Запалване на кола: необичайни системи

Патентната секция Bosch е много активна в системите за лазерно запалване и вече предприема конкретни стъпки, за да защити позицията си на неродения пазар. През есента на 2011 г. специалистите на Bosch Вернер Херден и Юрген Рейман патентоваха система за предкамерно лазерно запалване на газов двигател с вътрешно горене, а през февруари 2012 г. подадоха заявка за патент за иновативен дизайн на горната част на дъното на цилиндъра и буталото

Вътре в цилиндъра радиочестотното електростатично запалване образува четири места за запалване. Изправени един срещу друг, те ускоряват процеса на горене на сместа. Честота на снимане - един кадър за 16 ms

Mahle, основана през 1920 г. в Щутгарт, е един от най-големите световни доставчици на резервни части и компоненти за двигатели с вътрешно горене. Всеки втори автомобил на земята има продукти с логото на Mahle

Както знаете, топлинната ефективност на най-добрите бензинови двигатели днес не достига 40%. В същото време повечето експерти в автомобилните електроцентрали са уверени, че повишаването му до 50% и в същото време намаляването на емисиите на азотни оксиди до 0, 1 g на 1hp / h е много реална задача. За да го решат, инженерите ще трябва да „научат“ моторите да работят уверено в целия диапазон обороти на свръхчисти смеси, разредени с изгорели газове от системата за рециркулация на EGR с 50-60%, със съотношение на сгъстяване от порядъка на 20: 1 и да постигнат най-бързото и най-пълно изгаряне на заряда при минимум температура на пламъка.

Някои от горните са възможни днес. Например, усъвършенстваните ДВГ с директно стратифицирано (слой по слой) впръскване на гориво в зоната с ниска скорост могат да работят на практически празни смеси със съотношение въздух / гориво от 22: 1 до 44: 1 и при високи коефициенти на компресия до 12, 5: 1. Това просто им дава страхотна цена и в буквалния смисъл на думата. Елементите от този клас са с 10-15% по-икономични от обикновено, но по-скъпи и по-сложни. За да може свещта да инициира изгарянето на смес с хомеопатично съдържание на бензин, дизайнерите трябва внимателно да изчислят процеса на образуване на вихър от гориво-въздух при удар на компресия. Появата на искра разряд и нишковидни плазмени лъчи с температура над 9 000 ° С трябва да съвпада с образуването на облак с нормална или слабо изчерпана смес в зоната на електродите. За да се увеличи вероятността от това случайно събитие, формата на стените на камерата, геометрията на буталото, разположението на дюзите, свещите внимателно се "изострят", а също така се увеличава и мощността на запалителната система.

За гарантирано запалване на стехиометрична смес (в която има точно толкова окислител, колкото е необходимо за пълно изгаряне на горивото), енергията на искрата трябва да бъде 10–20 mJ. "Продаването" на искра в прекалено богата или постна смес е много по-трудно. Напрежението на пробив в такава среда се повишава от 17 до 25 kV и по-високо, следователно, за формирането на фенерче е необходима поне 100 mJ енергия. Но колкото по-високи са мощността и температурата на разряда, толкова по-бързо се разрушават електродите: всяка операция на свещта ги лишава от частта от материала, от която са направени. Най-ефективният (и най-скъпият) начин за справяне с това явление е използването на много тънки електроди с огнеупорни елементи, изработени от платина или иридий.

Но стратегически тази надстройка не променя нищо. По принцип съвременните системи за запалване на искра не са в състояние да осигурят значително повишаване на ефективността: те са твърде бавни - от момента, в който възникне малък пожар, докато пламъкът обхване целия обем на камерата, минават 500 ms. По днешните стандарти това е вечност. В допълнение, за да генерирате искра, която може да пробие междуелектродната празнина в „плътна“, сгъстена 20 или повече свръхбелена хомогенна смес под капака, имате нужда от цял ​​Днепър, а не оловен акумулатор.

свещник

Въпреки това инженерите на MAHLE Powertrain Бил Атард и Патрик Парсънс се опитаха да надхитрят пространството и времето. За да направят това, те трябваше да се задълбочат в старите архиви и да обновят забравената концепция за запалване на горелка с горелка. Ценителите помнят какъв вид звяр е това, според капризния карбораторен двигател "Волговский" ZMZ-4022.10 от началото на 80-те години. Това запалване е използвано за първи път през 1903 г. от именития британски инженер сър Хари Рикардо на двутактов морски делфин и оттогава се използва в стационарни генератори на природен газ.

