RU2273082C1

RU2273082C1 - Spark plug for internal-combustion engine

Info

Publication number: RU2273082C1
Application number: RU2004129263/06A
Authority: RU
Inventors: Антон Евгеньевич Монич (RU); Антон Евгеньевич Монич; Евгений Анатольевич Монич (RU); Евгений Анатольевич Монич
Original assignee: Антон Евгеньевич Монич; Евгений Анатольевич Монич
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-03-27
Also published as: WO2006041330A1

Abstract

FIELD: engine manufacture; internal-combustion engines using forced ignition of working mixture.

SUBSTANCE: proposed spark plug is made in the form of electrical spark gap that has grounded metal body, high-voltage electrode covered with insulating coating on side surface and installed along central axis of body, as well as one or more side electrodes. In addition, spark plug is provided with boost capacitors whose quantity depends on that of side electrodes. One of plates of each boost capacitor is electrically connected to metal body of spark plug and other one, to one of side electrodes.

EFFECT: ability of volumetric ignition of fuel-air mixture in engine combustion chamber.

5 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к устройствам зажигания в двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием топливовоздушной или топливоокислительной смеси.The invention relates to the field of engine building, in particular to ignition devices in internal combustion engines with forced ignition of a fuel-air or fuel-oil mixture.

Обычно в двигателях с принудительным зажиганием топливовоздушной смеси используют электрические разрядные свечи [1÷3]. Электрические разрядные свечи (далее свечи зажигания) поджигают горючую смесь с помощью электрического разряда. Для этого используют различные виды самостоятельного электрического разряда в газе, включая импульсный разряд в газовом промежутке между электродами [1], комбинированный импульсный разряд через газовый промежуток и по поверхности диэлектрика [2], скользящий разряд по поверхности диэлектрика [3].Typically, in engines with forced ignition of the air-fuel mixture, electric spark plugs are used [1 ÷ 3]. Electric discharge candles (hereinafter spark plugs) ignite the combustible mixture with the help of an electric discharge. For this, various types of self-sustained electric discharge in a gas are used, including a pulsed discharge in the gas gap between the electrodes [1], a combined pulsed discharge through the gas gap and on the surface of the dielectric [2], and a sliding discharge on the surface of the dielectric [3].

Наиболее близкой по конструктивному выполнению к настоящему изобретению (прототипом) является электрическая свеча для искрового зажигания топливовоздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания, описанная в [1]. В этом устройстве так же, как и в аналогах [2, 3], разряд происходит между электродами свечи зажигания, на один из которых подают импульсы высокого напряжения от силового блока системы зажигания, а другой электрод (или несколько электродов) находится в электрическом контакте с корпусом свечи ("заземленный" боковой электрод). При такой конструкции свечи после искрового пробоя газового промежутка между ее электродами или пробоя по поверхности диэлектрика электрический потенциал высоковольтного электрода резко уменьшается. После достижения напряжения пробоя наступает фаза формирования искрового разряда. Продолжительность этой фазы между началом пробоя и моментом спада напряжения зависит от скорости нарастания напряжения на электродах, и она тем меньше, чем больше скорость нарастания напряжения. Продолжительность фазы формирования искрового разряда может составлять в зависимости от условий от долей до десятков микросекунд. После завершения фазы формирования искрового разряда происходит собственно искровой разряд, разогревающий проводящий канал. При разряде за промежуток времени порядка 10^-8 сек происходит крутой спад напряжения (разности потенциалов) на разрядном промежутке, более чем на порядок величины от значения, близкого к пробивному, а спустя примерно 10^-6 сек напряжение составляет всего лишь несколько десятков вольт.The closest in structural embodiment to the present invention (prototype) is an electric spark plug for spark ignition of the air-fuel mixture in internal combustion engines described in [1]. In this device, as well as in analogues [2, 3], a discharge occurs between the electrodes of the spark plug, one of which is supplied with high voltage pulses from the power unit of the ignition system, and the other electrode (or several electrodes) is in electrical contact with candle body ("grounded" side electrode). With this design of the candle, after the spark breakdown of the gas gap between its electrodes or breakdown on the surface of the dielectric, the electric potential of the high-voltage electrode sharply decreases. After the breakdown voltage is reached, the phase of spark discharge formation begins. The duration of this phase between the onset of breakdown and the moment of voltage drop depends on the rate of increase in voltage at the electrodes, and it is the smaller, the greater the rate of increase in voltage. The duration of the phase of formation of a spark discharge can be, depending on conditions, from fractions to tens of microseconds. After the completion of the phase of formation of the spark discharge, the spark discharge proper occurs, heating the conductive channel. When discharging for a period of time of the order of 10 ^-8 sec, a sharp decrease in voltage (potential difference) occurs in the discharge gap, more than an order of magnitude from a value close to breakdown, and after about 10 ^-6 sec the voltage is only a few tens of volts.

