RU2056688C1

RU2056688C1 - Sparking plug

Info

Publication number: RU2056688C1
Application number: RU94031042A
Authority: RU
Inventors: Юрий Дмитриевич Калашников
Original assignee: Юрий Дмитриевич Калашников
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1996-03-20
Also published as: RU94031042A

Abstract

FIELD: internal combustion engines. SUBSTANCE: sparking plug of internal combustion engine includes metal body with flanged edge, insulator with collar put on body contacting flanged edge, central electrode placed inside insulator over its length and side electrode connected to metal body and forming spark gap with central electrode. Sparking plug is fitted with ring-shaped element made from dielectric material, is placed on to part of insulator located outside of body and made fast to insulator to limit leakage currents through insulator over section of its joining to body. EFFECT: enhanced reliability of ignition. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть с успехом использовано в двигателестроении. The invention relates to internal combustion engines and can be successfully used in engine building.

Основным условием нормальной работы двигателей внутреннего сгорания является воспламенение рабочей смеси в цикле сжатия за счет образования искрового разряда между электродами при подаче высоковольтного импульса напряжения на свечу зажигания. Если по какой-либо причине искровой разряд не возникает (имеют место пропуски искрообразования), это приводит к неиспользованию рабочей смеси, вызывающему снижение КПД двигателя внутреннего сгорания, резкому увеличению выбросов СН_х в атмосферу и загрязнению окружающей среды. Таким об разом, свеча зажигания предназначена для гарантированного воспламенения рабочей смеси во всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания, в частности в режиме малых оборотов двигателя (200-1000 об/мин).The main condition for the normal operation of internal combustion engines is the ignition of the working mixture in the compression cycle due to the formation of a spark discharge between the electrodes when a high-voltage voltage pulse is applied to the spark plug. If for some reason a spark discharge does not occur (gaps in sparking occur), this leads to the non-use of the working mixture, which causes a decrease in the efficiency of the internal combustion engine, a sharp increase in emissions of CH _x into the atmosphere and environmental pollution. Thus, the spark plug is designed to guarantee ignition of the working mixture in all operating modes of the internal combustion engine, in particular in the mode of low engine revolutions (200-1000 rpm).

Однако все известные до настоящего времени свечи зажигания не обеспечивают гарантированного возникновения искровых разрядов между электродами при пробивном напряжении между ними, превышающем 10 кВ. Указанное пробивное напряжение характерно для оборотов двигателя внутреннего сгорания в пределах 200-1000 об/мин. However, all hitherto known spark plugs do not provide guaranteed occurrence of spark discharges between the electrodes at a breakdown voltage between them exceeding 10 kV. The specified breakdown voltage is typical for revolutions of an internal combustion engine in the range of 200-1000 rpm.

Как известно, пробивное напряжение пропорционально произведению давления в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания на величину искрового зазора. Давление в камере сгорания определяется конструкцией двигателя внутреннего сгорания и зависит от степени сжатия, которая имеет тенденцию к увеличению, в частности, за счет использования обедненных смесей, обладающих более высокой детонационной стойкостью. Величина искрового зазора определяет энергию искры, а следовательно, вероятность воспламенения рабочей смеси. В связи с этим зазор устанавливается максимально возможным. В процессе работы свечи зажигания зазор увеличивается за счет электрической эрозии электродов, тем самым увеличивая величину пробивного напряжения. As is known, breakdown voltage is proportional to the product of pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine by the value of the spark gap. The pressure in the combustion chamber is determined by the design of the internal combustion engine and depends on the degree of compression, which tends to increase, in particular due to the use of lean mixtures with higher knock resistance. The size of the spark gap determines the energy of the spark, and therefore the probability of ignition of the working mixture. In this regard, the gap is set to the maximum possible. During operation of the spark plug, the gap increases due to electrical erosion of the electrodes, thereby increasing the breakdown voltage.

Как широко известно, свеча зажигания содержит металлический корпус с отбортованной кромкой, изолятор, размещенный внутри металлического корпуса и имеющий буртик, контактирующий с отбортованной кромкой, центральный электрод, расположенный внутри изолятора по его длине, и боковой электрод, соединенный с металлическим корпусом и образующий с центральным электродом искровой зазор. As is widely known, the spark plug contains a metal body with a flanged edge, an insulator located inside the metal body and having a flange in contact with the flanged edge, a central electrode located along the length of the insulator, and a side electrode connected to the metal body and forming with the central electrode spark gap.

