RO135550B1 - Bujie cu descărcare dublă - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o bujie cu descărcare dublă, utilizată pentru toate tipurile de motoare cu ardere internă având sistem de aprindere prin scânteie. Bujia, conform invenţiei, cuprinde un electrod intermediar (1) montat pe un izolator ceramic (2), fiind amplasat între un electrod principal central (3) şi un electrod de masă (4), electrodul intermediar (1) cuprinzând atât la partea superioară, cât şi la partea inferioară nişte minielectrozi cu muchii ascuţite (5, 6), iar pe electrodul de masă (4) fiind montaţi nişte minielectrozi cu muchii ascuţite (7), amplasaţi coliniar şi în număr egal cu minielectrozii (6), în timpul alimentării, bujia generând simultan o primă descărcare electrică de tip scânteie între electrodul central (3) şi unul dintre minielectrozii (5) montaţi pe electrodul intermediar (1) şi o a doua descărcare electrică între unul dintre minielectrozii (6) de pe electrodul intermediar (1) şi unul dintre minielectrozii (7) montaţi pe electrodul de masă (4).

Description

Invenția se referă la o construcție specială de bujie cu descărcare dublă ce poate fi utilizată pentru toate tipurile de motoare cu ardere internă cu sistem de aprindere prin scânteie, alimentate cu benzină sau alți combustibili cu ardere ușoară. Domeniul de aplicare a soluției tehnice propuse este inclus în aria sistemelor de aprindere pentru motoare cu combustie internă bazate pe bujii având configurații optimizate și care, pentru echiparea pe motor, nu necesită modificări structurale ale acestuia sau ale sistemului electric.

Sunt cunoscute bujii cu un electrod principal conectat la o sursă de alimentare și multipli electrozi secundari ce sunt montați pe electrodul de masă al dispozitivului constituit din sistemul de fixare cu filet al acestuia, [1], [2], [3]. Electrozii secundari sunt îndoiți spre tija electrodului principal. Principalul dezavantaj al soluțiilor prezentate este că furnizează o singură descărcare electrică de tip scânteie între electrodul central și unul dintre electrozii de masă iar volumul de plasmă generat este scăzut.

Mai este cunoscută de asemenea bujia dublă ce furnizează două descărcări electrice simultane și conține un electrod intermediar având formă de șaibă stelată, amplasat pe un izolator ceramic între electrodul central de tip tijă și electrodul de masă. Această soluție prezintă dezavantajul utilizării unei tensiuni de străpungere ridicată ce solicită și îmbătrânește izolația circuitului de alimentare și de asemenea, datorită formei plate a electrodului de masă, permite depunerea calaminei, fenomen ce conduce la înrăutățirea regimului de funcționare, [4], [5].

Se mai cunosc bujii cu multipli electrozi ce generează multiple descărcări de tip scânteie pentru inițierea combustiei în camera de ardere a motoarelor cu ardere internă, [6], [7]. Dezavantajul acestor soluții constă în necesitatea modificării sistemului de alimentare electric a aprinderii sau de utilizare a unui sistem electronic suplimentar.

Se cunoaște de asemenea și bujia ce utilizează un singur electrod central pentru generarea plasmei, [8], [9], însă această soluție prezintă dezavantajul utilizării unui sistem de alimentare ce generează impulsuri de înaltă tensiune în domeniul radiofrecvenței.

Problema tehnică pe care le rezolvă invenția constă în generarea unui volum cumulat mare al plasmei generate de către două scântei simultane pentru asigurarea unei combustii de calitate a amestecului aer-combustibil în camera de ardere a motoarelor cu combustie internă fără a fi necesare modificări ale sistemului electric, cu valori ale tensiunii de străpungere comparabile cu cele ale unui sistem convențional și împiedicând depunerea calaminei pe electrozi.

Prezenta invenție rezolvă problema tehnică menționată, prin aceea că bujia conține un electrod intermediar având potențial flotant, amplasat pe un izolator ceramic între un electrod central conectat la o sursă de alimentare și electrodul de masă. Atât electrodul intermediar cât și electrodul de masă conțin minielectrozi având muchii ascuțite.

