СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ
IGNITION PLUG

Область техники
Изобретение относится к свече зажигания для двигателя внутреннего сгорания.
Уровень техники
Для улучшения состава выбросов бензиновых двигателей внутреннего сгорания двигатель может работать с системой рециркуляции выхлопных газов (EGR) или с обеднёнными воздушно-топливными смесями. Однако в этих условиях при использовании известных свечей зажигания или систем зажигания стабильность процесса сгорания может стать неприемлемой. Одной из причин этого является маленький объём газа, который традиционно воспламеняется через искровой промежуток (как правило составляющий 0,8 мм) известной свечи зажигания.
Было установлено, что стабильность процесса сгорания может быть улучшена с помощью воспламенения большего объёма газа посредством использования систем зажигания с большим промежутком коронного разряда. Однако такие системы требуют использования более высоких напряжений, которые часто создают проблемы. Например, более высокие напряжения могут привести к пробою в керамическом корпусе свечи зажигания, обратному дуговому разряду и т.д. Некоторые известные системы коронного разряда содержат острые электроды, входящие в камеру сгорания для воспламенения большего объёма газа. Однако в определённых условиях такие электроды могут становиться слишком горячими, что может привести к сгоранию в неподходящее время. Кроме того, при высоких напряжениях (обычно около 100 кВ) и связанным с ними теплом возникает проблема износа электродов.
Кроме того, в системах коронного разряда также может возникать искрение, вызывая повреждение острых электродов. В традиционных системах коронного разряда искрение должно предотвращаться, насколько это возможно, чтобы минимизировать износ электродов, и, если искрение появляется, оно должно контролироваться для достижения хорошего сгорания (см., например, US 8578902 и US 8726871). Поскольку электроды изнашиваются, они становятся более притуплёнными и для возникновения коронного разряда требуются более высокие напряжения.
Задачей изобретения является разработка свечи зажигания, которая позволяет по крайней мере уменьшить указанные выше недостатки или обеспечить полезную альтернативу известным свечам и системам зажигания.
Раскрытие изобретения
В соответствии с изобретением свеча зажигания содержит продолговатый цилиндрический корпус из электроизоляционного материала, имеющий первый конец с первой лицевой поверхностью и второй конец, противоположный первому; проходящий в корпусе в продольном его направлении первый продолговатый электрод, имеющий первый и второй концы, причем первый конец электрода заканчивается на первом расстоянии d1 от первого лицевого конца корпуса в направлении ко второму концу корпуса, так что между первым концом первого электрода и первым концом корпуса образовано глухое отверстие; и установленный на внешней поверхности корпуса второй электрод, заканчивающийся заподлицо с первой лицевой поверхностью корпуса или на втором расстоянии d2 от первого лицевого конца корпуса в направлении ко второму концу корпуса.
Корпус в поперечном сечении может иметь форму круга, при этом первый электрод проходит по центру корпуса вдоль его оси.
Площадь поперечного сечения первого электрода может уменьшаться в направлении к его первому концу, так что первый электрод заканчивается своей вершиной в глухом отверстии.
Второй электрод может быть выполнен в виде втулки или кожуха для корпуса. Второй электрод может проходить из какой-либо области в направлении второго конца корпуса, как правило, от второго конца корпуса в направлении к первому концу корпуса.
На первой лицевой поверхности корпуса может иметься по меньшей мере одно углубление, полость, впадина или канавка.
Изобретение также относится к системе зажигания, содержащую описанную выше свечу зажигания и возбуждающую схему для этой свечи.
Еще одним объектом изобретения является способ зажигания газообразного вещества.
В частности, способ зажигания газообразного вещества в камере, включает в себя этапы, на которых
используют свечу зажигания, содержащую корпус из электроизоляционного материала; первый электрод, проходящий частично через корпус и ограничивающий своей верхней частью вместе с корпусом глухое отверстие, сообщающееся по газовому потоку с камерой через выходное отверстие в корпусе; и второй электрод, расположенный на внешней поверхности корпуса;
приводят в действие первый электрод, инициируя коронный разряд с его верхней части для распространения плазмы в глухом отверстии в направлении выходного отверстия и выхода ее в камеру; и
управляют плазмой таким образом, чтобы формировать или искру, проходящую от верхней части первого электрода вдоль траектории, окруженной газообразным веществом, через камеру ко второму электроду, или плазменную дугу, проходящую от верхней части первого электрода вдоль траектории, окруженной газообразным веществом, в камеру.
