CZ2007738A3 - Zapalovací svícka - Google Patents

Abstract

Zapalovací svícka, zvlášte pro zážehový pístový spalovací motor, obsahuje strední elektrodu (3) jiskrište a pouzdro (1) tvorící druhou elektrodu jiskrište a opatrené prostredkem pro pripojení zapalovací svícky ke kompresnímu prostoru válce spalovacího motoru. Uvnitr pouzdra (1) je vytvorena zapalovací komurka (4), jejíž celo (12) privrácené kompresnímu prostoru válce príslušného zapalovací svícce obsahuje alespon jeden propojovací otvor (122). Strední elektroda (3) prochází prostorem zapalovací komurky (4) a je zakoncena v propojovacím otvoru (122) v cele (12) zapalovací komurky, pricemž mezi povrchem obvodu propojovacího otvoru (122) a povrchem obvodu konce strední elektrody (3) je mezera (5).

Description

Zapalovací svíčka

Oblast techniky

Zapalovací svíčka, zvláště pro zážehový pístový spalovací motor, obsahující střední elektrodu jiskřiště a pouzdro tvořící druhou elektrodu jiskřiště a opatřené prostředkem pro připojení zapalovací svíčky ke kompresnímu prostoru válce spalovacího motoru, přičemž uvnitř pouzdra je vytvořena zapalovací komůrka, jejíž čelo přivrácené kompresnímu prostoru válce příslušného zapalovací svíčce obsahuje alespoň jeden propojovací otvor.

Dosavadní stav techniky

Zážehové motory (benzinové, plynové) pracují převážně s vnějším tvořením směsi, tzn., že do válců motoru přichází směs ve stavu velmi pokročilé připravenosti: k dokončení tvoření a homogenizace směsi ve válci motoru (v případě benzinu potom i jeho úplné odpaření a promísení palivových par se vzduchem) je k dispozici relativně dlouhá doba celého plnicího zdvihu a podstatná část zdvihu kompresního. Připravená homogenní směs potom spolu s uzavřeným objemem vytváří vhodné podmínky pro kinetický průběh spalovacího procesu ve válci motoru.

Iniciace spalovacího procesu v zážehových motorech se uskutečňuje mechanizmem vysokoteplotního vznícení velmi malého objemu připravené směsi. Vysokonapěťovým (VN) výbojem na elektrodách zapalovací svíčky se extrémně zvýší teplota ve velmi malém objemu zápalné směsi a to nastartuje předoxidační reakce v palivu.Vlivem vysoké teploty se molekuly uhlovodíkového paliva, které přišly do styku s kyslíkem, mění na radikály s peroxidovou vazbou, které se rychle rozpadají a vznikají energeticky bohaté aktivované částice volné radikály, které iniciují průběh dalších řetězových reakci. Po vytvoření dostatečné koncentrace aktivovaných částic celý proces vrcholí vznikem ohniska zážehu. Z ohniska zážehu se hoření začíná rozšiřovat účinkem přestupu tepla a postupným zvyšováním koncentrace produktů předoxidačních reakcí v oblasti těsně před zónou hoření v ohnisku zážehu. Koncentrace «· ···· * ·· ·· »♦♦· • · · · · · · · t· .· ·. . ί : PS3642CZ’ • · v · · · · *· • Ml · ··< ** ··· aktivovaných částic v nespálené směsi se zvyšuje jednak teplotním účinkem (vedením tepla) z čela plamene, jednak do nespálené směsi pronikají aktivované částice i ze zóny hoření: tím se vytváří vhodné podmínky pro šíření plamene do okolní směsi. Postup plamene až do úplného vyhoření směsi v celém objemu spalovacího prostoru (válce motoru) je zajištěn šířením a rozvojem oxidačních reakcí nejprve z ohniska zážehu a následně i z dalších oblastí postupujícího hoření.

