Форкамерное зажигание: Форкамерно-факельное зажигание в Ф1. Как у «Волги» ГАЗ-3102…

Форкамерно-факельное зажигание в Ф1. Как у «Волги» ГАЗ-3102…

Необходимость извлекать максимальное количество мощности при минимально потраченной энергии побудила инженеров Формулы 1 обратиться к технологии, используемой на больших грузовиках. Технический эксперт AUTOSPORT Крэг Скарборо описал принцип работы форкамерно-факельного зажигания, который применили в Mercedes и Ferrari, и который ранее использовался на… правительственных «Волгах» в СССР…

Были времена, когда гонщика Ф1 запросто могли уволить за одно лишь сравнение машин Больших Призов с грузовиками. Но ирония состоит в том, что сейчас как минимум половина пелотона пользуется технологией повышения эффективности сгорания топлива, которая применяется на большегрузах…

С момента введения в гонках Гран При нового турбированного регламента в 2014 году вступило ограничение и на максимально доступное количество топлива на гонку – сейчас это 100 кг, а со следующего года будет 105 кг.

Это, в свою очередь, ограничило максимально допустимый мгновенный расход горючего и предельное давление, под которым топливо подается в камеру сгорания. Для инженеров подобные жесткие рамки стали настоящим вызовом – им необходимо было придумать способ в условиях этих ограничений добиться прежней выходной мощности силовых установок.

Но придумывать ничего не пришлось – специалисты вовремя вспомнили, что на больших грузовиках уже давно применяется технология форкамерно-факельного зажигания, позволяющая поджигать очень обедненную топливную смесь – практически неподжигаемую. Сегодня всё говорит о том, что именно к этой технологии обратились в Mercedes и Ferrari, а на подходе и остальные производители…

Традиционное зажигание

В двигателе с традиционной системой зажигания топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания внутри цилиндра. По окончании сжатия и воспламенения топливно-воздушной смеси возникает эффект расширения объема, что обеспечивает ход поршня и очередной рабочий такт.

Этому принципу уже много десятков лет, и работает он прекрасно до тех пор, пока смесь можно поджечь свечой зажигания, то есть пока она в достаточной степени обеспечена топливом. Если же смесь становится обедненной, поджечь при помощи традиционной свечи ее становится проблематично, и двигатель теряет мощность.

Что же делать?

Нынешние требования технического регламента ограничивают топливный поток в пределах 100 кг/час, а давление впрыска горючего не должно превышать 500 бар. А с учетом высоких оборотов и давления наддува современных силовых агрегатов Ф1 просто не хватает времени, чтобы естественным путем получить топливно-воздушную смесь, необходимую для эффективного сгорания.

Таким образом, требуется какой-то способ эффективного воспламенения смеси в рамках нынешних ограничений регламента, включающих в себя также наличие лишь одной свечи на цилиндр и единственной форсунки.

В какой-то момент показалось, что выходом в этой ситуации может быть использование технологии компрессионного воспламенения однородной смеси (HCCI). Это метод, при котором воспламенение топливной смеси осуществляется не только за счет искры от свечи зажигания, но и от высокой температуры и давления, подобно дизельным двигателям.

И хотя эта технология вполне применима в условиях Формулы 1, нашелся более легкий и простой способ увеличить КПД силовой установки. Всего три слова – форкамерно-факельное зажигание.

Что же такое форкамерно-факельное зажигание?

Форкамерно-факельное зажигание обычно используется на моторах большого объема. Эффективное заполнение богатой топливно-воздушной смесью больших цилиндров там затруднено, в связи с чем было решено разделить проблему надвое.

Была создана дополнительная маленькая камера сгорания, в которой и были установлены форсунка и свеча зажигания. В свою очередь эта камера была связана узким каналом с основной камерой сгорания цилиндра. Именно эта небольшая предварительная камера и получила название форкамеры.

А теперь разберемся, при чем тут факел.

В момент первого такта двигателя – впуск – значительно обедненная топливно-воздушная смесь впрыскивается при помощи форсунки в цилиндр, заполняя его слабовоспламеняемыми парами.

После этого небольшой объем форкамеры заполняется обогащенной смесью, достаточной для воспламенения свечой зажигания – непосредственно перед тактами сжатия и рабочего хода цилиндра.

Само воспламенение, как вы уже поняли, происходит не в основной камере, а во вспомогательной форкамере. Эту обогащенную смесь благодаря ее характеристикам поджечь не так сложно, а в результате этой реакции образуются языки пламени (а вот вам и факел!), которые проникают через отверстие в основную камеру и эффективно поджигают обедненную смесь.

