ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ, ЗНАЧИТЕЛЬНО УМЕНЬШАЮЩАЯ ВРЕМЯ СГОРАНИЯ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H01T13/16 H01T13/20 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с электроискровым зажиганием.

В ДВС электроискровое зажигание используется наиболее часто. В большинстве ДВС электроискровые свечи зажигания (ЭС) расположены так, что искровые промежутки (центры воспламенения топливно-воздушной смеси) лишь незначительно выступают или вовсе не выступают в просвет камеры сгорания. При этом расстояние, пробегаемое фронтом горения от искрового промежутка до наиболее отдаленных от него областей камеры сгорания, максимально велико, а общее время сгорания топливно-воздушной смеси продолжительнее рабочего хода поршня. Чтобы обеспечить достаточно полное сгорание топливно-воздушной смеси и оптимальные характеристики изменения давления в камере сгорания используется "опережающее" зажигание, при котором от момента воспламенения до момента достижения поршнем верхней мертвой точки действует сила, направленная против вращения вала двигателя, заметно снижающая мощность и топливную экономичность ДВС. В связи с этим уменьшение времени сгорания топливно-воздушной смеси является важной технической задачей. Одним из подходов к решению этой задачи является укорочение длины пробега фронта горения топливно-воздушной смеси, что равносильно уменьшению времени ее горения.

Укорочение длины пробега фронта горения достигается разными путями. Например, применением нескольких (2 и более) "обычных" ЭС, расположенных в разных частях одной камеры сгорания (DE 4001819 (Z2, Т9) А1); ИСМ В.65, 1991 г. , 18, с. 18). Использование 2 и более "обычных" ЭС в одной камере сгорания хотя и уменьшает время горения, но в принципе не может привести к максимально возможному его сокращению. При этом значительно усложняется конструкция ДВС.

Уменьшение длины пробега фронта горения и, следовательно, времени горения топливно-воздушрой смеси может достигаться использованием ЭС, у которых части электродов, выступающие в камеру сгорания, существенно удлинены по сравнению с "обычными" ЭС. У таких "удлиненных" ЭС искровой промежуток находится ближе к "отдаленным" областям камеры сгорания. То есть к областям, расположенным возле краев рабочей поверхности поршня, находящегося в нижних положениях.

Предложена ЭС (GB 1227926 А, 15.04.1971), внутрь которой для улучшения характеристик искры встроены катушки индуктивности и у которой пара тонких одинаковых электродов согласно приведенному в описании чертежу довольно значительно выступает в камеру сгорания. Эту ЭС можно рассматривать в качестве прототипа по признаку большой длины частей электродов, выступающих в камеру сгорания. Однако в изобретении не ставится задача сокращения времени горения топливно-воздушной смеси и в формуле изобретения увеличенная длина электродов не упоминается. Кроме того, не указывается охлаждение этих удлиненных электродов, вследствие чего по причине недостаточной теплоотдачи стенке камеры сгорания электроды должны перегреваться и воспламенять смесь подобно свечам накаливания.

При использовании ЭС с электродами, значительно выступающими в камеру сгорания, проблема их охлаждения для предотвращения эффекта воспламенения от накаливания становится актуальной. Если у "обычных" ЭС электроды охлаждаются путем теплопередачи стенкам камеры сгорания, то для удлиненных ЭС такого охлаждения может быть недостаточно.

Описана ЭС для авиационных турбин, в которой поджигающий электрод защищается от перегрева в камере сгорания специальным металлическим экраном и охлаждается обдувающим его снаружи потоком воздуха (RU 2136094 С1, 27.08.99). Такое устройство не может быть использовано в поршневых ДВС.

Имеется ЭС для поршневых ДВС, у которой в область между электродами в такте всасывания подается атмосферный воздух, а в других тактах обратный поток газов перекрывается специальным клапаном (GB 223660; ИСМ, В.102, 1993 г. , 1). В данной ЭС воздух подается не для охлаждения электродов, а для их очистки. Причем охлаждение таким способом не может быть эффективным, поскольку воздух подается не во все такты и рассеивается между электродами и в камере сгорания. Кроме того, подобные клапаны не надежны и не обладают достаточным быстродействием.

