СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H01T13/02 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к устройствам зажигания в двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием топливовоздушной или топливоокислительной смеси.

Обычно в двигателях с принудительным зажиганием топливовоздушной смеси используют электрические разрядные свечи [1÷3]. Электрические разрядные свечи (далее свечи зажигания) поджигают горючую смесь с помощью электрического разряда. Для этого используют различные виды самостоятельного электрического разряда в газе, включая импульсный разряд в газовом промежутке между электродами [1], комбинированный импульсный разряд через газовый промежуток и по поверхности диэлектрика [2], скользящий разряд по поверхности диэлектрика [3].

Наиболее близкой по конструктивному выполнению к настоящему изобретению (прототипом) является электрическая свеча для искрового зажигания топливовоздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания, описанная в [1]. В этом устройстве так же, как и в аналогах [2, 3], разряд происходит между электродами свечи зажигания, на один из которых подают импульсы высокого напряжения от силового блока системы зажигания, а другой электрод (или несколько электродов) находится в электрическом контакте с корпусом свечи ("заземленный" боковой электрод). При такой конструкции свечи после искрового пробоя газового промежутка между ее электродами или пробоя по поверхности диэлектрика электрический потенциал высоковольтного электрода резко уменьшается. После достижения напряжения пробоя наступает фаза формирования искрового разряда. Продолжительность этой фазы между началом пробоя и моментом спада напряжения зависит от скорости нарастания напряжения на электродах, и она тем меньше, чем больше скорость нарастания напряжения. Продолжительность фазы формирования искрового разряда может составлять в зависимости от условий от долей до десятков микросекунд. После завершения фазы формирования искрового разряда происходит собственно искровой разряд, разогревающий проводящий канал. При разряде за промежуток времени порядка 10^-8 сек происходит крутой спад напряжения (разности потенциалов) на разрядном промежутке, более чем на порядок величины от значения, близкого к пробивному, а спустя примерно 10^-6 сек напряжение составляет всего лишь несколько десятков вольт.

Использование прототипа при зажигании топливовоздушной смеси в камере сгорания не позволяет создать колебательное возбуждение молекул газовой среды и тем самым осуществить объемное воспламенение горючей смеси. Это обусловлено в первую очередь тем, что после пробоя газового промежутка между электродами свечи зажигания потенциал высоковольтного электрода падает на 2÷3 порядка и не может создать в значительном объеме камеры сгорания электрическое поле требуемой напряженности, и практически вся запасенная энергия системы зажигания тратится на разогрев проводящего канала в газовой среде между электродами свечи зажигания.

Техническим результатом настоящего изобретения является осуществление объемного зажигания топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателей внутреннего сгорания.

Этот результат достигается усовершенствованием известной свечи зажигания для двигателя внутреннего сгорания, выполненной в виде электрического разрядника, состоящего из заземленного металлического корпуса, высоковольтного электрода с диэлектрическим изолирующим покрытием на его боковой поверхности и установленного вдоль центральной оси корпуса, и одного или нескольких боковых электродов.

Усовершенствование заключается в том, что в свечу дополнительно введены подпорные конденсаторы по числу боковых электродов, одна из обкладок каждого подпорного конденсатора электрически соединена с металлическим корпусом свечи, а другая - с одним из боковых электродов.

Подпорный конденсатор может быть выполнен в виде диэлектрической трубки, поверхность которой металлизирована и является внешней обкладкой конденсатора, при этом диэлектрическая трубка размещена между металлическим корпусом свечи зажигания и диэлектрическим изолирующим покрытием высоковольтного электрода, электрическое соединение внешней обкладки конденсатора с корпусом осуществляется путем их непосредственного контакта, а вторая обкладка конденсатора размещена внутри стенки диэлектрической трубки.

В одном из вариантов выполнения свечи в стенке диэлектрической трубки подпорного конденсатора выполнены полости, открытые на одном из торцов трубки, внутренние стенки полостей металлизированы, а металлическое покрытие поверхности каждой полости является второй обкладкой конденсатора, при этом каждый боковой электрод вставлен в соответствующую полость и приведен в электрический контакт с металлическим покрытием поверхности полости.

