СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ
IGNITION PLUG

Область техники
Изобретение относится к технике воспламенения топливных смесей в двигателях внутреннего сгорания, а именно к искровым свечам зажигания.
Предшествующий уровень техники
Известны свечи зажигания, содержащие корпус, изолятор, центральный электрод и изогнутый боковой электрод, образующий с торцевой поверхностью центрального электрода искровой зазор (см. Банников С.П. Электрооборудование автомобилей. М.: Транспорт, 1977, с.23; см. также Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. А.С. Орлика, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1990, с.161).
Основным недостатком свечей данной конструкции является то, что возникающая в искровом промежутке искра закрыта от основного объема рабочей смеси боковым электродом и, вследствие этого, воспламенение смеси происходит недостаточно быстро, эффективно и надежно.
Известна свеча зажигания по патенту РФ №2260889 (авт. Миронов А.Ф.), опубликованному 20.09.2005, содержащая корпус с наружной резьбой, центральный электрод, расположенный в изоляторе, и боковой массовый электрод, закрепленный на корпусе, при этом рабочая часть центрального электрода образует заостренные выступы, разделенные профильным углублением, и массовый электрод, наклоненный сбоку к центральному электроду, образует в рабочей части заостренные выступы, разделенные профильным углублением, причем заостренные выступы и профильные углубления центрального и массового электродов расположены напротив друг друга и образуют профильную структуру искрового промежутка.
На этих свечах устраняется экранирующее торможение боковым электродом выхода фронта горения в объем камеры сгорания, так как воспламенение рабочей смеси происходит не только в обход бокового электрода, но и в промежуток между электродами. Все это приводит к более быстрому распространению процесса горения топливовоздушной смеси. Однако заостренные и тонкие выступы электродов сильнее нагреваются, темп тепловой и электрической эрозии возрастает, что снижает срок службы свечи зажигания.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является свеча зажигания по патенту РФ №2504059 (автор Чепелев Н.И.), опубликованному 10.01.2014 г. Свеча зажигания содержит корпус с наружной резьбой, изолятор, размещенный в корпусе, центральный цилиндрический электрод, расположенный в осевом отверстии изолятора, и боковой массовый электрод, закрепленный на корпусе, имеющий выступ, обращенный к центральному электроду, образующий с ним профильную форму искрового зазора. При этом центральный и боковой электроды выполнены с плоскими торцами, образующими острые кромки, расположенные в одной плоскости, проходящей через плоский торец центрального электрода перпендикулярно его оси, а поверхность выступа бокового электрода, обращенная к цилиндрической поверхности центрального электрода, имеет выемку, поверхность которой имеет наклон под острым углом к оси центрального электрода и образованную поверхностью конуса, ось которого совпадает с осью центрального электрода, в результате чего в поперечном сечении свечи образуется профильная форма искрового зазора, ограниченная двумя концентрическими окружностями.
При этом горизонтальный участок выступа бокового электрода в поперечном сечении свечи может иметь большую толщину, чем вертикальный участок электрода. Также, горизонтальный участок выступа бокового электрода в поперечном сечении свечи может быть выполнен в виде двух плоских поверхностей, расходящихся от вертикального участка бокового электрода под углом друг к другу. Кроме того, плоская торцевая поверхность выступа бокового электрода выполнена с наклоном к оси центрального электрода под острым углом, либо она расположена в одной плоскости с торцом центрального электрода.
Эта конструкция и принята за прототип.
На этих свечах образуется сектор разряда, который находится в объеме топливовоздушной смеси и из-за «открытого» искрового зазора скорость распространения фронта горения в объем камеры сгорания происходит более интенсивно и, как результат, происходит более полное сгорание топлива, увеличение мощности двигателя и уменьшение вредных выбросов в атмосферу.
Однако срок службы данной свечи недостаточен.
