Свеча зажигания безискровая с поверхностным барьерным диэлектрическим разрядом
Полезная модель относится к двигателестроению и предназначена для интенсификации химических процессов в топливно-воздушных смесях как на стадии их воспламенения, так и горения в двигателях внутреннего сгорания, энергетических горелках, реформерах, камерах сгорания реактивных и газотурбинных двигателей.
Свеча зажигания содержит корпус (1), расположенный в нем диэлектрик (2)с центральным электродом (3), а рабочая часть диэлектрика (2) выполнена в виде диска (4), плотно прилегающего к торцевой поверхности (5) корпуса (1), при этом рабочая часть электрода (3) выполнена в виде диска (6) диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса (1), плотно прилегающего к поверхности (7) диска (4) диэлектрика (2).
Предлагаемая конструкция безискровой свечи зажигания позволяет повысить эффективность работы за счет образования поверхностного барьерного диэлектрического разряда.
Область техники, к которой относится изобретение
Полезная модель относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использована в энергетическом машиностроении и предназначено для интенсификации химических процессов в топливно-воздушных и топливно-кислородных смесях, как на стадии воспламенения, так и горения в двигателях внутреннего сгорания, энергетических горелках, реформерах, камерах сгорания реактивных и газотурбинных двигателей.
Уровень техники
При воспламенении горючих смесей в двигателях внутреннего сгорания стоит проблема их быстрого поджига в большом объеме и достижения максимальной полноты сгорания топлива. Среди различных технических решений для инициирования воспламенения можно выделить следующие: введение плазмы дугового разряда постоянного тока в камеру сгорания; воспламенение с помощью лазерного излучения; искровое воспламенение. При этом окисление топлива идет по разветвленному цепному механизму [1], в котором существенную роль играют активные центры. Образование активных центров на стадии воспламенения является самым медленным процессом.
Известны устройства, направленные на повышение эффективности воспламенения и сгорания рабочей смеси. Эти устройства делятся на две группы. К первой группе относятся технические решения, в которых эффект достигается путем предварительной подготовки рабочей смеси или ее компонентов: электроразрядная обработка воздуха, обработка топлива электромагнитным полем (RU 2439345, RU 2418978, RU 2161728). Устройство обработки воздуха системой объемных самостоятельных электрических разрядов с заданными параметрами позволяет снизить время воспламенения (время индукции), температуру воспламенения и регулировать скорость распространения фронта горения (заявка на изобретение 
94028477).
В основе второй группы лежат различные модернизации свечей зажигания электроискрового воспламенения рабочей смеси (RU 113881, RU 2106519, RU 2343650, RU 2300164).
Недостатками указанных технических решений являются требование существенных изменений в конструкции двигателей и несовершенство воспламенения рабочей смеси обычным электроискровым способом, который не позволяет существенно снизить время воспламенения рабочей смеси и обеспечить полноту сгорания смеси.
Одним из аналогов предлагаемой полезной модели является техническое решение, в котором воспламенение рабочей смеси осуществляется с помощью стримерной свечи (RU 2176122). В этом изобретении явление стримера используется для предварительной ионизации смеси в зоне возникновения основного электрического разряда, что создает благоприятные условия для устойчивого искрообразования. Для этого прикладывают напряжение между центральным электродом и боковым электродом свечи, что вызывает ионизацию пространства между ними. При этом от центрального электрода вблизи его изолятора развивается стример, усиливается ионизация и создается электрический разряд между центральным и боковым электродом свечи. Изобретение обеспечивает устойчивость искрообразования в двигателях внутреннего сгорания, но не приводит к заметному уменьшению времени воспламенения и полноте сгорания смеси.
Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является свеча зажигания посредством поверхностного разряда (RU 2400887). В этом изобретении разряд в виде искры развивается по поверхности диэлектрика от центрального дискового электрода до бокового кольцевого электрода. Однако использование данной конструкции с применением искрового разряда не приводит к уменьшению времени индукции, времени и полноте сгорания смеси.
Все известные до настоящего времени свечи зажигания не обеспечивают гарантированного возникновения искровых разрядов. Искровой разряд в свечах зажигания воздействует на малый объем смеси, вызывая локальный перегрев малого объема, и не создает количества активных центров, достаточного для протекания цепных реакций окисления топлива. Активные центры в этом случае создаются за счет перегрева, но этот процесс идет медленно. Значительно увеличить количество активных центров и ускорить процесс воспламенения может применение импульсно-периодического наносекундного высоковольтного барьерного разряда [2], [3].
Техническая задача
В основу настоящего изобретения положена задача создать свечу зажигания для инициирования воспламенения топливно-воздушных и топливно-кислородных смесей (с использованием импульсно-периодического наносекундного высоковольтного поверхностного барьерного разряда), которая позволит существенно уменьшить время воспламенения и увеличить полноту сгорания путем интенсификации горение смеси.
Решение задачи
Решением поставленной задачи является свеча зажигания безыскровая с поверхностным диэлектрическим барьерным разрядом для воспламенения горючих смесей, содержащая корпус, расположенный в нем диэлектрик с центральным электродом, согласно полезной модели, рабочая часть диэлектрика выполнена в виде диска, плотно прилегающего к рабочей торцевой поверхности корпуса, при этом рабочая часть электрода выполнена в виде диска, диаметром равным внутреннему диаметру корпуса, плотно прилегающего к торцевой поверхности диэлектрического диска.
Данное устройство поясняется следующими графическими изображениями.
На фиг.1 приведена общая схема полезной модели;
на фиг.2 приведено устройство зажигания поверхностным барьерным разрядом (полезная модель);
на фиг.3 приведено устройство зажигания искровым разрядом (аналог);
на фиг.4 приведены фотографии искрового разряда и развитие воспламенения (аналог);
на фиг.5 приведены фотографии поверхностного барьерного разряда и развитие воспламенения (полезная модель).
Предлагаемая полезная модель (фиг.1) содержит: 1 - центральный электрод; 2 - диэлектрик; 3 - корпус; 4 - диск диэлектрика; 5 - торцевая поверхность корпуса; 6 - диск электрода; 7 - поверхность диска диэлектрика.
Предлагаемая свеча зажигания работает следующим образом. При подаче импульсно-периодического наносекундного высоковольтного напряжения на электрод (1) (фиг.1) от диска (6) электрода (1) по поверхности (7) диска (4) диэлектрика развивается поверхностный диэлектрический барьерный разряд кольцевой формы, при этом замыкание электрической цепи происходит за счет токов смещения в диэлектрическом диске (4) на торец (5) корпуса (3), служащего низковольтным электродом. Воспламенение происходит благодаря наработке в плазме поверхностного диэлектрического барьерного разряда химически активных частиц - атомов, радикалов, возбужденных и заряженных частиц. Эти частицы образуются при столкновении молекул с электронами. Чем больше ток разряда и, следовательно, плотность электронов, тем больше образуется активных частиц. В поверхностном диэлектрическом барьерном разряде ток поддерживается благодаря большой плотности поверхностного заряда на диэлектрике. Величина плотности поверхностного заряда пропорциональна диэлектрической проницаемости диэлектрика и обратно пропорциональна его толщине. Толщина диска (4) диэлектрика (1) выбирается такой, чтобы пробойное напряжение диска было меньше заданной амплитуды высоковольтного импульса. Амплитуда высоковольтного импульса, его длительность, время нарастания переднего фронта импульса и частота повторения импульсов связаны ограничениями, подробно изложенными в [2]. В нашем случае амплитуда высоковольтного импульса выбирается из условия достижения необходимой величины приведенного электрического поля и отсутствия искрового пробоя. Приведенное электрическое поле в барьерном поверхностном разряде достигает 800 Td, что приводит к образованию высокой концентрации активных центров на всей поверхности (7) диска (4) диэлектрика. Таким образом, значительно сокращается время на образование активных центров и воспламенение начинается на всей поверхности (7) диска (4) диэлектрика, что приводит к интенсификации горения.
Работа полезной модели экспериментально подтверждена при исследовании воспламенения топливно-воздушных и топливно-кислородных смесей различными типами разрядов. Использовались два типа устройств.
Устройство, изображенное на фиг.2, для зажигания поверхностным диэлектрическим разрядом (предлагаемая полезная модель). Устройство содержит изолятор (4) с вмонтированными в него центральным высоковольтным электродом (1) и низковольтным электродом (3), а также диэлектрический диск (2). Толщина диска составляла 0.3 мм. Диск может быть выполнен из любой электрокерамики в зависимости от условий работы. В данных экспериментах использовалась пленка ПВХ.
Устройство фиг.3 для зажигания искровым разрядом. Устройство содержит изолятор (4) с вмонтированными в него высоковольтным электродом с иглой (1) и низковольтным электродом с иглой (3). Искровой зазор (2) мог регулироваться и в данных экспериментах составлял 1 мм.
В обоих случаях на высоковольтный электрод подавался импульс напряжения амплитудой 15 кВ. Длительность импульса напряжения была 25 нсек, время нарастания напряжения - 5 нсек.
В приведенном эксперименте использовалась стехиометрическая смесь C2 H6:O2=2,7. Начальное давление смеси в рабочей камере 1 атм. Для высокоскоростной съемки использовалась камера LaVision PicoStar 12HR. На фиг.4 и фиг.5 представлены фотографии развития воспламенения в обоих случаях разрядов.
Анализ фотографий показывает, что весь процесс можно разделить на три стадии. Первая стадия это собственно развитие самого разряда - фиг.4а и фиг.5а. Далее идет вторая стадия, задержка индукции, где воспламенение только зарождается фиг.4б и 4в, фиг.5б. На третьей стадии происходит развитие фронта воспламенения и воспламенение всего объема с резким возрастанием давления. Легко видеть, что применение поверхностного диэлектрического барьерного разряда позволяет значительно сократить время воспламенения, получить более развитый фронт горения и значительно больший объем воспламенения на развитой стадии горения чем в случае искрового разряда.
Выводы
Таким образом, наличие отличительных новых признаков позволяет повысить эффективность работы свечи: значительно уменьшить время воспламенения, получить больший объем воспламенения, интенсифицировать горение. Полезная модель может быть использована в двигателях внутреннего сгорания, в энергетическом машиностроении - энергетических горелках, реформерах.
Литература
1. N.N.Semenov, Nobel Lecture, December 11, 1956.
2. Патент RU 2333381
3. I.N.Kosarev, V.I.Khorunzhenko, E.I.Mintousov, P.V.Sagulenko, N.A.Popov, S.M.Starikovskaia. A nanosecond surface dielectric barrier discharge at elevated pressures: time-resolved electric field and efficiency of initiation of combustion. Plasma Sources Science and Technology. 21 (2012) 045012.
Свеча зажигания безискровая с поверхностным диэлектрическим барьерным разрядом для воспламенения горючих смесей, содержащая корпус, расположенный в нем диэлектрик с центральным электродом (3), отличающаяся тем, что рабочая часть диэлектрика выполнена в виде диска, плотно прилегающего к торцевой поверхности корпуса, при этом рабочая часть электрода выполнена в виде диска диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса, плотно прилегающего к поверхности диска диэлектрика.
