Свеча зажигания

 

Сущность изобретения: повышение эксплуатационных характеристик свечи достигается путем увеличения мощности разрядной плазмы и увеличения ресурса работы за счет уменьшения нагарообразования. Свеча содержит корпус, размещенный в корпусе изолятор с центральным электродом и массовый электрод с сопловым насадком. Центральный электрод снабжен наконечником в виде конуса, вершина которого обращена в сторону среза соплового насадка. Массовый электрод выполнен в виде соплового насадка типа сопла Лаваля и образует с наконечником центрального электрода сопло с центральным телом, при этом наконечник центрального электрода размещен между критическим сечением сопла Лаваля и его срезом с образованием между стенкой сопла и наконечником искрового промежутка. Боковая поверхность центрального электрода и внутренняя поверхность сопла Лаваля имеют покрытие в виде слоя эрозионно стойкого материала, например нитрита бора. Соединение соплового насадка с корпусом или соединение центрального электрода с изолятором выполнено регулируемым, например на микрометрической резьбе с контровочной гайкой. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для воспламенения рабочей топливной смеси в цилиндрах или камерах сгорания двигателей, работающих без самовоспламенения этой смеси, главным образом, карбюраторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Воспламенение топливных смесей в таких двигателях обычно осуществляется с помощью свечей зажигания (искровых запальных свечей), у которых между электродами или контактами, введенными в камеру сгорания ДВС, в требуемые моменты времени образуется электрическая искра, которая собственно и воспламеняет топливную смесь.

Для образования такой искры в известных свечах зажигания используется несколько явлений: образование искры между контактами, через которые протекает электрический ток, при их размыкании; образование поверхностного разряда по поверхности изолятора, разделяющего два электрода, на которые подается высокое напряжение; образование искры в зоне электрического пробоя между двумя электродами при подаче на них высокого напряжения.

Различие используемых явлений искрообразования приводит к различиям в конструктивных исполнениях свечей различных типов, но обязательными компонентами большинства свечей являются корпус (обычно металлический), изолятор и проводники, подводящие через отверстия в изоляторе напряжение к электродам (контактам), находящимся в зоне воспламенения. При этом корпус обычно снабжается резьбой для вворачивания свечи в соответствующее посадочное место на ДВС, изолятор размещается внутри корпуса, проводники проходят через изолятор и на последнем закрепляются клеммы для подключения проводников к источнику высокого напряжения. В качестве одного из проводников свечи обычно используется металлический корпус свечи, с которым и соединяется один из электродов (контактов) свечи.

В наиболее распространенных свечах с образованием искры в зоне электрического пробоя один из электродов (центральный) обычно выполнен в виде стержня в центре свечи, а второй (боковой) отходит от корпуса в виде изогнутого или прямого стержня, образующего с центральным требуемый искровой зазор.

Свечи зажигания с использованием первых двух явлений для искрообразования находят крайне ограниченное применение по следующим причинам: у свечей с размыканием контактов (авт.св. СССР N 934565, авт.св. СССР N 1288800, кл. H 01 T 13/24) минимум один контакт должен быть подвижным, что резко снижает их надежность и ресурс работы по сравнению со свечами зажигания, в которых искра (разряд) возникает между неподвижными электродами. К тому же для перемещения контакта требуется особое устройство, что дополнительно усложняет конструкцию свечи, т.е. дополнительно снижает ее надежность; свечи зажигания с использованием поверхностного разряда (авт.св. СССР N 1076994, авт.св. СССР N 1081719, кл. H 01 T 13/24) по сравнению со свечами с использованием других явлений дают наименьшую мощность разрядной плазмы, что резко сужает возможности их применения, ограничивая их только теми ДВС, которые работают на дорогих высоооктановых топливах (например, авиационные ДВС).

По указанным причинам в настоящее время в подавляющем большинстве ДВС применяются свечи зажигания, использующие явление образования искры в зоне электрического пробоя между электродами при подаче на них высокого напряжения.

Недостатком таких свечей зажигания является образование нагара между электродами (контактами), в результате чего свеча перерастает работать в режиме искрообразования и поджигать рабочую топливную смесь. В наибольшей степени этот недостаток проявляется в свечах зажигания с размыканием контактов, в наименьшей в свечах с поверхностным разрядом, но практически он наиболее ощутимо проявляется для свечей с электрическим пробоем между электродами из-за их преобладающего распространения.

