Пути улучшения характеристик искровых свечей зажигания современных ДВС. Последнее изменение: [ 27.03.03 г.]

Главная страница Статьи и разработки Рисунки и чертежи

Предлагается простой вариант изменения конструкции электрода массы. Себестоимость свечи зажигания практически не изменяется.       Единственный недостаток: необходимость сориентированного положения при установке свечей зажигания.

Оширов В. 18.07.02 г

О работе свечей зажигания достаточно много написано. Но на некоторые моменты в работе искровой свечи зажигания в современных ДВС, по всей видимости, не обращено должного внимания. А в ее работе и влиянии на процесс горения топливовоздушной смеси есть скрытые неиспользуемые резервы. Именно поэтому и возникла необходимость в написании данной статьи.   Сразу хотелось оговориться, что автор статьи знаком с многочисленными вариантами "усовершенствования" свечей зажигания но, к сожалению, почти все они наряду с некоторым рациональным зерном имеют значительные просчеты не учитывающие всех особенностей в работе такого казалось бы простого элемента, как свеча зажигания.   В данной статье освещены вопросы по итогам анализа работы на реальном ДВС экспериментальных свечей зажигания с различной формой электрода массы. Дополнительным результатом, отражающим оптимальную форму электрода массы, явилась подача заявки на изобретение под названием "Электрод массы свечи зажигания ДВС" № 2002101903 от 11.01.02 года. Хотя вполне возможно, что предложенная форма электрода массы не является идеальной. Необходимо отметить, что в эксперименте участвовал "402" двигатель автомобиля "Газель – 2705" и некоторые положения касающиеся движения потоков горючей смеси в цилиндре могут незначительно отличаться от описанных для других типов двигателей. К особенностям настройки систем двигателя можно отнести то, что он работает на достаточно бедной горючей смеси при среднем летнем расходе топлива 10 литров на 100 км пробега; зимой расход топлива возрастал до 12,5 литра. Установка свечей в нужное положение осуществлялась в основном методом подбора. Использовались свечи отечественного производства с соответствующими доработками электрода массы.   Классическая свеча зажигания, несмотря на достаточно долгий путь своего развития и совершенствования, сохранила некоторые характерные конструктивные недостатки и основные из них: "Г" образная форма изгиба, близкое к прямоугольной форме, сечение электрода массы, образуемая при этом "параллельная" форма искрового зазора, пренебрежение расположением электрода массы по отношению к потокам горючей смеси, возникающим в объеме цилиндра при работе ДВС.   Кратко перечислим отрицательные основные моменты, возникающие при работе подобных искровых свечей зажигания, связанные с электродом массы.   Классическая форма "параллельного" искрового промежутка не создает должных условий для перемещения плазменного шнура электрического разряда, как электродинамического, так и аэродинамического от воздействия двигающегося потока горючей смеси.   Классическая форма и сечение электрода массы обладают достаточно четко выраженным экранным действием для инициирующего горение электрического разряда от основной массы горючей смеси. Имеет место образование плохо "вентилируемых" зон: под электродом массы и самого искрового промежутка, дополнительно различных по цилиндрам из-за случайной ориентации электрода массы (возникающей после заворачивания свечи) по отношению к потокам горючей смеси. Поэтому инициирующий процесс горения несколько локализован и имеет зависимость от флуктуаций состава горючей смеси в зоне искрового промежутка.   Совместное влияние статического положения плазменного шнура электрического разряда и недостаточное движение потока горючей смеси в районе искрового промежутка приводят к местным перегревам поверхности электродов и, следовательно, увеличенному электроэрозионному разрушению электродов, а также пониженной и нестабильной способности инициировать горение топливовоздушной смеси, проявляемое в хаотическом пропуске циклов горения.   Как оказалось для классической свечи зажигания не свойственно такое явление, как самоочистка электродов; т.е. практически отсутствует самоочистка поверхностей, прилегающих к зоне искрового промежутка, от продуктов нагара. Обратите внимание: именно от продуктов нагара до чистой поверхности металла, а не выжигание с образованием слоя твердых шлаков. Это основные положения, говорящие о недостаточной конструктивной проработке такого простого элемента как электрод массы.   Рассмотрим теперь, что дает несложное изменение формы сечения электрода массы и его изгиба.     На Фиг. 1 схематически изображен участок свечи зажигания, показано направление движения потока горючей смеси в период искрообразования, изображен искровой зазор переменного сечения, границы зон и направление перемещения плазменного шнура электрического разряда при различных режимах работы ДВС.   Можно сказать, что теперь свеча отдаленно напоминает схематический плазматрон, где поток горючей смеси без помех движется через зону плазменного шнура электрического разряда. Это является одной из характерных черт применения свечи зажигания с измененной формой электрода массы, когда поток горючей смеси имеет возможность качественно иного контакта с высокотемпературным плазменным шнуром электрического разряда. При детальном анализе процессов протекающих при подобном конструктивном исполнении электрода массы и его ориентации относительно движения потока горючей смеси в момент искрообразования можно отметить следующие положительные моменты, улучшающие свойства свечи зажигания.   На плазменный шнур электрического разряда, возникающий в искровом промежутке, оказывают действие два рода сил: электродинамическая, зависящая от силы тока и угла наклона торцевых плоскостей электродов, образующих искровой промежуток; и аэродинамическая, зависящая от скорости движения потока горючей смеси в зоне искрового промежутка, т.е. косвенно от оборотов ДВС. Подобное сочетание влияний достаточно важно, поскольку требования к работе свечи зажигания различны на различных режимах работы ДВС.   Имеет возможность образоваться эффект "квазиувеличения" искрового промежутка при увеличении оборотов ДВС, за счет большего смещения и растяжения плазменного шнура электрического разряда, возрастающей скоростью движения потока горючей смеси. Данное явление по своей эффективности значительно превосходит все предложения (изобретения) касающиеся увеличения искрового промежутка при прогреве ДВС, и вообще переводит работу свечи на более высокий уровень.    