Zapalovací svíčka s integrovanou zapalovací komůrkou.

Technická univerzita v Liberci
FUNKČNÍ VZOREK
TE01020020V056,
WP02V002
Projekt č.TE01020020 „Centrum kompetence AP JB“
Název v originále
Zapalovací svíčka s integrovanou zapalovací komůrkou.
Název anglicky
The Spark Plug with the Integrated Ignition Chamber
Komůrka v koncové
části pouzdra ZS
Prodloužená střední
(vnitřní) elektroda
Propojovací kanálky
Žáropevná vnější
elektroda
Obr. 1: Zapalovací svíčka s integrovanou zapalovací komůrkou
Autoři
Pro. Ing. Stanislav Beroun, CSc.
Ing. Pavel Brabec, Ph.D.
Ing. Aleš Dittrich
Ing. Lukáš Mikulanin
Datum uplatnění
31. 12. 2014
Popis v originále
Zapalovací svíčka s integrovanou zapalovací komůrkou (ZSIK), jejíž konstrukce zajišťuje současný
zážeh připravené homogenní směsi ve válci a zážeh malého množství směsi v chráněném objemu
(zapalovací komůrce) ve spodní části pouzdra zapalovací svíčky. Objem zapalovací komůrky je
s objemem válce motoru propojen kanálky, kterými se při kompresním zdvihu dopravuje směs z válce
motoru do komůrky a kterými po zážehu vyšlehne hořící směs z komůrky do spalovacího prostoru ve
válci motoru. Výšleh hořící směsi do spalovacího prostoru zajistí rychlejší rozvoj počáteční fáze hoření
směsi ve válci motoru a tím se snižuje variabilita pracovních oběhů.
1
Technická univerzita v Liberci
FUNKČNÍ VZOREK
TE01020020V056,
WP02V002
Projekt č.TE01020020 „Centrum kompetence AP JB“
Klíčová slova v originále
Zapalovací svíčka, Zapalovací komůrka, Výšlehový zážeh, Rychlost počátečního hoření
Popis anglicky
The spark plug with integrated ignition chamber, whose design supports the contemporary
ignition both the prepared homogenous mixtures inside the engine cylinder and ignition
small volume of mixture in the ignition chamber inside bottom case of the spark plug. The
volume of the ignition chamber is connected to the volume of the cylinder engine by the
small channels for the transport of fresh mixture from the cylinder engine at compression
stroke to the ignition chamber and after ignition the burning mixture outflows from the
chamber to the cylinder of the engine (so-called flame jet ignition). The blast burning
mixtures to the cylinder of engine produces the more quick progress of the initial phase
burning of the mixture and it decreases the variability of combustion parameters.
Klíčová slova anglicky
Spark Plug, Ignition Chamber, Flame Jet Ignition, Speed up Initial Burning
Parametry technické
Konstrukce zapalovací svíčky s integrovanou zapalovací komůrkou do pouzdra zapalovací
svíčky zajišťuje zážeh s rychlým rozvojem hoření směsi v objemu vytvořeném v pouzdru
zapalovací svíčky (objem v zapalovací komůrce je tak chráněn od turbulencí ve válci motoru).
Vysokonapěťovým výbojem na elektrodách zapalovací svíčky se velmi rychle vytvoří
koncentrace aktivovaných částic, potřebná pro vznik a následný rychlý rozvoj hoření v malém
objemu zapalovací komůrce: hořící směs je z komůrky vynesena přetlakem (vyšlehne) přes
propojovací otvory komůrky do spalovacího prostoru ve válci motoru, kde na více místech
vzniknou nová ohniska hoření s následným urychlením rozvoje hoření směsi ve válci.
Výsledky měření na vozidlovém benzinovém motoru a provedená termodynamická analýza z
vysokotlaké indikace jednoznačně prokazují pozitivní efekt zážehu směsi pomocí zapalovací
svíčky s integrovanou zapalovací komůrkou (efekt „vícebodového“ zážehu). Významné
zlepšení parametrů pracovního oběhu motoru i parametrů hoření je prokazatelné ve většině
provozních režimů motoru, v provozních režimech s velmi nízkým zatížením se parametry
pracovního oběhu motoru i parametrů hoření mírně zhoršily (motor má ale pravidelný
chod). Uvedené vlastnosti zapalovací svíčky s integrovanou komůrkou dokumentují grafy
zpracovaných výsledků z porovnávacích měření na fyzicky identickém reálném vozidlovém
zážehovém motoru s klasickými zapalovacími svíčkami, které jsou v příloze: při všech
měřeních pracoval zážehový motor s EŘJ pro klasické zapalovací svíčky.
Zapalovací svíčky s integrovanou komůrkou byly vyrobeny s pomocí výrobce zapalovacích
svíček Brisk Tábor, a.s. a byly testovány na zkušebním motoru v laboratoři oddělení vozidel a
motorů, Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inivace, Bendlova 1407/7, 461 17
Liberec. Zkušební motor byl připraven ze sériového motoru EA111.03E, který pro laboratorní
práce poskytla a.s. Škoda Auto.
2
Technická univerzita v Liberci
FUNKČNÍ VZOREK
TE01020020V056,
WP02V002
Projekt č.TE01020020 „Centrum kompetence AP JB“
Parametry ekonomické
Předpokládá se, že funkční vzorky zapalovacích svíček s integrovanou komůrkou budou
využívány k dalšímu studiu, ověřovacím měřením a experimentům na řešitelském pracovišti
KVM FS TUL (studijní práce doktorandů) a podle zájmu průmyslu (Škoda Auto, Brisk) i dalších
zájemců mohou být poskytnuty k dalšímu testování na jiných pracovištích. Případný
průmyslový výzkum a vývoj zapalovacích svíček s integrovanou komůrkou může navázat na
práce realizované v programu WP02 projektu TAČR č. TE01020020 (Centrum kompetence
automobilového průmyslu Josefa Božka) a s využitím poznatků z konstrukčních i
technologických řešení ZSIK v programu WP02 tak může pokračovat s výraznými úsporami
(časovými i finančními).
