Устройство свечи зажигания Задачей свечи зажигания в бензиновом двигателе автомобиля является введение искровой энергии в камеру сгорания для воспламенения топливно-воздушной смеси. Свеча зажигания во взаимодействии с другими компонентами двигателя, а именно, с системой зажигания и системой приготовления топливной смеси определяет в решающей массе функции двигателя. Свеча должна гарантировано обеспечивать старт, бесперебойную эксплуатацию во время форсирования и максимальной производительности двигателя. Свеча зажигания при всех условиях эксплуатации должна доставить искровую энергию в камеру сгорания без разгерметизации и перегрева. Детали свечи, находящиеся в камере сгорания, подвергаются высоким термическим, механическим, электрическим нагрузкам, а также химическому воздействию продуктов неполного сгорания топлива. Температура в ней изменяется от 70 до 2500°С, давление газов достигает 50-60 бар, а напряжение на электродах доходит до 20 кВ и выше. Такие жесткие условия работы определяют особенности конструкции свечей и применяемых материалов, так как от бесперебойности искрообразования зависят мощность, топливная экономичность, пусковые свойства двигателей, а также токсичность отработавших газов. Основными элементами любой свечи зажигания являются металлический корпус, керамический изолятор, электроды и контактный стержень. Корпус имеет резьбу, которая ввинчивается в головку блока цилиндров, шестигранник "под ключ" и специальное покрытие для защиты от коррозии. Опорная поверхность может быть плоской или конической. В первом случае для надежной герметизации свечного отверстия используется уплотнительное кольцо. Материалом изолятора служит высокопрочная керамика. Для предотвращения утечки электричества на его поверхности (в верхней части изолятора) делают кольцевые канавки (барьеры тока) и наносят специальную глазурь, а часть изолятора со стороны камеры сгорания выполняют в форме конуса (называемого тепловым). Внутри керамической части свечи закреплены центральный электрод и контактный стержень, между которыми может быть расположен резистор, подавляющий радиопомехи. Герметизация соединения этих деталей осуществляется токопроводящей стекломассой (стеклогерметиком). Боковой электрод "массы" приварен к корпусу. Электроды изготавливают из жаростойкого металла или сплава. Для улучшения отвода тепла от теплового конуса центральный электрод может изготавливаться из двух металлов (биметаллический электрод)- центральную часть из меди заключают в жаростойкую оболочку. Биметаллический электрод обладает повышенным ресурсом благодаря тому, что хорошая теплопроводность меди препятствует чрезмерному его нагреву. В настоящее время все больше свечей зажигания выпускается с биметаллическим электродом. Это позволяет, помимо улучшения термоэластичности, повысить их надежность и долговечность. С целью увеличения срока эксплуатации, не требующего регулировки искрового зазора, выпускаются свечи зажигания с несколькими боковыми электродами. Срок службы свечей зажигания составляет от 30 до 100 тыс. км. Наиболее вероятной причиной преждевременного отказа свечей является загрязнение их продуктами неполного сгорания или увеличение искрового зазора из-за износа электродов. При этом решающее влияние на работоспособность свечей оказывает техническое состояние двигателя. Даже по внешнему виду свечи можно многое сказать как о работе двигателя в целом, так и об отдельных его узлах. Осмотр свечи нужно проводить после продолжительной работы двигателя, идеальным вариантом будет осмотр свечи после длительной поездки по загородному шоссе. Ошибкой некоторых автолюбителей, например является то, что после холодного старта двигателя при минусовой температуре и неустойчивой его работе первым делом выкручивают свечи и увидев черный нагар, делают поспешные выводы. А ведь этот нагар мог образоваться во время работы двигателя в режиме холодного старта, когда смесь принудительно обогащается, а неустойчивая работа могла быть следствием скажем плохого состояния высоковольтных проводов. Поэтому если вас что-то не устраивает в работе двигателя, и вы решили сделать диагностику его работы с помощью свечей, нужно проехать на изначально чистых свечах минимум километров 250-300, и только после этого делать какие-то выводы.
На фото №1 изображена свеча, вывернутая из двигателя, работу которого можно считать отличной. Юбка центрального электрода имеет светло-коричневый цвет, нагар и отложения минимальны. Полное отсутствие следов масла. Владельцу данного мотора можно только позавидовать, и есть чему: это экономичный расход топлива и отсутствие необходимости доливать масло от замены до замены.
Фото №2-типичный пример свечи от двигателя с повышенным расходом топлива. Центральный электрод покрыт бархатисто-черным нагаром. Причин тому несколько: богатая воздушно-топливная смесь (неправильная регулировка карбюратора, угла опережения зажигания или неисправность инжектора), засорение воздушного фильтра
Фото №3 -наоборот, пример чрезмерно бедной воздушно-топливной смеси. Цвет электрода от светло-серого до белого. Здесь есть повод для беспокойства. Езда на слишком обедненной смеси и при повышенных нагрузках может стать причиной значительного перегрева, как самой свечи, так и камеры сгорания, а перегрев камеры сгорания прямой путь к прогару выпускных клапанов.
На фото №4 юбка центрального электрода свечи имеет характерный красноватый оттенок. Этот цвет можно сравнить с цветом красного кирпича. Покраснение вызвано работой двигателя на топливе, содержащем избыточное количество присадок, которые имеют в своем составе металл. Длительное использование такого топлива приведет к тому, что отложения металла образуют на поверхности изоляции токопроводящий налет, через который току будет легче пройти, чем между электродами свечи, и свеча перестанет работать.
На фото № 5 свеча имеет ярко выраженные следы масла, особенно в резьбовой части. Двигатель с такими свечами после длительной стоянки имеет обыкновение после запуска "троить" некоторое время, а по мере прогрева работа стабилизируется. Причина этого-неудовлетворительное состояние маслоотражательных колпачков. Налицо повышенный расход масла. В первые минуты работы двигателя, в момент прогрева, характерный бело-синий выхлоп.
Фото № 6- свеча вывернута из неработающего цилиндра. Центральный электрод, его юбка покрыты плотным слоем масла, смешанного с каплями несгоревшего топлива и мелкими частицами от разрушений, произошедшими в этом цилиндре. Причина этого - разрушение одного из клапанов или поломка перегородок между поршневыми кольцами с попаданием металлических частиц между клапаном и его седлом. В данном случае двигатель "троит" уже не переставая, заметна значительная потеря мощности, расход топлива возрастает в полтора, два раза. Выход один - ремонт.
Фото № 7-полное разрушение центрального электрода с его керамической юбкой. Причиной данного разрушения мог стать один из перечисленных ниже факторов: длительная работа двигателя с детонацией, применение топлива с низким октановым числом, очень раннее зажигание, и просто бракованая свеча. Симптомы работы двигателя такие же, как в предыдущем случае. Единственное, на что можно надеяться, так это на то, что частицы центрального электрода сумели проскочить в выхлопную систему, не застряв под выпускным клапаном, иначе тоже не избежать ремонта головки блока цилиндров.
Фото № 8 последнее в этом обзоре. Электрод свечи оброс зольными отложениями, цвет не играет решающей роли, он лишь свидетельствует о работе топливной системы. Причина этого нароста-сгорание масла вследствие выработки или залегания маслосъемных поршневых колец. У двигателя повышенный расход масла, при перегазовках из выхлопной трубы сильное синее дымление, запах выхлопа похож на мотоциклетный.
Если вы хотите, чтобы с работой вашего двигателя было меньше проблем, не вспоминайте о свечах только тогда, когда мотор отказывается работать. Производитель гарантирует безотказную работу свечи на исправном двигателе 30 тыс. километров пробега. Но и вы в свою очередь не забывайте с каждой заменой масла или в среднем каждые 10 тыс. километров пробега проверять состояние свечей. Прежде всего, это регулировка зазора до требуемой величины, удаление нагара. Нагар удалять лучше металлической щеткой, от пескоструйной обработки разрушается керамика центрального электрода, и вы рискуете получить копию с фото № 7.
Калильное число является показателем тепловых свойств свечи (ее способности нагреваться при различных тепловых нагрузках двигателя). Оно пропорционально среднему давлению, при котором в процессе испытаний свечи на моторной тарировочной установке в ее цилиндре начинает появляться калильное зажигание (неуправляемый процесс воспламенения рабочей смеси от раскаленных элементов свечи). Свечи с небольшим калильным числом называют горячими. Их тепловой конус нагревается до температуры 900°С (температура начала калильного зажигания) при относительно небольшой тепловой нагрузке. Такие свечи применяются на малофорсированных двигателях с небольшими степенями сжатия. У холодных свечей калильное зажигание возникает при больших тепловых нагрузках, и они используются на высокофорсированных двигателях. Пока тепловой конус не нагреется до 400°С, на нем образуется нагар, приводящий к утечкам тока и нарушению искрообразования. По достижении этой температуры он (нагар) начинает сгорать, происходит очищение свечи (самоочищение). Чем длиннее тепловой конус, тем больше его площадь, поэтому он нагревается до температуры самоочищения при меньшей тепловой нагрузке. К тому же выступание этой части изолятора из корпуса усиливает ее обдув газами, что дополнительно ускоряет прогрев и улучшает очищение от нагара. Увеличение длины теплового конуса приводит к уменьшению калильного числа (свеча становится "горячее").
К свече зажигания могут быть предъявлены требования бесперебойной работы только при ниже перечисленных условиях:
* свеча вставлена в двигатель только в соответствии с паспортом на автомобиль. * используется марка бензина только в соответствии с маркой, указанной в паспорте на двигатель автомобиля. * отлажена и безукоризненно работает система зажигания на автомобиле, отлажена и * безукоризненно работает система приготовления топливно-воздушной смеси.
не превышен крутящий момент при вворачивании свечи в головку блока двигателя.
Ещё о свечах
Свечи зажигания, безусловно, работают в самых экстремальных условиях, которые только можно найти в автомобиле. Они поочередно то находятся "в эпицентре взрыва" раскаленных газов с температурами до нескольких тысяч градусов, то принимают на себя порцию рабочей смеси, которая только что образовалась из атмосферного воздуха (при температуре окружающей среды) и паров бензина. Все это повторяется десятки раз каждую секунду в течение многих часов.
Главной задачей всей конструкции свечи является создание зазора, через который периодически пропускается мощный электрический заряд под напряжением 20-30 тысяч вольт, создающий дугу, которая поджигает рабочую смесь. Самые небольшие отклонения параметров приводят к неустойчивой работе, особенно заметной на холостых оборотах, а иногда и к полной остановке или невозможности завести двигатель. Основной причиной таких отклонений являются накопления продуктов сгорания бензина, забивающие искрообразующий зазор.
Выход из этой противоречивой ситуации найден давно - свеча сама должна освобождаться от продуктов сгорания. Они дожигаются на ее раскаленных поверхностях и смываются вихрем горящих газов, попадая дальше в моторное масло и в конечном итоге - в масляный фильтр или в виде отложений на дно картера. Вместе с тем свеча зажигания не должна нагреваться слишком сильно, в этом случае начинается так называемое калильное зажигание и детонация, когда рабочая смесь загорается не от разряда тока в заданный момент времени, а от раскаленных электродов в момент попадания паров в камеру. Последствия этого самые печальные, начиная от потери мощности и увеличения выброса всех вредных веществ до возможного разрушения двигателя.
Характер эксплуатации автомобиля определяет громадный диапазон возможных нагрузок на двигатель. Тепловой режим его компонентов при работе, скажем, в городе очень сильно отличается от напряженного режима при движении на горном серпантине. Все это время свечи зажигания должны обеспечивать точный баланс между накоплением тепла для самоочищения и его отводом для предотвращения калильного зажигания. Экспериментально установлено, что такой баланс выдерживается максимально верно, когда рабочие поверхности свечи находятся в диапазоне от 400 до 900 градусов.
Хорошо известна схема отвода тепла типичной свечой зажигания. Около 20 процентов из 100, получаемых от сжигания газов переходит обратно поступившей в камеру новой порции рабочей смеси (она поступает практически с температурой окружающего воздуха). Шестьдесят процентов проходит через поверхности соприкосновение изолятора и оболочки свечи далее на корпус головки туда, где их уже "ждет" рубашка охлаждения. По 10 процентов получает атмосфера снаружи от внешних частей оболочки и изолятора.
Именно комбинация конструктивных особенностей изолятора и оболочки свечей зажигания определили их деление на горячие, холодные и промежуточные. Первые имеют большую поверхность изолятора, выдающуюся в камеру и "доступную" для обогрева горящими газами и маленькую зону перехода от изолятора к оболочке. Вторые имеют гораздо большую зону для отвода тепла и, поэтому, их рабочие поверхности нагреваются значительно меньше. Способность накапливать тепло называется калильным числом свечи. Практически каждая фирма-изготовитель применяет здесь свою систему кодировки и, поэтому, единственный способ правильно подобрать свечу - использовать фирменный каталог или таблицы взаимозаменяемости.
Керамический изолятор определяет способность свечи накапливать тепло, а металлический сердечник - отводить. Без эффективного решения второй составляющей этого равенства правильный баланс невозможен и поэтому практически все современные свечи имеют так называемую биметаллическую конструкцию. Центральный электрод делается композитным, состоящим из стойкой к эрозии оболочки (обычно из хромо-никилевой стали) и медного сердечника, многократно повышающего способность отводить тепло. Гораздо реже биметаллическими делают и боковые электроды, еще реже вместо меди применяют другие материалы, например серебро.
Биметаллический центральный электрод придает свече важнейшее свойство, называемое термоэластичностью. Ее конструкция обладает одновременно и "горячими" и "холодными" свойствами. В момент пуска двигателя нагревается нижняя часть электрода, сделанная из хромо-никилевого сплава с меньшей теплопроводностью. Это позволяет поддерживать повышенную температуру и, как следствие, обеспечить быстрый и надежный пуск. Затем, по мере прогревания всей массы свечи, в дело вступает медная сердцевина, интенсивно отводящая тепло, свеча становится "холодной". При снижении оборотов, например на холостом ходу, больше работает хромо-никилевый участок и свеча вновь приобретает "горячие" свойства.
Среди производителей свечей зажигания идет непрерывная борьба двух противоположных концепций. Согласно первой чем больший по мощности ток проходит через зазор между электродами, тем полнее и эффективнее сгорает топливо. В результате снижается расход бензина, увеличивается чистота работы двигателя и ресурс таких дорогостоящих элементов системы, как каталитический нейтрализатор. При этом, тем не менее, идет интенсивное электрохимическое разрушение поверхностей электродов, в особенности бокового. Противники этого подхода предлагают решения, понижающие мощность тока, увеличивая при этом ресурс свечей зажигания.
Не только повышенный заряд тока, но и идея "необслуживаемого" автомобиля заставляют конструкторов искать пути увеличения времени работы свечи. Многие новые автомобили США предлагают сегодня 100 тысяч миль (160 тысяч километров) до первой замены расходных материалов (фильтры-свечи). Чаще всего такие модели укомплектованы платиновыми вставками в виде дисков на боковом или на обоих электродах. Платина намного устойчивей к коррозии и электрохимическому разрушению, чем традиционные хромо-никилиевые сплавы. Конструкции с электродами, целиком выполненными из платинового сплава делаются реже.
В розничной торговле "свечи-долгожители" чаще укомплектованы тремя - четырьмя боковыми электродами, хотя встречаются и платиновые вставки. По ошибке автолюбители часто полагают, что четыре электрода улучшают "поджигаемость" смеси, образуя четыре плазменных мостика. На самом деле происходит обратное. "Поджигаемость", а также эффективность сгорания даже немного ухудшаются, зато значительно продлевается время жизни свечи. В случае с четырьмя боковыми электродами искра образуется между центральным и тем боковым, который находится ближе. Его поверхность понемногу изнашивается и в дело вступает следующий - тот, расстояние до которого минимально. Так по очереди и работает несколько боковых электродов, продлевая срок службы свечи.
Сгорание рабочей смеси свечей с несколькими боковыми электродами ухудшается потому, что ее доступ в самую критическую часть камеры - к искре затруднен. К тому же, чем больше электродов, тем интенсивнее отводится тепло от свечи. Для таких конструкций больше вероятность образования нагара и хуже показатели двигателя по CO и NO. Поэтому конструкторы активно исследуют и другой путь - свечи с одним боковым электродом минимальных размеров или ... совсем без бокового электрода.
Последнюю конструкцию в реальной жизни можно встретить только на спортивных болидах. В них роль бокового электрода выполняет вся боковая кромка и искра действительно образуется в виде пучков из трех-четырех мостиков. Делать свечи без боковых электродов в гоночных автомобилях приходится вследствие применения сверхмощного заряда. Такой заряд, во-первых, слишком быстро съедает электроды из любого материала, а во-вторых имеет возможность "перепрыгнуть" с бокового кольца в центр.
Другой способ "уйти" от применения бокового электрода предлагала в свое время фирма СААБ. В той конструкции его роль выполнял ... поршень. Идея была проста и гениальна. Зажигание смеси любого бензинового двигателя происходит при движении поршня вверх, когда он сжимает уже предварительно поступившую в камеру рабочую смесь. На поверхности поршня был сделан иглообразный выступ, с которого и сходила искра, попадая затем на центральный электрод свечи, расположенной в обычном для нее месте. Преимущества такой конструкции очевидны. Не только увеличивалось время службы "бокового электрода" (он практически не выгорал), но и центральный электрод и изолятор можно было сделать долговечнее. Не позволили внедрить такую систему зажигания проблемы с подводом и распределением электрического заряда.
Следующим шагом стало усовершенствование геометрии бокового и центрального электродов свечей обычной конструкции. Если взять в качестве примера каталог любой из крупных фирм, то в нем можно найти 10-20 различных способов улучшить искрообразование. Форма центрального электрода меняется и самым радикальным примером здесь может быть модель Rapidfire компании Delphi. На поверхности ее центрального стержня сделаны 12 ребер с острыми кромками. С таких кромок свеча сходит гораздо легче, чем с традиционной гладкой цилиндрической поверхности центрального электрода.
Это позволяет, с одной стороны, понизить пороговое напряжение зажигания, а с другой - сделать его надежнее и устойчивее при режимах холостого хода или пуска. Продавцы автомобилей отмечают, что именно эти режимы самые критические в восприятии потенциальными покупателями всего автомобиля. Изготовители Rapidfire подсчитали, что ее конструкция по сравнению с "заводскими" свечами автомобиля позволяет на 18% увеличить отдачу акселератора, на 27% стабильность холостого хода и на 2% экономию топлива, но это для каких-нибудь там (у них) Ford или Chevrolet. Никто не измерял улучшений в работе двигателя среднего российского авто. Все дело в допусках, посадках и зазорах. Остается только спорить о том, поймают ли высокоточные приборы экономию в 2% на двигателе с разбросом основных характеристик в плюс-минус 5-10%%.
Главным же противником современных свечей на современных двигателях являются ... соседи по камере. Конструктивно свеча может быть установлена только в ее верхней части там, где уже расположились клапаны и, часто, различные датчики. Переход от двух к четырем и далее к пяти клапанам на цилиндр оставляет совсем мало свободного пространства. Свече приходится "худеть" в диаметре, экономя на бесценной площади внутри камеры сгорания. Так, если в недавнем прошлом можно было встретить свечи с резьбой M18, то теперь распространенными являются М14 и уже встречаются М12 и даже М10. Для такой тонкой свечи гораздо сложнее решить проблемы термической выносливости и теплоотвода и здесь на первый план выходят вопросы качества материала, стабильности производства и соблюдения технологии.
Все фирмы-производители имеют свои уникальные системы маркировки. Так, например, практически одна и та же свеча разных производителей может называться WR7D, RN9YC, CR43CXLS, CW7LPR или 17R-7DU. Единственной буквой, встречающейся в данном случае в каждой комбинации является R и это не случайно. Ей обозначают резистор, сделанный составной частью центрального электрода. Как и многие другие технические решения, оно пришло из авиации тех времен, когда из двигателей внутреннего сгорания там выжимали последние резервы повышения эффективности. Резистор необходимо применять на тех автомобилях, которые оснащены электронными системами, расположенными в подкапотном пространстве. Другая часто встречающаяся буква - С, обозначающая медь (Cupper), а точнее - центральный медный электрод, а две буквы CC у Champion обозначают медный сердечник как у центрального, так и у бокового электрода.
Важнейшими численными характеристиками свечей зажигания являются калильное число, диаметр резьбы и длина резьбы.
Не стоит говорить о том, что свеча должна точно соответствовать по этим трем параметрам двигателю Вашего автомобиля. Даже простая ошибка с длиной резьбы может привести к дорогостоящим печальным последствиям. Если она будет короче, чем ваша штатная - на "лишних" витках резьбы в головке очень быстро накопятся продукты сгорания и затем для нормальной свечи путь придется пробивать специальным метчиком. Еще страшнее последствия заворачивания слишком длинной свечи. В этом случае продукты сгорания осядут уже на ее поверхности и она будет схвачена своебразным замком. Минимальный результат такой невнимательности - разборка двигателя.
Не стоит также стараться запомнить систему кодировки калильного числа и резьб у разных производителей. Любой уважающий себя и клиентов продавец запчастей имеет на готове таблицу взаимозаменяемости.
Свечи зажигания, точнее их внешний вид, являются превосходным индикатором состояния двигателя.
Не только свеча сама готова вам "рассказать" о возможных ошибках с ее выбором, но и поведать о скрытых процессах, развивающихся в двигателе задолго до того, как они заявят о себе виде черного дыма, детонации или нестабильной работы.
Нормально работающая свеча исправного двигателя имеет чистые электроды и цвет керамической юбки изолятора варьирующийся от светло-серого до коричневого.
Появление черного жирного нагара говорит о том, что либо свеча холодна для данного двигателя, либо из-за начинающего проявлять себя износа поршневых колец в камеру поступает излишнее количество масла, либо карбюратор отрегулирован неправильно и рабочая смесь переобогащена. Перегревающаяся свеча имеет белый цвет керамики. Если же, вывернув свечу, Вы обнаружили оплавившиеся или забросанные расплавленным алюминием электроды - это сигнал уже начавшихся серьезных неприятностей (калильного зажигания, детонации).
И последнее, о чем следует упомянуть - возможное продление жизни свечи регулировкой зазора. Действительно, по мере электрического и термического износа электродов он растет и, применив специальные щупы, можно замерить и выставить правильный зазор простым подгибанием бокового электрода. Можно признать такие действия единственно правильными, если Вы оказались один на один с незаводящимся двигателем на даче за городом или финансовый кризис съел все запасы Вашей семьи и траты на следующий комплект в нем не предусмотрены. В обычной же ситуации подумайте о том, что утонченные электроды быстрее раскаляются и создают угрозу детонации. Капитальный ремонт двигателя стоит гораздо дороже дюжины свечей. Самое последнее - меняйте их всем комплектом (4, 6, 8 штук, в зависимости от двигателя) - не стоит экономить на спичках.
