ФАКЕЛЬНАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ

Полезная модель относится к свечам зажигания, в частности к улучшенной свече зажигания, которая способна значительно улучшить эффективность распространения искры зажигания и эффективность сжигания топлива при использовании в двигателе внутреннего сгорания - ДВС, как карбюраторных, так и инжекторных и дизельных, а также в роторных двигателях, газопоршневых и других типах двигателей и в энергетических установках.
Предшествующий уровень техники
Обычно боковой заземленный электрод свечи зажигания изогнут и имеет L-образную форму, будучи перпендикулярным к направлению осевого центрального электрода так, чтобы поперечное сечение разрядной части, так называемой «минифоркамеры», обращенной к осевому центральному электроду, было прямоугольным.
Когда возникает искровой разряд свечи зажигания, искра появляется между осевым центральным электродом и концевой разрядной частью заземленного электрода, расположенной ниже осевого центрального электрода. Газовая смесь в искровом промежутке, сформированном этими электродами, воспламеняется за счет искры так, что сжатая газовая смесь воспламеняется сначала в «минифоркамере» между электродами, а потом горизонтально истекающий факел воспламеняет остальную ТВС. В обычных конструкциях высокое давление газа, вызванное воспламенением, может быть заблокировано концевой разрядной частью так, что эффект распространения горения на воздушно-топливную газовую смесь в камере сгорания является недостаточно хорошим. А запуск двигателя при отрицательных температурах вообще вызывает затруднение из-за охлаждения воспламеняющего факела от холодных металлических частей головки цилиндра.
Когда остаточный углерод (продукт неполного сгорания топливовоздушной смеси - ТВС) остается в искровом промежутке между электродами, то углерод может накапливаться и изменяться от фазы частиц до фазы соединения на поверхностях электродов так, что между электродами может возникнуть короткое замыкание. В таком состоянии, даже при подаче напряжения, искра может не возникать, что ведет к серьезным проблемам вплоть до остановки двигателя или выпуску топливовоздушной смеси через выхлопную трубу без сгорания. Когда несгоревшая газовая смесь выпускается в выхлопную трубу, часто проявляется эффект обратной вспышки, при этом проявляется аварийный эффект и снижается эффективность сгорания. Выход из строя одного из нескольких цилиндров может длительное время оставаться без внимания, что приведет к поломке двигателя из-за дисбаласа роторных частей.
Во время работы ДВС из-за коррозии могут появиться трещина на конце осевого центрального электрода, что приводит к возникновению критического повреждения. Срок службы свечи зажигания может снизиться из-за такого дефекта
Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2366053, МПК H01T 13/20, опубл. 27.08.2009 г. Эта свеча зажигания содержит центральный электрод и боковой электрод цилиндрической формы, между ними образуется «минифоркамера». Искровой разряд осуществляется на цилиндрическую стенку, а выход продуктов сгорания осуществляется в кольцевой зазор.
Недостатки этой свечи возможное засорение кольцевого зазора, из-за отложения твердых частиц продуктов сгорания на обоих электродах, особенно при работе на обогащенной смеси.
Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2366052, МПК H01T 13/00, опубл. 27.08.2009 г. Эта свеча содержит центральный электрод и Г-образный боковой электрод, плоскость которого скручена по длине для создания вихревого движения продуктов сгорания.
Недостаток плохой запуск двигателя при отрицательных температурах. Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2360342, МПК H01T 13/54, опубл. 27.06.2009 г.
Эта свеча содержит центральный и боковой электроды и две форкамеры, установленные последовательно.
Недостатки: конструктивная сложность свечи, ее большие осевые габариты и высокая стоимость.
Известно, что для бесперебойной работы свечи зажигания нижняя часть изолятора (тепловой конус) должна иметь температуру примерно 500-600°C. При температуре ниже указанной на свече образуется слой нагара и она начинает работать с перебоями. Недостаточная температура нагрева изолятора и электродов свечи особенно сильно проявляется при запуске холодного двигателя в условиях отрицательных температур, когда пары топлива частично конденсируются и надежность воспламенения смеси обусловлена не только ее ионизацией, но и нагревом прилегающего к электродам объема газа. Для повышения надежности работы системы зажигания в условиях отрицательных температур применяют свечи с принудительным электроподогревом.
Известна, например, свеча зажигания, содержащая металлический корпус, изолятор и нагревательный элемент, размещенный в кольцевой проточке, выполненной на боковой стенке изолятора, в его части, закрытой корпусом по А.Св. СССР №1802382, МПК H01T 13/00, опубл. 1993 г.