Кроме того, в прототипе центральный и боковой электроды выполнены с плоскими торцами, что при выполнении торцевой поверхности бокового электрода с наклоном под острым углом к оси центрального цилиндрического электрода дает погрешность в расположении острых кромок бокового электрода в одной плоскости, проходящей через торец центрального электрода, причем искровой зазор между острыми кромками электродов не одинаков. А это снижает стабильность искрообразования и надежность сгорания рабочей смеси.
Задача изобретения - повышение срока службы свечи зажигания и надежности воспламенения топливовоздушной смеси.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая свеча зажигания, содержащая корпус с наружной резьбой, изолятор, размещенный в корпусе, центральный цилиндрический электрод с плоским торцом, расположенный в осевом отверстии изолятора, и боковой массовый электрод, закрепленный на корпусе, имеющий выступ, обращенный к центральному электроду, образует с ним искровой зазор, ограниченный двумя концентрическими окружностями в поперечном сечении свечи. При этом острые кромки центрального и бокового электродов расположены в одной плоскости, проходящей через плоский торец центрального электрода перпендикулярно его оси, а поверхность выступа бокового электрода, обращенная к цилиндрической поверхности центрального электрода, имеет выемку, поверхность которой имеет наклон под острым углом к оси центрального электрода и образованную поверхностью конуса, ось которого совпадает с осью центрального электрода. Кроме того, свеча снабжена по меньшей мере одним дополнительным боковым электродом, выполненным аналогично первому, расположенным напротив него симметрично относительно оси центрального электрода, причем торцевые поверхности обоих боковых электродов имеют наклон под острым углом к оси центрального электрода в ту или другую сторону от нормали к оси этого электрода и образованы поверхностью второго порядка, например конуса, ось которого совпадает с осью центрального электрода, либо торцевые поверхности выполнены в одной плоскости, проходящей через плоский торец центрального электрода перпендикулярно его оси.
Возможно выполнение предлагаемой свечи таким образом, что горизонтальные участки выступов боковых электродов в поперечном сечении свечи имеют большую толщину, чем вертикальные участки электродов.
Возможно выполнение предлагаемой свечи таким образом, что горизонтальный участок выступа каждого из боковых электродов в поперечном сечении свечи выполнен в виде двух плоских поверхностей, расходящихся от вертикального участка бокового электрода под углом друг к другу.
В предлагаемой свече выполнение торцевых поверхностей обоих боковых электродов в виде поверхности второго порядка, например конуса, дает правильное расположение острых кромок центрального и боковых электродов в одной плоскости без погрешностей, причем искровой зазор между острыми кромками электродов в любом сечении везде одинаков.
Свеча зажигания может быть выполнена с тремя или четырьмя боковыми электродами, однако увеличение количества боковых электродов фактически препятствует нормальному распространению фронта горения, а, кроме того, ухудшает охлаждение теплового конуса изолятора и увеличивает нагарообразование на боковых электродах. Поэтому предпочтительно наличие двух боковых электродов, что вполне достаточно для надежного воспламенения топливовоздушной смеси и быстрого распространения фронта горения в камере сгорания двигателя.
В предлагаемой свече торцевые поверхности боковых электродов могут быть образованы поверхностями второго порядка, то есть в виде конуса, сферы, эллипсоида, гиперболоида, параболоида и т.д.
Предлагаемая свеча зажигания работает следующим образом.
Искра возникает между точками электродов, расстояние и сопротивление между которыми являются наименьшими, а именно между острыми кромками электродов. Искровой разряд исходит с острой кромки выступа одного из боковых электродов на острую кромку торца центрального электрода, образуя сектор искрового разряда, который находится в объеме рабочей топливовоздушной смеси, и, в нашем случае, из-за «открытого» искрового зазора скорость распространения фронта горения в объем камеры сгорания происходит более интенсивно и, как результат, происходит более полное сгорание топлива и увеличение мощности двигателя.
Наличие второго бокового электрода увеличивает сектор искрового разряда, кроме того, высокое напряжение, подаваемое на острые кромки электродов, дает большую напряженность электрического поля в зоне искрового разряда, и тем самым необходимо более низкое минимально требуемое напряжение для искрообразования свечи. А это приводит к увеличению надежности искрообразования и воспламенения топливовоздушной смеси.
