Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Маркетологи уже давно правят миром. К незаметному обману прибегают даже весьма именитые фирмы. Например, я не могу слышать по телевизору рекламу очередного шампуня “с экстрактом жидкого серебра” – тут же представляю себе поток лавы, из которой как-то получают “экстракт”. Точно так же я не могу слышать о чудо-свечах! И вот почему.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Главное отличие “фирмы” от мошенников – “фирма” никогда не будет прямо обещать золотые горы. Мошенники же обязательно будут обещать все самое невероятное.

Причем обещать грамотно, тактически и психологически выверено, давя научными терминами, степенями докторов и кандидатов и теорией всеобщего заговора, из-за чего супернанотехнологическое открытие стало возможным буквально позавчера ввиду самоотверженности некоего чудо-гения современности.

Причем обещать они будут самым незащищенным и податливым слоям населения, предлагая свой товар по невероятно завышенной цене, которая легко теряется на фоне обещанных “бонусов”.

Сейчас речь пойдет о чудо-свечах зажигания, которые многие по недоразумению называют плазменными, факельными, форкамерными или любой комбинацией из этих трех слов. Но прежде чем начать, стоит сказать о таких трех вещах, как субъективное восприятие, объективная реальность и эффект плацебо.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

  • Когда человек верит в то, что его советские “жигули” способны разогнаться до “сотни” за десять секунд, потому что ему кажется, что его вжимает в кресло, – это субъективное восприятие.
  • Когда проводится замер разгона с телеметрией или хотя бы с секундомером или GPS – это объективная реальность.
  • Когда человек ставит фильтр нулевого сопротивления на обычный мотор и ему кажется, что автомобиль поехал лучше, – это эффект плацебо.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Так вот, когда чудо-свечи появились на рынке (а произошло это еще в прошлом десятилетии), их протестировали на мотостендах ведущие российские издания (“За рулем”, “Авторевю”). И тест на мотостенде, показавший, в общем-то, несостоятельность таких свечей, – это объективная реальность. Все остальное – субъективное восприятие и эффект плацебо из разряда “мамой клянусь”.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Почему такие свечи не работают? Их создатели называют свои свечи “форкамерно-факельными”. Давайте разберемся, что скрывается за этим термином.

А там – вполне себе конкретный тип бензиновых двигателей, которые достаточно непродолжительное время производились фирмой Honda (обозначались аббревиатурой CVCC) и на Горьковском автозаводе.

Почему недолгое время? Эти моторы давали совсем незначительную прибавку мощности (5-10%), чуть в большей мере улучшали экологические показатели и показатели топливной экономичности, но их технологическая сложность и невероятная капризность привели к тому, что от этих моторов отказались вообще.

Причем, например, “Волга” с форкамерным мотором сейчас невероятная редкость – чаще всего такой мотор просто выбрасывался на помойку и заменялся обычным “волговским”, потому что следить за форкамерным мотором была сущая мука, которую не выдерживали даже советские механики, приученные, казалось бы, к любым тяготам своего труда.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

В чем суть форкамерного двигателя? Все просто: кроме привычной камеры сгорания (КС) в ГБЦ сделана дополнительная форкамера, соединенная с основной КС небольшими каналами. Свеча зажигания находится в форкамере.

В форкамеру поступает обогащенная смесь, а в КС, наоборот, смесь настолько бедная, что не воспламеняется обычной искрой.

После поджига богатой смеси в форкамере образовавшийся факел через каналы поступает в КС, где поджигает бедную смесь. 

