СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО РАЗРЯДА Российский патент 2001 года по МПК H01T13/00 

Изобретение относится к искровым свечам зажигания поверхностного разряда, преимущественно для двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время в связи с возросшими требованиями к токсичности отработанных газов и топливной экономичности автомобилей ведутся работы, направленные на повышение эффективности процесса воспламенения и сгорания топливно- воздушных горючих смесей в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Интенсификация процесса воспламенения и сгорания может быть обеспечена за счет увеличения первичного очага воспламенения, что в свою очередь связано с величиной искрового промежутка.

От величины искрового промежутка существенно зависят рабочие параметры (пусковые характеристики, надежность, мощность, топливная экономичность и токсичность отработавших газов) ДВС. В связи с этим одним из путей улучшения рабочих параметров ДВС является интенсификация процесса воспламенения. Этот процесс ограничивается, в частности, тем, что первичный очаг воспламенения, образованный непосредственно под воздействием искрового разряда в искровом промежутке свечи зажигания, очень мал по объему по сравнению с объемом камеры сгорания и, тем более, по сравнению с объемом цилиндра. Это при неблагоприятных условиях (недостаточные давление, температура и соотношение компонентов рабочей смеси в момент искрообразования) приводит к нестабильности процесса воспламенения. С другой стороны, слишком малый первичный очаг воспламенения ограничивает допустимую для конкретных условий в камере сгорания степень обедненения топливом горючих смесей. Поэтому увеличение размеров искры дает возможность улучшения рабочих параметров ДВС.

В тоже время, размер искрового промежутка свечи зажигания ограничен величиной его пробивного напряжения, которое должно составлять не более 0,7 напряжения, образуемого системой зажигания.

Одним из способов снижения величины пробивного напряжения и обеспечения возможности увеличения искрового промежутка является размещение диэлектрика между центральным и массовым электродами и образование искрового разряда по поверхности изолятора. Свечи зажигания, искровой промежуток которых устроен вышеуказанным способом, называют свечами зажигания поверхностного разряда.

Известна свеча зажигания поверхностного разряда, содержащая металлический корпус с резьбой и установленные в нем керамический изолятор и центральный электрод с рабочей частью, выступающей за торец изолятора со стороны искрового зазора. Роль разрядной поверхности выполняет поверхность торцевой части изолятора, расположенная в плоскости между центральным электродом и корпусом, являющимся электродом массы (см. каталог 1996/971 "Свечи зажигания" фирмы "NGK" (Япония), стр. 37). Изолятор выполнен из материала с одинаково низкой электропроводностью по всему его объему и поверхности. Указанные особенности конструкции свечи приводят к ограничению возможности увеличения искрового промежутка, так как при таких свойствах изолятора с увеличением размера искрового промежутка резко возрастает пробивное напряжение последнего. Это, в свою очередь, приводит к пропускам воспламенения при работе двигателя. Возникает явное противоречие: чем качественнее выполнен изолятор и выше его изолирующие свойства (необходимые для обеспечения надежной изоляции центрального электрода от массы), тем меньшую величину искрового промежутка (а следовательно, и меньший размер искры) приходится устанавливать для обеспечения бесперебойного искрообразования.

Наиболее близкой по техническому решению к достигаемому техническому результату является свеча зажигания поверхностного разряда, содержащая металлический корпус и коаксиально установленные в нем керамический изолятор с разрядной поверхностью на его торцевой части и центральный электрод, образующий вместе с корпусом искровой промежуток. Для уменьшения величины пробивного напряжения искрового промежутка в указанной конструкции предусмотрено использование в качестве разрядной поверхности кольца из полярного диэлектрика, размещенного между электродом и корпусом, при этом наружная часть кольца выполнена заподлицо с нижней кромкой корпуса и выполняет функцию разрядной поверхности с постоянной электропроводностью (см. авторское свидетельство СССР N 1290460, кл. H 01 T 13/00, 1987).

Основным недостатком данной конструкции является то, что разрядная поверхность при работе двигателя покрывается нагаром. Это происходит из-за того, что при постоянной величине электропроводности искрового промежутка между кольцом из полярного диэлектрика и корпусом отсутствует дополнительный зазор, который мог бы служить для повышения рабочей температуры разрядной поверхности. Суммарная величина электропроводности кольца и нагара на его поверхности выше, чем электропроводность окружающей ее топливно-воздушной смеси. При этом бесперебойное искрообразование и соответственно воспламенение прекращаются, так как система зажигания ДВС шунтируется. Кроме того, размещение разрядной поверхности на отдельном полярном диэлектрике, установленном между деталями свечи зажигания с различными коэффициентами термического расширения (работающими в условиях значительного перепада температур при работе ДВС), снижает надежность конструкции, так как это приводит к образованию трещин в полярном диэлектрике.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение искрового зазора свечи зажигания для обеспечения интенсификации процесса воспламенения топливно-воздушных смесей при неизменной величине пробивного напряжения и бесперебойности искрообразования свечи зажигания.

