СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ СТРИМЕРНАЯ Российский патент 2001 года по МПК H01T13/20 H01T13/52 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области двигателестроения, в частности к устройствам для принудительного воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, основанным на использовании особенностей как комбинированных, так и обычных традиционных искровых свечей зажигания.

Известна базовая свеча зажигания, содержащая корпус и изолятор со встроенным в него центральным электродом, выступающим за его торец, а также боковые электроды массы, размещенные в плоскости торца изолятора против центрального электрода (см. , например, патент РФ N 2159979, МКИ H 01 Т 13/20, 1999).

В отличие от других комбинированных свечей зажигания с характерным зигзагообразным движением искрового разряда, начинающего путь по торцу изолятора, затем изменяя направление, переходит на его боковую поверхность и, вновь изменяя направление, перескакивает на электрод массы, базовая свеча обеспечивает почти прямолинейное движение искрового разряда. Вследствие этого снижается и необходимое пробивное напряжение до уровня, свойственного обычным искровым свечам зажигания при воздушном зазоре 0,8...0,9 мм.

Однако в процессе испытаний данных свечей было установлено, что на неустановившихся разгонных режимах работы требуется повышенное напряжение пробоя, что не мешает улучшению экономичности и экологичности автомобиля, но существует и опасность пропуска воспламенения смеси на упомянутых неустановившихся режимах работы двигателя.

Известна также свеча зажигания, принятая в качестве прототипа и содержащая корпус, изолятор с торцевой разрядной поверхностью и встроенным центральным электродом, выступающим за разрядную поверхность, и электроды массы, расположенные относительно изолятора с воздушным зазором и образующие с боковой поверхностью центрального электрода основные искровые промежутки (см. патент Великобритании N 1373435, МКИ H 01 Т 13/52, 1974 г.).

Неэффективность данного технического решения состоит в том, что боковые электроды массы размещены относительно боковой поверхности изолятора так, что искровой разряд неизбежно должен перемещаться по сложной траектории, поскольку на уровне торца изолятора размещена верхняя кромка боковых электродов. При такой компоновке искровой разряд при своем движении изменяет несколько раз свое направление, что требует повышенных напряжений пробоя. Электрод, образующий искровой зазор с торцом центрального электрода, скреплен с торцом корпуса свечи и размещен под углом 90^o к основным электродам, т. е. он может выполнять самостоятельную роль и не обеспечит нужную ионизацию пространства в зоне основных электродов, чтобы понизить напряжения пробоя.

Целью настоящего изобретения, т.е. тем техническим результатом, который предполагается получить от использования настоящего изобретения, является повышение эффективности работы свечи путем использования явления стримера для увеличения интенсивности ионизации в зоне возникновения основного электрического разряда, вследствие чего создаются благоприятные условия для устойчивого искрообразования и снижения напряжения пробоя на всех возможных режимах работы двигателя в эксплуатации.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в свече зажигания, содержащей корпус, изолятор с торцевой разрядной поверхностью и встроенным центральным электродом, выступающим за разрядную поверхность, и электроды массы, расположенные относительно изолятора с воздушным зазором и образующие с боковой поверхностью центрального электрода основные искровые промежутки, по меньшей мере, один электрод массы выполнен составным из главной и пусковой частей с обособленными искровыми поверхностями, причем пусковая часть образует вспомогательный искровой зазор с центральным электродом, а основной искровой промежуток образован главной частью и боковой поверхностью центрального электрода.

Кроме того, для усиления эффективности работы могут быть предложены следующие конструктивные особенности выполнения составных элементов свечи, например:
- главная часть электрода массы выполнена сплошной с цилиндрической искроприемной поверхностью, концентричной оси свечи;
- главная часть электрода массы выполнена П-образной с цилиндрической искроприемной поверхностью, концентричной оси свечи;
- пусковая часть электрода массы, формирующая ионизационный пространственный заряд в зоне искрообразования, выполнена двухветвевой с общей для ветвей искроприемной поверхностью, при этом ее оптимальное размещение над торцом относительно центрального электрода выбрано так, что она не затеняет зону искрового разряда между боковой образующей центрального электрода и серединой искроприемной поверхности главной части;
- пусковая часть электрода массы может быть выполнена одноветвевой, предпочтительно заостренной (конусной) формы.