Особенность данного искрового промежутка – его "динамические размеры". Например, при запуске ДВС искровой промежуток свечи имеет минимальные, но "динамические размеры": пробой происходит в узком месте, затем следует сдвиг и растяжение плазменного шнура в сторону расширения искрового промежутка за счет преобладающего в данном режиме электродинамического смещения электрического разряда, при этом зона сдвига последнего не превышает границу зоны искрового промежутка. При увеличении оборотов после запуска ДВС происходит "квазиувеличение" искрового промежутка за счет дополнительного растяжения и выгибания плазменного шнура за пределы зоны искрового промежутка под действием возрастающей скорости движения потока горючей смеси.   Дополнительно происходит увеличение толщины плазменного шнура за счет термической ионизации горящей топливовоздушной смеси. При этом имеет место стабилизация температуры поверхностей электродов в искровом промежутке (при увеличении теплового режима ДВС) и фронт пламени не срывается, т.к. турбулентность потока минимальна, и происходит сложение скорости распространения горения с движением потока горючей смеси.   У классической свечи подобное явление нарушается. Другими словами в нашем варианте топливная смесь движется в районе электродов свечи зажигания в уже загоревшемся состоянии. Сжатие происходит частично загоревшейся топливной смеси, но так как температура горения смеси на порядок ниже температуры плазменного шнура электрического разряда, происходит охлаждение поверхностей искрового промежутка. Или можно говорить о температурной стабилизации поверхностей зоны искрового промежутка и снижению вероятности появления зон перегрева, приводящих к чрезмерной электроэрозии электродов. Следовательно, практически отпадает необходимость в применении дорогих материалов для термостойких вставок или наплавок на электроды. Хотя после года эксплуатации заметен электроэрозионный износ в основном некоторых мест центрального электрода, что говорит о недостаточном отводе от него тепла.   Электроэрозионный износ в 2 – 3 раза меньше обычного для подобных свечей зажигания.   "Квазиувеличение" искрового промежутка улучшает процесс инициализации горения на больших оборотах ДВС, что имеет важность при применении бедных и ультра бедных горючих смесей. При этом свеча зажигания сохраняет высокую инициирующую способность и при скорости движения потока горючей смеси превышающих скорость распространения фронта горения; при отсутствии сильной турбулентности инициирующий луч пламени распространяется по объему топливного заряда даже после "гашения" плазменного шнура электрического разряда, в процессе его охлаждения и растяжения потоком свежей топливной смеси. При подобных условиях электроэрозионный износ электродов практически пропадает.   Появляется дополнительная возможность реального управления скоростью горения топливного заряда путем варьирования мощностью электрического разряда. (см. статью "Система автоматического (адаптивного) управления параметрами зажигания. САУПЗ"). Само по себе явление раннего "гашения" электрического разряда может приводить к некоторым неоднозначным эффектам: изменению формы кривой тока, повышению напряжения на электродах свечи и контактах распределителя после "гашения" вплоть до повторного пробоя искрового промежутка. Хотя возникновение подобных эффектов сомнительно ввиду непродолжительного действия импульсов напряжения при искрообразовании.   Имеет место образовываться явление самоочистки поверхностей электродов, прилегающих к искровому промежутку, причем по ходу раскрытия искрового зазора, центральный электрод имеет абсолютно чистую поверхность вплоть до границы своего входа в конус керамического изолятора. Граница зоны самоочистки (вид сбоку) показана на Фиг. 1.   Возникновение явления самоочистки, по всей видимости, связано с перемещением оснований плазменного шнура и выходом их за пределы искрового промежутка. При этом дополнительно имеет место увеличение толщины плазменного шнура и снижение плотности тока в нем за счет термической ионизации прилегающей к нему зоны горящей топливной смеси. Данное явление связано с тем, что поток горящей смеси движется через зону расширяющегося искрового промежутка.   Взаимодействуя с возникшим в узком месте плазменным шнуром электрического разряда, он не только сдвигает, но и способствует значительному увеличению толщины, т.е. объема плазмы, участвующей в электрическом разряде, за счет дополнительной термической ионизации потока загорающегося топливного заряда. Что говорит не только об эффективной инициализации горения топливной смеси, за счет расширенного контакта ее с плазменным шнуром разряда, но и о распределении высокой температуры плазмы, как по поверхности электродов, так и по объему горящей смеси.   Благодаря явлению самоочистки повышается надежность работы свечей зажигания даже при загрязнении их маслом. Дополнительно явление самоочистки способствует общему снижению температуры конца центрального электрода, за счет лучшей теплоотдачи чистой поверхности свежему потоку горючей смеси. Это говорит и о некотором расширении температурного диапазона работы свечи зажигания. Характерно, что в прилегающей к искровому промежутку зоне самоочистки наблюдается электроэрозионный износ, связанный с испарением металла центрального электрода, что говорит о явно завышенной мощности электрического разряда (большой длительности или неверной форме импульса тока на некоторых режимах).   Имеется возможность уменьшения мощности электрического разряда при сохранении прежней способности инициировать горение топливного заряда, либо напротив увеличить инициирующую способность свечи при сохранении параметров электроэрозионного износа электродов.   Преобладающее направление движения потока горючей смеси, в районе электродов свечи зажигания, для описываемого двигателя практически совпадало с направлением на выпускной клапан, и показано на Фиг.1 относительно свечи. Таким образом, незначительное изменение конфигурации электрода массы и правильная его ориентация по отношению к внутри цилиндрическому движению потоков горючей смеси, позволяет улучшить многочисленные характеристики свечи зажигания, что в конечном итоге расширяет возможности по изменению характеристик современного ДВС.

