Плазменно-форкамерная свеча зажигания

Данная идея ждёт своего часа, чтобы быть испытанной лично мной, на предмет, наколько правдивы обещания изобретателей сего чуда, а пока - материал полупопулярного-полурекламого характера, который обещает полёты во сне и наяву, фантастический прирост мощности, космические технологии, а также ежесуточный отлив двух-трёз вёдер бензина из бака.

О чем думает автомобилист, выбирая свечи зажигания? Наверное, о том же, о чем думает любой практичный человек - как долго он сможет нормально ездить с одним комплектом свечей без замены и насколько оправданы затраты на приобретение новых, более дорогих свечей зажигания, которых предостаточно в фирменных каталогах Bosch, Champion, Brisk и др.А каково мнение специалистов по этому поводу? Прежде всего напомним: электроискровая свеча зажигания должна давать искру, то есть обеспечивать надежный поджиг бензино-воздушной смеси независимо от режимов и условий ее работы. А они, - эти условия, самые разные: от нормальной работы на прогретом двигателе (когда свечи и все системы исправно работают в установившемся расчетном режиме) до переходного режима (когда двигатель набирает обороты, давление топливной смеси в камере сгорания резко повышается, и требуется больше энергии для пробоя искрового зазора).

Возникают проблемы и при запуске зимой, когда карбюратор не совсем справляется с подготовкой смеси; стартер, с трудом проворачивая двигатель с загустевшим маслом, забирает львиную долю электроэнергии “замерзшего” аккумулятора, а системе зажигания не хватает напряжения для создания мощной искры. Самым же тяжелым испытанием для свечей является изношенный двигатель, который “гонит” масло, керамика и электроды быстро покрываются токопроводящим нагаром, искра уходит в прямом и переносном смысле в “землю”, а хозяину приходится менять свечи как перчатки.

Спасти положение поможет электронная тиристорная система зажигания с мощным и коротким разрядом, который в состоянии пробить нагар. Выпускаются также самоочищающиеся свечи с разрядом по поверхности керамики (как в авиации), но
они дорого стоят и требуют большой мощности от системы зажигания.

В принципе, пока свечи новые и двигатель в порядке, большой разницы между различными производителями традиционных электроискровых свечей нет. Главное, чтобы качество сборки было соответствующим, а сама свеча подходила двигателю по калильному числу. Различия в качестве свечей проявляются позже, когда изолятор начинает покрываться нагаром, а электроды обгорают, увеличивая искровой зазор. При этом учащаются пропуски зажигания (практически незаметные без специальной аппаратуры), из-за которых двигатель теряет мощность. В выигрышном положении оказываются свечи, в которых предусмотрены различные усовершенствования (например, медный сердечник электродов отводит лишнее тепло, и они меньше обгорают). Хорошо зарекомендовали себя также многоэлектродные свечи. И все же производители традиционных свечей настоятельно рекомендуют замену всего комплекта через каждые 15-25 тыс. километров пробега из-за образования нагара на керамике изолятора.

Но какими великолепными ни были бы свечи, качество работы любого двигателя зависит прежде всего от полноты и скорости сгорания топливной смеси в цилиндре. Улучшить же сгорание, а значит, качество работы ДВС можно, применяя нетрадиционные системы зажигания - такие, как форкамерное и плазменное зажигание.

Лет 15-20 назад, после повышения цен на АИ-92, народные умельцы стали делать для своих автомобилей форкамеру (футорку) в виде стаканчика с отверстиями в донышке. Такая форкамера ввинчивалась между двигателем и обычной свечой и позволяла “Жигулям” ездить на более дешевом АИ-76 без особых проблем. Естественно, как и все, что снижало доходы государства от монопольной продажи дорогого бензина, эта конструкция официально критиковалась всеми доступными средствами - тут и перегрев двигателя, и прогар поршней с клапанами, и многое другое. Это, конечно, теоретически может иметь место, но все-таки форкамеры устраняли самый главный недуг работы двигателя - детонацию. Через отверстия форкамеры в основную камеру сгорания с высокой скоростью впрыскивалась горящая топливная смесь, что настолько улучшало и ускоряло горение основного заряда, что (по непроверенным слухам) карбюраторный двигатель мог работать чуть ли не на керосине! Но были, конечно же, и недостатки - стальная форкамера перегревалась вместе с ввинченной сверху обычной свечой, и возникало калильное зажигание. Футорки из теплопроводной, но мягкой меди или латуни зачастую при работе двигателя разрушались от высокого давления, при этом ввинченная свеча со скоростью пули вылетала из-под капота, грозя увечьями и поломками.

Теперь - о плазме и плазменном зажигании. Первые попытки использовать плазму в двигателях внутреннего сгорания относятся в началу 50-х годов, когда были разработаны системы зажигания с коаксиальным резонатором - генератором плазмы и специальным источником электрической энергии высокой частоты. Такие системы использовались и продолжают работать на некоторых американских и японских автомобилях.

Если сравнить по эффективности поджига плазменную систему зажигания с обычной искровой, получится примерно такое же соотношение, как между паяльной лампой и простой спичкой. Главным препятствием широкого внедрения плазменной системы является высокая сложность и дороговизна электронной системы и коаксиального резонатора; к тому же, установка такой системы требует серьезной переделки электрического оборудования автомобиля.

