем в его верхней мертвой точке на конкретном ДВС путем систематического вдвигания (ввинчивания) центрального электрода внутрь камеры сгорания относительного электроизолятора с контролем данного зазора по потребляемому первичному току бортового преобразователя напряжения.
- Способ эксплуатации совмещенной “электросвечи - электростатического насоса”, отличающийся тем, что первоначально взаимосвязанно регулируют длину рабочей части полого центрального электрода, рабочего напряжения относительно торца центрального электрода и корпуса двигателя, потенциалы и положение запирающих и ускоряющих электродов до достижения устойчивой работы холодного двигателя на обедненной смеси порядка 1:30 по условию максимума оборотов холостого хода и минимального потребления топлива и электроэнергии от бортового высоковольтного преобразователя напряжения.
- Способ эксплуатации одноэлектродной свечи - насоса в бензиновых ДВС по п.1-12, отличающийся тем, что взаимосвязанное регулирование подачи топлива и одновременно угла опережения зажигания топливной смеси осуществляют изменением величины электрических потенциалов на центральном и ускоряющем электроде свечи от бортового высоковольтного преобразователя напряжения, конкретнее изменением частоты и скважности его импульсов, а независимое изменение угла опережения зажигания при неизменной подаче топлива, например, при изменении оборотов двигателя, осуществляют регулированием потенциала на запорном кольцевом электроде электростатического насоса, независимое регулирование подачи топлива, например, в режиме форсажа, осуществляют изменением (открытием) отверстия диафрагмы на входе полого центрального электрода, либо дополнительным насосом, например, изменением частоты колебаний штока дополнительного линейного электромагнитного насоса с линейно подвижным игольчатым штоком.
