СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H01T13/20 H01T13/32 

Изобретение предназначено для использования в машиностроении, а именно в двигателях внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и др., и относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания.

Известны свечи зажигания, содержащие корпус, изолятор, центральный электрод и изогнутый боковой электрод, образующие с торцевой поверхностью искровой зазор [1, 2]. Основными недостатками свечей данной конструкции являются, во-первых, то, что данная конструкция свечи вносит газодинамическое возмущение в области стенки камеры, которое усиливает турбулентные пульсации у стенок камеры и в окрестности электродов свечи. Во время такта сжатия движение рабочей смеси сопровождается градиентами скоростей, турбулентными пульсациями, которые зависят, к тому же, нелинейным образом от оборотов двигателя [3] . Большой градиент скорости наблюдается у стенок цилиндра в слое порядка 3 мм, причем абсолютная величина градиента при сжатии у стенки сравнима с градиентом скорости при всасывании [3], а высота электродов свечи зажигания, выступающих внутрь камеры сгорания, составляет порядка 3 мм и менее. Искра локализована в чрезвычайно малом объеме и турбулентные пульсации сказываются на интенсивности очага воспламенения и эффективности процесса сгорания смеси. Кроме того, изолятор не защищен от продуктов сгорания и находится в тяжелом тепловом режиме работы. Во-вторых, возникающая в искровом промежутке искра закрыта от основного объема рабочей смеси боковым электродом и вследствие этого воспламенение смеси происходит недостаточно эффективно и надежно. В-третьих, искровой промежуток в данной конструкции свечи жестко не зафиксирован и он может меняться произвольно в процессе работы двигателя из-за температурных напряжений, возникающих в боковом изогнутом электроде, а по условиям эксплуатации искровой промежуток свечи должен иметь конкретный фиксированный размер.

Известна также свеча зажигания [4], содержащая изолятор в корпусе и центральный электрод, имеющий стержневую часть, размещенную в отверстии изолятора, и дисковую часть, над которой образована микрофоркамера, сообщенная с камерой сгорания через кольцевой зазор. Боковой электрод выполнен в виде кожуха, имеющего вид стакана, причем стенки кожуха выполнены сплошными а в днище имеется цилиндрическое отверстие, в котором размещена дисковая часть центрального электрода, диаметр которого равен диаметру торца изолятора.

К недостаткам свечи данной конструкции относится то, что наличие в ней микрофоркамеры не может влиять на процесс воспламенения, т.к. воспламенение горючей смеси от искры с одинаковой вероятностью распространяется как в камеру сгорания цилиндра двигателя, так и в микрофоркамеру. Конструкция самой микрофоркамеры имеет недостаток из-за наличия в ней. изолятора, что ведет к нестабильности и временной неопределенности процессов горения в микрофоркамере.

Кроме того, данная конструкция электродов не позволяет получить в свече объемный коронный разряд, переходящий затем в искровой для параметров импульса высокого напряжения в серийных системах зажигания.

За прототип принята свеча зажигания [5], содержащая кольцевой электрод, цилиндрический изолятор и основной электрод, который закреплен в центральном отверстии изолятора. В кольцевом электроде образовано отверстие, которое удалено от торца основного электрода и сообщается с каналом Вентури, соединяющим камеру предварительного сгорания с камерой сгорания цилиндра двигателя. Величина искрового промежутка между торцом основного электрода и кольцевым электродом не является постоянной из-за геометрической конфигурации торца основного электрода и кольцевого электрода. Искра образуется между рабочим торцом основного электрода и кольцевым электродом.

К недостаткам свечи данной конструкции относится то, что условия воспламенения смеси в камере предварительного сгорания являются нестабильными из-за того, что конструкция кольцевого и торца основного электродов не позволяют получить стабильный искровой разряд, т.к. воспламенение смеси от искры может с одинаковой вероятностью распространяться или в камеру предварительного сгорания, или в канал Вентури, или одновременно в камеру предварительного сгорания и канал Вентури, а это может приводить к нестабильности процесса горения в камере сгорания цилиндра двигателя.

Решаемая техническая задача состоит в поджиге смеси в камере сгорания цилиндра двигателя с помощью факела пламени, вылетающего из свечи зажигания, которое позволит повысить эффективность работы свечи зажигания (повышается экономичность двигателя, снижается содержание вредных веществ).

