СВЕЧА-ПУШКА

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, а также в роторных двигателях, газопоршневых и других типах двигателей и в энергетических установках. Торговая марка изделия «Свеча-пушка».
Предшествующий уровень техники
Обычно боковой заземленный электрод свечи зажигания изогнут и имеет L-образную форму, будучи перпендикулярным к направлению осевою 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, вызнанное 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 Н01Т 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 обеих электродах, особенно при работе на обогащенной смеси.
Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2366052, МПК Н01Т 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 Н01Т 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.
Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2356144, МПК Н01Т 13/00, опубл. 20.05.2009 г.
Эта свеча содержит центральный и боковой электроды и изолятор между ними. При этом боковой электрод содержит шайбу с отверстием, в котором установлен центральный электрод. При этом оба электрода имеют поверхности второго порядка.
Недостатки этой свечи зажигания:
- конструктивная сложность,
- загромождение отверстия в шайбе центральным электродом, приводящее к уменьшению факела воспламенения,
- выброс основной массы продуктов сгорания в зазор между корпусом и боковым электродом из-за того, что закрутка потока организована в вертикальной плоскости, а не в горизонтальной.
Известна свеча зажигания по международному патенту WO 2006/062302, МПК Н01Т 13/32, опубл. 15.06.2006 г. Эта свеча содержит центральны электрод, изолятор и боковой электрод L-образной формы с отверстием. Диаметр отверстия составляет примерно 2/3 от диаметра центрального электрода.
Недостаток: малая площадь центрального отверстия, в 2 раза меньшая по сравнению с площадью центрального электрода. Учитывая, что это отверстие является каналом для выхода зажигающего факела, мощность этого факела невелика.
В качестве прототипа принята свеча зажигания по патенту РФ на полезную модель №127259, МПК Н01Т 13/20, опубл. 20.04.2013 г, автор Дудышев В.Д..
Эта свеча зажигания содержит металлический корпус с ввертной и внешней частями, центральный цилиндрический электрод в электрическом изоляторе и боковой L-образный электрод, выполненный из металлической пластины, имеющей две части, первая из которых крепится к корпусу свечи, а вторая рабочая часть размещена с зазором перпендикулярно центральному электроду, при этом рабочая часть бокового электрода оснащена отверстием, размещенным напротив торца центрального электрода с тем же диаметром, с общей осью вращения, причем это отверстие снабжено фасками с обеих сторон, а на внешнюю часть электрического изолятора свечи надет кольцевой магнит с осевой намагниченностью с касанием его плоскости металлического корпуса свечи.
Признаки, общие с прототипом осевой центральный электрод для разряда искры зажигания и боковой заземленный электрод L-образной формы, который состоит из двух частей: токопроводящей и рабочей с центральным отверстием. Зазор между электродами выполняет роль «минифоркамеры», а центральное отверстие - роль сопла этой «минифоркамеры».
Признаки общие у предложенного технического решения и прототипа: осевой центральный электрод для разряда искры зажигания и боковой заземленный электрод Г-образной формы, который состоит из двух частей: токопроводящей и рабочей с центральным отверстием.
Недостатки прототипа: низкая эффективность искрового разряда, обусловленная несоответствием формы, размером и взаимного расположения электродов оптимальным для электрического разряда в газовом промежутке. Основным недостатком является то, что площадь центрального отверстия выполнена меньше площади поперечного сечения центрального электрода. Это дает несколько отрицательных результатов:
- отверстие малого диаметра легче забивается продуктами неполного сгорания ТВС,
- отверстие, выполняет роль выходного сопла «минифоркамекры» 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.
Задачей создания полезной модели, соответствующей достигнутому техническому результату является создание свечи зажигания, которая, обеспечивает более надежное зажигание при запуске ДВС особенно при низких температурах, более полное сгорание ТВС и надежность свечи. Таким образом, поставлена задача создания свечи, в которой эффективность распространения искры значительно улучшена за счет обеспечения лучшего смешивания в искровом промежутке между электродами, с искровым промежутком, намного больше воздействующим на эффективность распространения искры, и со смешиванием, обеспечивающим функцию генерации турбулентного потока. Дополнительно, эффективность сгорания топлива значительно улучшается, базируясь на увеличенной силе воспламенения, такой, что удаление остаточного углерода от электродов является эффективным, и электроды изнашиваются меньше и более равномерно.
