Узница камеры. Свечи зажигания
autoExpert » СТАТТІ » Автокомпоненти » Узница камеры. Свечи зажигания

Узница камеры. Свечи зажигания

  • Переглядів: 3603
  • Дата: 8-05-2012, 10:58
  • Print
Производители свечей зажигания отмечают, что в среде автолюбителей, да и профессионалов авторемонта, распространено не совсем верное представление об их продукции. Попробуем хотя бы частично исправить эту ситуацию с помощью авторитетных специалистов, знатоков свечей и искровых моторов.

Узница камеры. Свечи зажиганияСвеча зажигания – ровесница ДВС с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси и, пожалуй, один из самых привычных (и для автолюбителей, и для автопрофессионалов) компонентов двигателя. Как и с большинством привычных нам вещей, мы обращаемся со свечей запросто, «на ты». Меж тем, если разобраться, свеча заслуживает уважительного отношения – это не только неотъемлемый элемент системы зажигания, но и весьма хитроумное устройство, вмещающее множество уникальных технологий.

Свеча «на Вы»
Свеча зажигания, без преувеличения, «экстремал» мира искровых моторов. Температура в камере сгорания в различные моменты рабочего цикла изменяется от 70 до 2000 и даже 2700°С. Давление при сгорании топливовоздушной смеси достигает 50–60 бар, при этом усилие, стремящееся «выплюнуть» свечу из свечного отверстия, доходит до 300 кГ. Тепловое и механическое воздействия – циклические, они изменяются с частотой до 50 раз в секунду. С такой же периодичностью на свечу поступает высокое (до 40 000 В) напряжение. Раскаленные продукты сгорания, содержащие фосфор, серу, свинец, оказывают сильное коррозионное воздействие на материалы электродов и изолятора. Вдобавок к этому электроды подвергаются искровой эрозии. Несмотря на такие «нечеловеческие» условия, свеча стабильно и в течение длительного времени выполняет свою основную функцию – транспортирует электрическую энергию внутрь камеры сгорания и преобразует ее в энергию искрового разряда, формирующего ядро пламени. Срок службы стандартной свечи в современном моторе превышает 20 тыс. км пробега, а свечей специальной конструкции – переваливает за 100 тысяч километров!

Узница камеры. Свечи зажигания

Если со знанием дела посмотреть на конструкцию свечи, можно увидеть, что в ней совмещено несовместимое: металлический корпус и керамический изолятор, биметаллический центральный электрод, керамический резистор и вновь – металлический сердечник. Материалы, из которых изготовлены эти детали, в несколько раз отличаются по способности к температурному расширению и не поддаются неразъемному соединению традиционными способами. Следуя обычной логике, такая конструкция должна была бы тут же развалиться от циклического нагрева. Однако она работает и выдерживает упоминавшиеся немалые нагрузки! Более того, детали соединены так, что центральный токовод обладает высокой электропроводностью. Места контакта центрального электрода с изолятором и изолятора с корпусом – герметичны и имеют низкое тепловое сопротивление. А чего стоит с высокой точностью изготовить ажурный алюмооксидный изолятор сложной формы, «обернуть» миниатюрный медный керн центрального (а в некоторых конструкциях и бокового) электрода в тонкую оболочку из никелевого сплава, лазером приварить к его торцу кусочек платиновой или иридиевой «иглы» диаметром в полмиллиметра? Но самое потрясающее, что все эти технологические чудеса происходят в особо крупносерийном производстве – ведущие компании изготавливают свечи сотнями миллионов штук в год! К примеру, один из «свечных заводиков» NGK производит 1,2 миллиона свечей ежедневно! Начинаешь понимать, что сто с лишним лет эволюции «свечной» отрасли промышленности не прошли даром.

Свечная эволюция
Говорят, что впервые свечи вместе с высоковольтным магнето были применены для зажигания смеси в двигателе в 1902 году. В последующие несколько десятилетий в их конструкции мало что изменилось. Существенные перемены начались в середине 80-х, одновременно с началом борьбы за экологию, отказом от этилированного бензина, увеличением степени форсированности моторов и стремительным прогрессом промышленных технологий. Именно тогда появились свечи с биметаллическим центральным электродом. «Вживление» в электрод сердечника из меди, обладающей высокой теплопроводностью, позволило расширить тепловой диапазон свечей, сделать их более термоэластичными. На этом стоит остановиться подробнее.

Узница камеры. Свечи зажигания

Узница камеры. Свечи зажигания

Тепловой режим свечи очень важен для исполнения ее основной, «зажигательной» функции. Он оптимален, если температура самой горячей ее части – кончика теплового конуса (юбки) изолятора, соседствующего с межэлектродным зазором, остается в пределах примерно от 450 до 800°С. Нижнюю границу диапазона называют температурой самоочищения. Название говорит само за себя: начиная с этой температуры происходит активное выгорание с поверхности изолятора углеводородных отложений – изолятор очищается. При меньшей температуре нагар накапливается, образуется электропроводный слой, который шунтирует (закорачивает) искровой промежуток – искрообразования не происходит. Если температура превышает верхний порог оптимального теплового диапазона, возрастает интенсивность износа электродов свечи. Более того, возникает опасность преждевременного воспламенения смеси (калильного зажигания) от раскаленного кончика изолятора, грозящая повреждением свечи и двигателя. Поэтому температура кончика изолятора не должна выходить из указанного поля допуска на любых режимах работы двигателя.

