Формування поля електричного розряду в технологічних лініях за допомогою плоских струмопровідних кінцівок центрального електроду

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України й політехнічний інститут

імені Ігоря Сікорського”

Формування поля електричного розряду в технологічних лініях за допомогою плоских струмопровідних кінцівок центрального електроду

Мельник Вікторія Миколаївна доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри біотехніки та інженерії

Анотація

Розкривається природа формування в робочому об'ємі центрального електроду свічки запалювання цілої низки плоских поверхонь електричного розряду. Вивчається можливість збільшення займистості робочої суміші та суттєвого підвищення електричного розряду. Аналізуються можливості використання пропонуємого технічного ріщення для забезпечення цілковитого спалювання робочої суміші та зменшення рівня викидів в оточуюче середовище. Пропонується використання свічки запалювання з метою передчасного електрохімічного руйнування поверхні електроду. Зазначені шляхи підвищення потужності двигуна.

Ключові слова: електричний розряд, центральний електрод, струмопровідні пластини, детонація.

Abstract

Mel'nick V. doctor of technical sciences, professor, Head of the Department of bioengineering and biotechnics, National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"

FORMATION OF THE FIELD OF ELECTRICAL DISTRIBUTION IN TECHNOLOGICAL LINES THROUGH THROUGH THE PLANE CIRCUMSTANCES OF THE CENTRAL ELECTRICITY

The nature of formation in the working volume of the central electrode of a spark plug is revealed in a number of flat surfaces of an electric discharge. The possibility of increasing the flammability of the working mixture and a significant increase in the electric discharge is studied. The possibilities of using the proposed technical solution for the complete combustion of the working mixture and reducing the level of emissions into the environment are analyzed. The use of spark plugs for the purpose of premature electrochemical destruction of the surface of the electrode is proposed. The indicated ways of increasing the engine power.

Key words: electric discharge, central electrode, conductive plates, detonation.

Вступ

Свічка запалювання -- це пристрій системи запалювання бензинового двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), що слугує для створення іскрового проміжку в колі високої напруги з метою запалювання робочої суміші в циліндрі двигуна.

Свічка запалювання була винайдена у 1860 році Джоном Ленуаром і з того часу не зазнала значних зовнішніх змін. Вона являє собою пристрій, що складається із двох електродів, розташованих всередині циліндра двигуна. Висока напруга, що забезпечується системою запалювання призводить до виникнення іскри між цими електродами, яка і запалює паливо -повітряну суміш. Свічка запалювання працює у високотемпературних умовах. Температура в камері згоряння може досягати 2500 °С, а тиск 50 атмосфер.

Корпус свічки виготовляється із сталі та має різьбу для вкручування у головку блока циліндрів та шестигранник для спеціального «Свічного» ключа. Поверхня корпусу нікелюється для запобігання корозії. На корпус свічки запресовується ізолятор.

Для забезпечення нормальної роботи свічки важливе значення має матеріал, з якого виготовлені електроди, оскільки вони повинні забезпечувати появу іскри, бути стійкими до високотемпературного режиму у камері згоряння. Матеріалом для виготовлення центрального електроду служить хромотитанова сталь 13Х25ТТ або ніхром Х20Н80; бічні електроди виготовляють із нікель-марганцевого сплаву НИ5. Бічний електрод з'єднаний із стальним корпусом і має зазвичай прямокутний переріз або трапецеподібний.

Робота свічки запалювання залежить від чотирьох факторів:

Матеріал, із якого виготовлені електроди свічки. Електроди із мідною серцевиною мають більш високу здатність до тепловіддачі.

Довжина ізолятора центрального електрода. Довжиною ізолятора вважається відстань від кінця ізолятора до місця, де він з'єднується із тепловивідною поверхнею.

Довжина на яку виступає ізолятор в середину камери згоряння. Вона з'вязана з ефектом додаткового охолодження пальною сумішшю.

Відстань від ізолятора центрального електрода до корпуса. Цей параметр є дуже важливим, так як він визначає об'єм у якому циркулюють гази.

Аналіз літературних даних та постановка проблеми

Пропонуєме технічне рішення відноситься до машинобудування, а саме до електрообладнання двигунів внутрішнього згоряння, зокрема, до свічок запалювання, призначених для запалювання робочої суміші.