Решение указанных задач достигнуто в свече зажигания, включающей осевой центральный электрод для разряда искры зажигания и боковой заземленный электрод Г-образной формы, который состоит из двух частей: токопроводящей и рабочей с центральным отверстием, тем, что согласно полезной модели площадь центрального отверстия выполнена равной или больше площади, поперечного сечения центрального электрода.
Центральное отверстие может быть выполнено круглой формы в поперечном сечении. Центральное отверстие может быть выполнено квадратной формы со скругленными углами. Центральное отверстие может быть выполнено прямоугольной формы со скругленными углами. Центральное отверстие может быть выполнено эллипсной формы в поперечном сечении. Центральное отверстие может быть выполнено с фаской со стороны центрального электрода. Центральное отверстие может быть выполнено с фаской со стороны противоположной центральному электроду. Центральное отверстие может быть выполнено с фаской с обеих сторон. Центральное отверстие может быть выполнено с устройством закрутки потока. Устройство закутки потока может быть выполнено в виде лопаток Устройство для закутки потока может быть выполнено в виде резьбы. Устройство для закутки потока может быть выполнено на фаске со стороны центрального электрода. Устройство закрутки потока может быть выполнено на фаске со стороны противоположной центральному электроду. На рабочем торце центрального электрода может быть закреплена пластина из жаропрочного материала. Пластина из жаропрочного материала может быть выполнена цилиндрической формы. Пластина из жаропрочного материала может быть выполнена в форме многоугольника с острыми углами, например, звездочки. Пластина из жаропрочного материала, выполненная цилиндрической формы может иметь диаметр больше диаметра центрального электрода. Размер центрального отверстия может быть выполнен больше поперечного сечения центрального электрода, диаметр центрального отверстия может быть выполнен больше диаметра центрального электрода. Диаметр центрального отверстия может быть выполнен больше диаметра центрального электрода на величину смещения центрального отверстия относительно электрода. На рабочем участке бокового электрода может быть выполнен сквозной паз, выходящий в центральное отверстие. На нижней части свечи может быть нанесено антипригарное покрытие (На изоляторе, одном из электродов или обеих электродах.
Свеча может быть выполнена охлаждаемой. Может быть применено воздушное охлаждение, например, в виде оребрения. Может быть применено жидкостное охлаждение с системой жидкостного охлаждения. Система жидкостного охлаждения может содержать, выполненных в корпусе свечи подводящий коллектор, капай прямого хода, средний коллектора, канал обратного хода и отводящий коллектор
Сущность полезной модели поясняется на чертежах фиг. 1...29, где
- на фиг. 1 представлена свеча зажигания в разрезе
- на фиг. 2 представлен вариант центрального отверстия круглой формы,
- на фиг. 3 представлен вариант центрального отверстия квадратной формы
- на фиг. 4 представлена центрального отверстия прямоугольной формы
- на фиг. 5 представлено эллипсное центральное отверстие,
- на фиг. 6 и 7 представлен боковой электрод с прорезью,
- на фиг. 8 представлен боковой электрод с расширением,
- на фиг. 9 представлен разрез А-А,
- на фиг. 10 представлен боковой электрод имеющий отверстие с фаской в верхней его части,
- на фиг. 11 представлен боковой электрод имеющий отверстие с фаской в нижней его части,
- на фиг. 12 представлен боковой электрод имеющий отверстие с двумя фасками, - на фиг. 5 представлена свеча зажигания в разрезе с устройством закрутки потока,
- на фиг. 13 приведена свеча с устройством для закрутки потока,
- на фиг. 14 представлена свеча зажигания в разрезе с эксцентриситетом
- на фиг. 15 представлена свеча зажигания с пластиной из тугоплавкого материала в виде цилиндра,
- на фиг. 16 и 17 представлена свеча зажигания с пластиной из тугоплавкого материала в виде звездочки,
- на фиг. 18 представлена свеча зажигания с пластиной из тугоплавкого материала в виде цилиндра, диаметр которого больше диаметра центрального электрода,
- на фиг. 19 приведена свеча с покрытием на изоляторе
- на фиг. 20 приведена свеча с оребрением,
- на фиг. 21 приведена свеча с жидкостным охлаждением,
- на фиг. 22 приведен разрез В-В,.
