BUGAETS: Новые возможности свечи зажигания

Автор: NIVA.RU | .

00

 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 немца 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. Причина - в тяжелейших условиях эксплуатации: циклические воздействия высоких напряжений, температуры, давления, широкий диапазон режимов двигателя, отложения продуктов сгорания, электроэрозия и др. 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 материалоемкой. 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. Но самое удивительное впереди. 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.

Напомним об эффекте, открытом австрийским физиком Махом: "При завершении горения воздушно-топливной смеси в замкнутой камере температура сгоревших газов в зоне источника зажигания наибольшая и уменьшается к границам зоны горения". Опираясь на выполненные автором исследования, можно сформулировать положение, дуальное эффекту Маха: "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 импульс по одному краю. Ему "ничего не остается", как повернуться относительно точки опоры, что приведет к кратковременному заклиниванию поршня в цилиндре. Двигатель перед тем, как заглохнуть, может "козлить". Это объясняется тем, что поршни по очереди "проскакивают" через заклиненное состояние. У холодного двигателя заклинивающий эффект максимален.

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 можно 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.

01Главное достоинство факельного зажигания – активность. Факел способен преодолеть заметные расстояния как поперек, так и навстречу вихрю.
В 1994 г. были начаты исследования по созданию системы зажигания и свечи с факельным эффектом.
Разработчики остановились на принципиально новом решении. У такой свечи центральный искровой зазор симметрично окружен конусным резонатором. Конус изготовлен из жаростойкого сплава, обладающего антикалильными свойствами.

В чем неочевидность решения? Конструкция свечи полуоткрытая, но при этом свеча обладает факельным эффектом. Академик А.Е. Акимов назвал данную свечу "торсионным генератором". Но главное все же не в том, как назвать, а в том, какими качествами обладает новая свеча.

Снимки Камеры сгорания, произведённые специальной оптико-телевизионной системой.

02

Динамика развития области горения:
Верхний ряд – при штатной системе зажигания.
Нижний ряд – со свечей, обеспечивающей факельное зажигание.

Именно благодаря "полуоткрытости" свечи ей не страшны проблемы вентиляции и засорения продуктами неполного сгорания.
Она работает лучше обычной свечи, лучше форкамерной свечи на всех режимах двигателя, так как формирует более мощный расходящийся факел.

В ходе одного из экспериментов проверялась приемистость двигателя со штатной и новой свечой без нагрузки. Двигатель со штатной системой зажигания набирал максимальную частоту вращения вала в течение примерно 3 с. После замены свечи на новую мотор без видимой задержки буквально "взрывается", при этом частота вращения вала "зашкаливает".
В процессе экспериментов были установлены зависимости к.п.д. новой свечи от ряда характеристик: формы камеры сгорания, положения, энергии и длительности искры, качества воздушно-топливной смеси.

Проведенные исследования позволяют констатировать, что 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 3-ю, а затем 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 100 км/ч и выше экономия нередко достигает 50%.

Замечено, для автомобилей с большей массой и двигателей с увеличенным диаметром поршней выигрыш увеличивается.

Выше уже говорилось, что новая свеча зажигания с тонкостенным конусным резонатором улучшает, 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. Рассматрим лишь то, что в наших силах.

03По 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. Заметим, что максимальная и средняя температуры в камере сгорания с новой свечой снижаются.

04Во-вторых, 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.

05

 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 %.

В-третьих, 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. Напомним, что катализатор дорогостоящ, недолговечен, занимает много места, снижает мощность двигателя, и его использование приводит к повышению расхода топлива.

ПРЕИМУЩЕСТВА СВЕЧЕЙ ЗАЖИГАНИЯ BUGAETS:
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 СО и СН 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.

P.S.
Свечи BUGAETS были опробованы во время автопробега «Сделано в Тольятти» на автомобиле ВАЗ-2329 и наглядно продемонстрировали улучшение эластичности работы двигателя, повышение динамики автомобиля и снижение расхода топлива.

Ссылки