СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ

Полезная модель относится к устройствам для воспламенения воздушно-топливной смеси в камерах сгорания двигателей, работающих без самовоспламенения этой смеси, главным образом, для инжекторных и карбюраторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) работающие на легком топливе. На свечи ложится серьезная нагрузка в процессе работы двигателя: циклические воздействия высоких напряжений, работа при низких и высоких температурах, давление расширяющихся газов, широкий диапазон режимов двигателя, отложения продуктов сгорания, электроэрозия и т.д.
Известна свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус с камерой и отверстием, центральный электрод с изолятором, искровой промежуток, отличающаяся тем, что искровой промежуток выполнен в виде кольцевой щели, образованной кромкой торца центрального электрода и кромкой, образованной отверстием в корпусе и внутренней поверхностью камеры свечи, причем торец центрального электрода размещен внутри камеры, а соотношение параметров искрового промежутка определяется по формуле:
, где А - разность радиусов центрального электрода и отверстия; В - расстояние от плоскости торца электрода до плоскости поверхности камеры; С - постоянная величина искрового промежутка, причем отверстие в корпусе выполнено в форме усеченного конуса, а диаметр центрального электрода больше диаметра отверстия в корпусе не менее чем на два размера искрового промежутка - 2С. (RU №2282290, 2006)
При работе известной свечи искра по времени очень длинная и одинаковая, независимо от оборотов двигателя. Когда начинается пробой искры, в камере сгорания начинает воспламеняться смесь, а так как вихрь сильный и искра длинная по времени, то идет постоянное поджигание горючей смеси, получается постепенное сгорание смеси с одной стороны цилиндра. Из-за длинной искры образуется как бы
хвост. То есть с одной стороны камеры сгорания смесь почти выгорела, а с другой смесь еще не воспламенилась. Формируется асимметрия горения, направление фронта пламени при развитии горения воздушно-топливной смеси определяется вихревыми потоками, из-за чего возникают механические потери. Когда начинает воспламеняться остальная смесь, то происходит взрыв и давление на поршень вырастает равносильно удару по краю поршня. При взрыве происходит неравномерное давление на поршень. В этот момент происходит заклинивание поршня, потому что с одной стороны топливо уже сгорело, а с другой нет, идет перекос. На бывших в употреблении поршнях с одной стороны есть явные царапины, а на внутренней поверхности цилиндра с той же стороны первым компрессионным кольцом набивается канавка, которые и говорят именно об этом заклинивании. Кроме того, возникает еще одна серьезная проблема, связанная с неравномерным горением воздушно-топливной смеси в камере сгорания: в связи с тем, что воспламенение воздушно-топливной смеси должно совпадать с достижением поршнем верхнего положения, возникает необходимость производить поджиг заранее, т.к. воспламенение происходит не в центре камеры сгорания, вихревой поток подхватывает пламя и несет его по своей траектории вдоль стенок камеры сгорания. При этом образующиеся в результате горения газы создают дополнительное сопротивление не достигшему еще крайнего положения поршню. В результате происходит потеря энергии и уменьшение КПД двигателя.
Известна также свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус, размещенный в корпусе изолятор с центральным электродом и массовый электрод, закрепленный на корпусе с образованием искрового промежутка между электродами, причем свеча снабжена сопловым насадком, закрепленным в корпусе, отличающаяся тем, что, с целью повышения эксплуатационных характеристик, центральный электрод снабжен наконечником в виде конуса, вершина которого обращена в сторону среза соплового насадка, массовый электрод выполнен в виде соплового насадка типа сопла Лаваля и образует с наконечником центрального электрода сопло с центральным телом, при этом наконечник центрального электрода размещен между критическим сечением сопла Лаваля и его срезом с образованием между стенкой сопла и наконечником искрового промежутка. (RU №2055432, 1996, прототип).
