пьезоэлектрическая свеча зажигания

Формула изобретения

Свеча зажигания, содержащая металлический корпус с камерой и отверстием, центральный электрод с изолятором и искровой промежуток, выполненный в виде кольцевой щели, отличающаяся тем, что в корпусе свечи расположено устройство для образования высокого напряжения, необходимого для пробоя искрового промежутка свечи, выполненное в виде пьезоэлемента, а центральный электрод выполнен в виде металлической мембраны, соединенной с торцом пьезоэлемента, другой торец которого соединен с обоймой искрового механизма, находящейся в металлическом корпусе свечи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам зажигания двигателей внутреннего сгорания, а именно к устройствам для воспламенения топливовоздушных смесей.

Известна свеча зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая металлический корпус, изолятор со встроенным центральным электродом, общий электрод, закрепленный на корпусе и установленный с некоторым зазором относительно центрального электрода (Патент РФ № 2084998, МПК Н01Т 13/20, 1997 г.).

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой является свеча зажигания двигателя внутреннего сгорания, содержащая металлический корпус с камерой и отверстием, центральный электрод с изолятором и искровой промежуток, выполненный в виде кольцевой щели (Патент РФ № 2282290, Н01Т 13/40, 2006 г.).

Недостатком известных свечей зажигания является то, что они используют высокое напряжение от постороннего источника, следствием чего является сложность конструкции всей системы зажигания двигателя внутреннего сгорания, ее значительные массогабаритные показатели.

Задачей изобретения является упрощение конструкции системы зажигания двигателя внутреннего сгорания, уменьшение ее массогабаритных показателей.

Поставленная задача достигается тем, что в свече зажигания, содержащей металлический корпус с камерой и отверстием, центральный электрод с изолятором и искровой промежуток, выполненный в виде кольцевой щели, в отличие от прототипа расположено устройство для образования высокого напряжения, необходимого для пробоя искрового промежутка свечи, расположенное в корпусе свечи, выполненное в виде пьезоэлемента, а центральный электрод выполнен в виде металлической мембраны, соединенной с торцом пьезоэлемента, другой торец которого соединен с обоймой искрового механизма, находящейся в металлическом корпусе свечи.

Указанная совокупность существенных признаков необходима и достаточна для обеспечения:

- упрощения всей системы зажигания двигателя внутреннего сгорания, снижения ее массогабаритных показателей;

- повышения надежности воспламенения смеси за счет отсутствия высоковольтных проводов.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 в общем виде показана пьезоэлектрическая свеча зажигания, на фиг.2 показаны индикаторные диаграммы двигателя внутреннего сгорания при открытой (кривая «а») и при закрытой (кривая «б») дроссельных заслонках, на фиг.3 показана зависимость напряжения, необходимого для пробоя искрового промежутка свечи, от давления в камере сгорания, на фиг.4 показана зависимость напряжения, развиваемого на пьезоэлементе, от давления в камере сгорания, на фиг.5 показана зависимость температуры рабочей смеси от угла поворота коленчатого вала, при открытой (кривая «а») и при закрытой (кривая «б») дроссельных заслонках.

Пьезоэлектрическая свеча зажигания имеет металлический корпус 1 с камерой 2, в котором установлена обойма искрового механизма 3. В корпусе 1 также установлен изолятор 4 с пьезоэлементом 5 для формирования высокого напряжения, необходимого для пробоя искрового промежутка. С одного торца пьезоэлемента 5 установлена металлическая мембрана 6, которая также является центральным электродом.

Пьезоэлектрическая свеча зажигания работает следующим образом. При повышении давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания металлическая мембрана 6 прогибается, сжимая пьезоэлемент 5, в результате сжатия между двумя торцами пьезоэлемента 5 образуется высокое напряжение. Когда напряжение на пьезоэлементе 5 достигает заданного значения, происходит пробой искрового промежутка между наружной кромкой металлической мембраны 6, соединенной с одним торцом пьезоэлемента 5, и внутренней кромкой металлического корпуса 1 свечи, соединенного с другим торцом пьезоэлемента 5.

