Важность инициирующего начального очага загорания топливовоздушной смеси при искровом зажигании в ДВС зачастую недооценивается, хотя именно этот начальный очаг играет первостепенную роль на стабильность и устойчивость циклов горения в цилиндрах. Возможно, приблизить процесс горения при искровом поджигании к процессу горения дизельного топлива и даже несколько превзойти его в качественном отношении и за счет лучшей управляемости его. Процесс горения топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС можно условно разделить на четыре характерных этапа: инициирующий начальный очаг загорания, переходной период формирования основного ядра горения, процесс горения основного ядра, завершающий этап пристеночного догорания. Влияние каждого этапа горения на топливную экономичность, мощность, токсичность выхлопных газов, коэффициент полезного действия и другие многочисленные характеристики ДВС различна, но все они представляют собой один неразрывный потоковый процесс, поэтому важность начального этапа достаточно высока, так как именно от него зависит скорость формирования основного ядра горения.
Формирование инициирующего начального очага горения зависит от нескольких факторов: конструкции электродов свечи зажигания и их температуры, электрической мощности искрового разряда, качественного состава горючей смеси в районе электродов свечи зажигания, интенсивности турбулентности и скорости движения смеси у электродов свечи, температуры и давления внутри цилиндра в период искрообразования. При этом именно от конструкции электродов свечи зажигания зависит стабильность формирования инициирующего очага загорания, которая обычно достигается путем увеличения мощности искрового разряда, но здесь существует вполне понятное ограничение по электроэрозионной стойкости электродов свечи зажигания. Актуальность данной проблемы возросла с переходом на обедненные и ультра бедные топливные смеси, при которых тенденция к пропуску горения циклов усиливается.
Конечно, оптимальный состав горючей смеси на всех режимах работы ДВС поддерживать достаточно сложно, особенно при классическом принципе его организации. Хотелось несколько затронуть вопрос организации топливоподачи (смесеобразования) в цилиндры ДВС, так как свеча зажигания является активным участником горения топливного заряда и не совсем правильно рассматривать ее работу в отрыве от общего процесса.
Результат оптимального процесса организации топливоподачи (смесеобразования) должен выглядеть следующим образом: состав топливовоздушной смеси в районе электродов свечи и по направлению к выпускному клапану (клапанам) должен быть близок к стехиометрическому (в момент времени перед подачей импульса высокого напряжения на электроды свечи) и не изменяться с изменением режима работы ДВС, при этом турбулентность в этой зоне должна быть минимальна. Объем данной протяженной зоны должен быть около 10 – 15 % от рабочего объема цилиндра на момент искрообразования. В остальном объеме цилиндра должна находиться гомогенная горючая смесь, качественный состав которой зависит от режима работы ДВС и может изменяться в довольно широких пределах от альфа = 1,1 до альфа = 2,0 и более (режим холостого хода и минимальных нагрузок). По данному объему допустима умеренная турбулентность смеси. Рециркуляция отработанных газов должна быть минимальна либо отсутствовать, вполне достаточно в цилиндре остаточных газов, тем более распределение их желательно в пристеночной зоне и в щелевых зазорах, где при попадании горючей смеси, она не сгорает при любой своей концентрации.
Получение подобного результата работы системы топливоподачи невозможно ни при карбюраторном питании (внешнее смесеобразование), ни при инжекторном питании, включая непосредственный впрыск (внутреннее смесеобразование). Вся сложность заключается именно в несовершенстве обеих классических процессов топливоподачи, которая усугубляется различными режимами работы ДВС. Выход, по всей видимости, достаточно прост: применить грамотную комбинацию обеих. При этом образуется двигатель синтагма - комбинированного смесеобразования; когда недостатки каждого способа топливоподачи исчезают, заменяясь достоинствами другого. Именно простота обычного карбюратора (либо усовершенствованной системой распределенного впрыска), дополненного системой "вариостат" и системой холостого хода без топливоподачи, с рабочими дозирующими системами, отрегулированными на достаточно бедную статическую топливоподачу; и непосредственное впрыскивание (непосредственная инжекция) в районе свечи зажигания, фиксированной (или почти фиксированной с коррекцией по оборотам) небольшой дозы топлива непосредственно перед искрообразованием; должны обеспечить при всей своей простоте в управлении, оптимальное горение топливовоздушной смеси на всех допустимых режимах ДВС. При этом непосредственную инжекцию, возможно, осуществлять с полидопинговой полостью (одной или несколькими). Это обеспечивает предварительный подогрев и испарение топлива, уменьшает вероятность появления зон с переобогащенной смесью, дополнительно растягивая во времени процесс фактического впрыскивания, т.е. достигается эффект подачи смеси во фронт пламени, что расширяет диаграмму термодинамического цикла ДВС в верхней части. (Считая его неравновесной термодинамической системой Фиг. 2.). Т.е. увеличивается эффективная работа в цикле, при уменьшении максимального давление в ВМТ. Необходимо учитывать, что параметры непосредственной инжекции топлива играют определяющую роль в основном на режимах от ХХ и до средних (зона невысоких оборотов), но занимающих большую часть от фонда времени работы и определяющие динамические свойства ДВС. При этом, обеспечивая максимальный КПД, низкий расход топлива и минимальную токсичность выхлопных газов, несмотря на достаточную простоту и надежность подобной конструкции системы топливоподачи, которая опирается на существующие наработки в этих областях. "Вариостат" – это дополнительное устройство карбюратора, изменяющее состав топливной смеси на переходных режимах, путем воздействия на воздушные жиклеры главных дозирующих систем, обеспечивающее приемистость при небольшом расходе топлива. Работу вариостата характеризует график на Фиг. 1. В нескольких словах о работе вариостата: управляющим сигналом является скорость изменения разряжения в полости воздушного фильтра, т.е. перед карбюратором. Любое изменение в режиме работы ДВС, т.е. изменение нагрузки либо движение заслонок приводит к изменению управляющего разряжения. Данное изменение разряжения, воздействуя на мембрану, смещает рабочий элемент, изменяющий сечение главных воздушных жиклеров в сторону увеличения либо уменьшения. Смещение рабочего элемента сохраняется до выравнивания разряжения во второй полости вариостата через специальный жиклер. При этом происходит качественное изменение состава топливовоздушной смеси, имеющее максимальную эффективность именно на больших оборотах ДВС, где велик удельный расход топлива. (Более подробно вариостат описан в другой статье.)
