Вы просматриваете: Главная > Авторемонт разное > Автомобильное зажигание: необычные системы
Post Icon

Автомобильное зажигание: необычные системы

Опубликовано в Авторемонт разное
21 Июл 2008

Автомобильное зажигание: необычные системы

Автомобильное зажигание: необыкновенные совокупности

    Раздел патентов Компания Bosch очень деятельно занимается совокупностями лазерного зажигания и уже предпринимает конкретные меры по защите собственных позиций на еще не появившемся рынке. В осеннюю пору 2011 года эксперты Bosch Вернер Херден и Юрген Райманн запатентовали совокупность форкамерного лазерного зажигания газового ДВС, а уже в феврале 2012-го ими была подана патентная заявка на инновационную конструкцию верхней части днища и цилиндра поршня В цилиндра Радиочастотное электростатическое зажигание формирует четыре очага возгорания.
    Сталкиваясь между собой, они ускоряют процесс сгорания смеси. Частота съемки — один кадр в 16 мс Компания Mahle, основанная в первой половине 20-ых годов XX века в Штутгарте, — один из наибольших в мире компонентов и поставщиков запчастей для двигателей внутреннего сгорания. В каждом втором автомобиле на земле имеется изделия с логотипом Mahle

Как мы знаем, термический КПД лучших бензиновых моторов сейчас не дотягивает и до 40%. Наряду с этим большая часть специалистов по автомобильным силовым установкам уверены, что поднять его до 50%, а заодно сократить выбросы окисей азота до 0,1 г на 1л.с./ч — задача в полной мере настоящая. Дабы решить ее, инженерам нужно «будет научить» моторы с уверенностью трудиться во всем диапазоне оборотов на сверхбедных смесях, разбавленных отработанными газами из совокупности рециркуляции EGR на 50 — 60%, со степенями сжатия порядка 20:1 и добиться максимально стремительного и полного сгорания заряда при минимальной температуре пламени.

Кое-что из перечисленного вероятно уже сейчас. К примеру, продвинутые ДВС с прямым стратифицированным (послойным) впрыском горючего в зоне низких оборотов смогут трудиться на фактически безлюдных смесях с соотношением топлива и воздуха от 22:1 до 44:1 и при высоких степенях сжатия до 12,5:1.

Вот лишь дается им это громадной ценой, причем в буквальном смысле слова. Агрегаты этого класса экономичнее простых на 10 — 15%, но дороже и сложнее.

Дабы свеча смогла инициировать сгорание смеси с травяным содержанием бензина, конструкторам приходится скрупулезно просчитывать процесс формирования топливовоздушного вихря на такте сжатия. Происхождение искрового разряда и нитевидных пучков плазмы с температурой более чем 9 000 °C должно совпасть с образованием в зоне электродов облачка с обычной либо легко обедненной смесью. Для увеличения возможности этого случайного события шепетильно «затачивается» форма стенок камеры, геометрия поршня, размещение форсунок, свечей, и увеличивается мощность совокупности зажигания.

Для гарантированного возгорания стехиометрической смеси (в которой окислителя ровно столько, сколько нужно для полного сгорания горючего) энергия искры должна быть равна 10−20 мДж. «Продавить» искру в переобогащенной либо обедненной смеси значительно тяжелее. Напряжение пробоя в таковой среде увеличивается с 17 до 25 кВ и выше, исходя из этого для образования факела требуется не меньше 100 мДж энергии.

Но чем выше мощность и температура разряда, тем стремительнее разрушаются электроды: каждое срабатывание свечи лишает их части материала, из которого они сделаны. Самый действенный (и самый дорогой) метод борьбы с этим явлением — применение весьма узких электродов с тугоплавкими элементами из платины либо иридия.

Но, стратегически данный апдейт ничего не меняет. Современные системы искрового зажигания в принципе не могут обеспечить значительного увеличения КПД: они через чур медленны — с момента происхождения маленького очага возгорания до охвата пламенем всего количества камеры проходит 500 мс.

По нынешним меркам это целая вечность. Помимо этого, для генерации искры, талантливой пробить межэлектродный зазор в «тугой», сжатой в 20 и более раз сверхбедной однородной смеси под капотом, нужен целый Днепрогэс, а не свинцовая батарея.

Подсвечник

Однако инженеры компании MAHLE Powertrain Билл Аттард и Патрик Парсонс попытались перехитрить время и пространство. Для этого им было нужно покопаться в ветхих архивах и реанимировать забытую концепцию форкамерно-факельного зажигания.

Знатоки не забывают, что это за зверь, по капризному «волговскому» карбюраторному мотору ЗМЗ-4022.10 начала 1980-х. В первый раз такое зажигание применил в 1903 году выдающийся английский инженер — господин Гарри Риккардо — на двухтактном судовом двигателе Dolphin, и с того времени оно употребляется в стационарных генераторах на природном газе.