Bujia conform invenției prezintă următoarele avantaje:

- generează două scântei electrice simultane ce asigură prin lungimea cumulată a celor două scântei o inițiere de calitate a combustiei amestecului aer-combustibil în camera de stingere;

- energia electrică consumată de către descărcări cât și nivelul tensiunii de străpungere în momentul amorsării descărcărilor sunt similare cu cele specifice unui sistem de aprindere convențional;

- împiedică depunerea calaminei pe electrozi;

- pentru echiparea pe motoare cu ardere internă nu necesită modificări structurale ale acestuia sau ale sistemului electric.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1...3, care reprezintă:

- fig. 1, reprezintă bujia cu descărcare dublă conform unui exemplu de realizare a invenției în vedere laterală și de sus;

- fig. 2, reprezintă bujia cu descărcare dublă conform unui exemplu de realizare a invenției în secțiune longitudinală prin bujie și detaliu de fixare a electrodului intermediar;

- fig. 3, exemple de configurații ale electrodului intermediar, din construcția unei bujii cu descărcare dublă în vedere laterală, de sus și de jos, fiind reprezentate configurații cu numere diferite de minielectrozi și poziționări distincte ale minielectrozilor pe suprafața electrodului intermediar.

Bujia, conform invenției, se compune dintr-un electrod intermediar 1, montat pe un izolator ceramic 2, fiind amplasat între un electrod principal central 3, și un electrod de masă 4. Electrodul intermediar 1 conține minielectrozi 5 pe suprafața superioară 1.3 orientată către suprafața de scânteie 3a a electrodului central 3 și minielectrozi 6 pe suprafața inferioară 1.4 orientată către suprafața de descărcare 4a a electrodului de masă 4. Pe electrodul de masă 4 sunt montați niște minielectrozi de masă 7.

Electrodul intermediar 1 are formă de șaibă plată având o gaură centrală și protuberanțe 8 dispuse către circumferința exterioară a șaibei pe care sunt amplasați minielectrozii 6 pe suprafața inferioară 1.4. Protuberanțele 8 prezintă între ele spatii ce permit dezvoltarea flamei de combustie inițiată de către descărcarea electrică amorsată între una dintre perechile de minielectrozi 6 și 7 atât pe direcție radială raportat la axa centrală longitudinală y a bujiei cât și pe o direcție paralelă cu aceasta. Bujia dublă cu electrod intermediar de tip șaibă stelată, cunoscută din stadiul tehnicii menționat mai sus, permite evoluția flamei de combustie inițiată de către descărcarea electrică amorsată între unul dintre vârfurile șaibei stelate și electrodul de masă doar pe direcție radială raportat la axa centrală longitudinală y a bujiei.

Poziția de montare a electrodului intermediar 1 pe izolatorul ceramic 2 trebuie aleasă astfel încât raportul dintre lungimea descărcării generate între electrodul intermediar 1 și electrodul de masă 4 și lungimea descărcării generate între electrodul central 3 și electrodul intermediar 1 să fie între 1,4 și 1,8, valoarea fiind dependentă de diametrul izolatorului ceramic și de forma acestuia. Acest raport permite ca valoarea tensiunii de amorsare a celor două descărcări să fie aproximativ aceeași, având în vedere faptul că descărcarea între electrozii 3 și 1 este o descărcare generată pe suprafața izolatorului ceramic 2, amorsată între o suprafață cilindrică și un minielectrod superior 5 iar descărcarea generată între electrozii 1 și 4 se amorsează între doi minielectrozi inferior 6 și de masă 7.

Minielectrozii 5, 6 și 7 pot fi confecționați din același material cu electrodul intermediar 1, respectiv electrodul de masă 4, făcând corp comun cu aceșția, fiind realizați din oțel sau pot si confecționați separat de corpul electrozilor 1 și respectiv 4, din materiale cu proprietăți electrice superioare, ce prezintă capacitate crescută la transfer termic prin conducție și rezistente la temperaturi ridicate și eroziune cum ar fi platina sau iridiul, fiind aplicați ulterior pe electrodul intermediar 1, respectiv electrodul de masă 4, prin sudură, lipire sau alte metode tehnice cunoscute care să asigure consuctivitatea electrică și termică ridicată.