Принципът на действие на запалването на предварителната камера (да не се бърка със спортните предкамерни свещи NGK и Denso) е предварително да се запали малко количество гориво в ограничен обем, последвано от запалване на сместа с открит пламък през дупките в корпуса на предварителната камера. Бурната версия на Jet Ignition на премиерите Attard и Parsons, представена на Световния конгрес на SAE в Детройт през април 2011 г., се различава от своите предшественици в миниатюрните си размери и удобно местоположение. Обемът му е по-малък от 2% от обема на горивната камера и е разположен в положение на стандартна свещ, в центъра на купола на цилиндъра на „експерименталния заек“ - четириреден GM Ecotec LE с обем 2, 4 литра. Системният модул включва инжектор с директно впръскване, който подава микродози бензин в предварителната камера под налягане 4 атм, сензори и свещ.

Системата Turbulent Jet Ignition е почти всемогъща и може да работи дори в агрегати за биогориво. В този случай геометрията на горивната камера и дъното на буталото престава да играе решаваща роля за постигане на максимална ефективност на изгаряне, а разграждането на електродите на свещта практически отсъства поради минималното напрежение на разрушаване в запалителната смес. Според разработчиците, преди комерсиализацията на Turbulent Jet Ignition остават една или две години.

Корона от светещ бряст

Инженерите от американската корпорация Federal-Mogul смятат, че бъдещето на системите за запалване ще бъде свързано с инициирането на контролиран експлозивен процес по химичен начин. Технологията за усъвършенствана система за запалване на корона (ACIS) се основава на принципа на химическо разграждане на йонизиран газ чрез високочестотно електрическо поле. С други думи, ACIS е коронарен разряд, известен като светлините на Сейнт Елмо.

Корона - бичът на високоволтови електропроводи с променлив ток. Когато силата на полето около проводниците достигне критично ниво, заобикалящият въздух се зашива с нишковидни потоци от йонизирана плазма с дължина от няколко милиметра до метър, което води до значителни загуби в предаваната мощност. Друг ярък пример за короната е намотката Никола Тесла. Най-важното условие за появата на корона, в допълнение към полевата честота, която достига 1 MHz, е напречното сечение на проводника електрод: колкото по-тънък е той, толкова по-голяма е вероятността силата на полето (съотношение на напрежение към разстояние между електродите) да надвиши напрежението на разрушаване на газа. Тънките електроди могат драстично да намалят напрежението в системата.

За да се преодолее диелектричното съпротивление на въздушно-горивната смес в горивната камера на двигателя с вътрешно горене с оскъден ток от няколко микроампер, напрежението върху електрода трябва да бъде от 100 до 500 kV, в зависимост от съдържанието на въздуха, фракцията на отработените газове от системата EGR, температурата и налягането. Освен това вторият електрод за коронарен разряд не е необходим. Той се заменя с газообразна среда, в която полевото напрежение се превръща в огнища на йонизирана плазма.

В сравнение с искровия разряд, локализиран в милиметрова пропаст, размерът на пулсиращата високочестотна корона в камерата може да бъде зададен произволно. Например, по време на тестването на прототипа ACIS върху 1.6-литров двигател с директно впръскване с наддух диаметърът на изпускането е 30 - 40 mm, а инженерите от стартиращия Etatech във Флорида, които разработиха подобна система ECCOS през 2007 г., успяха да постигнат стабилно образуване на 18-сантиметрова корона. По този начин, химически разпад се случва едновременно в целия обем на камерата, което намалява периода на горене на сместа в сравнение с искрово запалване с 2 500 пъти - до 100 - 200 μs. В този случай продължителността на коронарната светкавица не надвишава 200 - 300 ns. В зависимост от настройката на системата, броят на импулсите може да бъде няколкостотин.

Крис Миксел, водещ разработчик на ACIS технологията, твърди, че корона осигурява надеждно изгаряне на чисти смеси, когато 40% или повече от отработените газове се добавят към въздуха. Химическото разграждане помага да се намали образуването на азотни оксиди (минус 80%) и въглероден диоксид (минус 50%), повишава ефективността (10% за тестов двигател). Друго предимство на короната пред искрата според Mixell е изключително бавното разграждане на електродите поради сравнително ниските температури на разреждане. Но консумираната мощност на ACIS е с 30 - 50% по-висока от конвенционалното запалване.

Системният модул, който включва свещ с няколко никелови игли, резонансен магнетрон и кабел за високо напрежение, е адаптиран към размерите на стандартна свещ, а трансформаторният блок е с идентични размери като блока на запалителната бобина. Понастоящем Federal-Mogul, в сътрудничество с няколко автомобилни производители, тества системата, но специфичният график на въвеждането на нови артикули не се нарича.

Хиперболоид под капака

Ако короната, по отношение на ефективността, лесно превъзхожда искри свещи, тогава тя, от своя страна, се поставя върху остриетата чрез лазерно запалване. Заслужава да се спомене веднага: днес лазерното запалване съществува под формата на доста добре разработена концепция и няколко лабораторни модела. Но идеята според професора от Японския институт по фотоника Такунори Тира е само малко по-млада от самия лазер.

