RU2159979C1

RU2159979C1 - Spark plug

Info

Publication number: RU2159979C1
Application number: RU2000109077A
Authority: RU
Inventors: И.Я. Райков
Original assignee: Райков Иван Яковлевич; Соколов Антон Сергеевич
Priority date: 2000-04-13
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; internal-combustion engines. SUBSTANCE: spark plug has shell, central electrode placed in insulator, and at least one ground electrode spaced through air gap from insulator and through spark gap, from central electrode. With spark gap chosen between 1.7 and 4.9 mm air gap is between 0.4 and 0.8 mm at lower end of spark gap and between 0.4 and 0.6 mm at its upper end. Central electrode juts beyond adjacent insulator edge through distance not over one third of its diameter. Spark-receiving surface edge facing spark-plug interior is located within insulator butt-end surface and its displacement in same direction is not to exceed 0.2 mm. Butt-end surface of insulator may be made flat in the form of circular ring or in the form of part of cylinder or cone with coverage angle of minimum 30 deg. Ground electrode may be made in the form of segmental strap placed on shell and provided with insulating insert. EFFECT: enlarged length of spark discharge, increased service life of plug, and reduced probability of its overheating. 11 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к искровым разрядникам, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания для воспламенения рабочей смеси. The invention relates to the field of electrical engineering, namely to spark arresters, and can be used in internal combustion engines to ignite a working mixture.

Известны свечи зажигания, содержащие корпус, центральный электрод, размещенный в изоляторе, а также электрод массы, расположенный относительно центрального электрода с образованием воздушного искрового промежутка (патент RU N 2042994, кл. H 01 T 13/20, 1992 г., заявка DE N 197053721, кл. H 01 T 13/39, 1998 г.). Увеличить длину искрового разряда для повышения интенсивности воспламенения смеси в свече подобной конструкции возможно лишь путем увеличения напряжения пробоя. К тому же центральный электрод оказывается затененным электродом массы, что неблагоприятно для развития очага воспламенения смеси. Known spark plugs containing a housing, a central electrode located in the insulator, as well as a mass electrode located relative to the central electrode with the formation of an air spark gap (patent RU N 2042994, CL H 01 T 13/20, 1992, application DE N 197053721, class H 01 T 13/39, 1998). To increase the length of the spark discharge to increase the intensity of ignition of the mixture in a candle of a similar design is possible only by increasing the breakdown voltage. In addition, the central electrode turns out to be a shaded mass electrode, which is unfavorable for the development of the focus of ignition of the mixture.

Известны свечи зажигания комбинированного типа, в которых искровой разряд скользит по поверхности изолятора и преодолевает на своем пути к электроду массы один либо два воздушных промежутка. Наиболее близкой по числу совпадающих признаков к заявляемой является свеча зажигания по патенту EP N 0872927 A2, кл. H 01 T 13/20, 1998 г., содержащая корпус, центральный электрод в изоляторе и электрод массы, размещенный против торца изолятора и не затеняющий центральный электрод. Искровой разряд, начиная свой путь от центрального электрода, скользит по поверхности торца изолятора, после чего изменяет направление движения и скользит по боковой поверхности изолятора, затем вновь меняет направление и, преодолев воздушный промежуток в зоне его минимальной величины, достигает электрода массы. Таким образом, искровой разряд движется по сложной зигзагообразной траектории и, как следствие, делает "пропилы" в поверхности изолятора, что приводит к перебоям в зажигании и нарушениям в работе двигателей. К тому же в этих условиях искровой разряд возникает только в случае относительно высокого пробивного напряжения. Последнее обстоятельство, в свою очередь, вынуждает применять в системах зажигания элементы с большой электрической прочностью, что удорожает изделие и сокращает срок его эксплуатации. Known spark plugs of the combined type, in which a spark discharge slides along the surface of the insulator and overcomes one or two air gaps on its way to the mass electrode. Closest to the number of matching features to the claimed is the spark plug according to patent EP N 0872927 A2, class. H 01 T 13/20, 1998, comprising a housing, a central electrode in the insulator and a mass electrode placed against the end of the insulator and not obscuring the central electrode. The spark discharge, starting its path from the central electrode, slides along the surface of the insulator end, then changes the direction of motion and glides along the side surface of the insulator, then again changes direction and, having overcome the air gap in the zone of its minimum value, reaches the mass electrode. Thus, the spark discharge moves along a complex zigzag path and, as a result, makes “cuts” in the surface of the insulator, which leads to interruptions in ignition and disruptions in the operation of engines. Moreover, under these conditions, a spark discharge occurs only in the case of a relatively high breakdown voltage. The latter circumstance, in turn, forces the use of elements with high electrical strength in ignition systems, which makes the product more expensive and shortens its useful life.