Дополнение.     Некоторые особенности применения, дополнительные эффекты.

Оширов В.

Применение подобной свечи зажигания позволяет получить стабильные параметры ДВС по составу смеси, т.е. уменьшить разброс по допуску настройки главных дозирующих систем и системы холостого хода в особенности. Снижение нижнего предела устойчивого зажигания горючей смеси в сочетании со стабильными параметрами горения в предельно узком диапазоне настройки, позволяет в целом получить более экономичный ДВС с пониженным уровнем токсичности ( при соответствующей подстройке дозирующих систем топливоподачи и характеристики угла зажигания).    Все выше сказанное относится и к инжекторным ДВС. Ввиду особенностей внешнего смесеобразования (аналогично и внутреннего), особенно на переходных режимах и холостом ходе, у инжекторных ДВС образуется достаточно неравномерный по составу топливный заряд, поэтому актуальность применения свечи зажигания с усовершенствованным электродом массы возрастает в большей степени, чем для карбюраторного ДВС, у которого топливный заряд всегда образуется более равномерного состава. Поэтому инжекторные ДВС требуют для достижения устойчивой работы большего искрового зазора и повышенной мощности разряда, все это приводит к сокращению срока службы свечей зажигания и требует некоторого завышения настройки систем управления по топливу.    Предложенная конструкция свечи зажигания раскрывает новые возможности по настройке параметров систем управления впрыском с целью получения как топливной экономичности и снижения токсичности, так и получения большей мощности и стабильной работы ДВС.    Расширяются возможности управления горением топливовоздушной смеси за счет параметров системы зажигания, т.е. подобная свеча вызывает адекватную реакцию на скорость горения топливного заряда при увеличение (уменьшение) мощности электрического разряда и незначительном износе электродов. Другими словами - появляется новая возможность расширенного управления процессом горения топливного заряда, а это и увеличение приемистости ДВС и его экономичность.