Недостатками известных свечей зажигания являются низкая надежность из-за воздействия вихревых потоков, образующихся в процессе работы двигателя, не полное сгорание топлива в связи с большим расстоянием от искрового промежутка до центра камеры сгорания и необходимость использования катализаторов для снижения токсичности выхлопных газов, недостаточный теплоотвод от массового электрода, нестабильность искрового разряда и работы на богатой смеси, недостаточный срок эксплуатации из-за прорыва горячих газов между изолятором и корпусом: в процессе работы свечи керамический изолятор начинает «болтаться» в металлическом корпусе. В результате наружу начинают прорываться газы из камеры сгорания между металлическим корпусом и керамическим изолятором. Газы сдувают искру и свеча начинает работать не стабильно, сокращается вероятность безотказной работы и срок ее эксплуатации.
Технической задачей полезной модели является создание эффективной, надежной и долговечной свечи зажигания и расширение арсенала свечей зажигания.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в том, что обеспечены:
- защита искры и начального воспламенения воздушно-топливной смеси от вихревых потоков образующихся в процессе работы двигателя;
- возможность дотянутся до центра камеры сгорания, благодаря чему воздушно-топливная смесь поджигается у оси в центре камеры сгорания. Благодаря этому в камере сгорания сгорает практически все топливо. Как следствие, снижается расход топлива, появляется значительная динамика, увеличивается максимальная скорость, снижается токсичность выхлопных газов, практически не образуется нагар на днище поршня и на стенках камеры сгорания;
- нет необходимости использования катализатора для снижения токсичности выхлопных газов, поскольку достигается почти полное сгорание воздушно-топливной смеси;
- толщина головки свечи позволяет отводить излишнее тепло при воспламенении воздушно-топливной смеси;
- размер искрового зазора гарантирует стабильную работу искры, не боится «заливания» свечи;
- максимально возможная зажигательная способность на всех режимах двигателя;
- свеча не «боится» загрязнений от богатой смеси и попадания масла, охлаждающей жидкости и некачественного бензина;
- свеча обладает способностью к самоочистке;
- максимально возможная герметичность свечи зажигания независимо от времени эксплуатации;
- стабильность искрового разряда. В результате повышается вероятность безотказной работы и срок эксплуатации.
Сущность полезной модели состоит в том, что свеча зажигания содержит корпус с наружным резьбовым пояском и с продольным отверстием, в котором размещен изолятор с центральным электродом, и массовый электрод, выполненный в виде выступающей за пределы центрального электрода сопловой головки с диффузором на выходе, размещенной с образованием в диффузоре искрового промежутка между электродами, причем сопловая головка выполнена заодно с корпусом, ее длина от края резьбового пояска корпуса выполнена не менее минимального диаметра диффузора, угол расширения которого выполнен равным (51±1,5)°, а длина составляет не более 0,5 минимального диаметра диффузора, при этом изолятор снабжен наружным уплотнением из жаропрочного силикона для герметизации относительно поверхности продольного отверстия корпуса.
Предпочтительно сопловая головка выполнена с внутренней камерой, расширяющейся в направлении, противоположном направлению расширения диффузора, внутренняя камера сопловой головки выполнена с радиальными отверстиями, наклонными к ее оси, внутренняя камера сопловой головки выполнена с боковой стенкой, толщина которой увеличивается в направлении резьбового пояска корпуса, внутренняя камера сопловой головки выполнена с кольцевой конической стенкой со стороны, противоположной диффузору, причем кольцевая коническая стенка внутренней камеры сопловой головки выполнена с тупым углом сужения к оси корпуса. В частных случаях исполнения искровой промежуток в сечении минимального диаметра диффузора составляет 0,25-0,45 этого диаметра, а конец центрального электрода выступает в диффузор не более чем на 0,5 мм.
На чертеже фиг.1 изображена конструктивная схема свечи зажигания, на фиг.2 - схема циркуляции воздушно-топливной смеси и срабатывания свечи при ее центральном расположении в камере сгорания, на фиг.3 - схема циркуляции
воздушно-топливной смеси и срабатывания свечи при ее боковом расположении в камере сгорания.