Использование прототипа при зажигании топливовоздушной смеси в камере сгорания не позволяет создать колебательное возбуждение молекул газовой среды и тем самым осуществить объемное воспламенение горючей смеси. Это обусловлено в первую очередь тем, что после пробоя газового промежутка между электродами свечи зажигания потенциал высоковольтного электрода падает на 2÷3 порядка и не может создать в значительном объеме камеры сгорания электрическое поле требуемой напряженности, и практически вся запасенная энергия системы зажигания тратится на разогрев проводящего канала в газовой среде между электродами свечи зажигания.The use of the prototype when igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber does not allow to create vibrational excitation of the molecules of the gaseous medium and thereby carry out volumetric ignition of the combustible mixture. This is primarily due to the fact that after the breakdown of the gas gap between the electrodes of the spark plug, the potential of the high-voltage electrode drops by 2–3 orders of magnitude and cannot create an electric field of the required strength in a significant volume of the combustion chamber, and almost all the stored energy of the ignition system is spent on heating the conducting channel in a gas medium between the electrodes of the spark plug.

Техническим результатом настоящего изобретения является осуществление объемного зажигания топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателей внутреннего сгорания.The technical result of the present invention is the implementation of volumetric ignition of the air-fuel mixture in the combustion chamber of internal combustion engines.

Этот результат достигается усовершенствованием известной свечи зажигания для двигателя внутреннего сгорания, выполненной в виде электрического разрядника, состоящего из заземленного металлического корпуса, высоковольтного электрода с диэлектрическим изолирующим покрытием на его боковой поверхности и установленного вдоль центральной оси корпуса, и одного или нескольких боковых электродов.This result is achieved by the improvement of the known spark plug for an internal combustion engine, made in the form of an electric spark gap, consisting of a grounded metal casing, a high voltage electrode with a dielectric insulating coating on its side surface and installed along the central axis of the casing, and one or more side electrodes.

Усовершенствование заключается в том, что в свечу дополнительно введены подпорные конденсаторы по числу боковых электродов, одна из обкладок каждого подпорного конденсатора электрически соединена с металлическим корпусом свечи, а другая - с одним из боковых электродов.The improvement consists in the fact that retaining capacitors are additionally introduced into the candle by the number of side electrodes, one of the plates of each retaining capacitor is electrically connected to the metal housing of the candle, and the other to one of the side electrodes.

Подпорный конденсатор может быть выполнен в виде диэлектрической трубки, поверхность которой металлизирована и является внешней обкладкой конденсатора, при этом диэлектрическая трубка размещена между металлическим корпусом свечи зажигания и диэлектрическим изолирующим покрытием высоковольтного электрода, электрическое соединение внешней обкладки конденсатора с корпусом осуществляется путем их непосредственного контакта, а вторая обкладка конденсатора размещена внутри стенки диэлектрической трубки.The supporting capacitor can be made in the form of a dielectric tube, the surface of which is metallized and is the outer lining of the capacitor, while the dielectric tube is placed between the metal housing of the spark plug and the dielectric insulating coating of the high voltage electrode, the electrical connection of the outer lining of the capacitor with the housing is carried out by direct contact, and the second capacitor plate is located inside the wall of the dielectric tube.

В одном из вариантов выполнения свечи в стенке диэлектрической трубки подпорного конденсатора выполнены полости, открытые на одном из торцов трубки, внутренние стенки полостей металлизированы, а металлическое покрытие поверхности каждой полости является второй обкладкой конденсатора, при этом каждый боковой электрод вставлен в соответствующую полость и приведен в электрический контакт с металлическим покрытием поверхности полости.In one embodiment, the candles in the wall of the dielectric tube of the retaining capacitor have cavities open at one of the ends of the tube, the inner walls of the cavities are metallized, and the metal coating of the surface of each cavity is the second lining of the capacitor, with each side electrode inserted into the corresponding cavity and brought into electrical contact with a metal coating of the surface of the cavity.

