СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SPARK PLUG FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано на двигателях для автомобилей. В частности, изобретение касается конструкции свечи зажигания для такого двигателя.
Известны свечи зажигания, содержащие корпус, изолятор, центральный электрод и изогнутый боковой электрод, образующий с торцовой поверхностью центрального электрода искровой зазор (Акимов С.В. и др. Электрическое и электронное оборудование автомобилей. М. Машиностроение, 1988, с.123).
К недостаткам свечи зажигания относится то, что возникающая между электродами искра локализована в малом искровом промежутке и закрыта от основного объема рабочей смеси боковым электродом, т.е. искровой разряд воздействует на малый объем рабочей смеси, находящейся в камере сгорания двигателя, и воспламеняет смесь недостаточно быстро и надежно. Кроме того, при воспламенении смеси происходит резкое нарастание давления газов внутри камеры сгорания, при котором часто искра «срывается», а процесс воспламенения топлива осуществляется не от искры, а за счет поджигания основной массы топлива ранее воспламенившейся от искры его малой частью до срыва искры.
В результате, как решение этой проблемы, появились свечи с так называемой микрофоркамерой, то есть камерой на свече, в которой поджигается от искры малая доза топливовоздушной смеси и которая по открытому каналу врывается в камеру сгорания и поджигает основную часть топливовоздушной смеси. Так, известна свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая изолятор, закрепленный в корпусе, центральный электрод, размещенный в отверстии изолятора, и боковой электрод, образующий с центральным электродом кольцевой зазор, боковой электрод выполнен в виде кожуха, имеющего вид стакана, прикрепленного краями к торцевой части корпуса и образующего вокруг центрального электрода микрофоркамеру, причем стенки кожуха выполнены сплошными, а в центре его днища имеется отверстие, в котором размещен конец центрального электрода таким образом, что его торцевая поверхность расположена заподлицо с наружной поверхностью днища кожуха (полезная модель RU №1580, Н01Т 13/00, опубл. 16.01.1996).
Как правило, такие свечи содержат изолятор в корпусе и центральный электрод, имеющий стержневую часть, размещенную в отверстии изолятора, и дисковую часть, над которой образована микрофоркамера, сообщенная с камерой сгорания через кольцевой зазор. Боковой электрод выполнен в виде кожуха, имеющего вид стакана, причем стенки кожуха выполнены сплошными, а в днище имеется цилиндрическое отверстие, в котором размещена дисковая часть центрального электрода, диаметр которого равен диаметру торца изолятора.
Во время такта сжатия происходит наполнение рабочей смесью микрофоркамеры под давлением. В микрофоркамеру рабочая смесь инжектируется через кольцевой искровой промежуток (искровой зазор) с большой скоростью. В стадии завершения процесса наполнения микрофоркамеры рабочей смесью на основной электрод подается высоковольтный импульс напряжения, вызывающий на его боковой поверхности коронный разряд, переходящий затем, в кольцевом промежутке, в искровой разряд, который должен надежно поджигать рабочую смесь в этом промежутке, что вызывает первоначальное воспламенение рабочей смеси в микрофоркамере и камере сгорания. При горении смеси в микрофоркамере давление в ней больше, чем в камере сгорания, и поэтому из микрофоркамеры в камеру сгорания будут вылетать факел пламени и продукты горения, которые совместно с электрической искрой надежно воспламеняют основной заряд рабочей смеси.
Однако такие свечи имеют недостаток, обусловленный тем, что при появлении первой искры (а она изначально нитевидная) происходит поджигание топливной смеси в микрофоркамере, что приводит к очень резкому нарастанию давления в этой полости. Рост давления с такой высокой скоростью приводит к формированию газового потока, который со скоростью 4-5 м/с вырывается через искровой зазор из микрофоркамеры (данный процесс сдувания искры описан в SU №1706282). Установлено, что даже при меньших скоростях такой газовый поток срывает любую искру. Поэтому такие свечи, несмотря на их конструктивные особенности, отличающие их от обычных свечей, в действительности работают как обычные свечи - с поджиганием от одного первого нитевидной формы разряда.
Данное решение принято в качестве прототипа для заявленных объектов.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по изменению конструкции электродов для формирования искры, вектор которой совпадает с направлением перемещения газового потока в момент взрыва в камере сгорания.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эксплуатационных характеристик за счет стабильности искрообразования и сокращения времени воспламенения топливовоздушной смеси.
