СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01T13/20 

Изобретение относится к автомобилестроению и может найти применение во всех типах карбюраторных двигателей.

Известна свеча зажигания карбюраторного двигателя, состоящая из центрального сердечника с изолятором (сердечник свечи) и стального корпуса, в котором он крепится. Корпус имеет нарезную ввертную часть, которой свеча ввернута в нарезное отверстие головки блоков цилиндров двигателя. В нижней части корпуса свечи, ввернутой в головку блока цилиндров, имеется один боковой электрод. Для обеспечения нормальных условий работы свечи зажигания необходимо, чтобы температура нижней части изолятора была в пределах 500-600^оС, при которой сгорает нагар и очищается свеча.

Однако, в этом случае нагрев свечи приводит часто к разрушению изолятора, а переохлаждение вызывает появление нагара. Кроме того, у данного типа свечи воспламенение газовоздушной рабочей смеси происходит между электродами, а это может привести к замедлению процесса воспламенения при пуске двигателя. Это особенно часто проявляется при повышенной влажности или при понижении температуры воздуха.

Известна также свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая металлический корпус, который с помощью изолятора отделен от центрального электрода. На торце корпуса установлен боковой электрод. Часть центрального электрода изготовлена из магнитострикционного материала и размещена в охватывающей ее обмотке возбуждения. Поскольку последняя запитана электрическим током высокой частоты, магнитное поле обмотки возбуждает ультразвуковые колебания части центрального электрода. Это приводит к самоочищению последнего от нагара [1]
Однако, чтобы возбуждать ультразвуковые колебания центрального сердечника, необходимо иметь генератор ультразвуковых колебаний и, кроме того, для этого процесса необходима значительная мощность тока в обмотке возбуждения. Это снижает экономичность, а недостаточная мощность ультразвуковых колебаний центрального сердечника не позволяет избавиться от нагара. Воспламенение также происходит в пространстве между электродами. Это может вызвать сбои при пуске двигателя.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемой свече является свеча зажигания для карбюраторного двигателя, содержащая корпус с боковым электродом, в котором выполнено сквозное конусообразное отверстие соосно с центральным электродом в изоляторе, помещенном в корпус и имеющем каверну, расположенную соосно с конусообразным отверстием в боковом электроде [2]
Однако данное устройство свечи зажигания имеет существенные недостатки. Напряженность электрического поля в этом устройстве наибольшая между острыми кромками каверны в центральном электроде и малой окружностью усеченного конуса в боковом электроде. Вследствие этого плотность тока разряда наибольшая по боковой поверхности цилиндра, верхнее основание которого является малым основанием усеченного конуса, а нижнее совпадает с окружностью каверны в центральном электроде. Таким образом, плотность тока по оси цилиндра мала, так как напряженность электрического поля там меньше на несколько порядков. Следовательно, в данном устройстве воспламенение рабочей смеси происходит в узкой полосе боковой поверхности цилиндра и только в межэлектродном пространстве, что неприемлемо для воспламенения обедненных смесей и требует тщательной регулировки угла опережения зажигания по каждому цилиндру двигателя. Второй недостаток образование нагара вследствие воспламенения смеси в межэлектродном пространстве.

Целью изобретения является исключение нагарообразования путем создания в межэлектродном пространстве кистевого разряда и повышения стабильности работы двигателя в процессе пуска за счет плазменной струи за пределами межэлектродного пространства.

Это достигается тем, что в свече зажигания, имеющей корпус с боковым электродом, в котором выполнено сквозное конусообразное отверстие соосно с центральным электродом в изоляторе, помещенном в корпус, в боковом электроде дополнительно выполнены конусообразные отверстия, расположенные по окружности, радиус которой равен радиусу центрального электрода, края которого выполнены в виде буртика треугольного сечения, а в центре выполнен конусообразный выступ соосно с центральным отверстием в боковом электроде.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемой свечи; на фиг. 2 фрагмент бокового электрода, вид сверху; на фиг. 3 схема, поясняющая взаимодействие зарядов (а обедненные смеси; б обогащенные смеси).

