ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ОХЛАЖДАЕМАЯ ПРОТЕКАЮЩИМ ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРОДЫ ВОЗДУХОМ И СОКРАЩАЮЩАЯ ВРЕМЯ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ Российский патент 2004 года по МПК F01P1/10 H01T13/16 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), в которых топливно-воздушная смесь воспламеняется с помощью электрических свечей зажигания (ЭС).

Электроды ЭС, выступающие в камеру сгорания, работают в условиях весьма высокой температуры рабочих газов. Поэтому эффективное охлаждение электродов является важной технической задачей. Ее оптимальное решение улучшает рабочие качества ЭС, предотвращает появление у ЭС свойств свечей накаливания, увеличивает надежность и долговечность. ЭС для ДВС обычно сконструированы так, что электроды незначительно выступают в камеру сгорания, вследствие чего центры воспламенения смеси (искровые промежутки) находятся в непосредственной близости к ее стенке. При этом достаточное охлаждение электродов достигается путем теплопередачи стенке камеры сгорания. Однако подобный способ охлаждения не всегда достаточно эффективен. Кроме того, он ограничивает возможности применения иных конструкций ЭС. Например, с выступающими в камеру сгорания “длинными” электродами.

Предлагаются иные способы охлаждения электродов. Описана ЭС для поршневых ДВС, у которой в область между электродами (для их чистки, но не охлаждения) в такте всасывания поступает воздух, а в других тактах обратный поток газов перекрывается специальным клапаном (см. патент Великобритании №2236360 А, МПК H 01 T 13/40, опубл. 03.04.1991). Охлаждение таким способом не может быть эффективным, так как воздух подается не во все такты и рассеивается между электродами. Вместе с этим подобные клапаны не обладают достаточным быстродействием.

Описана ЭС для газовых турбин, охлаждаемая воздухом, продуваемым через находящиеся в электродах каналы и попадающим в камеру сгорания (см. патент Великобритании №2213874 А, МПК H 01 T 13/16, опубл. 23.08.1989). Эту ЭС трудно применить в поршневых ДВС. Действительно, охлаждающий воздух самостоятельно может поступать через электрод только в такте всасывания. Для предотвращения обратного тока газов во время рабочего такта необходимо либо использовать ненадежный и инертный клапанный аппарат, либо подавать воздух под высоким давлением, что заметно усложняет конструкцию ДВС.

Предлагаемая ЭС состоит из тех же конструктивных элементов, что и “обычные” ЭС. У нее имеются: металлический корпус, крепящийся в стенке камеры сгорания; 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 воспламеняющего горючую смесь напряжения (“активный” электрод); изолятор, электрически разделяющий электроды ЭС. При этом длина частей электродов от искровых промежутков до стенки камеры сгорания составляет более 10% величины радиуса цилиндра.

Предлагаемая ЭС имеет следующие существенные отличия:

1. Электроды ЭС являются полыми, оптимальными по форме, размерам и сечениям (например, трубками), они не открываются в камеру сгорания и сквозь них для охлаждения пропускается воздух или иной охладитель (фиг.1).

2. Электроды выступают внутрь камеры сгорания на длину, которая составляет более 10% величины радиуса цилиндра (фиг.3, 4).

Фиг.1 - примерная схема конструкции предлагаемой ЭС с одним искровым промежутком.

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

Подчеркнем, что на фиг.1 изображена лишь принципиальная схема устройства предлагаемой ЭС. Конструкция этой ЭС, форма, конструкция, длина и ориентация выступающих в просвет камеры сгорания электродов и разделяющего их изолятора, расположение в камере сгорания электроискровых промежутков и их количество на одной ЭС для каждого конкретного типа ДВС могут быть разными.

Как видно на фиг.1, электроды предлагаемой ЭС являются полыми. По ним осуществляется циркуляция охлаждающего агента, например, воздуха (указана изогнутыми стрелками) от подходящего источника разницы давлений. С помощью регуляции этого потока может быть оптимизирован тепловой режим данной ЭС.

Благодаря эффективному охлаждению в предлагаемой ЭС могут быть использованы “длинные” электроды, далеко выступающие в камеру сгорания. Например, на схеме устройства предлагаемой ЭС (фиг.1) искровой промежуток довольно значительно отстоит от резьбовой части ЭС, приблизительно на 1,75 ее диаметра. При стандартном диаметре резьбовой части ЭС, применяемых в поршневых ДВС легковых автомобилей, электроды согласно приведенному чертежу должны выступать в просвет камеры сгорания приблизительно на 22 мм. То есть в несколько раз далее, чем у обычных ЭС. Эта величина близка к половине длины радиуса камеры сгорания большинства поршневых ДВС. Очевидно, при такой длине электродов их охлаждение за счет теплопередачи стенке камеры сгорания неэффективно, электроды должны перегреваться и приобретать свойства свечи накаливания. Тогда как протекающий через полые электроды воздух (или другой охладитель) может отводить тепло весьма эффективно.

