СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H01T13/02 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть с успехом использовано в двигателестроении.

Основным условием нормальной работы двигателей внутреннего сгорания является воспламенение рабочей смеси в цикле сжатия за счет образования искрового разряда между электродами при подаче высоковольтного импульса напряжения на свечу зажигания. Если по какой-либо причине искровой разряд не возникает (имеют место пропуски искрообразования), это приводит к неиспользованию рабочей смеси, вызывающему снижение КПД двигателя внутреннего сгорания, резкому увеличению выбросов СН_х в атмосферу и загрязнению окружающей среды. Таким об разом, свеча зажигания предназначена для гарантированного воспламенения рабочей смеси во всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания, в частности в режиме малых оборотов двигателя (200-1000 об/мин).

Однако все известные до настоящего времени свечи зажигания не обеспечивают гарантированного возникновения искровых разрядов между электродами при пробивном напряжении между ними, превышающем 10 кВ. Указанное пробивное напряжение характерно для оборотов двигателя внутреннего сгорания в пределах 200-1000 об/мин.

Как известно, пробивное напряжение пропорционально произведению давления в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания на величину искрового зазора. Давление в камере сгорания определяется конструкцией двигателя внутреннего сгорания и зависит от степени сжатия, которая имеет тенденцию к увеличению, в частности, за счет использования обедненных смесей, обладающих более высокой детонационной стойкостью. Величина искрового зазора определяет энергию искры, а следовательно, вероятность воспламенения рабочей смеси. В связи с этим зазор устанавливается максимально возможным. В процессе работы свечи зажигания зазор увеличивается за счет электрической эрозии электродов, тем самым увеличивая величину пробивного напряжения.

Как широко известно, свеча зажигания содержит металлический корпус с отбортованной кромкой, изолятор, размещенный внутри металлического корпуса и имеющий буртик, контактирующий с отбортованной кромкой, центральный электрод, расположенный внутри изолятора по его длине, и боковой электрод, соединенный с металлическим корпусом и образующий с центральным электродом искровой зазор.

Так называемые пропуски искрообразования обусловлены возникновением токов утечки через изолятор. Токи утечки возникают на участке соединения металлического корпуса с изолятором, шунтируя искровой зазор. Считается, что ограничение пробивного напряжения искрового зазора обусловлено пробивным напряжением между центральным электродом и корпусом по поверхности наружной части изолятора. Для увеличения пробивного напряжения по этой поверхности на ней выполняются кольцеобразные канавки, увеличивающие протяженность поверхности в направлении оси изолятора. Однако, как показали исследования, пробой по поверхности возникает существенно позже пробоя по толщине изолятора между центральным электродом и корпусом на участке соединения изолятора с корпусом. Указанный участок является наиболее электрически напряженным по следующим причинам. Во-первых, здесь наблюдается так называемый "краевой эффект", т. е. увеличение напряженности электрического поля на краях электродов. Во-вторых, при отбортовке кромки корпуса, осуществляемой путем завальцовки, образуются в большей или меньшей степени острые края, которые за счет малого радиуса скругления приводят к значительному локальному увеличению напряженности электрического поля. В-третьих, на данном участке толщина изолятора минимальна и минимально расстояние между центральным электродом и корпусом. В-четвертых, указанный участок находится под атмосферным давлением в отличие от части изолятора, расположенной внутри корпуса и находящейся под давлением, которое создается в камере сгорания.

Из вышеуказанного следует, что при подаче высокого напряжения происходит ионизация воздуха на указанном участке соединения корпуса с изолятором и возникают значительные токи утечки через изолятор с центрального электрода на корпус. Таким образом происходит шунтирование искрового зазора, препятствующее возникновению искрового разряда. Кроме того, шунтированию способствует разогрев изолятора на указанном участке до 200-300^оС, снижающий его диэлектрические свойства. Шунтирование искрового зазора характерно для всех известных до настоящего времени свечей зажигания.

В основу изобретения положена задача создать свечу зажигания с таким новым элементом, который позволил бы формировать искровой разряд под действием каждого высоковольтного импульса напряжения.

Поставленная задача решается тем, что свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая металлический корпус с отбортованной кромкой, изолятор, размещенный внутри металлического корпуса и имеющий буртик, контактирующий с отбортованной кромкой, центральный электрод, расположенный внутри изолятора по его длине, и боковой электрод, соединенный с металлическим корпусом и образующий с центральным электродом искровой зазор, снабжена кольцеобразным элементом из диэлектрического материала, установленным на расположенной вне металлического корпуса части изолятора и жестко связанным с изолятором и металлическим корпусом, причем кольцеобразный элемент выполнен из диэлектрического материала с удельным электрическим сопротивлением, по меньшей мере равным 10¹⁰ Ом· м, и рабочей температурой, равной по меньшей мере 200^оС, при наличии зазора между отбортованной кромкой металлического корпуса и изолятором на торцовой поверхности кольцеобразного элемента по его периметру выполнен выступ, форма которого повторяет форму зазора, при этом выступ расположен в зазоре.

Предлагаемая свеча зажигания обеспечивает гарантированное возникновение искрового разряда под действием каждого высоковольтного импульса напряжения на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания и при искровых зазорах до 1,5 мм. Естественное увеличение искрового зазора за счет электрической эрозии от 0,7 до 1,5 мм не требует профилактических работ на регулирование величины искрового зазора, а предел изменения величины искрового зазора значительно увеличивает срок службы свечи зажигания. Следствием уменьшения "пропуска искрообразования" является уменьшение образования нагара на стенках камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания и выбросов СНх в атмосферу. Возможность увеличения искрового зазора до 1,5 мм позволяет увеличить энергию искрового разряда, а следовательно, гарантирует воспламенение обедненного и тяжелого топлива.

Конструкция предлагаемой свечи зажигания не требует существенной переналадки технологического процесса.

На фиг. 1 схематично изображена свеча зажигания с кольцеобразным элементом из диэлектрического материала, установленным на изоляторе (частичный продольный разрез); на фиг. 2 показан фрагмент свечи зажигания на участке соединения корпуса с изолятором при наличии на кольцеообразном элементе выступа частичный продольный разрез).

Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания содержит металлический корпус 1 (фиг. 1), в котором установлен изолятор 2. Часть изолятора 2 расположена вне корпуса 1, а другая часть внутри корпуса 1. Корпус 1 имеет участок соединения с изолятором 2. На этом участке отбортованная кромка 3 корпуса 1 контактирует с буртиком 4 изолятора 2. Внутри изолятора 2 по его длине расположен центральный электрод 5, образующий с боковым электродом 6, соединенным с корпусом 1, искровой зазор 7. Боковой электрод 6 может быть выполнен в виде отдельной детали, связанной с корпусом 1 посредством сварки, позволяющей регулировать величину искрового зазора 7 в процессе эксплуатации свечи зажигания. Боковой электpод 6 также может быть выполнен как единое целое с корпусом 1. При этом величина искрового зазора 7 фиксирована и увеличивается в процессе эксплуатации свечи зажигания за счет электрической эрозии материала центрального 5 и бокового 6 электродов соответственно.

Для гарантированного возникновения искрового разряда под действием каждого импульса напряжения изолятор 2 снабжен кольцеобразным элементом 8 из диэлектрического материала с удельным электрическим сопротивлением, по меньшей мере равным 10¹⁰ Ом· м, и рабочей температурой, при которой сохраняются диэлектрические свойства кольцеобразного элементa 8, равной по меньшей мере 200^оС. Кольцеобразный элемент 8 установлен на расположенной вне корпуса 1 части изолятора 2 в непосредственной близости от участка соединения корпуса 1 с изолятором 2 и жестко связан с изолятором 2 и корпусом 1, увеличивая электрическую прочность изолятора 2 на участке соединения. При этом геометрические размеры кольцеобразного элемента 8 выбираются такими, чтобы электрическая прочность изолятора 2 на участке соединения корпуса 1 с изолятором 2 была равна или превышала минимальную электрическую прочность изолятора 2 на участке, расположенном внутри корпуса 1. В качестве диэлектрического материала кольцеобразного элемента 8 могут быть использованы фторопласт, а также фосфатные, органосиликатные и кремнийорганические компаунды.

Кольцеобразный элемент 8, повышающий электрическую прочность изолятора 2 на участке соединения корпуса 1 с изолятором 2, ограничивает токи утечки через изолятор 2 на этом участке. Это обусловливает выбор нижнего предела удельного электрического сопротивления материала кольцеобразного элемента 8. При использовании диэлектрических материалов с более низким удельным электрическим сопротивлением на участке соединения корпуса 1 с изолятором 2 существенно возрастают токи утечки. Указанный нижний предел рабочей температуры диэлектрического материала обусловлен реальной температурой изолятора 2 на указанном участке соединения при работающем двигателе внутреннего сгорания в установившемся режиме. Использование диэлектрического материала с более низкой рабочей температурой может привести к деформации кольцеобразного элемента 8 и, следовательно, резкому снижению его диэлектрических свойств.

Форма участка соединения корпуса 1 с изолятором 2 определяется тем, что при сборке свечи зажигания между отбортованной кромкой 3 корпуса 1 и изолятором 2 может возникнуть зазор (фиг. 2). При наличии такого зазора на торцовой поверхности кольцеобразного элемента 8, обращенной к зазору, по периметру кольцеобразного элемента 8 выполнен выступ 9. Форма выступа 9 повторяет форму зазора, а сам выступ 9 расположен в зазоре.

Свеча зажигания работает следующим образом.

При подаче высоковольтного импульса напряжения от системы зажигания на центральный электрод 5 происходит гарантированный искровой разряд между центральным электродом 5 и боковым электродом 6, обеспечиваемый кольцеобразным элементом 8, который ограничивает токи утечки на участке соединения корпуса 1 с изолятором 2, приводящие к пропускам искрообразования.

В свече зажигания уменьшена чувствительность к увеличению искрового зазора 7 за счет электрической эрозии материала электродов 5, 6 в процессе эксплуатации, что значительно увеличивает ресурс работы свечи зажигания, особенно в варианте с фиксированным искровым зазором 7. Устранение пропусков искрообразования приводит к увеличению КПД двигателя внутреннего сгорания и уменьшению выбросов СНх в атмосферу.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Сущность изобретения: свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания содержит металлический корпус с отбортованной кромкой, установленный в нем изолятор, имеющий буртик, контактирующий с отбортованной кромкой, центральный электрод, расположенный внутри изолятора по его длине, и боковой электрод, соединенный с металлическим корпусом и образующий с центральным электродом искровый зазор. Свеча снабжена кольцеобразным элементом из диэлектрического материала, установленным на расположенной вне металлического корпуса части изолятора и жестко связанным с изолятором для ограничения токов утечки через изолятор на участке его соединения с корпусом. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ для двигателя внутреннего сгорания, содержащая металлический корпус с отбортованной кромкой, изолятор, размещенный в металлическом корпусе и имеющий буртик, контактирующий с отбортованной кромкой, центральный электрод, расположенный внутри изолятора по его длине, и боковой электрод, соединенный с металлическим корпусом и образующий с центральным электродом искровой зазор, отличающаяся тем, что она снабжена кольцеобразным элементом из диэлектрического материала, установленным на расположенной вне металлического корпуса части изолятора и жестко связанным с изолятором и металлическим корпусом. 2. Свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что кольцеобразный элемент выполнен из диэлектрического материала с удельным электрическим сопротивлением по меньшей мере 10^1 0 Ом • м и рабочей температурой по меньшей мере 200^oС. 3. Свеча зажигания по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что при наличии зазора между отбортованной кромкой металлического корпуса и изолятором на торцевой поверхности кольцеобразного элемента по его периметру выполнен выступ, форма которого повторяет форму зазора, при этом выступ расположен в зазоре.