СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01T13/46 

Изобретение относится к конструированию свечей зажигания, применяемых в двигателях внутреннего сгорания.

Предшествующий уровень техники
Одной из основных проблем двигателей внутреннего сгорания является точная установка момента зажигания воздушно-топливной смеси, поступающей в камеру или камеры сгорания, и получение эффективной искры, способной воспламенить эту смесь. При слишком замедленном или неэффективном зажигании расход топлива и, следовательно, загрязнение воздуха увеличиваются и экономичность работы двигателя падает. Общепринятые свечи зажигания содержат цилиндрический керамический изолятор, герметично устанавливаемый в стальной корпус для обеспечения газонепроницаемости устройства. С одной стороны стальной корпус имеет резьбу для вворачивания свечи в блок цилиндров двигателя. Центральный электрод соосно вставляется в керамический изолятор. Металлический стержень, закрепляющий центральный электрод в корпусе изолятора, служат в качестве клеммы ввода высокого напряжения. Заземляющий электрод расположен выше центрального электрода и имеет электрическую и механическую связь со стальным корпусом. Как центральный, так и заземляющий электрод работают, находясь в камере сгорания двигателя. Искровой разряд такой свечи направлен на ограниченный участок электродов, что вызывает эрозию центрального электрода и, следовательно, снижает срок службы свечи. В свечах других типов применяется несколько заземляющих электродов, например, два или три электрода. Такие электроды привариваются к корпусу свечи. Концы электродов подогнуты к центральному электроду. Заземляющий электрод может быть изготовлен также в качестве отдельного компонента. Однако даже у свечей таких типов из-за износа отмечается уменьшенный срок службы, к тому же их производство затруднено и требует больших затрат.

Более эффективное и более надежное зажигание воздушно-топливной смеси и, следовательно, более устойчивая работа двигателя могут быть достигнуты при использовании свечей с многоискровым разрядом. В свечах такого типа обычно предусматривается применение до трех дополнительных кольцеобразных электродов, которые создают несколько последовательных искровых промежутков. Дополнительные электроды располагаются между центральным и заземляющим электродами на юбке керамического изолятора. Многоискровые разряды при наличии специально обособленных искровых промежутков можно создавать в момент наивысшей концентрации воспламеняемой смеси. Поэтому такие типы свечей способны воспламенять и выжигать очень слабые смеси. Описание свечи такого типа содержится в патенте США N 1465582. Центральный электрод имеет металлический защитный колпачок. Дополнительные металлические кольцеобразные электроды, устанавливаемые на закругленном участке, вставляются с усилием в выточки на керамическом изоляторе. На кромке корпуса свечи имеется ободок, подогнутый в сторону изолятора. У такой свечи зажигания много недостатков. Во время работы двигателя, оборудованного такими свечами, при температурах от 600 до 700^oC металл теряет свое первоначальное напряжение. Благодаря недостаточному отводу тепла от кольцеобразного электрода к керамическому изолятору, металл перегревается, быстро изнашивается и при перегрузке может легко прогореть. Защитный колпачок центрального электрода у свечей такого типа также перегревается во время работы двигателя на этом режиме. Это происходит вследствие того, что колпачок не имеет достаточной тепловой связи с изолятором. Поперечное сечение колпачка недостаточно для поглощения тепла его поверхностью. Поэтому перегрев колпачка и кольцеобразного электрода создает опасность самовозгорания. Более того, загрязнение ободка может стать причиной короткого замыкания в искровом промежутке.

Описание еще одного типа свечи зажигания, в котором применен дополнительный кольцевой электрод, содержится в патенте Великобритании N 2094833. Как центральный электрод, так и дополнительный электрод встроены в корпус свечи. Недостатком этой системы является то, что вершина керамического изолятора (т.е. искровой промежуток) не может быть размещена в камере сгорания в самом выгодном положении. В силу упомянутых причин эти свечи зажигания не получили широкого применения на практике.

