CZ2017195A3 - Zapalovací svíčka - Google Patents

Abstract

Zapalovací svíčka pro zážehový pístový spalovací motor obsahuje kovové pouzdro (1) opatřené prostředkem pro připojení zapalovací svíčky ke kompresnímu prostoru válce spalovacího motoru se zemnící elektrodou jiskřiště v jeho nejspodnější části a izolátor (2) se střední elektrodou (3) jiskřiště, který je upevněný v pouzdru (1). Rovina (13) vnitřní těsnicí plochy izolátoru (2) uvnitř pouzdra (1) je situována u roviny (12) vnější těsnicí plochy pouzdra (1) pro upevnění zapalovací svíčky ke kompresnímu prostoru ve válci motoru, kde délka izolátoru (2) pod rovinou (13) jeho vnitřní těsnicí plochy odpovídá průměru izolátoru (2) v rovině (13) vnitřní těsnicí plochy. Pro omezení až eliminování turbulence při zážehu svíčky je v dolní části pouzdra (1) vytvořen chráněný prostor (4) s objemem o velikosti 0,5 až 1 cm, uzavřený čelem (14) s žárupevného materiálu na konci pouzdra (1), přivráceným ve funkčním stavu svíčky ke kompresnímu prostoru válce spalovacího motoru. Chráněným prostorem (4) uvnitř pouzdra (1) prochází obnažená střední elektroda (3), jejíž koncová část (32) je umístěna do centrálního otvoru (141) v čele (14) pouzdra (1). V mezeře (5) mezi povrchem obvodu centrálního otvoru (141) v čele (14) pouzdra (1) a povrchem obvodu čela (321) koncové části (32) střední elektrody (3) je vytvořeno jiskřiště zapalovací svíčky.

Description

Zapalovací svíčka

Oblast techniky

Předmětem vynálezu je zapalovací svíčka pro zážehový pístový spalovací motor.

Dosavadní stav techniky

Zážehové motory, zahrnující benzinové nebo plynové motory, pracují převážně s vnějším tvořením směsi, kdy do válců motoru přichází směs ve stavu velmi pokročilé připravenosti. K dokončení tvorby a homogenizace směsi ve válci motoru (v případě benzinu potom i jeho úplné odpaření a promísení palivových par se vzduchem) je k dispozici relativně dlouhá doba celého plnicího zdvihu a podstatná část zdvihu kompresního. Iniciace zapálení směsi v zážehových motorech se uskutečňuje mechanizmem vysokoteplotního vznícení velmi malého objemu připravené směsi, vyvolaným vysokonapěťovým výbojem na elektrodách jiskřiště zapalovací svíčky.

Spalování homogenní připravené směsi a zdánlivě jednoznačné podmínky pro zážeh i následné hořeni jsou ve skutečnosti komplikovány řadou vlivů, které způsobují špatnou reprodukovatelnost průběhu hoření směsi ve válci a v důsledku toho i velkou mezicyklovou variabilitu pracovních cyklů. Mezicyklová variabilita je dlouhodobým problémem zážehových motorů a její příčinou je značná proměnlivost podmínek pro rozvoj ohniska zážehu, způsobovaná větším počtem vlivů. Významně se projevuje skutečnost, že v kompresním prostoru a tedy i v nejbližším okolí elektrod zapalovací svíčky je turbulence, která rozptyluje produkty předoxidačních reakcí v tvořícím se ohnisku zážehu do širšího okolí a tím se zpomaluje proces zážehu. Podmínky pro rozvoj ohniska zážehu mají proto vlivem turbulence nahodilou povahu. Průběh následného hoření směsi, který je silně závislý na počáteční fázi hoření, se proto v zážehových motorech vyznačuje již zmíněnou mezicyklovou variabilitou, projevující se cyklus od cyklu relativně velkými rozdíly v průběhu tlaku ve válci motoru. Mezicyklová variabilita potom komplikuje optimalizaci seřízení zážehového motoru a zhoršuje jeho účinnost i výkonové a emisní parametry.