У данного мотора есть ряд очень важных нюансов, которые в “форкамерно-факельных” свечах не могут быть соблюдены.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

  1. Объем форкамеры – не менее 20% объема камеры сгорания. Ни одна “форкамерная” свеча этого позволить не может.
  2. Для равномерного сгорания бедной смеси каналы должны быть тщательно просчитаны и выверены. Например, у мотора ГАЗ-4022 форкамера соединялась с КС двумя каналами, просверленными таким образом, чтобы распространяющиеся факелы огибали КС по дуге, захватывая в итоге весь ее объем. То есть факел не бьет “реактивной струей” в низ поршня, как рекламируют свои свечи мошенники, а именно равномерно распространяется по всему объему камеры сгорания. Любое нарушение этого равномерного распределения тотчас же приводило к тому, что форкамерный мотор начинал “хандрить”.
  3. Основная суть форкамерного двигателя, ради которой инженеры и городили весь огород, – послойное смесеобразование, а именно: богатая смесь в форкамере и бедная в камере сгорания. “Форкамерная” свеча же работает с той смесью, которая поступила в камеру сгорания.

Как видим, “форкамерные” свечи не имеют ничего общего с форкамерными двигателями и даже не могут называться “форкамерными”. Но у таких свечей имеются и другие нюансы, как правило, весьма неприятные.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Форкамера в форкамерном двигателе продувается и вентилируется системой каналов и клапанов.

“Форкамерная” свеча не имеет никаких средств для продувки и вентиляции, зато имеет насверленные отверстия, которые и преподносятся как “естественная” вентиляция”.

При этом сам корпус этой псевдофоркамеры накаляется, и в определенный момент (а тесты именитых журналов это доказали именно стендовыми испытаниями) раскаленный кусок железа в камере сгорания приводит к калильному зажиганию.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Популярный рекламный трюк, к которому прибегают мошенники, – этикетка, на которой нарисована свеча, из которой, как из ракетного двигателя, бьет огненная струя “плазмы”. В подсознании обывателя это выглядит красиво и мощно – остальное не имеет значения. Но если такая струя действительно есть и бьет в поршень, то последний быстро прогорит. К тому же любая свеча, по сути, является плазменной.

Ведь на коробках с обычными свечами не пишут, что место проскока высоковольтной искры и есть образование плазменного пучка, а на чудо-свечах пишут и рисуют.

Можно ли почувствовать положительный эффект от таких свечей? Не исключено, ведь лишний металл “форкамеры” хоть чуть-чуть, но уменьшает объем камеры сгорания, повышая тем самым степень сжатия.

Но прибавка в мощности будет ощущаться лишь в очень узком диапазоне оборотов, а далее плохая вентиляция электродов и калильное зажигание дадут о себе знать.

Некоторый положительный эффект может наблюдаться и на “битых жизнью” моторах, где закрытые “юбкой” электроды будут закрыты от поступающего в цилиндры моторного масла.

Увеличенное сопротивление этих свечей замалчивается или упоминается вскользь, как и необходимость использования других проводов. Даже провода с околонулевым сопротивлением мошенники выдают за какое-то чудо, хотя на самом деле сопротивление в проводах нужно для того, чтобы уменьшить радиопомехи.

Наш вердикт

Любопытный момент: перед применением чудо-свечей необходимо проследовать рекомендациям определенной инструкции. Любая такая инструкция будет включать в себя корректировку карбюратора и угла опережения зажигания. То есть те операции, которые и без установки свечей нужно проводить более-менее регулярно.

  1. В любом случае, когда слышите об обещанной 30-процентной прибавке мощности от одних лишь чудо-свечей, вспомните: форкамерный мотор давал прибавку лишь 5-10%, и это с учетом большого числа конструктивных особенностей, сложность которых поставила на форкамерных моторах крест.
  2. Григорий ЗУБКЕВИЧ Фото из открытых источников
  3. Специально для ABW.BY

Лазерные свечи зажигания

Узнав из очередного дайджеста новостей о том, что российские ученые изобрели лазерные свечи зажигания, я почуял неладное.

Во-первых, о таких свечах уже где-то слышал, причем о работающих, во-вторых, изобретение сделано студентами Политехнического университета Нижнего Новгорода, пусть даже под руководством профессоров.

По их словам, уже создан прототип на основе советского (!) полупроводникового лазера, и к концу года планируется появление опытных образцов, которые будут тестироваться на автомобилях.