- на фиг. 23 приведен разрез С-С,
- на фиг. 24 приведен разрез D-D.
- на фиг. 25 приведена схема движения ТВС между электродами свечи в цикле «сжатие»,
- на фиг. 26 приведена схема движения продуктов сгорания между электродами свечи в цикле «рабочий ход».
Свеча зажигания (фиг. 1…26) содержит корпус 1 с резьбовым участком 2, центральный электрод 3, изолятор 4 и боковой электрод 5, соединенный с корпусом 1. Длина резьбового участка 2 и его диаметр (резьба) для каждого двигателя свои, однако для многих типов автомобильных двигателей они унифицированы. Боковой электрод 5 выполнен L-образной формы и состоит из токоподводящей части 6 и рабочей части 7. Между центральным электродом 1 и рабочей частью 7 бокового электрода выполнен зазор δ. Этот зазор строго регламентирован для каждого конкретного двигателя ДВС и зависит от напряжения источника высокого напряжения и от температуры окружающей среды Пи низких температурах атмосферного воздуха зазор целесообразно уменьшить для облегчения искрового пробоя относительно холодной топливовоздушной смеси - ТВС.
В рабочей части 7 против центрального электрода 3 выполнено центральное отверстие 8 (фиг. 1).
Для обеспечения эффективного поджига ТВС особенно при запуске ДВС и особенно при отрицательных температурах площадь отверстия выполнена равной или больше площади поперечного сечения центрального электрода:
S2≥S1,
где:
S1 - площадь поперечного сечения центрального электрода 3,
S2 - площадь центрального отверстия 8.
Центральное отверстие 8 может быть круглой формы (фиг. 2), квадратной со скругленными углами (фиг. 3) или прямоугольной (фиг. 4) или эллипсной (овальной) фиг. 5 формы. При выполнении центрального отверстия 8 прямоугольной формы с длинными гранями 9 и короткими гранями 10 длинные грани 9 ориентируют вдоль длинных граней 11 рабочей части 7. Для центральных отверстий 8 в форме эллипса (или овала) его большая ось ориентируется параллельно длинным граням 9. Возможны и другие варианты исполнения центрального отверстии 8, например, в виде многоугольника с острыми углами (звездочки). Острые углы способствуют электрическому разряду.
Возможно выполнение прорези 12, выходящей в центральное отверстие 8 (фиг. 6 и 7). Прорези позволяют механически очищать центральное отверстие 8. На рабочей части 7 бокового электрода 5 может быть выполнено расширение 13 (фиг. 8), для того, чтобы в нем выполнить относительно большое центральное отверстие 8. Кроме того, может быть выполнено утолщение (фиг. 9) толщина которого определяется из соотношения:
H=(1,0-1.5)D2
Кроме того, на центральном отверстии 8 может быть выполнена фаска 14 со стороны центрального электрода (фиг. 10), или фаска 15 со стороны, противоположной (фиг. 11) или обе фаски 14 и 15 (фиг. 12). Вместо фасок 14 и 15 могут быть выполнены радиусные скругления. Фаска 14 образует сужающийся канал (разгоняющий поток продуктов сгорания) в фазе воспламенения и выхлопа. Тот поток эжектрирует продукты неполного сгорания из зазора между электродами 3 и 5, что предотвращает засорение этого зазора углеродными частицами (сажей и копотью).
Оптимальный угол наклона фасок 14 и 15 к оси центрального отверстия 3 составляет 30…45 градусов. При меньших углах разгон потока будет недостаточным, а при больших образующийся канал, работающий в режиме диффузора, будет иметь слишком высокую степень диффузорности и возможен отрыв потока от его стенок. Это нежелательно, так как устройство для закрутки потока 16 перестанет работать.