Кроме того, главная часть электрода массы может быть установлена на корпусе свечи, а пусковая часть размещена на главной части и жестко связана с ней или главная и пусковая части электрода массы самостоятельно могут быть связаны с корпусом свечи.

Также вспомогательный искровой зазор может быть образован между пусковой частью и торцом центрального электрода либо между пусковой частью и боковой поверхностью центрального электрода.

Для улучшения очистки искрообразующих элементов и управлением пробоем на торцевой поверхности корпуса свечи выполнены каналы-завихрители.

При этом для всех примеров исполнения конструкции характерно то, что обращенная внутрь кромка цилиндрической искроприемной поверхности главной части электрода массы расположена, по меньшей мере, в плоскости торца изолятора.

Изобретение поясняется чертежами где:
на фиг. 1 показан разрез свечи, у которой главная и пусковая части жестко связаны между собой;
на фиг. 2 - то же с П-образной главной частью;
на фиг. 3 - вид сверху по фиг. 1 и 2 с двухветвевой пусковой частью;
на фиг. 4 - вид сверху по фиг. 1 и 2 с одноветвевой заостренной пусковой частью и каналами-завихрителями;
на фиг. 5 - разрез свечи с одноветвевой пусковой частью, скрепляемой с торцом корпуса свечи;
на фиг. 6 - вид сверху по фиг. 1 и 2 с разделенной главной частью, размещенной вблизи пусковой части;
на фиг. 7 - то же с главной частью, размещенной с одной стороны от пусковой части;
на фиг. 8 - разрез свечи, по меньшей мере, с двумя блоками составных электродов массы, пусковые части которых образуют вспомогательный искровой зазор с торцом центрального электрода;
на фиг. 9 - то же, но пусковые части образуют вспомогательный искровой зазор с боковой поверхностью центрального электрода;
на фиг. 10 - схема выявления эффективности влияния расположения пусковой части электрода массы по отношению к его главной части.

Свеча зажигания содержит корпус 1, изолятор 2 с торцевой разрядной поверхностью и встроенным в него центральным электродом 3, выступающим за разрядную поверхность, и электроды массы 4, расположенные относительно изолятора с воздушным зазором и образующие с боковой поверхностью центрального электрода основные искровые промежутки.

По меньшей мере, один электрод массы выполнен составным из главной 5 и пусковой 6 частей с обособленными искровыми поверхностями, причем пусковая 6 часть образует вспомогательный искровой зазор 7 с центральным электродом 3, а основной искровой промежуток 8 образован главной 5 частью и боковой поверхностью центрального электрода 3.

Главная 5 часть электрода массы может быть выполнена либо в виде сплошной накладки 9 (фиг. 1), либо П-образной формы (фиг. 2), жестко соединенной с корпусом 1, с цилиндрической искроприемной поверхностью 10, в основном, концентричной оси 11 свечи. Причем обращенная внутрь кромка 12 цилиндрической искроприемной поверхности главной 5 части электрода массы расположена, по меньшей мере, в плоскости торца 13 изолятора с точностью ±0,1 мм.

Пусковая 6 часть электрода массы может быть выполнена либо двухветвевой (фиг. 3) с общей для ветвей искроприемной поверхностью, либо одноветвевой (фиг. 4-7).

Кроме того, главная 5 часть электрода массы может быть либо установлена на корпусе 1 свечи, а пусковая 6 часть размещена на главной части и жестко связана с ней (фиг. 1-2), либо главная 5 и пусковая 6 части электрода массы самостоятельно связаны с корпусом свечи (фиг. 4-9).