Minielectrozii 5, 6 și 7 prezintă muchii ascuțite ale căror unghiuri de ascuțire sunt cuprinse între minimum 30° și maximum 120° pentru a asigura o tensiune de străpungere (de amorsare a descărcării) de valori mai scăzute raportată la distanța dintre electrozi comparativ cu situația în care o descărcare este amorsată în aceleași condiții de presiune, umiditate și natură a fluidului dintre electrozi între doi electrozi plani sau sferici cunoscuți în stadiul tehnicii.

Tensiunea de amorsare a descărcărilor în cazul bujiei duble este comparabilă cu cea întâlnită în cazul unor sisteme de aprindere convenționale și cu valori cuprinse între 40 și 60% din tensiunea de străpungere aferentă utilizării bujiei duble cu electrod intermediar în formă de șaibă stelată, cunoscută din stadiul tehnicii menționat mai sus, tensiunea de străpungere a unei descărcări fiind mult mai mică atunci când amorsarea are loc între electrozi cu muchii comparativ cu amorsarea între doi electrozi plani, așa cum se cunoaște din teoria descărcărilor electrice. În cazul bujiei duble cu electrod intermediar în formă de șaibă stelată, cunoscută din stadiul tehnicii menționat mai sus, descărcarea electrică generată între electrodul central și cel intermediar este amorsată între doi electrozi plani, suprafața circumferențiară a electrodului central și o suprafață superioară plată din vecinătatea izolatorului ceramic a electrodului intermediar de tip șaibă stelată. Cea de-a doua descărcare în cazul bujiei duble cu electrod intermediar în formă de șaibă stelată este de tipul vârf plan, amorsată între un vârf al șaibei stelate asemănător unui vârf de piramidă, orientat către electrodul de masă și suprafața plană a electrodului de masă.

înălțimea minimă a minielectrozilor 5, 6 și 7 trebuie trebuie să asigure evitarea depunerii de calamină pe regiunea învecinată regiunii de amorsare a descărcării. Descărcările se amorsează doar pe muchiile minielectrozilor 5, 6 sau 7. Cele mai scurte căi de amorsare a descărcărilor sunt cuprinse între suprafața de scânteie 3a a electrodului central 3 și zona superioară a minielectrozilor 5, respectiv între regiunile ascuțite ale perechilor de minielectrozi 6 și 7.

Minielectrozii superiori 5 sunt dispuși circumferențiar față de axa centrală longitudinală y a bujiei, la distanțe egale între ei, în contact cu suprafața izolatorului cilindric 2. Minielectrozii inferiori 6 sunt amplasați la distanțe egale între ei și față de axa centrală longitudinală y a bujiei în partea exterioară a protuberanțelor 8 corespunzătoare diametrului maxim al acestora, numărul de minielectrozi inferiori 6 fiind egal cu numărul protuberanțelor 8. Minielectrozii de masă 7 sunt amplasați circumferențial față de axa centrală longitudinală y a bujiei la distanțe egale între ei. Numărul minielectrozilor 7 este egal cu numărul minielectrozilor 6 iar amplasarea lor este în perechi, fiind coplanari în planuri verticale ce cuprind axa centrală longitudinală y a bujiei. Dispunerea în planuri diferite poate conduce la amorsarea de descărcări între regiuni plane ale electrozilor ce pot fi acoperite cu calamină și minielectrozi, ceea ce ar conduce la creșterea valorii tensiunii de străpungere.

Dispunerea minielectrozilor 5, 6 și 7 la distanțe egale între ei are rolul de a asigura posibilitatea amorsării descărcărilor în diferite regiuni în camera de combustie, indiferent de poziția bujiei rezultată în urmă montării prin înșurubare a acesteia în culasa motorului cu ardere internă. Deși din punct de vedere constructiv distanțele dintre minielectrozii 5, 6 sau 7 pot fi și diferite iar bujia ar funcționa, o asemenea configurație nu ar aduce beneficii din punct de vedere tehnic deoarece nu ar mai asigura amorsarea de descărcări în regiuni diferite ale camerei de ardere a motorului.

