Свеча зажигания газового двигателя внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия
SPARK PLUG OF A GAS INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH A VARIABLE COMPRESSION RATIO

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к свечам зажигания газовых двигателей внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия.
В бензиновом двигателе в камере сгорания находится смесь испарившегося топлива и воздуха (топливовоздушная смесь), которая зажигается свечой. Степень сжатия бензинового двигателя зависит от октанового числа применяемого бензина и должна быть строго определенной, в связи с чем применяемые в настоящее время двигатели с переменной степенью сжатия являются дизельными. Однако свечи зажигания устанавливаются не только на бензиновые двигатели, но и на дизели [1, стр. 22], что обеспечивает более качественное сгорание топлива в дизеле с пониженным содержанием окислов азота в отработавших газах и снижение расхода топлива. Дальнейшее совершенствование рабочего процесса дизелей целесообразно осуществлять с использованием принудительного воспламенения свечой зажигания с целью обеспечения точного момента зажигания [1, стр. 47].
Свечи зажигания применяются на многотопливных двигателях, работающих как на дизельном топливе, так и на бензине. Степень сжатия таких двигателей изменяется в зависимости от применяемого топлива.
Свечи зажигания применяются на газовых двигателях, так как газы не самовоспламеняются и требуют постороннего источника зажигания. Камера сгорания газового двигателя заполнена топливовоздушной смесью, как и в бензиновом двигателе.
Все газы имеют высокие октановые числа [2, стр. 26], следовательно, двигатели, использующие в качестве топлива газы, могут работать с переменной степенью сжатия, в частности иметь более высокую степень сжатия в режиме пуска и прогрева.
Известна свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания [3], содержащая металлический корпус и заделанный в этот корпус изолятор. В изоляторе расположена стержневидная внутренняя токопроводящая конструкция, состоящая из центрального электрода, токоограничивающего защитного резистора и из бокового электрода, соединенного с металлическим корпусом, причем между центральным и боковым электродами образуется искровой промежуток.
Недостатком данной конструкции служит то, что в камере сгорания двигателя свеча зажигания располагается так, что искровой промежуток между центральным и боковым электродами незначительно выступает в камеру сгорания. При этом расстояние, пробегаемое по топливовоздушной смеси фронтом пламени от искрового промежутка до наиболее отдаленных от него областей камеры сгорания максимально велико, вследствие чего возрастает время сгорания топливовоздушной смеси. Кроме того, электроды не имеют системы охлаждения, что может вызвать их перегрев и возникновение калильного воспламенения.
Известны также двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с переменной степенью сжатия, которые при пуске имеют увеличенную степень сжатия, обеспечивающую надежный пуск и прогрев двигателя, после чего степень сжатия уменьшается до величины, соответствующей длительной работе прогретого двигателя. У таких двигателей изменение степени сжатия осуществляется перемещением одного из элементов, образующих камеру сгорания. Камера сгорания ДВС образуется из нескольких элементов: огневое днище поршня, элемент, закрывающий цилиндр сверху (головка цилиндра), стенки гильзы цилиндра. Как правило, свеча устанавливается в головку цилиндра. У двигателя [4] камера сгорания образована рабочим поршнем, стенками гильзы цилиндра и регулировочным поршнем, расположенным над рабочим поршнем, перемещение которого осуществляется упругой тарельчатой пружиной. Изменение степени сжатия производится перемещением регулировочного поршня, который при пуске и прогреве холодного двигателя находится в нижнем положении, и объем камеры сгорания имеет минимальную величину, обеспечивая максимальную степень сжатия рабочего тела и надежный пуск двигателя. После прогрева двигателя регулировочный поршень под действием упругой тарельчатой пружины перемещается в верхнее положение, и объем камеры сгорания принимает максимальную величину, обеспечивая низкую степень сжатия рабочего тела, необходимую для нормальной работы прогретого двигателя.