Вспомогательный искровой зазор 7 образован либо между пусковой 6 частью и торцом центрального электрода 3, либо между пусковой частью 6 и боковой поверхностью центрального электрода 3.

Центральный электрод 3 выступает за пределы торца 13 изолятора 2 на величину до 1/3 своего диаметра, но может и превышать эту величину. Радиус искроприемной цилиндрической поверхности 10 главной 5 части электрода массы равен сумме радиусов центрального электрода и искрового промежутка "1", величина которого равна (R-r)+ δ (см.фиг. 1) и может быть увеличена путем применения изоляторов 2 с развитым торцом 13, т.е. большим R, и увеличения воздушного зазора δ в пределах внутренней полости резьбовой части корпуса свечи, а именно до 3 мм и более.

Для интенсификации очистки элементов искрообразования свечи на торцевой поверхности ее корпуса сделаны каналы-завихрители14, выполненные наклонными к боковой поверхности изолятора 2 и к оси корпуса 1.

Для заявленной свечи зажигания характерным является наличие искрового промежутка между главной 5 частью электрода массы и воздушного зазора между пусковой 6 его частью и центральным электродом 3. Для облегчения оптимизации величин искровых промежутков и зазоров могут быть применены соотношения, основанные на известном законе Пашена, которые в данной трактовке позволяют находить в первом приближении численные значения величин пробивного напряжения U₂ для ряда значений δ и (R-г) + δ, что позволяет оценивать соответствие свечи данной системе зажигания с учетом ε, т.е. степени сжатия конкретного двигателя.

По закону Пашена U_пр = f(Pδ/T),
где p и Т - соответственно давление и температура в цилиндре в момент зажигания при данном δ-воздушном зазоре. Названные величины p и Т - это их значения в конце такта сжатия и начале сгорания, которые целесообразно выражать с использованием известных термодинамических соотношений, которые даются во всех книгах по теории двигателей, и выразить через P_a и Т_a : P = P_c = P_a • и T = Т_c = T_a• тогда отношение

Используя изложенное, приводим формулу, позволяющую определить напряжение пробоя как в комбинированных, так и в обычных свечах при наличии только воздушного зазора.

U_пр - напряжение пробоя свечи зажигания, кВ;
P_a - давление начала впуска, кгс/см²;
Т_a - температура начала впуска, К;
ε- степень сжатия;
δ_изол- величина искрового промежутка над изолятором, см;
δ_возд- воздушный зазор, см;
K₁ = 9195 - коэффициент пропорциональности, K•см•кВ/кгс;
К₂ = 1,985 - коэффициент пропорциональности, см;
К₃ = 3 - коэффициент пропорциональности, см;
К₄ = 1 - коэффициент пропорциональности, см^-1.

При этом
напряжение пробоя вблизи поверхности изолятора свечи зажигания;
напряжение пробоя чисто газового промежутка свечи зажигания.

Учитывая, что важнейшим элементом искрового пробоя на первой стадии является стример, который зарождается от мощной электронной лавины, а в простейшем случае - около анода.

Стримерный (или лидерный пробой) - в виде тонкого плазменного канала от одного электрода к другому, который превращается в искровой, способный пропустить сильный ток. Стримерная стадия разряда занимает промежуточное положение между лавинной и искровой, предшествуя последней, и предопределяется взаиморасположением электродов массы.

Влияние расположения пускового электрода по отношению к основному описывается следующей формулой (фиг. 10)

K - коэффициент влияния энергии пускового электрода на энергию основного электрода. При этом, заранее задаваясь значением K (K≥1), можно определить α, т. е. угол, ограничивающий возможное взаимное расположение основного и пускового электродов: рад

r - радиус центрального электрода;
δ- воздушный зазор между основным электродом и изолятором центрального электрода;
l₁ - расстояние от кромки пускового электрода до центрального электрода.