В одном случае боковые электроды размещены вокруг высоковольтного электрода и образуют с ним газовые разрядные промежутки, а в другом - концы боковых электродов размещены на поверхности диэлектрического покрытия высоковольтного электрода для организации скользящего разряда по поверхности диэлектрика.In one case, the side electrodes are placed around the high-voltage electrode and form gas discharge gaps with it, and in the other, the ends of the side electrodes are placed on the surface of the dielectric coating of the high-voltage electrode to organize a sliding discharge over the surface of the dielectric.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.The invention is illustrated by the accompanying drawings.

На фиг.1 показан продольный разрез свечи зажигания с газовыми разрядными промежутками между высоковольтным и боковыми электродами.Figure 1 shows a longitudinal section of a spark plug with gas discharge gaps between the high voltage and side electrodes.

На фиг.2 показан продольный разрез свечи зажигания со скользящим разрядом по поверхности диэлектрика между высоковольтным и боковыми электродами.Figure 2 shows a longitudinal section of a spark plug with a sliding discharge on the surface of the dielectric between the high voltage and side electrodes.

На фиг.3 показан продольный разрез подпорного конденсатора с коаксиальными полостями в варианте выполнения с четырьмя полостями.Figure 3 shows a longitudinal section of a retaining capacitor with coaxial cavities in an embodiment with four cavities.

На фиг.4 показано поперечное сечение подпорного конденсатора с коаксиальными полостями в варианте выполнения с четырьмя полостями.Figure 4 shows a cross section of a retaining capacitor with coaxial cavities in an embodiment with four cavities.

На фиг.5 показан продольный разрез подпорного конденсатора в варианте выполнения с четырьмя боковыми электродами, имеющими металлические лепестки на проксимальном конце, внедренные внутрь керамической стенки.Figure 5 shows a longitudinal section of a retaining capacitor in an embodiment with four side electrodes having metal tabs at the proximal end embedded inside the ceramic wall.

На фиг.6 показано поперечное сечение подпорного конденсатора в варианте выполнения с четырьмя боковыми электродами, имеющими металлические лепестки на проксимальном конце, внедренные внутрь керамической стенки.Figure 6 shows a cross section of a retaining capacitor in an embodiment with four side electrodes having metal tabs at the proximal end embedded inside the ceramic wall.

На фиг.7 показана электрическая схема подключения свечи зажигания и ее эквивалентная электрическая схема в соответствии с предложенным изобретением.Figure 7 shows the electrical connection of the spark plug and its equivalent electrical circuit in accordance with the proposed invention.

На фиг.8 показано характерное изменение потенциала высоковольтного электрода, потенциала боковых электродов и тока зарядки подпорной емкости предложенной свечи зажигания в зависимости от времени при электрическом пробое разрядных промежутков между высоковольтным и боковыми электродами.On Fig shows a characteristic change in the potential of the high voltage electrode, the potential of the side electrodes and the charging current of the retaining capacity of the proposed spark plugs depending on time during electrical breakdown of the discharge gaps between the high voltage and side electrodes.

На фиг.9 изображен график типичного изменения разности потенциалов между электродами в зависимости от времени при электрическом пробое газового промежутка в искровой фазе разряда [4].Figure 9 shows a graph of a typical change in the potential difference between the electrodes depending on time during electrical breakdown of the gas gap in the spark phase of the discharge [4].

На фиг.10 показана зависимость долей энергии, передаваемых в единицу времени на возбуждение колебательных уровней, на возбуждение электронных уровней и на ионизацию при движении электрона через молекулярный азот с давлением Р под действием электрического поля Е_уск от величины приведенной напряженности ускоряющего поля [5].Figure 10 shows the dependence of the fraction of energy transferred per unit time to the excitation of vibrational levels, to the excitation of electronic levels and to ionization when an electron moves through molecular nitrogen with a pressure P under the action of an electric field E _accele on the magnitude of the reduced intensity of the accelerating field [5].