Другим недостатком всех известных свечей зажигания является малая эффективность поджигания рабочей топливной смеси, особенно обедненной, обусловленная привязкой образующейся искры строго к одной траектории прохождения в зоне минимального зазора между электродами. Этот недостаток приобретает наиболее существенное значение для свечей с образованием искры в зоне электрического пробоя между электродами, для которых и предложено множество технических решений, устраняющих влияние вышеперечисленных недостатков, обычно одного из них Так, например, для самоочищения электродов от нагара (авт.св. СССР N 1372434, кл. H 01 T 13/00) предложено один из электродов (центральный) на его выступающей наружу части окружить обмоткой возбуждения ультразвуковых колебаний. Эти колебания, передаваясь на рабочую часть электрода в зону воспламенения, препятствуют закреплению частиц нагара на этой части, а также на окружающем изоляторе и частично на втором, боковом электроде.

Недостатком этого решения является не только усложнение самой свечи, но и оборудования, требуемого для обеспечения ее работы (необходим генератор токов высокой частоты и система питания для него). Кроме того, механические колебания деталей свечи приводят к нарушению герметичности соединения этих деталей между собой, а также всей свечи с ДВС, что недопустимо.

В патенте США N 4307316, кл. 313-143 и в патенте Японии N 56-38039, кл. H 01 T 13/20 предложены однотипные решения по самоочистке электродов свечи от нагара за счет такого расположения последних относительно изолятора, при котором часть траектории искры проходит по поверхности изолятора.

Недостаток подобных решений значительное снижение мощности разрядной плазмы при неполном устранении нагарообразования.

Для повышения мощности (поджигающей способности) свечи в авт.св. СССР N 1368936, кл. H 01 T 13/00 предложено вводить в конструкцию свечи в ее рабочей зоне детали из гидрида металла, которые при нагреве свечи выделяют атомарный водород.

При очевидной эффективности такого решения не менее очевиден и его главный недостаток ограниченный ресурс работы из-за наличия расходуемого гидрида металла.

В патенте США N 4006725, кл. 123-325 поджигающая способность свечи повышается за счет дополнительного подвода в зону воспламенения обогащенной смеси.

Недостатки такого решения значительное усложнение конструкции и самой свечи, и другого оборудования, так как система подачи топлива фактически делается двойной.

Этот недостаток, хотя и в значительно меньшей степени, присущ и решению по авт.св. СССР N 877674, кл. H 01 T 13/00, где повышение поджигающей способности свечи достигается наличием испарителя топлива.

Близким по технической сущности к предлагаемому решению является решение по авт.св. СССР N 953687, кл. H 01 T 13/00, в котором искра образуется между двумя круглыми электродами, параллельными друг другу, причем в зоне искрообразования один из электродов имеет изгиб в сторону другого, а их концы закруглены. Решая задачу повышения энергии искрового разряда при простоте конструкции, это решение в значительной степени уменьшает нагарообразование, так как здесь искра образуется в зоне, гораздо лучше продуваемой продуктами воспламенения, чем в обычных свечах этого типа, где центральный электрод располагается перпендикулярно боковому, на котором фактически существует застойная зона, способствующая образованию нагара.

Наиболее близкой к изобретению является свеча зажигания (патент Великобритании N 1160502, кл. H 01 T 13/48, опубл. 1969), в которой искра образуется в разрядном промежутке между центральным электродом и корпусным. Разрядный промежуток находится во внутренней полости свечи. Полость соединяется с камерой сгорания двигателя с помощью сменяемой трубки. Использование такой свечи обеспечивает воспламенение рабочей смеси в камере сгорания двигателя с помощью факела пламени, истекающего из внутренней полости свечи через трубку. Надежность воспламенения в камере сгорания определяется надежностью воспламенения в полости свечи.

Недостатком прототипа является то, что в нем траектория искры привязана к зоне минимального зазора между электродами, причем по мере обгорания электродов и увеличения зазора эта зона не изменяет места своего расположения. Это приводит к тому, что, во-первых, увеличивается вероятность пропуска пробоев и образования нагара именно в этой зоне, а во-вторых, эффективность воспламенения рабочей смеси, как и в любом из аналогов, остается низкой, так как воспламенение происходит в ограниченном объеме, а продукты воспламенения распространяются в зоне пробоя неорганизованно.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, повышение эксплуатационных характеристик свечи за счет увеличения мощности разрядной плазмы и увеличение ресурса работы за счет уменьшения нагарообразования.

Сущность изобретения заключается в том, что в свече зажигания с образованием искры в зоне электрического пробоя, содержащей металлический корпус, охватывающий изолятор, центральный электрод, проходящий через изолятор, и корпусный электрод, гальванически связанный с корпусом, рабочая часть центрального электрода в зоне воспламенения выполнена в виде конуса со скругленной вершиной, направленной в сторону зоны сгорания рабочей топливной смеси, а корпусной электрод выполнен в виде соплового насадка типа сопла Лаваля реактивного двигателя, соединенного с корпусом и направленного также в сторону зоны сгорания. При этом величина объема V полости, ограниченной корпусом, изолятором, центральным и корпусным электродами до критического сечения сопла, и минимальная величина площади S кольцевого зазора между электродами связаны соотношением (Алемасов В.Е. Дрегалин А.Ф. и Тишин А.И. Теория ракетных двигателей. М. Машиностроение, 1980): 20S < V < 300 S.