Величина давления в цилиндре, при котором происходит зажигание, определяется размерами пьезоэлемента 5 и величиной искрового промежутка, регулируемого путем ввинчивания/вывинчивания обоймы искрового механизма 3 в металлический корпус 1.

В системе зажигания двигателя внутреннего сгорания должна обеспечиваться обратная зависимость между углом опережения зажигания и нагрузкой, т.е. с увеличением нагрузки угол опережения зажигания должен уменьшаться, а при уменьшении нагрузки увеличиваться. В предлагаемой пьезоэлектрической свече зажигания обеспечивается такая зависимость, что подтверждается следующим.

Допустим, при закрытой дроссельной заслонке (кривая «б» на фиг.2) пробой происходит при давлении Р1, что соответствует точке 1 (см. фиг.2). При открытой дроссельной заслонке (кривая «а» на фиг.2) при давлении Р1 пробоя не произойдет вследствие того, что температура будет ниже, что показывает зависимость на фиг.5 (Злотин Г.Н. Рабочие процессы в поршневых ДВС. - Волгоградский политехнический институт, 1981 г. - 119 с., стр.67, 68) Т ₂<Т₁, следовательно, будет требоваться более высокое напряжение, необходимое для пробоя искрового промежутка свечи, что показывает закон Пашена (Разевиг Д.В. Расчет начальных и разрядных напряжений газовых промежутков / Д.В.Разевиг, М.В.Соколова. - М.: «Энергия», 1977. - 199 с., стр.119, 120), имеющий следующий вид:

где U_пр - напряжение, необходимое для пробоя искрового промежутка свечи;

А, В - коэффициенты, постоянные для конкретной газовой среды;

р - давление газа в камере сгорания;

Т - темепература в камере сгорания;

d - расстояние между электродами;

- коэффициент ударной ионизации на катоде.

На участке 2-3 (см. фиг.2) в результате повышения давления, во-первых, будет расти величина напряжения, необходимого для пробоя искрового промежутка свечи, по закону Пашена (Гизатуллин Ф.А. Системы зажигания двигателей летательных аппаратов. - Уфа: УГАТУ, 1998. - 115 с., стр.46), который имеет следующий вид:

где U_пр - напряжение, необходимое для пробоя искрового промежутка свечи;

А, В - коэффициенты, постоянные для конкретной газовой среды;

р - давление газа в камере сгорания;

d - расстояние между электродами;

- коэффициент ударной ионизации на катоде.

Вид зависимости U_пр=f(p) приведен на фиг.3 (для реальных искровых свечей справедлива правая ветвь этой зависимости).

Во-вторых, будет расти напряжение, развиваемое на пьезоэлементе, по следующему закону (Смажевская Е.Г., Фельдман Н.Б. Пьезоэлектрическая керамика. - М. «Сов. радио», 1975. - 199 с., стр.180):

где U - напряжение, развиваемое на пьезоэлементе;

g₃₃ - пьезоэлектрический коэффициент напряжения;

l - длина пьезоэлемента;

S - площадь поперечного сечения пьезоэлемента;

Р - давление в камере сгорания.

Вид зависимости U=f(p) приведен на фиг.4.

Влияние температуры на этом участке незначительно.

Правая ветвь кривой на фиг.4, справедливая для реальных свечей, идет более полого чем кривая на фиг.3, следовательно, напряжения, развиваемого на пьезоэлементе, будет недостаточно для пробоя искрового промежутка свечи.

При подходе к точке 3 (см. фиг.2) возрастает влияние температуры. После точки 3 влияние температуры становится главным, что показывает зависимость на фиг.5 (Злотин Г.Н. Рабочие процессы в поршневых ДВС. - Волгоградский политехнический институт, 1981 г. - 119 с., стр.67, 68). Величина напряжения, необходимого для пробоя искрового промежутка свечи, падает по закону Пашена (Гизатуллин. Ф.А. Системы зажигания двигателей летательных аппаратов - Уфа: УГАТУ, 1998. - 115 с., стр.46). Напряжение на пьезоэлементе становится достаточным для пробоя, и происходит пробой искрового промежутка свечи.

Итак, заявляемое изобретение позволяет значительно упростить конструкцию системы зажигания двигателя внутреннего сгорания и уменьшить ее массогабаритные показатели.