Свеча зажигания для двигателя внутреннего сгорания (фиг.1) выполнена в виде электрического разрядника и состоит из металлического корпуса 1 с установленным вдоль его центральной оси высоковольтным электродом 2, одного или нескольких боковых электродов 3 и подпорных конденсаторов, которые включают диэлектрическую, в частности керамическую, трубку 4 и две обкладки 5 и 6 (фиг.3, 4). Обкладкой 5 является металлическое покрытие на внешней и внутренней поверхностях трубки 4. В стенке трубки 4 выполнена полость 7 (фиг.3, 4), коаксиальная с цилиндрическими поверхностями трубки и открытая в верхней части на торце трубки. Трубка 4 размещена внутри корпуса 1 таким образом, что ее металлическое покрытие 5 соприкасается с корпусом и осуществляет их электрическое соединение. Коаксиальная полость 7, выполненная в стенке трубки 4, разделена диэлектрическими перегородками 8 на секции (фиг.4). Внутренние стенки каждой секции полости металлизированы, и эти металлические покрытия являются вторыми обкладками 6 подпорных конденсаторов. Внутри каждой секции полости размещены проксимальные концы 9 (фиг.1) боковых электродов 3, которые соприкасаются с металлическим покрытием 5, и таким образом осуществляется их электрическое соединение. В одном из вариантов конструкции боковые электроды могут иметь на проксимальном конце 9 металлический лепесток 10 в форме сектора цилиндра (фиг.5, 6). Металлические лепестки 10 боковых электродов 3 внедрены внутрь керамической стенки подпорного конденсатора (фиг.5, 6) и являются в этом варианте исполнения вторыми обкладками 6 подпорных конденсаторов. Боковая поверхность высоковольтного электрода 2 защищена диэлектрическим покрытием 11. Дистальные концы боковых электродов 3 размещены вокруг выступающей части высоковольтного электрода 2 и образуют с ним разрядные газовые промежутки (фиг.1). В другом варианте исполнения дистальные концы боковых электродов 3 размещены на поверхности диэлектрического покрытия 11 (фиг.2). В этом случае реализуется скользящий разряд по поверхности диэлектрика между электродами 2 и 3.The spark plug for an internal combustion engine (Fig. 1) is made in the form of an electric spark gap and consists of a metal housing 1 with a high voltage electrode 2 installed along its central axis, one or more side electrodes 3 and retaining capacitors, which include a dielectric, in particular ceramic, tube 4 and two plates 5 and 6 (Fig.3, 4). The lining 5 is a metal coating on the outer and inner surfaces of the tube 4. In the wall of the tube 4 there is a cavity 7 (Figs. 3, 4), coaxial with the cylindrical surfaces of the tube and open at the top at the end of the tube. The tube 4 is placed inside the housing 1 so that its metal coating 5 is in contact with the housing and carries out their electrical connection. The coaxial cavity 7, made in the wall of the tube 4, is divided by dielectric partitions 8 into sections (figure 4). The inner walls of each section of the cavity are metallized, and these metal coatings are the second plates 6 of retaining capacitors. Inside each section of the cavity, the proximal ends 9 (Fig. 1) of the side electrodes 3, which are in contact with the metal coating 5, are placed, and thus their electrical connection is made. In one embodiment, the side electrodes may have a metal tab 10 in the shape of a cylinder sector at the proximal end 9 (FIGS. 5, 6). The metal lobes 10 of the side electrodes 3 are embedded inside the ceramic wall of the retaining capacitor (FIGS. 5, 6) and are, in this embodiment, the second plates 6 of the retaining capacitors. The lateral surface of the high-voltage electrode 2 is protected by a dielectric coating 11. The distal ends of the side electrodes 3 are placed around the protruding part of the high-voltage electrode 2 and form discharge gas gaps with it (Fig. 1). In another embodiment, the distal ends of the side electrodes 3 are placed on the surface of the dielectric coating 11 (FIG. 2). In this case, a sliding discharge is realized over the surface of the dielectric between the electrodes 2 and 3.

