Автор: Владимир Санников

Пророчества о скорой кончине двигателя внутреннего сгорания по достоверности мало чем отличаются от пророчеств о скором конце света. А вот свечи зажигания в ближайшие годы могут стать таким же анахронизмом, как свечи на люстре.

Как известно, термический КПД лучших бензиновых моторов сегодня не дотягивает и до 40%. При этом большинство экспертов по автомобильным силовым установкам уверены, что поднять его до 50%, а заодно сократить выбросы окисей азота до 0,1 г на 1л.с./ч – задача вполне реальная. Чтобы решить ее, инженерам придется «научить» моторы уверенно работать во всем диапазоне оборотов на сверхбедных смесях, разбавленных отработанными газами из системы рециркуляции EGR на 50 – 60%, со степенями сжатия порядка 20:1 и добиться максимально быстрого и полного сгорания заряда при минимальной температуре пламени.

Кое-что из перечисленного возможно уже сегодня. Например, продвинутые ДВС с прямым стратифицированным (послойным) впрыском топлива в зоне низких оборотов могут работать на практически пустых смесях с соотношением воздуха и топлива от 22:1 до 44:1 и при высоких степенях сжатия до 12,5:1. Вот только дается им это большой ценой, причем в буквальном смысле слова. Агрегаты этого класса экономичнее обычных на 10 – 15%, но дороже и сложнее. Чтобы свеча смогла инициировать сгорание смеси с гомеопатическим содержанием бензина, конструкторам приходится скрупулезно просчитывать процесс формирования топливовоздушного вихря на такте сжатия. Возникновение искрового разряда и нитевидных пучков плазмы с температурой свыше 9 000°C должно совпасть с образованием в зоне электродов облачка с нормальной или слегка обедненной смесью. Ради повышения вероятности этого случайного события тщательно «затачивается» форма стенок камеры, геометрия поршня, расположение форсунок, свечей, а также повышается мощность системы зажигания.

Для гарантированного возгорания стехиометрической смеси (в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания топлива) энергия искры должна составлять 0,2 МДж. «Продавить» искру в переобогащенной или обедненной смеси гораздо труднее. Напряжение пробоя в такой среде нарастает с 17 до 25 кВ и выше, поэтому для образования факела требуется не менее 3 МДж энергии. Но чем выше мощность и температура разряда, тем быстрее разрушаются электроды: каждое срабатывание свечи лишает их части материала, из которого они сделаны. Самый эффективный (и самый дорогой) способ борьбы с этим явлением – использование очень тонких электродов с тугоплавкими элементами из платины или иридия.

Впрочем, стратегически этот апгрейд ничего не меняет. Современные системы искрового зажигания в принципе не способны обеспечить существенного повышения КПД: они слишком медленны – с момента возникновения крохотного очага возгорания до охвата пламенем всего объема камеры проходит 500 мс. По нынешним меркам это целая вечность. Кроме того, для генерации искры, способной пробить межэлектродный зазор в «тугой», сжатой в 20 и более раз сверхбедной однородной смеси под капотом, нужен целый Днепрогэс, а не свинцовая батарея.

Подсвечник

Тем не менее инженеры компании MAHLE Powertrain Билл Аттард и Патрик Парсонс попробовали перехитрить пространство и время. Для этого им пришлось покопаться в старых архивах и реанимировать забытую концепцию форкамерно-факельного зажигания. Знатоки помнят, что это за зверь, по капризному «волговскому» карбюраторному мотору ЗМЗ-4022.10 начала 1980-х. Впервые такое зажигание применил в 1903 году выдающийся британский инженер – сэр Гарри Риккардо – на двухтактном судовом двигателе Dolphin, и с тех пор оно используется в стационарных генераторах на природном газе.

Принцип работы форкамерного зажигания (не путать со спортивными форкамерными свечами NGK и Denso) заключается в предварительном запале небольшого количества топлива в ограниченном объеме с последующим воспламенением смеси открытым пламенем через отверстия в корпусе форкамеры. Версия форкамеры Аттарда и Парсонса Turbulent Jet Ignition, представленная на Всемирном конгрессе SAE в Детройте в апреле 2011 года, отличается от предшественников миниатюрными размерами и удобным расположением. Ее объем составляет менее 2% от объема камеры сгорания, и находится она на позиции штатной свечи, в центре купола цилиндра «подопытного кролика» – рядной четверки GM Ecotec LE объемом 2,4 л. В модуль системы входит инжектор прямого впрыска, подающий в форкамеру микродозы бензина под давлением 4 атм, датчики и свеча зажигания.