Недостатком такой конструкции является то, что нагревательный элемент может быть встроен в свечу только при ее изготовлении. Однако актуальной является также задача модернизации уже изготовленных свечей.
Известна свеча зажигания, содержащая «минифоркамеру» по патенту РФ на изобретение №2356145, МПК H01T 13/20, опубл. 20.05.2009 г.
Эта свеча зажигания содержит осевой центральный электрод для искрового разряда и боковой заземленный электрод, находящийся напротив осевого центрального электрода относительно искрового промежутка, с круглой частью в плане, имеющей центральное круглое отверстие, выполненное на разрядном конце бокового округлого электрода. При этом свеча зажигания включает множество спиральных выступов, которые выступают из внутренней стороны круглой части в направлении центрального круглого отверстия так, чтобы сформировать турбулентный поток в газовой смеси, когда газ, сжатый во время хода сжатия, подается в искровой промежуток через центральное круглое отверстие. Техническим результатом является улучшение эффективности распространения искры за счет обеспечения лучшего смешивания в искровом промежутке между электродами, обеспечение функции генерации турбулентного потока, а также увеличение силы воспламенения.
Недостатки этого устройства: низкая эффективность искрового разряда, обусловленная несоответствием формы, размером и взаимного расположения электродов оптимальным для электрического разряда в газовом промежутке. Недостатком является то, что площадь центрального отверстия выполнена меньше площади поперечного сечения центрального электрода. Это дает несколько отрицательных результатов: Закручивающее устройство мало эффективно и не выполняет своей функции по двум причинам:
- средства закрутки имеют очень маленькую высоту (из-за небольшого диаметра отверстия) и располагаясь в пределах пограничного слоя потока не влияют на характер движения основной массы потока, истекающего из отверстия,
- закрутка осуществляется в горизонтальной плоскости, что не способствует внедрению факела в значительный объем камеры сгорания цилиндра ДВС, который обычно располагается ниже свечи.
Кроме того, этому техническому решению присущи еще несколько недостатков:
- отверстие малого диаметра легче забивается продуктами неполного сгорания ТВС,
- отверстие, выполняет роль выходного сопла «минифоркамеры» и при малой площади отверстия мощность факела незначительная и не может обеспечить запуск ДВС при отрицательных температурах. Роль второго сопла выполняют боковые зазоры между центральным и боковым электродами, но истекающие из них вдоль головки непрогретого цилиндра продукты сгорания резко охлаждаются и не могут воспламенить весь объем камеры сгорания цилиндра. Традиционно применяемый способ запуска с обогащением ТВС приводит к перерасходу топлива, износу поршневой системы ДВС и к отложению копоти па электродах.
Известен воспламенитель по патенту РФ на изобретение №2169885, МПК F23Q 9/00, опубл. 27.06.2001 г.
Признаки, общие с предложенным техническим решением: корпус форкамеры имеет полость воспламенения и отверстия подачи ТВС в форкамеру и выброса факела.
Недостатки этого технического решения: большие габариты. Вес и конструктивная сложность из-за наличия большого количества деталей. В то же время при уменьшении габаритов форкамеры она не будет выполнять своей основной функции; надежно воспламенять ТС (топливовоздушную смесь.).
Известна форкамера ДВС по патенту РФ на полезную модель №16, МПК F02B 19/16, опубл. 25.06.1994 г.
Выносная форкамера для двигателя внутреннего сгорания с движущимся потоком топлива на воздушной смеси, содержащая корпус, полость со свечой зажигания и переходной канал, отличающаяся тем, что в сопло переходного канала помещена пластина-завихритель, закрученная на угол поворота (1/2)*пи-(2/3)*пи рад (90-120°).
Недостаток сложность конструкции.
Известна свеча зажигания с форкамерой по св. РФ на полезную модель №60635, МПК F02D 19/10, опубл. 27.01.2007 г., прототип.
Вихревая форкамера двигателя внутреннего сгорания по этому патенту содержит цилиндрический корпус с наружной и внутренней резьбами, внутренней полостью, нижним отверстием и боковыми факельными каналами, при этом боковые факельные каналы имеют три угла отклонения в пространстве форкамеры. Нижнее и боковые отверстия расположены на коническом днище.