J » » J » » » .» ~ 2 ~

Některé vozidlové zážehové motory používají ke zlepšení podmínek pro spolehlivé zapálení a stabilnější průběh spalovacího procesu zážeh směsi pomocí dvou zapalovacích svíček, umístěných v protilehlých místech kompresního (spalovacího) prostoru. Takové řešení je ale konstrukčně komplikované a proto málo rozšířené. Jiné skupiny zážehových motorů, například stacionární plynové motory, používají pro kvalitnější a spolehlivější zapálení směsi tak zvaný nepřímý zážeh směsi ve spalovacím prostoru ve válci motoru vyšlehnutím hořící směsi ze zapalovací komůrky. Zapalovací komůrka je velmi malý objem připojený ke kompresnímu prostoru, ve kterém se zvláštním přívodem plynu vytvoří obohacená směs, která po zažehnutí vysokonapěťovým výbojem na jiskřišti, umístěném v zapalovací komůrce, začne velmi rychle hořet a spaliny spolu s hořící směsí vyšlehnou propojovacími kanálky z komůrky do hlavního spalovacího prostoru a zažehují na mnoha místech směs ve válci motoru. Téměř současný zážeh směsi ve více místech spolu s vyvolanou turbulencí podporují rozvoj rychlého a relativně velmi stabilního průběhu hoření ve válci motoru. Vhodně vyřešeným nepřímým zážehem lze spolehlivě zažehnout a spalovat i velmi chudé směsi s vysokým přebytkem vzduchu (Zs 2 až přibližně 2,4) při relativně nízké mezicyklové variabilitě. Toto zařízení a jeho příslušenství je konstrukčně složité a tím drahé.

Existují i řešení pro zážeh směsi ve válci motoru zapalovací komůrkou bez samostatného přívodu paliva. Směs je v tomto případě přivedena do komůrky propojovacími kanálky z válce motoru při kompresním zdvihu a v komůrce je zapálena vysokonapěťovým výbojem na jiskřišti. Zapalování směsi v zážehovém motoru pomocí zapalovací komůrky bez samostatného přívodu paliva do komůrky je použito i v některých motorech typu GDI (FSI - zážehové motory s přímým vstřikem paliva a spalováním vrstvené heterogenní směsi), kde speciální úpravou tvaru kompresního prostoru a vhodným uspořádáním vtokových a výšlehových kanálků v zapalovací komůrce se dosahuje významného zlepšení kvality zážehu. Uspořádání zapalovacích komůrek bez samostatného přívodu paliva jsou popsána například v dokumentech USP0563355M, US200<

005/022713

Cílem vynálezu je přispět k odstranění nebo alespoň podstatnému zmírnění nedostatků dosavadního stavu techniky novým konstrukčním uspořádáním » Λ ~ 3 ~

• · · • » 4 · · • · · · • · · · • · ·

4* «« zapalovací svíčky, které posiluje energii pro rozvoj ohniska zážehu a snižuje mezicyklovou variabilitu parametrů průběhu vyhořívání směsi ve válci i parametrů pracovního oběhu motoru a provedením vnitřní i vnější elektrody v jiskřišti zvyšuje funkční spolehlivost zapalovací svíčky.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je zapalovací svíčka pro zážehový pístový spalovací motor, obsahující kovové pouzdro, opatřené prostředkem pro připojení zapalovací svíčky ke kompresnímu prostoru válce spalovacího motoru se zemnicí elektrodou jiskřiště v jeho nejspodnější části, a izolátor se střední elektrodou jiskřiště, který je upevněný v pouzdru.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že rovina vnitřní těsnicí plochy izolátoru uvnitř pouzdra je situována v blízkosti roviny vnější těsnicí plochy pouzdra pro upevnění zapalovací svíčky ke kompresnímu prostoru ve válci motoru, kde délka izolátoru pod rovinou jeho vnitřní těsnicí plochy odpovídá průměru izolátoru v rovině vnitřní těsnicí plochy, čímž je pro omezeni až eliminování turbulence při zážehu svíčky v dolní části pouzdra vytvořen chráněný prostor s objemem o velikosti 0,5 až 1 cm³, uzavřený čelem z žárupevného materiálu na konci pouzdra, přivráceným ve funkčním stavu svíčky ke kompresnímu prostoru válce spalovacího motoru. Čelo je opatřeno centrálním propojovacím otvorem mezi chráněným prostorem a kompresním prostorem válce. Chráněným prostorem uvnitř pouzdra prochází obnažená střední elektroda bez izolátoru, jejíž koncová část je zaústěna do centrálního propojovacího otvoru v čele pouzdra. Jiskřiště zapalovací svíčky je vytvořeno v mezeře mezi povrchem obvodu centrálního propojovacího otvoru v čele pouzdra a povrchem obvodu čela koncové části střední elektrody.