Система Turbulent Jet Ignition практически всеядна и может работать даже в биотопливных силовых агрегатах. При этом геометрия камеры сгорания и днища поршня перестает играть определяющую роль в достижении максимальной эффективности сгорания, а деградация электродов свечи практически отсутствует из-за минимального напряжения пробоя в запальной смеси. По словам разработчиков, до коммерциализации Turbulent Jet Ignition остается один-два года.

Корона святого Эльма

Инженеры американской корпорации Federal-Mogul считают, что будущее систем зажигания будет связано с инициацией процесса управляемого взрыва химическим способом. В основе технологии Advanced Corona Ignition System (ACIS) лежит принцип химического пробоя ионизированного газа посредством высокочастотного электрического поля. Иными словами, ACIS – это коронный разряд, известный, как огни святого Эльма.

Корона – бич высоковольтных ЛЭП переменного тока. Когда напряженность поля вокруг проводов достигает критического уровня, окружающий воздух прошивают нитевидные потоки ионизированной плазмы длиной от нескольких миллиметров до метра, приводящие к значительным потерям передаваемой мощности. Другой яркий пример короны – катушка Николы Теслы. Важнейшее условие возникновения короны, помимо частоты поля, которая достигает 1 МГц, – сечение электрода-проводника: чем он тоньше, тем выше вероятность, что напряженность (отношение напряжения к площади поверхности) поля превысит напряжение пробоя газа. Тонкие электроды позволяют резко снизить вольтаж в системе.

Для преодоления диэлектрического сопротивления топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС при мизерной силе тока в несколько микроампер вольтаж на электроде должен составлять от 100 до 500 КВ в зависимости от содержания воздуха, доли отработанных газов из системы ЕGR, температуры и давления. Причем второй электрод при коронном разряде не нужен. Его заменяет газовая среда, в которой напряжение поля превращается в очаги ионизированной плазмы.

В сравнении с локализованным в миллиметровом зазоре искровым разрядом размер пульсирующей высокочастотной короны в камере может задаваться произвольно. Например, в ходе тестирования прототипа ACIS на наддувном двигателе прямого впрыска объемом 1,6 л диаметр разряда составлял 30 – 40 мм, а инженерам из флоридского стартапа Etatech, разработавшим в 2007 году аналогичную систему ECCOS, удалось добиться стабильного образования 18-см короны. Таким образом, химический пробой происходит одновременно во всем объеме камеры, что сокращает период сгорания смеси в сравнении с искровым зажиганием в 2500 раз – до 100 – 200 мкс. При этом длительность вспышки короны не превышает 200 – 300 нс. В зависимости от настройки системы количество импульсов может составлять несколько сотен.

Ведущий разработчик технологии ACIS Крис Микселл утверждает, что корона обеспечивает надежное сгорание обедненных смесей при добавлении к воздуху 40% и более отработанных газов. Химический пробой способствует снижению образования окисей азота (минус 80%) и углекислоты (минус 50%), повышает экономичность (10% на тестовом двигателе). Еще одно преимущество короны перед искрой, по словам Микселла, – это крайне медленная деградация электродов из-за сравнительно низких температур разряда. А вот потребление мощности у ACIS на 30 – 50% выше, чем у обычного зажигания.

Модуль системы, в который входят свеча с несколькими никелевыми иглами, резонансный магнетрон и высоковольтный кабель, адаптирован под размеры стандартной свечи, а блок трансформаторов идентичен по размерам блоку катушек зажигания. В настоящее время Federal-Mogul в кооперации с несколькими автопроизводителями проводит испытания системы, но конкретные сроки внедрения новинки не называются.

Гиперболоид под капотом

Если корона с точки зрения эффективности легко выигрывает у искровых свечей, то ее, в свою очередь, кладет на лопатки лазерное зажигание. Сразу стоит оговориться: на сегодняшний день лазерное зажигание существует в виде достаточно полно проработанной концепции и нескольких лабораторных моделей. Но идея, как утверждает профессор японского Института фотоники Такунори Тайра, лишь ненамного моложе самого лазера.

Механизм действия лазерного запала заключается в создании в точке фокуса электрического поля высокого напряжения, которое вызывает образование крошечного очага плазмы с температурой выше 9 000° и давлением порядка 1 000 атм. Это, в свою очередь, приводит к лавинообразной ионизации и возгоранию облака смеси. Дополнительный бонус системы лазерного зажигания – возможность постоянного мониторинга процессов в камере сгорания при помощи луча лазерного спектрографа.