В одном случае боковые электроды размещены вокруг высоковольтного электрода и образуют с ним газовые разрядные промежутки, а в другом - концы боковых электродов размещены на поверхности диэлектрического покрытия высоковольтного электрода для организации скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 показан продольный разрез свечи зажигания с газовыми разрядными промежутками между высоковольтным и боковыми электродами.

На фиг.2 показан продольный разрез свечи зажигания со скользящим разрядом по поверхности диэлектрика между высоковольтным и боковыми электродами.

На фиг.3 показан продольный разрез подпорного конденсатора с коаксиальными полостями в варианте выполнения с четырьмя полостями.

На фиг.4 показано поперечное сечение подпорного конденсатора с коаксиальными полостями в варианте выполнения с четырьмя полостями.

На фиг.5 показан продольный разрез подпорного конденсатора в варианте выполнения с четырьмя боковыми электродами, имеющими металлические лепестки на проксимальном конце, внедренные внутрь керамической стенки.

На фиг.6 показано поперечное сечение подпорного конденсатора в варианте выполнения с четырьмя боковыми электродами, имеющими металлические лепестки на проксимальном конце, внедренные внутрь керамической стенки.

На фиг.7 показана электрическая схема подключения свечи зажигания и ее эквивалентная электрическая схема в соответствии с предложенным изобретением.

На фиг.8 показано характерное изменение потенциала высоковольтного электрода, потенциала боковых электродов и тока зарядки подпорной емкости предложенной свечи зажигания в зависимости от времени при электрическом пробое разрядных промежутков между высоковольтным и боковыми электродами.

На фиг.9 изображен график типичного изменения разности потенциалов между электродами в зависимости от времени при электрическом пробое газового промежутка в искровой фазе разряда [4].

На фиг.10 показана зависимость долей энергии, передаваемых в единицу времени на возбуждение колебательных уровней, на возбуждение электронных уровней и на ионизацию при движении электрона через молекулярный азот с давлением Р под действием электрического поля Е_уск от величины приведенной напряженности ускоряющего поля [5].

Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания (фиг.1) выполнена в виде электрического разрядника и состоит из металлического корпуса 1 с установленным вдоль его центральной оси высоковольтным электродом 2, одного или нескольких боковых электродов 3 и подпорных конденсаторов, которые включают диэлектрическую, в частности керамическую, трубку 4 и две обкладки 5 и 6 (фиг.3, 4). Обкладкой 5 является металлическое покрытие на внешней и внутренней поверхностях трубки 4. В стенке трубки 4 выполнена полость 7 (фиг.3, 4), коаксиальная с цилиндрическими поверхностями трубки и открытая в верхней части на торце трубки. Трубка 4 размещена внутри корпуса 1 таким образом, что ее металлическое покрытие 5 соприкасается с корпусом и осуществляет их электрическое соединение. Коаксиальная полость 7, выполненная в стенке трубки 4, разделена диэлектрическими перегородками 8 на секции (фиг.4). Внутренние стенки каждой секции полости металлизированы, и эти металлические покрытия являются вторыми обкладками 6 подпорных конденсаторов. Внутри каждой секции полости размещены проксимальные концы 9 (фиг.1) боковых электродов 3, которые соприкасаются с металлическим покрытием 5, и таким образом осуществляется их электрическое соединение. В одном из вариантов конструкции боковые электроды могут иметь на проксимальном конце 9 металлический лепесток 10 в форме сектора цилиндра (фиг.5, 6). Металлические лепестки 10 боковых электродов 3 внедрены внутрь керамической стенки подпорного конденсатора (фиг.5, 6) и являются в этом варианте исполнения вторыми обкладками 6 подпорных конденсаторов. Боковая поверхность высоковольтного электрода 2 защищена диэлектрическим покрытием 11. Дистальные концы боковых электродов 3 размещены вокруг выступающей части высоковольтного электрода 2 и образуют с ним разрядные газовые промежутки (фиг.1). В другом варианте исполнения дистальные концы боковых электродов 3 размещены на поверхности диэлектрического покрытия 11 (фиг.2). В этом случае реализуется скользящий разряд по поверхности диэлектрика между электродами 2 и 3.