Принцип действия предложенной свечи зажигания заключается в том, что разряд между электродами свечи автоматически прерывается до того, как вся энергия, накопленная в силовом блоке системы зажигания, будет диссипирована в разрядном промежутке в процессе искрового или скользящего по поверхности диэлектрика разряде. В соответствии с изображенной на фиг.7 схемой подключения свечи от силового блока 12 на высоковольтный электрод 2 по сигналам управления от коммутатора 13 системы зажигания поступает нарастающее во времени электрическое напряжение U₂ - высоковольтный электрический импульс. После того как разность потенциалов между высоковольтным 2 и боковым 3 электродами свечи достигнет значения ΔU_проб, при котором напряженность поля между электродами свечи Е_2-3станет выше напряженности пробоя Е_проб, происходит искровой пробой газового промежутка. Нарастающий в соответствии с фиг.8 ток разряда протекает между электродами 2 и 3 и заряжает подпорную емкость С (фиг.7). После того как емкость С зарядится по цепи: силовой блок 12 - высоковольтный электрод 2 - разрядный промежуток - боковой электрод 3 - емкость С, потенциалы электродов U₂ и U₃ свечи практически выравниваются и разрядный ток между ними прекращается. Причем выравнивание потенциалов электродов 2 и 3 происходит не за счет уменьшения потенциала U₂ электрода 2, как это происходит у прототипа (фиг.9), а за счет нарастания потенциала U₃ бокового электрода 3 (фиг.8). Номинальное значение подпорной емкости С подобрано так, что на ее зарядку затрачивается только часть энергии, содержащейся в накопителе силового блока 12 и в собственной емкости высоковольтной цепи С₀ (фиг.7). Искровой разряд в стадии зарядки подпорной емкости С является источником электромагнитного излучения, в том числе достаточно жесткого, способного производить фотоионизацию компонентов газовой среды, имеющих низкий потенциал ионизации (компоненты углеводородного топлива), а также вызывать фотоэмиссию из металлических стенок камеры сгорания и обогащать таким образом газовую среду камеры сгорания свободными электронами.The principle of operation of the proposed spark plug is that the discharge between the electrodes of the spark plug is automatically interrupted before all the energy accumulated in the power unit of the ignition system is dissipated in the discharge gap during the discharge or discharge moving across the surface of the dielectric. In accordance with the diagram of connecting the plug from the power unit 12 shown in Fig. 7, a voltage increasing in time is supplied to the high-voltage electrode 2 by the control signals from the switch 13 of the ignition system U ₂ , a high-voltage electrical pulse. After the potential difference between the high-voltage 2 and side 3 electrodes of the candle reaches the ΔU value of the _samples , at which the field strength between the electrode electrodes of E _2-3 becomes higher than the breakdown voltage E of the _samples , a spark breakdown of the gas gap occurs. Increasing in accordance with Fig.8, the discharge current flows between the electrodes 2 and 3 and charges the retaining capacitance C (Fig.7). After the capacitance C is charged in the circuit: power block 12 - high-voltage electrode 2 - discharge gap - side electrode 3 - capacitance C, the potentials of the electrodes U ₂ and U _{3 of the} spark plug are almost equal and the discharge current between them stops. Moreover, the potential equalization of the electrodes 2 and 3 does not occur due to a decrease in the potential U _{2 of the} electrode 2, as occurs with the prototype (Fig. 9), but due to an increase in the potential U _{3 of the} side electrode 3 (Fig. 8). The nominal value of the retaining capacitance C is selected so that only part of the energy contained in the drive of the power unit 12 and in the own capacitance of the high-voltage circuit C _{0 is} spent on its charging (Fig. 7). A spark discharge in the stage of charging the retaining capacitance C is a source of electromagnetic radiation, including a sufficiently hard one, capable of photoionizing the components of the gas medium having a low ionization potential (hydrocarbon fuel components), as well as causing photoemission from the metal walls of the combustion chamber and thereby enrich the gas combustion chamber medium by free electrons.

Аналогично в ходе зарядки подпорной емкости С зарядным током (по цепи: силовой блок 12 - высоковольтный электрод 2 - разрядный промежуток - боковой электрод 3 - емкость С) происходит обогащение газовой среды свободными электронами и в варианте конструкции свечи со скользящим разрядом по поверхности диэлектрика, изолирующего центральный высоковольтный электрод свечи (фиг.2).Similarly, during charging of the retaining capacitance With a charging current (along the circuit: power block 12 — high-voltage electrode 2 — discharge gap — side electrode 3 — capacitance C), the gaseous medium is enriched with free electrons and, in the design of the plug, with a sliding discharge on the surface of the insulating insulating the central high-voltage electrode of the candle (figure 2).