Применение предлагаемой ЭС с электродами, “далеко” выступающими в камеру сгорания, в поршневых ДВС может существенно сократить время эффективного горения топливно-воздушной смеси. Действительно, поскольку “длинные” электроды позволяют отодвинуть искровые промежутки (центры воспламенения горючей смеси) достаточно далеко от стенки камеры сгорания, заметно укорачивается расстояние, пробегаемое фронтом горения смеси от этих промежутков до наиболее отдаленных от них областей камеры сгорания. Следовательно, сокращается и общее время эффективного, совершающего полезную работу горения смеси.

Это проиллюстрировано на фиг.2, 3, 4, на которых схематически изображены:

– контур камеры сгорания поршневого ДВС, сохраняющий пропорции камеры сгорания ДВС реального серийного автомобиля;

– местоположения искровых промежутков предлагаемой ЭС с электродами разной длины и “обычной” ЭС;

– расстояния, пробегаемые фронтами горения от искровых промежутков до “наиболее отдаленных” областей камеры сгорания.

Фиг.2 - положение искрового промежутка в камере сгорания и длина пробега фронта горения при использовании “обычной” ЭС.

8 - стенка камеры сгорания; 9 - рабочая поверхность поршня, находящегося в нижней мертвой точке; 10 - положение рабочей поверхности поршня в момент открытия выпускных клапанов; О - искровой промежуток; А - “наиболее отдаленная” от искрового промежутка область камеры сгорания; ОА - максимальное расстояние, пробегаемое фронтом горения смеси.

Фиг.3 - положение искрового промежутка и длина наибольшего пробега фронта горения при использовании ЭС с электродами, выступающими в камеру сгорания на длину около 50% от величины радиуса цилиндра.

8 - стенка камеры сгорания; 9 - рабочая поверхность поршня (с углублением для электродов), находящегося в нижней мертвой точке; 10 - положение рабочей поверхности поршня в момент открытия выпускных клапанов; 11 - выступающие в камеру сгорания электроды ЭС; О - искровой промежуток; А - “наиболее отдаленная” от искрового промежутка область камеры сгорания; ОА - максимальное расстояние, пробегаемое фронтом горения смеси.

Фиг.4 - положение искрового промежутка и длина наибольшего пробега фронта горения при использовании ЭС с электродами, выступающими в камеру сгорания на длину, близкую к величине радиуса цилиндра.

8 - стенка камеры сгорания; 9 - рабочая поверхность поршня (с углублением для электродов ЭС), находящегося в нижней мертвой точке; 10 - положение рабочей поверхности поршня в момент открытия выпускных клапанов; 11 - выступающие в камеру сгорания электроды ЭС; 12 - пример расположения “длинной” (приблизительно 50% радиуса камеры сгорания) ЭС вдоль продольной оси камеры сгорания (объяснения см. в тексте); О - искровой промежуток; А - “наиболее отдаленная” от искрового промежутка область камеры сгорания; ОА - максимальное расстояние, пробегаемое фронтом горения смеси. Ориентация продольной оси ЭС такая же, как на фиг.1 и 2.

При использовании предлагаемой ЭС рабочая поверхность поршня должна иметь соответствующую форму. Например, она может быть плоской при относительно небольшой длине выступающих в камеру частей электродов ЭС (фиг.3). Или, в случае большой длины выступающих в камеру сгорания частей электродов ЭС (которые могут даже превосходить величину радиуса цилиндра), иметь специальную выемку, куда эти электроды погружаются, при поднятии поршня в верхние положения (фиг.4). То есть, при всех положениях поршня электроды ЭС не касаются его поверхности.

Конструкция предлагаемой ЭС должна быть такой, чтобы электроды, выступающие в камеру сгорания поршневых ДВС, не мешали движению клапанов. Конструктивное решение этой задачи облегчается тем, что электроды ЭС могут быть расположены в одной плоскости (как на фиг.1). Благодаря этому они легко размещаются вне зоны движения клапанов.

Как следует из фиг.2, 3, 4, при разных положениях искровых промежутков “отдаленные” области камеры сгорания находятся в разных местах камеры сгорания. На фиг.2 и 3 эти области находятся у противоположного искровому промежутку края рабочей поверхности поршня в момент открытия выпускных клапанов, а на фиг.4 - области по всему краю рабочей поверхности поршня в этот же момент.

Этот момент, равный для приведенного в качестве примера ДВС 140 угловым градусам от начала рабочего такта, выбран для определения максимальной длины пробега фронта горения в связи с тем, что при открытии выпускных клапанов давление раскаленных газов в камере сгорания быстро падает и они перестают совершать полезную работу. Поэтому распространение фронта горения дальше этой, названной нами “отдаленной”, области камеры сгорания становится нецелесообразным. В идеале горение смеси в момент открытия выпускных клапанов должно в целом прекращаться.