И вот в конце 80-х специалисты в области космической техники начали работы по разработке принципиально нового поджигающего устройства для тепловых двигателей. В 1990 году изобретатели из Днепропетровска под руководством кандидата технических наук Стаценко И. Н. разработали и запатентовали плазменно-форкамерную свечу зажигания, не имеющую аналогов в мировом автомобилестроении. Электроды такой свечи сконструированы в виде ракетного сопла с форкамерой. При подаче высоковольтного импульса в зазоре между электродами происходит пробой, а образовавшийся плазменный сгусток выталкивается в камеру сгорания. Одновременно происходит поджиг топливной смеси в форкамере свечи, и продукты сгорания через сопло с высокой скоростью впрыскиваются в цилиндр ДВС. При этом обеспечивается объемный, в отличие от точечного у обычных свечей, поджиг основного топливного заряда, увеличиваются скорость, полнота сгорания топлива, повышается мощность двигателя и уменьшается токсичность выхлопных газов.

Конечно же, внедрение любой новинки не обходится без трудностей, опытные партии плазменно-форкамерных свечей в разное время изготавливались несколькими малыми предприятиями. Естественно, все работы проводились без серьезного финансирования, не говоря уже о создании современной производственной и испытательной базы. Изготовление же качественной продукции требует большой совместных усилий специалистов различных отраслей науки и техники, серьезной финансовой поддержки, ведь автомобильная свеча, как и система зажигания в целом, является самым наукоемким и капризным элементом. Например, дополнительные отверстия в донышке корпуса форкамерной свечи (как в футорках), в ходе предварительных испытаний, дали обратный эффект - двигатель потерял мощность из-за возникновения калильного зажигания. Необходимо тщательно рассчитывать и исследовать на специальном стенде каждое изменение в конструкции свечей. Попытки же мелких производителей с “гаражными” технологиями освоить выпуск плазменно-форкамерных свечей “пиратским” способом не в состоянии обеспечить необходимое качество свечей.

В процессе исследований и испытаний нового типа свечи зажигания намечены пути ее дальнейшего совершенствования. Особый интерес представляет возможность экономичной работы двигателей на обедненных топливных смесях без потери мощности, а также увеличение ресурса работы свечи на 50-100 тыс. километров пробега. Такие возможности экспериментально уже подтверждены на свечах, изготовленных даже из обычных материалов.

Ещё один материал:

Изобретение относится к электрооборудованию двигателей внутреннего сгорания, в частности, к устройствам зажигания горючей смеси в карбюраторных двигателях.

Для воспламенения топливных смесей в таких двигателях широко применяют свечи зажигания, содержащие корпус с изогнутым боковым электродом: образующим между своим торцом и боковым электродом искровой зазор. Недостатком таких свечей зажигания является экранизация воспламеняющей искры от основного объёма воздушно-топливной смеси боковым электродом, что снижает скорость воспламенения рабочей смеси.

Поставленные задачи решаются путём выполнения свечи зажигания для двигателей внутреннего сгорания, содержащей корпус и размещённый в нём изолятор с центральным стержневым электродом, в которой корпус снабжён сужающимся и расширяющимся соплами, образующими со стенками корпуса микрофоркамеру, при этом сужающееся сопло выполнено в виде завихрителя, а переходная часть между соплами - в виде цилиндрического пояска, образующего с центральным электродом кольцевой искровой промежуток.

Предлагаемое исполнение микрофоркамеры, а также использование сужающегося сопла в виде завихрителя и переходной части - в виде цилиндрического пояска, образующего с центральным электродом кольцевой искровой промежуток, позволяют полностью заполнить форкамеру на цикле сжатия топливной смесью и избежать её локализацию. При этом из форкамеры после поджига. Через кольцевой зазор вырываются высокотемпературные газы, воспламеняющие всю топливную смесь, что обеспечивает стабилизацию процесса горения и, тем самым, способствует более полному сгоранию топлива.

Выполнение рабочих поверхностей центрального электрода и цилиндрического пояска с высокоразвитым микрорельефом способствует формированию многошнуровых разрядов, усиливая воспламеняющий эффект в форкамере, а также обеспечивает высокоскоростное охлаждение свечи.

После впрыска и порции рабочей смеси в камеру сгорания ДВС при такте сжатия, характеризующемся увеличением давления в камере и уменьшением объёма камеры на порядок, топливная смесь инжектируется в микрофоркамеру через кольцевой промежуток между центральным электродом и переходной частью. Процесс сжатия сопровождается существенным повышением температуры стехиометрической системы топливо-воздух. В конце такта сжатия на электроды свечи подаётся высоковольтное напряжение. Высокие температура и давление в форкамере интенсиифицируют ионизацию межэлектродного промежутка в электромагнитном поле с последующим искрообразованием.

Однородный высокоразвитый микрорельеф рабочих поверхностей электродов создаёт одинаковые условия для формирования одновременно нескольких разветлённых искровых шнуров по периметру кольцевого зазора, причём взаимодействие электромагнитных полей каждого из шнуров друг с другом и одновременно с общим электромагнитным полем свечи приводит миграции электродных пятен разрядов по поверхностям кольцевого зазора.Семейство перемещающихся разрядов формирует разрядную область, обеспечивающую эффективный поджиг горючей смеси в форкамере.

Процесс горения топливной смеси вновь сопровождается импульсивным увеличением давления и температуры в форкамере на порядок, что приводит к высокоскоростному выбросу газопламенного факела в камеру сгорания двигателя. Форма факела обеспечивает гарантированное воспламенение рабочей смеси в основной камере сгорания двигателя. Высокоскоростной выброс продуктов сгорания из форкамеры приводит к её самоочистке, включая рабочие поверхности электродов в кольцевом зазоре. Кроме того, наличие температурного градиента на границе свеча- камера сгорания ДВС обеспечивает охлаждение свечи в период горения топливной смеси в форкамере.

Комбинированное воздействие на искровой разряд и поток высокотемпературных газов, истекающих из форкамеры, позволило повысить полноту сгорания топлива, стабилизировать процесс горения топливной смеси и уменьшить тепловую нагрузку на свечу.