Наша сеть партнеров Banwar
Знімки камери згоряння, вироблені спеціальної оптико-телевізійною системою. Динаміка розвитку області горіння: верхній ряд - при штатній системі запалювання. Нижній ряд - зі свічок, що забезпечує смолоскипна запалювання.
< >Знімки камери згоряння, вироблені спеціальної оптико-телевізійною системою. Динаміка розвитку області горіння: верхній ряд - при штатній системі запалювання. Нижній ряд - зі свічок, що забезпечує смолоскипна запалювання.
< > Переглянути картинки списком Оцінити:Рейтинг: 4.13
Автор: Ігор Вікторович, Ковданов Денис Вікторович. Наставник: Щербінін Олександр Миколайович
Місто: Москва
Місце навчання: Московський будівельний технікум
Свічка запалювання - невід'ємний атрибут двигуна внутрішнього згоряння з легким паливом. Свічка з'явилася на світ понад 160 років тому спочатку в першому двигуні (без стиснення) француза Ленуара, а потім в більш ефективному двигуні зі стисненням німецького винахідника Отто.
Свічка служить для запалення паливо-повітряної суміші в камері згоряння двигуна. Класична свічка, знайома всім автолюбителям, містить сталевий корпус з різьбленням і шестигранником, ізолятор з центральним електродом, який утворює іскровий зазор з боковим електродом. Свічка як і раніше є одним з найбільш напружених вузлів двигуна. Унаслідок роботи в найважчих умовах експлуатації: циклічні впливу високих напруг, температури, тиску, широкий діапазон режимів двигуна, відкладення продуктів згоряння, електроерозія. На вдосконалення свічки витрачалися і досі витрачаються великі ресурси. За останні п'ять років в Патентному фонді США зареєстровано понад 7 тисяч "свічкових" патентів. Існує думка, що свічка і система запалювання досягли певного досконалості, що від них мало що залежить, аби були справні. А головне - "залізо" і об'єм двигуна Чи так це? Оцінимо, яка частина електричної енергії високовольтного імпульсу виділяється в іскрі свічки. Як відомо, основна частка енергії іскри в сучасних двигунах виділяється на етапі індуктивної фази розряду. Джерелом високовольтної електричної енергії є котушка запалювання. Кількість накопичуваної енергії пропорційно величині індуктивності котушки, тому остання виходить дуже важкою і матеріаллоемкой. Сумарний опір високовольтної ланцюга системи запалювання становить близько 20 кОм. Оцінимо опір іскрового зазору. З огляду на, що напруга між електродами після пробою падає до 300 В, а струм розряду в середньому дорівнює 300 мА, то опір іскрового зазору приблизно дорівнює 1 кОм. Звідси випливає, що електричний к.к.д. іскри становить близько 5%.
Розглянемо теплової ККД Струм розряду в іскрі перетворюється в джоулево тепло, яке і здійснює підпалювання повітряно-паливної суміші. Розрахунок виникають втрат далеко не простий, тому погодимося з думкою інших авторів, які оцінили втрати тепла на розігрів електродів величиною близько 70%.
Але електроди - не єдині паразити, які пожирають дорогоцінне тепло іскри. Сам вихор, що бушує в камері згоряння, забирає тепло. Швидкість вихору максимальна саме
під стінами камери згоряння, де розташований іскровий зазор свічки. З огляду на це к.к.д. іскри обережно оцінюємо величиною порядку 15%.
Доводиться тільки дивуватися, як двигун з такими втратами ще працює. Через асиметрії горіння виникають механічні втрати. Свічка є пасивним точковим джерелом тепла. Конфігурація фронту полум'я при розвитку горіння повітряно-паливної суміші визначається вихровими потоками. На першому етапі полум'я від іскри поширюється у вигляді постійно розширюється тривимірної спіральної поверхні вздовж стінки в один з кутів камери, а звідти в центр. Центром камери згоряння є центр дна поршня в положенні верхньої мертвої точки (ВМТ). На другому етапі фронт полум'я починає поширюватися практично рівномірно на всі боки. Виникла на першому етапі "спіраль" продовжує підтримуватися від іскри, тому горіння завершується в іншому кутку камери згоряння, протилежному "спіралі".
