Новые возможности свечей зажигания

Номинация: Лучшее конструкторское решение
Просмотреть картинки списком
Автор: Игорь Викторович, Ковданов Денис Викторович. Наставник: Щербинин Александр Николаевич
Город: Москва
Место учебы: Московский строительный техникум

Свеча зажигания - неотъемлемый атрибут двигателя внутреннего сгорания с легким топливом. Свеча появилась на свет более 160 лет назад сначала в первом двигателе (без сжатия) француза Ленуара, а затем в более эффективном двигателе со сжатием немецкого изобретателя Отто.

Свеча служит для воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя. Классическая свеча, знакомая всем автолюбителям, содержит стальной корпус с резьбой и шестигранником, изолятор с центральным электродом, образующий искровой зазор с боковым электродом. Свеча по-прежнему является одним из самых напряженных узлов двигателя. По причине работы в тяжелейших условиях эксплуатации: циклические воздействия высоких напряжений, температуры, давления, широкий диапазон режимов двигателя, отложения продуктов сгорания, электроэрозия. На совершенствование свечи тратились и до сих пор тратятся большие ресурсы. За последние пять лет в Патентном фонде США зарегистрировано более 7 тысяч "свечных" патентов. Бытует мнение, что свеча и система зажигания достигли определенного совершенства, что от них мало что зависит, лишь бы были исправны. А главное - "железо" и объем двигателя Так ли это? Оценим, какая часть электрической энергии высоковольтного импульса выделяется в искре свечи. Как известно, основная доля энергии искры в современных двигателях выделяется на этапе индуктивной фазы разряда. Источником высоковольтной электрической энергии является катушка зажигания. Количество накапливаемой энергии пропорционально величине индуктивности катушки, поэтому последняя получается весьма тяжелой и материаллоемкой. Суммарное сопротивление высоковольтной цепи системы зажигания составляет около 20 кОм. Оценим сопротивление искрового зазора. Учитывая, что напряжение между электродами после пробоя падает до 300 В, а ток разряда в среднем равен 300 мА, то сопротивление искрового зазора примерно равно 1 кОм. Отсюда следует, что электрический к.п.д. искры составляет около 5%.

Рассмотрим тепловой к.п.д. Ток разряда в искре превращается в джоулево тепло, которое и осуществляет поджигание воздушно-топливной смеси. Расчет возникающих потерь далеко не прост, поэтому согласимся с мнением других авторов, которые оценили потери тепла на разогрев электродов величиной около 70%.

Но электроды - не единственные паразиты, пожирающие драгоценное тепло искры. Сам вихрь, бушующий в камере сгорания, уносит тепло. Скорость вихря максимальна именно
у стенок камеры сгорания, где расположен искровой зазор свечи. С учетом этого к.п.д. искры осторожно оценим величиной порядка 15%.

Приходится только удивляться, как двигатель с такими потерями еще работает. Из-за асимметрии горения возникают механические потери. Свеча является пассивным точечным источником тепла. Конфигурация фронта пламени при развитии горения воздушно-топливной смеси определяется вихревыми потоками. На первом этапе пламя от искры распространяется в виде постоянно расширяющейся трехмерной спиральной поверхности вдоль стенки в один из углов камеры, а оттуда в центр. Центром камеры сгорания является центр дна поршня в положении верхней мертвой точки (ВМТ). На втором этапе фронт пламени начинает распространяться практически равномерно во все стороны. Возникшая на первом этапе "спираль" продолжает поддерживаться от искры, поэтому горение завершается в другом углу камеры сгорания, противоположном "спирали".

Горение происходит в замкнутом, практически неизменном по объему пространстве. Поэтому по мере сгорания топлива давление в камере увеличивается, а это дает прогрессивный рост скорости распространения пламени. Из-за быстротечности процессов в камере фактически нарушается закон Паскаля, поскольку в области завершения горения кратковременно давление будет заметно превосходить давление в других областях камеры сгорания. Другими словами, высокое давление генерируется со скоростью большей, чем скорость выравнивания давления в замкнутом объеме.