Свеча зажигания содержит корпус 1 с наружным резьбовым пояском 2 и со ступенчатым продольным отверстием 3, в котором размещен ступенчатый изолятор 4 с центральным электродом 5, установленным вдоль его оси. Массовый электрод выполнен в виде выступающей за пределы центрального электрода 5 сопловой головки 6 с диффузором 7 на выходе, размещенной с образованием в диффузоре 7 искрового промежутка между электродами 5, 6 (т.к. последним является сопловая головка). Сопловая головка 6 выполнена заодно с корпусом 1, ее длина от края резьбового пояска 2 корпуса 1 равна, например, 12 мм, т.е. выполнена не менее минимального диаметра диффузора 7, равного, например, 7 мм. Угол диффузора 7 выполнен равным (51±1,5)°, а длина составляет 2-3,5 мм, т.е. не более 0,5 минимального диаметра диффузора 7. Изолятор 4 снабжен наружным уплотнением 8 из жаропрочного силикона для герметизации относительно поверхности продольного отверстия 3 корпуса 1.
Сопловая головка 6 выполнена с внутренней камерой 9, расширяющейся в направлении, противоположном направлению расширения диффузора 7.
Камера 9 выполнена с радиальными отверстиями 10, наклонными к ее оси и с боковой стенкой (не обозначена), толщина которой увеличивается в направлении резьбового пояска 2 корпуса 1.
Камера 9 выполнена с кольцевой конической стенкой 11 со стороны, противоположной диффузору 7. Стенка 11 камеры 9 выполнена с тупым углом сужения к оси корпуса 1.
Искровой промежуток вокруг электрода 5 в сечении минимального диаметра диффузора 7 составляет 2-2,5 мм, т.е. 0,25-0,45 этого диаметра, благодаря сплошному корпусу 1 и диффузору 7 рабочий диапазон искры охватывает 360°
Свободный конец центрального электрода 5 выступает в диффузор 7 не более чем на 0,5 мм. Все количественные соотношения получены эмпирически, путем подбора оптимальных соотношений, абсолютных размеров и углов.
Свеча ввертывается по резьбе до конца пояска 2 в стенку камеры 12 сгорания. При этом сопловая головка 6 выступает в объем камеры 12.
Свеча зажигания работает следующим образом.
При заполнении топливной смесью камеры 12 сгорания ДВС или при такте сжатия в ДВС полость камеры 9 свечи также заполняется этой смесью. Во время
движения поршня (не обозначен) к верхнему по фиг.2, 3 положению происходит сжатие воздушно-топливной смеси в камере 12 сгорания. При подаче на электроды 5 и 6 импульса высокого напряжения происходит электрический пробой в зоне искрового промежутка между ними. Сначала этот пробой имеет вид искрового шнура, но затем под его ионизирующим воздействием пробой практически мгновенно распространяется на все кольцевые объемы в головке 6, на фиг.1 - в плоскости, перпендикулярной центральному электроду 5. Сразу же под действием электродинамической силы, возникающей в результате взаимодействия радиального тока, проходящего через образовавшуюся при пробое плазму, и кольцевого магнитного поля, созданного этим же током, протекающим далее по центральному электроду 5, плазменный сгусток начинает ускоряться вдоль оси диффузора 7, т.е. происходит перемещение ("выдувание") плазменного сгустка к наружному торцу головки 6. В результате этого происходит увеличение размеров кольцевого разряда и обеспечивается его перемещение через рабочую смесь в объеме соплового насадка, что приводит к воспламенению этой смеси не по линии (шнуру), а практически по всему объему соплового насадка, что существенно повышает надежность воспламенения. Одновременно топливная смесь воспламеняется и по другую сторону от критического сечения диффузора 7 головки 6, т.е. в камере 9. Воспламенение топливной смеси в камере 9 приводит к тому, что струя продуктов сгорания истекает с большой скоростью из диффузора 7, смешивается с топливной смесью в объеме камеры 12 сгорания ДВС и завершает процесс ее поджигания, начатый "выдуваемым" плазменным сгустком.