Раскрытие изобретения
Устройство свечи зажигания в соответствии с данным изобретением в значительной степени устраняет недостатки, присущие современному состоянию в этой области. Свеча зажигания имеет цельный электро- и теплопроводящий корпус с соединителями, и во внутренней полости которого установлен газонепроницаемый керамический изолятор с центральным электродом, и на выступающей из корпуса юбке изолятора имеется, по меньшей мере, один дополнительный кольцеобразный профилированный электрод, создающий искровой промежуток с одним краем корпуса и с центральным электродом.

Целью изобретения является создание утолщенных наружных кромок дополнительного кольцеобразного электрода. Это увеличит срок службы свечи, поскольку износ металла в местах концентрации разряда сводится до минимума. Утолщение наружных кромок дополнительных кольцеобразных электродов мажет быть осуществлено за счет создания внутренних и наружных буртиков, которые могли бы, например, входить в выточки изолятора или выступить наружу; возможно одновременное применение обоих вариантов.

Дополнительные кольцеобразные электроды имеют, по меньшей мере, два преимущества; размещение наружных кромок способствует возвышению их в одном и том же направлении, и это позволяет обеспечить равномерный износ дополнительных кольцеобразных электродов по обе стороны искрового промежутка. Дополнительные кольцеобразные электроды изготавливаются наложением слоев определенной формы на поверхность усеченного конуса, имеющего более утолщенные верхние и нижние наружные кромки, соответствующие сужающейся юбке цилиндрического керамического изолятора. Этим достигается лучшее рассеивание тепла с юбки керамического изолятора, происходит улучшение общего распределения температуры.

Утолщенная наружная кромка дополнительного кольцеобразного профилированного электрода, расположенная у вершины сужающейся юбки цилиндрического керамического изолятора, находится рядом с концом центрального электрода, выступающего наружу. Утолщенная внутренняя кромка дополнительного кольцеобразного электрода находится по соседству с внутренней кромкой корпуса, выполненной у торца его цилиндрической части за счет внутренней выточки. Таким образом, создается несколько искровых промежутков, расположенных последовательно на конической поверхности керамического изолятора. Промежуток между последовательно расположенными дополнительными кольцеобразными электродами может меняться по размеру и может быть отличен по ширине от промежутка, создаваемого центральным и заземляющим электродами. Наличие выточки на кромках металлического корпуса создает возможность для очистки юбки керамического изолятора и его охлаждения во время работы.

Толщина дополнительного кольцеобразного электрода колеблется от 0.1 до 1.5 мм, в то время как у наружных кромок она увеличивается на 0.2 мм. В обычной практике толщина дополнительных кольцеобразных электродов составляет 0.2 мм. Эти величины обеспечивают минимальную тепловую инерцию и приспособляемость при изменении рабочего режима двигателя. Дополнительные кольцеобразные электроды изготавливаются из азотистого титана (TiN), а корпус - из стали. Поскольку коэффициенты теплового объемного расширения керамического изолятора и дополнительных кольцеобразных электродов должны быть приблизительно одинаковы (в пределах ±15 - 20%), применяется азотистый титан - единственный материал, который удовлетворяет этому требованию.

Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется подробным описанием примеров конкретного выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, где на
фиг. 1 изображена базовая конструкция многоискровой свечи зажигания в соответствии с примером осуществления изобретения;
фиг. 2-4 изображены различные варианты размещения дополнительных кольцеобразных электродов с утолщенными кромками в соответствии с настоящим изобретением.

Варианты осуществления изобретения
Свеча зажигания содержит стальной корпус 1, на одном конце которого имеется резьба для вворачивания в блок цилиндров, и керамический изолятор 2, соосно устанавливаемый в полость корпуса 1. Во внутреннем отверстии корпуса 1 имеется несколько зон с углублениями. Керамический изолятор 2 опирается на металлическое кольцо, изготавливаемое из стали или меди, которое создает плотный контакт между корпусом 1 и изолятором 2, обеспечивая газонепроницаемость свечи и способствуя хорошему отводу тепла от изолятора 2 к корпусу 1 и к блоку цилиндров. Полость корпуса 1 имеет искровой промежуток в резьбовой части корпуса 1 по кромке внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1. На резьбовой части наружного корпуса 1 имеется углубление.