При завершении горения воздушно-топливной смеси в замкнутой камере температура сгоревших газов в зоне источника зажигания наибольшая и уменьшается к границам зоны горения. В момент завершения в замкнутой камере горения воздушно-топливной смеси со скоростью, близкой к скорости звука, давление сгоревших газов в зоне завершения горения наибольшее и уменьшается по мере удаления от нее. Чем выше скорость завершения горения, тем больше указанная разница в давлениях.

К чему это приводит? Посмотрите внимательно.

На поршень, находящийся в области ВМТ. По сути, это балансирующая система с точкой опоры практически в центре поршня. По мере увеличения реакции нагрузки данная балансирующая система приближается к стационарной. Между тем, балансирующие системы обладают очень важным свойством: малая асимметрия может привести к большим последствиям. Аналогично, когда через 15° поворота коленвала, после прохода ВМТ завершается горение воздушно-топливной смеси, поршень, наряду с равномерным давлением на все дно, получает удар по одному краю. Ему "ничего не остается", как повернуться относительно точки опоры, Это приводит к кратковременному заклиниванию поршня в цилиндре. С ростом нагрузки тормозящий эффект нарастает, поршни по очереди "проскакивают" через заклиненное состояние, крутящий момент двигателя существенно падает.

На высоких оборотах из-за долгого горения часть топлива сгорает в фазе СЖАТИЕ, что также тормозит двигатель. Часть топлива догорает в выхлопной трубе. В итоге с ростом числа оборотов падает крутящий момент, а расход топлива катастрофически растёт.

Но всё это считается нормой!

В мировой практике с этим явлением начали бороться не сразу. Когда в авиации из соображений надежности стали применять две симметричные свечи на цилиндр, то это повысило мощность двигателя на 5 %. Такое решение в автомобильной практике первой использовала HONDA, так как убедилась в значительном повышении крутящего момента на "низах". Далее к такому же решению прибегла Alfa-Romeo. И совсем недавно -Daimler-Chrysler. Однако внедрение дублированной системы зажигания - недешевое удовольствие и, кроме того, оно фактически означает необходимость разработки нового двигателя. А что делать с сотнями миллионов автомобилей, которые уже колесят по всему свету?

Кроме того, применение двух свеч на цилиндр не устраняет другой недостаток. Длина пути распространения фронта пламени в реальных камерах сгорания составляет не менее трех радиусов поршня. Большая протяженность пути фронта пламени приводила к тому, что при высокой частоте вращения вала приходилось поджигать воздушно-топливную смесь задолго до ВМТ (увеличивать угол опережения зажигания), а фаза сжатия заканчивалась уже после зажигания воздушно-топливной смеси. Если рассматривать индикаторную диаграмму, то при этом тепловая энергия нарастает в фазе сжатия и, естественно, уменьшается в фазе расширения. Таким образом, с ростом частоты вращения вала крутящий момент падает "с удвоенной скоростью". Затем наступает момент, когда двигатель "визжит, но тянуть уже не может", так как способен обслуживать только сам себя. И все это, в основном, из-за долгого горения или неверного способа зажигания. В итоге мы можем сделать вывод, что системы зажигания современных двигателей грешат принципиальными недостатками.

Все недостатки, рассмотренные выше, устраняются, если горение воздушно-топливной смеси начать в центре камеры сгорания. И сделать это разумнее всего с помощью факельного зажигания по аналогии с лучшими форкамерными двигателями. Первый форкамерный двигатель был предложен Рикардо в 1918 г., а последний был снят с производства в начале 80-х. И это удивительно, так как форкамерные двигатели были лучше обычных по всем показателям, кроме одного - они были сложнее, особенно в отношении системы питания и газораспределения. Вероятно, последнее и перевесило в извечном компромиссе: цена - качество.

Форкамерная свеча зажигания

Форкамерная свеча зажигания имеет уникальную конструкцию и содержит новый элемент - тонкостенную конусную насадку.