Фаска 15 наоборот образует сужающийся (ускоряющий) канал для топливовоздушной смеси в цикле ее впуска в цилиндр ДВС. Это также способствует очистке зазора от продуктов неполного сгорания. Применение обеих фасок 14 и 15 наиболее эффективно. Устройство дл закрутки 16 придает потоку продуктов сгорания и ТВС окружную составляющую скорости, которая векторно складываясь с осевой составляющей скорости, увеличивает ее в 2…3 раза. Это еще более усиливает эффект очистки электродов 3 и 5.
На фаске 14 или 15 или обеих фасках 14 и 15 может быть выполнено устройство для закрутки потока 16 (фиг. 13) в виде резьбы или лопаток. Применение центрального отверстия 8 относительно большого размера облегчает эту задачу по сравнению с существующими аналогами, в которых размер лопаток закручивающего устройства был меньше толщины пограничного слоя и не выполнял свои функции. Применение квадратных и прямоугольных центральных отверстий в этом случае будет оправдано, так как в углах отверстий можно разместить основание закручивающего устройства и не загромождать и без того небольшое сечение отверстия..
Центральное отверстие 8 может быть смещено относительно оси центрального электрода 3 на величину смещения (эксцентриситета для круглых отверстий) - ε
ε=(0,01-0,1)D1,
где:
D1 - диаметр центрального электрода 3.
Смещение отверстия 8 позволяет максимально приблизить одну кромку центрального электрода 3 к боковому электроду 5 и создать условия для гарантированного розжига ТВС. Заранее выполнить очень маленький зазор между электродами 3 и 5 по всей площади не следует, так как это создаст риск его засорения и уменьшит объем «минифоркамеры». Особенно эффективно смещение будет для свеч зажигания с прямоугольными и эллипсными центральными отверстиями. Кроме того, этот подход упростит технологию изготовления свеч зажигания и позволит увеличить допуск на несоосность центрального отверстия и центрального электрода.
Смещение увеличит эффективность работы свечи при запуске, особенно при отрицательных температурах, так как одна из кромок центрального электрода 3 приблизится к кромке центрального отверстия 8.
К рабочему торцу 17 центрального электрода 3 может быть присоединена при помощи сварки или высокотемпературной пайки пластина 18 из тугоплавкого материала (фиг. 15-18).
При этом пластина 18 может быть выполнена цилиндрической фиг. 15 и 18 или в виде многоугольника с острыми гранями, например, звездочки (фиг 16 и 17). Применение острых граней способствует более эффективному электрическому разряду. На фиг 18 приведена пластина 18, диаметр которой больше диаметра центрального электрода 3. Все эти мероприятия приводят кроме всего к удешевлению свеч зажигания за счет использования для центрального электрода 3 недифицитного металла.
В нижней части свечи может быть нанесено антипигарное покрытие 19, на нижней части изолятора 4 (фиг. 19), на центральном электроде 3 (фиг. 20), или на боковом электроде 5 (фиг. 21) или одновременно на центральном и боковом электродах 3 и 5 (фиг. 22). Это сделано для исключения поверхностного разряда вдоль нижней поверхности изолятора 4. Это покрытие 19 должно обладать высоким удельным сопротивлением и омнифобными свойствами, т.е. отталкивать все вещества от своей поверхности и не допускать отложения осадков (нагара). Нагар, имеет низкое удельное сопротивление и приводит к поверхностному разряду. Пример такого покрытия двуокись циркония, который применяется в камерах сгорания современных жидкостных ракетных двигателей. Это покрытие работает при температурах до 4000°С и не допускает отложения нагара.
Свеча зажигания может быть выполнена охлаждаемой. Может быть применено воздушное охлаждение фиг. 23 в виде оребрения 20 на корпусе 1 в его верхней части.
Возможно применение системы жидкостного охлаждения (фиг. 24…27), которая может быть выполнена в разных вариантах исполнения. Для примера приведена простейшая конструкция в виде, выполненных в корпусе 1 свечи подводящего коллектора 21, канала (каналов) прямого хода 22, среднего коллектора 23, канала (каналов) обратного хода 24 и отводящего коллектора 25. К подводящему коллектору 21 присоединен подводящий патрубок 26, а к отводящему коллектору 25 присоединен отводящий патрубок 27. Между подводящим и отводящим коллекторами 21 и 25, а также между каналами 21 и 23 установлены перегородки 28 (фиг. 25 и 26) для разобщения этих коллекторов и каналов. К патрубкам 26 и 27 присоединены гибкие шланги (на фиг. 1…29 не показано).