Принцип работы форкамерного зажигания (не путать со спортивными форкамерными свечами NGK и Denso) содержится в предварительном запале маленького количества горючего в ограниченном количестве с последующим воспламенением смеси открытым пламенем через отверстия в корпусе форкамеры. Версия форкамеры Аттарда и Парсонса Turbulent Jet Ignition, представленная на Глобальном конгрессе SAE в Детройте в апреле 2011 года, отличается от предшественников удобным расположением и миниатюрными размерами. Ее количество образовывает менее 2% от количества камеры сгорания, и находится она на позиции штатной свечи, в центре купола цилиндра «подопытного зайца» — рядной четверки GM Ecotec LE количеством 2,4 л. В модуль совокупности входит инжектор прямого впрыска, подающий в форкамеру микродозы бензина под давлением 4 атм, свеча и датчики зажигания.

Совокупность Turbulent Jet Ignition фактически всеядна и может трудиться кроме того в биотопливных силовых агрегатах. Наряду с этим днища камеры поршня и геометрия сгорания перестает играться определяющую роль в достижении большой эффективности сгорания, а деградация электродов свечи фактически отсутствует из-за минимального напряжения пробоя в запальной смеси. По словам разработчиков, до коммерциализации Turbulent Jet Ignition остается один-два года.

Корона святого Эльма

Инженеры американской корпорации Federal-Mogul уверены в том, что будущее совокупностей зажигания будет связано с инициацией процесса управляемого взрыва химическим методом. В базе разработки Advanced Corona Ignition System (ACIS) лежит принцип химического пробоя ионизированного газа при помощи высокочастотного электрического поля. Иными словами, ACIS — это коронный разряд, узнаваемый, как огни святого Эльма.

Корона — бич высоковольтных ЛЭП переменного тока. В то время, когда напряженность поля около проводов достигает критического уровня, окружающий воздушное пространство прошивают нитевидные потоки ионизированной плазмы длиной от нескольких миллиметров до метра, приводящие к большим утратам передаваемой мощности.

Второй хороший пример короны — катушка Николы Теслы. Наиболее значимое условие происхождения короны, кроме частоты поля, которая достигает 1 МГц, — сечение электрода-проводника: чем он уже, тем выше возможность, что напряженность (отношение напряжения к расстоянию между электродами) поля превысит напряжение пробоя газа. Узкие электроды разрешают быстро снизить вольтаж в совокупности.

Для преодоления диэлектрического сопротивления топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС при мизерной силе тока в пара микроампер вольтаж на электроде обязан составлять от 100 до 500 КВ в зависимости от содержания воздуха, доли отработанных газов из совокупности ЕGR, давления и температуры. Причем второй электрод при коронном разряде не нужен. Его заменяет газовая среда, в которой напряжение поля преобразовывается в очаги ионизированной плазмы.

В сравнении с локализованным в миллиметровом зазоре искровым разрядом размер пульсирующей высокочастотной короны в камере может задаваться произвольно. К примеру, на протяжении тестирования прототипа ACIS на наддувном двигателе прямого впрыска количеством 1,6 л диаметр разряда составлял 30 — 40 мм, а инженерам из флоридского стартапа Etatech, создавшим в 2007 году подобную совокупность ECCOS, удалось добиться стабильного образования 18-см короны.

Так, химический пробой происходит в один момент во всем количестве камеры, что уменьшает период сгорания смеси в сравнении с искровым зажиганием в 2500 раз — до 100 — 200 мкс. Наряду с этим продолжительность вспышки короны не превышает 200 — 300 нс. В зависимости от настройки совокупности количество импульсов может составлять пара сотен.

Ведущий разработчик разработки ACIS Крис Микселл говорит, что корона снабжает надежное сгорание обедненных смесей при добавлении к воздуху 40% и более отработанных газов. Химический пробой содействует понижению образования окисей азота (минус 80%) и углекислоты (минус 50%), повышает экономичность (10% на тестовом двигателе).

Еще одно преимущество короны перед искрой, по словам Микселла, — это очень медленная деградация электродов из-за относительно низких температур разряда. А вот потребление мощности у ACIS на 30 — 50% выше, чем у простого зажигания.

Модуль совокупности, в который входят свеча с несколькими никелевыми иглами, высоковольтный кабель и резонансный магнетрон, адаптирован под размеры стандартной свечи, а блок трансформаторов аналогичен по размерам блоку катушек зажигания. В настоящее время Federal-Mogul в кооперации с несколькими производителями машин проводит опробования совокупности, но конкретные сроки внедрения новинки не именуются.

Гиперболоид под капотом

В случае если корона с позиций эффективности легко побеждает у искровых свечей, то ее, в собственную очередь, кладет на лопатки лазерное зажигание. Сходу стоит оговориться: на сегодняшний сутки лазерное зажигание существует в виде достаточно полно проработанной концепции и нескольких лабораторных моделей. Но мысль, как утверждает доктор наук японского Университета фотоники Такунори Тайра, только ненамного моложе самого лазера.

Механизм действия лазерного запала содержится в создании в точке фокуса электрического поля большого напряжения, которое приводит к образованию маленького очага плазмы с температурой выше 9 000° и давлением порядка 1 000 атм. Это, со своей стороны, ведет к возгоранию облака и лавинообразной ионизации смеси. Дополнительный бонус совокупности лазерного зажигания — возможность постоянного мониторинга процессов в камере сгорания при помощи луча лазерного спектрографа.