Настоящее изобретение решает задачу увеличения длины искрового разряда за счет его прямолинейного движения по поверхности торца изолятора и по воздушному промежутку с одновременным увеличением ресурса работы свечи без повреждения поверхности изолятора и эрозии электродов, а также уменьшения вероятности перегрева свечи и, как следствие, возникновения калильного зажигания во всех режимах и условиях работы двигателя путем выбора формы, взаимного расположения и соотношения геометрических размеров элементов конструкции свечи зажигания. The present invention solves the problem of increasing the length of the spark discharge due to its rectilinear movement along the surface of the end face of the insulator and through the air gap while increasing the life of the spark plug without damaging the surface of the insulator and erosion of the electrodes, as well as reducing the likelihood of overheating of the spark plug and, as a result, the occurrence of glow ignition during all engine operating conditions and conditions by choosing the shape, relative position and ratio of the geometric dimensions of the structural elements of the spark plug .

Задача решается тем, что в свече зажигания, включающей корпус, центральный электрод, встроенный в изолятор, а также по меньшей мере один электрод массы, размещенный относительно изолятора с воздушным зазором, а относительно центрального электрода - с образованием искрового промежутка, величина последнего принята в пределах 1,7 - 4,0 мм, а величина воздушного зазора выполнена в пределах 0,4 - 0,8 мм при величине искрового промежутка 1,7 мм и в пределах 0,6 - 0,4 мм при величине последнего 4,0 мм, а центральный электрод выполнен выступающим за сопряженную с ним кромку изолятора на величину, не превышающую треть собственного диаметра. Общее превышение упомянутого электрода корпуса свечи не рекомендовано более одного диаметра электрода. Кромка искроприемной (обращенной к центральному электроду) поверхности, обращенная внутрь свечи, расположена в плоскости торца изолятора. Поверхность торца изолятора может быть выполнена плоской, перпендикулярной продольной оси свечи и представлять собой круговое кольцо шириной, равной разности радиусов изолятора и центрального электрода. Поверхность торца может быть выполнена также в виде поверхности усеченного конуса с высотой, совпадающей с осью свечи, и с углом при вершине, обращенной наружу свечи. Рекомендуемая величина угла - не менее 120^o, поскольку при более остром угле возможны сколы и "пропилы" изолятора. Величина воздушного промежутка определяется выбором толщины кругового кольца в первом случае и образующей усеченного конуса - во втором случае.The problem is solved in that in the spark plug, comprising a housing, a central electrode built into the insulator, and at least one mass electrode placed relative to the insulator with an air gap, and relative to the central electrode with the formation of a spark gap, the value of the latter is accepted within 1.7 - 4.0 mm, and the air gap is made in the range of 0.4 - 0.8 mm with a spark gap of 1.7 mm and in the range of 0.6 - 0.4 mm with a value of the last 4.0 mm and the central electrode is protruding beyond the conjugate with it the edge of the insulator by an amount not exceeding a third of its own diameter. General excess of the mentioned electrode of the candle body is not recommended for more than one electrode diameter. The edge of the spark-receiving (facing the central electrode) surface facing the inside of the candle is located in the plane of the end face of the insulator. The surface of the end face of the insulator can be made flat, perpendicular to the longitudinal axis of the candle and represent a circular ring with a width equal to the difference between the radii of the insulator and the central electrode. The surface of the end face can also be made in the form of the surface of a truncated cone with a height coinciding with the axis of the candle, and with an angle at the apex facing outward of the candle. The recommended angle is at least 120 ^o , since with a sharper angle, chips and "cuts" of the insulator are possible. The size of the air gap is determined by the choice of the thickness of the circular ring in the first case and the generatrix of the truncated cone in the second case.