Указанная техническая задача решается свечой зажигания для двигателя внутреннего сгорания, которая содержит корпус, закрепленный в нем изолятор, стержневой основной электрод, закрепленный в центральном отверстии изолятора таким образом, что рабочий конец электрода выступает из торца изолятора, кольцевой электрод с центральной сквозной полостью, выступающий за торец основного электрода, форкамера, выполненная в кольцевом электроде, окружающая основной электрод и сообщающаяся с камерой сгорания цилиндра двигателя. Согласно изобретению форкамера состоит из основной и дополнительной, основная представляет собой полость кольцевого электрода ниже плоского торца основного электрода, выступающего в нее, а дополнительная - соосную с основной форкамерой цилиндрическую выемку с плоским дном, при этом основная и дополнительная форкамеры сообщены через кольцевой зазор между дном выемки и торцом изолятора, а искровой промежуток образован боковой поверхностью рабочего конца основного электрода и внутренней поверхностью основной форкамеры. Конструкция основного и кольцевого электродов свечи обеспечивает постоянство искрового промежутка. Кроме того, величина искрового промежутка, диаметр основного электрода и внутренний диаметр основной форкамеры выбраны из условия образования коронного разряда.

Поверхность основного электрода и внутренняя поверхность кольцевого электрода могут быть покрыты слоем металла, обладающего каталитической активностью. Конструкция свечи позволяет в начальной фазе обеспечить объемный коронный разряд в искровом промежутке, переходящий затем в искровой разряд, что обеспечивает эффективный поджиг смеси в форкамере. В форкамере процессы турбулентной пульсации практически отсутствуют, т.к. из-за ее конструкции и малых размеров газодинамические процессы в ней быстро приходят в равновесие, рабочая смесь в ней гомогенизируется, и в результате создаются оптимальные условия для надежного воспламенения и горения смеси в форкамере и образования факела пламени, вылетающего из свечи зажигания в камеру сгорания цилиндра двигателя для поджига смеси. Для создания большого гидродинамического сопротивления в кольцевом зазоре между дном выемки и торцом изолятора, величина зазора выбрана не более 0,1 диаметра основной форкамеры.

На часть внутренней поверхности кольцевого электрода могут быть нанесены спиральные пазы для придания вращательного движения и увеличения угла распыла продуктов горения, вылетающих из форкамеры в камеру сгорания.

На чертеже представлена свеча, продольный разрез, где:
1 - корпус;
2 - изолятор;
3 - основной электрод;
4 - кольцевой электрод;
5 - основная форкамера;
6 - искровой промежуток;
7 - кольцевой зазор;
8 - дополнительная форкамера;
9 - спиральный паз
Свеча зажигания содержит закрепленный в корпусе 1 изолятор 2, основной электрод 3 в виде круглого стержня, размещенного в изоляторе. Кольцевой электрод 4 выполнен в виде полого цилиндра, приваренного по краям к торцевой части корпуса или являющегося его продолжением. Внутренняя полость кольцевого электрода, ниже поверхности торца основного электрода, служит основной форкамерой 5. Основной 3 и кольцевой 4 электроды размещены коаксиально, между ними образован кольцевой искровой промежуток 6, выбранный из условия образования коронного разряда. Изолятор 2 частично прикрыт кольцевым электродом 4. Между изолятором 2 и кольцевым электродом 4 образован кольцевой зазор 7 с очень малым сечением, обладающий большим гидродинамическим сопротивлением. Между изолятором 2 и корпусом 1 имеется микрообъем. Поверхность основного электрода и внутренняя поверхность кольцевого электрода могут быть покрыты слоем металла, обладающего каталитической активностью, например платиной.

Свеча работает следующим образом. Во время такта сжатия происходит наполнение рабочей смесью основной форкамеры 5 и дополнительной 8 под давлением. В объем 8 рабочая смесь инжектируется через узкий кольцевой зазор 7 с большой скоростью и в результате происходит дополнительное распыление топлива, поступающего в объем 8. Из-за большого гидравлического сопротивления кольцевого зазора 7 рабочая смесь притормаживается в области искрового промежутка 6. В стадии завершения процесса наполнения основной форкамеры 5 и дополнительной 8 рабочей смесью на основной электрод подается высоковольтный импульс напряжения, вызывающий на его боковой поверхности коронный разряд, переходящий затем в искровой, который надежно поджигает рабочую смесь в форкамере 5. Конфигурацией основного и кольцевого электродов в конструкции свечи достигается постоянство искрового промежутка и стабильность искрового разряда. Конструкция форкамеры свечи обеспечивает стабильное первоначальное воспламенение от искры и распространение пламени по основной форкамере. Факел пламени и продукты горения, образовавшиеся в форкамере 5, выбрасываются в камеру сгорания и надежно воспламеняют основной заряд рабочей смеси. Из-за конечности времени распространения пламени в форкамере 5 необходима небольшая корректировка угла опережения зажигания. Наряду с воспламенением смеси в форкамере 5 происходит также воспламенение смеси в объеме 8. С некоторой задержкой продукты сгорания из объема 8 с большой скоростью истечения через кольцевой зазор 7 выбрасываются в форкамеру 5 и таким образом происходит некоторый "подпор" пламени в форкамере 5, что повышает надежность поджига смеси в камере сгорания.

