ВИХРЕВОЙ ЭЛЕКТРОД СВЕЧИ ДВС
VORTEX ELECTRODE OF SPARKING PLUG OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно - к устройствам систем зажигания поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Свеча зажигания содержит корпус, изолятор, центральный электрод и боковой массовый электрод профилированный по длине. Сущность изобретения заключается в том, что форма бокового электрода выполнена в виде Г-образной крученой лопасти, которая своей геометрией производит завихрение потока в момент сжатия рабочей смеси и такте воспламенения. Изобретение позволяет повысить эффективность смесеобразования, увеличивает КПД двигателя, продлевает моторесурс свечей. Сущность изобретения заключается в том, что форма центрального электрода выполнена в виде Г-образной крученой лопасти, производящей завихрение потока в тактах сжатия и воспламенения рабочей смеси.
Совершенствование электрических свечей и систем зажигания ДВС - это эффективный и недорогой путь интенсификации воспламенения и сжигания топливной смеси и снижения токсичности выхлопных газов существующих ДВС, применяемых повсеместно на транспорте.
Известны и широко применяются в ДВС на автотранспорте способы и системы электрозажигания на базе двухэлектродных и многоэлектродных свечей зажигания, содержащие операции и устройства измерения положения поршня в камере сгорания, регулирования угла опережения зажигания смеси, генерирования высоковольтных импульсов зажигания и распределения во времени и пространстве по камерам сгорания, содержащие механические или электромагнитные датчики положения поршня (индуктивные датчики Холла), центробежный и вакуум-регуляторы угла опережения зажигания, индуктивную катушку зажигания, механический или электронный коммутатор первичного тока катушки зажигания, распределитель импульсов зажигания на основе трамблера или его аналогов (аналоги - из кн. В.Л.Роговцева и др. "Устройство и эксплуатация автотранспортных средств". - М., 1991, с.147-154).
Известны двух- и многоэлектродные электросвечи зажигания топливной смеси в камерах сгорания ДВС, содержащие один центральный электрод с антикоррозионным и термостойким покрытием его рабочей части, размещенный и герметично запрессованный внутри электроизоляционной "рубашки", выполненной из уралита и завальцованной во внешний стальной корпус электросвечи, имеющий резьбовую часть для вворачивания электросвечи в корпус головки блока цилиндров ДВС. В состав основных элементов известной и широко применяемой электросвечи входят также один или несколько боковых электродов, механически соединенных с ее металлическим корпусом, и размещенных над центральным электродом на расстоянии 0,6-0,8 мм, уплотнительная металлическая прокладка на ввертной части свечи для герметизации соединения между, корпусами электросвечи и двигателя (там же, с.155-156).
Известна базовая свеча зажигания, содержащая корпус и изолятор со встроенным в него центральным электродом, выступающим за его торец, а также боковые электроды массы, размещенные в плоскости торца изолятора против центрального электрода (см., например, патент РФ N 2159979, МКИ Н01Т 13/20, 1999).
Недостатки известных способов, систем и электросвечей зажигания состоят в недостаточно эффективной интенсивности воспламенения смеси по объему камеры сгорания, особенно в зависимости качества смеси и температуры двигателя, от давления смеси, поскольку электрическая искра возникает лишь в локальном объеме камеры сгорания на весьма короткое время.
Известны устройства оптимизации впрыска рабочей смеси. Так в них впрыск топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. Обычно применяется вихревая камера "Рикардо Комет", выполненная в головке блока цилиндров и соединенная с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался, что значительно улучшает процесс самовоспламенения и смесеобразования. Самовоспламенение в этом случае начинается в вихревой камере, а затем продолжается в основной камере сгорания. При раздельной камере сгорания снижается темп нарастания давления в цилиндре, что способствует снижению шумности и повышению максимальных оборотов. Вихрекамерные двигатели составляют подавляющее большинство среди устанавливаемых на легковые автомобили и джипы (около 90%). Недостатком известных вихрекамерных двигателей является уменьшение их эффективности в результате затухания завихренного потока при взаимодействии с внутренним объемом цилиндра в зоне свечи.
Известен способ, наиболее близкий к заявляемому техническому решению, - зажигания топливной смеси в ДВС и устройство для его осуществления - построенное по принципу совмещения системы впрыска и зажигания. В систему зажигания конструктивно включена система впрыска топлива, при том, что центральный электрод выполнен полым с капиллярным сквозным отверстием для электростатической подачи и распыления топлива. Изобретение позволяет повысить эффективность воспламенения топливовоздушной смеси в центральной части цилиндра ДВС - патент на изобретение "Способ зажигания топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания и устройство для его осуществления" (патент РФ №2160380, МПК F02P 15/04, опубликовано 10.12.2000 г.).
Недостатком его является:
- сложность конструкции;
- совмещение электросвечи с топливной форсункой в один элемент приводит к ухудшению качества смесеобразования в районе впрыска, т.к. там имеет место еще не перемешанный направленный ламинарный поток;
- как следствие, образованию нагара в районе впрыска и искры, уменьшение сечения форсунки, влекущего разбалансировку настроек и уменьшению КПД. Образование нагара в районе свечи зажигания характерно в большинстве ДВС в той или иной степени, особенно при холодном запуске.
Техническим результатом, который может быть получен при реализации заявленного изобретения, является:
- улучшение смесеобразования в районе электрода;
- уменьшение нагара на свече зажигания.
Технический результат достигается тем, что свеча зажигания ДВС содержит плоский боковой электрод, выполненный из жаростойкого электропроводного материала, который жестко закреплен основанием с одной стороны к внешнему электропроводящему корпусу свечи, с другой оконечной части загнут Г-образно к точечному центральному электроду так, что механический контакт между центральным и боковым электродами отсутствует и зазор между ними минимален, по длине плоскость бокового электрода скручена вокруг продольной оси по часовой стрелке или против часовой стрелки на угол 180°, а оконечная часть скручена относительно основания.
Предпочтительно, чтобы угол скрутки противоположных концов электрода составлял между собой 180°. В некоторых вариациях угол скрутки может быть больше или меньше.
В отдельных случаях электрод может быть скручен вокруг продольной оси по часовой стрелке.
В других случаях электрод может быть скручен вокруг продольной оси против часовой стрелки.
В некоторых случаях выполнения развертка электрода на плоскость может иметь форму прямоугольника. В других случаях выполнения развертка электрода на плоскость может иметь форму, отличную от прямоугольника.
Предпочтительно, чтобы поперечное сечение лопасти имело форму, близкую к прямоугольнику.
При данной конструкции бокового электрода происходит дополнительное перемешивание смеси за счет закручивания потока профилем бокового электрода и дополнительного срыва нагара с электрода за счет осевого вращения вихревого потока по тангенциальной составляющей.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что во всех случаях она отличается от известного, наиболее близкого технического решения выполнением скрученной формы бокового электрода вокруг продольной оси таким образом, что угол наклона поперечного сечения изменяется на всем протяжении электрода. Эта скрученная форма электрода оптимальным образом преобразует ламинарные потоки в вихревые в районе свечи ДВС.
В отдельных случаях выполнения указанное изобретение отличается от известного прототипа указанного выше, а также наиболее близких к нему технических решений:
- длиной бокового электрода;
- выполнением скрутки бокового электрода;
- скручиванием бокового электрода вокруг продольной оси по часовой стрелке;
- скручиванием бокового электрода вокруг продольной оси против часовой стрелки;
- использованием бокового электрода с разверткой на плоскость в форме прямоугольника;
- использованием электрода с разверткой на плоскость в форме, отличной от прямоугольника;
- прямоугольной формой поперечного сечения электрода;
- формой поперечного сечения электрода, отличной от прямоугольной;
- Г-образной формой загиба токового электрода к центру;
- формой загиба электрода, отличной от Г-образного.
Вихревое закручивание происходит в результате касательного по потоку обтекания электрода, стремящегося развернуть ламинарное течение от центра свечи по спирали к периферии. Образуется вихревая воронка с центром вдоль оси свечи ДВС, которая характеризуется как турбулентная, с повышенной угловой скоростью потока и разрежением в центре. Выполнение бокового электрода скрученным вокруг продольной оси, загнутым к центральному электроду ускоряет переход смеси из ламинарного потока в вихревой, тем самым, помимо основных, достигаются дополнительные положительные качества при работе ДВС такие как:
- охлаждение электрода в зоне искры, т.к. вихревая воронка имеет разрежение и понижение температуры в центре;
- равномерное кольцевое заполнение смеси вокруг центрального электрода, в том числе в изолирующих пустотах;
- уменьшение динамического сопротивления бокового электрода позволяет быстрее заполнять и опустошать объем в зоне свечи;
- повышение частоты заботы цилиндра производит усиление положительных вихревых эффектов;
- с увеличением частоты - токовый пробой смещается от центра в область максимальной плотности вращающейся вихревой воронки, тем самым происходит усиление и автоматическая подстройка искры зажигания, улучшающая КПД и ресурс свечи;
- уменьшает паразитную кавитацию, направляя избыточное давление на завихрение;
- равномерная передача воспламенения от вихря по всему объему.
Предлагаемый вихревой электрод иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид вихревой свечи ДВС с одним боковым электродом.
На фиг.2 изображена камера сгорания с траекториями потоков вихревого закручивания на свече ДВС с двумя боковыми электродами в такте сжатия.
На фиг.3 изображена камера сгорания с траекториями потоков вихревого закручивания на свече ДВС с двумя боковыми электродами в такте расширения.
Свеча с вихревым электродом состоит из корпуса 1, на котором жестко закреплен, по меньшей мере, один вихревой электрод 4. Центральная часть бокового электрода 4 по длине скручена вокруг своей продольной оси на угол 180° относительно периферийного и согнута Г-образно так, чтобы расстояние между центральным электродом 3 и боковым электродом 4 было минимально на оси свечи Y. Предпочтительно, чтобы угол скрутки бокового электрода составлял 180°. В отдельных случаях выполнения боковой электрод 4 может быть скручен по часовой стрелке. В других случаях боковой электрод 4 может быть скручен против часовой стрелки. Боковой электрод в поперечном сечении может иметь прямоугольную форму, либо отличную от прямоугольной формы. В некоторых случаях исполнения изгиб бокового электрода производится Г-образно под углом 90°. В других вариантах исполнения изгиб отличен от 90°. Предпочтительно исполнение свечи с двумя электродами.
Заявляемое изобретение работает следующим образом. Под действием потока сжимаемой смеси, направленной от поршня к торцу свечи, происходит касательное отражение от наклонных граней бокового электрода к периферии.
Интенсивность и направленность отражения напирающего потока различна в точках радиального удаления от оси свечи, что вызывает неоднородность градиента скорости и давления. В результате происходит трехмерное движение типа "вращающегося вихревого кольца", т.е. завихрение потока в зоне искрового разряда центрального электрода. На фиг.2 схематично показаны траектории в зоне вихревой "улитки". В такте сжатия рабочей смеси характерен перемешивающий - распыляющий вихрь с пониженным давлением у центрального электрода и повышенным в зазоре между корпусом свечи и изолятором, что благоприятно для заполнения пустот и дополнительного смешения топлива и окислителя.
В следующем такте воспламенения и расширения происходит симметричный, обратный процесс, фиг.3. С моментальным ростом градиента температуры и давления в искровой зоне под боковыми электродами происходит вытеснение газов, встречающих на своем пути повернутые как лопасти боковые электроды. Горящие газы по касательной, отражаясь от них, формируют завихрение типа "вращающегося вихревого кольца" в зоне над искровым разрядом со стороны полости цилиндра. Характер вихря перемешивающий - воспламеняющий с повышенным давлением у центрального электрода и пониженным в объеме цилиндра вне свечи. Положительная функция вихря при воспламенении состоит в быстром вращающемся радиальном переносе горения на весь объем камеры сгорания, т.е. перемешивании воспламенения. Скрученные боковые электроды имеют меньшее динамическое сопротивление и способствуют ускоренному распространению воспламенения на весь объем камеры сгорания. Касательное соударение и повышенная угловая скорость вихря на электродах способствует их эффективной очистке от нагара.
Вихревой тип движения потока при использовании предлагаемой свечи с вихревым электродом, в целом приводит к тому, что суммарная угловая и, как следствие, характерная линейная скорость потока в рабочих тактах ДВС возрастает, что при прочих равных условиях приводит к уменьшению инерционности потоков в зоне, искрового разряда, повышается устойчивость и однородность смеси и воспламенения по сравнению с прототипом.
Динамические характеристики вихревого потока в районе искры зависят от геометрических параметров боковых электродов: формы профиля (поперечного сечения), угла крутки, числа электродов, линейность крутки, ширины и длины.
ПЕРЕЧЕНЬ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (Фиг.1-3)
1. Корпус свечи ДВС
2. Изолятор центрального электрода
3. Центральный электрод
4. Боковой скрученный электрод
5. Корпус камеры сгорания ДВС
6. Рабочий объем цилиндра
7. Впускной клапан цилиндра
8. Выпускной клапан цилиндра
9. Поршень цилиндра