Numărul minielectrozilor 5 și 6 poate fi același sau diferit, chiar și impar, iar în cazul în care numărul minielectrozilor 5 este egal cu numărul minielectrozilor 6, minielectrozii 5 pot fi montați coplanar cu minielectrozii 6 în planuri verticale ce cuprind axa centrală longitudinală y a bujei, sau în planuri verticale ce cuprind axa centrală longitudinală y a bujiei pe direcții diferite de cele ale planurilor verticale ce cuprind axa centrală longitudinală y a bujiei corespunzătoare pozițiilor de amplasare a minielectrozilor 6. Exemple constructive pentru electrodul intermediar 1 cu același număr sau număr diferit ai minielectrozilor 5 și 6 sunt prezente în fig. 3.

Numărul minielectrozilor 5, 6 și 7 poate fi cuprins între 2 și 18 din fiecare tip de minielectrod 5, 6 sau 7. Prin utilizarea unui număr de minimum 2 minielectrozi din fiecare tip de minielectrozi 5, 6 sau 7 dispuși la distanțe egale se asigură posibilitatea amorsării de descărcări electrice între electrozii 3 și 1 și respectiv 1 și 4 în regiuni ale camerei de ardere a motorului cu ardere internă care să favorizeze dezvoltarea flamei de combustie, asigurând o ardere rapidă și completă a amestecului aer-carburant. Utilizarea unui număr mai mare de 18 minielectrozi superiori 5 conduce la reducerea sau dispariția distanței dintre aceștia ce ar putea favoriza depunerea de calamină ce promovează o erodare mai accelerată a acestora. Utilizarea unui număr de perechi de minielectrozi 6 și 7 mai mare de 18 ar conduce, pe lângă favorizarea depunerii calaminei prin reducerea sau dispariția spațiului dintre minielectrozii de masă 7 și la reducerea sau dispariția spațiului dintre protuberanțele 8 ale electrodului intermediar 1 ce au rolul de a asigura dezvoltarea mai facilă a flamei de combustie. Alegerea numărului de minielectrozi depinde de dimensiunea diametrului exterior al electrodului de masă și al filetului bujiei. De asemenea, utilizarea unui număr mare de y a bujiei. Dispunerea în planuri diferite poate conduce la amorsarea de descărcări între regiuni plane ale electrozilor ce pot fi acoperite cu calamină și minielectrozi, ceea ce ar conduce la creșterea valorii tensiunii de străpungere.

Dispunerea minielectrozilor 5, 6 și 7 la distanțe egale între ei are rolul de a asigura posibilitatea amorsării descărcărilor în diferite regiuni în camera de combustie, indiferent de poziția bujiei rezultată în urmă montării prin înșurubare a acesteia în culasa motorului cu ardere internă. Deși din punct de vedere constructiv distanțele dintre minielectrozii 5, 6 sau 7 pot fi și diferite iar bujia ar funcționa, o asemenea configurație nu ar aduce beneficii din punct de vedere tehnic deoarece nu ar mai asigura amorsarea de descărcări în regiuni diferite ale camerei de ardere a motorului.

Numărul minielectrozilor 5 și 6 poate fi același sau diferit, chiar și impar, iar în cazul în care numărul minielectrozilor 5 este egal cu numărul minielectrozilor 6, minielectrozii 5 pot fi montați coliniar coplanar cu minielectrozii 6 în planuri verticale ce cuprind axa centrală longitudinală y a bujei, sau în planuri verticale ce cuprind axa centrală longitudinală y a bujiei pe direcții diferite de cele ale planurilor verticale ce cuprind axa centrală longitudinală y a bujiei corespunzătoare pozițiilor de amplasare a minielectrozilor 6. Exemple constructive pentru electrodul intermediar 1 cu același număr sau număr diferit ai minielectrozilor 5 și 6 sunt prezente în fig. 3.

