PL178425B1 - Świeca zapłonowa - Google Patents

Abstract

1. Swieca zaplonowa zawierajaca lita, elektrycznie i cieplnie przewodzaca obudo- we z elementami laczacymi, z umieszczo- nym w wewnetrznej wnece tej obudowy gazoszczelnym, ceramicznym izolatorem, centralna elektroda majaca na wystajacej z obudowy czesci ceramicznego izolatora co najmniej jedna pierscieniowa elektrode po- mocnicza, tworzaca przerwe iskrowa z jed- nym koncem obudowy i/lub z elektroda centralna znamienna tym, ze obwodowe krawedzie pierscieniowej elektrody pomoc- niczej (4, 5) zwrócone do przerwy iskrowej (6, 8) sa grubsze niz pozostala jej czesc. Fig 2 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest świeca zapłonowa do silników spalinowych.

Jednym z problemów związanych z silnikami spalinowymi jest uzyskanie właściwej synchronizacji zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej doprowadzanej do komory lub komór spalania, i skuteczny zapłon tej mieszanki przez świecę. Jeżeli zapłon jest zbyt powolny lub nieskuteczny, zwiększa się zużycie paliwa, a zatem wzrasta zanieczyszczenie i maleje sprawność silnika.

Konwencjonalne świece zapłonowe złożone są z cylindrycznego izolatora ceramicznego uszczelnionego w stalowym korpusie tworząc urządzenie gazoszczelne. Jeden koniec stalowego korpusu jest gwintowany, co umożliwia wprowadzenie świecy zapłonowej do korpusu silnika. Centralna elektroda jest umieszczona osiowo w izolatorze ceramicznym. Metalowy sworzeń, uszczelniający centralną elektrodę w korpusie izolatora, służy jako wejściowa końcówka wyso178 425 kiego napięcia. Elektroda masy jest usytuowana nad centralną elektrodą i jest sprzężona elektrycznie i mechanicznie ze stalowym korpusem. Zarówno elektroda centralna jak i elektroda masy pracują w komorze spalania silnika.

Taka świeca zapłonowa ma wyładowanie iskrowe na małej skupionej powierzchni elektrod, co powoduj e erozj ę centralnej elektrody, a co za tym idzie zmniej sza żywotność świe*cy.

Inne typy świec zapłonowych mają wiele elektrod masy, np. dwie lub trzy elektrody. Elektrody te sąprzyspawane do korpusu świecy. Końce elektrod są zagięte w kierunku do elektrody centralnej. Elektroda masy może również być wykonana jako część wspólna części czynnych świecy. Jednakże nawet te typy świec zapłonowych szybciej się zużywają, a ponadto są trudne i kosztowne w produkcji.

Bardziej skuteczny i szybszy zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej, a w rezultacie bardziej niezawodne działanie silnika można osiągnąć przez zastosowanie świec zapłonowych mających wyładowanie wieloiskrowe. W tych typach świec zapłonowych zwykle stosuje się układ do trzech pierścieniowych elektrod pomocniczych. Tworzą one pewną liczbę następujących po sobie przerw iskrowych. Elektrody pomocnicze są usytuowane pomiędzy elektrodą centralną a elektrodą masy, wokół końcowej części izolatora ceramicznego. Odseparowane w sposób szczególny wyładowania wieloiskrowe mogą wtedy występować w punkcie o największym stężeniu mieszanki palnej. Świece tego typu nadają się zatem do zapłonu i spalania bardzo ubogich mieszanek.

Z opisu patentowego US 1465 582 znanajest świeca zapłonowa, której elektroda centralna ma metalowy dachowo ukształtowany kołpak. Elektrody pomocnicze uformowane w kształcie metalowego pierścienia na części walcowej są sprężyście wpasowane w rowki ceramicznego izolatora. Krawędź korpusu świecy ma obrzeże zagięte w kierunku izolatora. Taka świeca zapłonowa ma wiele wad. Podczas pracy w silniku przy temperaturach 600 - 700°C metalowy pierścień traci swe mechaniczne naprężenie wstępne. Na skutek niewystarczającego odprowadzania ciepła z pierścienia do ceramicznego izolatora, ulega on przegrzaniu, szybko się zużywa i może przepalić się w przypadku przeciążenia. Dachowo ukształtowany kołpak elektrody centralnej świecy zapłonowej jest również przegrzewany podczas pracy silnika. Dzieje się tak dlatego, że kołpak ten nie jest dostatecznie sprzężony cieplnie z izolatorem. Przekrój kołpaka jest nieadekwatny do jego powierzchni pochłaniania ciepła. Przegrzany kołpak i pierścień zwiększają zatem ryzyko samozapłonu. Ponadto stalowy brzeg brudzi się i zwiera przerwę iskrową.