Так называемые пропуски искрообразования обусловлены возникновением токов утечки через изолятор. Токи утечки возникают на участке соединения металлического корпуса с изолятором, шунтируя искровой зазор. Считается, что ограничение пробивного напряжения искрового зазора обусловлено пробивным напряжением между центральным электродом и корпусом по поверхности наружной части изолятора. Для увеличения пробивного напряжения по этой поверхности на ней выполняются кольцеобразные канавки, увеличивающие протяженность поверхности в направлении оси изолятора. Однако, как показали исследования, пробой по поверхности возникает существенно позже пробоя по толщине изолятора между центральным электродом и корпусом на участке соединения изолятора с корпусом. Указанный участок является наиболее электрически напряженным по следующим причинам. Во-первых, здесь наблюдается так называемый "краевой эффект", т. е. увеличение напряженности электрического поля на краях электродов. Во-вторых, при отбортовке кромки корпуса, осуществляемой путем завальцовки, образуются в большей или меньшей степени острые края, которые за счет малого радиуса скругления приводят к значительному локальному увеличению напряженности электрического поля. В-третьих, на данном участке толщина изолятора минимальна и минимально расстояние между центральным электродом и корпусом. В-четвертых, указанный участок находится под атмосферным давлением в отличие от части изолятора, расположенной внутри корпуса и находящейся под давлением, которое создается в камере сгорания. The so-called gaps in sparking are caused by the occurrence of leakage currents through the insulator. Leakage currents occur at the junction of the metal casing with the insulator, shunting the spark gap. It is believed that the breakdown voltage of the spark gap is due to the breakdown voltage between the Central electrode and the housing on the surface of the outer part of the insulator. To increase the breakdown voltage along this surface, annular grooves are made on it, increasing the length of the surface in the direction of the axis of the insulator. However, studies have shown that surface breakdown occurs much later than the breakdown of the thickness of the insulator between the central electrode and the housing at the junction of the insulator with the housing. The specified section is the most electrically stressed for the following reasons. Firstly, the so-called "edge effect" is observed here, that is, an increase in the electric field strength at the edges of the electrodes. Secondly, when flanging the edges of the body, carried out by rolling, more or less sharp edges are formed, which, due to the small radius of rounding, lead to a significant local increase in the electric field strength. Thirdly, in this section the thickness of the insulator is minimal and the distance between the central electrode and the housing is minimal. Fourth, this section is under atmospheric pressure, in contrast to the part of the insulator located inside the housing and under pressure that is created in the combustion chamber.

Из вышеуказанного следует, что при подаче высокого напряжения происходит ионизация воздуха на указанном участке соединения корпуса с изолятором и возникают значительные токи утечки через изолятор с центрального электрода на корпус. Таким образом происходит шунтирование искрового зазора, препятствующее возникновению искрового разряда. Кроме того, шунтированию способствует разогрев изолятора на указанном участке до 200-300^оС, снижающий его диэлектрические свойства. Шунтирование искрового зазора характерно для всех известных до настоящего времени свечей зажигания.From the above it follows that when a high voltage is applied, air ionizes in the indicated section of the connection between the housing and the insulator and significant leakage currents occur through the insulator from the central electrode to the housing. Thus, the spark gap is bypassed, preventing the occurrence of a spark discharge. In addition, the shunting contributes to the heating of the insulator in the specified area to 200-300 ^about With, reducing its dielectric properties. Shunting of the spark gap is characteristic of all spark plugs known to date.

В основу изобретения положена задача создать свечу зажигания с таким новым элементом, который позволил бы формировать искровой разряд под действием каждого высоковольтного импульса напряжения. The basis of the invention is the task of creating a spark plug with such a new element that would allow the formation of a spark discharge under the action of each high voltage voltage pulse.