Это можно сравнить с эффектом воспламенения обедненной смеси при помощи сразу нескольких свечей зажигания. Важно также и то, что при таком методе зажигания топливная смесь в основном цилиндре сгорает быстрее, увеличивая общий КПД двигателя.

Таким образом, форкамерно-факельное зажигание позволяет инженерам работать с обедненной топливно-воздушной смесью и не выходить за жесткие рамки технического регламента: форсунка одна, свеча зажигания одна – все правила соблюдены.

Применение технологии в Формуле 1

С учетом того, что эта технология довольно широко распространена, ни о каком грифе секретности здесь можно не говорить. За последние три года в Формуле 1 потребление топлива было снижено более чем на 30%, но инженерам этого мало, и они готовы покорять все новые и новые вершины технологической мысли.

И тогда как практически все специалисты сходятся во мнении, что в современных моторах Ф1 применяется технология форкамерно-факельного зажигания, никаких подтверждений этого факта в командах не давали.

Известно, что Ferrari сотрудничает с компанией Mahle и пользуется технологиями этого бренда, среди которых числится и форкамерное зажигание. Есть предположения о том, что значительный шаг в плане мощности итальянского двигателя в этом году обусловлен именно применением упомянутой технологии.

Команда Mercedes отказалась от комментариев по поводу использования обсуждаемой системы зажигания, отметив при этом, что они не пользуются наработками компании Mahle.

Но у Mercedes достаточно и своего опыта строительства больших коммерческих двигателей, так что они вполне могли справиться и своими силами. На прошлогоднем Гран При Италии команда не отрицала, что ей удалось сделать серьезный шаг в области работы двигателя, и есть предположение, что они намекали именно на применение системы форкамерно-факельного зажигания.

Теперь слово за мотористами Renault и Honda, которые в настоящий момент вряд ли используют нетрадиционную систему зажигания в своих силовых установках. К тому же, оба производителя заявили о готовящихся обновлениях мотора.

При этом французские мотористы опробовали новый силовой агрегат уже на прошедших на этой неделе тестах в Барселоне – и вполне вероятно, что они испытывали именно эту новинку. А японцы собираются представить обновленный двигатель уже в Канаде…

А ВЫ ЗНАЛИ, ЧТО…

…в советском легковом автопроме технология форкамерно-факельного зажигания впервые была применена на автомобиле «Волга» ГАЗ-3102? Разработанный на основе автомобиля ГАЗ-24 «Волга», ГАЗ-3102 должен был стать её преемником.

Однако по целому ряду политических и экономических причин данный автомобиль выпускался мелкой серией (около трех тысяч машин в год), вместо массового производства, исключительно как служебная машина советской номенклатуры среднего звена – для заместителей министров, директоров крупных трестов и предприятий, руководителей известных театров, генералов, видных академиков-лауреатов, редакторов изданий и режиссёров.

Перевел и адаптировал материал: Александр Гинько

Форкамерно-факельное зажигание газовых двигателей

Форкамерно-факельное зажигание газовых двигателей

30.11.2013

Для расширения диапазона работы газовых двигателей с внутренним смесеобразованием и качественным регулированием на частичных нагрузках используют
форкамерно-факельное зажигание. При форкамерно-факельном зажигании небольшая порция обогащенной смеси воспламеняется от искры свечи, установленной в
дополнительной камере малого объема. Возникшее пламя с большой скоростью выбрасывается в виде факела через сопло дополнительной камеры в основную камеру
сгорания. Факел пламени служит мощным многоочаговым источником воспламенения и турбулизации основной порции горючей смеси в над-поршневом пространстве,
что обусловливает быстрое сгорание обедненных смесей.

К преимуществам форкамерно-факельного зажигания, кроме повышения экономичности двигателя при работе на частичных нагрузках, относится возможность при
использовании искрового зажигания повысить допустимую степень сжатия до значений, близких или равных степеням сжатия дизелей и впоследствии не потребует
дорогостоящего ремонта автомобиля.

У существующих конструкций газовых модификаций двигателей с форкамерно-факельным зажиганием в зависимости от степени сжатия и диаметра цилиндра объем
фор-камеры составляет 3-7% объема основной камеры сгорания, а отношение объема фор-камеры к суммарной площади сечения соединительных каналов Уф/с = 15 — 70.
Размеры фор-камеры уточняют для каждого двигателя при доводке рабочего процесса. Внутренняя конфигурация фор-камеры должна способствовать наиболее полной ее
продувке газом.

Для предупреждения преждевременного воспламенения и детонационного сгорания обогащенной смеси в форкамере ее охлаждают водой, подводимой из системы охлаждения
двигателя. С этой же целью целесообразно при впуске направить струю газа, поступающую из автоматического впускного клапана, на электроды свечи зажигания.