Технический результат достигается тем, что в заявляемой свече зажигания искровой разряд совершает прямолинейное движение, причем на первом этапе искра от центрального электрода движется по торцевой поверхности изолятора, а затем преодолевает относительно малый воздушный промежуток в зоне электрода массы, не изменяя траектории движения. В результате общий путь искры увеличивается более чем в два раза, а пробивное напряжение обеспечивается на уровне, не превышающем обычный для систем зажигания с механическим прерывателем. Выбор верхней границы величины искрового промежутка определяется конструктивным пределом для свечей со стандартными посадочными размерами, при этом в свече с плоской торцевой поверхностью изолятора эта величина составляет около 3,5 мм, а в свече с конической торцевой поверхностью - 4,0 мм. Снижение нижнего предела относительно указанной величины 1,7 мм не дает положительного эффекта по отношению к свечам известных конструкций. Выбор конкретного размера воздушного промежутка при фиксированном искровом зазоре (в обозначенных пределах) не ограничивается какой-либо дискретной величиной. Именно предложенное соотношение размеров рабочих поверхностей свечи позволяет увеличить ресурс ее работы без эрозии электродов и выгорания изолятора. Экспериментально установлено, что это позволяет также расширить диапазон устойчивой работы двигателя. Ограничением размера выступающей за поверхность изолятора части центрального электрода предотвращается перегрев свечи и, как следствие, возможность возникновения калильного зажигания во всех режимах и условиях работы двигателя. The technical result is achieved by the fact that in the inventive spark plug, the spark discharge makes a rectilinear motion, and at the first stage, the spark from the central electrode moves along the end surface of the insulator, and then overcomes a relatively small air gap in the mass electrode area without changing the motion path. As a result, the total spark path is more than doubled, and the breakdown voltage is provided at a level that does not exceed the usual level for ignition systems with a mechanical chopper. The choice of the upper boundary of the spark gap is determined by the design limit for candles with standard landing sizes, while in a candle with a flat end surface of the insulator this value is about 3.5 mm, and in a candle with a conical end surface - 4.0 mm. Lowering the lower limit relative to the specified value of 1.7 mm does not give a positive effect with respect to candles of known designs. The choice of a specific size of the air gap with a fixed spark gap (within the indicated limits) is not limited to any discrete value. It is the proposed ratio of the sizes of the working surfaces of the candle that allows to increase the resource of its work without erosion of the electrodes and burning of the insulator. It was experimentally established that this also allows you to expand the range of stable engine operation. By limiting the size of the part of the central electrode protruding beyond the surface of the insulator, overheating of the spark plug and, as a result, the possibility of the appearance of glow ignition in all engine operating conditions and conditions is prevented.

С целью обеспечения прямолинейного движения искры вдоль торцевой поверхности изолятора допустимое смещение кромки искроприемной поверхности, обращенной внутрь свечи, относительно кромки торца изолятора, сопряженной с центральным электродом, не должно превышать 0,2 мм в том же направлении. In order to ensure the rectilinear motion of the spark along the end surface of the insulator, the permissible offset of the edge of the spark receiving surface facing the inside of the candle relative to the edge of the end of the insulator mating with the central electrode should not exceed 0.2 mm in the same direction.