Kinetické spalování homogenní připravené směsi a zdánlivě jednoznačné podmínky pro zážeh i následné hoření jsou ale ve skutečnosti komplikovány řadou vlivů, které způsobují špatnou reprodukovatelnost pracovních cyklů, projevující se jejich velkou mezicyklovou variabilitou. Mezicyklová variabilita je dlouhodobým problémem zážehových motorů a její příčinou je značná proměnlivost podmínek pro dosažení potřebné koncentrace volných radikálů v tvořícím se ohnisku zážehu, způsobovaná větším počtem vlivů: významně se projevuje skutečnost, že ve válci motoru a tedy i v nejbližším okolí elektrod zapalovací svíčky je turbulentní prostředí, ve kterém se aktivované částice rozptylují do širšího okolí a tím se zpomaluje proces zážehu. Podmínky ke vzniku ohniska zážehu mají proto vlivem turbulence nahodilou povahu. Průběh následného hoření směsi, který je silně závislý na počáteční fázi hoření, se proto v zážehových motorech vyznačuje již zmíněnou mezicyklovou variabilitou, projevující se cykl od cyklu relativně velkými rozdíly v průběhu tlaku ve válci motoru. Mezicyklová variabilita komplikuje optimalizaci seřízení zážehového motoru a zhoršuje jeho účinnost i výkonové a emisní parametry.

Některé vozidlové zážehové motory používají ke zlepšení podmínek pro spolehlivé zapálení a stabilnější průběh spalovacího procesu zážeh směsi pomocí 2 zapalovacích svíček, umístěných v protilehlých místech spalovacího prostoru. Takové řešení je ale konstrukčně komplikované a proto málo rozšířené. Jiné skupiny zážehových motorů (např. stacionární plynové motory) používají pro kvalitnější a spolehlivější zapálení směsi tzv. nepřímý zážeh směsi ve spalovacím prostoru ve válci motoru vyšlehnutím hořící směsi ze zapalovací komůrky. Zapalovací komůrka je oddělený prostor s velmi malým ·· ···· *« · · ··· * • · » ····» * .· ·. . :: &S3542CZ· • · · · · * · · · ·· ··· ·· * objemem, ve které se zvláštním přívodem plynu vytvoří obohacená směs, která po zažehnuti VN výbojem na zapalovací svíčce (umístěné v zapalovací komůrce) začne velmi rychle hořet (vyhoření do cca 1 ms) a spaliny spolu s hořící směsí vyšlehnou z komůrky propojovacími kanálky do hlavního spalovacího prostoru a zažehují na mnoha místech směs v hlavním spalovacím prostoru - téměř současný zážeh směsi ve více místech spolu s vyvolanou turbulencí podporují rozvoj rychlého a relativně velmi stabilního procesu v hlavním spalovacím prostoru ve válci motoru. Vhodně vyřešeným nepřímým zážehem lze spolehlivě zažehnout a spalovat velmi chudé směsi s vysokým přebytkem vzduchu (λ = 2-5-2,4) při relativně nízké mezicyklové variabilitě. Toto zařízení a jeho příslušenství je ovšem složité a tím drahé.

Řešení například podle DE 197 14 796 A1 používá zapalovací komůrku bez samostatného přívodu paliva .Jiskřiště zapalovací svíčky uspořádané v zapalovací komůrce zapaluje směs, která do komůrky přitekla propojovacími kanálky z válce motoru při kompresním zdvihu. Zapalování směsi v zážehovém motoru pomocí zapalovací komůrky bez samostatného přívodu paliva do komůrky je použito i v některých motorech typu GDI (FSI - zážehové motory s přímým vstřikem paliva a spalováním vrstvené heterogenní směsi), kde speciální úpravou tvaru kompresního prostoru a vhodným uspořádáním vtokových a výšlehových kanálků v komůrce se dosahuje významného zlepšení kvality zážehu. Taková uspořádání zapalovacích komůrek jsou popsána například i v dokumentech DE 102005017186, JP 2006144648, US 20050211217 a jinde.

V zážehových motorech podle výše uvedených řešení spalujících připravenou homogenní směs zlepšuje zapalovací komůrka bez samostatného přívodu paliva do komůrky energetické a výkonové parametry motoru v režimech vyššího zatížení. Při volnoběhu, nebo při nízkém zatížení motoru je činnost této zapalovací komůrky zhoršena poklesem tlaku ve válci motoru, v jehož důsledku se do komůrky dostane menší množství směsi.

Cílem vynálezu je odstranit, nebo alespoň podstatně zmírnit nedostatky dosavadního stavu techniky.