Из сравнения длин пробегов фронтов горения, графически изображенных на фиг.2, 3, 4, следует, что:

- если электроды предлагаемой ЭС выступают в камеру на длину около 50% величины радиуса цилиндра, то пробег фронта горения сокращается по сравнению с “обычной” ЭС на 17%;

- если электроды выступают в камеру сгорания на длину, равную около 100% величины радиуса цилиндра, то пробег фронта горения сокращается уже на 37%.

В первом приближении на те же величины уменьшается и время сгорания топливно-воздушной смеси (определяемое максимальным временем, за которое фронт горения пробежит расстояние от искрового промежутка до “наиболее отдаленной” области камеры сгорания). Благодаря этому воспламенение смеси в поршневых ДВС при использовании предлагаемой ЭС можно производить намного позднее, чем при использовании “обычной” “короткой” ЭС.

Если в выбранном для расчетов ДВС при воспламенении смеси “обычной” ЭС продолжительность эффективного горения смеси (от момента воспламенения до открытия выпускных клапанов) на холостом ходу (800 об/мин) равна 146 угловым градусам, то предлагаемая ЭС позволяет производить зажигание позднее обычного момента (по сравнению с “обычной” ЭС на фиг.2) приблизительно на следующие величины:

для фиг.3 - на 24 градуса;

для фиг.4 - на 51 градус.

Приведенные расчеты для холостого хода являются сугубо приблизительными и для другого состава смеси и других режимов работы ДВС будут другими. Однако, очевидно, что даже на довольно больших оборотах ДВС можно производить воспламенение горючей смеси позднее прохождения поршнем верхней мертвой точки. С той же полнотой сгорания смеси. При этом не возникает силы, направленной против движения вала поршневого ДВС. Следовательно, возрастают топливная экономичность и коэффициент полезного действия ДВС.

Для случаев на фиг.3, 4 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).

При воспламенении смеси одновременно в двух искровых промежутках одной ЭС (см. ниже) скорость первоначального нарастания давления в рабочем такте увеличивается по сравнению с “обычной” ЭС еще более, приблизительно в 4 раза. В одной камере сгорания могут применяться не только одна, но и 2 и более предлагаемых ЭС.

Предлагаемая ЭС открывает большое поле для модификаций, касающихся конструкции ЭС, оптимизации расположения самой ЭС, искрового промежутка (искровых промежутков), теплового режима. Подчеркнем, что конструкция предлагаемой ЭС в принципе позволяет расположить искровые промежутки (воспламенять смесь) в самых различных местах камеры сгорания.

Предложенная принципиальная схема позволяет сконструировать ЭС с двумя и более независимыми, связанными с разными источникам электрического напряжения искровыми промежутками, находящимися на достаточно большом расстоянии друг от друга вдоль продольной оси ЭС. Например, это может быть ЭС с одним “заземленным” электродом и двумя имеющими разную длину активными электродами, образующими с “заземленным” электродом 2 независимых искровых промежутка. ЭС с двумя и более искровыми промежутками еще сильнее сократит время горения смеси и скорость нарастания давления горящей смеси в рабочем такте. Предлагаемая ЭС может быть ориентирована и укреплена в камере сгорания поршневого ДВС иным образом, чем показано на фиг.3 и 4. Например, “длинная” ЭС может быть ориентирована, как показано на фиг.4 (5), вдоль продольной оси камеры сгорания поршневого ДВС.

Предлагаемая ЭС может быть применена не только в поршневых ДВС, но и в других ДВС с электрическим воспламенением горючей смеси.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в которых топливно-воздушная смесь воспламеняется с помощью электрических свечей зажигания. Технический результат заключается в возможности обеспечения эффективного охлаждения электродов свечи зажигания. Благодаря чему появляется возможность использования “длинных” электродов, далеко выступающих в камеру сгорания, что может существенно сократить время горения топливно-воздушной смеси. И как следствие появляется возможность производить воспламенение горючей смеси позднее прохождения поршнем верхней мертвой точки с той же полнотой сгорания смеси. При этом возрастают топливная экономичность и коэффициент полезного действия ДВС. Электроискровая свеча зажигания для двигателей внутреннего сгорания включает в себя металлические корпус и электроды, разделенные изолятором. Электроды являются полыми, и через них для охлаждения пропускается воздух или иной охладитель. Длина частей электродов от искровых промежутков до стенки камеры сгорания составляет более 10% величины радиуса цилиндра. 4 ил.

Электроискровая свеча зажигания для двигателей внутреннего сгорания включает в себя металлические корпус, электроды и разделяющий их изолятор, отличающаяся тем, что ее электроды являются полыми и через них для охлаждения пропускается воздух или иной охладитель, а длина частей электродов от искровых промежутков до стенки камеры сгорания составляет более 10% величины радиуса цилиндра.