Предложена ЭС для газовых турбин, поджигающий электрод которой охлаждается воздухом, продуваемым через находящиеся в нем каналы и попадающим в камеру сгорания (GB 2213874 А, 15.12.1987). Это устройство можно рассматривать в качестве прототипа предлагаемого изобретения по признаку охлаждения протекающим сквозь него воздухом. Подобное устройство трудно применимо для поршневых ДВС. Действительно, охлаждающий воздух самостоятельно может поступать через электрод только в такте всасывания и при этом требуется использовать ненадежный и инертный клапанный аппарат. Либо требуется подача через электрод воздуха под высоким давлением, что чрезмерно усложняет конструкцию ДВС.

В настоящей заявке предлагается устройство ЭС, которая существенно сокращает время горения смеси и в которой по-новому решена проблема охлаждения.

Эта ЭС состоит из тех же конструктивных элементов, что и "обычные" ЭС. У нее имеется: 1) металлический корпус, который с помощью резьбы ввинчивается в стенку камеры сгорания; 2) металлические электроды, один из которых конструктивно соединен с металлическим корпусом свечи, и, следовательно, с корпусом (массой) двигателя ("заземленный" электрод), а другой электрод служит для подачи формирующего искру напряжения ("активный"); 3) изолятор, электрически разобщающий указанные электроды, причем выступающие в камеру сгорания концы электродов разделены искровыми промежутками.

Предлагаемая ЭС имеет следующие существенные признаки:
1. Части электродов, находящиеся внутри камеры сгорания, намного длиннее, чем у широко применяемых ЭС. Эти электроды имеют длину, близкую к величине радиуса цилиндра или больше этого радиуса. Благодаря этому искровой промежуток предлагаемой ЭС может быть установлен в таких областях камеры сгорания, в которых при воспламенении горючей смеси пробег фронта горения до отдаленных областей названной камеры значительно укорачивается. По этой причине приблизительно в той же мере уменьшается и время сгорания смеси (Фиг.1).

2. Электроды предлагаемой ЭС являются полыми, оптимальными по форме, размерам и сечениям (например, трубками). Причем эти полые электроды не открываются в камеру сгорания (не сообщаются с ней). Через электроды, для предотвращения перегрева и появления у свечи калильных свойств (воспламенение горючей смеси от раскаленных электродов) и оптимизации ее тепловых свойств, производится принудительный подвод и отвод воздуха или иного охлаждающего агента (Фиг.3) от подходящего источника разницы давлений.

В зависимости от требований к времени горения смеси длина выступающих внутрь камер сгорания электродов данной ЭС может быть определенной для каждого ДВС. Эти электроды могут быть настолько длинны, что, например, в поршневых ДВС искровые промежутки могут располагаться даже ниже плоскости, проходящей через края рабочей поверхности поршня, находящегося в среднем положении.

Чтобы электроды предлагаемой ЭС не мешали движению поршня, его рабочая поверхность должна иметь соответствующую форму. Например, рабочая поверхность может быть плоской при относительно небольшой длине выступающих в камеру частей электродов ЭС. Или, в случае очень длинных выступающих в камеру сгорания частей электродов ЭС, иметь специальную выемку, куда они погружаются, когда поршень поднимается в верхние положения, в частности в верхнюю мертвую точку. То есть при всех положениях рабочей поверхности поршня должно быть исключено ее касание выступающих в камеру сгорания электродов.