Указанный технический результат в устройстве достигается тем, что в свече зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащей изолятор, закрепленный в корпусе, центральный электрод, размещенный в изоляторе, и конец которого выведен наружу из изолятора, и боковой электрод, охватывающий центральный электрод с образованием между ними кольцевого зазора, боковой электрод выполнен в виде ножки, на конце которой на расстоянии от торца изолятора закреплена шайба, в центре которой расположен конец центрального электрода, при этом указанный конец центрального электрода со стороны торца развальцован с образованием наружной поверхности в виде фрагмента поверхности второго порядка, а обращенная в сторону центрального электрода боковая стенка шайбы выполнена в виде фрагмента поверхности второго порядка, вогнутость которой зеркальна вогнутости наружной поверхности центрального электрода на участке развальцовки, при этом торец центрального электрода расположен в плоскости, проходящей через наружную поверхность шайбы.
Указанный технический результат в способе достигается тем, что изготовление свечи зажигания для двигателя внутреннего сгорания заключается в высверливании продольного глухого отверстия в торце выведенного наружу из изолятора центрального электрода, вальцевании кромки отверстия для получения наружной поверхности центрального электрода в виде фрагмента поверхности второго порядка, образовании на стенке центрального отверстия металлической шайбы поверхности, повторяющей фрагмент поверхности второго порядка, прикреплении к ножке бокового электрода на расстоянии от торца изолятора шайбы, которая устанавливается наружной поверхностью перпендикулярно продольной оси центрального электрода, при этом шайбу прикрепляют к ножке с размещением развальцованного торца конца центрального электрода заподлицо с наружной поверхностью шайбы и с расположением поверхности, повторяющей фрагмент поверхности второго порядка, вогнутостью зеркально вогнутости наружной поверхности центрального электрода на участке развальцовки.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На чертеже - разрез свечи зажигания в области электродов.
Согласно настоящего изобретения рассматривается свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания.
Термический КПД двигателя внутреннего сгорания существенно зависит от скорости распространения фронта пламени в камере сгорания, и чем она больше, тем выше КПД. Скорость определяется степенью распространения активных радикалов и первичных продуктов сгорания топливовоздушной горючей смеси после ее поджога искровой свечей зажигания. При обычных свечах возгорание происходит от искры и распространяется вдоль оси цилиндра со скоростью не намного выше скорости диффузии в газах. Из этого следует, чтобы повысить скорость сгорания всего объема рабочей смеси необходимо улучшить поджог, то есть обеспечить стабильный разряд, не сдуваемый возрастающим давлением газов при сгорании в камере сгорания.
Для решения этой задачи свеча содержит изолятор 1, закрепленный в корпусе, центральный электрод 2, размещенный в изоляторе 1 и конец которого выведен наружу из изолятора, и боковой электрод, охватывающий центральный электрод 1 с образованием между ними кольцевого зазора h, являющегося искровым зазором.
Боковой электрод выполнен в виде ножки 3, на конце которой на расстоянии L от торца изолятора 1 закреплена шайба 4, в центре которой расположен конец центрального электрода, при этом указанный конец центрального электрода со стороны торца развальцован с образованием наружной поверхности 5 в виде фрагмента поверхности второго порядка, а обращенная в сторону центрального электрода боковая стенка 6 шайбы 4 выполнена в виде фрагмента поверхности второго порядка, вогнутость которой зеркальна вогнутости наружной поверхности центрального электрода на участке развальцовки.
Торец центрального электрода расположен в плоскости 7, проходящей через наружную поверхность шайбы.
Свеча зажигания искровая может быть изготовлена из обычной свечи с загнутым боковым электродом. Для этого сначала отпиливают загнутую часть бокового электрода, оставив ножку. Затем в торце выведенного наружу из изолятора центрального электрода высверливают продольное глухое отверстие на глубину не более 2,5-3 мм для получения острой кромки, которую легкими ударами молотка слегка вальцуют для получения наружной поверхности центрального электрода в виде фрагмента поверхности второго порядка (напоминает шляпку гвоздя). С этой кромки и уходит заряд в сторону бокового электрода в виде искры.