Фор-камера со свечой и автоматическим клапаном для впуска газа конструктивно является отдельным узлом, который обычно устанавливают на место снятой
форсунки.

Воспламенение горящим факелом жидкого топлива. При впрыске в конце сжатия в газо-воздушную смесь дизельного топлива происходит образование,
как и в дизеле, горючей смеси из паров жидкого топлива и воздуха, обладающей более низкой температурой воспламенения по сравнению с газо-воздушной смесью.
Воспламеняясь, факел жидкого топлива образует в объеме газо-воздушного заряда мощный многоочаговый источник зажигания и турбулизации, достаточный для воспламенения
и эффективного сгорания бедных газо-воздушных смесей.

При сохранении топливной аппаратуры базового дизеля минимальная доля впрыскиваемого жидкого топлива при работе двигателя на газе с полной нагрузкой определяется
конструкцией и условиями стабильной работы топливной аппаратуры при малых подачах и составляет 15-20% полной цикловой подачи при работе на одном жидком топливе.
При меньшей цикловой подаче топлива увеличиваются неравномерность подач и их пропуски.

Для снижения минимального расхода жидкого топлива при работе двигателя по газожидкостному циклу и сохранения возможности работы на жидком топливе
в систему подачи топлива вводят различные конструктивные изменения, позволяющие повысить
стабильность ее работы при малых цикловых подачах, например, изменяют конструкцию нагнетательного клапана и т. п.

В некоторых конструкциях газожидкостных двигателей применяют два топливных насоса с золотниковым регулированием, впрыскивающих топливо через одну или две
форсунки, насосов служит для подачи топлива при работе двигателя только на жидком топливе, другой, небольшой подачи,-для подачи жидкого топлива, когда двигатель
работает на газе и подает всегда одно и то же количество топлива независимо от нагрузки двигателя. Топливные насосы при использовании одной форсунки соединены с
ней через тройник. При работе двигателя на газе трубопровод насоса большой подачи отключается с помощью обратного клапана, расположенного в тройнике.

Топливные насосы могут быть выполнены с двумя различными по диаметру плунжерными парами в нагнетательной секции, работающей на одну форсунку. Малый и большой
плунжеры соединяют с помощью саморегулирующего подвижного замка. При работе по газожидкостному циклу подача жидкого топлива осуществляется одним малым плунжером,
а при работе только на жидком топливе-двумя плунжерами.

Используют также топливные насосы с одной плунжерной парой в нагнетающей секции для подачи точно дозированных порций основного и жидкого топлива.

Минимальный расход жидкого топлива при газожидкостном процессе составляет 3-6% количества топлива в двигателе при работе только на жидком топливе при полной
нагрузке; меньшие значения относятся к газожидкостным двигателям с наддувом.

Ремонт
автомобилей

Форкамерное реактивное зажигание для двигателей внутреннего сгорания — Лаборатория движения и энергетики

Предкамерное реактивное зажигание, альтернатива традиционному искровому зажиганию, использовалось в двигателях, работающих на природном газе, и в гоночных автомобилях F-1. Он продемонстрировал потенциал для обеспечения стабильного сгорания на сверхбедной смеси, уменьшения колебаний от цикла к циклу и расширения предела работы двигателей на обедненной смеси. Концепция форкамерного струйного зажигания заключается в сжигании небольшого количества почти стехиометрической воздушно-топливной смеси в небольшом объеме, называемом форкамерой. Более высокое давление, возникающее в результате предкамерного сгорания, выталкивает продукты сгорания в основную камеру в виде горячей турбулентной струи, которая затем воспламеняет обедненную смесь в основной камере. По сравнению со стандартным искровым зажиганием горячая струя имеет гораздо большую площадь поверхности, что приводит к множеству очагов воспламенения на ее поверхности, что может повысить вероятность успешного воспламенения и вызвать более быстрое выделение тепла и распространение пламени из-за сильной турбулентности. в струе.