·· ·· *♦*» • * · · *

« : RS3542EZ* « « · · ·* ♦· *

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo zapalovací svíčkou obsahující zapalovací komůrku podle vynálezu, jejíž podstata spočívá vtom, že střední elektroda prochází prostorem zapalovací komůrky a je zakončena v propojovacím otvoru včele zapalovací komůrky, přičemž mezi povrchem obvodu propojovacího otvoru a povrchem obvodu konce střední elektrody je mezera.

Tato mezera tvoři jednak průtokový průřez mezi objemem zapalovací komůrky a kompresním objemem ve válci motoru, jednak je současně jiskřištěm zapalovací svíčky, Tímto uspořádáním jiskřiště je zajištěn současný zážeh směsi v zapalovací komůrce a v kompresním prostoru válce motoru.

Výhodné je také, když konec střední elektrody má v oblasti propojovacího otvoru zapalovací komůrky vzhledem k části střední elektrody procházející zapalovací komůrkou menší průměr, přičemž tento konec střední elektrody může mít válcovitý, nebo kuželovitý povrch, případně je jeho povrch kombinací komolého kužele navazujícího na průměr střední elektrody a zužujícího se směrem konci střední elektrody, přičemž na něj navazuje válcovitý povrch, jehož průměr je menší, než průměr střední elektrody.

Tímto tvarem konce střední elektrody lze při zachování požadované funkce jiskřiště dosáhnout i výhodného proudění propojovacím otvorem při plnění komůrky směsí a výšlehu spalin po zážehu.

Rovněž je výhodné, když včele zapalovací komůrky přivráceném kompresnímu prostoru válce příslušného zapalovací svíčce je vytvořen alespoň jeden další propojovací otvor.

Tím lze zvětšit celkový průtočný průřez pro plnění zapalovací komůrky směsí a zajistit optimální směr výšlehu nebo více výšlehů po zážehu.

Dále je výhodné, když propojovací otvor, do kterého vstupuje střední elektroda, je nekruhový, s výhodou ve tvaru hvězdice.

Hvězdicovitým a jemu podobným tvarem lze jednak zachovat vhodnou vzdálenost kružnice vepsané hvězdici od povrchu konce střední elektrody, která je přeskokovou vzdáleností jiskřiště, přičemž cípy hvězdice výhodně zvětšují průtočný průřez takto vzniklého propojovacího otvoru.

to« to··· * · ·· ···· · ······ · .· ·.. : : RS354XZ· • · to · · to toto· • toto* toto ··· · ·· ·

Přehled obrázků na výkrese

Příkladná provedení zapalovací svíčky podle vynálezu jsou znázorněna na výkrese, kde značí obr. 1 základní provedení zapalovací svíčky s integrovanou zapalovací komůrkou, obr. 2 provedení s dalšími propojovacími otvory ze zapalovací komůrky, obr. 3a, 3b příkladné provedení s nekruhovým propojovacím otvorem tvořícím jiskřiště, kde obr. 3b je pohledem „P“ z obr. 3a, a obr. 4 až 6 modifikace konců střední elektrody.

Příklady provedení vynálezu

Zapalovací svíčka podle vynálezu obsahuje pouzdro 1_opatrené závitem pro upevnění zapalovací svíčky ke spalovacímu prostoru válce motoru. V horní části pouzdra 1 zapalovací svíčky je těsně upevněn izolátor 2, kterým prochází střední elektroda 3. Ve spodní části pouzdra v oblasti jeho závitu 11 je vytvořena dutina zapalovací komůrky 4, jejíž objem činí v příkladném provedení 0,5 cm³. Horní konec 31 střední elektrody 3 vystupující z izolátoru 2 slouží k připojení vysokonapěťového kabelu, spodní koncová část 32 prochází dutinou zapalovací komůrky 4. Ve spodním čele 12 dutiny zapalovací komůrky 4 je centrální propojovací otvor 121, do kterého svým čelem zasahuje konec 321 koncové části 32 střední elektrody 3. Mezi válcovitým koncem 321 střední elektrody 3 a propojovacím otvorem 121 je obvodová mezera 5. Pouzdro 1 tvoří zemnící elektrodu zapalovací svíčky a mezera 5 tedy vytváří prostor jiskřiště zapalovací svíčky.