Указанный технический результат достигается тем, что в свече зажигания поверхностного разряда для двигателей внутреннего сгорания, содержащей металлический корпус и коаксиально установленные в нем керамический изолятор с разрядной поверхностью на его торцевой части и центральный электрод, согласно изобретению торцевая часть изолятора расположена с зазором относительно корпуса и имеет поверхностную электропроводность до пробоя выше, чем электропроводность окружающей ее топливно-воздушной смеси, а после пробоя - ниже, а корпус выполнен с концентратором электромагнитного поля.

Кроме того, разрядная поверхность торцевой части изолятора расположена в одной плоскости с торцевой поверхностью корпуса;
разрядная поверхность торцевой части изолятора расположена выше плоскости торцевой поверхности корпуса;
разрядная поверхность торцевой части изолятора расположена ниже плоскости торцевой поверхности корпуса;
торцевая часть изолятора пропитана составами на основе оксидов и/или карбидов металлов, выбранных из II - VI групп Периодической системы Менделеева;
при этом глубина пропитки в каждом сечении, перпендикулярном оси, составляет 0,1 - 0,3 наружного диаметра торцевой поверхности;
торцевая часть изолятора выполнена с каталитическим покрытием, например, на основе платины;
торцевая часть изолятора выполнена как отдельная деталь;
концентратор электромагнитного поля выполнен в виде выступов и/или углублений;
выступы и/или углубления выполнены криволинейного, в частности полукруглого, профиля в сечении, перпендикулярном оси свечи;
выступы и/или углубления выполнены многоугольного сечения;
многоугольное сечение выступов и/или углублений представляет треугольник;
выступы и/или углубления выполнены с уменьшающимся по площади сечением в направлении от торца корпуса;
выступы и/или углубления выполнены в виде жестко закрепленных отдельных пластин, например, посредством сварки или вальцовки;
концентратор снабжен токопроводящим элементом;
токопроводящий элемент выполнен в виде отдельных элементов, соединяющих противолежащие стороны выступов или углублений между собой;
токопроводящий элемент выполнен в виде единого элемента, соединяющего противолежащие стороны всех выступов или углублений между собой;
токопроводящий элемент выполнен в виде тороида;
токопроводящий элемент выполнен с постоянным или переменным сечением.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Между торцевой частью изолятора и корпусом образован кольцевой зазор, создающий дополнительный воздушный искровой зазор, обеспечивающий возможность повысить рабочую температуру разрядной поверхности изолятора до величины, необходимой для самоочищения от нагара. Дополнительный к разрядной поверхности воздушный искровой зазор также обеспечивает интенсификацию процесса воспламенения топливно-воздушной смеси за счет увеличения суммарного размера искры.

Изготовление торцевой части изолятора с конструкцией и свойствами материала, обеспечивающего электропроводность разрядной поверхности изолятора до пробоя выше, чем проводимость окружающей ее топливно-воздушной смеси, а после пробоя - ниже, позволяет увеличить искровой промежуток без увеличения величины пробивного напряжения;
наличие у свечи зажигания дополнительного воздушного искрового зазора позволяет увеличить суммарную величину искрового промежутка;
изготовление поверхности корпуса с концентратором электромагнитного поля позволяет снизить пробивное напряжение суммарного искрового промежутка;
наличие воздушного зазора между торцевой частью изолятора и корпуса, выполняющего дополнительную функцию теплового зазора, обеспечивает повышение рабочей температуры торцевой части изолятора и за счет этого самоочищение от нагаpa, что сохраняет неизменным пробивное напряжение искрового промежутка.

Заявляемая новая совокупность конструктивных элементов, выражающаяся во взаимном расположении деталей свечи зажигания и их выполнении, позволяет обеспечить надежность искрообразования при увеличенном искровом промежутке и интенсифицировать процесс воспламенения топливно-воздушных смесей в ДВС.

Расположение разрядной поверхности выше, ниже или в плоскости торцевой поверхности корпуса свечи позволяет оптимизировать процесс воспламенения топливно-воздушной смеси в ДВС с различной степенью форсирования.

Для стандартного двигателя оптимальным является расположение в плоскости торцевой поверхности корпуса свечи.

Для сильно форсированных ДВС оптимальным является расположение ниже плоскости торцевой поверхности корпуса свечи.

Для мало форсированных ДВС оптимальным является расположение выше плоскости торцевой поверхности корпуса свечи.

Осуществление пропитки торцевой части изолятора составами на основе оксидов и/или карбидов металлов является технологическим вариантом придания необходимых электрических свойств торцевой части изолятора и обеспечивает снижение пробивного напряжения суммарного искрового промежутка.