Так как свеча располагается на регулировочном поршне, то при его перемещении вверх расстояние, пробегаемое по топливовоздушной смеси фронтом пламени от искрового промежутка до наиболее отдаленных от него областей камеры сгорания, увеличивается, вследствие чего возрастает время сгорания топливовоздушной смеси.
Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия [5] содержит корпус, цилиндр, поршень, направляющие, предотвращающие перекос цилиндра при его перемещении, гофрированное эластичное уплотнение, камеру сгорания, образованную поршнем и стенками цилиндра (боковыми и верхней). Нижняя часть цилиндра связана гофрированным эластичным уплотнением с корпусом. Эластичное уплотнение может изменять свою высоту, перемещая цилиндр. При пуске холодного двигателя гофры эластичного уплотнения располагаются близко друг к другу, высота гофрированного эластичного уплотнения минимальна. Вследствие этого связанный с гофрированным эластичным уплотнением цилиндр находится в нижнем положении, обеспечивая минимальный объем камеры сгорания, что увеличивает степень сжатия и улучшает условия пуска двигателя. После пуска двигателя его детали, включая гофрированное эластичное уплотнение, прогреваются; гофры уменьшают свою кривизну, удаляясь друг от друга, высота гофрированного эластичного уплотнения увеличивается. В результате этого связанный с гофрированным эластичным уплотнением цилиндр перемещается вверх и увеличивает объем камеры сгорания, в результате чего уменьшается степень сжатия.
Так как свеча зажигания располагается на верхней стенке цилиндра (в головке цилиндра), то при перемещении цилиндра вверх расстояние, пробегаемое по топливовоздушной смеси фронтом пламени от искрового промежутка до наиболее отдаленных от него областей камеры сгорания, увеличивается, вследствие чего возрастает время сгорания топливовоздушной смеси.
Уменьшение времени сгорания улучшает экономичность работы двигателя. Кроме того, максимальная частота вращения коленчатого вала современных поршневых двигателей внутреннего сгорания с верхним расположением распределительных валов определяется скоростью сгорания топлива, поэтому увеличение скорости горения топлива способствует увеличению максимальной частоты вращения коленчатого вала, что при одинаковой мощности позволяет уменьшить габаритные размеры, вес и стоимость двигателя по сравнению с двигателем, имеющим меньшую частоту вращения коленчатого вала.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является электроискровая свеча зажигания, значительно уменьшающая время сгорания топливно-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания [6], включающая в себя металлический корпус, длинные 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. Благодаря большой длине электродов искровой промежуток может быть размещен в таких областях камеры сгорания, в которых при воспламенении топливовоздушной смеси пробег фронта пламени до отдаленных областей камеры сгорания значительно укорачивается, что уменьшает время горения.
Недостатком данной конструкции является постоянная форма электродов, что при использовании свечи на двигателе с переменной степенью сжатия ухудшает экономичность его работы. Свеча на двигателе с переменной степенью сжатия устанавливается в один из подвижных элементов, образующих камеру сгорания (в головку цилиндра). При пуске двигателя степень сжатия максимальна, и этот элемент расположен близко к огневой поверхности поршня. После пуска и прогрева двигателя степень сжатия уменьшается, объем камеры сгорания увеличивается, и элемент, в котором расположена свеча, перемещается, удаляясь от огневой поверхности днища поршня. В результате этого изменяется положение искрового промежутка в камере сгорания, возрастает расстояние, пробегаемое фронтом пламени по топливовоздушной смеси от искрового промежутка до наиболее отдаленных от него областей камеры сгорания, что увеличивает время сгорания топливовоздушной смеси, от которого зависит экономичность работы двигателя и максимальная частота вращения коленчатого вала.
Техническая проблема заключается в повышении надежности.
Технический результат заключается в  увеличении частоты вращения коленчатого вала такого двигателя.
Указанный технический результат достигается в свече зажигания газового двигателя внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия, включающая в себя металлический корпус, длинные электроды, выступающие в камеру сгорания, и разделяющий их изолятор, причем электроды свечи являются полыми и через них для охлаждения пропускается воздух, электроды, выполнены с возможностью испытывать мартенситное превращение посредством изменения своей формы при нагреве и возвращении в исходную форму при остывании.