Недостаток низкая эффективность форкамеры, вследствие того, что суммарная площадь отверстий меньше площади поперечного сечения камеры воспламенения. Это приводит к дросселирования при заполнении камеры ТВС и уменьшение ее дозы и мощности факелов воспламенения. Увеличение площади отверстий технически не осуществимо из-за того, что это приведет к выступанию конического днища внутрь цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
Так как длина конического днища ограничена, то ограничено и количество отверстий и их площадь. Кроме того, углы установки всех боковых отверстий одинаковые, что ограничивает диаметр общего воспламеняющего факела. Эффект закрутки недостаточен, так как объем форкамеры составляет менее 1% от объема цилиндра ДВС и весь объем ТВС в полости цилиндра невозможно закрутить.
Недостаток этого технического решения: низкая эффективность форкамеры, вследствие того, что суммарная площадь отверстий меньше площади поперечного сечения камеры воспламенения. Это приводит к дросселированию при заполнении камеры ТВС и уменьшение ее дозы и, как следствие, мощности факелов воспламенения.
Кроме того, вследствие сгорания топлива с ограниченном неохлаждаемом объеме форкамеры ее корпус перегревается. Перегрев копуса форкамеры приводит к перегреву свечи зажигания и к ее разрушению. Этот недостаток в настоящее время ограничивает применение форкамеры на серийно выпускаемых двигателях ДВС несмотря на явные преимущества таких схем.
Задачи создания полезной модели упрощение конструкции свечи зажигания с форкамерой, повышение ее надежности и повышение ее эффективности.
Достигнутые технические результаты: повышение мощности воспламеняющего факела и обеспечение тепловой защиты форкамеры.
Решение указанной задачи достигнуто в факельной свече зажигания, содержащей корпус, внешнюю резьбу, изолятор, центральный и боковой электроды и установленную под ней на резьбе форкамеру, тем, что форкамера выполнена в виде факельной проставки, содержащей корпус и факельный канал. Корпус факельной проставки выполнен в форме пустотелого цилиндра имеющего внутреннюю резьбу в верхней части, факельный канал и внешнюю резьбу - в нижней части. В верхней части факельной проставки может быть выполнено шестигранное утолщение. В верхней части факельной проставки на ее торцовой плоскости могут быть выполнены радиальные пазы под ключ, для ее ввертывания. Факельная проставка может быть выполнена из жаростойкого металла. Факельная проставка может быть выполнена из нержавеющей стали. Факельная проставка может быть выполнена из медного сплава, например из латуни. Факельная проставка может быть выполнена из титана. Факельная проставка может быть выполнена из алюминиевого сплава. Факельная проставка может быть выполнена методом порошковой металлургии. Боковой электрод может быть выполнен с центральным отверстием. Диаметр центрального отверстия в боковом электроде может быть выполнен больше диаметра центрального электрода. Центральное отверстие в боковом электроде может быть выполнено с фаской с образованием конуса, расширяющегося в противоположную сторону от центрального электрода. На факельной свеча зажигания может быть установлен кольцевой постоянный магнит, а боковой электрод выполнен кольцевым. Кольцевой постоянный магнит может быть установлен снаружи факельной свечи. Кольцевой постоянный магнит может быть установлен электрическом изоляторе факельной свечи.. Кольцевой постоянный магнит может быть установлен между ее корпусом и факельной проставкой. Кольцевой постоянный магнит может быть установлен на проточке с торца резьбовой ввертной части свечи. Внутри факельной проставки со стороны противоположной выходному отверстию установлен параболический отражатель. Факельная свеча зажигания может быть снабжена системой охлаждения факельной проставки. Факельная свеча зажигания может быть снабжена завихрителем факела пламени. Факельная проставка может быть снабжена выходным соплом на выходе из ее внутреннего канала. Факельная проставка может быть снабжена входным патрубком для подачи топлива в ее полость. Входной патрубок может быть выполнен тангенциально по отношению к внутренней стенке факельного канала. Входной патрубок может быть снабжен обратным клапаном.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах фиг.1…24, где:
- на фиг.1 представлен чертеж факельной свечи зажигания,
- на фиг.2 приведена установка факельной свечи зажигания на головке цилиндров,
- а фиг.3 и 4 приведен первый вариант форкамеры с цилиндрическим корпусом,
- на фиг.5 и 6 приведен второй вариант форкамеры с шестигранным в поперечном сечении корпусом,
- на фиг.7 и 8 приведен третий вариант форкамеры с радиальными пазами,
- на фиг.9 приведена факельная свеча зажигания в составе ДВС,
- на фиг.10 приведена свеча зажигания с отверстием в боковом электроде,
- на фиг.11 приведена конструкция центрального и бокового электродов свечи зажигания,
- на фиг.12 приведен вариант бокового электрода свечи с коническим расширяющимся центральным отверстием,
- на фиг.13 приведена свеча зажигания с кольцевым постоянным магнитом, установленным между свечой и факельной проставкой,
- на фиг.14 приведена свеча зажигания с постоянным магнитом, установленным на изоляторе,
- на фиг.15 приведена свеча зажигания с постоянным магнитом, установленным внутри факельной проставки,
- на фиг.16 приведена свеча с кольцевым постоянным магнитом установленным между факельной проставкой и головкой цилиндров,
- на фиг.17 приведена свеча зажигания с кольцевым постоянным магнитом, установленным между на кольцевой проточке факельной проставки внутри цилиндра,
- на фиг.18 приведена свеча зажигания с параболическим отражателем,
- на фиг.19 приведена свеча зажигания с охлаждаемой факельной проставкой,
- на фиг.20 приведен разрез А-А,
- на фиг.21 приведена свеча зажигания с устройством закрутки факела,
- на фиг.22 приведена свеча зажигания с соплом,
- на фиг.23 приведена свеча зажигании с впрыском топлива в форкамеру,
- на фиг.24 приведен разрез В-В.