По материалам статей из Все поедем, Техническая планета, Membrana, Популярная механика.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

«Благодаря объединению двигателя с советским лазером была изобретена микросхема. В будущем планируется поработать также над размером свечи зажигания, чтобы сделать ее более компактной. Материальная поддержка проекта составила 100 тыс. руб. Как утверждают ученые, если будет недостаток финансирования, то будет невозможно продолжить проект».

Читайте также:  Руководство по замене крана отопителя на автомобиле ваз 2107 своими руками

Несерьезно как-то… тут же утверждается, что в Японии и США также разрабатываются лазерные свечи зажигания, а прототип двигателя с лазерными свечами зажигания был представлен в США в 2008 году.

Так все-таки, изобрели наши студенты свечи, или нет?

Оказалось, прототип был апробирован еще в начале прошлого десятилетия, и в 2006 году группой Азера Ялина из Колорадо была запатентована система многоканального лазерного запала с одновременной лазерной диагностикой процесса сгорания смеси в камере.

Для передачи пучка на линзу запала Ялин применял термостойкое ламинированное оптоволокно с отражающим слоем серебра толщиной 0,2 мкм. Линза, установленная на месте свечи зажигания, могла фокусировать пучок на любую точку камеры сгорания, а в качестве источника излучения был успешно опробован импульсный YAG лазер мощностью 250 Вт.

Примерно такие же твердотельные лазеры широко используются в медицине и косметологии.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

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

При этом суммарная энергия импульсов составляла мизерные 2,3 мДж.

Одновременно проводились опыты с лазерным зажиганием ДВС на водороде, биогазе и бензине, включая версии с прямым стратифицированным впрыском и экстремальными степенями сжатия, а в Австрии группа профессора Герхарда Крупы разработала достаточно мощный компактный лазерный диод, работающий от 12-вольтовой бортовой сети.

Тем не менее, реализовать лазерное зажигание, полностью адаптированное к условиям эксплуатации автомобильных двигателей, ученым не удалось. Было выявлено, что лазерные запалы чрезвычайно чувствительны к вибрации, нагреву и коксованию оптического окна.

Частично эти проблемы удалось решить Азеру Ялину, сумевшему вплотную приблизиться к созданию инновационного зажигания, которое можно применять в стационарных и судовых газовых двигателях.

Но о лазерном зажигании для легковушек и речи не было – столь громоздкие системы не помещались под капот автомобиля.

  Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

На конференции CLEO 2011, посвященной проблемам лазерной техники и оптоэлектроники, японец Такунори Тайра представил сенсационный доклад о разработке первого в мире сверхмощного твердотельного микролазера Nd:YAG/Cr:YAG с диодной накачкой, длина которого составляет 11, а диаметр – 9 мм.

Лазер сделан из прозрачной стеклокерамики и способен работать при температуре свыше 150°C без ухудшения оптических свойств.

Работа группы, в которую помимо ученых вошли инженеры компаний Toyota и Denso, продолжалась в течение семи лет и была изначально нацелена на создание прототипа лазерного зажигания для легковых автомобилей.

Испытания 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 продолжительностью 600 пикосекунд каждый.

В специально обедненной смеси (17,2:1) свечи зажигания продемонстрировали 100%-ный отказ, тогда как лазерная «двустволка» уверенно поражала мишень максимум с третьего из пяти импульсов.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работыНет сомнений, утверждает Тайра, что в адаптированном под лазерное зажигание двигателе эффективность запала будет еще выше. Вполне вероятно, что первой подобной адаптацией станет экзотический роторный двигатель Mazda Renesis, новая 300-сильная модификация которого должна появиться на рынке после 2014 года. Но японцев могут опередить другие автопроизводители. В частности, Ford, ведущий интенсивные исследования по лазерной тематике уже в течение пяти лет, обещает реализовать их в виде серийного узла в ближайшие годы.