Koncová část střední elektrody má s výhodou v poslední části své délky uvnitř chráněného prostoru menší průměr oproti průměru obnažené střední elektrody pod izolátorem, přičemž tato koncová část střední elektrody je tvořena válcovitou tyčkou z žárupevného materiálu s vysokou tepelnou vodivostí, která je zasunutá do poloviny délky střední elektrody pod izolátorem a je s ní kovově spojená.

• 9 * ·

Koncová část střední elektrody je s výhodou z wolframu a je spojena s měděným jádrem střední elektrody.

Poloha čela koncové části střední elektrody v centrálním propojovacím otvoru je s výhodou vymezena šířkou tloušťky čela na volném spodním konci pouzdra. Centrální propojovací otvor může být opatřen jednostranným nebo oboustranným sražením hran.

Čelo s centrálním propojovacím otvorem je s výhodou opatřeno alespoň jedním dalším propojovacím otvorem okolo centrálního propojovacího otvoru nebo alespoň jedním radiálním zářezem z propojovacího otvoru.

Uvnitř pouzdra zapalovací svíčky je vytvořen objem ve velikosti 0,5 až 1 cm³, který je chráněný před turbulencí v kompresním prostoru přepážkou (čelem) ve volném konci pouzdra svíčky, kdy tímto chráněným objemem prochází střední elektroda až volný konec pouzdra, který nese vnější elektrodu. Vnější elektroda může být jednoduše zhotovena jako centrální otvor v přepážce konce pouzdra a jiskřiště potom tvoří mezera mezi průměrem koncové části střední elektrody a průměrem centrálního otvoru. Plocha mezikruží mezi střední elektrodou a centrálním otvorem v přepážce konce pouzdra současně tvoří průtokový průřez mezi chráněným objemem v pouzdru a kompresním prostorem ve válci motoru. Přepážka na konci pouzdra může být opatřena dalšími průřezy k propojení chráněného objemu v pouzdru zapalovací svíčky s kompresním prostorem nebo může mít i jiné konstrukční provedení jak pro vnější elektrodu, tak pro průtokový průřez mezi chráněným objemem v pouzdru svíčky a kompresním prostorem ve válci motoru. Popsaným uspořádáním jiskřiště je zajištěn současný zážeh směsi v chráněném objemu v pouzdru zapalovací svíčky a v kompresním prostoru válce motoru. Velmi rychlý průběh hoření po zážehu směsi v chráněném objemu pouzdra zapalovací svíčky (ve kterém je minimalizován vliv turbulencí v kompresním prostoru) zvýší tlak uvnitř pouzdra zapalovací svíčky a hořící směs „vyšlehne“ průtokovými průřezy v přepážce konce pouzdra zapalovací svíčky do kompresního prostoru válce, kde dojde k posílení energie ohniska zážehu pro rozvoj hoření směsi v kompresním prostoru motoru.

K dosažení potřebné velikosti chráněného objemu uvnitř pouzdra zapalovací svíčky je izolátor vnitřní elektrody těsně upevněn na vnitřní sedlo v horní části pouzdra zapalovací svíčky, které je vytvořené v rovině blízké rovině vnější dosedací ·

~ 5 ~ ·« 9 9 ····· « · « · «a··· > * · · · ·· 9 ····· · · · ♦ · • · · ···· · · ·

J » · · « «· « · · · · · · plochy zapalovací svíčky pro montáž do hlavy válců a její připojení ke kompresnímu prostoru válce. Izolátor elektrody uvnitř pouzdra zapalovací svíčky je na střední elektrodě pouze pod vnitřní sedlo k upevnění izolátoru s elektrodou v pouzdru a chráněným objemem uvnitř pouzdra prochází samotná elektroda až do otvoru v čele konce pouzdra. Pro udržení teploty konce střední elektrody pod přípustnou hodnotou je použito speciální konstrukční uspořádání střední elektrody, které prodlužuje střední elektrodu z žárupevného materiálu s vnitřním měděným jádrem až k vnější elektrodě pomocí štíhlé tyčky z jiného žárupevného materiálu, s výhodou wolframu, s vysokou tepelnou vodivostí, upevněnou ve střední elektrodě až do jejího měděného jádra. Vnější elektroda v čele konce pouzdra zapalovací svíčky je rovněž zhotovena z žárupevného materiálu a pro udržení její teploty pod přípustnou hodnotou je spojena s koncem pouzdra zapalovací svíčky způsobem, který zaručuje spolehlivý odvod tepla do pouzdra zapalovací svíčky.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení zapalovací svíčky podle tohoto vynálezu ukazují připojené výkresy, kde na obr. 1 je částečný svislý řez zapalovací svíčkou, na obr. 2 je pohled zespodu na tři různá provedení přepážky resp. čela zapalovací svíčky a na obr. 3A až 3D jsou různé příklady provedení přepážky resp. čela zapalovací svíčky v částečném řezu, se zaústěnou koncovou částí střední elektrody do středového otvoru uvedené přepážky.

Příklady uskutečnění vynálezu

Zapalovací svíčka podle tohoto vynálezu obsahuje pouzdro 1 opatřené závitem 11 a vnější těsnicí plochou v rovině 12 pro upevnění zapalovací svíčky ke kompresnímu prostoru ve válci motoru. Uvnitř horní části pouzdra 1 zapalovací svíčky je vytvořena vnitřní těsnicí plocha v rovině 13 k upevnění keramického izolátoru 2 se střední elektrodou 3. Ve spodní části pouzdra 1 v oblasti jeho závitu 11 je vytvořen chráněný prostor 4, jehož velikost je (jak bylo zjištěno experimenty měření na motoru s několika různými objemy chráněného prostoru) v rozsahu 0,5 až přibližně 1 cm³. Horní koncovka 31 vystupující z izolátoru 2 slouží k přívodu vysokého napětí ke střední elektrodě 3, která prochází chráněným objemem 4 v pouzdru 1 zapalovací svíčky. Izolátor 2 střední elektrody 3 uvnitř pouzdra 1 je na střední elektrodě 3 pod vnitřní těsnicí plochou v rovině 13 pouze v délce srovnatelné s průměrem izolátoru « · ~ 6 ~ ·· 9 9 9 9 9 9 9· · • · · · · ··· • 9 · · · · 99 9

9 9 9 9 9 9 9 99 · 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 v rovině 13, v chráněném objemu 4 uvnitř pouzdra 1 je střední elektroda 3 obnažená, bez izolátoru. Na volném spodním konci pouzdra 1 zapalovací svíčky je přepážka resp. čelo14 s centrálním otvorem 141., který propojuje chráněný objem 4/ pouzdru 1 zapalovací svíčky s kompresním prostorem ve válci motoru. Do centrálníno otvoru 141 je přivedena válcovitá koncová část 32 střední elektrody 3, kterou je střední elektroda 3 prodloužena a která zvyšuje odvod tepla z čela 321 koncové části 32 střední elektrody 3. Koncová část 32 má menší průměr než je průměr střední elektrody 3 pod izolátorem 2. Mezi průměrem válcovité koncové části 32 střední elektrody 3 a průměrem centrálního otvoru 141 je obvodová mezera 5. Čelo 14 s centrálním otvorem 141 na volném spodním konci pouzdra 1 zapalovací svíčky tvoří zemnící elektrodu zapalovací svíčky a mezera 5 vytváří prostor jiskřiště zapalovací svíčky.

Centrální otvor 141 v čele 14 volného spodního konce pouzdra 1 může být s výhodou opatřen jedno nebo oboustranným sražením hrany 142 a hloubka zasunutí čela 321 válcovité koncové části 32 střední elektrody 3 do centrálního otvoru 141 v čele 14 může být v rozsahu tloušťky 143 čela 14. Příklady možných variant uspořádání jiskřiště zapalovací svíčky podle vynálezu jsou znázorněny na obr. 2. Na obr. 3 jsou znázorněny možné varianty uspořádání zapalovací svíčky podle vynálezu s chráněným objemem 4 v pouzdru 1 zapalovací svíčky s čelem 14 na jeho volném spodním konci, které kromě centrálního otvoru 141, do kterého vstupuje svým volným válcovitým koncem 32 střední elektroda 3, je opatřeno dalšími propojovacími průřezy k propojení chráněného objemu 4 v pouzdru 1 zapalovací svíčky s kompresním prostorem ve válci motoru. Základní uspořádání zapalovací svíčky v provedení pouze s centrálním otvorem 141 v čele 14 volného spodního konce pouzdra 1 podle obr. 1 ukazuje nákres A na obr. 2. Příkladné provedení dalších propojovacích průřezů kruhovými otvory 144 kolem centrálního otvoru 141 ukazuje nákres B na obr. 2, provedení dalších propojovacích průřezů radiálními zářezy 145 z centrálního otvoru 141 ukazuje nákres C na obr. 2. Uspořádání zapalovací svíčky v provedení A, B nebo C pouze rozšiřuje základní uspořádání zapalovací svíčky podle vynálezu na obr. 1.

Provedení propojovacích průřezů 144 a 145 kolem centrálního otvoru 141 v čele 14, sražení hrany 142 centrálního otvoru 141 v čele 14 a hloubka zasunutí čela 321 válcovitého spodního konce 32 střední elektrody 3 do centrálního otvoru

141 v čele 14 volného spodního konce pouzdra 1 není omezeno znázorněnými příkladnými provedeními na obr. 2 a obr. 3.

V průběhu kompresního zdvihu pístu je směs paliva a vzduchu ve válci motoru stlačována, přičemž vniká propojovacím otvorem 141 případně dalším, nebo dalšími propojovacími otvory 144, případně 145 v čele 14 volného spodního konce pouzdra 1 do objemu chráněného prostoru 4 v pouzdru 1 zapalovací svíčky. Vysokonapěťovým výbojem v prostoru jiskřiště mezi koncem 32 střední elektrody 3 a propojovacím otvorem 141 v čele 14 volného konce pouzdra 1 tvořícího zemnící elektrodu zapalovací svíčky je současně zapálena směs v kompresním prostoru válce i v chráněném prostoru 4. V objemu chráněného prostoru 4 se významně zrychlí spalování hořlavé náplně a zažehnutá a hořící směs v chráněném prostoru 4 je mezerou 5 mezi koncem střední elektrody 32 a obvodem propojovacího otvoru 141, případně i dalšími propojovacími otvory 144, případně 145 v čele 14 chráněného objemu 4 vyšlehnuta do spalovacího prostoru ve válci. Tím se urychlí rozvoj hoření směsi ve válci motoru, dojde ke zlepšení stability průběhu hoření a snížení mezicyklové variability.

Vzhledem k tomu, že jiskřiště je podle vynálezu situováno na rozhraní chráněného objemu 4 a kompresního prostoru válce, dojde k zapálení směsi v chráněném prostoru 4 i v části kompresního prostoru sousedící s jiskřištěm současně. Proto i při volnoběžných otáčkách motoru, nebo při malém zatížení, kdy je objem chráněného prostoru 4 naplněn sníženým množstvím hořlavé směsí, je výsledný efekt zapálení směsi v kompresním prostoru minimálně v kvalitě odpovídající zapalování klasickou zapalovací svíčkou s jiskřištěm situovaným v kompresním prostoru. Tím jsou zachovány požadované parametry volnoběhu a provozu motoru v režimech s nízkým zatížením i bez samostatného přívodu paliva do objemu chráněného prostoru 4.

Seznam vztahových značek

1.. . pouzdro zapalovací svíčky

11.. . závit pouzdra

12.. . rovina vnější těsnicí plochy pouzdra

13.. . rovina vnitřní těsnicí plochy pouzdra

14.. . čelo volného konce pouzdra

141.. . centrální otvor čela 14

142.. . sražená hrana centrálního otvoru 141

143.. . tloušťka čela 14

144.. . další otvory čela 14

145.. . radiální zářezy čela 14

2.. . izolátor

3.. . střední elektroda

31.. . horní koncovka

32.. . koncová část střední elektrody

321.. . čelo koncové části 32

4.. . chráněný prostor

5.. . obvodová mezera

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zapalovací svíčka pro zážehový pístový spalovací motor, obsahující kovové pouzdro (1) opatřené prostředkem pro připojení zapalovací svíčky ke kompresnímu prostoru válce spalovacího motoru se zemnící elektrodou jiskřiště v jeho nejspodnější části a izolátor (2) se střední elektrodou (3) jiskřiště, který je upevněný v pouzdru (1), vyznačující se tím, že rovina (13) vnitřní těsnicí plochy izolátoru (2) uvnitř pouzdra (1) je situována tak, že mezi rovinou (13) vnitřní těsnicí plochy izolátoru (2) a koncem pouzdra (1) s čelem (14) z žárupevného materiálu, přivráceným ve funkčním stavu zapalovací svíčky ke kompresnímu prostoru válce spalovacího motoru, je vytvořen chráněný prostor (4) s objemem o velikosti 0,5 až 1 cm³, přičemž chráněným prostorem (4) uvnitř pouzdra (1) prochází obnažená střední elektroda (3), jejíž koncová část (32) je umístěna do centrálního otvoru (141) v čele (14) pouzdra (1) a v mezeře (5) mezi povrchem obvodu centrálního otvoru (141) v čele (14) pouzdra (1) a povrchem obvodu čela (321) koncové části (32) střední elektrody (3) je vytvořeno jiskřiště zapalovací svíčky.
2. 2. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačující se tím, že koncová část (32) střední elektrody (3) má v poslední části své délky uvnitř chráněného prostoru (4) menší průměr oproti průměru střední elektrody (3) pod izolátorem (2), přičemž tato koncová část (32) střední elektrody (3) je tvořena válcovitou tyčkou z žárupevného materiálu s vysokou tepelnou vodivostí, která je zasunutá do oblasti poloviny délky střední elektrody (3) pod izolátorem (2) a je s ní kovově spojená.
3. 3. Zapalovací svíčka podle nároku 2, vyznačující se tím, že koncová část (32) střední elektrody (3) je z wolframu a je spojena s měděným jádrem střední elektrody (3).
4. 4. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačující se tím, že poloha čela (321) koncové části (32) střední elektrody v centrálním propojovacím otvoru (141) je vymezena šířkou tloušťky (143) čela (14) na volném konci pouzdra (1).

   • « B ·
5. 5. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačující se tím, že centrální propojovací otvor (141) je opatřen jednostranným nebo oboustranným sražením hran (142).
6. 6. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačující se tím, že čelo (14) s centrálním propojovacím otvorem (141) je opatřeno alespoň jedním dalším propojovacím otvorem (144) okolo centrálního propojovacího otvoru (141) nebo alespoň jedním radiálním zářezem (145) z propojovacího otvoru (141).