Другим примером выполнения боковых электродов является выполнение их горизонтальных участков с увеличенной толщиной в поперечном сечении свечи. Это дает большую протяженность искрового зазора вокруг центрального электрода, что снижает электроэрозионный износ электродов и продлевает срок службы свечи.
Еще одним примером выполнения каждого из боковых электродов является выполнение его горизонтальной части в поперечном сечении свечи в виде двух плоских поверхностей, расходящихся от вертикального участка электрода под углом друг к другу. Это также дает большую протяженность искрового зазора вокруг центрального электрода, что снижает электроэрозионный износ электродов и продлевает срок службы свечи.
Наличие второго бокового электрода дает снижение тепловой напряженности боковых электродов и большую протяженность искрового зазора вокруг центрального электрода, что приводит к снижению электроэрозионного износа электродов и повышению срока службы свечи зажигания.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 изображен общий вид свечи зажигания; на фиг.3 и 4 - общие виды свечи с различными формами торцов боковых электродов; на фиг.5 и 6 - варианты выполнения горизонтальной части боковых электродов, искрового зазора между ними и центральным электродом.
Свеча зажигания содержит корпус 1 (см. фиг.1), снабженный резьбой 2 для ввертывания в головку цилиндров двигателя, закрепленный в корпусе изолятор 3 и центральный электрод 6, размещенный в изоляторе.
Боковые электроды - 4 и 5. Каждый из боковых электродов имеет вертикальную часть 5 и горизонтальный выступ 7. Поверхность 8 выступов боковых электродов имеет наклон под острым углом к оси центрального электрода 6 и представляет собой часть конической поверхности. Торцевые поверхности 9 выступов боковых электродов выполнены с наклоном к оси центрального электрода под острым углом и представляют собой коническую поверхность. Торцевые поверхности 9 боковых электродов 4 и 5 могут быть плоскими и расположенными в одной плоскости с торцом 10 центрального электрода 6 (см. фиг.3), либо они выполнены в виде поверхности второго порядка, например сферы (см. фиг.4).
На фиг.2 изображен искровой зазор «а» между центральным электродом 6 и боковыми электродами 4 и 5 (вид сверху), ограниченный двумя концентрическими окружностями.
На фиг.5 горизонтальные участки выступов 7 боковых электродов 4 и 5 в поперечном сечении свечи имеют большую толщину, чем вертикальные части боковых электродов.
На фиг.6 горизонтальный участок выступа 7 каждого из боковых электродов 4 и 5 в поперечном сечении свечи выполнен в виде двух плоских поверхностей 11 и 12, расходящихся от вертикального участка бокового электрода под углом друг к другу.
Предлагаемая свеча зажигания работает следующим образом: в результате импульса высокого напряжения, подаваемого на контактную головку центрального электрода 6, между острой кромкой торца 10 центрального электрода 6 и острой кромкой выступа 7 одного из боковых электродов 4 или 5 возникает электрическая искра (см. фиг.1-6).
После достижения напряжения пробоя искровой зазор «а» (см. фиг.2) пробивается и возникает искра, при этом образуется небольшой объем газа с высокой температурой, который воспламеняет горючую смесь вблизи электродов, вследствие этого возникает фронт пламени, быстро распространяющийся в камере сгорания двигателя и воспламеняющий всю находящуюся в цилиндре топливовоздушную смесь.
Результаты испытаний свечей зажигания предлагаемой конструкции в двигателе модели ЗМЗ-4062 ОД на автомобиле марки ГАЗ-31105 подтвердили их ожидаемые характеристики и их преимущества по сравнению с аналогами и прототипом. Срок службы предлагаемой свечи увеличился в два раза, а также повысилась надежность воспламенения топливовоздушной смеси и устойчивость работы двигателя на всех режимах.
Таким образом, предлагаемые варианты свечи зажигания позволяют обеспечить выполнение всех задач изобретения.