В конце резьбовой части на корпусе 1 имеется внутренняя выточка. Размеры керамического изолятора 2 должны в такой степени соответствовать размерам выточки на корпусе 1, чтобы допуски на размеры этих деталей обеспечивали их сборку с определенным зазором. Керамический изолятор 2 имеет внутреннюю осевую полость по всей его длине. В полости имеется несколько уступов. В полости изолятора 2 устанавливается центральный электрод 9. Этот центральный электрод 9 соединен через токопроводящее уплотнение 10 со стальным стержнем 11, который служит в качестве клеммы ввода высокого напряжения. Уплотнение 10, содержащее медный или свинцовый порошок, является устройством, обеспечивающим газонепроницаемость между стальным стержнем 1 и центральным электродом 9, и служит для изоляции камеры сгорания двигателя от внешней среды. Кроме того, через уплотнение 10 осуществляется электрическая связь между стальным стержнем 11 и центральным электродом 9. Часть цилиндрического керамического изолятора 2, выступающая из корпуса 1, приобретает конусообразную форму и постепенно сужается к наружному концу центрального электрода 9. Начиная от кольца 3 диаметр изолятора 2 постепенно возрастает в направлении к месту ввода высокого напряжения, образуя юбку с профилем усеченного конуса.

На конусообразной юбке керамического изолятора 2 установлены два дополнительных кольцеобразных электрода 4 и 5. Эти кольцеобразные электроды предназначены для создания первого искрового промежутка 6 с верхним краем корпуса 1 и второго искрового промежутка 8 с центральным электродом 9. Еще один искровой промежуток 7 создается между двумя дополнительными электродами 4 и 5. Длина первого искрового промежутка 6 равна 0.4 - 1.5 мм. Предпочтительно, чтобы она находилась в пределах 0,6 - 0,8 мм. Длина других искровых промежутков 7 и 8 находится в пределах 0,6 - 0,8 мм.

Дополнительные кольцеобразные электроды 4 и 5 изготавливаются из TIN, наносимого слоями на общую форму тороида, имеющего более утолщенные верхние и нижние наружные кромки, соответствующие форме юбки изолятора 2; это значит, что внутренний тороидальный диаметр у верхней наружной кромки меньше, чем внутренний тороидальный диаметр у нижней наружной кромки. Дополнительные электроды 4 и 5 находятся в контакте с керамическим изолятором 2, и поскольку они изготовлены из азотистого титана (TiN), коэффициент тепловой расширяемости которого сходен с аналогичным коэффициентом керамического изолятора 2, они находятся в хорошем контакте с изолятором 2. Для наложения слоев TiN на изолятор 2 используется плазменная технология, которая позволяет осуществлять постепенное нанесение тонких слоев TiN на молекулярном уровне. Этот метод обеспечивает крепкое сцепление и хороший перенос тепла на корпус 1 и на блок цилиндров. Толщина дополнительных кольцевых электродов 4 и 5 равна приблизительно 0,2 мм, что обеспечивает минимальную тепловую инерцию, полный отвод тепла и приспособляемость к изменениям в режиме работы двигателя.

Размер искрового промежутка 7 между дополнительными кольцеобразными электродами 4 и 5 может быть скорректирован путем изменения ширины между ними. Дополнительные кольцеобразные электроды 4 и 5 имеют ширину, которая может быть легко изменена; ее размер лимитирует только глубина камеры сгорания. Размер второго искрового промежутка 8, образованного между центральным электродом 9 и дополнительным верхним кольцеобразным электродом 4, зависит от степени конусообразности юбки изолятора. Свеча зажигания может быть установлена в самое выгодное место камеры сгорания путем изменения размеров профилированной части юбки изолятора.

