ИОНИЗАЦИОННАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H01T13/20 H01T13/50 

Изобретение относится к электрооборудованию автомобилей, в частности к многоискровым системам зажигания двигателей внутреннего сгорания, касается конструкции свечи.

Известны системы зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащие контактный прерыватель, включенный в цепь первичной обмотки катушки зажигания, вторичная обмотка которой соединена через высоковольтный распределитель со свечами зажигания, конструкция которых включает металлический корпус, изолятор с вмонтированным центральным электродом, боковой электрод, вмонтированный в торец корпуса (Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Автомобильные двигатели внутреннего сгорания. - Л.: Высшая школа, 1970; Патент Франции 2217554, кл. F 02 Р 37/00, 1972).

Недостатком таких систем зажигания является то, что они не обеспечивают надежный пуск двигателя при отрицательных температурах из-за малой длительности искрового разряда в свечах зажигания.

Для повышения стабильности работы и улучшения пусковых характеристик двигателя созданы многоискровые системы зажигания, у которых после размыкания контактов прерывателя силовой транзистор коммутирует ток в цепи первичной обмотки катушки зажигания с частотой, определяемой частотой колебания автогенератора, и на свечах двигателя образуется многоискровой разрядный процесс (Электроника, 20, 1976; Авторское свидетельство СССР 808680, кл. F 02 Р 1/00, 1981; Авторское свидетельство СССР 812955, кл. F 02 Р 3/04, 1981).

Однако такие многоискровые системы зажигания не оказывают заметного влияния на экономические показатели работы двигателя внутреннего сгорания.

Известно техническое решение, когда для интенсификации искрообразования на свечах зажигания и повышения полноты сгорания рабочей смеси в камере сгорания во впускном тракте двигателя внутреннего сгорания дополнительно монтируют электроды, на которые от автономного источника подают высокое напряжение порядка 4 кВ. Ионизатор выполняют в виде концентричных изолированных труб, установленных с определенным зазором и снабженных на поверхности иглами (Мещеряков Г.И. и др. Невидимое воздействие // Изобретатель и рационализатор, 11, 1967).

Основной недостаток указанного аналога состоит в том, что ионизация рабочей смеси производится во впускном тракте вне камеры сгорания. При дальнейшем движении в камеру сгорания ионизованная рабочая смесь достаточно длительное время контактирует с металлическими элементами двигателя, и происходит рекомбинация ионов (т.е. существенно теряется эффект ионизации).

Указанный недостаток устраняется в известном изобретении, когда непосредственно в камере сгорания во время рабочего цикла двигателя высокочастотное напряжение подают на искровой промежуток свечи зажигания, величину которого регулируют (Авторское свидетельство СССР 931933, кл. F 02 Р 7/02, 1982).

Недостатком данного аналога является сложность конструктивно-технологического выполнения и эксплуатации двигателя внутреннего сгорания.

Общим недостатком рассмотренных аналогов является невозможность ионизации рабочей смеси во всем объеме камеры сгорания в конце такта сжатия (перед воспламенением от свечи зажигания).

Известна также конструкция свечи зажигания для двигателя внутреннего сгорания (прототип), имеющая металлические корпус, изолятор с вмонтированным центральным электродом, общий "массовый" электрод, закрепленный на корпусе и установленный относительно центрального электрода с зазором, противолежащие друг другу поверхности электродов выполнены с острыми поверхностными элементами типа выступов, бугорков, прорезей. При этом величина острых поверхностных элементов составляет 10-20% от толщины общего бокового электрода. Расстояние между элементами составляет не менее половины их величины (Патент Российской Федерации 2084998, кл. H 01 Т 13/20, 1995). В данной конструкции свечи обеспечивается улучшение ионизации рабочей смеси в искровом промежутке за счет интенсификации электрического разряда с острых поверхностных элементов электродов.

Существенным недостатком указанного прототипа, как и у выше рассмотренных аналогов, является также невозможность ионизации рабочей смеси во всем объеме камеры сгорания в конце такта сжатия. При этом искровой промежуток с острыми поверхностными элементами типа выступов, бугорков, прорезей хотя и является наиболее благоприятным для искрообразования, но в нем одновременно имеют место микроэрозионные явления, разрушающие поверхности электродов путем оплавления, испарения и выброса материала, из-за чего требуются частые регулировки зазора свечей зажигания. К тому же электроды с острыми поверхностными элементами типа выступов, бугорков, прорезей сложнее в конструктивно-технологическом исполнении.

В общем случае пламя в камере сгорания преодолевает определенное сопротивление при распространении, величина которого во многом также зависит от степени ионизации сжатой рабочей смеси. Этим в основное определяется скорость распространения фронта пламени в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания. Указанное сопротивление будет еще больше при бедной рабочей смеси, т.к. ослабляется подпитка фронта пламени энергией окисления (горения) частиц топлива, находящихся на большем друг от друга расстоянии в сравнении с нормальной или обогащенной рабочей смесью.

Сопротивление распространению фронта пламени существенно уменьшится, если ионизировать рабочую смесь и озонировать часть кислорода воздуха во всем объеме камеры сгорания предварительно перед воспламенением от свечи зажигания. Это позволяет сформулировать теоретические предпосылки заявляемого технического решения - искровому разряду должен предшествовать коронный разряд во всем объеме камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания. Тогда увеличится скорость распространения фронта пламени, повысится полнота сгорания топлива, двигатель сможет работать на бедной рабочей смеси. Ионизация рабочей смеси и частичное озонирование кислорода воздуха, что подтверждено опытом, препятствует образованию перекисей в процессе сгорания и является также антидетонатором.

Целью заявляемого изобретения является улучшение пусковых характеристик, уменьшение удельного расхода топлива и вредных выбросов в атмосферу, повышение антидетонационных свойств двигателя внутреннего сгорания.

Поставленная цель достигается тем, что у ионизационной свечи зажигания, получающей высоковольтные импульсы от многоискровой системы зажигания, центральный электрод выполнен с коническим заострением, вершина и основание которого расположены от торца корпуса на расстояниях соответственно 4,5-11,0 мм и 1,5-4,0 мл, а сам корпус и общий "массовый" электрод выполнены как единое целое.

На чертеже изображена предлагаемая ионизационная свеча зажигания. Предлагаемая свеча, как и серийно производимая по ГОСТ 2043-74, имеет металлический корпус 1 и изолятор 2 с встроенным центральным электродом 3. Но в отличие от известных центральный электрод выполнен с заостренной вершиной, расположенной на расстоянии до 11 мм от торца корпуса свечи, что позволяет обеспечить ионизацию рабочей смеси и озонирование части кислорода воздуха в полном объеме камеры сгорания, а также существенно уменьшить ее износ. Корпус 1 и общий "массовый" электрод выполнены как единое целое, т.е. сам корпус 1, а именно его внутренняя угловая кромка торца, является одновременно и общим "массовым" электродом, что проще, дешевле, технологичнее.

Ионизационная свеча зажигания работает следующим образом.

При подаче высоковольтных импульсов от многоискровой системы зажигания на свече от первого импульса искрового разряда не происходит, так как зазор S между центральным электродом 3 и корпусом 1 достаточно велик (в пределах 3-4 мм). Вместо искрового разряда при первом высоковольтном импульсе происходит коронный разряд с заостренной вершины, ионизируется сжатая в камере сгорания рабочая смесь и озонируется часть кислорода воздуха. При ионизации значительно уменьшается электрическое сопротивление воздуха в камере сгорания, и при втором и последующих высоковольтных импульсах происходят искровые разряды между цилиндрической поверхностью центрального электрода 3 и внутренней (угловой) кромкой торца корпуса 1. Так как зазор S в 3-8 раз больше зазора между электродами серийных свечей, то и искровой разряд происходит настолько же мощнее. Поскольку рабочая смесь предварительно ионизована и частично озонирован кислород воздуха, то и сгорание ее (как изложено выше) происходит полнее, быстрее и с меньшими тепловыми потерями, а также повышаются антидетонационные свойства двигателя.

Нами в процессе экспериментов установлено, что при отношении B:S до 1,6-1,7 искровой разряд происходит через заостренную вершину центрального электрода 3, что крайне нежелательно, т. к. в процессе эрозии быстро притупляется вершина. Это объясняется тем, что сопротивление прохождению искрового разряда состоит из сопротивления стеканию электричества с поверхности электрода и сопротивления среды искрового промежутка. Известно, что сопротивление стеканию электричества минимально с острия, поэтому суммарное сопротивление остается минимальным при В:S до 1,6-1,7, хотя и В>S.

При отношении В:S более 1,7 наблюдается желаемый искровой разряд от цилиндрической поверхности центрального электрода 3. Поэтому при конструировании свечи отношение В:S необходимо принимать в пределах 2-3. У серийных свечей по ГОСТ 2043-74 внутренний диаметр корпуса 1 составляет 8,5 мм, при котором зазор S получается равным 3 мм. Имеется возможность увеличения зазора S до 4 мм за счет растачивания корпуса 1 со стороны торца на глубину 4-5 мм. Поэтому величину S принимаем в пределах 3-4 мм.

В результате простого геометрического расчета получаем, что величина Н при S= 3 мм и B:S=2 равна 4,24 мм, а при S=4 мм и B:S=3 равна 10,79 мм. Округленно величину H можно принять в пределах 4,5-11,0 мм.

Для того чтобы искровой разряд происходил только с цилиндрической части поверхности центрального электрода 3 и не заходил на коническую часть, величина h (расстояние от торца корпуса свечи до основания конуса заострения центрального электрода) должна быть не менее 1 мм. При конструировании свечи можно принимать величину h в пределах 1,5-4,0 мм.

Для нормальной работы ионизационной свечи зажигания необходимо, чтобы длина резьбовой части корпуса свечи (за исключением толщины уплотнительного кольца) была равна длине резьбового отверстия в головке цилиндров, т.е. торец корпуса свечи не должен утопать в резьбовом отверстии по отношению к поверхности камеры сгорания.

Как показали испытания на автомобиле, предлагаемая ионизационная свеча зажигания обеспечивает экономию топлива до 25%, возможность работы двигателя вместо бензина АИ-92 на бензине А-76, содержание СО в отработавших газах не более 0,4% (вместо нормативного не более 1,5%). Двигатель в холодную погоду запускается достаточно легко и работает существенно "мягче".

Изобретение относится к электрооборудованию автомобилей, в частности к многоискровым системам зажигания двигателей внутреннего сгорания, и касается конструкции свечи. Ионизационная свеча зажигания содержит металлический корпус, изолятор со встроенным центральным электродом и общий "массовый" электрод; центральный электрод выполнен с коническим заострением, вершина и основание которого расположены от торца корпуса на расстояниях соответственно 4,5-11,0 мм и 1,5-4,0 мм, а сам корпус и общий "массовый" электрод выполнены как единое целое. Техническим результатом является улучшение пусковых характеристик, уменьшение удельного расхода топлива и вредных выбросов в атмосферу, повышение антидетонационных свойств двигателя внутреннего сгорания. 1 ил.

Ионизационная свеча зажигания, содержащая металлический корпус, изолятор со встроенным центральным электродом и общий "массовый" электрод, отличающаяся тем, что центральный электрод выполнен с коническим заострением, вершина и основание которого расположены от торца корпуса на расстояниях соответственно 4,5-11,0 мм и 1,5-4,0 мм, а сам корпус и общий "массовый" электрод выполнены как единое целое.