Свеча зажигания
Свеча зажигания содержит корпус 1 с наружным резьбовым пояском 2 и с продольным отверстием 3, в котором размещен изолятор 4 с центральным электродом 5. Массовый электрод выполнен в виде выступающей за пределы центрального электрода 5 сопловой головки 6 с диффузором 7 на выходе, размещенной с образованием в диффузоре 7 искрового промежутка между электродами 5, 6 (т.к. последним является сопловая головка). Сопловая головка 6 выполнена заодно с корпусом 1, ее длина от края резьбового пояска 2 корпуса 1 равна, например, 12 мм, т.е. выполнена не менее минимального диаметра диффузора 7, равного, например, 7 мм. Угол диффузора 7 выполнен равным (51±1,5)°, а длина составляет не более 0,5 минимального диаметра диффузора 7. Изолятор 4 снабжен наружным уплотнением 8 из жаропрочного силикона для герметизации относительно поверхности продольного отверстия 3 корпуса 1. Сопловая головка 6 выполнена с внутренней камерой 9, расширяющейся в направлении, противоположном направлению расширения диффузора 7. Камера 9 выполнена с радиальными отверстиями 10, наклонными к ее оси и с боковой стенкой, толщина которой увеличивается в направлении резьбового пояска 2 корпуса 1. Камера 9 выполнена с кольцевой конической стенкой 11 со стороны, противоположной диффузору 7. Стенка 11 камеры 9 выполнена с тупым углом сужения к оси корпуса 1. Искровой промежуток вокруг электрода 5 в сечении минимального диаметра диффузора 7 составляет 0,25-0,45 этого диаметра, благодаря сплошному корпусу 1 и диффузору 7 рабочий диапазон искры охватывает 360°. Свободный конец центрального электрода 5 выступает в диффузор 7 не более чем на 0,5 мм. Таким образом, создана эффективная, надежная и долговечная свеча зажигания и расширен арсенал свечей зажигания.
Полезная модель относится к устройствам для воспламенения воздушно-топливной смеси в камерах сгорания двигателей, работающих без самовоспламенения этой смеси, главным образом, для инжекторных и карбюраторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) работающие на легком топливе. На свечи ложится серьезная нагрузка в процессе работы двигателя: циклические воздействия высоких напряжений, работа при низких и высоких температурах, давление расширяющихся газов, широкий диапазон режимов двигателя, отложения продуктов сгорания, электроэрозия и т.д.
Известна свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус с камерой и отверстием, центральный электрод с изолятором, искровой промежуток, отличающаяся тем, что искровой промежуток выполнен в виде кольцевой щели, образованной кромкой торца центрального электрода и кромкой, образованной отверстием в корпусе и внутренней поверхностью камеры свечи, причем торец центрального электрода размещен внутри камеры, а соотношение параметров искрового промежутка определяется по формуле:
, где А - разность радиусов центрального электрода и отверстия; В - расстояние от плоскости торца электрода до плоскости поверхности камеры; С - постоянная величина искрового промежутка, причем отверстие в корпусе выполнено в форме усеченного конуса, а диаметр центрального электрода больше диаметра отверстия в корпусе не менее чем на два размера искрового промежутка - 2С. (RU №2282290, 2006)
При работе известной свечи искра по времени очень длинная и одинаковая, независимо от оборотов двигателя. Когда начинается пробой искры, в камере сгорания начинает воспламеняться смесь, а так как вихрь сильный и искра длинная по времени, то идет постоянное поджигание горючей смеси, получается постепенное сгорание смеси с одной стороны цилиндра. Из-за длинной искры образуется как бы
хвост. То есть с одной стороны камеры сгорания смесь почти выгорела, а с другой смесь еще не воспламенилась. Формируется асимметрия горения, направление фронта пламени при развитии горения воздушно-топливной смеси определяется вихревыми потоками, из-за чего возникают механические потери. Когда начинает воспламеняться остальная смесь, то происходит взрыв и давление на поршень вырастает равносильно удару по краю поршня. При взрыве происходит неравномерное давление на поршень. В этот момент происходит заклинивание поршня, потому что с одной стороны топливо уже сгорело, а с другой нет, идет перекос. На бывших в употреблении поршнях с одной стороны есть явные царапины, а на внутренней поверхности цилиндра с той же стороны первым компрессионным кольцом набивается канавка, которые и говорят именно об этом заклинивании. Кроме того, возникает еще одна серьезная проблема, связанная с неравномерным горением воздушно-топливной смеси в камере сгорания: в связи с тем, что воспламенение воздушно-топливной смеси должно совпадать с достижением поршнем верхнего положения, возникает необходимость производить поджиг заранее, т.к. воспламенение происходит не в центре камеры сгорания, вихревой поток подхватывает пламя и несет его по своей траектории вдоль стенок камеры сгорания. При этом образующиеся в результате горения газы создают дополнительное сопротивление не достигшему еще крайнего положения поршню. В результате происходит потеря энергии и уменьшение КПД двигателя.