Горіння відбувається в замкнутому, практично незмінному за обсягом просторі. Тому в міру згоряння палива тиск у камері збільшується, а це дає прогресивний зростання швидкості поширення полум'я. Через швидкоплинність процесів в камері фактично порушується закон Паскаля, оскільки в області завершено горіння короткочасно тиск буде помітно перевершувати тиск в інших областях камери згоряння. Іншими словами, високий тиск генерується зі швидкістю більшою, ніж швидкість вирівнювання тиску в замкнутому просторі.
При завершенні горіння повітряно-паливної суміші в замкнутої камері температура згорілих газів в зоні джерела запалювання найбільша і зменшується до кордонів зони горіння. У момент завершення в замкнутій камері горіння повітряно-паливної суміші зі швидкістю, близькою до швидкості звуку, тиск згорілих газів в зоні завершення горіння найбільше і зменшується в міру віддалення від неї. Чим вище швидкість завершення горіння, тим більше зазначена різниця в тисках.
До чого це призводить? Подивіться уважно.
На поршень, що знаходиться в області ВМТ. По суті, це балансує система з точкою опори практично в центрі поршня. У міру збільшення реакції навантаження дана балансує система наближається до стаціонарної. Тим часом, балансують системи мають дуже важливу властивість: мала асиметрія може привести до великих наслідків. Аналогічно, коли через 15 ° повороту коленвала, після проходу ВМТ завершується горіння повітряно-паливної суміші, поршень, поряд з рівномірним тиском на все дно, отримує удар по одному краю. Йому "нічого не залишається", як повернутися щодо точки опори, Це призводить до короткочасного заклинювання поршня в циліндрі. З ростом навантаження гальмуючий ефект наростає, поршні по черзі "проскакують" через заклиненому стан, крутний момент двигуна істотно падає.
На високих оборотах через тривале горіння частина палива згоряє в фазі СТИСК, що також гальмує двигун. Частина палива догорає у вихлопній трубі. У підсумку з ростом числа оборотів падає крутний момент, а витрата палива катастрофічно зростає.
Але все це вважається нормою!
У світовій практиці з цим явищем почали боротися не відразу. Коли в авіації з міркувань надійності стали застосовувати дві симетричні свічки на циліндр, то це підвищило потужність двигуна на 5%. Таке рішення в автомобільній практиці першою використала HONDA, так як переконалася в значному підвищенні крутного моменту на "низах". Далі до такого ж рішення вдалася Alfa-Romeo. І зовсім недавно -Daimler-Chrysler. Однак впровадження дубльованої системи запалювання - недешеве задоволення і, крім того, воно фактично означає необхідність розробки нового двигуна. А що робити з сотнями мільйонів автомобілів, які вже їздять по всьому світу?
Крім того, застосування двох свічок на циліндр не усуває інший недолік. Довжина шляху поширення фронту полум'я в реальних камерах згоряння становить не менше трьох радіусів поршня. Велика протяжність шляху фронту полум'я приводила до того, що при високій частоті обертання валу доводилося підпалювати повітряно-паливну суміш задовго до ВМТ (збільшувати кут випередження запалювання), а фаза стиснення закінчувалася вже після запалювання повітряно-паливної суміші. Якщо розглядати індикаторну діаграму, то при цьому теплова енергія наростає в фазі стиснення і, природно, зменшується в фазі розширення. Таким чином, з ростом частоти обертання валу крутний момент падає "з подвоєною швидкістю". Потім настає момент, коли двигун "верещить, але тягнути вже не може", так як здатний обслуговувати тільки сам себе. І все це, в основному, через тривале горіння або невірного способу запалювання. У підсумку ми можемо зробити висновок, що системи запалювання сучасних двигунів грішать принциповими недоліками.
Всі недоліки, розглянуті вище, усуваються, якщо горіння повітряно-паливної суміші почати в центрі камери згоряння. І зробити це найдоцільніше за допомогою факельного запалювання за аналогією з кращими форкамерно двигунами. Перший форкамерний двигун був запропонований Рікардо в 1918 р, а останній був знятий з виробництва на початку 80-х. І це дивно, так як форкамерно двигуни були кращі за звичайних за всіма показниками, крім одного - вони були складніше, особливо по відношенню до системи харчування і газорозподілу. Ймовірно, останнє і переважило в одвічному компромісі: ціна - якість.