Насадка крепится соосно со свечой зажигания на торце корпуса так, что искровой промежуток оказывается в центре конусного участка.

Насадка выполнена из металлокерамики , которая обладающего антикалильными свойствами.

Отдельные авторы разработчики свечей предлагают металлические насадки которые увеличивают а не уменьшают антикалийное число, и как правило детонацию двигателя

У новой свечи центральный искровой зазор симметрично окружен конусным резонатором.

Конус изготовлен из, металлокерамического материала.

Благодаря "полуоткрытости" свечи ей не страшны проблемы вентиляции и засорения продуктами неполного сгорания.

Она работает лучше обычной свечи, так как формирует более мощный расходящийся факел.

Во время фаз "впуск" и "сжатие" свободная полость свечи зажигания, включая насадку, заполняется топливной смесью. При высоковольтном пробое искрового промежутка искра не вызывает поджигания топливной смеси в камере сгорания, а начинается накопление тепловой энергии в свечe. При приближении поршня к верхней мертвой точке свеча зажигания выстреливает запасенной тепловой энергией вдоль своей оси в виде импульсного расширяющегося факела факелом в центральную область камеры сгорания . Благодаря эффекту формы (конусной насадки) мощность и длина факела максимально возможные. . Горение происходит только в фазе РАСШИРЕНИЕ. Сбалансированное давление на поршень повышает крутящий момент. Таким образом, исключены все стандартные термодинамические тормозящие эффекты и потери.

Факельное зажигание улучшает одновременно все параметры двигателя и автомобиля: скорость, приемистость, экономичность, экологичность.

Особенно важным достижением представляется снижение уровня выбросов окислов азота. Резко уменьшилась тепловая нагруженность двигателя, появилась возможность осуществлять разгон с переходом от 1-й на 5-ю передачу. Машина "не замечает" подъемов, т.е. не снижает скорости на подъеме. Расход топлива сокращается и перестает зависеть от скорости, поэтому при движении со скоростью 120 км/ч и выше экономия нередко достигает 30%.Замечено, для автомобилей с большей массой и двигателей с увеличенным диаметром поршней выигрыш увеличивается.

Новая свеча зажигания с тонкостенным конусным резонатором улучшают в том числе, и экологические показатели двигателей, работающих на легком топливе.

Как известно, в результате сгорания органического топлива в двигателе образуется ряд газообразных соединений разной степени вредности: оксид углерода, диоксид углерода, оксиды азота, углеводороды, диоксид серы, сажа, соединения свинца, бензопирен и др. Их наличие в абсолютных и относительных единицах измерения определяется многими факторами.

По коэффициенту опасности и реальному объему выбросов оксиды азота с большим отрывом занимают "почетное" первое место. Для их образования в двигателе значение имеет не только температура, но и степень обогащения. Новая свеча принципиально изменяет характер горения воздушно-топливной смеси в камере сгорания. Горение теперь происходит симметрично и примерно в три раза быстрее. Это позитивно сказывается на температурном градиенте в камере сгорания, максимальная и средняя температуры в камере сгорания с новой свечой снижаются. В камере сгорания с новой свечой происходит снижение средней температуры при высоких скоростях движения автомобиля благодаря экономии топлива. При использовании традиционной свечи с нарастанием скорости наблюдается экспоненциальное нарастание расхода топлива. Это объясняется известным недостатком традиционного зажигания - снижением крутящего момента двигателя с ростом нагрузки и увеличением частоты вращения.

Новая свеча зажигания позволяет значительно уменьшить зависимость удельного расхода топлива от скорости. Было получено практическое подтверждение данного факта: при скорости 170 км/ч экономия составила 50 %. Новая свеча обеспечивает снижение выбросов оксидов азота благодаря повышению динамичности автомобиля. Особенно это относится к разгону типа "педаль акселератора в пол". Этот режим разгона, кстати, является и самым экономичным (чем быстрее автомобиль достигнет заданной скорости, тем меньше он сожжет топлива и меньше будут выбросы оксидов азота).