Принцип действия предложенной свечи зажигания заключается в том, что разряд между электродами свечи автоматически прерывается до того, как вся энергия, накопленная в силовом блоке системы зажигания, будет диссипирована в разрядном промежутке в процессе искрового или скользящего по поверхности диэлектрика разряде. В соответствии с изображенной на фиг.7 схемой подключения свечи от силового блока 12 на высоковольтный электрод 2 по сигналам управления от коммутатора 13 системы зажигания поступает нарастающее во времени электрическое напряжение U₂ - высоковольтный электрический импульс. После того как разность потенциалов между высоковольтным 2 и боковым 3 электродами свечи достигнет значения ΔU_проб, при котором напряженность поля между электродами свечи Е_2-3 станет выше напряженности пробоя Е_проб, происходит искровой пробой газового промежутка. Нарастающий в соответствии с фиг.8 ток разряда протекает между электродами 2 и 3 и заряжает подпорную емкость С (фиг.7). После того как емкость С зарядится по цепи: силовой блок 12 - высоковольтный электрод 2 - разрядный промежуток - боковой электрод 3 - емкость С, потенциалы электродов U₂ и U₃ свечи практически выравниваются и разрядный ток между ними прекращается. Причем выравнивание потенциалов электродов 2 и 3 происходит не за счет уменьшения потенциала U₂ электрода 2, как это происходит у прототипа (фиг.9), а за счет нарастания потенциала U₃ бокового электрода 3 (фиг.8). Номинальное значение подпорной емкости С подобрано так, что на ее зарядку затрачивается только часть энергии, содержащейся в накопителе силового блока 12 и в собственной емкости высоковольтной цепи С₀ (фиг.7). Искровой разряд в стадии зарядки подпорной емкости С является источником электромагнитного излучения, в том числе достаточно жесткого, способного производить фотоионизацию компонентов газовой среды, имеющих низкий потенциал ионизации (компоненты углеводородного топлива), а также вызывать фотоэмиссию из металлических стенок камеры сгорания и обогащать таким образом газовую среду камеры сгорания свободными электронами.

Аналогично в ходе зарядки подпорной емкости С зарядным током (по цепи: силовой блок 12 - высоковольтный электрод 2 - разрядный промежуток - боковой электрод 3 - емкость С) происходит обогащение газовой среды свободными электронами и в варианте конструкции свечи со скользящим разрядом по поверхности диэлектрика, изолирующего центральный высоковольтный электрод свечи (фиг.2).

Далее после зарядки подпорной емкости и увеличения потенциала на боковых электродах 3 свечи зажигания эти электроды совместно с центральным электродом 2, с одной стороны, и, находящиеся под потенциалом "земли" металлические стенки и другие конструктивные части камеры сгорания 14 (фиг.7), с другой стороны, создают в объеме камеры сгорания электрическое поле Е_уск. Свободные электроны, образованные в газовой среде топливовоздушной смеси, заполняющей камеру сгорания, ускоряются под действием электрического поля Е_уск и осуществляют несамостоятельный разряд в газе по цепи: силовой блок 12 - высоковольтный электрод 2 + боковой электрод 3 (или совокупность боковых электродов) - газовая среда - стенки камеры сгорания 14. При движении в газовой среде в процессе несамостоятельного разряда свободные электроны испытывают неупругие соударения (с передачей части или всей накопленной энергии) с молекулами газовой среды. Топливовоздушная смесь образована молекулами углеводородов и промежуточных продуктов их неполного окисления, а также молекулами газов, образующих воздушную среду. Поэтому свободные электроны при движении через молекулярный газ будут, в основном, испытывать соударения с молекулами азота, составляющими около 75% всех молекул топливовоздушной смеси. При неупругих соударениях электроны передают энергию, накопленную между столкновениями, различным степеням свободы молекул. Из фиг.10 видно, что при значениях приведенной напряженности электрического поля Е/Р<15 В/см·торр (вольт на сантиметр на торр) - соответствует 1÷4 кВ/см·атм (киловольт на сантиметр на атмосферу), основным механизмом потерь энергии электронами является возбуждение колебаний молекул. Аналогичный вид имеют зависимости и для других молекулярных газов. При возбуждении молекулярных газов, таких как СО₂, СО, N₂, у которых максимум сечения возбуждения колебаний молекул σ_v≈10^-15 см² расположен в области 1÷2 эВ и величина сечения резко спадает при увеличении и уменьшении энергии электронов, до 98% энергии электронов расходуется на возбуждение колебаний.