Факельная свеча зажигания (фиг.1…24) содержит металлический корпус 1. Металлический корпус 1 содержит цилиндрическую часть 2, место под ключ 3 в форме шестигранника и ввертную часть (резьбовой участок) 4. Кроме того, факельная свеча зажигания имеет электрический изолятор 5, центральный электрод 6 и боковой электрод 7. Боковой электрод 7 преимущественно имеет L-образную форму, но возможны и другие варианты выполнения бокового электрода 7. Факельная свеча зажигания имеет форкамеру, выполненную в виде факельной проставки 8 и содержащую корпус 9 и полость 10 с выходным отверстием 11. Корпус 9 имеет резьбовую часть 12 с внешней резьбой. Внутри корпуса 9 выполнена внутренняя резьба 13 соответствующая резьбовому участку 4. Корпус 9 ввертывается в соответствующее отверстие в головке цилиндров 14 ДВС. (фиг.2).
Для предотвращение перегрева факельная проставка 8 может быть выполнена из жаростойкого металла или из нержавеющей стали или из медного сплава, например из латуни. Высокая теплопроводность материала способствует отводу тепла. Факельная проставка 8 может быть выполнена из титана. Факельная проставка 8 может быть выполнена из алюминиевого сплава, обладающего высокой теплопроводностью. Факельная проставка 8 может быть выполнена методом порошковой металлургии, что позволяет получить жаропрочную конструкцию.
Возможны три варианта исполнения корпуса 9.
На фиг.3 и 4 приведен корпус 9 цилиндрической формы. То есть, снаружи он имеет форму цилиндра. Полость 10 также выполнена цилиндрической формы.
На фиг.5 и 6 приведен корпус 9 шестигранной формы в поперечном сечении. Это необходимо для применения торцового шестигранного ключа для завинчивания факельной свечи в головку цилиндров 14 двигателя ДВС.
Возможно выполнение на верхнем торце 15 корпуса 9 радиальных пазов 16 (фиг.7 и 8), предназначенных для применения торцового ключа, при установке свечи зажигания внутри глубокого гнезда 17 на головке цилиндров 14.
Факельная свеча зажигания поставляется обычно в сборе с факельной проставкой 8. Возможна установка факельной проставки 8 самостоятельно. Факельная свеча зажигания устанавливается на головке цилиндров 14 при помощи стандартного свечного ключа. Для установки и снятия факельной проставки 8 в глубокое гнездо 17 следует применить специальный торцовый ключ (не показано).
Возможно выполнение на боковом электроде центрального отверстия 18 (фиг.10) для улучшения воспламенения топливо-воздушной смеси. Это отверстие должно иметь диаметр больше, чем диаметр центрального электрода 6 (фиг.11) и может быть выполнено коническим расширяющимся (фиг.12).
Возможна установка на свече зажигания кольцевого постоянного магнита 19 (фиг.13…17). В этом случае боковой электрод 7 выполнен кольцевым. Возможны различные варианты установки кольцевого постоянного магнита 19. Кольцевой постоянный магнит 19 может быть установлен снаружи свечи (фиг.13, 14 и 16) или внутри нее (фиг.15 и 17).