Стабильность, устойчивость и интенсивное развитие инициирующего очага загорания обеспечивается при применении свечи зажигания с измененной конструкцией бокового электрода массы и развернутым по преобладающему направлению потока горючей смеси на момент искрообразования, которое желательно в сторону выпускного клапана (клапанов), т.е. по направлению зоны со стехиометрическим составом топливовоздушной смеси. Данная зона образуется после инжекции дозы топлива форсункой, расположенной перед свечой по ходу движения потока горючей смеси. Форсунка может иметь специальную полость; (назовем ее полидопинговая полость), т.е. полость, куда производится впрыск топлива, где оно частично испаряется и из которой происходит инжекция паров в камеру сгорания. Свеча зажигания описана в заявке на изобретение № 2002101903 от 11.01.02 года. Особенность конструкции данной свечи зажигания в достаточно простом изменении формы электрода массы, но при этом устраняются недостатки, связанные с классической формой и достигаются новые эффекты: электродинамическое смещение плазменного шнура "искрового – дугового" разряда, уменьшенное экранирующее действие электрода массы на инициирующий очаг загорания, возможность интенсивного роста начального очага загорания, уменьшенный электроэрозионный износ электродов.
Другими словами данная свеча зажигания обеспечивает более эффективный поджог топливовоздушной смеси и обеспечивает быстрое формирование основного ядра горения, что в конечном итоге позволяет улучшить топливные и токсичные характеристики двигателя. Интенсивному росту начального очага загорания способствует форма сечения электрода массы с низким аэродинамическим сопротивлением в направлении от центрального электрода, т.е. от инициирующей зоны горения. Искровой промежуток свечи зажигания образован между торцевыми поверхностями электродов, образующих между собой острый угол.
Направление раскрытия угла должно приходится по направлению движения потока горючей смеси и желательно в сторону выпускного клапана (клапанов), за счет чего обеспечивается дополнительный эффект от применения данной свечи, т.к. свеча зажигания активно участвует в формировании процесса горения топливной смеси в цилиндре. Применение оптимизированной системы топливоподачи (комбинированного смесеобразования) стабилизирует общую скорость горения смеси на различных режимах, следовательно, снижаются требования к процессу управления углом опережения зажигания, исключаются возможности появления "раннего зажигания"; уменьшаются возможности образования оксидов азота, чему способствует и отсутствие возможности образования зон с повышенной температурой горения (свыше 2000°С), сокращаются процессы диссоциации и увеличивается общий индикаторный КПД ДВС; а благодаря полному сгоранию топлива уменьшается количество и других вредных выбросов, особенно на переходных режимах работы ДВС.
Подобная конструкция двигателя синтагмы перспективна в плане перехода на основное газовое топливо либо комбинированное двойное питание; при доработке карбюратора и двигателя, возможно, изначально планировать двойное комбинированное питание "бензин – газ" - бензин, что, по всей видимости, достаточно логично при современном положении на топливном рынке и весьма неутешительных перспективах на будущее (постепенное сокращение мировых запасов нефти).
Инжекторная часть с непосредственным впрыскиванием топлива, возможно, создать на базе дизельных агрегатов: насос - регулятора без регулировки по педали газа, а только с автоматической коррекцией по оборотам (либо с коррекцией только режима запуска), и соответственно меньшим давлением и общей подачей; т.е. достаточно упрощенной, простая форсунка, подача бензина от штатного насоса, привод насос - регулятора от масляного насоса, как и распределителя зажигания.
Подобную конструкцию двигателя – синтагмы достаточно просто реализовать без серьезной перестройки производства и многочисленных предварительных испытаний. Возможно применение готовых выпускаемых изделий с незначительной их доработкой. Альтернативные виды топлива, такие как водород и источники энергии на топливных элементах широко доступны у нас будут только лет через 10 – 15, при благоприятном исходе и только в крупных городах. Вполне возможно изобретение эффективного синтетического вида топлива. Но существует другая реальность: у нас пока достаточно газа и нефти, поэтому наши машины еще долго будут использовать эти традиционные виды топлива, если конечно правильно распоряжаться этими ресурсами.
|