Поставленная задача решается тем, что свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая металлический корпус с отбортованной кромкой, изолятор, размещенный внутри металлического корпуса и имеющий буртик, контактирующий с отбортованной кромкой, центральный электрод, расположенный внутри изолятора по его длине, и боковой электрод, соединенный с металлическим корпусом и образующий с центральным электродом искровой зазор, снабжена кольцеобразным элементом из диэлектрического материала, установленным на расположенной вне металлического корпуса части изолятора и жестко связанным с изолятором и металлическим корпусом, причем кольцеобразный элемент выполнен из диэлектрического материала с удельным электрическим сопротивлением, по меньшей мере равным 10¹⁰ Ом· м, и рабочей температурой, равной по меньшей мере 200^оС, при наличии зазора между отбортованной кромкой металлического корпуса и изолятором на торцовой поверхности кольцеобразного элемента по его периметру выполнен выступ, форма которого повторяет форму зазора, при этом выступ расположен в зазоре.The problem is solved in that the spark plug for the internal combustion engine, comprising a metal housing with a flanged edge, an insulator located inside the metal housing and having a flange in contact with the flanged edge, a central electrode located inside the insulator along its length, and a side electrode connected with a metal casing and forming a spark gap with the central electrode, is provided with an annular element of dielectric material mounted on an outside m etallicheskogo body portion of the insulator and is rigidly connected to the insulator and the metal shell, wherein the annular member is made of a dielectric material with an electrical resistivity of at least to 10 ¹⁰ Ohm · m, and an operating temperature of at least 200 ^{° C,} in the presence of the gap between the flanged edge of the metal body and the insulator on the end surface of the annular element along its perimeter made a protrusion, the shape of which follows the shape of the gap, while the protrusion is located in the gap.

Предлагаемая свеча зажигания обеспечивает гарантированное возникновение искрового разряда под действием каждого высоковольтного импульса напряжения на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания и при искровых зазорах до 1,5 мм. Естественное увеличение искрового зазора за счет электрической эрозии от 0,7 до 1,5 мм не требует профилактических работ на регулирование величины искрового зазора, а предел изменения величины искрового зазора значительно увеличивает срок службы свечи зажигания. Следствием уменьшения "пропуска искрообразования" является уменьшение образования нагара на стенках камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания и выбросов СНх в атмосферу. Возможность увеличения искрового зазора до 1,5 мм позволяет увеличить энергию искрового разряда, а следовательно, гарантирует воспламенение обедненного и тяжелого топлива. The proposed spark plug provides a guaranteed occurrence of a spark discharge under the action of each high-voltage voltage pulse in all operating modes of the internal combustion engine and with spark gaps of up to 1.5 mm. A natural increase in the spark gap due to electrical erosion from 0.7 to 1.5 mm does not require preventive maintenance to control the size of the spark gap, and the limit of change in the size of the spark gap significantly increases the life of the spark plug. A consequence of the reduction in “sparking throughput” is a decrease in the formation of soot on the walls of the combustion chamber of the internal combustion engine and CHx emissions into the atmosphere. The possibility of increasing the spark gap to 1.5 mm allows you to increase the energy of the spark discharge, and therefore, guarantees ignition of lean and heavy fuel.

Конструкция предлагаемой свечи зажигания не требует существенной переналадки технологического процесса. The design of the proposed spark plug does not require significant readjustment of the process.

На фиг. 1 схематично изображена свеча зажигания с кольцеобразным элементом из диэлектрического материала, установленным на изоляторе (частичный продольный разрез); на фиг. 2 показан фрагмент свечи зажигания на участке соединения корпуса с изолятором при наличии на кольцеообразном элементе выступа частичный продольный разрез). In FIG. 1 schematically shows a spark plug with an annular element of dielectric material mounted on an insulator (partial longitudinal section); in FIG. 2 shows a fragment of a spark plug at a portion of the connection between the housing and the insulator in the presence of a partial longitudinal section on the ring-shaped protrusion element).

Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания содержит металлический корпус 1 (фиг. 1), в котором установлен изолятор 2. Часть изолятора 2 расположена вне корпуса 1, а другая часть внутри корпуса 1. Корпус 1 имеет участок соединения с изолятором 2. На этом участке отбортованная кромка 3 корпуса 1 контактирует с буртиком 4 изолятора 2. Внутри изолятора 2 по его длине расположен центральный электрод 5, образующий с боковым электродом 6, соединенным с корпусом 1, искровой зазор 7. Боковой электрод 6 может быть выполнен в виде отдельной детали, связанной с корпусом 1 посредством сварки, позволяющей регулировать величину искрового зазора 7 в процессе эксплуатации свечи зажигания. Боковой электpод 6 также может быть выполнен как единое целое с корпусом 1. При этом величина искрового зазора 7 фиксирована и увеличивается в процессе эксплуатации свечи зажигания за счет электрической эрозии материала центрального 5 и бокового 6 электродов соответственно. The spark plug for an internal combustion engine contains a metal casing 1 (Fig. 1), in which an insulator 2 is installed. A part of the insulator 2 is located outside the casing 1, and the other part is inside the casing 1. The casing 1 has a connection section to the insulator 2. On this section, a flange the edge 3 of the housing 1 is in contact with the bead 4 of the insulator 2. Inside the insulator 2 along its length there is a central electrode 5, which forms a spark gap 7 with the side electrode 6 connected to the housing 1. The side electrode 6 can be made as a separate part, connected with the housing 1 by welding, which allows you to adjust the value of the spark gap 7 during operation of the spark plug. The side electrode 6 can also be made as a unit with the housing 1. In this case, the spark gap 7 is fixed and increases during operation of the spark plug due to electrical erosion of the material of the central 5 and side 6 electrodes, respectively.

Для гарантированного возникновения искрового разряда под действием каждого импульса напряжения изолятор 2 снабжен кольцеобразным элементом 8 из диэлектрического материала с удельным электрическим сопротивлением, по меньшей мере равным 10¹⁰ Ом· м, и рабочей температурой, при которой сохраняются диэлектрические свойства кольцеобразного элементa 8, равной по меньшей мере 200^оС. Кольцеобразный элемент 8 установлен на расположенной вне корпуса 1 части изолятора 2 в непосредственной близости от участка соединения корпуса 1 с изолятором 2 и жестко связан с изолятором 2 и корпусом 1, увеличивая электрическую прочность изолятора 2 на участке соединения. При этом геометрические размеры кольцеобразного элемента 8 выбираются такими, чтобы электрическая прочность изолятора 2 на участке соединения корпуса 1 с изолятором 2 была равна или превышала минимальную электрическую прочность изолятора 2 на участке, расположенном внутри корпуса 1. В качестве диэлектрического материала кольцеобразного элемента 8 могут быть использованы фторопласт, а также фосфатные, органосиликатные и кремнийорганические компаунды.For a guaranteed occurrence of a spark discharge under the action of each voltage pulse, the insulator 2 is equipped with a ring-shaped element 8 of dielectric material with a specific electrical resistance of at least 10 ¹⁰ Ohm · m, and a working temperature at which the dielectric properties of the ring-shaped element 8, which is equal to at least least 200 ° ^C. The annular element 8 is mounted is disposed on the housing part 1 of the insulator 2 in the vicinity of the body portion of the compound 1 with the insulator 2 and gesture to connected with the insulator 2 and the housing 1, increasing the dielectric strength of the insulator 2 at the junction. In this case, the geometric dimensions of the ring-shaped element 8 are selected such that the dielectric strength of the insulator 2 at the junction of the housing 1 with the insulator 2 is equal to or greater than the minimum dielectric strength of the insulator 2 in the region located inside the housing 1. As the dielectric material of the ring-shaped element 8 can be used fluoroplastic, as well as phosphate, organosilicate and organosilicon compounds.