W opisie patentowym GB 2 094 833 została ujawniona świeca zapłonowa wykorzystująca pierścieniowąelektrodę pomocniczą. Zarówno elektroda centralnajak i elektroda pomocnicza są wbudowane w korpus świecy. Wada tego systemu polega na tym, ze nie ma możliwości zamontowania wierzchołka ceramicznego izolatora (tzn, przerwy iskrowej) w optymalnym położeniu wewnątrz komory spalania.

Świeca zapłonowa zawiera litą, elektrycznie i cieplnie przewodzącą obudowę z elementami łączącymi, z umieszczonym w wewnętrznej wnęce tej obudowy gazoszczelnym, ceramicznym izolatorem, z centralną elektrodą, mająca na wystającej z obudowy części ceramicznego izolatora co najmniej jedną pierścieniową elektrodę pomocniczą, tworzącą przerwę iskrową z jednym końcem obudowy i/lub z elektrodą centralną, według wynalazku jest charakterystyczna tym, że obwodowe krawędzie pierścieniowej elektrody pomocniczej, zwrócone do przerwy iskrowej, są grubsze niż pozostała jej cześć.

Korzystnie, krawędzie pierścieniowych elektrod pomocniczych są uformowane w postaci wewnętrznych lub zewnętrznych kołnierzy.

Korzystnie, świeca zapłonowa ma przynajmniej dwie pierścieniowe elektrody pomocnicze formujące dodatkowe przerwy iskrowe między sąsiadującymi pierścieniowymi elektrodami pomocniczymi, a ich wewnętrzne lub zewnętrzne kołnierze wystają w tym samym kierunku.

Korzystnie, pierścieniowe elektrody pomocnicze są uformowane z warstw w kształcie powierzchni stożka ściętego z pogrubioną wewnętrzną i zewnętrzną krawędzią obwodową, odpowiadających kształtem zwężającej się końcówce cylindrycznego izolatora ceramicznego.

178 425

Korzystnie, pogrubiona zewnętrzna krawędź obwodowa pierścieniowej elektrody pomocniczej usytuowana przy wierzchołku zwężającej się końcówki cylindrycznego izolatora ceramicznego znajduje się w sąsiedztwie wystającej na zewnątrz końcówki centralnej elektrody.

Korzystnie, pogrubiona wewnętrzna krawędź obwodowa pierścieniowej elektrody pomocniczej znajduje się w sąsiedztwie wewnętrznej krawędzi obudowy, ukształtowanej przy końcu jej cylindrycznego łba w formie wewnętrznego zagłębienia.

Korzystnie, krawędzie obwodowe pierścieniowej elektrody pomocniczej zwrócone do przerwy iskrowej wystająo 0,2 mm w stosunku do pozostałej części pierścieniowej elektrody pomocniczej, której grubość wynosi 0,1 - 1,5 mm

Korzystnie, co najmniej jedna pierścieniowa elektroda pomocniczajest wykonana z azotku tytanu, a obudowa świecy jest stalowa.

Pogrubienie obwodowych krawędzi pierścieniowych elektrod pomocniczych świecy zapłonowej według wynalazku, zwiększa jej żywnotność, ponieważ zużycie w miejscach koncentracji wyładowania elektrod pomocniczych zostaje zmniejszone do minimum.

Obwodowe krawędzie pierścieniowych elektrod pomocniczych wystają w tym samym kierunku, co umożliwia równomierne zużywanie się tych elektrod po obu stronach przerwy iskrowej. Warstwowe ich ukształtowanie na powierzchni stożka ściętego izolatora ceramicznego poprawia rozpraszanie ciepła z powierzchni izolatora i całkowity rozkład temperatur.

Wymiary przerwy pomiędzy kolejnymi pierścieniowymi elektrodami pomocniczymi mogą się zmieniać. Szerokość tej przerwy może być różna od przerwy utworzonej z centralną elektrodą i przerwy utworzonej z elektrodą masy. Wewnętrzne zagłębienie krawędzi metalowego korpusu umożliwia czyszczenie ceramicznego izolatora i chłodzenie podczas pracy.

Wymiary elektrod gwarantują, minimalną bezwładność cieplną i dostosowanie świecy do zmian trybu pracy silnika.

Ponieważ rozszerzalność cieplna ceramicznego izolatora i pierścieniowych elektrod pomocniczych musi być podobna (może się różnić o ± 15 do ± 20%), sąone wykonane z azotku tytanu TiN, który jest jedynym materiałem spełniającym ten warunek.

Przedmiot wynalazku w przykładach realizacji jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia znaną świecę zapłonową z pierścieniowymi elektrodami pomocniczymi w postaci dzielonych, sprężystych pierścieni metalowych, w przekroju; fig. 2 - świecę zapłonową wieloiskrowąwedług wynalazku, w przekroju; fig. 3 - pierścieniowe elektrody pomocnicze z pogrubionymi krawędziami, według jednego przykładu realizacji wynalazku, w przekroju; fig. 4 pierścieniowe elektrody pomocnicze z pogrubionymi krawędziami, według innego przykładu realizacji wynalazku, w przekroju, zaś fig. 5 przedstawia pierścieniowe elektrody pomocnicze z pogrubionymi krawędziami, według kolejnego przykładu realizacji wynalazku, w przekroju.

Świeca zapłonowa (Fig. 2) ma stalową zewnętrzną obudowę 1, której jeden koniec jest nagwintowany w celu zamontowania świecy w korpusie silnika. We wnęce tej obudowy 1 jest umieszczony osiowo cylindryczny izolator ceramiczny 2. Wewnętrzny otwór obudowy 1 ma kilka obszarów wgłębień.

Cylindryczny izolator ceramiczny 2 opiera się na metalowym pierścieniu 3 wykonanym ze stali lub miedzi. Pierścień 3 zapewnia dobry styk pomiędzy obudową 1 a izolatorem ceramicznym 2. Dzięki temu świeca zapłonowajest gazoszczelna i zapewnia dobre przewodzenie ciepła z cylindrycznego izolatora ceramicznego 2 do obudowy 1 i do korpusu silnika.

W nagwintowanej części obudowy 1 wokół krawędzi jej wewnętrznej ścianki cylindrycznej znajduje się szczelina. Przy końcu nagwintowanej części obudowy 1 wjej wnęce znajduje się zagłębienie. Tolerancje wymiarów tego zagłębienia i cylindrycznego izolatora ceramicznego 2 są takie, że umożliwiają montowanie go we wnęce obudowy 1 z określonym luzem.

Wzdłuż osi cylindrycznego izolatora ceramicznego 2 na całej jego długości przebiega wewnętrzna wnęka mająca także kilka zagłębień. We wnęce tej jest umieszczona centralna elektro178 425 da 9. Jest ona połączona za pomocąprzewodzącej uszczelki 10 ze stalowym sworzniem 11, który słuzyjako wejściowa końcówka wysokiego napięcia. Uszczelka 10 zawierająca miedź lub ołów zapewnia gazoszczelność pomiędzy stalowym sworzniem 11 a centralną elektrodą 9. Ma to na celu oddzielenie komory spalania silnika od środowiska zewnętrznego. Ponadto uszczelka 10 zapewnia połączenie elektryczne pomiędzy stalowym sworzniem 11 a centralną elektrodą 9.

Część cylindrycznego izolatora ceramicznego 2, która wystaje poza obudowę 1, zwęża się do środka w kierunku zewnętrznego obrzeża centralnej elektrody 9. Od miejsca, w którym znajduje się pierścień 3, w kierunku do wejścia wysokiego napięcia średnica cylindrycznego izolatora ceramicznego 2 stopniowo rośnie, tworząc końcówkę w kształcie stożka ściętego.

Na powierzchni stożkowo ukształtowanej końcówki cylindrycznego izolatora ceramicznego 2 znajdują się dwie pierścieniowe elektrody pomocnicze 4 i 5. Służąone do utworzenia pierwszej przerwy iskrowej 6 z górnym końcem obudowy 1 i drugiej przerwy iskrowej 8 z centralną elektrodą 9. Dodatkowa przerwa iskrowa 7 jest utworzona pomiędzy dwiema pierścieniowymi elektrodami pomocniczymi 4 i 5. Pierwsza przerwa iskrowa 6 ma szerokość 0,4 -1,5 mm, korzystnie 0,6 - 0,8 mm. Podobnie pozostałe przerwy iskrowe 7 i 8 mają szerokość 0,6 - 0,8 mm.

Pierścieniowe elektrody pomocnicze 4 i 5 są wykonane z warstw azotku tytanu TiN, którym nadano kształt torusa z pogrubionymi krawędziami brzegowymi górnąi dolną, dopasowanego do kształtu końcówki cylindrycznego izolatora ceramicznego 2. To znaczy, wewnętrzna średnica torusa przy jego górnej krawędzi obwodowej jest mniejsza niż wewnętrzna średnica torusa przy jego dolnej krawędzi obwodowej.

Pierścieniowe elektrody pomocnicze 4 i 5 stykają się z cylindrycznym izolatorem ceramicznym 2, a ponieważ są one wykonane z azotku tytanu TiN, którego rozszerzalność cieplna jest zbliżona do rozszerzalności cylindrycznego izolatora ceramicznego 2, jeśli zapewniony pewny styk z cylindrycznym izolatorem ceramicznym 2.

Warstwy azotku tytanu są osadzone na cylindrycznym izolatorze ceramicznym 2 metodą technologii plazmowej, która umożliwia stopniowe osadzanie warstw azotku tytanu o grubości molekularnej. Sposób ten zapewnia doskonałe przyleganie i dobre przenoszenie ciepła do obudowy 1 i do korpusu silnika.

Grubość pierścieniowych elektrod pomocniczych 4 i 5 wynosi w przybliżeniu 0,2 mm, co zapewnia minimalną bezwładność cieplną, dobre przenoszenie ciepła i adaptację do zmian trybu pracy silnika.

Wymiary przerwy iskrowej 7 pomiędzy pierścieniowymi elektrodami pomocniczymi 4 i 5 można zmienić przez zmianę odstępu pomiędzy nimi. Odstęp ten można zmieniać dowolnie, jedynym ograniczeniem jest głębokość obszaru spalania.

Wymiar drugiej przerwy iskrowej 8, usytuowanej pomiędzy centralną elektrodą 9 a górną pierścieniową elektrodą pomocniczą 4 zależy od stopnia nachylenia stożka końcówki cylindrycznego izolatora ceramicznego 2. Przez zmianę ukształtowania wymiarów końcówki izolatora ceramicznego 2, można zatem zapewnić wyładowanie w najbardziej odpowiednim punkcie obszaru spalania.

Podczas pracy pierścieniowe elektrody pomocnicze 4 i 5 stopniowo ulegają erozji na skutek wyładowań elektrycznych. Aby przedłużyć żywotność pierścieniowych elektrod pomocniczych 4 i 5 ich krawędzie obwodowe zwrócone do przerw iskrowych 6, 7 i 8 są pogrubione.

Szczelina wokół krawędzi wewnętrznej ścianki cylindrycznej nagwintowanej części obudowy 1 świecy zapłonowej znajduje się blisko pogrubionej krawędzi obwodowej dolnej pierścieniowej elektrody pomocniczej 5. Wystający na zewnątrz koniec centralnej elektrody 9 znajduje się blisko pogrubionej krawędzi obwodowej górnej pierścieniowej elektrody pomocniczej 4. Pogrubione krawędzie obwodowe pierścieniowych elektrod pomocniczych 4 i 5 mają postać albo wewnętrznych kołnierzy 12, to znaczy zagłębionych w izolatorze 2, albo zewnętrznych kołnierzy 12, zwróconych na zewnątrz.

178 425

Zewnętrzne i wewnętrzne kołnierze 12 (fig. 3,4 i 5) są usytuowane parami w tym samym kierunku. Zatem erozja pierścieniowych elektrod pomocniczych 4 i 5 spowodowana wyładowaniami elektrycznymi jest jednakowe po obu stronach każdej przerwy iskrowej 6, 7 i 8.

Kołnierze 12 mają w przybliżeniu grubość 0,2 mm. Generalnie zatem cała grubość pogrubionych krawędzi pierścieniowych elektrod pomocniczych 4 albo 5 w przybliżeniu jest równa 0,4 mm. Zbyt cienka warstwa szybko ulegałaby erozji na skutek wyładowania elektrycznego i reakcji chemicznych przy wysokich temperaturach itd. , aaś zbyt gruba warstwa byłayy trudna i czasochłonna w produkcji.

Świeca zapłonowa według wynalazku jest przeznaczona do stosowania w silnikach spalinowych.

178 425

Kg. 2

178 425

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Świeca zapłonowa zawierająca litą, elektrycznie i cieplnie przewodzącą obudowę z elementami łączącymi, z umieszczonym w wewnętrznej wnęce tej obudowy gazoszczelnym, ceramicznym izolatorem, centralną elektrodą, mająca na wystającej z obudowy części ceramicznego izolatora co najmniej jedną pierścieniową elektrodę pomocniczą, tworzącą przerwę iskrową z jednym końcem obudowy i/lub z elektrodą centralną, znamienna tym, że obwodowe krawędzie pierścieniowej elektrody pomocniczej (4,5) zwrócone do przerwy iskrowej (6,8) są grubsze niż pozostała jej część.
2. 2. Świeca zapłonowa według zastrz. 1, znamienna tym, ze krawędzie pierścieniowych elektrod pomocniczych (4,5) sąuformowane w postaci wewnętrznych lub zewnętrznych kołnierzy (12).
3. 3. Świeca zapłonowa według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że przynajmniej dwie pierścieniowe elektrody pomocnicze (4, 5) formujące dodatkowe przerwy iskrowe miedzy sąsiadującymi pierścieniowymi elektrodami pomocniczymi (4,5), a ich wewnętrzne lub zewnętrzne kołnierze (12) wystają w tym samym kierunku.
4. 4. Świeca zapłonowa według zastrz. 3, znamienna tym, że pierścieniowe elektrody pomocnicze (4,5) sąuformowane z warstw w kształcie powierzchni stożka ściętego z pogrubioną zewnętrzną krawędzią obwodową, odpowiadających kształtem zwężającej się końcówce cylindrycznego izolatora ceramicznego (2).
5. 5. Świeca zapłonowa według zastrz. 4, znamienna tym, że pogrubiona zewnętrzna krawędź obwodowa pierścieniowej elektrody pomocniczej (4) usytuowana przy wierzchołku zwężającej się końcówki cylindrycznego izolatora ceramicznego (2) znajduje się w sąsiedztwie wystającej na zewnątrz końcówki centralnej elektrody (9).
6. 6. Świeca zapłonowa według zastrz. 4, znamienna tym, że pogrubiona wewnętrzna krawędź obwodowa pierścieniowej elektrody pomocniczej (5) znajduje się w sąsiedztwie wewnętrznej krawędzi obudowy (1), ukształtowanej przy końcu jej cylindrycznego łba w formie wewnętrznego zagłębienia.
7. 7. Świeca zapłonowa według zastrz. 1, znamienna tym, że krawędzie obwodowe pierścieniowej elektrody pomocniczej (4, 5), zwrócone do przerwy iskrowej (6,8), wystają o 0,2 mm w stosunku do pozostałej części pierścieniowej elektrody pomocniczej (4,5), której grubość wynosi 0,1 - 1,5 mm.
8. 8. Świeca zapłonowa według zastrz. 1, znamienna tym, że co najmniej jedna pierścieniowa elektroda pomocnicza (4, 5) jest wykonana z azotku tytanu, a obudowa (1) jest stalowa.

   * * *