На фиг. 28 и 29 показано соответственно движение ТВС и продуктов сгорания в зазоре между электродами 3 и 5 и в центральном отверстии 8 в разных циклах работы ДВС.
Работа устройства
При работе ДВС, в состав которого входят свечи зажигания, после впрыска ТВС подается высокое напряжение на электроды 3 и 5. При этом происходит пробой зазора, в первую очередь в месте, где он имеет минимальное значение δ мин (фиг. 14). Наличие острых углов на электродах 3 и 5 (фиг. 16 и 17) способствует улучшению разряда.
Применение устройств для закрутки потока 16 позволит создать вихревое движение топливовоздушной меси при цикле сжатия и продуктов сгорания в цикле «рабочий ход», тем самым постоянно (при всех циклах работы ДВС) очищать центральное отверстие 8 и зазор от копоти за счет вращения с большой скоростью топливовоздушной смеси вокруг центрального электрода 3 и в зазоре. Относительно большой размер центрального отверстия 8 в принципе исключает его засорение углеродными частицами и кроме того, выбрасывает более мощный факел для воспламенения ТВС в цилиндре.
Если применена система воздушного охлаждения (фиг. 19), то отвод тепла осуществляет оребрение 20. Тепловой поток движется из камеры сгорания цилиндра (камера сгорания и цилиндр ДВС на фиг. 1…26 не показаны) по корпусу 1, выполненному из теплопроводного материала (стали) и через оребрение 20 отдается в атмосферу.
Если применена система жидкостного охлаждения (фиг. 21…24), то охлаждающая жидкость (вода или антифриз) подается через подводящий патрубок 26 в подводящий коллектор 21, далее в канал прямого хода 22, потом в средний коллектор 23. далее по каналам обратного хода 24 в выходной коллектор 25 и выходной патрубок 27 и в радиатор системы охлаждения жидкости (на фиг. 1…26 не показано). Охлаждающая жидкость возвращается снова в систему жидкостного охлаждения свечи зажигания. Для многопоршневых двигателей системы зажигания всех свеч зажигания могут быть объединены параллельно или последовательно. Эта система охлаждения более эффективна, чем воздушное охлаждение, но сложнее и может быть применена на очень мощных ДВС.
На фиг. 25 показано движение ТВС в зазоре между электродами 3 и 5 и в центральном отверстии 8 в цикле «сжатие». В коническом сужающемся канале (по направлению потока), образованном фаской 14, ТВС разгоняется и закручивается. Все поверхности центрального электрода 3 и верхняя поверхность рабочего участка 7 бокового электрода 5 очищаются от твердых отложений углерода.
В цикле «рабочий ход» (фиг. 26) продукты сгорания, имеющие очень высокую температуру, с огромной скоростью выбрасываются из центрального отверстия 8 в полость камеры сгорания цилиндра и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней.
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.
Выпущены чертежи, изготовлены и успешно испытаны опытные образцы.
В итоге применение полезной модели позволит:
- улучшить зажигание при запуске и особенно при отрицательных температурах, за счет оптимизации соотношения площадей центрального электрода и центрального отверстия в боковом электроде, а также формы этого отверстия
- уменьшить расход топлива за счет его более полного сгорания, обеспеченного более четким воспламенением ТВС в камере сгорания ДВС мощным факелом т.н. «минифоркамеры».
- снизить эмиссию вредных веществ, вследствие полного сгорания топлива,
- увеличить ресурс работы свечи за счет очистки от копоти и предотвращения разрушения центрального электрода за счет пластины из тугоплавкого материала, а также применения неэлектропроводного омнифобного покрытия в нижней части изолятора,
- использовать для центрального электрода более дешевые сплавы за счет применения пластины из тугоплавкого материала на ее торце,
- значительно увеличит ресурс свеч и исключить обгорание электродов за счет применения систем их охлаждения,
- облегчить процесс изготовления свеч зажигания за свет увеличения допусков на изготовление наиболее ответственных деталей,
- снизить стоимость свеч зажигания по причинам указанным ранее.