Свободные электроны, периодически набирая в процессе ускорения под действием электрического поля Е_уск и передавая при неупругих соударениях энергию молекулам газа, "перекачивают" электрическую энергию, накопленную в системе зажигания, непосредственно в колебательные уровни молекул газа. Это и есть "механизм", осуществляющий практически мгновенное энергетическое воздействие на относительно большой объем газовой среды в камере сгорания. Под действием неупругих соударений с электронами молекулы азота переходят с нижнего уровня v₀ на возбужденные колебательные уровни Колебательно-возбужденные молекулы азота, имеющие нулевой дипольный момент, живут в возбужденном состоянии очень долго (по атомным масштабам), и, по существу, единственным механизмом отвода их колебательной энергии служат столкновения с невозбужденными молекулами, в том числе и с молекулами промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов. Во время этих столкновений колебательно возбужденные молекулы азота обмениваются колебательными квантами, которые имеют величину 0,29 эВ, с другими молекулами. В конечном итоге это приводит к возбуждению колебательных уровней метастабильных и других молекул промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов, а также молекул кислорода, участвующих в цепной реакции окисления углеводородов, что приводит к быстрому разветвлению цепной реакции и объемному цепному взрыву топливовоздушной смеси.

Эффективность описанного выше механизма возбуждения колебательных состояний молекул газовой среды путем неупругих столкновений со свободными электронами сильно зависит от концентрации свободных электронов в газе. Поэтому одной из основных причин совершенствования конструкции предложенной свечи зажигания было стремление создать как можно большее число свободных электронов во всем объеме камеры сгорания. Так, в некоторых вариантах реализации свеча имеет несколько боковых электродов, каждый из которых подключен к "земляному" потенциалу через отдельную подпорную емкость. Использование нескольких боковых электродов позволяет более равномерно "осветить" жестким электромагнитным излучением объем камеры сгорания. Это возможно потому, что величина каждой подпорной емкости С_i подобрана так, что запасаемая в ней энергия W_i намного меньше, чем запасенная энергия W_Σ в системе зажигания. Тогда при электрическом пробое первого и каждого последующего разрядных промежутков потенциал U₂ центрального высоковольтного электрода 2 уменьшается незначительно (фиг.8), а разность потенциалов между центральным высоковольтным электродом и боковыми электродами 3 еще не "пробитых" разрядных промежутков быстро восстанавливается и практически постоянно превышает ΔU_проб. Поэтому в разряде последовательно участвуют все разрядные промежутки между центральным высоковольтным электродом 2 и всеми боковыми электродами 3. Вариант исполнения свечи зажигания с использованием скользящего разряда по поверхности диэлектрика, изображенный на фиг.2, имеет более высокий кпд по генерации жесткого электромагнитного излучения по сравнению с вариантом фиг.1, в котором разряд происходит через газовые промежутки. При скользящем разряде по поверхности диэлектрика за счет поляризации диэлектрика и появления на его поверхности связанных электрических зарядов, как правило, реализуется большее перенапряжение на разрядном промежутке. Поэтому излучательная способность скользящего разряда в области жесткого электромагнитного излучения выше.