Відома свічка запалювання, яка містить корпус з боковим електродом, установлений в його центральному отворі ізолятор з центральним електродом, торець якого утворює з боковим електродом іскровий проміжок, і з'єднану з корпусом насадку, яка має внутрішню розширену назовні конусну поверхню, а також канал для бокового електрода, насадка закріплена в центральному отворі корпуса, а боковий електрод розташований зовні насадки, причому кінець бокового електроду, який утворює іскровий проміжок, розташований над насадкою, яка містить вентиляційні отвори [2].

Під час такту стиску виникає ущільнення робочої суміші, що слугує підвищенню тиску і температури. При подачі високовольтної напруги на центральний електрод, починається іонізація іскрового проміжку. В певний момент часу настає пробій іскрового проміжку.

Струм розряду іскри має високу температуру, що призводить до утворення плазменної кульки і займання робочої суміші. Незважаючи на присутність газового вихоря, потужне поле конусної насадки захищає від розповсюдження полум'я в камері згоряння. Горіння розвивається тільки у внутрішній порожнині свічки запалювання.

По завершенні такту стискання, свічка запалювання вистрілює накопиченою тепловою енергією у вигляді потужного розширного плазменного факелу. При досягненні факелом центру камери згоряння, горіння розповсюджується симетрично і досить швидко.

Недоліком цього технічного рішення постає асиметричне горіння суміші, до того ж, на надмірно подовженній траєкторії, причому, при іскровому розряді значна доля енергії витрачається на випромінювання і утворення ударної хвилі. Дана конструкція свічки запалювання не дозволяє ефективно використовувати енергію іскрового розряду, внаслідок розсіяння її в об'ємі камери згоряння двигуна. Вказаний недолік знижує енергетичний потенціал свічки запалювання в розумінні швидкого і якісного займання робочої суміші, що, в свою чергу, не дозволяє створити надійну займистість робочої суміші в камері згоряння.

Відома також свічка запалювання, яка містить корпус з боковим електродом, встановлений у його центральному отворі ізолятор з центральним електродом, торець якого утворює з боковим електродом іскровий проміжок [3]. свічка запалювання електричний розряд

Свічка запалювання повинна гарантувати займистість робочої суміші в циліндрах двигуна при подачі на неї високої напруги. Розміщення свічки запалювання в головці блоку циліндрів і частково в камері згоряння створює надзвичайно напружені умови її роботи.

Недолік такого технічного рішення полягає у наявній лише поодинокій подовженій лінії електричного розряду, жорстких вимогах до обмежень величини робочого об'єму свічки запалювання, недостатній ефективності займистості робочої суміші при порушенні цієї вимоги і, крім того, у потребі використання електричних струмів підвищеного рівня, що підводиться до свічки запалювання, а також обмеження поверхні електричного розряду, що призводить до зниження потужності двигуна і до збільшення рівня шкідливих викидів в навколишнє середовище та виникнення передчасного електрохімічного руйнування поверхні електрода.

Вдосконалення свічки запалювання для двигунів внутрішнього згоряння можливе шляхом підвищення енергетичного потенціалу іскрового розряду свічки [4, 5] та формуванням зон концентрації теплової енергії [6, 7, 8]. Технічна реалізація оптимальної поверхні циліндричного стовпа вольтів на поверхні кривих четвертого порядку проаналізована в роботі [9, 10]. Розкриті можливості напівавтоматичного регулювання системи запалювання водієм в салоні машини [11, 12, 13].

Мета і задачі досліджень

За мету обрано пошук шляхів збільшення кількості і рівня ущільнення наявних форм поверхонь електричного розряду, скасування обмежень на величину робочого об'єму свічки запалювання, зростання іскрового проміжку, що збільшить потужність двигуна і зменшить рівень шкідливих викидів в навколишнє середовище, запобігання передчасному електрохімічному руйнуванню поверхні електроду, а також задачі ліквідації загрози детонації.

Задачі дослідження окреслюються формуванням свічкою запалювання такої поверхні стовпа вольтів, яка б забезпечила:

підвищення ефективності займистості;

цілковите спалювання робочої суміші і, як наслідок, зменшення рівня викидів в оточуюче середовище;

збільшення потужності двигуна;

зменшення потужності електричного імпульсу;

уповільнення передчасного руйнування поверхні електроду;

ліквідування детонації в широкому інтервалі зміни зовнішніх кліматичних умов - температури, вологості, октанового показника тощо.