Глубина пропитки в каждом сечении, перпендикулярном оси, составляет 0,1 - 0,3 наружного диаметра торцевой поверхности.

При уменьшении глубины пропитки менее 0,1 наружного диаметра торцевой поверхности электрические свойства изолятора модифицируются в недостаточной степени для обеспечения снижения пробивного напряжения.

Увеличения глубины пропитки более 0,3 наружного диаметра торцевой поверхности не приводит к повышению положительного эффекта.

Дополнительное каталитическое покрытие торцевой части изолятора (например, платиной) осуществляет интенсификацию процесса воспламенения топливно-воздушной смеси.

Изготовление торцевой части в виде отдельных деталей улучшает технологичность изготовления свечи.

Выполнение концентраторов электромагнитного поля, обеспечивающих снижение пробивного напряжения суммарного искрового промежутка, в виде выступов, углублений, а также их геометрия позволяет помимо создания неоднородности в электромагнитном поле также обеспечить дополнительную вентиляцию воздушного искрового зазора при работе на различных ДВС.

Выполнение выступов и углублений в виде отдельных деталей улучшает технологичность изготовления свечи.

Наличие дополнительного токопроводящего элемента, объединяющего в различных вариантах выступы и углубления концентратора, повышает ресурс работы свечи.

Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показана свеча зажигания поверхностного разряда для двигателей внутреннего сгорания;
на фиг. 2 - 3 показаны варианты расположения торцевой части изолятора;
на фиг. 4 - 5 показаны варианты выполнения торцевой части изолятора;
на фиг. 6 показан вариант выполнения концентратора;
на фиг. 7 - 12 показаны сечения А-А на фиг. 6;
на фиг. 13 показан вариант выполнения выступов и углублений с переменным сечением;
на фиг. 14 показан вариант выполнения концентратора с токопроводящим элементом;
на фиг. 15 - 16 показаны виды В на фиг. 14;
на фиг. 17 показан вариант выполнения токопроводящего элемента;
на фиг. 18 - 19 показаны виды В на фиг. 17;
на фиг. 20 показан вариант выполнения токопроводящего элемента в виде многоугольника переменного сечения;
на фиг. 21 - 22 показаны виды В на фиг. 20.

Свеча зажигания поверхностного разряда для двигателей внутреннего сгорания содержит металлический корпус 1 и коаксиально установленные в нем керамический изолятор 2 с разрядной поверхностью 3 на его торцевой части 4 и центральный электрод 5. Торцевая часть 4 изолятора 2 расположена с зазором 6 относительно корпуса 1. Корпус 1 выполнен с концентратором электромагнитного поля 7.

Разрядная поверхность 3 торцевой части 4 изолятора 2 расположена как в одной плоскости с торцевой поверхностью 8 корпуса 1 (фиг. 1), так и ниже плоскости торцевой поверхности 8 корпуса 1 (фиг. 2) или выше плоскости торцевой поверхности 8 корпуса 1 (фиг. 3).

Торцевая часть 4 изолятора 2 выполнена с пропиткой составами на основе оксидов или карбидов металлов и каталитическим покрытием (фиг. 4) или выполнена в виде отдельной детали 9 (фиг. 5).

Концентратор электромагнитного поля 7 выполнен в виде выступов 10 и углублений 11 (фиг. 6) криволинейного, в частности полукруглого, многоугольного и треугольного, сечения (фиг. 7 - 12).

Выступы 10 и/или углубления 11 выполнены переменного сечения в направлении от торцевой поверхности 8 корпуса 1 (фиг. 13).

Концентратор 7 снабжен токопроводящим элементом 12, который выполнен в виде отдельных деталей, соединяющих противоположные стороны уступов или углублений между собой (фиг. 14, 15, 16).

Концентратор 7 снабжен токопроводящим элементом 12 в виде соединяющей противоположные стороны всех уступов или углублений между собой единой детали, выполненной в виде тороида (фиг. 17, 18, 19).

Токопроводящий элемент имеет переменное сечение (фиг. 20, 21, 22).

Свеча зажигания поверхностного разряда работает следующим образом. При приложении к центральному электроду 5 импульса высокого напряжения, созданного в определенный момент времени системой зажигания, между центральным электродом 5 и металлическим корпусом 1 создается электромагнитное поле. Так как поверхностная электропроводность разрядной поверхности 3 торцевой части 4 изолятора 2 до пробоя искрой выше, чем электропроводность окружающей ее топливно-воздушной смеси, возникает перераспределение напряженности электромагнитного поля от центрального электрода 5 по разрядной поверхности 3 торцевой части 4 изолятора 2 и происходит электрический пробой воздушного искрового зазора 6. Искровой разряд в воздушном искровом зазоре 6 ионизирует окружающие его газы, и электропроводность разрядной поверхности 3 торцевой поверхности 4 изолятора 2 становится ниже, чем электропроводность окружающей ее топливно-воздушной смеси. В результате искровой разряд распространяется на весь суммарный искровой промежуток от центрального электрода 5 до металлического корпуса 1, практически при величине пробивного напряжения, равного пробивному напряжению воздушного искрового зазора 6. При этом обеспечивается бесперебойность искрообразования и интенсификация воспламенения топливно-воздушной смеси.