Затем образуют на стенке центрального отверстия металлической шайбы поверхность, повторяющую фрагмент поверхности второго порядка по всей окружности внутренней стенки кольца. На нее будет приходить заряд в виде искры. Шайбу прикрепляют (приваривают) к ножке бокового электрода на расстоянии от торца изолятора шайбы. Шайба устанавливается наружной поверхностью перпендикулярно продольной оси центрального электрода, при этом шайбу прикрепляют к ножке с размещением развальцованного торца конца центрального электрода заподлицо с наружной поверхностью шайбы и с расположением поверхности, повторяющей фрагмент поверхности второго порядка, вогнутостью зеркально вогнутости наружной поверхности центрального электрода на участке развальцовки.
Так как при работе шайба изнашивается, т.е. выгорает боковой электрод, то на острую кромку кольца необходимо напылять, например, оксид титана или вольфрам.
Положительным в конструкции данной свечи является то, что в ней оптимизировано расположение бокового и центрального электрода (торцевая поверхность центрального электрода и плоскость шайбы (ее наружная поверхность) расположены в одной плоскости А и на расстоянии h - искровой зазор), что позволяет гарантированно иметь искровой разряд.
Рассмотрим первое конструктивное отличие в части выполнения микрофоркамеры. По сути, такой камеры нет: отсутствуют боковые стенки. Эта камера имеет открытый вид с боковых стенок. Но в то же время присутствует объем между кольцом массового электрода и центральным электродом. При повышении давления (такт сжатия) происходит уплотнение топливовоздушной смеси, которая равномерно заполняет всю камеру сгорания цилиндра, в том числе часть этой смеси находится в объеме между кольцом массового электрода и центральным электродом. При появлении разряда между электродами происходит возгорание той смеси, которая находится в зоне электродов. Газовый поток высокого давления, сформированный в зоне электродов, устремляется в зоны более низкого давления. Эта часть потока выходит из этой зоны через боковой зазор (там, где раньше была стенка микрофоркамеры), так как в этом направлении отсутствует препятствие. Так как направление газового потока всегда идет к зонам с более низким давлением, то направление перемещения газового потока совпадает с направлением распространения разряда. Конечно, какая-то часть потока пройдет через исковой зазор, но его воздействие на искровой разряд всегда будет меньше, чем воздействие основного потока, омывающего кольцо массового электрода. Отсюда можно предположить, что разряд не будет сдуваться с электродов, что позволит сформировать если не полностью круговой разряд, то, по крайней мере, между центральным электродом и кольцом массового электрода будет образовано несколько нитей этого разряда.
Что же касается выполнения поверхностей истечения разряда в виде фрагментов поверхностей второго порядка с острыми кромками, то следует сказать, что такое решение явно относится к новому подходу в рассмотрении вопроса управления истечением зарядов с носителя. Выбор поверхностей электродов в свече определен в результате экспериментов, и их можно рассматривать как существенное отличие свечи по разработке от известных в части формирования ионизированного потока заряженных частиц. Аналогичное можно увидеть в RU 2051449, в котором была представлена попытка оптимизировать поверхности, на которых формируется разряд. В RU 2051449 впервые отмечено, что вид поверхности существенно влияет на процесс ионизации зарядов:
«В случае выполнения … центрального электрода с коническим углублением, на его конце происходит увеличение концентрации ионизированных частиц у центрального электрода, что облегчает пуск двигателя и повышает его экономичность. … Конец отрицательного электрода выполняется с углом при его вершине в пределах 110-130°, при угле в 120° наблюдается максимальная ионизация искрового промежутка. При угле 130° наблюдается угасание ионизации газа в искровом промежутке. При угле менее 110° наблюдается уменьшение ионизации газа в этом промежутке в связи с его контрагированием. При угле, например, 140° в искровом промежутке ионизации газа нет. При угле, например, 55° в искровом промежутке ионизация газа составляет примерно 20% от максимального уровня, наблюдающегося при угле 120°».
Как видно из приведенного текста, подбор видов поверхностей контактов свечи зажигания носит экспериментальный характер и не имеет пока научного обоснования.
Указанные отличительные особенности определяют свечу зажигания искровую как явно обладающую новизной. При этом особенности образования открытой с боку микрофоркамеры и выбор поверхностей для истечения заряда нельзя отнести к категории известных технических приемов, обычно используемых конструкторами для решения известных в машиностроении и электротехнике задач, что указывает на соответствие разработки условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Настоящее изобретение промышленно применимо, опытные образцы испытаны в течение нескольких лет на автомобиле автора и показали высокую эксплуатационную надежность свечей по изобретению в части искрообразования и полноты сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания.