Плазменное зажигание: факел вместо искры

Плазменное зажигание перемещается из лабораторий в серийные моторы. В группе прототипов, где работают, плазменные свечи уже прошли 1200-часовые стендовые испытания. Переход от искры к факелу разряда поднял термодинамическое КПД на 4 % без изменения геометрии камеры сгорания.

Физика разряда

Классическая свеча формирует канальный разряд длиной пару миллиметров. Температура фронта высока, но его объём ничтожно мал. Плазменная версия генерирует лучевую струю — микроплазмоид, прокалывающий топливно-воздушную смесь на 20–25 мм. Эффект достигается импульсом в 60–80 кВ, следом поступает ток до 400 А длительностью десятки микросекунд. Релаксирующая плазма испускает ультрафиолет, инициирует фотодиссоциацию молекул, ускоряет зарождение радикалов OH*, CH*. Промежуток задержки зажигания сокращается вдвое, зона горения охватывает большую часть камеры ещё до максимального восходящего хода поршня.

Сочетание фотохимии и кинетики повышает индикаторное давление, отодвигает границу детонации, снижает потребность в богатой смеси. При λ = 1,5 у прототипа наблюдались стабильные циклы, уровень пропусков воспламенения упал ниже 0,2 %.

Конструктивные решения

Свеча остаётся совместимой с резьбой М12×1,25, однако центральный электрод заменён тороидальным эмиттером из иридий-осмиевого сплава. Внутренняя керамика содержит добавку сульфата иттрия для диэлектрической стойкости к градиенту 5 кВ/мм. Катушка — двухступенчатый преобразователь, где на первом каскаде работает полевой транзистор GaN, а второй питается от полимерного накопителя в 400 нФ. Впрыск контролирует точка переключения Q-точки биполярного транзистора, тем самым избегается искровой «хобот» и гарантируется факельная структура.

В блок управления внедрён анализатор плазма-импедансного следа. Алгоритм оценивает комплексное сопротивление канала, корректирует фронт напряжения под условия текущей плотности смеси. Такой адаптивный цикл исключает износ электродов при экстремально бедных смесях.

Перспектива развития

Следующий этап — объединение плазменного факела с детонационным горением по схеме RDE. Компактный ротор-шпонка в кольцевой камере уже прошёл первые тесты на биоэтаноле E85. Плазмоид формирует фронт, после чего детонационная волна замыкается по кольцу, создавая давление 6–7 МПа при времени реакции 40 мкс. Согласование клапанной группы с таким циклом подразумевает спирально-тарельчатый механизм, над которым работает команда смежного отдела.

Эмпирические графики показывают снижение выбросов NOx на 23 % по циклу WLTP благодаря более холодным стенкам и сокращённому интервалу пламени. Никакие адсорбционные уловители не включались. Показатель индикаторного расхода достиг 207 г/кВт·ч при степенях сжатия 14:1, что уже близко к ряду крупных дизелей.

Внедрение плазменного зажигания открывает новые топливные режимы, поднимает энергетическую плотность без увеличения цилиндрового давления. Испытания в различных климатических зонах подтвердили пуск при –35 °C и срок службы свечей свыше 150 тыс. км. При серийном запуске ожидается окупаемость в течение трёх лет за счёт экономии топлива и уменьшения расходов на нейтрализацию выбросов.