Форкамерно свічка запалювання
Форкамерно свічка запалювання має унікальну конструкцію і містить новий елемент - тонкостінну конусну насадку.
Насадка кріпиться співвісно зі свічкою запалювання на торці корпусу так, що іскровий проміжок виявляється в центрі конусного ділянки.
Насадка виконана з металокераміки, яка володіє антікалільнимі властивостями.
Окремі автори розробники свічок пропонують металеві насадки які збільшують а не зменшують антікалійное число, і як правило детонацію двигуна
У новій свічки центральний іскровий зазор симетрично оточений конусним резонатором.
Конус виготовлений з, металокерамічного матеріалу.
Завдяки "напіввідкритих" свічки їй не страшні проблеми вентиляції та засмічення продуктами неповного згорання.
Вона працює краще звичайної свічки, так як формує більш потужний розходиться факел.
Під час фаз "впуск" та "стиснення" вільна порожнину свічки запалювання, включаючи насадку, заповнюється паливної сумішшю. При високовольтному пробої іскрового проміжку іскра не викликає підпалювання паливної суміші в камері згоряння, а починається накопичення теплової енергії в свечe. При наближенні поршня до верхньої мертвої точки свічка запалювання вистрілює запасеної тепловою енергією уздовж своєї осі у вигляді імпульсного розширюється факела факелом в центральну область камери згоряння. Завдяки ефекту форми (конусної насадки) потужність і довжина факела максимально можливі. . Горіння відбувається тільки в фазі РОЗШИРЕННЯ. Збалансоване тиск на поршень підвищує крутний момент. Таким чином, виключені всі стандартні термодинамічні гальмують ефекти і втрати.
Смолоскипна запалювання покращує одночасно всі параметри двигуна і автомобіля: швидкість, прийомистість, економічність, екологічність.
Особливо важливим досягненням є зниження рівня викидів окислів азоту. Різко зменшилася теплова навантаженість двигуна, з'явилася можливість здійснювати розгін з переходом від 1-ї на 5-ю передачу. Машина "не помічає" підйомів, тобто не знижує швидкості на підйомі. Витрата палива скорочується і перестає залежати від швидкості, тому при русі зі швидкістю 120 км / год і вище економія нерідко досягає 30% .Замечено, для автомобілів з більшою масою і двигунів зі збільшеним діаметром поршнів виграш збільшується.
Нова свічка запалювання з тонкостінних конусним резонатором покращують в тому числі, і екологічні показники двигунів, що працюють на легкому паливі.
Як відомо, в результаті згоряння органічного палива в двигуні утворюється ряд газоподібних сполук різного ступеня шкідливості: оксид вуглецю, діоксид вуглецю, оксиди азоту, вуглеводні, діоксид сірки, сажа, сполуки свинцю, бензопірен та ін. Їх наявність в абсолютних і відносних одиницях виміру визначається багатьма факторами.
За коефіцієнтом небезпеки і реального обсягу викидів оксиди азоту з великим відривом посідають "почесне" перше місце. Для їх утворення в двигуні значення має не тільки температура, але і ступінь збагачення. Нова свічка принципово змінює характер горіння повітряно-паливної суміші в камері згоряння. Горіння тепер відбувається симетрично і приблизно в три рази швидше. Це позитивно позначається на температурному градієнті в камері згоряння, максимальна і середня температури в камері згоряння з новою свічкою знижуються. У камері згоряння з новою свічкою відбувається зниження середньої температури при високих швидкостях руху автомобіля завдяки економії палива. При використанні традиційної свічки з наростанням швидкості спостерігається експоненціальне наростання витрат палива. Це пояснюється відомим недоліком традиційного запалювання - зниженням крутного моменту двигуна з ростом навантаження і збільшенням частоти обертання.
Нова свічка запалювання дозволяє значно зменшити залежність питомої витрати палива від швидкості. Було отримано практичне підтвердження даного факту: при швидкості 170 км / год економія склала 50%. Нова свічка забезпечує зниження викидів оксидів азоту завдяки підвищенню динамічності автомобіля. Особливо це відноситься до розгону типу "педаль акселератора в підлогу". Цей режим розгону, до речі, є і найекономічнішим (чим швидше автомобіль досягне заданої швидкості, тим менше він спалить палива і менше будуть викиди оксидів азоту).