Кроме того, наружная поверхность конического наконечника внутреннего электрода и внутренняя поверхность соплового насадка снабжена противоэрозионным покрытием, например нитридом бора или циркония.

Такое конструктивное исполнение свечи зажигания обеспечивает повышение мощности разрядной плазмы, скорости и надежности воспламенения всей массы рабочей топливной смеси и при этом существенно уменьшает возможность образования нагара, так как все твердые или жидкие частицы, которые могут образоваться в процессе зажигания и сгорания, выносятся из полости плазменным сгустком, "выдуваемым" к торцу сопла электромагнитными силами, а также истекающей из сопла свечи высокоскоростной струей продуктов сгорания топливной смеси в объеме свечи.

Таким образом, предлагаемая свеча зажигания характеризуется следующими отличительными от прототипа признаками.

Выполнение центрального электрода с коническим наконечником, выступающим вершиной в зону искрообразования.

Выполнение корпусного электрода в виде соплового насадка типа сопла Лаваля реактивного двигателя, направленного срезом в сторону зоны сгорания, образующим вместе с центральным электродом сопло с центральным телом и коаксиальный ускоритель плазмы.

Соотношение между объемом V полости, ограниченной корпусом, изолятором, центральным и боковым электродами до критического сечения сопла, и минимальной величины площади S кольцевого зазора между электродами определяется эмпирической формулой 20 S < V < 300 S (размерность см³ для V и см² для S).

Поверхность конического наконечника внутреннего электрода и внутренняя поверхность соплового насадка покрыты противоэрозионным покрытием, например нитридом бора или циркония.

На чертеже представлена предлагаемая свеча зажигания.

Свеча зажигания состоит из металлического корпуса 1, снабженного резьбой А для вворачивания в головку ДВС, и многогранной (обычно шестигранной) головкой Б под гаечный ключ для обеспечения такого вворачивания. Внутри корпуса жестко и герметично закреплен изолятор 2, выходящий из него наружу, через который пропущен центральный электрод 3. С внутренней стороны (т.е. со стороны, вворачиваемой в ДВС) электрод 3 снабжен конусным наконечником 4, обращенным вершиной в сторону цилиндра ДВС. С наружной стороны электрод 3 снабжен контактной клеммой 5 любого типа, обеспечивающей подсоединение к электроду 3 провода от источника импульсов высокого напряжения (не показан). Второй провод от этого источника, как и в большинстве известных свечей зажигания, должен соединяться с корпусом ДВС с тем, чтобы при вворачивании в него свечи создавалась надежная гальваническая связь между этим проводом и корпусом 1 свечи. Корпусной электрод 6 свечи выполнен в виде соплового насадка типа сопла Лаваля реактивного двигателя и может соединяться с корпусом 1 либо жестко (например, сваркой), либо с помощью регулируемого соединения. Примером такого соединения может быть соединение на микрометрической резьбе В, выполненной в корпусе и на насадке. Жесткая фиксация соплового насадка 6 в требуемом положении обеспечивается фиксирующей гайкой 7. Регулируемое соединение в данном варианте обеспечивает регулировку минимального зазора между электродами. Такая регулировка может быть выполнена также с помощью аналогичного регулируемого соединения центрального электрода с изолятором при жестком (нерегулируемом) соединении соплового насадка с корпусом свечи. Таким образом в полностью собранной свече зажигания корпусом 1, изолятором 2, конусным наконечником 4 и критическим сечением соплового насадка 6 образуется полость С в виде камеры сгорания реактивного двигателя с выхлопным соплом. Форма и размеры деталей свечи проектируются так, чтобы объем V (в см³) указанной полости и минимальная величина площади S (в см²) кольцевого зазора между конусным наконечником 4 и соплом 6 подчинялись соотношению, например, 20 S < V < 300 S.

Внутренняя поверхность электрода 6 и наружная поверхность конусного наконечника 4 электрода 3 снабжены противоэрозионным покрытием. Примером такого покрытия может быть нитрид бора, обеспечивающий хорошую коррозионную стойкость в условиях высоких давлений и температур камеры сгорания ДВС.

Работа предлагаемой свечи зажигания происходит следующим образом.

При заполнении топливной смесью камеры сгорания ДВС или при такте сжатия в ДВС полость С свечи также заполняется этой смесью. При подаче на электроды 3 и 6 импульса высокого напряжения происходит электрический пробой в зоне минимального зазора между наконечником 4 центрального электрода 3 и конусным электродом сопловым насадком 6. Сначала этот пробой имеет вид искрового шнура, но затем под его ионизирующим воздействием пробой практически мгновенно распространяется на весь кольцевой зазор в плоскости, перпендикулярной оси свечи (т.е. ее центральному электроду 3). Сначала эта плоскость находится в зоне минимального зазора между наконечником 4 и сопловым насадком 6 (в критическом сечении соплового насадка 6).

