СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01T13/20 H01T13/54 

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания, в частности к устройствам зажигания горючей смеси в карбюраторных двигателях.

Для воспламенения топливных смесей в таких двигателях широко применяют свечи зажигания, содержащие корпус с изогнутым боковым электродом, образующим между своим торцом и боковым электродом искровой зазор (Литвиненко В.В., Сироткин А.П. Эксплуатация электрооборудования легковых автомобилей. М.: ДОСААФ, 1986, с. 119, 120).

Недостатком таких свечей зажигания является экранизация воспламеняющей искры от основного объема воздушно-топливной смеси боковым электродом, что снижает скорость воспламенения рабочей смеси.

Известна свеча зажигания (патент РФ N 2056687, МПК Н 01 Т 13/02, опубл. 20.03.1996), содержащая корпус с колпачком, имеющим отвестия, камеру зажигания и изолятор с центральным электродом, расположенным концентрично корпусу и смещенным к стенке камеры зажигания. При этом верхняя сфера камеры зажигания выполнена в изоляторе со смещением относительно оси корпуса в сторону смещенного конца электрода, а колпачок с ограничительным ободом - выступающим относительно корпуса и перекрывающим отверстие в колпачке.

Такая конструкция свечи позволяет турбулизировать зажигательную смесь и более равномерно распределить ее в верхней сфере камеры зажигания, что способствует быстрому ее воспламенению и выбросу в камеру сгорания двигателя факела зажигания.

Недостатком этой свечи является локализация зоны искообразования от камеры сгорания, что приводит к зависимости воспламенения горючей смеси в этой камере от надежности воспламенения в камере зажигания. Местоположение шнура искрового разряда остается постоянным и при увеличении межэлектродного промежутка за счет выгорания электродов до критической величины искообразование прекращается. Конструкция соединения колпачка с корпусом не обеспечивает компенсации электрической эрозии электродов и надежность воспламенения горючей смеси в камере горения двигателя остается невысокой.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному решению является свеча зажигания по патенту Украины N 15727 (МКИ H 01 T 13/54, опубл. 30.06.1997 , бюл. N 3).

Эта свеча состоит из корпуса, внутри которого жестко закреплен изолятор с центральным электродом, и массового электрода в виде соплового насадка (типа сопла Лаваля), прикрепляемого резьбой к корпусу с последующей фиксацией. При этом центральный электрод снабжен конусным наконечником, обращенным вершиной в сторону среза сопла Лаваля и размещенным между критическим сечением сопла Лаваля и его срезом с образованием между стенкой сопла и наконечником искрового промежутка.

Использование такой свечи позволяет увеличить мощность разрядной плазмы и, таким образом, обеспечить надежное воспламенение рабочей смеси в камере сгорания двигателя.

Однако у этой свечи имеются следующие недостатки:
- громоздкость и сложность конструкции из-за наличия сложного профильного насадка типа сопла Лаваля, прикрепляемого к корпусу при помощи резьбы с последующей фиксацией специальными элементами, существенно увеличивающими габаритами свечи ниже просоединительной части;
- малый угол конуса струи истекающих из соплового насадка продуктов сгорания локализует зону поджига горючей смеси в камере сгорания двигателя, что не позволяет стабилизировать горение смеси и тем самым повысить полноту сгорания топлива, что, в свою очередь, ужесточает тепловой режим работы свечи и требует дополнительных мероприятий по ее охлаждению.

В основу изобретения поставлены задачи усовершенствования свечи зажигания и рабочих процессов в ней, позволяющих упростить ее конструкцию, уменьшить ее габариты, повысить полноту сгорания топливной смеси и одновременно улучшить тепловой режим работы свечи.

Поставленные задачи решаются путем выполнения свечи зажигания для двигателей внутреннего сгорания, содержащей корпус и размещенный в нем изолятор с центральным стержневым электродом, в которой корпус снабжен сужающимся и расширяющимся соплами, образующими со стенками корпуса микрофоркамеру, при этом сужающееся сопло выполнено в виде завихрителя, а переходная часть между соплами - в виде цилиндрического пояска, образующего с центральным электродом кольцевой искровой промежуток, площадь которого связана с объемом микрофоркамеры соотношением 12 S<V<15 S, где V - объем форкамеры в см³, S - площадь кольцевого промежутка в см².

Рабочие поверхности центрального электрода и цилиндрического пояска имеют высокоразвитый микрорельеф с шероховатостью 0,2 - 0,16 мкм и электроэрозионностойкое покрытие, например карбид вольфрама.