Далее после зарядки подпорной емкости и увеличения потенциала на боковых электродах 3 свечи зажигания эти электроды совместно с центральным электродом 2, с одной стороны, и, находящиеся под потенциалом "земли" металлические стенки и другие конструктивные части камеры сгорания 14 (фиг.7), с другой стороны, создают в объеме камеры сгорания электрическое поле Е_уск. Свободные электроны, образованные в газовой среде топливовоздушной смеси, заполняющей камеру сгорания, ускоряются под действием электрического поля Е_уск и осуществляют несамостоятельный разряд в газе по цепи: силовой блок 12 - высоковольтный электрод 2 + боковой электрод 3 (или совокупность боковых электродов) - газовая среда - стенки камеры сгорания 14. При движении в газовой среде в процессе несамостоятельного разряда свободные электроны испытывают неупругие соударения (с передачей части или всей накопленной энергии) с молекулами газовой среды. Топливовоздушная смесь образована молекулами углеводородов и промежуточных продуктов их неполного окисления, а также молекулами газов, образующих воздушную среду. Поэтому свободные электроны при движении через молекулярный газ будут, в основном, испытывать соударения с молекулами азота, составляющими около 75% всех молекул топливовоздушной смеси. При неупругих соударениях электроны передают энергию, накопленную между столкновениями, различным степеням свободы молекул. Из фиг.10 видно, что при значениях приведенной напряженности электрического поля Е/Р<15 В/см·торр (вольт на сантиметр на торр) - соответствует 1÷4 кВ/см·атм (киловольт на сантиметр на атмосферу), основным механизмом потерь энергии электронами является возбуждение колебаний молекул. Аналогичный вид имеют зависимости и для других молекулярных газов. При возбуждении молекулярных газов, таких как СО₂, СО, N₂, у которых максимум сечения возбуждения колебаний молекул σ_v≈10^-15 см² расположен в области 1÷2 эВ и величина сечения резко спадает при увеличении и уменьшении энергии электронов, до 98% энергии электронов расходуется на возбуждение колебаний.Then, after charging the retaining capacity and increasing the potential on the side electrodes 3 of the spark plug, these electrodes together with the central electrode 2, on the one hand, and the metal walls and other structural parts of the combustion chamber 14 located under the ground potential (Fig. 7), on the other hand, create in the volume of the combustion chamber an electric field E _accele . Free electrons formed in the gas medium of the air-fuel mixture filling the combustion chamber are accelerated by the action of an electric field E _accele and carry out a non-independent discharge in the gas along the circuit: power block 12 - high-voltage electrode 2 + side electrode 3 (or a set of side electrodes) - gas medium - walls of the combustion chamber 14. When moving in a gaseous medium during a non-self-sustained discharge, free electrons experience inelastic collisions (with the transfer of part or all of the accumulated energy) with gas molecules environment. The air-fuel mixture is formed by the molecules of hydrocarbons and intermediate products of their incomplete oxidation, as well as by the molecules of gases that form the air. Therefore, free electrons moving through a molecular gas will mainly experience collisions with nitrogen molecules, which make up about 75% of all molecules of the air-fuel mixture. In inelastic collisions, electrons transfer the energy accumulated between collisions to various degrees of freedom of the molecules. From figure 10 it is seen that when the values of the reduced electric field strength E / P <15 V / cm · torr (volts per centimeter per torr) - corresponds to 1 ÷ 4 kV / cm · atm (kilovolts per centimeter per atmosphere), the main mechanism Electron energy loss is the excitation of molecular vibrations. The dependences for other molecular gases have a similar form. During the excitation of molecular gases, such as СО ₂ , СО, N ₂ , in which the maximum of the excitation cross section for molecular vibrations σ _v ≈ 10 ^-15 cm ² is located in the range 1 ÷ 2 eV and the cross section decreases sharply with increasing and decreasing electron energy, to 98% of the energy of electrons is spent on the excitation of oscillations.

Свободные электроны, периодически набирая в процессе ускорения под действием электрического поля Е_уск и передавая при неупругих соударениях энергию молекулам газа, "перекачивают" электрическую энергию, накопленную в системе зажигания, непосредственно в колебательные уровни молекул газа. Это и есть "механизм", осуществляющий практически мгновенное энергетическое воздействие на относительно большой объем газовой среды в камере сгорания. Под действием неупругих соударений с электронами молекулы азота переходят с нижнего уровня v₀ на возбужденные колебательные уровни

Колебательно-возбужденные молекулы азота, имеющие нулевой дипольный момент, живут в возбужденном состоянии очень долго (по атомным масштабам), и, по существу, единственным механизмом отвода их колебательной энергии служат столкновения с невозбужденными молекулами, в том числе и с молекулами промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов. Во время этих столкновений колебательно возбужденные молекулы азота обмениваются колебательными квантами, которые имеют величину 0,29 эВ, с другими молекулами. В конечном итоге это приводит к возбуждению колебательных уровней метастабильных и других молекул промежуточных продуктов неполного окисления углеводородов, а также молекул кислорода, участвующих в цепной реакции окисления углеводородов, что приводит к быстрому разветвлению цепной реакции и объемному цепному взрыву топливовоздушной смеси.Free electrons, periodically gaining E _accele in the course of acceleration under the influence of an electric field and transferring energy to gas molecules during inelastic collisions, "pump" the electric energy accumulated in the ignition system directly into vibrational levels of gas molecules. This is the "mechanism" that carries out an almost instantaneous energy impact on a relatively large volume of the gaseous medium in the combustion chamber. Under the action of inelastic collisions with electrons, nitrogen molecules pass from the lower level v ₀ to excited vibrational levels