Вважається, що вміст оксиду вуглецю (СО) і вуглеводнів (СН) у відпрацьованих газах двигунів майже не залежить від ступеня стиснення, частоти обертання колінчастого вала, кута випередження запалювання і т.д. Це практично лінійна залежність від коефіцієнта багатства суміші. Можна зробити висновок, що особливості свічки запалювання тим
більше не впливають на рівень СО і СН. Однак дійсність виявилася іншою. Вимірювання на холостому ходу, коли рівень СО і СН виявляється максимальним через найгірших умов горіння показали, що з частотою обертання коленвала двигуна вміст СО і СН зменшується, а вміст СО2 збільшується до 16%. Було відмічено, що після заміни свічок з'явився специфічний запах вихлопних газів, який через 150 км зник. Це пояснюється тим, що в результаті поліпшення процесу горіння в двигуні відбувалася очистка каталізатора і всієї випускної системи в цілому від забруднень.
Наведені теоретичні обгрунтування і отримані експериментальні результати ні в якому разі не можна вважати остаточними. Але вже зараз багато фахівців абсолютно переконані, що нові свічки позитивно впливають не тільки на динаміку автомобіля, економію палива, збільшення моторесурсу двигуна, але, що особливо важливо в наш час, на різке зниження забруднення навколишнього середовища.
ВИПРОБУВАННЯ довести переваги СВІЧОК ЗАПАЛЮВАННЯ
ДИНАМІЧНІСТЬ - підвищується за рахунок швидкого і симетричного горіння. Значно збільшується крутний момент на низьких і високих оборотах.
ЕКОНОМІЧНІСТЬ - досягається за рахунок збіднення суміші в режимі холостого ходу, швидкого і симетричного горіння і виключення механічних втрат. Економія на трасі нерідко досягає 50%.
Екологічність - підвищується в 2 - 5 разів! Викиди CO і CH знижуються за рахунок збідніння суміші і підвищення стабільності запалювання. NOx знижується за рахунок економічності і швидкості горіння. Каталізатор і весь випускний тракт очищаються від нагару.
МАКСИМАЛЬНА ШВИДКІСТЬ - виростає, так як підвищується крутний момент на високих оборотах і горюча суміш згорає швидко і тільки в фазі РОЗШИРЕННЯ. Значно розширюється робочий діапазон високих обертів.
НАДІЙНИЙ ПУСК ПРИ НЕГАТИВНИХ ТЕМПЕРАТУРАХ - забезпечується декількома корисними особливостями конусного резонатора: створення "мікроклімату" для горіння; збільшення іскрового зазору; фокусування всіх видів енергій випромінюваних іскрою (від ударної хвилі до м'якого рентгена).
НАГРЕВ ДВИГУНА - помітно знижується за рахунок швидкого і симетричного горіння.
НОРМАЛЬНАЯ ПОТЯГ ХОЛОДНОГО ДВИГУНА - ліквідація заклинює ефекту в умовах максимальних теплових зазорів між поршнем і циліндром.
Еластичність РУХУ - за рахунок значного розширення робочого діапазону оборотів, на автомобілях V6 з АКПП на другій передачі набирається швидкість 120 км / год, на автомобілях з механічною коробкою передач після набору швидкості 40-50 км / год можна включати вищу передачу.
РЕСУРС ДВИГУНА - значно збільшується за рахунок інтегрального ефекту всіх вище перерахованих переваг.
Коментар до індикаторної діаграмі, представленої в схемі роботи свічок запалювання:
Стандартна (червона) - діаграма наростає задовго до ВМТ (верхня мертва точка). Площа фігури зліва від ВМТ означає енергію, що працює зі знаком "-". Так як тиск в фазі СТИСК направлено на зустріч руху поршня, тобто гальмує поршень. Тому діюча енергія - це по суті різниця площ фігур праворуч і ліворуч від ВМТ. Bugaets (синій)
- діаграма в 3 рази швидше наростає в районі ВМТ. Отже немає енергії зі знаком "-" Тому тиск праворуч від ВМТ, при тій же потужності двигуна-менше, ніж у стандартного. Відповідно бензину потрібно також менше.
А головне - "залізо" і об'єм двигуна Чи так це?
До чого це призводить?
А що робити з сотнями мільйонів автомобілів, які вже їздять по всьому світу?