Сразу же под действием электродинамической силы, возникающей в результате взаимодействия радиального тока, проходящего через образовавшуюся при пробое плазму, и кольцевого магнитного поля, созданного этим же током, протекающим далее по центральному электроду, плазменный сгусток начинает ускоряться вдоль оси соплового насадка, т. е. происходит перемещение ("выдувание") плазменного сгустка к торцу соплового насадка. В результате этого происходит увеличение размеров кольцевого разряда и обеспечивается его перемещение через рабочую смесь в объеме соплового насадка, что приводит к воспламенению этой смеси не по линии (шнуру), так в известных свечах зажигания, а практически по всему объему соплового насадка, что существенно повышает надежность воспламенения.

Однако топливная смесь воспламеняется и по другую сторону от критического сечения соплового насадка 6, т.е. в полости С. Воспламенение топливной смеси в полости С приводит к тому, что струя продуктов сгорания истекает с большой скоростью из соплового насадка, смешивается с топливной смесью в объеме камеры сгорания ДВС и завершает процесс ее поджигания, начатый "выдуваемым" плазменным сгустком.

Кроме того, как перемещение плазменного сгустка вдоль оси соплового насадка, так и следующий за ним выброс с большой скоростью струи продуктов сгорания из камеры сгорания приводят к тому, что твердые или жидкие частицы, которые могут образоваться на электродах свечи в процессе ее работы, выносятся из разрядного промежутка. Свеча самоочищается, причем дважды при подаче на нее каждого импульса высокого напряжения, что приводит практически к полному устранению возможности образования нагара на ее электродах.

При последующем такте сжатия происходит охлаждение электродов топливной смесью, заполняющей полость С через кольцевой зазор, особенно интенсивное в зоне пробоя.

В отличие от известных свечей зажигания, в которых инициатором воспламенения топливной смеси является только один плазменный шнур, привязанный к месту электрического пробоя между электродами, в предлагаемой свече можно выделить четыре таких инициатора: плазменный шнур, возникающий в месте электрического пробоя между электродами и инициирующий поджигание топливной смеси как в направлении среза сопла, так и в направлении внутренней полости свечи; плазменное кольцо, возникающее между электродами в поперечном сечении свечи через период порядка наносекундного после возникновения указанного плазменного шнура; плазменная трубка со стенками переменной толщины, возникающая за счет "выдувания" (перемещения к торцу сопла) указанного плазменного кольца электродинамическими силами; высокоскоростная струя пламени, истекающая из внутренней полости свечи в камеру сгорания ДВС.

Особо следует отметить следующий важный фактор, присущий описанному процессу воспламенения предлагаемой свечой. Образование неподвижных (прилипших к электродам) частиц нагара в предлагаемой свече, как и в известных, возможно только при возникновении плазменного шнура, который хотя и может быть привязан к одному месту в критическом сечении сопла Лаваля, но это место не может быть застойной зоной, а является как раз зоной наибольшей скорости как истекающей струи продуктов воспламенения, так и струи нагнетаемой в свечу топливной смеси.

Остальные три инициатора воспламенения подвижны и могут образовывать только подвижные частицы нагара, которые перемещаются с ними и не могут вывести свечу из строя. Кроме того, подвижные частицы нагара способствуют отрыву уже прилипших частиц за счет кинетических соударений.

Из приведенного описания конструкции и работы свечи зажигания видно, что цель изобретения повышение эксплуатационных характеристик свечи за счет повышения поджигающей возможности и снижения вероятности образования нагара за счет организованного распространения продуктов воспламенения достигается.

Эффективная работа предлагаемой свечи подтверждается проведенными предварительными испытаниями ее в составе автомобильного двигателя.

Формула изобретения

1. СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус, размещенный в корпусе изолятор с центральным электродом и массовый электрод, закрепленный на корпусе с образованием искрового промежутка между электродами, причем свеча снабжена сопловым насадком, закрепленным в корпусе, отличающаяся тем, что, с целью повышения эксплуатационных характеристик, центральный электрод снабжен наконечником в виде конуса, вершина которого обращена в сторону среза соплового насадка, массовый электрод выполнен в виде соплового насадка типа сопла Лаваля и образует с наконечником центрального электрода сопло с центральным телом, при этом наконечник центрального электрода размещен между критическим сечением сопла Лаваля и его срезом с образованием между стенкой сопла и наконечником искрового промежутка.

2. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что боковая поверхность наконечника центрального электрода и внутренняя поверхность сопла Лаваля имеют покрытие в виде слоя эрозионно-стойкого материала, например нитрида бора.

РИСУНКИ

Рисунок 1