Конусный выход диффузора 7 позволяет подавать больше воздушно-топливной смеси в камеру 9 свечи, таким образом, в камере 9 концентрация воздушно-топливной смеси выше, чем в камере 12 сгорания.
Вихрь, образующийся в камере 12 сгорания, уносит тепло у обычных свечей. Скорость вихря максимальна именно у стенок камеры 12 сгорания, где у известных свечей расположен искровой зазор. Искровой зазор заявляемой свечи защищен от этого вихря и сохраняет тепло, что увеличивает к.п.д. поджига воздушно-топливной смеси в камере сгорания.
При этом искровой зазор находится в центральной зоне камеры 12 сгорания и защищен корпусом 1 от вихревых потоков воздушно-топливной смеси. Этим обеспечивается постоянный стабильный поджиг воздушно-топливной смеси. При запуске холодного двигателя конус диффузора 7, центральный электрод 5 и изолятор
4 центрального электрода 5 прогреваются в течение первых трех циклов, что создает внутри свечи идеальные условия (нет тепловых потерь на окружающую среду камеры 12 сгорания) для воспламенения воздушно-топливной смеси в области искрового зазора и, так же, в камере 9 свечи.
Уплотнение 8 не допускает прорыва газов из камеры 12 сгорания между металлическим корпусом 1 и керамическим изолятором 4. Даже если керамический изолятор 4 начинает «болтаться» в металлическом корпусе 1, газы наружу выйти не могут. Поэтому свеча длительное время работает стабильно и не дает сбоев.
Размер искрового зазора также позволяет искре работать стабильно. Свеча не боится попадания масла, охлаждающей жидкости, некачественного бензина и «заливания», что актуально при холодном запуске двигателя, особенно при отрицательных температурах окружающего воздуха. Искровой зазор в узкой части диффузора 7 позволяет эффективно поджигать воздушно-топливную смесь в камере 9 свечи, что также актуально при холодном запуске двигателя. Когда происходит воспламенение воздушно-топливной смеси в месте искрового зазора, пламя из свечи не выходит в камеру 12 сгорания, а уходит внутрь свечи из-за того, что поршень движется и происходит сжатие. В камере 9, которая сужается к выходу, накапливается энергия. Когда она достигает критической массы, то выстреливает большим объемом огня, а конусный выход диффузора 7 увеличивает силу выстрела пламени в центр камеры сгорания. Одно из главных преимуществ такого факельного зажигания - максимальная зажигательная способность. Факел способен преодолеть заметные расстояния как поперек, так и навстречу вихрю. Благодаря чему в камере сгорания поджигается сразу большой объем воздушно-топливной смеси, что значительно ускоряет ее более полное сгорание. Таким образом, сокращается время поджига воздушно-топливной смеси в центре камеры сгорания примерно в 3 раза.
Искровой зазор нашей свечи закрыт корпусом, который защищает воспламенение от вихревых потоков. Она стреляет накопленной энергией из полости свечи в центр камеры сгорания навстречу вихревым потокам, значительно сокращая путь пламени в центр камеры сгорания. Таким образом сокращается время поджига в центре камеры сгорания примерно в 3 раза. Соответственно, поджиг воздушно-топливной смеси происходит в момент достижения поршнем верхнего крайнего положения. За счет этого идет, практически, равномерное сгорание смеси, благодаря чему идет равномерное давление расширяющих газов на поршень. При
этом исключены механические потери, а именно: заклинивание и излишнее давление на поршень до достижения верхнего крайнего положения. Одновременно значительно увеличивается максимальная скорость, экономия топлива, снижается токсичность выхлопных газов, отпадает необходимость установки катализатора.
Таким образом, создана эффективная, надежная и долговечная свеча зажигания и расширен арсенал свечей зажигания.