В свече зажигания, в которой поверхность торца изолятора выполнена плоской, искроприемная поверхность электрода массы выполнена в виде части поверхности цилиндра, ограниченной в плоскости основания последнего углом не менее 30^o (угол охвата), при этом ось цилиндра совпадает с продольной осью свечи, а радиус равен сумме радиуса центрального электрода и длины искрового промежутка. В свече с конической поверхностью торца изолятора искроприемная поверхность выполнена также конической. Она представляет собой поверхность усеченного конуса с осью, совпадающей с осью свечи, и углом при вершине, обращенным внутрь свечи, ограниченную в плоскости основания конуса углом не менее 30^o, при этом радиус основания конуса определяется упомянутым углом и величиной искрового промежутка. Описанные выше варианты формы искроприемной поверхности рассматриваются как наиболее оптимальные, однако возможны отклонения от этих форм. Электрод массы может быть выполнен как единое целое с корпусом либо в виде сегментной накладки на корпус, соединяемой с последним, например, путем сварки. Накладка может быть выполнена в виде скобы (П-образной), соединенной с корпусом по краям, и может быть снабжена дополнительной вставкой из диэлектрика, причем кромка вставки расположена на уровне торцевой поверхности изолятора, что позволяет дополнительно увеличить длину пути искрового разряда за счет его прохождения по диэлектрику так же, как это осуществляется по торцу изолятора. С этой же целью радиус поверхности торца изолятора, ограниченной угловым размером электрода массы, может быть выполнен большим радиуса остальной части упомянутой поверхности и плавно с ним сопряжен. В том случае, если общая геометрия свечи не позволяет увеличить общие размеры изолятора настолько же, насколько увеличивается торец, изолятор может быть выполнен с развитым торцом при сохранении размеров остальной его части. С целью облегчения ориентации свечи зажигания относительно стенок камеры сгорания двигателя на внешней визуально доступной части изолятора выполнена маркировочная метка, соответствующая расположению электрода массы (наиболее целесообразно - в плоскости симметрии электрода массы).In the spark plug, in which the surface of the end face of the insulator is made flat, the spark-receiving surface of the mass electrode is made in the form of a part of the surface of the cylinder bounded in the plane of the base of the latter by an angle of at least 30 ^o (angle of coverage), while the axis of the cylinder coincides with the longitudinal axis of the candle, and the radius equal to the sum of the radius of the central electrode and the length of the spark gap. In a candle with a conical surface of the end face of the insulator, the spark-receiving surface is also made conical. It represents the surface of a truncated cone with an axis coinciding with the axis of the candle, and the angle at the vertex facing the inside of the candle, bounded in the plane of the base of the cone by an angle of at least 30 ^o , while the radius of the base of the cone is determined by the mentioned angle and the size of the spark gap. The above-described variants of the shape of the spark-receiving surface are considered as the most optimal, but deviations from these forms are possible. The mass electrode can be made as a single unit with the body or in the form of a segmented lining on the body connected to the latter, for example, by welding. The overlay can be made in the form of a bracket (U-shaped) connected to the housing along the edges and can be equipped with an additional insulator insert, the insert edge being located at the level of the insulator end surface, which makes it possible to additionally increase the path of the spark discharge due to its passage dielectric in the same way as it is carried out at the end of the insulator. For the same purpose, the radius of the surface of the end face of the insulator, limited by the angular size of the mass electrode, can be made larger than the radius of the rest of the surface and smoothly mated with it. In the event that the general geometry of the candle does not allow to increase the overall dimensions of the insulator as much as the end increases, the insulator can be made with a developed end while maintaining the dimensions of the rest of it. In order to facilitate the orientation of the spark plug relative to the walls of the engine combustion chamber, a marking mark is made on the external visually accessible part of the insulator, which corresponds to the location of the mass electrode (most expediently, in the plane of symmetry of the mass electrode).

Совокупность отличительных особенностей заявляемой свечи зажигания позволяют повысить эксплуатационные надежность и эффективность зажигания при различных режимах работы двигателя, включая его пуск, а также расширить диапазон устойчивой работы двигателя. Установлено также заметное улучшение тепловых характеристик свечи (она приобретает большую эластичность), а также самоочистки центрального электрода и его изолятора. The combination of distinctive features of the inventive spark plugs can improve operational reliability and efficiency of the ignition under various modes of engine operation, including its start-up, as well as expand the range of stable engine operation. A noticeable improvement in the thermal characteristics of the candle (it acquires greater elasticity), as well as self-cleaning of the central electrode and its insulator, has also been established.

Изобретение поясняется описанием и приложенными к нему чертежами. На фиг. 1 схематически изображен разрез свечи зажигания с плоской торцевой поверхностью изолятора; на фиг. 2 - то же с конической торцевой поверхностью изолятора; на фиг. 3 - то же с электродом массы, выполненным в виде накладки; на фиг. 4 - то же с электродом массы в виде накладки с вставкой; на фиг. 5 схематически изображена свеча зажигания, вид сверху. The invention is illustrated by the description and the attached drawings. In FIG. 1 schematically shows a cross-section of a spark plug with a flat end face of an insulator; in FIG. 2 - the same with the conical end surface of the insulator; in FIG. 3 - the same with the mass electrode, made in the form of plates; in FIG. 4 - the same with the mass electrode in the form of a lining with an insert; in FIG. 5 is a schematic view of a spark plug, top view.