Изобретение поясняется чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показана свеча зажигания в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, вид в продольном разрезе;
на фиг. 2 - то же, но в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 и 2 свеча зажигания по первому и второму вариантам осуществления изобретения обозначены позициями 10.1 и 10.2, соответственно.
Свеча зажигания содержит продолговатый цилиндрический корпус 12 из электроизоляционного материала, имеющий первый конец 12.1 и второй конец 12.2, противоположный первому концу. Первый конец имеет первую лицевую поверхность 14. В корпусе 12 в продольном направлении проходит первый продолговатый электрод 16, имеющий первый конец 16.1 и второй конец 16.2. Первый конец 16.1 первого электрода 16 заканчивается на первом расстоянии d1 от первого конца 12.1 корпуса в направлении ко второму концу 12.2 корпуса. Таким образом, между первым концом 16.1 первого электрода и первым концом 12.1 корпуса образовано глухое отверстие 18 с выходным отверстием 19. На внешней поверхности корпуса 12 расположен второй электрод 20, заканчивающийся или заподлицо с первой поверхностью 14 корпуса (как показано на фиг. 1), и b), или на втором расстоянии d2 от первого конца 12.1 корпуса в направлении ко второму концу 12.2 корпуса (как показано на фиг. 2).
Предпочтительно корпус 12 в поперечном сечении является круглым и может изготавливаться из подходящего керамического материала.
В показанных вариантах осуществления изобретения второй электрод 20 выполнен в виде втулки или кожуха для корпуса 12 и проходит от второго конца корпуса в направлении к первому концу корпуса. При использовании второй электрод может быть заземлён.
Первый электрод 16 может иметь первую площадь поперечного сечения в направлении от его второго конца 16.2 на основной части длины, при этом первая площадь поперечного сечения электрода может уменьшаться в направлении к его первому концу, так что первый электрод заканчивается в конце глухого отверстия 18 своей верхней частью 16.1, имеющей вторую, меньшую площадь поперечного сечения по сравнению с первой площадью поперечного сечения. Первый электрод может быть круглым в поперечном сечении с достаточно большим диаметром (около 1 мм), в результате чего в том месте где первый электрод 16 проходит через заземлённый второй электрод 20, электрическое поле в месте соединения первого электрода 16 с корпусом 12 меньше поля пробоя керамического корпуса. Верхняя часть 16.1 первого электрода на конце глухого отверстия 18 может иметь диаметр менее 0,5 мм, чтобы генерировать в этом отверстии 18 достаточно большие электрические поля.
В показанном на фиг. 1 варианте осуществления изобретения второй электрод 20 заканчивается заподлицо с первой лицевой поверхностью 14. Свеча зажигания по первому варианту осуществления изобретения может рассматриваться как искровая по причинам, которые будут указаны ниже.
В показанном на фиг. 2 варианте осуществления изобретения второй электрод 20 заканчивается на расстоянии d2 от первого конца 12.1 корпуса в направлении ко второму концу 12.2 корпуса. Свеча зажигания по второму варианту осуществления изобретения может рассматриваться как свеча зажигания коронного разряда по причинам, которые также будут указаны ниже.
Во время использования электроды свечи 10.1 зажигания присоединяются к соответствующей возбуждающей схеме (не показана), и свеча находится в камере 22 цилиндра (не показана) двигателя внутреннего сгорания (не показан). Камеру заполняет газообразное вещество, которое заполняет и глухое отверстие 18. Возбуждающая схема первоначально генерирует коронный разряд в верхней части 16.1 электрода, который нагревает газообразное вещество в глухом отверстии. Затем как газообразное вещество в глухом отверстии, так и коронный разряд выбрасываются в камеру 22 сгорания, в результате чего образуется длинное плазменное тело 24, которое воспламеняет газообразное вещество в камере. Длина l плазменного тела может достигать приблизительно 10 мм.