Numărul minielectrozilor 5, 6 și 7 poate fi cuprins între 2 și 18 din fiecare tip de minielectrod 5, 6 sau 7. Prin utilizarea unui număr de minimum 2 minielectrozi din fiecare tip de minielectrozi 5, 6 sau 7 dispuși la distanțe egale se asigură posibilitatea amorsării de descărcări electrice între electrozii 3 și 1 și respectiv 1 și 4 în regiuni ale camerei de ardere a motorului cu ardere internă care să favorizeze dezvoltarea flamei de combustie, asigurând o ardere rapidă și completă a amestecului aer-carburant. Utilizarea unui număr mai mare de 18 minielectrozi superiori 5 conduce la reducerea sau dispariția distanței dintre aceștia ce ar putea favoriza depunerea de calamină ce promovează o erodare mai accelerată a acestora. Utilizarea unui număr de perechi de minielectrozi 6 și 7 mai mare de 18 ar conduce, pe lângă favorizarea depunerii calaminei prin reducerea sau dispariția spațiului dintre minielectrozii de masă 7 și la reducerea sau dispariția spațiului dintre protuberanțele 8 ale electrodului intermediar 1 ce au rolul de a asigura dezvoltarea mai facilă a flamei de combustie. Alegerea numărului de minielectrozi depinde de dimensiunea diametrului exterior al electrodului de masă și al filetului bujiei. De asemenea, utilizarea unui număr mare de minielectrozi, nu se justifică din punct de vedere economic, implicând creșterea numărului de operații tehnologice și a cantității de material utilizat, rezultând un cost de producție mai ridicat

Izolatorul ceramic 2 prezintă un canal în care este amplasat electrodul intermediar 1 având potențial electric flotant, pentru a evita desprinderea electrodului 1 în condiții de vibrații, presiuni și temperaturi ridicate regăsite în camera de ardere a motoarelor cu combustie internă. Potențialul electric al electrodului intermediar 1 este considerat, conform literaturii de specialitate, flotant deoarece poate lua valori cuprinse între 0 V reprezentând potențialul electrodului de masă 4 și valoarea tensiunii de alimentare a electrodului central 3, valoare dependentă de raportul între distanța dintre suprafața de scânteie 3a și minielectrozii 5 și distanța dintre perechile de minielectrozi 6 și 7. Potențialul electric al electrodului intermediar 1 poate fi egal cu potențialele electrice ale electrozilor de masă 4 și respectiv central 3 doar în situația în care între electrodul 1 și electrozii 4 și respectiv 3 există o legătură galvanică. Electrodul intermediar 1 nu este conectat galvanic la o sursă de alimentare electrică și nici la circuitul de masă și de aceea are un potențial electric doar în momentul alimentării electrodului central 3. Potențialul electric al electrodului intermediar 3 variază de asemenea pe durata fazelor de manifestare a unei descărcări electrice de tip scânteie, având valoarea maximă la momentul străpungerii fluidului din camera de combustie și amorsării descărcării electrice de tip scânteie și scade în perioada de manifestare a descărcării până la stingerea acesteia. Valoarea potențialului electric al electrodului intermediar 1 este de asemenea influențată și de compoziția fluidului din interiorul camerei de combustie a motorului prin valorile locale ale rigidității dielectrice, valori ce pot fi diferite datorită neuniformității amestecului aer-combustibil.

La alimentarea cu impulsuri de tensiune a electrodului central de tip tijă 3 de la o sursă de alimentare, se amorsează simultan o descărcare electrică de tip scânteie între electrodul central 3 și unul dintre minielectrozii 5 amplasați pe electrodul intermediar 1, și o a doua descărcare electrică de tip scânteie între unul dintre minielectrozii 6 amplasați pe electrodul intermediar 1 și unul dintre minielectrozii 7 amplasați pe electrodul de masă 4. Suprafața ridicată de contact între plasma generată de către cele două descărcări produse și amestecul aer-combustibil din camera de combustie a motoarelor cu combustie internă asigură o inițiere eficientă a combustiei.

Claims (9)