Na obr. 2 je znázorněno uspořádání zapalovací svíčky se zapalovací komůrkou 4, jejíž čelo 12 je kromě centrálního propojovacího otvoru 121, do kterého vstupuje svým koncem 321 střední elektroda 3, opatřeno dalším propojovacím otvorem 122. Základní uspořádání je shodné jako v případě provedení zapalovací svíčky podle obr.1. V neznázorněném provedení je čelo opatřeno několika propojovacími otvory 122. Otvory 122 přitom mohou být s podélnou osou svíčky rovnoběžné, různoběžné, nebo mimoběžné, přičemž nemusí být přímé. Otvory 122 přitom mohou být rovnoběžné, různoběžné, nebo mimoběžné také vzájemně vůči sobě.

·· ···· ·· ·· ···· • · · ······ · .· . I : RS354XZ* • · · · · · · · t ·«·· ·· ··· ·· ♦· ·

Na provedeních podle obr. 1 a 2 je centrální propojovací otvor 121 kruhový. Na obr. 3a, 3b je centrální propojovací otvor 121 nekruhový. V tomto příkladném provedení je vytvořen jako několikacípá hvězdice, což může být výhodné i z hlediska výrobní technologie. Původně trubkovitý tvar spodního konce pouzdra 1 je směrem od okraje nastříhán, rozvinutý tvar je naznačen na obr. 3a. Čelo 12 s cípatým propojovacím otvorem 121 tvaru hvězdice je potom vytvořeno přihnutím cípů 123 vzniklých stříháním, jak znázorňuje pohled propojovací otvor 121 na obr. 3b.

V provedení podle obr. 4 je konec 322 střední elektrody 3 zasahující do propojovacího otvoru 121 válcovitý, přičemž má menší průměr, než koncová část 32 střední elektrody 3 procházející prostorem zapalovací komůrky 4.

V provedení podle obr. 5 je konec 323 střední elektrody 3 zasahující do propojovacího otvoru 121 kuželovitý, přičemž se směrem od dutiny zapalovací komůrky 4 zužuje.

V provedení podle obr. 6 je konec 324 střední elektrody 3 zasahující do propojovacího otvoru 121 zpočátku kuželovitý, přičemž se směrem od zapalovací komůrky 4 zužuje a přechází do válcovité části o malém průměru.

Je zřejmé, že tvar konce střední elektrody 3 v oblasti propojovacího otvoru 121 a tvar propojovacího otvoru 121 není omezen znázorněnými příkladnými provedeními,

V průběhu kompresního zdvihu pístu je homogenní směs kapalného paliva a vzduchu, případně plyn, stlačována, při čemž vniká propojovacím otvorem 121 případně dalším, nebo dalšími propojovacími otvory 122, do zapalovací komůrky 4. V okamžiku zážehu je vysokonapěťovým výbojem v prostoru jiskřiště mezi koncem 321, 322, 323, 324 střední elektrody 3 a propojovacím otvorem 121 pouzdra 1 tvořícího zemnící elektrodu zapálena současně směs v kompresním prostoru válce i v prostoru zapalovací komůrky

4. V neproměnném objemu dutiny zapalovací komůrky 4 se významně zrychlí vyhořívání náplně zapalovací komůrky 4 a zažehnutá a hořící směs v zapalovací komůrce 4 je mezerou 5 mezi střední elektrodou 3 a obvodem propojovacího otvoru 121, príp. i dalšími propojovacími otvory 122 v čele 12 zapalovací komůrky 4, vyšlehnuta do spalovacího prostoru ve válci. Tím se » ♦ ♦ • · · **·· ·*

V» Φ··· * · ·

zajistí zrychleni rozvoje hoření v homogenní směsi ve válci motoru, zlepšení stability průběhu hoření a snížení mezicyklové variability. Hvězdicovitým a jemu podobným tvarem propojovacího otvoru 121 například podle obr. 3 lze vytvořit potřebnou přeskokovou vzdálenost vhodnou vzdálenost jiskřiště danou 5 mezerou mezi kružnicí vepsanou hvězdici a povrchem konce střední elektrody, přičemž cípy hvězdice výhodně zvětšují průtočný průřez propojovacího otvoru 121.