Компания Bosch также весьма активно занимается системами лазерного зажигания и уже предпринимает конкретные меры по защите своих позиций на еще не родившемся рынке.

Осенью 2011 года специалисты Bosch Вернер Херден и Юрген Райманн запатентовали систему форкамерного лазерного зажигания газового ДВС, а уже в феврале 2012-го ими была подана патентная заявка на инновационную конструкцию верхней части цилиндра и днища поршня

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Еще одно альтернативное – радиочастотное электростатическое зажигание, – формирует четыре очага возгорания. Сталкиваясь друг с другом, они ускоряют процесс сгорания смеси. Частота съемки – один кадр в 16 мс

Совсем недавно специалисты из Румынии и Японии предложили порошковый лазер, который будет в скором времени использоваться в ДВС вместо свечей зажигания.

Лазер имеет такие же размеры, что и свеча. И это большая заслуга разработчиков. Этот лазер сделан из керамических порошков, вследствие чего импульсы стали более стабильными (что очень важно в системе зажигания автомобиля), терпимыми к температурным режимам.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Внутри цилиндра лазер будет выдавать два, а то и три луча, распространяющихся по глубине цилиндра, и если сосредоточить импульс в центре камеры, то произойдет полное сгорание смеси,.

Таким образом, ДВС с лазерной системой зажигания будет производить меньше выбросов и углекислого газа, в основном за счет полноты сгорания топлива.

Топливо со свечным зажиганием от того и сгорает неполно, что свеча воспламеняет топливо лишь возле искрового промежутка.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

На данный момент изобретатели новой системы ведут диалог с ведущими автопроизводителями, а также компанией Denso, которая занимается производством автокомплектующих. Возможно, под этой маркой и выйдут лазеры зажигания.

В-общем, сдается мне, что до внедрения российской лазерной свече еще далеко. Как это часто бывает, какой-то корреспондент бежит впереди паровоза. И как только выявится масса технических проблем, над которыми студентам и тем более профессорам работать некогда, можно будет надолго забыть о такой панацее низкотемпературного зажигания, как российские лазерные свечи.

#Статьи

Лазер вскоре заменит свечи заживания в автомобиле

Несмотря на все внимание, уделяемое электромобилям, почтенный бензиновый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) по-прежнему очень популярен у нас, и, похоже, он совсем не собирается уходить.

В настоящее время подсистема воспламенения воздушной смеси топлива для автомобиля ICE, работающего на бензине, представляет собой высокоочищенную управляемую компьютером систему впрыска топлива, включающую в себя множество существенных технических достижений.

Она гораздо более эффективна и динамически адаптируема по сравнению с классической, более простой системой на основе карбюратора с механическим распределителем и фиксированным временем зажигания, которая была стандартом не так много лет назад.

Тем не менее, дополнительные ощутимые улучшения возможны при принципиально ином подходе, в котором вместо обычного метода электрической свечи зажигания (ESP) используется лазерное зажигание (LI).

Почему стоит рассмотреть лазерную свечу зажигания (LSP) и лазерное зажигание? LSP устраняет необходимость в выступающем электроде обычной свечи зажигания, тем самым увеличивая площадь сгорания.

Кроме того, энергия лазера может быть направлена ​​в разные места в цилиндре, чтобы зажечь топливную смесь, что в будущем может улучшить производительность.

Наконец, несколько лазерных лучей могут быть направлены в цилиндр для более полного сгорания топлива.

Чтобы продемонстрировать это, исследовательская группа, состоящая из трех румынских организаций, сконфигурировала и проверила стандартный двигатель Renault с использованием лазерного зажигания, добившись улучшения эффективности использования топлива, а также снижения выбросов выхлопных газов в атмосферу (рисунок ниже).

Каждая основанная на лазере «свеча зажигания» состояла из лазерного диодного источника 807 мкм, который затем «накачивал» лазер для увеличения выходной мощности. При накачке использовалась длительность импульса накачки 250 мкс с частотой повторения около 100 Гц.