Опис конструкції

Пропонуєме технічне рішення - свічка запалювання «Астра» містить корпус з боковим електродом, встановлений у його центральному отворі ізолятор з центральним електродом, торець якого утворює з боковим електродом іскровий проміжок, згідно заявленого винаходу центральний електрод рівномірно обладнаний по своїй довжині прямокутними радіальними струмопровідними пластинами, основна частина яких жорстко з'єднує центральний електрод і ізолятор, а незначна частина пластин виступає над поверхнею торця, причому ближні і протилежні кінцівки виступаючих частин пластин з'єднані між собою струмопровідними кільцями, центри яких знаходяться на осі центрального електроду.

Центральний електрод рівномірно обладнаний по своїй довжині прямокутними радіальними струмопровідними пластинами, основна частина яких жорстко з'єднує центральний електрод і ізолятор, а незначна частина пластин виступає над поверхнею торця, причому ближні і протилежні кінцівки виступаючих частин пластин з'єднані між собою струмопровідними кільцями, центри яких знаходяться на осі центрального електроду, що дозволяє в робочому об'ємі доповнити поодиноку потужну подовжену лінію електричного розряду цілою низкою плоских поверхонь розряду від пластин і суттєво підвищити ступінь ущільнення поверхонь електричного розряду в робочому об'ємі, значно спростити вимоги жорсткого обмеження величини робочого об'єму свічки запалювання, збільшити займистість робочої суміші, суттєво підвищити електричний розряд, що забезпечить значний приріст потужності двигуна і зменшить рівень шкідливих викидів в навколишнє середовище, запобігнути передчасному електрохімічному руйнуванню поверхні електроду, а також ліквідувати загрозу детонації.

Рис. 1. Свічка запалювання «Астра»

Рис. 2. Поперечний переріз в поздовжньому перерізі нижнього торця центрального електроду

На рис. 1 зображена свічка запалювання «Астра» в поздовжньому перерізі; на рис. 2 показаний поперечний переріз нижнього торця центрального електроду (збільшений).

Свічка запалювання «Астра» використовується для запалювання робочої суміші в двигунах внутрішнього згоряння і містить корпус 1 з порожниною 2, в якій розміщений центральний електрод 3, екранований від корпусу ізолятором 4 (рис. 1). До зовнішньої поверхні корпусу 1 приварено боковий електрод 5, який утворює іскровий проміжок д з торцем 6 центрального електроду 3. Центральний електрод 3 рівномірно обладнаний по своїй довжині прямокутними радіальними струмопровідними пластинами 7, основна, більша, частина яких жорстко з'єднує центральний електрод 3 і ізолятор 4, а незначна частина пластин 7 виступає над поверхнею торця 6, причому ближні до поздовжньої осі 8 кінцівки 9 пластин 7, з'єднані струмопровідним кільцем 10 радіуса г , а віддалені кінцівки 11 пластини 7, з'єднані струмопровідним кільцем 12 радіуса Я. Центр 13 кільця 10 і центр 14 кільця 12 знаходяться на поздовжній осі 8 центрального електроду 3 (рис. 1, рис. 2).

Робота свічки запалювання «Астра» здійснюється наступним чином.

При заповненні робочою сумішшю камери згоряння двигуна під час такту стиску, імпульс високої напруги подається на центральний електрод 3, де на його торці 6 формується збільшена поверхня електричного розряду, це дозволяє в робочому об'ємі доповнити поодиноку потужну подовжену лінію електричного розряду цілою низкою плоских поверхонь розряду від пластин 7 і суттєво підвищити ступінь ущільнення поверхонь електричного розряду в робочому об'ємі (рис. 1, рис. 2).

Надалі, наявність струмопровідних співвісних кілець 10 та 12 співвісних з поздовжньою оссю 8 центрального електроду 3 дозволяє додатково сформувати дві циліндричні поверхні стовпа вольтів радіуса г та Я, причому в центрі робочого об'єму, завдяки цьому, здійснюється ущільнення цих двох циліндричних стовпів вольтів у робочому просторі, обмеженому величиною ( Я -- г ), а також суттєве збільшення поверхні розряду всередині меншого стовпа вольтів радіуса г від поодинокої тонкої лінії електричного розряду до циліндричної поверхні стовпів вольтів. Отже, в середині робочого об'єму формується за допомогою двох циліндричних стовпів вольтів радіусами Я та г ущільнення поверхонь електричного розряду, що слугує збільшенню потужності двигуна.

Крім того, в робочому об'ємі створюються реальні умови для ущільнення наявних форм поверхонь електричного розряду і тим самими скасовуються жорсткі умови до величини робочого об'єму свічки запалювання, підвищується ефективність займистості робочої суміші, збільшується поверхня електричного розряду і, як наслідок, підвищується потужність двигуна та неминуче зменшується рівень шкідливих викидів в навколишнє середовище та ліквідується загроза передчасного електрохімічного руйнування поверхні електрода.