Таким образом, предлагаемая конструкция свечи интенсифицирует процесс воспламенения топливно-воздушной смеси, а также обеспечивает бесперебойность искрообразования при сохранении неизменным напряжения, вырабатываемого системой зажигания.

Изобретение относится к искровым свечам зажигания поверхностного разряда, преимущественно для двигателей внутреннего сгорания с различной степенью форсирования. Свеча зажигания содержит металлический корпус и коаксиально установленные в нем керамический изолятор с разрядной поверхностью на его торцевой части и центральный электрод. Торцевая часть изолятора расположена с зазором относительно корпуса и имеет поверхностную электропроводность до пробоя выше, чем электропроводность окружающей ее топливно-воздушной смеси, а после пробоя ниже, корпус выполнен с концентратором электромагнитного поля. Разрядная поверхность торцевой части расположена в одной плоскости, ниже или выше торцевой поверхности корпуса. Торцевая часть изолятора пропитана составами на основе оксидов и/или карбидов металлов или с каталитическим покрытием. Концентратор электромагнитного поля выполнен в виде выступов и/или углублений и может быть дополнительно снабжен токопроводящим элементом для повышения ресурса работы свечи. Техническим результатом изобретения является обеспечение интенсификации процесса воспламенения топливно-воздушных смесей при неизменной величине пробивного напряжения, а также бесперебойности искрообразования за счет увеличения искрового зазора и самоочищения от нагара. 18 з.п.ф-лы, 22 ил.

1. Свеча зажигания поверхностного разряда для двигателей внутреннего сгорания, содержащая металлический корпус и коаксиально установленные в нем керамический изолятор с разрядной поверхностью на его торцевой части и центральный электрод, отличающаяся тем, что торцевая часть изолятора расположена с зазором относительно корпуса и имеет поверхностную электропроводность до пробоя выше, чем электропроводность окружающей ее топливно-воздушной смеси, а после пробоя ниже, корпус выполнен с концентратором электромагнитного поля. 2. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что разрядная поверхность торцевой части расположена в одной плоскости с торцевой поверхностью корпуса. 3. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что разрядная поверхность торцевой части изолятора расположена выше плоскости торцевой поверхности корпуса. 4. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что разрядная поверхность торцевой части изолятора расположена ниже плоскости торцевой поверхности корпуса. 5. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что торцевая часть изолятора пропитана составами на основе оксидов и/или карбидов металлов, выбранных из групп II-VI Периодической системы. 6. Свеча по п.5, отличающаяся тем, что глубина пропитки в каждом сечении, перпендикулярном оси, составляет 0,1 - 0,3 наружного диаметра торцевой поверхности. 7. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что торцевая часть изолятора выполнена с каталитическим покрытием, например, на основе платины. 8. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что торцевая часть изолятора выполнена как отдельная деталь. 9. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что концентратор электромагнитного поля выполнен в виде выступов и/или углублений. 10. Свеча по п.9, отличающаяся тем, что выступы и/или углубления выполнены криволинейного, в частности полукруглого, профиля в сечении, перпендикулярном оси свечи. 11. Свеча по п.9, отличающаяся тем, что выступы и/или углубления выполнены многоугольного сечения. 12. Свеча по п.11, отличающаяся тем, что многоугольное сечение выступов и/или углублений представляет треугольник. 13. Свеча по пп.9 - 12, отличающаяся тем, что выступы и/или углубления выполнены с уменьшающимся по площади сечением в направлении от торца корпуса. 14. Свеча по пп.9 - 13, отличающаяся тем, что выступы и/или углубления выполнены в виде жестко закрепленных отдельных пластин, например, посредством сварки или вальцовки. 15. Свеча по пп.9 - 14, отличающаяся тем, что концентратор снабжен токопроводящим элементом. 16. Свеча по пп.9 - 15, отличающаяся тем, что токопроводящий элемент выполнен в виде отдельных деталей, соединяющих противолежащие стороны выступов или углублений между собой. 17. Свеча по пп.9 - 15, отличающаяся тем, что токопроводящий элемент выполнен в виде единой детали, соединяющей противолежащие стороны всех выступов или углублений между собой. 18. Свеча по пп.15 - 17, отличающаяся тем, что токопроводящий элемент выполнен в виде тороида. 19. Свеча по пп.15 - 18, отличающаяся тем, что токопроводящий элемент выполнен с постоянным или переменным сечением.