Серьезные исследования по использованию сфокусированного лазерного луча для поджигания топливовоздушной смеси в ДВС начали проводиться в начале прошлого десятилетия. В 2006 году группой Азера Ялина из Колорадо была запатентована система многоканального лазерного запала с одновременной лазерной диагностикой процесса сгорания смеси в камере. Для передачи пучка на линзу запала Ялин применял термостойкое ламинированное оптоволокно с отражающим слоем серебра толщиной 0,2 мкм. Линза, установленная на месте свечи зажигания, могла фокусировать пучок на любую точку камеры сгорания, а в качестве источника излучения был успешно опробован импульсный YAG лазер мощностью 250 Вт. Примерно такие же твердотельные лазеры широко используются в медицине и косметологии.

Испытания проводились на промышленном газовом двигателе Waukesha VGF и показали высочайшую эффективность лазерного запала. Достаточно сказать, что вероятность пробоя и возгорания смеси составляла 100% на всех режимах работы, а коэффициент разброса давления смеси в цилиндре с лазерным запалом был на 80% ниже паспортного. При этом суммарная энергия импульсов составляла мизерные 2,3 мДж. Одновременно проводились опыты с лазерным зажиганием ДВС на водороде, биогазе и бензине, включая версии с прямым стратифицированным впрыском и экстремальными степенями сжатия, а в Австрии группа профессора Герхарда Крупы разработала достаточно мощный компактный лазерный диод, работающий от 12-вольтовой бортовой сети.

Тем не менее реализовать лазерное зажигание, полностью адаптированное к условиям эксплуатации автомобильных двигателей, ученым не удалось. Было выявлено, что лазерные запалы чрезвычайно чувствительны к вибрации, нагреву и коксованию оптического окна. Частично эти проблемы удалось решить Азеру Ялину, сумевшему вплотную приблизиться к созданию инновационного зажигания, которое можно применять в стационарных и судовых газовых двигателях. Но о лазерном зажигании для легковушек и речи не было – столь громоздкие системы не помещались под капот автомобиля.

Выстрел в десятку

Но это до поры до времени, считает Такунори Тайра. На конференции CLEO 2011, посвященной проблемам лазерной техники и оптоэлектроники, Тайра представил сенсационный доклад о разработке первого в мире сверхмощного твердотельного микролазера Nd:YAG/Cr:YAG с диодной накачкой, длина которого составляет 11, а диаметр – 9 мм. Лазер сделан из прозрачной стеклокерамики и способен работать при температуре свыше 150°C без ухудшения оптических свойств. Работа группы, в которую помимо ученых вошли инженеры компаний Toyota и Denso, продолжалась в течение семи лет и была изначально нацелена на создание прототипа лазерного зажигания для легковых автомобилей.

Испытания двухлучевого лазерного запала проводились как в лабораторной камере сгорания, так и на одном из цилиндров серийной двухлитровой рядной четверки Toyota в условиях стехиометрической смеси (15,2:1) в режиме 1 600 об/мин. Тайра не зафиксировал ни одного пропуска зажигания в «лазерном» цилиндре в течение нескольких сотен тысяч тактов. Более того, в 100% случаев лазерный запал был снайперски точен: для возгорания смеси хватало первого из четырех запрограммированных импульсов продолжительностью 600 пикосекунд каждый. В специально обедненной смеси (17,2:1) свечи зажигания продемонстрировали 100%-ный отказ, тогда как лазерная «двустволка» уверенно поражала мишень максимум с третьего из пяти импульсов.

Нет сомнений, утверждает Тайра, что в адаптированном под лазерное зажигание двигателе эффективность запала будет еще выше. Вполне вероятно, что первой подобной адаптацией станет экзотический роторный двигатель Mazda Renesis, новая 300-сильная модификация которого должна появиться на рынке после 2014 года. Но японцев могут опередить другие автопроизводители. В частности, Ford, ведущий интенсивные исследования по лазерной тематике уже в течение пяти лет, обещает реализовать их в виде серийного узла в ближайшие годы.

Внутри цилиндра
Радиочастотное электростатическое зажигание формирует четыре очага возгорания. Сталкиваясь друг с другом, они ускоряют процесс сгорания смеси. Частота съемки – один кадр в 16 мс

Форкамерное зажигание

Впрыск топлива в форкамеру Turbulent Jet Ignition начинается в момент возникновения искры и длится 1 мс – вдвое короче разряда свечи. Это позволяет полностью воспламенить запальную дозу топлива в нормальной смеси.

Раскаленные газы, расширяясь под давлением, выстреливают сквозь дюзы форкамеры диаметром 1,25 мм, как несколько мощных факелов. В результате одновременного и очень быстрого факельного воспламенения смеси в различных зонах камеры в ходе стендовых тестов было зафиксировано феноменально низкое содержание окисей азота в отработанных газах двигателя – минус 99% от стандартного уровня. Расход топлива снизился на 13% (с потенциалом до 20%), а КПД двигателя вырос до 42%.

по материалам popmech.ru