Механизмът на действие на лазерния предпазител е да създаде електрическо поле с високо напрежение във фокуса, което причинява образуването на малък плазмен фокус с температура над 9 000 ° и налягане около 1000 атм. Това от своя страна води до лавинообразна йонизация и запалване на сместа. Допълнителен бонус на системата за лазерно запалване е възможността непрекъснато да наблюдава процесите в горивната камера, използвайки лазерен спектрограф.

Сериозни изследвания за използването на фокусиран лазерен лъч за възпламеняване на сместа въздух-гориво в ICE започнаха в началото на последното десетилетие. През 2006 г. група Azer Yalin от Колорадо патентова многоканална система за лазерни предпазители с едновременна лазерна диагностика на процеса на изгаряне на сместа в камерата. За да прехвърли лъча към потъналата леща, Yalin използва топлоустойчиво ламинирано оптично влакно с отразяващ слой сребро с дебелина 0, 2 микрона. Обектив, монтиран на мястото на запалителната свещ, може да фокусира лъча навсякъде в горивната камера, а 250 W импулсен YAG лазер е успешно тестван като източник на радиация. Приблизително същите твърдотелни лазери се използват широко в медицината и козметологията.

Тестовете бяха проведени на индустриален газов двигател Waukesha VGF и показаха най-високата ефективност на лазерните предпазители. Достатъчно е да се каже, че вероятността от разпадане и запалване на сместа е била 100% във всички режими на работа, а коефициентът на дисперсия на налягането на сместа в цилиндъра с лазерен предпазител е 80% по-нисък от паспорта. В този случай общата импулсна енергия е била слаба 2.3 mJ. В същото време бяха проведени експерименти с лазерно запалване на двигатели с вътрешно горене, използващи водород, биогаз и бензин, включително версии с директно стратифицирано впръскване и екстремни съотношения на компресия, а в Австрия група професори Герхард Крупа разработи доста мощен компактен лазерен диод, захранван от 12-волтова бордова мрежа.

Независимо от това, учените не успяха да реализират лазерно запалване, напълно адаптирани към условията на работа на автомобилните двигатели. Установено е, че лазерните предпазители са изключително чувствителни към вибрации, топлина и коксуване на оптичния прозорец. Отчасти тези проблеми бяха решени от Азер Ялин, който успя да се доближи до създаването на иновативно запалване, което може да се използва в стационарни и морски газови двигатели. Но нямаше въпрос за лазерно запалване за автомобили - такива обемисти системи не се побираха под капака на автомобил.

Топ 10 снимки

Но засега вярва Такунори Тира. На конференцията на CLEO 2011 за лазерни технологии и оптоелектроника Tyra представи сензационен доклад за развитието на първия в света ND: YAG / Cr: YAG твърд твърд микролазер с дължина 11 и диаметър 9 мм. Лазерът е изработен от прозрачна стъклокерамика и може да работи при температури над 150 ° C, без да нарушава оптичните свойства. Работата на групата, която освен учени включваше инженери от Toyota и Denso, продължи седем години и първоначално бе насочена към създаването на прототип на лазерно запалване за автомобили.

Изпитванията на лазерен предпазител с двойна греда бяха проведени както в лабораторна горивна камера, така и върху един от цилиндрите на сериен двулитров редови четири от Toyota в стехиометрична смес (15.2: 1) в режим 1600 об / мин. Tyra не записа нито един провал в „лазерния“ цилиндър за няколкостотин хиляди цикъла. Освен това, в 100% от случаите лазерният предпазител беше снайперски точен: първият от четири програмирани импулса с продължителност 600 пикосекунди всеки беше достатъчен за възпламеняване на сместа. В специално изчерпана смес (17.2: 1) свещите показаха 100% отказ, докато лазерният двукратен изстрел уверено уцели целта с максимум трети от пет импулса.

Няма съмнение, твърди Tyra, че при двигател, пригоден за лазерно запалване, ефективността на предпазителя ще бъде още по-висока. Вероятно първата такава адаптация ще бъде екзотичният ротационен двигател Mazda Renesis, чиято нова модификация от 300 конски сили трябва да се появи на пазара след 2014 г. Японците обаче могат да изпреварват другите автомобилни производители. По-специално, Ford, който провежда интензивни лазерни изследвания в продължение на пет години, обещава да ги приложи като сериен блок в следващите години.

Статията „Играта си струва свещта“ е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 5, май 2012 г.).

Препоръчано

Декласифициран смартфон Huawei Honor V10
2019
Тайното оръжие на боговете: как Индра побеждава Ваджра Ваджра
2019
Как да си направите сами направете магнитна гривна "Направи си сам"
2019