Свеча зажигания содержит корпус 1, центральный электрод 2, размещенный в изоляторе 3, а также по меньшей мере один электрод массы 4, выполненный либо как единое целое с корпусом 1, либо в виде накладки, жестко соединенной с корпусом. Центральный электрод 2 выполнен выступающим за кромку изолятора 3 на величину не более трети собственного диаметра. Торцевая поверхность изолятора выполнена либо плоской и перпендикулярной оси свечи и представляет собой круговое кольцо шириной, равной разности радиусов изолятора R и центрального электрода r, либо в виде поверхности усеченного конуса с углом 2β, превышающим 120^o, при вершине, обращенной наружу свечи. Образующая конуса при этом составляет (R-r)/sinβ. Искроприемная (рабочая) поверхность 6 электрода массы 4 в первом случае представляет собой часть поверхности цилиндра с осью, совпадающей с осью свечи, с радиусом, равным сумме искрового промежутка L и радиуса центрального электрода r, и ограниченной в плоскости основания сектором с углом α не менее 30^o, а во втором случае - часть поверхности усеченного конуса с углом 90^°-β, при вершине, обращенной внутрь свечи, с осью, совпадающей с осью свечи, также ограниченную в плоскости основания углом α не менее 30^o. Величина искрового промежутка L во всех возможных случаях принята в пределах 1,7 - 4,0 мм, а величина воздушного зазора 1 выполнена с возможностью изменения в пределах 0,4 - 0,8 мм в нижней границе величины искрового промежутка 1,7 мм и в пределах 0,4 - 0,6 мм в верхней границе искрового промежутка 4,0 мм. Нижняя кромка 8 поверхности электрода массы 4, обращенная внутрь свечи, расположена в плоскости торца изолятора и ее смещение в том же направлении h не должно превышать 0,2 мм.The spark plug contains a housing 1, a central electrode 2 located in the insulator 3, and at least one mass electrode 4, made either as a unit with the housing 1, or in the form of a lining rigidly connected to the housing. The central electrode 2 is made protruding beyond the edge of the insulator 3 by a value of not more than a third of its own diameter. The end surface of the insulator is made either flat and perpendicular to the axis of the candle and is a circular ring with a width equal to the difference between the radii of the insulator R and the central electrode r, or in the form of a surface of a truncated cone with an angle of 2β exceeding 120 ^o , with the vertex facing outward of the candle. The cone generator in this case is (Rr) / sinβ. The spark-receiving (working) surface 6 of the electrode of mass 4 in the first case is a part of the surface of the cylinder with an axis coinciding with the axis of the candle, with a radius equal to the sum of the spark gap L and the radius of the central electrode r, and a sector bounded in the base plane with an angle α of at least 30 ^o , and in the second case - part of the surface of a truncated cone with an angle of 90 ^° -β, with the vertex facing the inside of the candle with an axis coinciding with the axis of the candle, also bounded in the plane of the base by an angle α of at least 30 ^o . The size of the spark gap L in all possible cases is adopted within 1.7 - 4.0 mm, and the size of the air gap 1 is made with the possibility of changing within 0.4 - 0.8 mm in the lower boundary of the value of the spark gap 1.7 mm and within 0.4 - 0.6 mm in the upper boundary of the spark gap of 4.0 mm. The lower edge 8 of the surface of the electrode of mass 4, facing the inside of the candle, is located in the plane of the end face of the insulator and its displacement in the same direction h should not exceed 0.2 mm.