Во время работы двигателя дополнительные кольцеобразные электроды 4 и 5 постепенно разрушаются под воздействием электрического разряда. Чтобы продлить срок службы, производят утолщение их наружных кромок, обращенных к искровым промежуткам 6, 7 и 8. Один конец внутренней кромки корпуса 1 свечи зажигания находится рядом с внутренней утолщенной кромкой нижнего дополнительного кольцеобразного электрода 5. Наружный конец центрального электрода 9 находится рядом с наружной утолщенной кромкой верхнего кольцеобразного электрода 4. Кромки 12 кольцеобразных электродов 4 и 5 могут быть утолщены или за счет внутреннего буртика, то есть за счет углубления в изолятор, или за счет наращивания буртика, обращенного наружу. Расположение буртика 12 и кромки таково, что разрушение кольцеобразных электродов от воздействия электрического разряда происходит при размещении буртиков 12 в одном и том же направлении. Это имеет место по обе стороны соответствующего искрового промежутка. Толщина буртиков 12 приблизительно равна 0.2 мм, хотя, бесспорно, буртики могут быть тоньше и толще. Поэтому принято считать, что полная толщина утолщенных кромок дополнительных электродов 4 и 5 приблизительно равна 0.4 мм. Излишне тонкий слой быстро разрушается от воздействия электрического разряда и химических реакций при высоких температурах и т.д., изготовление же толстого слоя является трудоемким процессом и требует больше времени.

Промышленная применимость
Свеча зажигания в соответствии с данным изобретением предназначена для применения в двигателях внутреннего сгорания.

Изобретение относится к электрооборудованию ДВС и позволяет повысить надежность свечей зажигания и продлить срок их службы. Свеча зажигания имеет сплошной электро- и теплопроводящий корпус с соединителями, во внутренней полости которого расположен газонепроницаемый керамический изолятор с центральным электродом, выступающая юбка которого имеет, по меньшей мере, один кольцеобразный дополнительный электрод, расположенный на выступающей части керамического изолятора и создающий искровой промежуток с одним краем корпуса и с центральным электродом. Наружные кромки дополнительного кольцеобразного электрода утолщены. 7 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Свеча зажигания, содержащая цельный электро- и теплопроводящий корпус с соединителями, во внутренней полости которого установлен газонепроницаемый керамический изолятор с центральным электродом, выступающая юбка которого имеет, по меньшей мере, один дополнительный кольцеобразный электрод, расположенный на выступающей части керамического изолятора и создающий искровой промежуток с одним краем корпуса и с центральным электродом, отличающаяся тем, что наружные кромки дополнительного электрода утолщены. 2. Свеча зажигания по п.1, отличающаяся тем, что наружные кромки дополнительных кольцеобразных электродов утолщены за счет создания внутренних и наружных буртиков. 3. Свеча зажигания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, два дополнительных кольцеобразных электрода и их внутренние и наружные буртики выступают в одном и том же направлении. 4. Свеча зажигания по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что дополнительные кольцеобразные электроды изготовлены из слоев определенной формы, накладываемых на поверхность усеченного конуса, имеющего утолщенные верхние и нижние кромки, соответствующие конусообразности юбки цилиндрического керамического изолятора. 5. Свеча зажигания по п.4, отличающаяся тем, что утолщенная наружная кромка дополнительного кольцеобразного электрода, расположенного у вершины суживающейся юбки цилиндрического керамического изолятора, находится рядом с наружным концом центрального электрода. 6. Свеча зажигания по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что утолщенная внутренняя кромка дополнительного электрода находится рядом с внутренней кромкой корпуса, проточенной у края его цилиндрической части путем углубления. 7. Свеча зажигания по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что толщина дополнительного кольцеобразного электрода находится в пределах 0,1 - 1,5 мм, в то время как у наружных кромок толщина увеличена на 0,2 мм. 8. Свеча зажигания по пп.1 - 7, отличающаяся тем, что по меньшей мере, один дополнительный кольцеобразный электрод изготавливается из азотистого титана (TiN), а корпус - из стали.