Использование предлагаемой ЭС значительно укорачивает длину пробега фронта горения и время горения смеси. Поскольку в первом приближении общее время горения топливно-воздушной смеси в камере сгорания определяется тем временем, которое необходимо для того, чтобы фронт горения распространился от искрового промежутка до наиболее "отдаленных от него областей" камеры сгорания, то укорочение длины этого пробега пропорционально уменьшает время сгорания топливно-воздушной смеси. На Фиг.2 показано графически, насколько сокращается пробег фронта горения смеси при разных положениях искрового промежутка, то есть при разной длине частей выступающих в камеру сгорания электродов (соответственно и при разрой форме рабочей поверхности поршня). Видно, что для приведенных на чертежах положений искрового промежутка существенно (на 30-50% и даже более) укорачивается длина, которую пробегает фронт горения смеси до наиболее отдаленных от этого искрового промежутка областей камеры сгорания. Здесь отметим, что в данных случаях наиболее отдаленными от искрового промежутка областями камеры сгорания следует считать области возле местоположения краев рабочей поверхности поршня в момент открытия выпускных клапанов. Действительно, к моменту открытия выпускных клапанов горение топливно-воздушной смеси должно в основном заканчиваться, поскольку дальнейшее горение становится неэффективным.

Таким образом, наличие у предлагаемой ЭС "удлиненных" частей электродов, выступающих в камеру сгорания, позволяет производить воспламенение горючей смеси (при той же полноте ее сгорания) гораздо позднее, чем при использовании "обычных" ЭС.

Фиг. 1. Местоположение в камере сгорания искровых промежутков предлагаемой и обычных ЭС.

1 - стенка камеры сгорания; 2 - рабочая поверхность поршня, находящегося в верхней мертвой точке; 3 - углубление в рабочей поверхности поршня.

А - искровой промежуток обычных свечей; Б и В - варианты расположения искрового промежутка у предлагаемых "длинных" ЭС.

Фиг. 2. Сравнение наибольших длин пробегов фронтов горения топливно-воздушнои смеси в камере сгорания в случае предлагаемой и обычной ЭС.

1 - стенки камеры сгорания; 2 - рабочая поверхность поршня, находящегося в нижней мертвой точке; 3 - углубление рабочей поверхности поршня; 4 - местоположение рабочей поверхности поршня в момент открытия выпускных клапанов.

А, Б и В - расположение искровых промежутков у обычной и предлагаемой ЭС (соответствуют Фиг. 1). О - наиболее отдаленная от электроискрового промежутка точка камеры сгорания у поверхности поршня в момент открытия выпускных клапанов.

Отрезок АО показывает длину наибольшего пробега фронта горения в случае обычной ЭС; отрезки БО и ВО показывают длину наибольшего пробега фронта горения в случае предлагаемой ЭС.

Фиг.3. Устройство предлагаемой ЭС.

1 - корпус свечи с резьбой для крепления в стенке головки цилиндров; 2 - полый активный электрод; 3 - полый электрод, имеющий электрический контакт с корпусом свечи; 4 - электрод для подсоединения источника напряжения искры; 5 - диэлектрик, изолирующий активный электрод; 6 - искровой промежуток; 7 - выводы полых электродов с примерным направлением протока воздуха.

Изображенный схематически на Фиг. 1 и Фиг.2 контур клиновидной камеры сгорания сохраняет пропорции реальной камеры сгорания одного из серийных автомобилей с ДВС. Из Фиг.2 следует, что отношение БО к АО составляет 70%, а отношение ВО к АО равняется 60%. То есть пробег фронта горения от электроискрового промежутка до наиболее отдаленной точки камеры сгорания в случае предлагаемой ЭС на 30 и 40% меньше, чем при использовании "обычной" ЭС. Приблизительно на ту же величину уменьшается и время, необходимое для сгорания топливно-воздушной смеси. В свою очередь это позволяет в поршневых ДВС производить воспламенение топливно-воздушной смеси намного позднее.