Электрод массы 4 может быть выполнен в виде скобы (П-образным) с вставкой из диэлектрика 9, кромка которой (верхняя, обращенная наружу свечи) расположена на уровне торца изолятора 3. В этих же целях для увеличения пути искрового разряда радиус R части торца изолятора, ограниченной угловым размером электрода массы 4, может быть выполнен большим радиуса остальной части торца и плавно с ним сопряжен. На визуально доступной части изолятора 4 выполнена маркировочная метка, размещенная в плоскости симметрии электрода массы. The mass electrode 4 can be made in the form of a bracket (U-shaped) with an insulator insert 9, the edge of which (the upper, outward facing candles) is located at the level of the end face of the insulator 3. For the same purpose, to increase the path of the spark discharge, the radius R of the part of the end face of the insulator , limited by the angular size of the electrode of mass 4, can be made large of the radius of the rest of the end face and smoothly mated with it. On the visually accessible part of the insulator 4 is made a marking placed in the plane of symmetry of the mass electrode.

Свеча работает следующим образом. The candle works as follows.

Между центральным электродом 2 и электродом массы 4 прикладывают напряжение, в результате которого образуется электрическая искра, поджигающая рабочую смесь, при этом искра преодолевает путь от центрального электрода по торцу изолятора 3 и далее по воздушному зазору, достигая электрода массы 4, причем на всем своем пути искра сохраняет прямолинейное движение. A voltage is applied between the central electrode 2 and the mass electrode 4, as a result of which an electric spark is generated that ignites the working mixture, while the spark travels from the central electrode along the end of the insulator 3 and further through the air gap, reaching the mass electrode 4, and along its entire path the spark maintains rectilinear motion.

Заявляемая свеча зажигания высокоэффективна для использования в любых бензиновых двигателях независимо от применяемых систем питания и зажигания и ориентирована на существующие материалы, технологии и оборудование, применяемые при производстве свечей. Улучшая условия и надежность воспламенения рабочей смеси, она дает реальную возможность решить проблему дополнительного значительного ее обеднения, снижения расхода топлива и токсичности отработавших газов. The inventive spark plug is highly effective for use in any gasoline engine, regardless of the applied power and ignition systems and is focused on existing materials, technologies and equipment used in the manufacture of candles. Improving the conditions and reliability of ignition of the working mixture, it gives a real opportunity to solve the problem of its additional significant depletion, reduction of fuel consumption and exhaust gas toxicity.

Claims

1. Spark plug comprising a housing, a central electrode integrated in the insulator, and at least one mass electrode placed relative to the insulator with an air gap, and relative to the central electrode with the formation of a spark gap, characterized in that the size of the spark gap is accepted within 1.7 - 4.0 mm, while the air gap is made in the range of 0.4 - 0.8 mm with a spark gap of 1.7 mm and in the range of 0.4 - 0.6 mm with a spark gap of 4, 0 mm, edge of the spark-receiving surface, about rashchenija inwardly candles situated in the plane of the end face of the insulator, the center electrode protrudes beyond the edge of its associated insulator by an amount not exceeding one third of its own diameter.

2. The spark plug according to claim 1, characterized in that the surface of the end face of the insulator is made flat and perpendicular to the axis of the candle.

3. The spark plug according to claim 1, characterized in that the surface of the end face of the insulator is made conical.

4. The spark plug according to claim 1, characterized in that the permissible displacement of the said edge of the spark-receiving surface relative to the end face of the insulator is not more than 0.2 mm in the direction inside the spark plug.

5. The spark plug according to claim 2, characterized in that the spark-receiving surface of the mass electrode is made in the form of a part of the surface of the cylinder with an axis coinciding with the axis of the candle bounded in the plane of the base of the cylinder by an angle of at least 30 ^o .

6. The spark plug according to claim 2 or 3, characterized in that the spark-receiving surface of the mass electrode is conical, bounded in the plane of the base of the cone by an angle of at least 30 ^o .

7. The spark plug according to claim 1, characterized in that the mass electrode is made in the form of a segmented lining, rigidly connected to the housing.

8. The spark plug according to claim 7, characterized in that the said pad is made U-shaped.

9. The spark plug according to claim 7, characterized in that said plate is provided with an insert of dielectric material, wherein the insert edge facing the outside of the spark plug is located at the level of the end surface of the insulator.

10. The spark plug according to claim 4, characterized in that the radius of the part of the end surface of the insulator, limited by the angular size of the mass electrode, is made larger than the radius of the rest of the surface.

11. The spark plug according to claim 1, characterized in that on the external visually accessible surface of the insulator is made a marking placed in the plane of symmetry of the mass electrode.