Процессы поступления смеси с большой скоростью в объем 8, горение смеси в ней с последующим выбросом продуктов горения с большой скоростью через кольцевой зазор 7 в форкамеру 5 способствует очищению изолятора свечи.

Свеча позволяет обеспечить более полную передачу энергии искрового разряда в рабочую смесь, повысить надежность воспламенения смеси и полноту ее сгорания, практически независимо от оборотов двигателя.

Результаты опробования свечой зажигания данной конструкции в двигателе, например, ВАЗ 2106, ВАЗ 21083 подтвердили ее ожидаемые характеристики и ее преимущества по сравнению со штатными свечами зажигания.

Указанное выполнение форкамеры и электродов позволяет также с минимальными затратами модернизировать существующие серийно выпускаемые свечи зажигания для двигателей внутреннего сгорания.

Источники информации
1. Банников С.П. Электрооборудование автомобилей. М.: Транспорт, 1977, с.23.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. А.С. Орлика, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1990, с.161.

3. Семенов Е.С. Исследование турбулентного движения газа в условиях поршневого двигателя. Сб. Cтатей о горении в турбулентном потоке. Дискуссия на общемосковском семинаре по горению при энергетическом институте АН СССР. М., Изд-во АН СССР, 1959, с.141.

4. Патент РФ 2059334. Приоритет 23.09.94. МКИ Н 01 Т 13/20. Опубл. 27.04.96. Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания. Нехорошев Л.А. , Калашников Ю.Д.

5. Заявка WO 9601512 А1,95, опубл. 18.01.96 МПК 6 Н 01 Т 13/54.

Свеча зажигания, используемая в электрооборудовании двигателей внутреннего сгорания как средство воздействия на рабочую смесь для улучшения рабочих характеристик двигателя, может применяться на автомобилях, самолетах и др. и содержит корпус, закрепленный в нем изолятор, стержневой основной электрод, закрепленный в центральном отверстии изолятора так, что рабочий конец электрода выступает из торца изолятора, кольцевой электрод с центральной сквозной полостью, выступающий за торец основного электрода, форкамера, выполненная в кольцевом электроде, окружающая основной электрод и сообщающаяся с камерой сгорания цилиндра двигателя. Форкамера состоит из основной и дополнительной, при этом основная и дополнительная форкамеры сообщены через кольцевой зазор между дном выемки и торцом изолятора, а искровой промежуток образован боковой поверхностью рабочего конца основного электрода и внутренней поверхностью основной форкамеры. Цель изобретения - повышение эффективности работы свечи зажигания и улучшение эксплуатационных характеристик свечи. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус, закрепленный в нем изолятор, стержневой основной электрод, закрепленный в центральном отверстии изолятора так, что рабочий конец электрода выступает из торца изолятора, кольцевой электрод с центральной сквозной полостью, выступающий за торец основного электрода, форкамеру, выполненную в кольцевом электроде, окружающую основной электрод и сообщающуюся с камерой сгорания цилиндра двигателя, отличающаяся тем, что форкамера состоит из основной и дополнительной, основная представляет собой полость кольцевого зазора ниже плоского торца основного электрода, выступающего в нее, а дополнительная - соосную с основной форкамерой цилиндрическую выемку с плоским дном, при этом основная и дополнительная форкамера сообщены через кольцевой зазор между дном выемки и торцом изолятора, а искровой промежуток образован боковой поверхностью рабочего конца основного электрода и внутренней поверхностью основной форкамеры. 2. Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что величина искрового промежутка, диаметр основного электрода и внутренний диаметр основной форкамеры выбраны из условия образования коронного разряда. 3. Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что величина зазора между дном выемки и торцом изолятора выбрана не более 0,1 диаметра основной форкамеры. 4. Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания по пп. 1-3, отличающаяся тем, что поверхность основного электрода и внутренняя поверхность кольцевого электрода покрыты слоем металла с каталитической активностью. 5. Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания по пп. 1-3, отличающаяся тем, что на поверхности основной форкамеры выполнен спиральный паз.