Предлагаемая свеча работает следующим образом: между центральным электродом 3, боковыми электродами (главной 5 и пусковой 6 частями) прикладывается напряжение, вследствие чего пространство между ними на первой стадии ионизируется, формируя стример вблизи изолятора центрального электрода и усиливая ионизационное поле в зоне, ограничиваемой ветвями пускового электрода массы, что и вызывает электрический разряд между центральным электродом 3 и искроприемной поверхностью главной части 5 электрода массы, который вначале скользит по поверхности торца изолятора, а затем, преодолевая воздушный зазор 8 в том же направлении, перескакивает на поверхность электрода 4 массы. С увеличением искрового промежутка "l" повышается и надежность воспламенения рабочей смеси в камере сгорания двигателя. При этом, на режимах пуска и малых нагрузках работает только пусковая часть 6 электрода массы, а с увеличением нагрузки вступает в работу основной искровой промежуток "l". Благодаря этому обеспечивается устойчивость работы двигателя на всех возможных режимах в эксплуатации, включая и мотоциклетные энергосистемы, обладающими низкими возможностями.

Предлагаемая стримерная свеча зажигания отличается не только новизной, но и высокоэффективна при любых системах питания и зажигания бензиновых двигателей, особенно в расчете на использование забедненных горючих смесей с целью уменьшения расхода топлива и выброса вредных веществ в атмосферу.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области двигателестроения, в частности к устройствам для принудительного воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, основанным на использовании особенностей как комбинированных, так и обычных традиционных искровых свечей зажигания. Сущность изобретения: по меньшей мере один электрод массы выполнен составным из главной 5 и пусковой 6 частей с обособленными искровыми поверхностями, причем пусковая часть 6 образует вспомогательный искровой зазор 7 с центральным электродом 3, а основной искровой промежуток 8 образован главной частью 5 и боковой поверхностью центрального электрода 3. Предложены также различные варианты выполнения главной и пусковой частей электрода массы, их компоновка между собой и относительно корпуса 1 свечи. 10 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Свеча зажигания стримерная, содержащая корпус, изолятор с торцевой разрядной поверхностью и встроенным в него центральным электродом, выступающим за разрядную поверхность, и электроды массы, расположенные относительно изолятора с воздушным зазором и образующие с боковой поверхностью центрального электрода основные искровые промежутки, отличающаяся тем, что по меньшей мере один электрод массы выполнен составным из главной и пусковой частей с обособленными искровыми поверхностями, причем пусковая часть образует вспомогательный искровой зазор с центральным электродом, а основной искровой промежуток образован главной частью и боковой поверхностью центрального электрода. 2. Свеча по п. 1, отличающаяся тем, что главная часть электрода массы выполнена сплошной с цилиндрической искроприемной поверхностью, концентричной оси свечи. 3. Свеча по п. 1, отличающаяся тем, что главная часть электрода массы выполнена П-образной с цилиндрической искроприемной поверхностью, концентричной оси свечи. 4. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что пусковая часть электрода массы выполнена двухветвевой с общей для ветвей искроприемной поверхностью. 5. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что пусковая часть электрода массы выполнена одноветвевой. 6. Свеча по пп.1-5, отличающаяся тем, что главная часть электрода массы установлена на корпус свечи, а пусковая часть размещена на главной части и жестко связана с ней. 7. Свеча по пп.1-5, отличающаяся тем, что главная и пусковая части электрода массы самостоятельно связаны с корпусом свечи. 8. Свеча по пп.1-7, отличающаяся тем, что вспомогательный искровой зазор образован между пусковой частью и торцом центрального электрода. 9. Свеча по пп.1-7, отличающаяся тем, что вспомогательный искровой зазор образован между пусковой частью и боковой поверхностью центрального электрода. 10. Свеча по пп. 1-9, отличающаяся тем, что на торцовой поверхности корпуса свечи выполнены каналы-завихрители. 11. Свеча по пп. 1-10, отличающаяся тем, что обращенная внутрь кромка цилиндрической искроприемной поверхности главной части электрода массы расположена по меньшей мере в плоскости торца изолятора.