PRIME Rig (предкамерные исследования в модифицированном бензиновом двигателе)

• Буровая установка PRIME представляет собой модифицированную версию четырехцилиндрового бензинового двигателя GM LTG SI. Используя настоящий бензиновый двигатель в качестве основы для экспериментальной установки, мы можем поддерживать сложные конфигурации двигателя, такие как новая геометрия головки блока цилиндров с односкатной крышей, при этом клапанные механизмы постоянно работают на желаемых оборотах двигателя. . В отличие от испытаний с использованием машины быстрого сжатия, где топливно-воздушная смесь загружается только один раз для изучения воспламенения и сгорания одной струи, настоящая установка может работать и тестироваться непрерывно в течение многих циклов, что позволяет нам исследовать цикл до вариации цикла, а также остаточный эффект.
• Установка PRIME способна работать со скоростью до 4000 об/мин и подавать смесь воздуха или азота под высоким давлением и температурой до 30 бар и 800 К. Это позволяет нам проводить испытания при различных условиях нагрузки, а также моделировать различные Операции по разбавлению EGR.
• Высокоскоростная инфракрасная камера (до 3 000 Гц) и видеокамера (до 20 000 Гц), а также оптически доступные цилиндр и поршень позволили нам применить высокоскоростную визуализацию для визуализации процессов проникновения струи и воспламенения внутри главного цилиндра. .
• Высокочастотный датчик давления (Kistler 6052) записывает историю давления в главном цилиндре в течение циклов.

Оптически доступный цилиндр и поршень

Форкамеры

Высокоскоростная визуализация

Высокоскоростная прямая визуализация воспламенения четырьмя равномерно распределенными струями (10 000 кадров в секунду):

Высокоскоростная прямая визуализация воспламенения неравномерно распределенными струями (10 000 кадров в секунду)

Высокоскоростная инфракрасная съемка воспламенения четырьмя равномерно распределенными струями (1000 кадров в секунду):

Высокоскоростная инфракрасная съемка воспламенения четырьмя равномерно распределенными струями (1000 кадров в секунду):

Высокочастотное измерение давления

Численное моделирование с использованием CONVENGE

MAHLE Jet Ignition

Система MAHLE Jet Ignition® имеет небольшую камеру зажигания, в которой находится обычная свеча зажигания, которая соединена с основной камерой несколькими небольшими отверстиями, создающими быстро движущиеся струи частично сгоревших продуктов, которые воспламеняют основную заряжать. Эти струи горячего газа проникают глубоко в основную камеру сгорания, создавая эффект распределенного воспламенения. С 4-8 струями зажигания, в зависимости от применения, основной заряд воспламеняется в нескольких местах, что приводит к быстрому и стабильному сгоранию. Характеристики системы предлагают дополнительные преимущества как за счет способности воспламенять разбавленные смеси, так и за счет снижения требований к высоким уровням движения заряда, вызванного портом.

В обеих конфигурациях подача топлива в основную камеру осуществляется через обычный порт или инжектор прямого впрыска. В «пассивной» конфигурации это единственный источник топлива, что делает эту схему пригодной для использования в приложениях с λ = 1, с разбавлением, обеспечиваемым за счет добавления рециркуляции отработавших газов (EGR). Эта система совместима с обычными системами доочистки бензина. В «Активной» конфигурации второй инжектор прямого действия с малым расходом встроен в узел форкамеры. Это позволяет точно и независимо контролировать подачу топлива как в форкамеру, так и в основную камеру, обеспечивая гомогенное сгорание на сверхбедной смеси в современных бензиновых двигателях, в которых можно воспламенять смеси с обедненной смесью, чем λ = 2, сохраняя при этом стабильность.

В дополнение к работе над клиентскими приложениями для обеих систем, внутренние исследования продолжаются с использованием версий нашего собственного 1,5-литрового 3-цилиндрового демонстрационного двигателя. На этом двигателе система Passive Jet Ignition® от MAHLE, которая, как правило, может быть размещена в той же отливке, что и обычная установка свечей зажигания M12, продемонстрировала возможность достижения полной работы карты как для двигателей с первичным двигателем, так и для специализированных гибридных двигателей. Использование комбинации Passive Jet Ignition® от MAHLE, очень высокой геометрической степени сжатия, впрыска топлива через порт, работы по циклу Миллера и рециркуляции отработавших газов низкого давления демонстрирует тепловой КПД тормозов более 41 %.

В конфигурации Active MAHLE Jet Ignition® значительная экономия топлива достигается за счет более высокой эффективности, близкой к дизельной. Испытания двигателя показали удельный расход ниже 200 г/кВтч и соответствующее снижение выбросов CO ₂ . Это эквивалентно текущему пиковому значению BTE в 43%, при этом в плане работы запланировано достижение >45% BTE. Active MAHLE Jet Ignition® не только обеспечивает преимущества в эффективности и расходе топлива, но и позволяет сократить время простоя двигателя NO 9.0075 x выбросы более чем на 99% в ультра-бедной области. Выбросы углеводородов (HC) поддерживаются на уровне, эквивалентном стандартному искровому зажиганию. Активное зажигание MAHLE Jet Ignition® (с подачей топлива в основную камеру PFI) создает немного больше твердых частиц по сравнению с двигателем PFI, но их количество значительно ниже по сравнению с двигателем DI.