Считается, что содержание оксида углерода (СО) и углеводородов (СН) в отработавших газах двигателей почти не зависит от степени сжатия, частоты вращения коленчатого вала, угла опережения зажигания и т.д. Это практически линейная зависимость от коэффициента богатства смеси. Можно заключить, что особенности свечи зажигания тем

более не влияют на уровень СО и СН. Однако действительность оказалась иной. Измерения на холостом ходу, когда уровень СО и СН оказывается максимальным из-за наихудших условий горения показали, что с частотой вращения коленвала двигателя содержание СО и СН уменьшается, а содержание СО2 увеличивается до 16 %. Было замечено, что после замены свечей появился специфический запах выхлопных газов, который через 150 км исчез. Это объясняется тем, что в результате улучшения процесса горения в двигателе происходила очистка катализатора и всей выпускной системы в целом от загрязнений.

Приведенные теоретические обоснования и полученные экспериментальные результаты ни в коем случае нельзя считать окончательными. Но уже сейчас многие специалисты абсолютно убеждены, что новые свечи положительно влияют не только на динамику автомобиля, экономию топлива, увеличение моторесурса двигателя, но, что особенно важно в наше время, на резкое снижение загрязнения окружающей среды.

ИСПЫТАНИЯ ДОКАЗАЛИ ПРЕИМУЩЕСТВА СВЕЧЕЙ ЗАЖИГАНИЯ

ДИНАМИЧНОСТЬ - повышается за счёт быстрого и симметричного горения. Значительно увеличивается крутящий момент на низких и высоких оборотах.

ЭКОНОМИЧНОСТЬ - достигается за счёт обеднения смеси в режиме холостого хода, быстрого и симметричного горения и исключения механических потерь. Экономия на трассе нередко достигает 50%.

ЭКОЛОГИЧНОСТЬ - повышается в 2 - 5 раз! Выбросы CO и CH снижаются за счёт обеднения смеси и повышения стабильности зажигания. NOx снижается за счёт экономичности и быстроты горения. Катализатор и весь выпускной тракт очищаются от нагара.

МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ - вырастает, так как повышается крутящий момент на высоких оборотах и горючая смесь сгорает быстро и только в фазе РАСШИРЕНИЕ. Значительно расширяется рабочий диапазон высоких оборотов.

НАДЁЖНЫЙ ПУСК ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ - обеспечивается несколькими полезными особенностями конусного резонатора: создание "микроклимата" для горения; увеличение искрового зазора; фокусировка всех видов энергий излучаемых искрой (от ударной волны до мягкого рентгена).

НАГРЕВ ДВИГАТЕЛЯ - заметно снижается за счет быстрого и симметричного горения.

НОРМАЛЬНАЯ ТЯГА ХОЛОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ - ликвидация заклинивающего эффекта в условиях максимальных тепловых зазоров между поршнем и цилиндром.

ЭЛАСТИЧНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ - за счёт значительного расширения рабочего диапазона оборотов, на автомобилях V6 с АКПП на второй передаче набирается скорость 120 км/ч, на автомобилях с механической коробкой передач после набора скорости 40-50 км/ч можно включать высшую передачу.

РЕСУРС ДВИГАТЕЛЯ - значительно увеличивается за счёт интегрального эффекта всех выше перечисленных преимуществ.

Комментарий к индикаторной диаграмме, представленной в схеме работы свечей зажигания:

Стандартная (красная) - диаграмма нарастает задолго до ВМТ (верхняя мертвая точка). Площадь фигуры слева от ВМТ означает энергию, работающую со знаком "-". Так как давление в фазе СЖАТИЕ направлено на встречу движения поршня, т.е. тормозит поршень. Поэтому действующая энергия - это по существу разница площадей фигур справа и слева от ВМТ. Bugaets (синий)

- диаграмма в 3 раза быстрее нарастает в районе ВМТ. Следовательно нет энергии со знаком "-" Поэтому давление справа от ВМТ, при той же мощности двигателя -меньше, чем у стандартного. Соответственно бензина требуется также меньше.