Известна также 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. (RU №2055432, 1996, прототип).
Недостатками известных свечей зажигания являются низкая надежность из-за воздействия вихревых потоков, образующихся в процессе работы двигателя, не полное сгорание топлива в связи с большим расстоянием от искрового промежутка до центра камеры сгорания и необходимость использования катализаторов для снижения токсичности выхлопных газов, недостаточный теплоотвод от массового электрода, нестабильность искрового разряда и работы на богатой смеси, недостаточный срок эксплуатации из-за прорыва горячих газов между изолятором и корпусом: в процессе работы свечи керамический изолятор начинает «болтаться» в металлическом корпусе. В результате наружу начинают прорываться газы из камеры сгорания между металлическим корпусом и керамическим изолятором. Газы сдувают искру и свеча начинает работать не стабильно, сокращается вероятность безотказной работы и срок ее эксплуатации.
Технической задачей полезной модели является создание эффективной, надежной и долговечной свечи зажигания и расширение арсенала свечей зажигания.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в том, что обеспечены:
- защита искры и начального воспламенения воздушно-топливной смеси от вихревых потоков образующихся в процессе работы двигателя;
- возможность дотянутся до центра камеры сгорания, благодаря чему воздушно-топливная смесь поджигается у оси в центре камеры сгорания. Благодаря этому в камере сгорания сгорает практически все топливо. Как следствие, снижается расход топлива, появляется значительная динамика, увеличивается максимальная скорость, снижается токсичность выхлопных газов, практически не образуется нагар на днище поршня и на стенках камеры сгорания;
- нет необходимости использования катализатора для снижения токсичности выхлопных газов, поскольку достигается почти полное сгорание воздушно-топливной смеси;
- толщина головки свечи позволяет отводить излишнее тепло при воспламенении воздушно-топливной смеси;
- размер искрового зазора гарантирует стабильную работу искры, не боится «заливания» свечи;
- максимально возможная зажигательная способность на всех режимах двигателя;
- свеча не «боится» загрязнений от богатой смеси и попадания масла, охлаждающей жидкости и некачественного бензина;
- свеча обладает способностью к самоочистке;
- максимально возможная герметичность свечи зажигания независимо от времени эксплуатации;
- стабильность искрового разряда. В результате повышается вероятность безотказной работы и срок эксплуатации.
Сущность полезной модели состоит в том, что свеча зажигания содержит корпус с наружным резьбовым пояском и с продольным отверстием, в котором размещен изолятор с центральным электродом, и массовый электрод, выполненный в виде выступающей за пределы центрального электрода сопловой головки с диффузором на выходе, размещенной с образованием в диффузоре искрового промежутка между электродами, причем сопловая головка выполнена заодно с корпусом, ее длина от края резьбового пояска корпуса выполнена не менее минимального диаметра диффузора, угол расширения которого выполнен равным (51±1,5)°, а длина составляет не более 0,5 минимального диаметра диффузора, при этом изолятор снабжен наружным уплотнением из жаропрочного силикона для герметизации относительно поверхности продольного отверстия корпуса.
Предпочтительно сопловая головка выполнена с внутренней камерой, расширяющейся в направлении, противоположном направлению расширения диффузора, внутренняя камера сопловой головки выполнена с радиальными отверстиями, наклонными к ее оси, внутренняя камера сопловой головки выполнена с боковой стенкой, толщина которой увеличивается в направлении резьбового пояска корпуса, внутренняя камера сопловой головки выполнена с кольцевой конической стенкой со стороны, противоположной диффузору, причем кольцевая коническая стенка внутренней камеры сопловой головки выполнена с тупым углом сужения к оси корпуса. В частных случаях исполнения искровой промежуток в сечении минимального диаметра диффузора составляет 0,25-0,45 этого диаметра, а конец центрального электрода выступает в диффузор не более чем на 0,5 мм.
На чертеже фиг.1 изображена конструктивная схема свечи зажигания, на фиг.2 - схема циркуляции воздушно-топливной смеси и срабатывания свечи при ее центральном расположении в камере сгорания, на фиг.3 - схема циркуляции
воздушно-топливной смеси и срабатывания свечи при ее боковом расположении в камере сгорания.