Использование предложенной свечи зажигания в двигателе внутреннего сгорания позволяет существенно улучшить технические характеристики двигателя. Предложенная свеча зажигания обеспечивает стимулированное объемное самовоспламенение горючей смеси в нужной фазе рабочего цикла. При осуществлении объемного самовоспламенения практически в "верхней мертвой точке" реализуются все скрытые возможности поршневых двигателей внутреннего сгорания. Быстрое, синхронное практически во всем объеме камеры сгорания, развитие воспламенения и полное сгорание топлива позволяют поднять допустимую степень сжатия ε горючей смеси на основе бензина обычных марок (АИ 80÷АИ 92) до значений ε>16 и использовать "бедные" (α˜1.1÷1,7) топливовоздушные смеси. При этом также существенно повышаются кпд, мощность, крутящий момент и эластичность двигателя одновременно со значительным повышением экономичности и экологической чистоты рабочего цикла.

Источники информации

1. Levis В., v. Elbe G. "Combustion, Flames and Explosions of Gases". N.Y., 1951.

2. US Patent 4092558.

3. Патент RU №2161728.

4. Дж. М. Самервилл "Электрическая дуга", М.-Л., Госэнергоиздат, 1962, с.8.

5. W.L. Nighan, Phys. Rev. A2, 1989 (1970).

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к устройствам зажигания в двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием рабочей смеси. Технический результат заключается в возможности осуществления объемного зажигания топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателей внутреннего сгорания. Согласно изобретению свеча зажигания выполнена в виде электрического разрядника, состоящего из заземленного металлического корпуса, высоковольтного электрода с диэлектрическим изолирующим покрытием на его боковой поверхности, установленного вдоль центральной оси корпуса, и одного или нескольких боковых электродов. При этом в свечу дополнительно введены подпорные конденсаторы по количеству боковых электродов. Одна из обкладок каждого подпорного конденсатора электрически соединена с металлическим корпусом свечи, а другая с одним из боковых электродов. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания, выполненная в виде электрического разрядника, состоящего из заземленного металлического корпуса, высоковольтного электрода с диэлектрическим изолирующим покрытием на его боковой поверхности, установленного вдоль центральной оси корпуса, и одного или нескольких боковых электродов, отличающаяся тем, что в свечу дополнительно введены подпорные конденсаторы по количеству боковых электродов, одна из обкладок каждого подпорного конденсатора электрически соединена с металлическим корпусом свечи, а другая - с одним из боковых электродов.2. Свеча зажигания по п.1, отличающаяся тем, что подпорный конденсатор выполнен в виде диэлектрической трубки, поверхность которой металлизирована и является внешней обкладкой конденсатора, диэлектрическая трубка размещена между металлическим корпусом свечи и диэлектрическим изолирующим покрытием центрального высоковольтного электрода свечи, а электрическое соединение внешней обкладки конденсатора с корпусом свечи осуществлено путем их непосредственного контакта, при этом вторая обкладка конденсатора размещена внутри диэлектрической стенки трубки.3. Свеча зажигания по п.2, отличающаяся тем, что в стенке диэлектрической трубки подпорного конденсатора выполнены полости, открытые на одном из торцов трубки, внутренние стенки полостей металлизированы, а металлическое покрытие поверхности каждой полости является второй обкладкой конденсатора, при этом каждый боковой электрод вставлен в соответствующую полость и приведен в электрический контакт со слоем металлизации.4. Свеча зажигания по п.1, отличающаяся тем, что боковые электроды свечи размещены вокруг высоковольтного электрода и образуют с ним газовые разрядные промежутки.5. Свеча зажигания по п.1, отличающаяся тем, что концы боковых электродов размещены на поверхности диэлектрического покрытия центрального высоковольтного электрода свечи и образуют разрядные промежутки по поверхности диэлектрика.