Окончательный выходной сигнал был связан с цилиндром двигателя через оптическое волокно длиной 600 мкм.

Читайте также:  Джойстик управления магнитолой подрулевой: установка универсального пульта на руль для автомагнитолы

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Блок-схема экспериментальной установки включает диодный лазер (DL), оптоволокно (OF), лазерную свечу зажигания (LSP), цилиндр двигателя (CYL) и электронный блок управления (ECU) (a). Вид двигателя, оснащенного системой лазерного зажигания (б)

Общая схема доставляла импульсы 4 мДж с длиной волны 1,06 мкм и шириной 0,8 нс в цилиндр.

Чтобы энергия лазера достигала цилиндра, каждый из них был снабжен сапфировым окном, прикрепленным специальным эпоксидным клеем. Адгезив может выдерживать рабочие температуры от -70 до + 170 ° C.

Лазерный луч фокусировался внутри каждого цилиндра в том же месте, где обычная свеча зажигания создает искру.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Устройство было испытано на двух видах топлива на четырехтактном, четырехцилиндровом, многоточечном бензиновом двигателе для легковых автомобилей со стандартными электрическими свечами зажигания 30 мДж и с лазерными свечами зажигания (рисунок выше).

Используя стехиометрическое соотношение воздух-топливо (λ ~ 1), указывающее на отсутствие не сгоревшего топлива или воздуха, двигатель с лазерными свечами дал почти 8% -ное увеличение эффективной мощности двигателя, 7,5% -ное снижение удельного расхода топлива (BSFC) и 20% -ное снижения выбросов окиси углерода (СО) (рисунок ниже). При низком нестехиометрическом воздушно-топливном соотношении (λ ~ 1,25), которое оставляет не сгоревший воздух после сгорания, соответствующие цифры составляли 29% увеличение эффективной мощности двигателя, 21% снижение BSFC и 30% снижение CO.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Показаны графики зависимости эффективной мощности двигателя (a) и удельного расхода топлива (BSFC) двигателя от момента зажигания (b) при частоте вращения коленвала 2000 об / мин и среднем эффективном давлении (BMEP) = 2 бар при соотношениях воздух-топливо (λ), равных λ ~ 1 и λ ~ 1,25. Линии представляют данные, построенные с использованием полиномиальных функций.

Разработка этой системы зажигания была сделана командой, состоящей из румынских исследователей из Национального института лазерной, плазменной и радиационной физики, Renault Technologie Roumanie и Политехнического университета Бухареста.

В статье Optics Express «Об улучшении с помощью лазерного зажигания рабочих характеристик бензинового двигателя легкового автомобиля» представлены полные сведения об электрооптической конструкции на основе лазера, а также графики производительности, анализ вышеприведенных показателей и много другой интересной информации.

Что такое лазерные свечи и как они работают

25 Поделилось1.2k Просмотров FacebookTwitterTelegram

Применение лазерных свечей зажигание уже не за горами. Что они из себя представляют и как работают мы познакомим вас в этой статье.

Лазер сегодня стал незаменимым помощником в строительстве и медицине, космической отрасли и немалом числе других отраслей науки и техники – например в автомобилестроении.

Огромная благодарность японским инженерам, которые разработали лазерные свечи зажигания.

  • Главное, что этим свечам присуще – возможность длительной работы в экстремальных температурных условиях.
  • От простой свечи лазерная отличается, как можно догадаться, отсутствием искры.
  • Здесь бензин в цилиндре поджигается концентрированными импульсами света.
  1. Инженеры здесь решили немыслимую сначала проблемы – совместили высокую мощность лазера и маленькие размеры свечи.
  2. Поддерживал японцев Институт лазеров и радиационной физики из Румынии, поэтому разработку в определенной мере можно именовать интернациональной.
  3. Поддержка помогла – японцы сумели разработать микролазер, применив технологию спекания порошков, состоящих из керамического композита.
  4. Совмещение двух разных материалов ознаменовалось получением лазера требуемой мощности.
  5. Встраиваемый в свечу новый лазер обладает диаметром 9 и длиной 11 мм, а действие его заключено в излучении длинной очереди пикосекундных импульсов – их, заметим, бывает 800.