Поставленная цель достигается путем изменения положения искрового промежутка между электродами свечи зажигания в камере сгорания при изменении степени сжатия двигателя путем изменения формы электродов свечи, выполненных из материала, обладающего эффектом памяти формы.
Новым в устройстве форкамерной свечи зажигания газового двигателя внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия является выполнение электродов с возможностью испытывать мартенситное превращение посредством изменения своей формы при нагреве и возвращении в исходную форму при остывании за счет чего изменяется положение искрового промежутка между электродами свечи зажигания в камере сгорания при изменении степени сжатия двигателя.
На фиг. 1 слева представлена свеча зажигания в период пуска и прогрева холодного двигателя, справа – свеча зажигания при работе двигателя; на фиг. 2 представлен двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия [5] с установленной в него свечой зажигания, слева показан вид двигателя и положение электродов свечи зажигания в период пуска и прогрева холодного двигателя, справа – показан вид двигателя и форма электродов свечи зажигания при работе двигателя.
Свеча зажигания (фиг. 1) состоит из металлического корпуса 1, внутри которого установлен изолятор 2 с центральным электродом 3 и боковым электродом 4, которые совместно образуют искровой промежуток 5. При этом боковой электрод 4 соединен с корпусом 1 (массой) и электроды выполнены полыми с возможностью подачи в них воздуха с целью охлаждения, причем охлаждающий воздух движется внутри электродов и не поступает в камеру сгорания.
При пуске и прогреве холодного двигателя электроды 3 и 4 изогнуты так, чтобы искровой промежуток 5 располагался в центре камеры сгорания таким образом, чтобы расстояние от него до периферийных областей камеры сгорания было наименьшим, и электроды 3 и 4 не соприкасались с огневым днищем поршня при положении поршня в верхней мертвой точке.
При работе двигателя с переменной степенью сжатия элемент, образующий камеру сгорания с установленной в нем свечой, перемещается вверх, увеличивая объем камеры сгорания. Также при работе двигателя электроды 3 и 4 свечи, изготовленные из материала с эффектом памяти формы, нагреваются, в них происходит мартенситное превращение [7], они изменяют свою форму, разгибаются, приближаясь к огневому днищу поршня таким образом, чтобы искровой промежуток 5 вновь занял такое же положение в камере сгорания, как и до изменения степени сжатия.
Свеча зажигания газового двигателя внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия работает следующим образом. При пуске и прогреве холодного двигателя электроды 3 и 4 изогнуты так, чтобы искровой промежуток 5 располагался в центре камеры сгорания и расстояние от него до периферийных областей камеры сгорания было наименьшим, а электроды 3 и 4 не соприкасались с огневым днищем поршня при положении поршня в верхней мертвой точке, фиг. 1 слева.
При работе двигателя, фиг. 1 справа, электроды 3 и 4 свечи, изготовленные из материала с эффектом памяти формы, нагреваются, в них происходит мартенситное превращение [7], они изменяют свою форму, разгибаются, приближаясь к огневому днищу поршня таким образом, чтобы искровой промежуток 5 вновь занял такое же положение в камере сгорания, как и до изменения степени сжатия.
При остановке и остывании двигателя материал электродов охлаждается, в нем происходит мартенситное превращение, в результате которого электроды изгибаются и принимают исходную форму.
Если пуск производится на горячем двигателе, электроды имеют высокую температуру и форму, обеспечивающую надежный пуск и работу горячего двигателя.