Свеча содержит металлический корпус 1, изолятор 2 с размещенным в нем центральным электродом 3, боковой электрод 4, электрически связанный с корпусом и выполненными в нем центральным конусообразным отверстием 5 соосно центральному электроду и конусообразными отверстиями 6, расположенными по окружности, центр которой осевая линия центрального электрода, а радиус ее равен радиусу центрального электрода. На ее торце выполнен буртик 7 треугольного сечения, а на осевой линии центрального электрода конусообразный выступ 8, вершиной направленный к боковому электроду. Область в межэлектродном пространстве А, область вне межэлектродного пространства В.

Свеча работает следующим образом.

Перед установкой свечи в головке блока цилиндра регулируется зазор между центральным электродом 3 и боковым электродом 4. Боковой электрод 4, как в большинстве свечей подобного типа, имеет изогнутую форму. Изогнутая его часть на фиг. 1 изображена над центральным электродом 3, поэтому в дальнейшем для удобства боковой электрод назван верхним электродом. В верхнем электроде выполнено центральное отверстие (канал) в виде усеченного конуса, вершиной направленного вниз к центральному электроду 3. Причем осевая линия электрода 3 проходит через центр 5 в верхнем электроде. Электрический разряд искра образуется между острыми кромками отверстия 5 и вершиной конусообразного выступа 8, а также между острыми кромками радиально расположенных отверстий 6 и ребром (жалом) буртика 7.

Разряд после электрического пробоя принимает форму пространственного, кистевого разряда. Между кромками отверстия 5 и вершиной конуса 8, расположенного на осевой линии центрального электрода, образуется несколько узких проводящих каналов-стримеров. Аналогичные каналы-стримеры образуются в пространстве между кромками отверстий 6 и вершиной буртика 7. Время образования стримеров ≈10 с. Величина напряженности электрического поля у кромок отверстий верхнего электрода очень высока. При напряженности электрического поля порядка 4,106 В/см происходит эмиссия электронов из катода (в данном случае центрального электрода). Электроны, инжектируемые из нижнего, центрального электрода 3, под действием разности потенциалов устремляются к верхнему электроду 4. В силу большой неоднородности электрического поля вблизи верхнего электрода они вдоль силовых линий в нижней части межэлектродного пространства, приобретя достаточно высокую кинетическую энергию, и благодаря фокусирующему действию стримеров пролетают в отверстия верхнего электрода 4.

Могут иметь место два случая. Первый, когда рабочий процесс в цилиндре происходит при обедненной смеси.

Рассмотрим вначале работу свечи зажигания при наличии в цилиндре обедненной смеси. При возникновении между электродами свечи разности потенциалов электрическое поле в межэлектродном пространстве будет неоднородным. Так, если угол между образующей конуса и его осью симметрии в отверстиях, расположенных по окружности на боковом электроде, меньше, чем этот же угол в центральном отверстии бокового электрода, то напряженность поля в межэлектродном пространстве больше между буртиком центрального электрода и нижними кромками малых отверстий бокового электрода, чем между нижними кромками центрального отверстия и конусообразным выступом центрального электрода.

Рассмотрим этот случай более подробно. Отверстия в боковом электроде образованы в виде конусообразных воронок, вершинами направленными вниз (фиг. 1).

Допустим, что в отверстиях, расположенных по окружности (фиг. 3а), угол θ₁60^о, θ₂ 120^о, потенциал центрального электрода 1000 В. Какова при этом напряженность поля в произвольной точке М между электродами, если расстояние ее от осевой линии 0,5 мм, а угол θ= 120^о.

В сферической системе координат при условии отсутствия в межэлектродном пространстве объемного заряда поле описывается уравнением Лапласа в виде
sinθ 0 откуда sin C₁; ϕ ln tg +C₂ в данном случае
0 С₁lntg30^o + C₂;
1000 C₁ln60^о + C₂, отсюда С₁ 909 В; С₂ 500 В. Потенциал в точке М, ϕ_м 909lntg60 + 500 1000 B. Напряженность поля в точке М
≈
≈ -2100·10³В/м -2100
а при расстоянии точки М от оси на 0,25 мм напряженность поля
= -42
Между тем интенсивная эмиссия электронов из металла возникает уже при напряженности поля 400 КВ/мм (Милликен).

Электроны, инжектированные из электрода 3, под действием разности потенциалов между электродами устремляются с ускорением к электроду 4. Максимальную скорость при этом они приобретают, достигая уровня соответствующего нижней поверхности 4 верхнего электрода (фиг. 2б).