Vibrationally excited nitrogen molecules having a zero dipole moment live in an excited state for a very long time (on atomic scales), and, essentially, collisions with unexcited molecules, including molecules of intermediate products of incomplete oxidation, serve as the only mechanism for removing their vibrational energy. hydrocarbons. During these collisions, vibrationally excited nitrogen molecules exchange vibrational quanta, which are 0.29 eV, with other molecules. Ultimately, this leads to the excitation of vibrational levels of metastable and other molecules of intermediate products of incomplete oxidation of hydrocarbons, as well as oxygen molecules involved in the chain reaction of oxidation of hydrocarbons, which leads to a rapid branching of the chain reaction and volumetric chain explosion of the air-fuel mixture.

Эффективность описанного выше механизма возбуждения колебательных состояний молекул газовой среды путем неупругих столкновений со свободными электронами сильно зависит от концентрации свободных электронов в газе. Поэтому одной из основных причин совершенствования конструкции предложенной свечи зажигания было стремление создать как можно большее число свободных электронов во всем объеме камеры сгорания. Так, в некоторых вариантах реализации свеча имеет несколько боковых электродов, каждый из которых подключен к "земляному" потенциалу через отдельную подпорную емкость. Использование нескольких боковых электродов позволяет более равномерно "осветить" жестким электромагнитным излучением объем камеры сгорания. Это возможно потому, что величина каждой подпорной емкости С_i подобрана так, что запасаемая в ней энергия W_i намного меньше, чем запасенная энергия W_Σ в системе зажигания. Тогда при электрическом пробое первого и каждого последующего разрядных промежутков потенциал U₂ центрального высоковольтного электрода 2 уменьшается незначительно (фиг.8), а разность потенциалов между центральным высоковольтным электродом и боковыми электродами 3 еще не "пробитых" разрядных промежутков быстро восстанавливается и практически постоянно превышает ΔU_проб. Поэтому в разряде последовательно участвуют все разрядные промежутки между центральным высоковольтным электродом 2 и всеми боковыми электродами 3. Вариант исполнения свечи зажигания с использованием скользящего разряда по поверхности диэлектрика, изображенный на фиг.2, имеет более высокий кпд по генерации жесткого электромагнитного излучения по сравнению с вариантом фиг.1, в котором разряд происходит через газовые промежутки. При скользящем разряде по поверхности диэлектрика за счет поляризации диэлектрика и появления на его поверхности связанных электрических зарядов, как правило, реализуется большее перенапряжение на разрядном промежутке. Поэтому излучательная способность скользящего разряда в области жесткого электромагнитного излучения выше.The effectiveness of the above-described mechanism for the excitation of vibrational states of molecules of a gaseous medium through inelastic collisions with free electrons strongly depends on the concentration of free electrons in the gas. Therefore, one of the main reasons for improving the design of the proposed spark plug was the desire to create the largest possible number of free electrons in the entire volume of the combustion chamber. So, in some embodiments, the candle has several side electrodes, each of which is connected to the "earth" potential through a separate retaining capacity. The use of several side electrodes allows more uniformly "illuminate" the volume of the combustion chamber with hard electromagnetic radiation. This is possible because the value of each retaining capacitance C _{i is} selected so that the energy W _i stored in it is much less than the stored energy W _Σ in the ignition system. Then, during electric breakdown of the first and each subsequent discharge gaps, the potential U _{2 of the} central high-voltage electrode 2 decreases slightly (Fig. 8), and the potential difference between the central high-voltage electrode and the side electrodes 3 of the not yet "punched" discharge gaps quickly recovers and almost constantly exceeds ΔU _samples Therefore, in the discharge all the discharge gaps between the central high-voltage electrode 2 and all side electrodes 3 are sequentially used. The embodiment of the spark plug using a sliding discharge on the surface of the dielectric, shown in Fig. 2, has a higher efficiency in the generation of hard electromagnetic radiation compared to the embodiment figure 1, in which the discharge occurs through the gas spaces. In a sliding discharge over the surface of the dielectric due to the polarization of the dielectric and the appearance of coupled electric charges on its surface, as a rule, a greater overvoltage is realized in the discharge gap. Therefore, the emissivity of a sliding discharge in the field of hard electromagnetic radiation is higher.