3
3
Объём глухого отверстия 18 должен быть достаточно малым, чтобы температура и давление газообразного вещества в нём могла увеличиваться в достаточной степени посредством энергии около 1 мДж. Например, отверстие длиной d1= 1мм и диаметром 0,5 мм даёт объём V= 0,2 мм. Воздух при температуре 300°K, давлении 20 бар в объёме V= 0,2 мм будет нагреваться до температуры около 650°K и увеличивать давление до значения около 40 бар с помощью энергии 1 МДж, если тепло не теряется в керамической части.
В свече зажигания по первому варианту осуществления изобретения, в которой заземлённый второй электрод 20 проходит до положения заподлицо с первой поверхностью 14 корпуса, извергаемый коронный разряд имеет тенденцию к росту в направлении ко второму электроду 20, формируя искру. Эта искра намного длиннее, чем искра в известных свечах зажигания и искровых системах зажигания, которые были упомянуты выше.
В свече зажигания по второму варианту осуществления изобретения, в которой заземлённый второй электрод 20 заканчивается на расстоянии d2 от первого конца 12.1 корпуса 12, коронный разряд имеет тенденцию вырастать из свечи 10.2 зажигания, не образуя искрового разряда. Первая поверхность 14 может иметь углубления 26, канавки и другие образования, чтобы способствовать вырастанию коронного разряда из свечи зажигания.
Чтобы получить извержение коронного разряда, первый электрод должен возбуждаться до достаточно высокого напряжения при достаточно высокой частоте в течение достаточно длительного периода времени. Напряжение должно быть достаточно высоким, чтобы коронный разряд формировался в верхней части 16.1 первого электрода внутри глухого отверстия 18 и вырастал в направлении выходного отверстия 19. Керамическая часть, смежная с верхней частью 16.1 электрода, способствует созданию достаточно высокой напряжённости электрического поля, давая возможность создания коронного разряда при напряжении приблизительно 30 кВ, которое намного меньше, чем напряжение около 100 кВ в известных системах коронного разряда.
Как только коронный разряд сформировался, энергия должна передаваться газообразному веществу, чтобы нагревать его. Коронный разряд может рассматриваться как резистивная и ёмкостная нагрузка, поэтому должно подаваться достаточно высокое напряжение, чтобы подводить к этой нагрузке достаточно большую энергию. Частота, при которой подаётся это напряжение, должна быть достаточно высокой (>1 МГц), в результате чего газ может нагреваться в достаточной степени, перед тем как он будет выброшен в камеру сгорания. Она также должна быть достаточно высокой, чтобы коронный разряд не придерживался первой лицевой поверхности 14 керамического корпуса 12. При частоте 5 МГц электрон будет проходить порядка 1 мм во время каждого цикла, что составляет тот же порядок, что и глубина d1 глухого отверстия 18 и намного короче, чем расстояние от первого электрода до любого заземлённого металла, включая второй электрод.
Энергия должна подаваться к свече зажигания достаточно долго (как правило >100 мкс), чтобы нагревать плазму внутри отверстия, а затем дополнительно нагревать ее после извержения в камеру сгорания.
Таким образом, один из аспектов изобретения относится к способу управления свечой 10.1, 10.2 зажигания с электродом 16.1 внутри отверстия 18, позволяющему генерировать в камере сгорания или коронный разряд, или искру длиной не менее 5 мм, с плазмой коронного разряда или искры, окружёнными газообразным веществом и не затенёнными каким-либо электродом. При этом отсутствуют входящие в камеру сгорания электроды, которые могли бы стать горячими точками.
Возбуждающие схемы для этого и соответствующие способы приведения в действие свечей зажигания представлены в поданной этим же заявителем международной заявке под названием «Система зажигания для двигателя внутреннего сгорания и способ приведения в действие свечи зажигания системой зажигания», содержание которой включено сюда путём этой ссылки.
Полученный в результате больший объём воспламеняемого газа может привести к улучшенной стабильности сгорания при высокой рециркуляции выхлопных газов двигателя или для обеднённых воздушно-топливных смесей. Предполагается, что изобретение сможет обеспечить повышенную стабильность сгорания и поможет производителям двигателей в вопросах соответствия высоким стандартам в отношении вредных выхлопов.