Одной вспышкой такого луча бензин не поджечь, но множеством – вполне реально.

В лазерном пучке сконцентрированы сотни гигаватт (!) энергии, поэтому в эффективной работе можно не сомневаться, особенно если знать, что гигаватты эти приходятся на 1 см2.

Уже создана лазерная свеча, излучающая два световых пучка. Топливо такой свечой поджигается гораздо равномернее и быстрее.

Испытания лазерной свечи на частоте в 100 Гц уже проведены. Между тем, созданы свечи, имеющие 3 пучка лазерного света. Трех лучей, возможно, будет даже несколько больше, чем достаточно.

Как рассказывали специалисты, свечи с несколькими лазерными пучками могут фокусировать всю световую энергию прямо в центр камеры сгорания – это гарантия наилучших условий для качественного сгорания топлива.

Обычная свеча, даже самая лучшая в мире, настолько высокого эффекта никогда не даст.

С лазерными свечами контроль времени, за которое подается лазерный импульс, будет высокоточным. Двигатели в результате обретают более высокую экономичность и экологичность.

  • Рекомендуем почитать про иридиевые свечи зажигания.
  • Разработчики утверждают, что водителям не придется чрезвычайно много тратить на маленькое чудо большой науки.

Лазерные свечи зажигания, что это такое, принцип работы

Стоимость лазерных свечей всегда будет невысокой из-за относительно легкого, с точки зрения технологии их производства.

Автомобильное зажигание: необычные системы

Item 1 of 5

1 / 5

Раздел патентов Компания Bosch весьма активно занимается системами лазерного зажигания и уже предпринимает конкретные меры по защите своих позиций на еще не родившемся рынке.

Осенью 2011 года специалисты Bosch Вернер Херден и Юрген Райманн запатентовали систему форкамерного лазерного зажигания газового ДВС, а уже в феврале 2012-го ими была подана патентная заявка на инновационную конструкцию верхней части цилиндра и днища поршня

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как известно, термический КПД лучших бензиновых моторов сегодня не дотягивает и до 40%. При этом большинство экспертов 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 вполне реальная.

Чтобы решить ее, инженерам придется «научить» моторы уверенно работать во всем диапазоне оборотов на сверхбедных смесях, разбавленных отработанными газами из системы рециркуляции EGR на 50 — 60%, со степенями сжатия порядка 20:1 и добиться максимально быстрого и полного сгорания заряда при минимальной температуре пламени.

Кое-что из перечисленного возможно уже сегодня. Например, продвинутые ДВС с прямым стратифицированным (послойным) впрыском топлива в зоне низких оборотов могут работать на практически пустых смесях с соотношением воздуха и топлива от 22:1 до 44:1 и при высоких степенях сжатия до 12,5:1.

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

Чтобы свеча смогла инициировать сгорание смеси с гомеопатическим содержанием бензина, конструкторам приходится скрупулезно просчитывать процесс формирования топливовоздушного вихря на такте сжатия.

Возникновение искрового разряда и нитевидных пучков плазмы с температурой свыше 9 000 °C должно совпасть с образованием в зоне электродов облачка с нормальной или слегка обедненной смесью. Ради повышения вероятности этого случайного события тщательно «затачивается» форма стенок камеры, геометрия поршня, расположение форсунок, свечей, а также повышается мощность системы зажигания.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Для гарантированного возгорания стехиометрической смеси (в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания топлива) энергия искры должна составлять 10−20 мДж. «Продавить» искру в переобогащенной или обедненной смеси гораздо труднее.