Кольцеобразный элемент 8, повышающий электрическую прочность изолятора 2 на участке соединения корпуса 1 с изолятором 2, ограничивает токи утечки через изолятор 2 на этом участке. Это обусловливает выбор нижнего предела удельного электрического сопротивления материала кольцеобразного элемента 8. При использовании диэлектрических материалов с более низким удельным электрическим сопротивлением на участке соединения корпуса 1 с изолятором 2 существенно возрастают токи утечки. Указанный нижний предел рабочей температуры диэлектрического материала обусловлен реальной температурой изолятора 2 на указанном участке соединения при работающем двигателе внутреннего сгорания в установившемся режиме. Использование диэлектрического материала с более низкой рабочей температурой может привести к деформации кольцеобразного элемента 8 и, следовательно, резкому снижению его диэлектрических свойств. An annular element 8, increasing the dielectric strength of the insulator 2 in the connection section of the housing 1 with the insulator 2, limits the leakage currents through the insulator 2 in this section. This leads to the choice of the lower limit of the electrical resistivity of the material of the ring-shaped element 8. When using dielectric materials with a lower electrical resistivity at the junction of the housing 1 with the insulator 2, the leakage currents increase significantly. The specified lower limit of the working temperature of the dielectric material is due to the actual temperature of the insulator 2 in the indicated section of the connection when the internal combustion engine is running in steady state. The use of a dielectric material with a lower working temperature can lead to deformation of the annular element 8 and, consequently, a sharp decrease in its dielectric properties.

Форма участка соединения корпуса 1 с изолятором 2 определяется тем, что при сборке свечи зажигания между отбортованной кромкой 3 корпуса 1 и изолятором 2 может возникнуть зазор (фиг. 2). При наличии такого зазора на торцовой поверхности кольцеобразного элемента 8, обращенной к зазору, по периметру кольцеобразного элемента 8 выполнен выступ 9. Форма выступа 9 повторяет форму зазора, а сам выступ 9 расположен в зазоре. The shape of the connection section of the housing 1 with the insulator 2 is determined by the fact that when assembling the spark plug between the flanged edge 3 of the housing 1 and the insulator 2, a gap may occur (Fig. 2). If there is such a gap on the end surface of the annular element 8 facing the gap, a protrusion 9 is made around the perimeter of the annular element 8. The shape of the protrusion 9 repeats the shape of the gap, and the protrusion 9 itself is located in the gap.

Свеча зажигания работает следующим образом. The spark plug works as follows.

При подаче высоковольтного импульса напряжения от системы зажигания на центральный электрод 5 происходит гарантированный искровой разряд между центральным электродом 5 и боковым электродом 6, обеспечиваемый кольцеобразным элементом 8, который ограничивает токи утечки на участке соединения корпуса 1 с изолятором 2, приводящие к пропускам искрообразования. When a high voltage voltage pulse is supplied from the ignition system to the central electrode 5, a guaranteed spark discharge occurs between the central electrode 5 and the side electrode 6, which is provided by an annular element 8, which limits the leakage currents at the junction of the housing 1 with the insulator 2, leading to gaps in sparking.

В свече зажигания уменьшена чувствительность к увеличению искрового зазора 7 за счет электрической эрозии материала электродов 5, 6 в процессе эксплуатации, что значительно увеличивает ресурс работы свечи зажигания, особенно в варианте с фиксированным искровым зазором 7. Устранение пропусков искрообразования приводит к увеличению КПД двигателя внутреннего сгорания и уменьшению выбросов СНх в атмосферу. In the spark plug, the sensitivity to increasing spark gap 7 due to electrical erosion of the material of the electrodes 5, 6 is reduced during operation, which significantly increases the service life of the spark plug, especially in the case with a fixed spark gap 7. Elimination of gaps in spark formation leads to an increase in the efficiency of the internal combustion engine and reducing CHx emissions into the atmosphere.

Claims

1. IGNITION CANDLE for an internal combustion engine, comprising a metal housing with a flanged edge, an insulator located in a metal housing and having a collar in contact with the flanged edge, a central electrode located along the length of the insulator, and a side electrode connected to the metal housing and forming a spark gap with a central electrode, characterized in that it is provided with an annular element of dielectric material mounted on an external metal Pusa part of the insulator and is rigidly connected with the insulator and the metal shell.

2. Spark plug according to Claim. 1, characterized in that the annular member is made of a dielectric material with an electrical resistivity of at least 10 ¹ ⁰ ohm • m and a working temperature of at least 200 ^o C.

3. The spark plug according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that in the presence of a gap between the flanged edge of the metal housing and the insulator on the end surface of the annular element around its perimeter made a protrusion, the shape of which follows the shape of the gap, while the protrusion is located in the gap.