Как самостоятельно частично доработать и правильно установить свечи зажигания.

Оширов В.

Постараюсь рассказать, как своими силами, можно частично изменить конструкцию электрода массы, чтобы получить некоторое представление о работе подобной доработки. Свеча, доработанная по полной программе, будет работать еще лучше.    При аккуратном исполнении доработка не представляет особой сложности. Необходимый инструмент: молоток 200 – 250 грамм, хорошая наковальня (брусок металла прямоугольной формы), плоский и круглый надфиль, круглогубцы и пассатижи. Доработке подвергают свечи с калильным числом соответствующему типу ДВС. Желательно чтобы свеча имела электрод массы максимальной толщины, поскольку встречаются и с достаточно тонким электродом массы. Необходимо аккуратно разогнуть электрод массы, не допуская большой нагрузки на место приварки его к корпусу свечи.   Произвести вытяжку тела электрода молотком на наковальне вначале до формы квадрата (в сечении), стараясь проковывать максимально возможную длину электрода (не допуская даже легкого удара по центральному электроду, который приводит к сколу конусного изолятора, "страхуя" центральный электрод кончиком пальца и ногтем). Постепенно в процессе ковки происходит удлинение и утоньшение электрода, плавно переходят от квадратной формы проковки к круглой. При этом добиваются плавного уменьшения общей толщины к концу электрода, не более 50%. Удлинение электрода должно быть около 3 – 3,5 мм (ради этого и производится проковка)    Фиксируют полученную длину, она должна быть одинакова у всех свеч, электрод располагается вдоль оси свечи. (Оптимальная длина электрода массы составляет: 13 - 13,5 мм для свечи марки А14В-2). Затем выполняют небольшой скос торца плоским надфилем и производят загиб электрода, захватив его конец круглогубцами. Окончательную форму изгиба производят легкими ударами молотка, опирая электрод о наковальню. Торец электрода массы должен находиться над центральным электродом с минимальным зазором, рекомендуемым для конкретного ДВС. Круглым надфилем аккуратно удаляют заусенцы (если они образовались). Желательно вначале потренироваться на старых свечах зажигания.   При установке свечей на свои места, методом подбора, добиться чтобы направление движения потока горючей смеси соответствовало приведенному на рисунке. (Возможен подбор толщины медного уплотнительного кольца). Обычно поток смеси движется в момент искрообразования в сторону выпускного клапана.   Проверить это достаточно просто: нанести на свечной ключ хорошо видимую метку (краской, фломастером и т.п.); затем при отворачивании свечи (поработавшей достаточно долго), установить ключ на свечу, расположив метку с верху в хорошо видимой части (запомнить расположение метки в пространстве, т.к. она может быть несколько смещена от верхнего положения), отвернуть свечу, не снимая ключа с нее. Извлечь свечу вместе с ключом и расположив метку на ключе в положение " как перед отворачиванием", посмотреть на электроды свечи при небольшом увеличении, направление движения потока хорошо видно по своеобразным наносам нагара на электродах.   Зафиксировать направления движения потоков для каждого цилиндра. Установить свечи, ориентируясь на известные теперь направления потоков, методом перебора свечей и пробным заворачиванием (не затягивать сильно при подборе). Не следует стремиться к максимальной точности установки, допустимая точность около 30 градусов. Если хочется достичь большей точности, желательно подобрать свечи до их доработки из некоторого большего 4 штук количества.   При периодических осмотрах свечей, устанавливать их в "свои" цилиндры. Поездив некоторое время и насладившись стабильным запуском и устойчивой работой ДВС, желательно проверить искровые зазоры, поскольку из-за возникших механических напряжений в процессе проковки электрода возможно незначительное их изменение.

Внешний вид доработанных свечей зажигания.

Внешний вид свечей длительно работавших без очистки на двигателе машины.

Выводы и комментарии.

Автор

Проверка текста

Рисунки и чертежи