Выполнение предлагаемой свечи с микрофоркамерой, образованной зацело с корпусом, а также комбинацией сужающегося и расширяющегося сопел позволило существенно уменьшить габариты свечи и упростить ее конструкцию.

Предлагаемое исполнение микрофоркамеры, а также использование сужающегося сопла в виде завихрителя и переходной части - в виде цилиндрического пояска, образующего с центральным электродом кольцевой искровой промежуток, позволяют полностью заполнить форкамеру на цикле сжатия топливной смесью и избежать ее локализации. При этом из форкамеры после поджига через кольцевой зазор вырываются высокотемпературные газы, воспламеняющие всю топливную смесь, что обеспечивает стабилизацию процесса горения и тем самым способствует более полному сгоранию топлива.

Благодаря математически выведенному соотношению объема микрофоркамеры и площади сечения кольцевого искрового промежутка появилась возможность устанавливать для каждого типа свечей оптимальные размеры, обеспечивая наиболее эффективную их работу без перегрева.

Выполнение рабочих поверхностей центрального электрода и цилиндрического пояска с высокоразвитым микрорельефом способствует формированию многошнуровых разрядов, усиливая воспламеняющий эффект в форкамере, а также обеспечивает высокоскоростное охлаждение свечи. Электроэрозионное покрытие стабилизирует величину межэлектродного зазора в течение всего периода эксплуатации свечи.

Проведенный заявителем поиск по научно-техническим и патентным источникам информации и выбранный из перечня аналогов прототип позволил выявить вышеприведенные отличительные признаки в предложенном техническом решении. Следовательно, предлагаемая свеча зажигания удовлетворяет критерию изобретения "новизна". Проведенный заявителем дополнительный поиск известных технических решений с целью обнаружения в них признаков, сходных с признаками отрицательной части формулы предлагаемой свечи зажигания, показал, что эти признаки не найдены. Следовательно, предлагаемая свеча зажигания удовлетворяет критерию изобретения "изобретательский уровень".

Данное техническое решение удовлетворяет и третьему критерию изобретения "промышленная применимость", т.к. эта свеча может быть успешно использовано в автомобильной промышленности, т.е. указанное выполнение свечи позволяет с минимальными затратами модернизировать существующие серийно выпускаемые свечи без существенной переналадки технологического процесса их изготовления.

Следовательно, совокупность признаков в изобретении позволяет получить технический результат, заключающийся в упрощении конструкции свечи, уменьшении ее габаритов, повышении полноты сгорания топлива и улучшения теплового режима работы свечи.

Изобретение поясняется схематическим чертежом, на котором представлена свеча в продольном разрезе.

Свеча зажигания состоит из металлического корпуса 1, снабженного резьбой для вворачивания в голову ДВС, жестко закрепленного внутри него и выходящего из него наружу керамического изолятора 2, через который пропущен центральный стержневой электрод 3. В корпусе 1 выполнены сужающееся 4 и расширяющееся 5 сопла. Сопло 4 выполнено в виде завихрителя. Между сужающимся 4 и расширяющимся 5 соплами имеется переходная часть 6 в виде цилиндрического пояска, который образует с центральным электродом 3 кольцевой искровой промежуток 7. В собранной свече корпусом 1, изолятором 2, сужающимся соплом 4 и пояском 6 образуется полость в виде микрофоркамеры сгорания 8. Формы и размеры деталей свечи устанавливаются таким образом, чтобы объем V микрофоркамеры 8 и площадь сечения S кольцевого промежутка 7 между центральным электродом 3 и цилиндрическим пояском переходной части 6 подчинялись соотношению 12 S < V < 15 S. Внутренние поверхности центрального электрода 3 и цилиндрического пояска переходной части 6 покрыты электроэрозионно- и термостойким материалом и имеют высокоразвитый микрорельеф с шероховатостью 0,2 - 0,16 мкм. Примером такого покрытия может быть карбид вольфрама.

Работа предлагаемой свечи зажигания происходит следующим образом.

После впрыска порции рабочей смеси в камеру сгорания ДВС при такте сжатия, характеризующемся увеличением давления в камере и уменьшением объема камеры на порядок, топливная смесь инжектируется в микрофоркамеру 8 через кольцевой промежуток 7 между центральным электродом 3 и переходной частью (пояском) 3. Процесс сжатия сопровождается существенным повышением температуры стехиометрической системы топливо - воздух. В конце такта сжатия на электроды свечи подается высоковольтное напряжение. Высокие температура и давление в форкамере интенсифицируют ионизацию межэлектродного промежутка в электромагнитном поле с последующим искрообразованием. Однородный высокоразвитый микрорельеф рабочих поверхностей электродов создает одинаковые условия для формирования одновременно нескольких разветвленных искровых шнуров по периметру кольцевого зазора, причем взаимодействие электромагнитных полей каждого из шнуров друг с другом и одновременно с общим электромагнитным полем свечи приводит к миграции электродных пятен разрядов по поверхностям кольцевого зазора. Семейство перемещающихся разрядов формирует разрядную область, обеспечивающую эффективный поджиг горючей смеси в форкамере.

Процесс горения топливной смеси вновь сопровождается импульсным увеличением давления и температуры в форкамере на порядок, что приводит к высокоскоростному выбросу газопламенного факела в камеру сгорания двигателя, при этом факел за счет завихрителя имеет конусообразную форму с вершиной, обращенной к кольцевому электроискровому промежутку. Форма факела обеспечивает гарантированное воспламенение смеси в основной камере сгорания двигателя, одновременно смягчая термический удар по днищу головки поршня. Высокоскоростной выброс продуктов сгорания из форкамеры приводит к ее самоочистке, включая рабочие поверхности электродов в кольцевом зазоре. Кроме того, наличие температурного градиента на границе свеча - камера сгорания ДВС обеспечивает охлаждение свечи в период горения топливной свечи в форкамере.

Объем форкамеры V и площадь кольцевого межэлектродного промежутка свечи S, представляющего в заявляемой конструкции сопло форкамеры, являются основными геометрическими параметрами, оптимизирующими электрогазодинамику работы свечи и процесс воспламенения топливной смеси в камере сгорания ДВС. При соотношении V>15 S факел, выброшенный из форкамеры, достигает днища головки поршня и вызывает его прогар.

При соотношении V<12 S высота конусообразного факела мала и эффективность воспламенения горючей смеси в камере сгорания снижается. Работа двигателя становится неустойчивой.

При соотношении 12 S<V<15 S основание конусообразного факела не достигает днища головки поршня, объем факела соизмерим с объемом камеры сгорания ДВС, воспламенение рабочей смеси высокоэффективное, сгорание топлива полное.

При рабочем ходе поршня происходит выброс продуктов сгорания топливной смеси из камеры сгорания. Цикл последовательно повторяется в каждом цилиндре.

Из приведенного описания конструкции и работы свечи зажигания видно, что задачи изобретения - упрощение конструкции с одновременным уменьшением ее габаритов, а также обеспечение полноты сгорания топлива и улучшения теплового режима работы свечи - решаются.

Комбинированное воздействие на искровой разряд и поток высокотемпературных газов, истекающих из форкамеры, позволило повысить полноту сгорания топлива, стабилизировать процесс горения топливной смеси и уменьшить тепловую нагрузку на свечу.

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания, в частности к устройствам зажигания горючей смеси в карбюраторных двигателях. Свеча зажигания содержит металлический корпус, внутри которого жестко закреплен керамический изолятор с центральным стержневым электродом. Корпус снабжен сужающимся и расширяющимся соплами, образующими с ним микрофоркамеру. Сужающееся сопло выполнено в виде завихрителя, а переходная часть между соплами - в виде цилиндрического пояска, образующего с центральным электродом кольцевой искровой промежуток. При этом объем форкамеры V связан с площадью сечения кольцевого промежутка S соотношением 12 S < V < 15 S, где V - объем в см³, a S - площадь в см². Рабочие поверхности центрального электрода и цилиндрического пояска выполнены с высокоразвитым микрорельефом шероховатостью Ra = 0,2 - 0,16 мкм и снабжены электроэрозионностойким покрытием, например карбидом вольфрама. Принцип действия такой свечи зажигания основан на комбинации импульсного ускорения плазмы и форкамерного зажигания. Совокупность признаков в изобретении позволяет упростить конструкцию свечи и уменьшить ее габариты, а также повысить полноту сгорания топлива и улучшить тепловой режим работы свечи. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Свеча зажигания, содержащая корпус и размещенный в корпусе изолятор с центральным стержневым электродом, отличающаяся тем, что корпус снабжен сужающимся и расширяющимся соплами, образующими с корпусом микрофоркамеру, при этом сужающееся сопло выполнено в виде завихрителя, а переходная часть между соплами - в виде цилиндрического пояска, образующего с центральным электродом кольцевой искровой промежуток, площадь сечения которого связана с объемом форкамеры соотношением 12 S < V < 15 S. 2. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что рабочие поверхности центрального электрода и цилиндрического пояска выполнены с высокоразвитым микрорельефом шероховатостью Ra = 0,2 - 0,16 мкм и снабжены электроэрозионностойким покрытием, например карбидом вольфрама.