На фиг. 2 показана установка свечи зажигания на двигатель [5]. Работа этого ДВС с изменяемой степенью сжатия осуществляется следующим образом. В непрогретом состоянии (фиг. 2, слева) цилиндр 6 находится в нижнем положении, увеличивая степень сжатия в камере сгорания, что улучшает условия запуска двигателя. Перемещение цилиндра 6 управляется гофрами 7 эластичного уплотнения, выполненными из материала, обладающего эффектом памяти формы, которые в непрогретом состоянии имеют значительную кривизну и приближены друг к другу. Вследствие этого при пуске двигателя цилиндр 6 находится в нижнем положении, а степень сжатия в цилиндре максимальна. После запуска двигателя прогреваются его основные детали, включая гофры 7 эластичного уплотнения. При нагреве эластичного уплотнения в материале гофр 7 происходит мартенситное превращение [7], гофры уменьшают свою кривизну, удаляясь друг от друга. В результате этого связанный с эластичным уплотнением цилиндр 6 перемещается вверх, увеличивает объем камеры сгорания и уменьшает степень сжатия (фиг. 2, справа).
После перемещения цилиндра 6 электроды 3 и 4 свечи зажигания изменяют свою форму таким образом, чтобы искровой промежуток 5 занимал одно и то же положение в камере сгорания, независимо от изменения степени сжатия вследствие перемещения элемента камеры сгорания, в который установлена свеча (фиг. 2, справа).
При остановке и остывании двигателя вначале остывают электроды 3 и 4 свечи зажигания, в них происходит мартенситное превращение, они изменяют свою форму и приближаются к поверхности элемента камеры сгорания, в котором установлена свеча, а затем остывают гофры 7 эластичного уплотнения, в результате чего цилиндр 6 перемещается ближе к огневой поверхности поршня.
Материалы, обладающие эффектом памяти формы, имеют характеристики прочности, превосходящие прочность большинства сталей [7], поэтому электроды, выполненные из материала, обладающего эффектом памяти формы, будут способны выдержать высокие нагрузки от температуры и давления газов, возникающие при сгорании топлива в цилиндре двигателя.
При сборке двигателя монтаж свечи должен осуществляться после предварительного нагрева свечи до температуры, превышающей температуру мартенситного превращения.
Использование предлагаемого технического решения и увеличить частоту вращения коленчатого вала такого двигателя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Павлович, Л.М. Камеры сгорания   высокоэкономичных   и малотоксичных дизелей/ Л.М.Павлович// Сб. ЦНИИ информации и технико-экономических исследований по тяжелому и транспортному машиностроению. – М., 1981. – № 4–81–32. – 52 с.
2. Генкин, К.И. Газовые двигатели / К.И. Генкин – М.: Машиностроение, 1977. – 196 с.
3. Пат. 2236735 С2 Российская Федерация, МПК H01T 13/20. Свеча зажигания / Рудольф Полльнер; патентообладатель РОБЕРТ БОШ ГМБХ (DE)– № 2001116576/06; заявл. 13.11.1999; опубл. 20.09.2004, Бюл. № 26.
4. Пат. 2586222 С1 Российская Федерация, МПК F 02 B 75/04, F 02 D 15/04. Двигатель внутреннего сгорания с изменяемым объёмом камеры сжатия / Рогалев В.В., Фокин Ю.И.; заявитель и патентообладатель Брянский гос. техн. ун-т. – № 2015120534/06; заявл. 29.05.2015; опубл. 10.06.2016, Бюл. № 16.
5. Пат. 2598489 С1 Российская Федерация, МПК F 02 B 75/04, F 02 D 15/04, F 01 B 31/14. Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия / Фокин Ю.И., Рогалев В.В.; заявитель и патентообладатель Брянский гос. техн. ун-т. – № 2015120535/06; заявл. 29.05.2015; опубл. 27.09.2016, Бюл. № 27.
6. Пат. 2216838 С2 Российская Федерация, МПК H01T 13/16, H01T 13/20. Электроискровая свеча зажигания, значительно уменьшающая время сгорания топливно-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания/ Громов А.И.; патентообладатель Громов А.И. – № 2001116861/06; заявл. 21.06.2001; опубл. 20.11.2003, Бюл. № 32.
7. Применение эффекта памяти формы в современном     машиностроении. / А.С. Тихонов, А.П. Герасимов, И.И. Прохорова – М.: Машиностроение, 1981. - 80 с.