1. Revendicări

   1. Bujie cu descărcare dublă care cuprinde un electrod central (3), conectat la o sursă de alimentare în impulsuri de înaltă tensiune, care prezintă o suprafață de descărcare (3a), electrodul central (3) fiind dispus concentric pe o axă centrală longitudinală (y) a bujiei extinzându-se de-a lungul acesteia și un electrod de masă (4) dispus concentric cu electrodul central (3) ce prezintă o suprafață de descărcare (4a) orientată către suprafața de descărcare (3a) a electrodului central (3), un izolator (2), amplasat concentric pe axa centrală longitudinală (y) a bujiei, între electrozii central (3) și de masă (4), pe a cărui circumferință exterioară, într-un plan paralel cu suprafața de descărcare (4a) a electrodului de masă (4), este prevăzut un canal în care este dispus un electrod intermediar (1) prevăzut cu două suprafețe de descărcare superioară (1.3) și inferioară (1.4), opuse, în care suprafața superioară (1.3) este orientată către suprafața de descărcare (3a) a electrodului central (3), iar suprafața inferioară (1.4) este orientată către suprafața de descărcare (4a) a electrodului de masă (4), caracterizată prin aceea că, electrodul intermediar (1) are o formă de șaibă plată având o gaură centrală și protuberanțe (8) dispuse către circumferința exterioară a șaibei ce permit amplasarea pe electrodul intermediar (1) a cel puțin doi minielectrozi superiori (5), pe suprafața de descărcare superioară (1.3) a electrodului intermediar (1) respectiv a cel puțin doi minielectrozi inferiori (6), pe suprafața de descărcare inferioară (1.4) a electrodului intermediar (1), la o distanță prestabilită între acești minielectrozi superiori și inferiori (5, 6); pe suprafața de descărcare (4a) a electrodului de masă (4) sunt amplasați cel puțin doi minielectrozi de masă (7), la o distanță prestabilită față de minielectrozii superiori și inferiori (5, 6) menționați și numărul total de minielectrozi superiori, inferiori și de masă (5, 6, 7) este de cel puțin 6 și cel mult 54 iar numărul de minielectrozi inferiori (6) este egal cu numărul de minielectrozi de masa (7), astfel încât să permită o amorsare simultană a unei descărcări electrice generate între electrodul central (3) și electrodul intermediar (1) și a unei descărcări electrice generate între electrodul intermediar (1) și electrodul de masă (4) în momentul alimentării cu impulsuri de tensiune a electrodului central (3) în vederea inițierii combustiei.
2. 2. Bujie cu descărcare dublă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, se compune dintr-un electrod intermediar având potențial electric flotant (1) montat pe un izolator ceramic (2) și amplasat între un electrod principal central de tip tijă (3) alimentat de la o sursă de alimentare în impulsuri de tensiune și un electrod de masă (4) constituit din sistemul de fixare cu filet al dispozitivului.
3. 3. Bujie cu descărcare dublă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, minielectrozii inferiori și de masă (6, 7) sunt poziționați în perechi amplasate în același plan ce conține axa centrală longitudinală (y) a bujiei.
4. 4. Bujie cu descărcare dublă conform revendicărilor 1 sau 3, caracterizată prin aceea că, materialul din care sunt confecționați electrozii (1, 3, 4) si minielectrozii (5, 6, 7) este același și minielectrozii (5, 6, 7) împreună cu electrozii (1, 3, 4) având un corp comun.
5. 5. Bujie cu descărcare dublă conform revendicărilor 1 sau 3, caracterizată prin aceea că, materialul din care sunt confecționați electrozii (1, 3, 4) și minielectrozii (5, 6, 7) este diferit și minielectrozii (5, 6, 7) și electrozii (1, 3, 4) având fiecare un corp individual.
6. 6. Bujie cu descărcare dublă conform revendicării 5, caracterizată prin aceea că, minielectrozii (5, 6, 7) și electrozii (1, 3, 4) sunt confecționați din materiale precum platina sau iridiu.
7. 7. Bujie cu descărcare dublă conform revendicărilor 4, 5 și 6, caracterizată prin aceea că, minielectrozii superiori (5) sunt dispuși circumferențiar față de axa centrală longitudinală (y) a bujiei în contact cu izolatorul cilindric (2), la o distanță prestabilită egală între ei.
8. 8. Bujie cu descărcare dublă conform revendicărilor anterioare, caracterizată prin aceea că, minielectrozii inferiori (6) sunt dispuși circumferențiar la o distanță prestabilită egală între ei, pe suprafața de descărcare inferioară (1.4) a electrodului intermediar (1), la câte un capăt exterior al protuberanțelor (8) menționate.
9. 9. Bujie cu descărcare dublă conform revendicărilor anterioare, caracterizată prin aceea că, minielectrozii de masă (7) sunt dispuși circumferențiar, la o distanță prestabilită egală între ei, pe suprafața de descărcare (4a) a electrodului de masă (4) astfel încât o dreaptă descrisă de vârfurile muchiilor de amorsare ale minielectrozilor inferiori și de masă (6, 7), orientate către electrodul central (3), să fie paralelă cu axa centrală longitudinală (y) a bujiei.