Electric field distribution in spark plugs insulators - modeling and computer simulation

• Autorzy: Fryśkowski B.

Warianty tytułu

PL

Rozkład pola elektrycznego w izolatorach świec zapłonowych - modelowanie i symulacja komputerowa

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Automotive spark plugs are essential ignition circuit components being of importance for combustion engine reliability and performance. The majority of spark plugs have ribbed ceramic insulator to ensure high resistance along the surface from the terminal to the metal shell to minimize leakage current and to provide flashover protection. The leakage current intensity depends on electric field distribution, physical insulator properties and such factors as humidity, insulator contamination or defects in insulation material. Furthermore, leakage current not infrequently interferes with discharge process causing misfire effect being harmful to exhaust manifold components, mainly to catalytic converters. This paper presents simulation results of electric field distribution in ceramic insulator, in silicone rubber boot and in space surrounding a spark plug. Assuming that a spark plug can be considered as an object having cylindrical symmetry the electric field distribution was calculated for a two-dimensional case in accordance with Laplace’s and Poisson’s equations. In this paper, the finite difference method (FDM) for the solution of the Laplace’s equation was applied. The FDM algorithm based on the Liebmann’s method was developed in the MATLAB environment. Presented simulation results can be helpful to automotive spark plugs and high-tension cables manufacturers interested in improvement of insulating properties.

PL

Samochodowe świece zapłonowe zaliczane są do podzespołów układów zapłonowych ważnych z punktu widzenia niezawodności i sprawności silnika spalinowego. Większość świec zapłonowych posiada izolator ceramiczny z barierami zapewniający wysoką wartość rezystancji między zaciskiem elektrody środkowej i korpusem w celu ograniczenia natężenia prądu upływu i zapobiegania zjawisku wyładowania powierzchniowego. Natężenie prądu upływu uzależnione jest od rozkładu pola elektrycznego, właściwości fizycznych izolatora i takich czynników jak wilgotność, zanieczyszczenie lub uszkodzenia materiału izolacyjnego. Nierzadko prąd upływu zakłóca przebieg procesu wyładowania iskrowego prowadząc do wypadania zapłonów, które stanowi zagrożenie dla elementów układu wydechowego, głównie dla katalizatorów. W treści artykułu przedstawiono wyniki symulacji komputerowej rozkładu pola elektrycznego w izolatorze, silikonowej osłonie izolacyjnej oraz w przestrzeni otaczającej świecę zapłonową. Przyjmując założenie, że świecę zapłonową charakteryzuje symetria osiowa, wyznaczono rozkład pola elektrycznego w postaci dwuwymiarowej korzystając z oprogramowania MATLAB. Obliczenia wykonano rozwiązując równania Laplace’a i Poissona metodą różnic skończonych przy zastosowaniu procedury Liebmanna. Przedstawione wyniki symulacji komputerowej mogą być przydatne dla producentów samochodowych świec i przewodów zapłonowych zainteresowanych poprawą właściwości izolacyjnych.

Słowa kluczowe

EN

spark plug; automotive ignition systems; ceramic insulator; electric field; finite difference method

PL

świeca zapłonowa; układ zapłonowy; izolator ceramiczny; pole elektryczne; metoda różnic skończonych

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej
• Czasopismo: Diagnostyka
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 18, No. 1
• Strony: 87--93
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Fryśkowski B.

• Faculty of Electrical Engineering, Warsaw University of Technology Plac Politechniki 1, Warsaw, Poland, [phone]

Bibliografia

• 1. Abdel-Rehim A. A. Impact of spark plug number of ground electrodes on engine stability. Ain Shams Engineering Journal, 2013, vol. 4, issue 2, 307-316.
• 2. Javan S., Alaviyoun S., Hosseini S. V., Ommi F. Experimental study of fine center electrode spark plug in Bi-fuel engines. Journal of Mechanical Science and Technology, 2014, vol. 28, no. 3, 1089- 1097.
• 3. Linkenheil K., Ruoss H. O., Grau T., Seidel J., Heinrich W. A Novel Spark-Plug for Improved Ignition in Engines with Gasoline Direct Injection (GDI), IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, vol. 33, no. 5, 696-1702.
• 4. Chih-Lung S., Jye-Chau S., Tsair-Chun L. A Novel Dual-Electrode Plug to Achieve Intensive Electric Field for High Performance Ignition, Mathematical Problems in Engineering, 2013, vol. 2013, Article ID 351594, 1-7, doi:10.1155/2013/351594
• 5. Wang Q., Zheng Y., Yu J., Jia, J. Circuit model and parasitic parameter extraction of the spark plug in the ignition system, Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences, 2012, vol.20, no.5, 805-817.
• 6. Bokhary A. Y., Turki A., Ahmad N., Jefri A. H. Simulation of Eccentricity in Spark Plug and its Effects on Combustion Parameters in Spark Ignition Engine, International Journal of Engineering Science and Technology, 2012, vol. 4, issue 11, 4676-4686.
• 7. Song J., Sunwoo M. Flame kernel formation and propagation modelling in spark ignition engines, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2001, vol. 215, 105-114.
• 8. Hnatiuc B., Astanei D., Pellerin S., Hnatiuc M., Faubert F., Ursache M. Electrical Modeling of a Double Spark at Atmospheric Pressure, International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM), IEEE, Bran, 2014, 1005-1010.
• 9. Thiele M., Selle S., Riedel U., Warnatz J., Maas U. Numerical Simulation of Spark Ignition Including Ionization, Proceedings of the Combustion Institute, 2000, vol. 28, 1177-1185.
• 10. Stevenson R. C., Palma R., Yang C. S., Park S. K., Mi C. Comprehensive Modelling of Automotive Ignition Systems, SAE Technical Paper Series, 2007, 2007-01-1589, 1-24.
• 11. Shi Y., Ge H., Reitz R. D. Computational Optimization of Internal Combustion Engines, Springer Verlag, London, 2011.
• 12. Song C. Q., Li J., Qu D. W., Yu K. Simulation Study about Dual Spark Plug Position for the CNG Engine Combustion Process, Advanced Materials Research, 2013, vols. 712-715, 1197-1200.
• 13. Andreassi L., Cordiner S., Rocco V. Modelling the early stage of spark ignition engine combustion using the KIVA-3V code incorporating an ignition model, International Journal of Engine Research, 2003, vol. 4, no. 3, 179-192.
• 14. Brook J. R. Concise encyclopedia of advanced ceramic materials, Pergamon Press, 2012, Oxford.
• 15. Imanaka Y. Advanced Ceramic Technologies & Products, The Ceramic Society of Japan, Springer, Tokyo, 2012.
• 16. Sadiku M. Numerical Techniques in Electromagnetics with MATLAB, CRC Press, Boca Raton, 2009.
• 17. Ames W. F. Numerical Methods for Partial Differential Equations, Academic Press Inc., San Diego, 1992.
• 18. Isaacson E., Keller H. B. Analysis of numerical methods, John Wiley & Sons, New York, 1994.
• 19. Ashby M. F., Shercliff H., Cebon D. Materials: engineering, science, processing and design, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2014.
• 20. Arik E., Altan H., Esenturk O. Dielectric Properties of Ethanol and Gasoline Mixtures by Terahertz Spectroscopy and an Effective Method for Determination of Ethanol Content of Gasoline, Journal of Physical Chemistry, 2014, 118 (17), 3081-3089, DOI: 10.1021/jp500760t
• 21. Ida N. Engineering Electromagnetics, Springer International Publishing Switzerland, 2015.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).