Использование предложенной свечи зажигания в двигателе внутреннего сгорания позволяет существенно улучшить технические характеристики двигателя. Предложенная свеча зажигания обеспечивает стимулированное объемное самовоспламенение горючей смеси в нужной фазе рабочего цикла. При осуществлении объемного самовоспламенения практически в "верхней мертвой точке" реализуются все скрытые возможности поршневых двигателей внутреннего сгорания. Быстрое, синхронное практически во всем объеме камеры сгорания, развитие воспламенения и полное сгорание топлива позволяют поднять допустимую степень сжатия ε горючей смеси на основе бензина обычных марок (АИ 80÷АИ 92) до значений ε>16 и использовать "бедные" (α~1.1÷1,7) топливовоздушные смеси. При этом также существенно повышаются кпд, мощность, крутящий момент и эластичность двигателя одновременно со значительным повышением экономичности и экологической чистоты рабочего цикла.Using the proposed spark plug in an internal combustion engine can significantly improve the technical characteristics of the engine. The proposed spark plug provides stimulated volumetric self-ignition of the combustible mixture in the desired phase of the duty cycle. When volumetric self-ignition is carried out, practically all the latent possibilities of reciprocating internal combustion engines are realized practically at the “top dead center”. Fast, synchronous in almost the entire volume of the combustion chamber, the development of ignition and complete combustion of the fuel allow us to raise the permissible compression ratio ε of the combustible mixture based on conventional gasoline (AI 80 ÷ AI 92) to ε> 16 and use the "poor" (α ~ 1.1 ÷ 1.7) air-fuel mixtures. At the same time, the efficiency, power, torque and elasticity of the engine are significantly increased at the same time as a significant increase in efficiency and environmental cleanliness of the working cycle.

Источники информацииInformation sources

1. Levis В., v. Elbe G. "Combustion, Flames and Explosions of Gases". N.Y., 1951.1. Levis B., v. Elbe G. "Combustion, Flames and Explosions of Gases". N.Y., 1951.

2. US Patent 4092558.2. US Patent 4092558.

3. Патент RU №2161728.3. Patent RU No. 2161728.

4. Дж. М. Самервилл "Электрическая дуга", М.-Л., Госэнергоиздат, 1962, с.8.4. J. M. Samerville "Electric arc", M.-L., Gosenergoizdat, 1962, p.8.

5. W.L. Nighan, Phys. Rev. A2, 1989 (1970).5. W.L. Nighan, Phys. Rev. A2, 1989 (1970).

Claims

1. The spark plug for an internal combustion engine, made in the form of an electric spark gap, consisting of a grounded metal casing, a high voltage electrode with a dielectric insulating coating on its side surface mounted along the central axis of the casing, and one or more side electrodes, characterized in that a candle is additionally equipped with retaining capacitors by the number of side electrodes, one of the plates of each retaining capacitor is electrically connected to a metal pusom candles, and the other - with one of the side electrodes.

2. The spark plug according to claim 1, characterized in that the retaining capacitor is made in the form of a dielectric tube, the surface of which is metallized and is the outer lining of the capacitor, a dielectric tube is placed between the metal body of the candle and the dielectric insulating coating of the central high-voltage electrode of the candle, and the electrical connection is external capacitor plates with a candle body made by their direct contact, while the second capacitor plate is placed inside the dielectric Coy tube wall.

3. The spark plug according to claim 2, characterized in that in the wall of the dielectric tube of the retaining capacitor there are cavities open at one of the ends of the tube, the inner walls of the cavities are metallized, and the metal coating on the surface of each cavity is the second lining of the capacitor, with each side electrode inserted into the corresponding cavity and brought into electrical contact with a metallization layer.

4. The spark plug according to claim 1, characterized in that the side electrodes of the candle are placed around the high-voltage electrode and form gas discharge gaps with it.

5. The spark plug according to claim 1, characterized in that the ends of the side electrodes are placed on the surface of the dielectric coating of the central high-voltage electrode of the candle and form discharge gaps on the surface of the dielectric.