Свеча зажигания содержит корпус 1 с наружным резьбовым пояском 2 и со ступенчатым продольным отверстием 3, в котором размещен ступенчатый изолятор 4 с центральным электродом 5, установленным вдоль его оси. Массовый электрод выполнен в виде выступающей за пределы центрального электрода 5 сопловой головки 6 с диффузором 7 на выходе, размещенной с образованием в диффузоре 7 искрового промежутка между электродами 5, 6 (т.к. последним является сопловая головка). Сопловая головка 6 выполнена заодно с корпусом 1, ее длина от края резьбового пояска 2 корпуса 1 равна, например, 12 мм, т.е. выполнена не менее минимального диаметра диффузора 7, равного, например, 7 мм. Угол диффузора 7 выполнен равным (51±1,5)°, а длина составляет 2-3,5 мм, т.е. не более 0,5 минимального диаметра диффузора 7. Изолятор 4 снабжен наружным уплотнением 8 из жаропрочного силикона для герметизации относительно поверхности продольного отверстия 3 корпуса 1.
Сопловая головка 6 выполнена с внутренней камерой 9, расширяющейся в направлении, противоположном направлению расширения диффузора 7.
Камера 9 выполнена с радиальными отверстиями 10, наклонными к ее оси и с боковой стенкой (не обозначена), толщина которой увеличивается в направлении резьбового пояска 2 корпуса 1.
Камера 9 выполнена с кольцевой конической стенкой 11 со стороны, противоположной диффузору 7. Стенка 11 камеры 9 выполнена с тупым углом сужения к оси корпуса 1.
Искровой промежуток вокруг электрода 5 в сечении минимального диаметра диффузора 7 составляет 2-2,5 мм, т.е. 0,25-0,45 этого диаметра, благодаря сплошному корпусу 1 и диффузору 7 рабочий диапазон искры охватывает 360°
Свободный конец центрального электрода 5 выступает в диффузор 7 не более чем на 0,5 мм. Все количественные соотношения получены эмпирически, путем подбора оптимальных соотношений, абсолютных размеров и углов.
Свеча ввертывается по резьбе до конца пояска 2 в стенку камеры 12 сгорания. При этом сопловая головка 6 выступает в объем камеры 12.
Свеча зажигания работает следующим образом.
При заполнении топливной смесью камеры 12 сгорания ДВС или при такте сжатия в ДВС полость камеры 9 свечи также заполняется этой смесью. Во время
движения поршня (не обозначен) к верхнему по фиг.2, 3 положению происходит сжатие воздушно-топливной смеси в камере 12 сгорания. При подаче на электроды 5 и 6 импульса высокого напряжения происходит электрический пробой в зоне искрового промежутка между ними. Сначала этот пробой имеет вид искрового шнура, но затем под его ионизирующим воздействием пробой практически мгновенно распространяется на все кольцевые объемы в головке 6, на фиг.1 - в плоскости, перпендикулярной центральному электроду 5. 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 5, плазменный сгусток начинает ускоряться вдоль оси диффузора 7, т.е. происходит перемещение ("выдувание") плазменного сгустка к наружному торцу головки 6. 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), а практически по всему объему соплового насадка, что существенно повышает надежность воспламенения. Одновременно топливная смесь воспламеняется и по другую сторону от критического сечения диффузора 7 головки 6, т.е. в камере 9. Воспламенение топливной смеси в камере 9 приводит к тому, что струя продуктов сгорания истекает с большой скоростью из диффузора 7, смешивается с топливной смесью в объеме камеры 12 сгорания ДВС и завершает процесс ее поджигания, начатый "выдуваемым" плазменным сгустком.
Конусный выход диффузора 7 позволяет подавать больше воздушно-топливной смеси в камеру 9 свечи, таким образом, в камере 9 концентрация воздушно-топливной смеси выше, чем в камере 12 сгорания.
Вихрь, образующийся в камере 12 сгорания, уносит тепло у обычных свечей. Скорость вихря максимальна именно у стенок камеры 12 сгорания, где у известных свечей расположен искровой зазор. Искровой зазор заявляемой свечи защищен от этого вихря и сохраняет тепло, что увеличивает к.п.д. поджига воздушно-топливной смеси в камере сгорания.
При этом искровой зазор находится в центральной зоне камеры 12 сгорания и защищен корпусом 1 от вихревых потоков воздушно-топливной смеси. Этим обеспечивается постоянный стабильный поджиг воздушно-топливной смеси. При запуске холодного двигателя конус диффузора 7, центральный электрод 5 и изолятор
4 центрального электрода 5 прогреваются в течение первых трех циклов, что создает внутри свечи идеальные условия (нет тепловых потерь на окружающую среду камеры 12 сгорания) для воспламенения воздушно-топливной смеси в области искрового зазора и, так же, в камере 9 свечи.