Напряжение пробоя в такой среде нарастает с 17 до 25 кВ и выше, поэтому для образования факела требуется не менее 100 мДж энергии. Но чем выше мощность и температура разряда, тем быстрее разрушаются электроды: каждое срабатывание свечи лишает их части материала, из которого они сделаны.

Самый эффективный (и самый дорогой) способ борьбы с этим явлением — использование очень тонких электродов с тугоплавкими элементами из платины или иридия.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Впрочем, стратегически этот апгрейд ничего не меняет.

Современные системы искрового зажигания в принципе не способны обеспечить существенного повышения КПД: они слишком медленны — с момента возникновения крохотного очага возгорания до охвата пламенем всего объема камеры проходит 500 мс.

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

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Подсвечник

Тем не менее инженеры компании MAHLE Powertrain Билл Аттард и Патрик Парсонс попробовали перехитрить пространство и время. Для этого им пришлось покопаться в старых архивах и реанимировать забытую концепцию форкамерно-факельного зажигания.

Читайте также:  Выбираем моторное масло для двигателя mitsubishi asx: фото и видео

Знатоки помнят, что это за зверь, по капризному «волговскому» карбюраторному мотору ЗМЗ-4022.10 начала 1980-х.

Впервые такое зажигание применил в 1903 году выдающийся британский инженер — сэр Гарри Риккардо — на двухтактном судовом двигателе Dolphin, и с тех пор оно используется в стационарных генераторах на природном газе.

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

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Система Turbulent Jet Ignition практически всеядна и может работать даже в биотопливных силовых агрегатах.

При этом геометрия камеры сгорания и днища поршня перестает играть определяющую роль в достижении максимальной эффективности сгорания, а деградация электродов свечи практически 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 считают, что будущее систем зажигания будет связано с инициацией процесса управляемого взрыва химическим способом.

В основе технологии Advanced Corona Ignition System (ACIS) лежит принцип химического пробоя ионизированного газа посредством высокочастотного электрического поля.

Иными словами, ACIS — это коронный разряд, известный, как огни святого Эльма.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Корона — бич высоковольтных ЛЭП переменного тока. Когда напряженность поля вокруг проводов достигает критического уровня, окружающий воздух прошивают нитевидные потоки ионизированной плазмы длиной от нескольких миллиметров до метра, приводящие к значительным потерям передаваемой мощности.

Другой яркий пример короны — катушка Николы Теслы. Важнейшее условие возникновения короны, помимо частоты поля, которая достигает 1 МГц, — сечение электрода-проводника: чем он тоньше, тем выше вероятность, что напряженность (отношение напряжения к расстоянию между электродами) поля превысит напряжение пробоя газа.

Тонкие электроды позволяют резко снизить вольтаж в системе.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В сравнении с локализованным в миллиметровом зазоре искровым разрядом размер пульсирующей высокочастотной короны в камере может задаваться произвольно.

Например, в ходе тестирования прототипа ACIS на наддувном двигателе прямого впрыска объемом 1,6 л диаметр разряда составлял 30 — 40 мм, а инженерам из флоридского стартапа Etatech, разработавшим в 2007 году аналогичную систему ECCOS, удалось добиться стабильного образования 18-см короны.

Таким образом, химический пробой происходит одновременно во всем объеме камеры, что сокращает период сгорания смеси в сравнении с искровым зажиганием в 2500 раз — до 100 — 200 мкс. При этом длительность вспышки короны не превышает 200 — 300 нс. В зависимости от настройки системы количество импульсов может составлять несколько сотен.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Ведущий разработчик технологии ACIS Крис Микселл утверждает, что корона обеспечивает надежное сгорание обедненных смесей при добавлении к воздуху 40% и более отработанных газов.