Если принять длительность эффективного горения смеси в цилиндре (от момента воспламенения до момента открытия выпускных клапанов) на холостом ходу приблизительно равной 150 угловым градусам, то предлагаемая ЭС позволяет сместить точку зажигания на 45-60 угловых градусов позднее обычного. То есть даже на довольно больших оборотах ДВС (4000-5000 и более оборотов в минуту) можно производить зажигание горючей смеси позднее прохождения поршнем верхней мертвой точки. С такой же полнотой сгорания смеси. При этом не возникает силы, направленной против движения вала поршневого ДВС. Следовательно, возрастают топливная экономичность и коэффициент полезного действия ДВС. Кроме того, приблизительно в 2 раза увеличивается скорость первоначального нарастания давления в рабочем такте, так как распространяющийся фронт горения имеет сферическую форму (а не полусферу, как в случае обычной свечи). Благодаря указанным существенным особенностям предлагаемой ЭС обеспечивается существенное возрастание топливной экономичности и коэффициента полезного действия ДВС.

Время горения смеси может быть сокращено еще сильнее при использовании относительно более длинных электродов, чем приведенные на Фиг.1 и 2, с искровым промежутком находящимся еще ближе к "отдаленным" областям камерам сгорания, чем показано на чертеже.

Другим способом увеличения эффективности предложенной ЭС является применение в одной ЭС двух и более независимых искровых промежутков, находящихся возле оси ЭС на оптимальном для данного ДВС расстоянии друг от друга. Например, подобная ЭС может включать в себя два полых "активных" электрода, напряжение искры на которые подается от независимых источников (причем необязательно одновременно) и один полый электрод, соединенный с "массой" ДВС. В этом случае время пробега фронта горения смеси может уменьшаться даже более, чем в 2 раза, а скорость нарастания давления в камере сгорания может увеличиться приблизительно в 4 раза.

Очевидно, что электроды предлагаемой ЭС, расположенные в камере сгорания, вследствие большой длины и недостаточного охлаждения путем теплоотдачи стенке камеры сгорания подвержены перегреву. Это может привести к возникновению у предлагаемой ЭС свойств, присущих свечам накаливания, и преждевременному воспламенению топливно-воздушной смеси. В предлагаемой ЭС, для исключения этого негативного для ДВС явления, электроды (полые, металлические, оптимальной формы и сечения) охлаждаются протекающим через них охлаждающим агентом. Например, воздухом от источников разницы давлений в области дроссельных заслонок. Таким способом в электродах предлагаемой ЭС может поддерживаться тепловой режим, наиболее выгодный для ДВС.

Электроды предлагаемой ЭС, выступающие в камеру сгорания, несмотря на свою относительно большую длину, не мешают движению клапанов. Действительно, эти электроды имеют относительно небольшие поперечные размеры и могут быть расположены в пространстве, находящемся между зонами движения клапанов. Благодаря этому внедрение предлагаемой ЭС не требует значительных изменений конструкций ДВС.

Предлагаемая ЭС открывает большое поле для модификаций: оптимизации расположения и конструкции искрового промежутка (искровых промежутков), оптимизации теплового режима и характеристик изменения давления в рабочем такте, улучшения эксплуатационных качеств, изменения момента зажигания горючей смеси и многое другое.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с электроискровым зажиганием. Электроискровая свеча зажигания для двигателей внутреннего сгорания включает в себя металлические корпус, электроды и разделяющий их изолятор, при этом длина электродов, выступающих в камеру сгорания, близка к величине радиуса цилиндра или больше этого радиуса, причем электроды свечи являются полыми и через них для охлаждения пропускается охлаждающий агент, например воздух. Техническим результатом является уменьшение времени сгорания топливно-воздушной смеси, повышение экономичности ДВС и кпд двигателя. 3 ил.

Электроискровая свеча зажигания для двигателей внутреннего сгорания, включающая в себя металлические корпус, электроды и разделяющий их изолятор, отличающаяся тем, что длина электродов, выступающих в камеру сгорания, близка к величине радиуса цилиндра или больше этого радиуса, причем электроды свечи являются полыми и через них для охлаждения пропускается охлаждающий агент, например воздух.