Уплотнение 8 не допускает прорыва газов из камеры 12 сгорания между металлическим корпусом 1 и керамическим изолятором 4. Даже если керамический изолятор 4 начинает «болтаться» в металлическом корпусе 1, газы наружу выйти не могут. Поэтому свеча длительное время работает стабильно и не дает сбоев.
Размер искрового зазора также позволяет искре работать стабильно. Свеча не боится попадания масла, охлаждающей жидкости, некачественного бензина и «заливания», что актуально при холодном запуске двигателя, особенно при отрицательных температурах окружающего воздуха. Искровой зазор в узкой части диффузора 7 позволяет эффективно поджигать воздушно-топливную смесь в камере 9 свечи, что также актуально при холодном запуске двигателя. Когда происходит воспламенение воздушно-топливной смеси в месте искрового зазора, пламя из свечи не выходит в камеру 12 сгорания, а уходит внутрь свечи из-за того, что поршень движется и происходит сжатие. В камере 9, которая сужается к выходу, накапливается энергия. Когда она достигает критической массы, то выстреливает большим объемом огня, а конусный выход диффузора 7 увеличивает силу выстрела пламени в центр камеры сгорания. Одно из главных преимуществ такого факельного зажигания - максимальная зажигательная способность. Факел способен преодолеть заметные расстояния как поперек, так и навстречу вихрю. Благодаря чему в камере сгорания поджигается сразу большой объем воздушно-топливной смеси, что значительно ускоряет ее более полное сгорание. Таким образом, сокращается время поджига воздушно-топливной смеси в центре камеры сгорания примерно в 3 раза.
Искровой зазор нашей свечи закрыт корпусом, который защищает воспламенение от вихревых потоков. Она стреляет накопленной энергией из полости свечи в центр камеры сгорания навстречу вихревым потокам, значительно сокращая путь пламени в центр камеры сгорания. Таким образом сокращается время поджига в центре камеры сгорания примерно в 3 раза. Соответственно, поджиг воздушно-топливной смеси происходит в момент достижения поршнем верхнего крайнего положения. За счет этого идет, практически, равномерное сгорание смеси, благодаря чему идет равномерное давление расширяющих газов на поршень. При
этом исключены механические потери, а именно: заклинивание и излишнее давление на поршень до достижения верхнего крайнего положения. Одновременно значительно увеличивается максимальная скорость, экономия топлива, снижается токсичность выхлопных газов, отпадает необходимость установки катализатора.
Таким образом, создана эффективная, надежная и долговечная свеча зажигания и расширен арсенал свечей зажигания.
1. Свеча зажигания, содержащая корпус с наружным резьбовым пояском и с продольным отверстием, в котором размещен изолятор с центральным электродом, и массовый электрод, выполненный в виде выступающей за пределы центрального электрода сопловой головки с диффузором на выходе, размещенной с образованием в диффузоре искрового промежутка между электродами, отличающаяся тем, что сопловая головка выполнена заодно с корпусом, ее длина от края резьбового пояска корпуса выполнена не менее минимального диаметра диффузора, угол расширения которого выполнен равным (51±1,5)°, а длина составляет не более 0,5 минимального диаметра диффузора, при этом изолятор снабжен наружным уплотнением из жаропрочного силикона для герметизации относительно поверхности продольного отверстия корпуса.
2. Свеча по п.1, отличающаяся тем, что сопловая головка выполнена с внутренней камерой, расширяющейся в направлении, противоположном направлению расширения диффузора.
3. Свеча по п.2, отличающаяся тем, что внутренняя камера сопловой головки выполнена с радиальными отверстиями, наклонными к ее оси.
4. Свеча по любому из пп.2 и 3, отличающаяся тем, что внутренняя камера сопловой головки выполнена с боковой стенкой, толщина которой увеличивается в направлении резьбового пояска корпуса.
5. Свеча по любому из пп.2 и 3, отличающаяся тем, что внутренняя камера сопловой головки выполнена с кольцевой конической стенкой со стороны, противоположной диффузору.
6. Свеча по п.5, отличающаяся тем, что кольцевая коническая стенка внутренней камеры сопловой головки выполнена с тупым углом сужения к оси корпуса.
7. Свеча по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что искровой промежуток в сечении минимального диаметра диффузора составляет 0,25-0,45 этого диаметра.
8. Свеча по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что конец центрального электрода выступает в диффузор не более чем на 0,5 мм.