Здесь в качестве аналога можно привести работу обычной вакуумной лампы тетрода или пентода, когда под действием ускоряющего потенциала сетки электроны с катода пролетают на анод.

В данном случае заряженные частицы-электроны и образовавшиеся ионы достигают скорости, достаточной для ударной ионизации. Ударная ионизация газовой смеси проявляется при условии
≥ A1 + где А_i работа ионизации многоатомных молекул паров бензина;
М масса одной молекулы;
m масса электрона (иона).

Скорость образовавшейся в результате ударной ионизации частицы с зарядом и массой m
где ϕ разность потенциалов между электродами.

Образовавшаяся в результате ударной ионизации плазменная струя направлена острием за пределы межэлектродного пространства. Но поскольку диаметр стримера 0,05 мм, то струя плазменного факела будет достаточно узкой и воспламенение обедненной смеси может задержаться.

В этом случае вступает в действие второй механизм образования центрального плазменного факела (фиг. 3). Даже при тех же углах наклона образующей конуса к оси симметрии за счет большего диаметра нижнего центрального отверстия бокового электрода площадь плазменного факела увеличивается. При увеличении угла наклона образующей образование стримеров в центральном отверстии бокового электрода будет происходить с некоторой задержкой, обусловленной ростом потенциала центрального электрода. Плазменный факел имеет в этом случае чечевицеобразную форму и воспламенение происходит как в области вне межэлектродного пространства, как и внутри его. Этот режим работы свечи характерен для обедненных смесей.

Второй случай, когда в цилиндре находится насыщенная смесь. Здесь воспламенение смеси происходит вне межэлектродного пространства. За счет работы электрических полей в отверстиях, расположенных вокруг центрального. В этом случае, как было сказано ранее, плазменная струя приобретает вид длинной иглы и воспламенение смеси происходит за пределами межэлектродного пространства.

При данной конструкции свечи не возникает нагара и улучшается режим запуска двигателя. Предлагаемая конструкция позволит избежать применения громоздких и малонадежных радиоэлектронных устройств, служащих для выбора оптимального угла зажигания. Воспламенение смеси за пределами межэлектроного пространства способствует более полному сгоранию ее и повышает экономичность двигателя.

Использование: в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: свеча содержит корпус 1 с боковым электродом 4, в котором выполнены конусообразные отверстия 5 и 6. Отверстие 5 расположено соосно конусообразному выступу 8 на центральном электроде, а отверстия 6 расположены по окружности, радиус которой равен радиусу центрального электрода 3, края которого выполнены в виде буртика треугольного сечения. Таким образом исключается нагарообразование в межэлектродном пространстве и повыщается экономичность работы двигателя. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая центральный электрод, размещенный в отверстии изолятора, и охватывающий изолятор корпус с боковым электродом, в котором выполнено сквозное центральное конусообразное отверстие, соосное с центральным электродом, отличающаяся тем, что в боковом электроде выполнены дополнительные конусообразные отверстия, расположенные на окружности, радиус которой равен радиусу центрального электрода, в центре торцевой поверхности которого выполнен конусообразный выступ, а по периметру буртик, имеющий треугольное поперечное сечение. 2. Свеча зажигания по п.1, отличающаяся тем, что дополнительные конусообразные отверстия расположены на окружности равномерно. 3. Свеча зажигания по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что угол наклона образующей центрального конусообразного отверстия больше угла наклона образующих дополнительных отверстий. 4. Свеча зажигания по пп.1 3, отличающаяся тем, что площадь основания центрального конусообразного отверстия со стороны центрального электрода больше соответствующих площадей дополнительных отверстий. 5. Свеча зажигания по пп. 1 4, отличающаяся тем, что на буртике центрального электрода выполнены трапецеидальные пропилы по числу дополнительных отверстий. 6. Свеча зажигания по п.5, отличающаяся тем, что участки буртика между пропилами имеют форму остроконечных четырехгранных пирамид, вершины которых расположены на осях соответствующих дополнительных отверстий в боковом электроде. 7. Свеча зажигания по п.6, отличающаяся тем, что дополнительные конусообразные отверстия со стороны центрального электрода имеют различные площади оснований.