Předáno za projekt
TE01020020 Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka
Kontaktní osoba
Prof. Ing. Stanislav Beroun, CSc.
Telefon
+420 485 353 143
Prohlášení
Prohlašuji, že popsaný výsledek naplňuje definici uvedenou v Metodice hodnocení výsledku
výzkumu, experimentálního vývoje a inovací pro rok 2010, a že jsem si vědom důsledků
plynoucích z porušení § 14 zákona č. 130/2002 Sb. (ve znění platném od 1. července 2009).
Prohlašuji rovněž, že na požádání předložím technickou dokumentaci výsledku.
………………………………………………
Prof.Ing. Stanislav Beroun, CSc.
V následující příloze jsou uvedeny vybrané výsledky z porovnávacích měření (vysokotlaká
indikace a následná termodynamická analýza) na fyzicky identickém reálném vozidlovém
zážehovém motoru s klasickými zapalovacími svíčkami a se zapalovacími svíčkami
s integrovanou komůrkou (testovány byly 2 varianty ZSIK, rozdílné v poloze střední elektrody
k vnější elektrodě ve dnu komůrky). Grafy popisují pouze vliv komůrkového zážehu na
průběh vyhořívání směsi ve válci, vliv komůrkového zážehu na parametry pracovního oběhu
motoru je ukázán v dokumentaci funkčního vzorku zážehového motoru se zapalovacími
svíčkami s integrovanou komůrkou.
3
Technická univerzita v Liberci
FUNKČNÍ VZOREK
TE01020020V056,
WP02V002
Projekt č.TE01020020 „Centrum kompetence AP JB“
Příloha
EA111.03E: 2000 rpm, 100% (střední hodnoty podílu vyhoření ze 3 válců)
ZS-Bosch
ZSIK-A
ZSIK-B
1
podíl vyhoření
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-20
-15
-10
-5
0
deg
5
10
15
EA111.03E: 5000 rpm, 100% (střední hodnoty podílu vyhoření ze 3 válců)
ZS-Bosch
ZSIK-A
ZSIK-B
podíl vyhoření
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
de g
Obr.2: Průběhy rychlosti hoření v režimech 100% zatížení v nízkých a vysokých otáčkách
motoru vykazují pro ZSIK výraznější zvýšení dynamiky hoření.
EA111.03E: 2000 rpm, 5 Nm (střední hodnoty podílu vyhoření ze 3 válců)
ZS-Bosch
ZSIK-A
ZSIK-B
1
podíl vyhoření
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
deg
30
40
50
60
Obr.3: Průběhy rychlosti hoření v nejnižších otáčkách a velmi nízkém zatížení motoru ( 5%)
vykazují v případě ZSIK výraznější pokles dynamiky hoření (chod motoru je však pravidelný):
s rostoucím zatížení se v nejnižších otáčkách motoru začne projevovat pozitivní efekt
komůrkového zážehu (tj. snížení variability parametrů pracovního oběhu) od 25% zatížení.
4
Technická univerzita v Liberci
FUNKČNÍ VZOREK
TE01020020V056,
WP02V002
Projekt č.TE01020020 „Centrum kompetence AP JB“
EA111.03E: 5000 rpm, 5 Nm (střední hodnoty podílu vyhoření ze 3 válců)
ZS-Bosch
ZSIK-A
ZSIK-B
1
podíl vyhoření
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-40
-30
-20
-10
0
deg
10
20
30
Obr.4: Průběhy rychlosti hoření ve vysokých otáčkách a velmi nízkém zatížení motoru ( 5%)
vykazují v případě ZSIK menší pokles dynamiky hoření než ve velmi nízkém zatížení při
nízkých otáčkách motoru. Pozitivní efekt komůrkového zážehu (tj. snížení variability
parametrů pracovního oběhu) se ve vysokých otáčkách motoru začne projevovat již od 5%
zatížení (při vysokých otáčkách se projevuje příznivý vliv vysoké turbulence ve válci).
Energie paliva ve směsi v komůrce (V kom = 1 cm3)
3000 1/m in
2000 1/m in
5000 1/min
35
30
Q [J]
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Mt [Nm ]
Obr.5: Dynamiku rozvoje hoření ve válci motoru ovlivňuje v případě komůrkového zážehu
energetický obsah směsi v komůrce. Výpočtový odhad energie v čerstvé směsi v komůrce ukazuje, že
se zatížením motoru se tato energie významně zvyšuje, vliv otáček je přitom zanedbatelný.
Znázorněné závislosti byly stanoveny zjednodušeným popisem dějů ve fázi plnění obsahu komůrky
čerstvou směsí při kompresním zdvihu. Výpočet vychází ze stavu náplně (spalin) ve válci (vč. spalin v
komůrce) na konci výtlačného zdvihu s následnou expanzi spalin a jejich výtokem z komůrky na tlak
konce sacího zdvihu. Hodnoty tlaku ve válci na konci výtlačného a sacího zdvihu byly odečteny z
indikace průběhu tlaku ve válci, stav čerstvé náplně na konci plnění válce (tlak, teplota, hmotnost,
složení) byl stanoven výpočtově. Následné plnění čerstvé náplně do komůrky předpokládá, že na
konci komprese ve válci i v komůrce je stejný tlak (při výpočtech se respektují rozdílné látkové
vlastnosti spalin a čerstvé náplně).
5