Кольцевой постоянный магнит 19 может быть установленным между свечой и факельной проставкой 8 (фиг.13). Кольцевой постоянный магнит 19 может быть установлен на изоляторе (фиг.14). Кольцевой постоянным магнит 19 может быть установлен внутри факельной проставки (фиг.15). Кольцевой постоянный магнит 19 может быть установлен между факельной проставкой 8 и головкой цилиндров (фиг.16). Кольцевой постоянный магнит 19 может быть установлен между на кольцевой проточке факельной проставки 8 внутри цилиндра (фиг.17).
Возможна установка параболического отражателя 20 внутри факельной проставки 8 на ее торце противоположном выходному отверстию 11 для усиления факела (фиг.18). Фокус параболического отражателя 20 направлен на рабочий торец центрального электрода 6
Возможно применение системы охлаждения факельной проставки 8 (фиг.29 и 30). В этом случае факельная проставка 8 содержит полость 21, к которой присоединены подводящий и отводящий патрубки 22 и 23, при этом подводящий патрубок 22 содержит обратный клапан 24. Возможна установка внутри факельной проставки 8 завихрителя факела 25 (фиг.21) или на его выходной торце - сопла 26 (фиг.22). Возможно применение системы впрыска топлива, содержащий входной патрубок 27 и обратный клапан 28, при этом входной патрубок 27выполнен тангенциально внутренней стенке полости 10.
Работа устройства
При работе факельной свечи зажигания, например в составе ДВС (фиг.1…24), в состав которого она входит, после впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через отверстие 11 попадает в полость 10 факельной проставки 8.
В цикле «рабочий ход» в первую очередь воспламеняется порция топливовоздушной смеси - ТВС внутри факельной проставки 8, т.е в полости 10, продукты сгорания, имеющие очень высокую температуру, с огромной скоростью выбрасываются из полости 10 через отверстие 11 в полость 14 камеры сгорания цилиндра ДВС (цилиндр ДВС на фиг.1…24 не показан) и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней. При этом, за счет того, что площадь отверстий 11 максимально возможная, отверстие 11 не дросселирует поток ТВС при его поступлении в полость 14 и при выходе продуктов сгорания (факела) из нее. Вследствие этого заряд ТВС в полости будет максимальным. В цикле рабочий ход из-за большей площади отверстия 11 по сравнению с прототипом мощность воспламеняющего факела возрастает.
При наличии центрального отверстия 18 на боковом электроде 7 мощность воспламеняющего факела значительно увеличивается (фиг.10…12). Так же увеличивает мощность воспламеняющего факела параболический отражатель 20 (фиг.18). Наличие кольцевых постоянных магнитов 19 позволяет воздействовать на ионы в искровом разряде между электродами 6 и 7 и тем самым улучшить воспламенение и увеличить полноту сгорания топлива в ДВС и уменьшить эмиссию вредных веществ (фиг.13…17).
Применение охлаждения (фиг.29 и 20) позволит охладить корпус 9. Применение устройства для завихрителя факела 29 или сопла 30 (фиг.21 и 22) также улучшает воспламенение топлива.
Если применяется система впрыска топлива содержащая входной патрубок 31, (фиг.23 и 14), то мощность факела возрастает многократно.
Такая организация процесса воспламенения ТВС обеспечит 100% воспламенение даже в самых плохих условиях при низкой температуре и высокой влажности. Также этот подход может быть применен на двигателях, работающих на криогенных топливах: водороде и сжиженном природном газе. Для воспламенения криогенного топлива, имеющего очень низкую температуру, не понадобится значительно увеличивать мощность свечи зажигания. Особенно хорошо этот эффект будет проявляться на двигателях большой мощности.
В итоге применение полезной модели позволит:
- уменьшить осевые габаритные размеры форкамеры (факельной проставки),
- упростить конструкцию системы зажигания за счет уменьшения числа деталей при объединении свечи зажигания и форкамеры,
- улучшить зажигание при запуске непрогретого двигателя, особенно при отрицательных температурах, за счет подогрева центрального электрода,
- уменьшить расход топлива за счет его более полного сгорания, обеспеченного более четким воспламенением ТВС в камере сгорания ДВС мощным факелом форкамеры,
- снизить эмиссию вредных веществ, вследствие полного сгорания топлива,
- увеличить ресурс работы свечи за счет очистки от копоти ее электродов,
- значительно увеличить ресурс свеч и исключить обгорание их электродов и перегрев форкамеры.