Химический пробой способствует снижению 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 крайне медленная деградация электродов из-за сравнительно низких температур разряда. А вот потребление мощности у ACIS на 30 — 50% выше, чем у обычного зажигания.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Модуль системы, в который входят свеча с несколькими никелевыми иглами, резонансный магнетрон и высоковольтный кабель, адаптирован под размеры стандартной свечи, а блок трансформаторов идентичен по размерам блоку катушек зажигания. В настоящее время Federal-Mogul в кооперации с несколькими автопроизводителями проводит испытания системы, но конкретные сроки внедрения новинки не называются.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Гиперболоид под капотом

Если корона с точки зрения эффективности легко выигрывает у искровых свечей, то ее, в свою очередь, кладет на лопатки лазерное зажигание.

Сразу стоит оговориться: на сегодняшний день лазерное зажигание существует в виде достаточно полно проработанной концепции и нескольких лабораторных моделей.

Но идея, как утверждает профессор японского Института фотоники Такунори Тайра, лишь ненамного моложе самого лазера.

Механизм действия лазерного запала заключается в создании в точке фокуса электрического поля высокого напряжения, которое вызывает образование крошечного очага плазмы с температурой выше 9 000° и давлением порядка 1 000 атм.

Это, в свою очередь, приводит к лавинообразной ионизации и возгоранию облака смеси.

Дополнительный бонус системы лазерного зажигания — возможность постоянного мониторинга процессов в камере сгорания при помощи луча лазерного спектрографа.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Серьезные исследования по использованию 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 система многоканального лазерного запала с одновременной лазерной диагностикой процесса сгорания смеси в камере.

Для передачи пучка на линзу запала Ялин применял термостойкое ламинированное оптоволокно с отражающим слоем серебра толщиной 0,2 мкм. Линза, установленная на месте свечи зажигания, могла фокусировать пучок на любую точку камеры сгорания, а в качестве источника излучения был успешно опробован импульсный YAG лазер мощностью 250 Вт.

Примерно такие же твердотельные лазеры широко используются в медицине и косметологии.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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

При этом суммарная энергия импульсов составляла мизерные 2,3 мДж.

Одновременно проводились опыты с лазерным зажиганием ДВС на водороде, биогазе и бензине, включая версии с прямым стратифицированным впрыском и экстремальными степенями сжатия, а в Австрии группа профессора Герхарда Крупы разработала достаточно мощный компактный лазерный диод, работающий от 12-вольтовой бортовой сети.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Тем не менее реализовать лазерное зажигание, полностью адаптированное к условиям эксплуатации автомобильных двигателей, ученым не удалось. Было выявлено, что лазерные запалы чрезвычайно чувствительны к вибрации, нагреву и коксованию оптического окна.

Частично эти проблемы удалось решить Азеру Ялину, сумевшему вплотную приблизиться к созданию инновационного зажигания, которое можно применять в стационарных и судовых газовых двигателях.

Но о лазерном зажигании для легковушек и речи не было — столь громоздкие системы 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, длина которого составляет 11, а диаметр — 9 мм.

Лазер сделан из прозрачной стеклокерамики и способен работать при температуре свыше 150 °C без ухудшения оптических свойств. Работа группы, в которую помимо ученых вошли инженеры компаний Toyota и Denso, продолжалась в течение семи лет и была изначально нацелена на создание прототипа лазерного зажигания для легковых автомобилей.

Испытания 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 продолжительностью 600 пикосекунд каждый.

В специально обедненной смеси (17,2:1) свечи зажигания продемонстрировали 100%-ный отказ, тогда как лазерная «двустволка» уверенно поражала мишень максимум с третьего из пяти импульсов.

Нет сомнений, утверждает Тайра, что в адаптированном под лазерное зажигание двигателе эффективность запала будет еще выше.

Вполне вероятно, что первой подобной адаптацией станет экзотический роторный двигатель Mazda Renesis, новая 300-сильная модификация которого должна появиться на рынке после 2014 года. Но японцев могут опередить другие автопроизводители.

В частности, Ford, ведущий интенсивные исследования по лазерной тематике уже в течение пяти лет, обещает реализовать их в виде серийного узла в ближайшие годы.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector