СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания, в частности, к устройствам зажигания горючей смеси в двигателях на легком топливе.
Для воспламенения горючей смеси в таких двигателях применяют свечи зажигания. Все свечи зажигания работают по принципу высоковольтного искрового разряда в условиях сжатой горючей смеси. Благодаря высокой температуре искры происходит воспламенение горючей смеси.
Подавляющее большинство свечей зажигания по своей технической сути представляют собой пассивный поджигатель. Несмотря на то, что искровой разряд бывает воздушный, поверхностный и комбинированный, воспламенение горючей смеси происходит в небольшом объеме рядом со стенкой камеры сгорания, (каталог фирмы NGK «Свечи зажигания», 2006 г)
Дальнейшее развитие горения определяется направлением и силой вихрей горючей смеси в камере сгорания. Имеет также значение качество горючей смеси.
Основным недостатком таких свечей зажигания является ассиметричное горение смеси по удлиненной траектории. Это существенно снижает все характеристики двигателя.
Для получения максимальных характеристик двигателя горючую смесь необходимо воспламенить в центре камеры сгорания. В этом случае горение будет происходить симметрично и быстро. При существующих конструкциях двигателей это возможно лишь при использовании активных поджигателей, т.е. свечей зажигания, обладающих факельным эффектом.
Известны форкамерные свечи зажигания, содержащие корпус с внутренней полостью, изолятор, центральный электрод и узкий канал (сопло), связывающий форкамеру с камерой сгорания двигателя.
Форкамерным свечам свойственен ряд недостатков:
1. Объем форкамеры мал для накопления необходимого заряда горючей смеси.
2. Холодные стенки форкамеры усугубляют первый недостаток за счет тепловых потерь в стенки.
3. Отсутствует вентиляция, и остаточные газы еще более снижают заряд горючей смеси и повышают нестабильность зажигания.
Эти недостатки особенно проявляются в плохом запуске холодного двигателя, нестабильной работе двигателя на холостом ходу и при резком дросселировании.
В то же время эти свечи зажигания склонны к калильному зажиганию на больших нагрузках. После слабого «выстрела» продуктов горения из форкамеры в основную камеру происходит ответный мощный «выстрел», который перегревает центральный электрод и изолятор.
Более перспективным способом получения мощного факела является использование эффекта, который предлагается назвать «эффектом конусного резонатора».
Известна свеча зажигания, содержащая корпус, изолятор с размещенным в нем центральным электродом, боковой электрод, закрепленный на корпусе с образованием искрового промежутка между ним и торцом центрального электрода. (СССР а.с. №1720115, 1992 г)
В известной конструкции на корпусе выполнена внутренняя расширяющаяся наружу конусная поверхность, которая симметрично охватывает искровой промежуток, а по высоте в 3-5 раз больше его.
Недостатком известной конструкции является невысокая эффективность ее работы.
Известна свеча зажигания, использующая поверхностный разряд по тепловому конусу изолятора. (WO 00/63554, опубл. 26.10.2000 г)
Однако данная свеча зажигания является типичным пассивным поджигателем.
В ней используют грибовидной формы торец центрального электрода, а в средней части теплового конуса изолятора имеется коаксиальный массовый электрод с воздушным искровым промежутком. То есть, в целом искровой промежуток является комбинированным.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является свеча зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус, изолятор с тепловым конусом, центральный и боковой («массы») электроды, образующие искровой промежуток, при этом корпус снабжен резонатором с внутренней расширяющейся наружу конусной поверхностью, охватывающей искровой промежуток и образующей резонансную камеру, (патент US 6667568,2003 г.)
Благодаря низкой теплопроводности насадки уменьшились тепловые потери свечи зажигания, и эффективность ее возросла.
Однако эффективность, надежность и другие характеристики свечи зажигания еще в известной конструкции ограничены, из-за значительных тепловых потерь в холодные стенки рабочей камеры корпуса свечи зажигания и в боковой электрод.
В известной свече зажигания в конусной резонансной камере располагают воздушный искровой промежуток и образующий его боковой электрод «масс» и торец центрального электрода. Тепловой конус изолятора находится за пределами резонансной камеры.
Известная свеча зажигания обладает и другими недостатками, а именно,:
- боковой электрод вносит ассиметрию и экранирует часть энергии факела.
- высота конусной насадки ограничена, следовательно, ограничен «эффект конусного резонатора».
- конусная насадка ограничивает температурные характеристики свечи зажигания, является слабым местом в случае детонации, заметно повышает трудоемкость и себестоимость свечи зажигания.
- рабочая полость свечи зажигания недостаточно вентилируется.
- в случае загрязнения поверхности изолятора, искра может возникать не в
искровом промежутке, а «уходить» по загрязненной поверхности изолятора на корпус свечи зажигания или электрический ток может стекать по сильным загрязнениям, не производя искры. Например, при запуске двигателя в сырую погоду.
Задачами, решаемыми предлагаемой полезной моделью, являются создание конструкции свечи устранение всех указанных недостатков и позволяющей максимально удлинить искру за счет использования поверхностного разряда по тепловому конусу.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием свечи зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащей корпус, центральный электрод, установленный в изоляторе с тепловым конусом, массовый электрод и резонатор с внутренней расширяющейся наружу конусной поверхностью, охватывающей искровой промежуток, между центральным и массовым электродам и образующей резонансную камеру, в которой, согласно полезной модели, тепловой конус изолятора располагают в резонансной камере, а электрод «массы» выполнен в виде внутреннего кольцевого выступа корпуса в месте сопряжения с основанием теплового конуса.
В предлагаемой полезной модели резонатор стал симметричным и с максимальной высотой, следовательно, значительно возрастает его эффект.
В предлагаемом решение тепловой конус изолятора располагают в резонансной камере, боковой электрод «массы» исключен, а в качестве него используют внутренний кольцевой выступ корпуса в месте сопряжения с основанием теплового конуса.
Это позволило уменьшить воздушный зазор и увеличить длину резонатора При этом искровой разряд вместо воздушного стал поверхностным, т.к. диэлектрическая проницаемость у керамике выше чем у воздуха.
Благодаря этому, резонатор стал симметричным и в два раз более высоким, что значительно повысило его эффективность, длительность искры
увеличилась в 7-10 раз, что существенно улучшило ее воспламеняющую способность.
Кроме того, поверхностная искра будет эффективно очищать поверхность теплового конуса изолятора. Ведь у искры теперь только один путь, и малейшая грязь на этом пути будет автоматически провоцировать разряд по ней, а, следовательно - очистку.
Выполнение внешней поверхности резонатора конусной, например, с меньшим углом при вершине конуса, чем внутренняя поверхность, позволяет обеспечить высокую механическую прочность и необходимую тепловую характеристику свечи зажигания. Как и в случае с тепловым конусом, должен быть найден компромисс. На малых нагрузках (холостой ход), несмотря на монолитность корпуса, внутренняя поверхность резонатора должна быть достаточно теплой, чтобы уменьшить тепловые потери. На больших нагрузках стенки резонатора не должны быть слишком горячими, чтобы не вызвать калильное зажигание.
Наличие в стенках резонатора сквозных отверстий, расположенных равномерно и тангенциально к внутренней окружности сечения резонатора, обеспечивает следующие преимущества:
- идеальную вентиляцию рабочей камеры резонатора.
- хорошее охлаждение теплового конуса изолятора и внутренней поверхности резонатора.
- внутри резонатора создают микровихрь, который значительно ускоряет горение смеси в резонансной камере, а также повышает дальность «стрельбы» свечи зажигания.
Выполнение торца центрального электрода на одном уровне с торцом теплового конуса изолятора сокращает тепловые потери в центральный электрод.
Выполнение торца теплового конуса изолятора закругленным, в частности, в виде полусферы сокращает гидродинамические потери и облегчает искрообразование.
Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных конструкциях свечей зажигания, т.е. предлагаемое решение, соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеприведенным описанием устройства и чертежами, где
На фиг.1 показан продольный разрез свечи зажигания
На фиг.2 - разрез А-А фиг.1
На Фиг.3 показан продольный разрез «холодной» свечи зажигания.
Свеча зажигания двигателя внутреннего сгорания содержит корпус 1, центральный электрод 2, установленный в изоляторе 3 с тепловым конусом 4, электрод «массы» 5 и резонатор 6 с внутренней расширяющейся наружу конусной поверхностью 7, охватывающей искровой промежуток 8, между центральным электродом 2 и электродом «массы» 5
Электрод «массы» 5 выполнен в виде внутреннего кольцевого выступа 15 корпуса в месте сопряжения с основанием теплового конуса 4.
Пространство между тепловым конусом 4 и поверхностью 7 является резонансной камерой 9. При этом внешняя поверхность 10 резонатора 6 может быть выполнена конусной, например, с меньшим углом при вершине конуса, чем внутренняя поверхность.
Стенки резонатора 6 содержат сквозные отверстия 11, расположенные равномерно и тангенциально к внутренней окружности 12 резонатора 6.
Торец 13 центрального электрода 2 и торец 14 теплового конуса 4 могут быть выполнены на одном уровне. При этом торец 14 теплового конуса 4 может быть выполнен закругленным, например, в виде полусферы
Свеча зажигания работает следующим образом.
Во время такта сжатия происходит наполнение горючей смесью резонансной камеры 9. Благодаря сквозным отверстиям 11 в резонансной
камере 9 вокруг теплового конуса 4 возникает микровихрь, который обеспечивает дополнительное охлаждение теплового конуса 4 и вентиляцию резонансной камеры 9.
При подаче высоковольтного импульса на центральный электрод 2 начинается ионизация искрового промежутка 8, в качестве которого используют поверхность теплового конуса 3. Поверхностный искровой разряд происходит по траектории наименьшего сопротивления, которую определяют загрязнением поверхности 8. Поэтому загрязнение при этом выгорает.
Известно, что искровой разряд помимо джоулевого тепла излучает большую энергию в диапазоне от звуковых волн (ударная волна) до мягкого рентгеновского излучения. Указанная энергия многократно переотражается от поверхности 7 резонатора 6 и поверхности 8 теплового конуса 3 и активирует горючую смесь.
Это особенно проявляется при запуске двигателя в самых плохих условиях. Горючая смесь воспламеняется вдоль всего шнура искрового разряда, то есть в центральной области по всей высоте резонансной камеры 9. Благодаря микровихрю пламя быстрее распространяется по всему объему резонансной камеры 9.
Несмотря на открытость конструкции резонатора 6 и развивающееся горение смеси, следовательно, нарастающее локальное давление газов в резонансной камере 9, плазма удерживается внутри резонансной камеры 9, и горение в камере сгорания двигателя не начинается.
При подходе поршня к верхней мертвой точке из резонансной камеры 9 происходит направленный расходящийся микровзрыв плазмы. При попадании такого заряда в центр камеры сгорания двигателя горение смеси в ней происходит симметрично и быстро (в основном в фазе расширения). Все характеристики двигателя значительно улучшаются.
Известно также, что энергия направленного микровзрыва более 3-х раз превосходит суммарную энергию горючей смеси в резонансной камере
9 и энергию искры. Таким образом, повышая энергию искры, можно добиться очень большой длительности факела (50 мм и более).
Все заявленные преимущества данной свечи зажигания подтверждены многочисленными испытаниями на разнообразных автомобилях.