Важные изучения по применению сфокусированного лазерного луча для поджигания топливовоздушной смеси в ДВС начали проводиться в начале прошлого десятилетия. В 2006 году группой Азера Ялина из Колорадо была запатентована совокупность многоканального лазерного запала с одновременной лазерной диагностикой процесса сгорания смеси в камере.

Для передачи пучка на линзу запала Ялин использовал термостойкое ламинированное оптоволокно с отражающим слоем серебра толщиной 0,2 мкм. Линза, установленная на месте свечи зажигания, имела возможность фокусировать пучок на любую точку камеры сгорания, а в качестве источника излучения был удачно опробован импульсный YAG лазер мощностью 250 Вт. Приблизительно такие же твердотельные лазеры активно применяются в косметологии и медицине.

Опробования проводились на промышленном газовом двигателе Waukesha VGF и продемонстрировали высочайшую эффективность лазерного запала. Достаточно заявить, что возгорания смеси и вероятность пробоя составляла 100% на всех режимах работы, а коэффициент разброса давления смеси в цилиндре с лазерным запалом был на 80% ниже паспортного.

Наряду с этим суммарная энергия импульсов составляла мизерные 2,3 мДж. В один момент проводились испытания с лазерным зажиганием ДВС на водороде, бензине и биогазе, включая версии с прямым стратифицированным экстремальными степенями и впрыском сжатия, а в Австрии несколько доктора наук Герхарда Крупы создала достаточно замечательный компактный лазерный диод, трудящийся от 12-вольтовой бортовой сети.

Однако реализовать лазерное зажигание, всецело адаптированное к условиям эксплуатации автомобильных двигателей, ученым не удалось. Было распознано, что лазерные запалы очень чувствительны к вибрации, коксованию и нагреву оптического окна.

Частично эти неприятности удалось решить Азеру Ялину, сумевшему близко приблизиться к созданию инновационного зажигания, которое возможно использовать в стационарных и судовых газовых двигателях. Но о лазерном зажигании для речи и легковушек не было — столь громоздкие совокупности не помещались под капот автомобиля.

Выстрел в десятку

Но это до поры до времени, считает Такунори Тайра. На конференции CLEO 2011, посвященной проблемам лазерной техники и оптоэлектроники, Тайра представил сенсационный доклад о разработке первого в мире сверхмощного твердотельного микролазера Nd: YAG/Cr:YAG с диодной накачкой, протяженность которого образовывает 11, а диаметр — 9 мм.

Лазер сделан из прозрачной стеклокерамики и может действующий при температуре более чем 150 °C без ухудшения оптических особенностей. Работа группы, в которую кроме ученых вошли инженеры компаний Toyota и Denso, длилась в течение семи лет и была изначально нацелена на создание прототипа лазерного зажигания для автомобилей .

Опробования двухлучевого лазерного запала проводились как в лабораторной камере сгорания, так и на одном из цилиндров серийной двухлитровой рядной четверки Toyota в условиях стехиометрической смеси (15,2:1) в режиме 1 600 об/мин. Тайра не зафиксировал ни одного пропуска зажигания в «лазерном» цилиндре в течение нескольких сотен тысяч тактов.

Более того, в 100% случаев лазерный запал был снайперски точен: для возгорания смеси хватало первого из четырех запрограммированных импульсов длительностью 600 пикосекунд любой. В намерено обедненной смеси (17,2:1) свечи зажигания показали 100%-ный отказ, в то время как лазерная «двустволка» с уверенностью поражала мишень максимум с третьего из пяти импульсов.

Нет сомнений, утверждает Тайра, что в адаптированном под лазерное зажигание двигателе эффективность запала будет еще выше. В полной мере возможно, что первой аналогичной адаптацией станет экзотический роторный двигатель Мазда Renesis, новая 300-сильная модификация которого обязана показаться на рынке по окончании 2014 года.

Но японцев смогут опередить другие производители машин. В частности, Ford, ведущий интенсивные изучения по лазерной тематике уже в течение пяти лет, обещает реализовать их в виде серийного узла в ближайщее время.

Форкамерное зажигание

Впрыск горючего в форкамеру Turbulent Jet Ignition начинается в момент происхождения искры и продолжается 1 мс — в два раза меньше разряда свечи. Это разрешает всецело воспламенить запальную дозу горючего в обычной смеси.

Раскаленные газы, расширяясь под давлением, выстреливают через дюзы форкамеры диаметром 1,25 мм, как пара замечательных факелов. В следствии одновременного и весьма стремительного факельного воспламенения смеси в разных территориях камеры на протяжении стендовых тестов было зафиксировано феноменально низкое содержание окисей азота в отработанных газах двигателя — минус 99% от стандартного уровня. Расход горючего сократился на 13% (с потенциалом до 20%), а КПД двигателя вырос до 42%.

Статья «Игра стоит свеч» размещена в издании «Популярная механика» (№115, май 2012).

Принцип работы совокупности зажигания


Записи по принципу Рандом:

самые интересные для Вас статьи, подобранные по важим запросам:

Метки: , ,

Комментирование закрыто.