Висновки

Таким чином, використання свічки запалювання «Астра» дозволить, за допомогою нових властивостей збільшить рівень ущільнення наявних форм поверхонь електричного розряду, скасувати жорсткі вимоги до обмеження величини робочого об'єму свічки запалювання, зменшити необхідну потужність електричного струму, що приведе до збільшення потужності двигуна, зменшить рівень шкідливих викидів в навколишнє середовище, запобігне передчасному електрохімічному руйнуванню поверхні електроду, а також ліквідує загрозу детонації.

Література

1. Пат. 74524 Российская Федерация, МПК7Н01Т 13/00 (2006.01). Свечи зажигания (испытания свечей зажигания G01M 19/02) [Текст]/ Бугаец Е.С.; Заявитель и патентообладатель Бугаец Е.С. - №2008104927/22; заявл. 13.02.2008; опубл. 27.06.2008. Бюл. №13; - 3 с.: ил.

2. Акимов, С.В. Электрооборудование автомобилей [Текст]: моногр./ С.В. Акимов, Ю.П. Чижков. - М.: ЗАО «КИСИ «За рулем», 2004. - С. 207 рис. 6.15.

3. Пат. на кор. модель 63641 Україна, МПК (2011. 01). Свічка запалювання для двигунів внутрішнього згоряння НО1Т 13/00[Текст]/ Зайцев Г.І., Зайцев В.І.; заявники і патентовласники Зайцев Г.І., Зайцев В.І. №u 201105371.; заявл. 27.04.2011; опубл. 10.10.2011, Бюл. № 19. - 6 с.: іл.

4. Пат. на кор. модель 81817 Україна, МПК (2013. 01). Свічка запалювання НО1Т 13/00 [Текст]/ Мельник В.М.; заявник Мельник В.М.; патентовласник Нац. тех. ун-т. України «КПІ». - №u 201301243.; заявл. 01.02.2013; опубл. 10.07.2013. Бюл. № 13. - 1 с.: іл.

5. Мельник, В.М. Концентрування потужності іскрового розряду свічки запалювання [Текст]/ В.М. Мельник // materily ix mezinarodni vedecko-prakticka konference «aplikovane devecke novinky-2013», 27.07.2013-05.08.2013. Dil 14. Technicke vedy: Praha, Publishind House «Education and Scence», 2013. - Str. 17-19.

6. Мельник, В.М. Керування зони просторової концентрації електричної енергії електрода свічки запалювання [Текст]/ В.М. Мельник // materily ix mezinarodni vedecko-prakticka konference «predni vedecke novinky-2013», 27.08.2013-05.09.2013. dil 10. Technicke vedy: Praha, Publishind House Education and Scence», 2013. - Str. 46-50.

7. Пат. на кор. модель 85151 Україна, МПК НО1Т 13/00. Свічка запалювання [Текст]/ В.М . Мельник., В.В. Карачун, В.Ю.Шибецький; заявники В.М. Мельник, В.В. Карачун, В.Ю. Шибецький; патентовласник Нац. тех. ун-т. України «КПІ». - №u 201306285.; заявл. 21.05.2013; опубл. 11.11.2013. Бюл. № 21. - 1 с.: іл.

8. Пат. на кор. модель 81217 Україна, НО1Т 13/00. Свічка запалювання [Текст]/ В.М. Мельник; заявник і патентовласник В.М. Мельник; - №u 201310503; заявл. 28.08.2013; опубл. 27.01.2014. Бюл. № 2. - 1 с.: іл.

9. Виноградов, И.М. Кассини вал [Текст]/ Математическая енциклопедія /И.М. Виноградов // Советская энциклопедия. 1975-1985.

10. Советский энциклопедический словарь

11. [Текст]/ Изд. Второе. -М.: Советская энциклопедия, 1982. -1600 с Гл. Ред.. А.М. Прохоров

12. Мельник, В.М. Підвищення займистості робочої суміші двигуна [Текст]/В.М. Мельник // «MADERN EOROPEAN SCINCE-2014», June 30- July 7, 2014. Technical sciences: materials of xi international research and practice conference. science and Education Ltd:Sheffield. UK, 2014. -Str. 44-46.

13. Korobiichuk, I., Mel'nick, V., Karachun, V. Modeling of voltaic pile surface formation using current-carrying cassini ovals // Engineering Science and Technology, an International Journal 22(1), 2019. c. 353-358

Размещено на Allbest.ru