Vzhledem ktomu, že jiskřiště je podle vynálezu situováno na rozhraní zapalovací komůrky 4 a kompresního prostoru válce, dojde k zapálení směsi 10 v zapalovací komůrce 4 i v Části kompresního prostoru sousedící sjiskřištěm současně. Proto i při volnoběžných otáčkách motoru, nebo při malém zatíženi, kdy není zapalovací komůrka 4 dostatečně zaplněna směsí, je výsledný efekt zapálení směsi v kompresním prostoru minimálně v kvalitě odpovídající zapalování klasickou zapalovací svíčkou sjiskřištěm situovaným v kompresním 15 prostoru. Při velmi kvalitním zapálení směsi a tím kvalitním průběhu spalovacího děje při zatížení v podmínkách pracovního chodu jsou zachovány požadované parametry volnoběhu a chodu s nízkým zatížením. Přitom do zapalovací komůrky 4 není zaveden samostatný přívod paliva.

’ ΰ 2co4 • · ·· ···· ·· · · · · · : : RS3S42C2· « · · · · « ·· ··♦·

Seznam vztahových značek

I pouzdro

II závit čelo (dutiny zapalovací komůrky)

121 propojovací otvor (centrální)

122 propojovací otvor

123 cíp střední elektroda horní konec (střední elektrody) koncová část (střední elektrody)

321 konec (střední elektrody - dolní)

322 konec (střední elektrody - dolní)

323 konec (střední elektrody - dolní)

324 konec (střední elektrody - dolní) zapalovací komůrka mezera

Claims (10)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zapalovací svíčka, zvláště pro zážehový pístový spalovací motor, obsahující střední elektrodu jiskřiště a pouzdro tvořící druhou elektrodu jiskřišté a opatřené prostředkem pro připojení zapalovací svíčky ke kompresnímu prostoru válce spalovacího motoru, přičemž uvnitř pouzdra je vytvořena zapalovací komůrka, jejíž čelo přivrácené kompresnímu prostoru válce příslušného zapalovací svíčce obsahuje alespoň jeden propojovací otvor, vyznačující se tím, že střední elektroda (3) prochází prostorem zapalovací komůrky (4) a je zakončena v propojovacím otvoru (121) v čele (12) zapalovací komůrky (4), přičemž mezi povrchem obvodu propojovacího otvoru (121) a povrchem obvodu konce (321, 322, 323, 324) střední elektrody (3) je mezera (5).

2. Zapalovací svíčka podle nároku 1, vyznačující se tím, že konec (321, 322, 323, 324) střední elektrody (3) má v oblasti propojovacího otvoru (121) zapalovací komůrky (4) vzhledem k části (32) střední elektrody (3) procházející zapalovací komůrkou (4) menší průměr.

3. Zapalovací svíčka podle nároku 2, vyznačující se tím, že konec (321, 322, 323, 324) střední elektrody (3) má v oblasti propojovacího otvoru (121) zapalovací komůrky (4) válcovitý povrch.

4 4 4 44

44 444 •44444 • · ♦ • •4 • 44 »444»4

•4 444444 • FÍS354XZ·’

4. Zapalovací svíčka podle nároku 2, vyznačující se tím, že konec (321, 322, 323, 324) střední elektrody (3) má v oblasti propojovacího otvoru (121) zapalovací komůrky (4) kuželovitý povrch, přičemž vrchol kužele směřuje ke konci střední elektrody (3).

5. Zapalovací svíčka podle nároku 2, vyznačující se tím, že konec (321, 322, 323, 324) střední elektrody (3) má v oblasti propojovacího otvoru (121) zapalovací komůrky (4) kuželovitý povrch navazující na průměr střední elektrody (3) a zužující se směrem konci střední elektrody (3), přičemž na něj navazuje válcovitý povrch, jehož průměr je menši, než průměr střední elektrody (3).

6. Zapalovací svíčka podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že včele (12) zapalovací komůrky (4) přivráceném kompresnímu prostoru válce příslušného zapalovací svíčce je vytvořen alespoň jeden další propojovací otvor (122).

5

7. Zapalovací svíčka podle nároku 6, vyznačující se tím, že další propojovací otvor nebo otvory (122) jsou s podélnou osou svíčky a/nebo vzájemně vůči sobě rovnoběžné, nebo různoběžné, nebo mimoběžné.

8. Zapalovací svíčka podle nároku 6, vyznačující se tím, že další propojovací otvor nebo otvory (122) jsou zakřivené.

10

9. Zapalovací svíčka podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že propojovací otvor (121), do kterého vstupuje střední elektroda (3), je nekruhový.

10. Zapalovací svíčka podle nároku 7, vyznačující se tím, že propojovací otvor (121) má tvar hvězdice.