С увеличением литровой мощности двигателей теплонапряженность камеры сгорания возросла и выполнить это условие стало сложнее. Решением проблемы стало увеличение теплопроводности центрального электрода, что позволило интенсивнее отводить тепло от юбки изолятора. Свеча с биметаллическим электродом, которая быстро выходила на режим самоочищения и оставалась работоспособной в более широком диапазоне изменения тепловых режимов в камере сгорания – она стала термоэластичнее. Способность свечи отводить тепло характеризуется небезызвестным калильным числом. Чем оно больше, тем выше теплопроводность свечи, тем ниже температура теплового конуса изолятора при равной температуре в камере сгорания – свеча более «холодная». И наоборот, чем меньше калильное число, тем «горячее» свеча. Помимо теплопроводности центрального электрода калильное число зависит от его длины, площади поверхности (высоты) юбки изолятора, теплопроводности материала изолятора, вылета юбки относительно металлического корпуса. Варьируя эти параметры, получают изделия с различными тепловыми характеристиками. Увеличение теплового диапазона свечей позволило существенно сократить их ассортимент – границы применимости свечи с определенным калильным числом расширились.

Когда разработчики автомобилей озаботились увеличением межсервисных интервалов и сокращением объемов технического обслуживания, перед производителями свечей зажигания была поставлена задача увеличения ресурса их продукции. Основное препятствие, ограничивающее срок эксплуатации свечей – искровая эрозия электродов. Со временем она искажает первоначальную форму электродов и увеличивает межэлектродный зазор. Установлено, что с каждой пройденной тысячей километров расстояние между электродами из никелевых сплавов возрастает на величину от 3 до 10 мкм. Это постепенно приводит к повышению пробивного напряжения. Нагрузка на систему зажигания растет до тех пор пока не достигнет предела – искрообразование становится нестабильным.

Кардинальным решением проблемы эрозии стало использование в электродах драгоценных металлов: золота, платины, иридия, родия, а также соединений иттрия. Бесспорное достоинство перечисленной «экзотики» – именно повышенная стойкость против эрозии, которая позволила увеличить ресурс свечи в несколько раз. Прочие преимущества, которые иногда упоминаются в некоторых рекламных проспектах (вроде предварительной ионизации искрового промежутка, каталитического воздействия и т.п.), туманны и не всегда согласуются с теорией искрового разряда. Вначале «драгоценным» стал центральный электрод, поскольку он в наибольшей степени страдает от эрозии. Во всех системах зажигания (за исключением DIS ) на него подается отрицательный потенциал. Поэтому при искровом разряде его поверхность «бомбардируется» высокоэнергетичными ионами, в то время как боковой электрод «обстреливают» легкие электроны. Позже «для большей лучшести» эрозионно-стойкими начали делать оба электрода. Свечи типа «дабл экзотик» объективно нужны для применения в упоминавшемся выше исключении – в DIS -системах зажигания, где каждая пара свечей обслуживается одной «двухискровой» катушкой. Во-первых, в них свечи «искрят» вдвое чаще, чем в других, так что повышенные меры по увеличению ресурса им очень кстати. Во-вторых, половина свечей питается высоким напряжением обратной полярности, поэтому противостоять ионам приходится и боковому электроду. Впрочем, такими свечами комплектуются некоторые современные моторы с иными системами зажигания. Для этого у их разработчиков есть другие веские мотивы, которые не стоит оспаривать.

Еще одним, более заметным глазу способом повышения ресурса свечей стало увеличение количества боковых электродов. В многоэлектродных свечах искровой разряд возникает между центральным и одним из боковых электродов. Образно говоря, искра сама выбирает межэлектродный промежуток с наилучшими для нее условиями. Так как корпусные электроды работают попеременно, у центрального электрода используется более развитая боковая поверхность, а самих межэлектродных зазоров – несколько, негативное влияние эрозии многократно уменьшается. Эксплуатационная особенность многоэлектродных свечей состоит в невозможности регулировки величины зазора. Предельный вариант многоэлектродной свечи – так называемая свеча с блуждающей искрой. Роль бокового электрода выполняет бортик в форме кольца на торце резьбового корпуса. Межэлектродный зазор представляет собой кольцевую щель, в которой искра произвольным образом перемещается по кругу. Сделать свечу такой конструкции горячее проблематично – сплошной кольцевой электрод экранирует юбку изолятора от раскаленных продуктов сгорания. Не случайно она чаще применяется в спортивных моторах.

Дальнейшая борьба за увеличение ресурса свечей зажигания большого смысла не имеет – вечный «расходник» не нужен никому, ни автомейкерам, ни производителям свечей, ни сервисменам. Сегодня эта задача снята с повестки дня.

Девиз – эффективность и стабильность
В последнее время совершенствование свечей идет в направлении повышения эффективности и стабильности их работы в сложных условиях. Как ни странно, хуже всего приходится свечам обычного городского автомобиля – диапазон тепловых режимов в камере сгорания – шире некуда. Да, у спортивных свечей тепловые нагрузки значительно выше, но они стабильны. От них не требуется надежно, без сбоев работать при холодном пуске двигателя в условиях отрицательных температур, в режимах холостого хода и малых нагрузок или при частых кратковременных поездках и так далее. А именно такие режимы, характеризующиеся плохими условиями для смесеобразования и самоочищения изолятора, наиболее опасны для свечи. Несмотря на это, борцы за чистоту окружающей среды не делают моторостроителям никаких скидок, а, напротив, ужесточают требования к чистоте выхлопа. Требования к стабильной работе в условиях повышенного нагарообразования и надежному воспламенению до предела обедненных, недостаточно гомогенизированных топливовоздушных смесей повышаются. Какие меры предпринимаются для их удовлетворения?

Одной из первых мер стало увеличение размеров искрового промежутка. Из общих соображений понятно, что увеличение зазора и вызванное им удлинение искры повышает вероятность, что на ее пути окажется достаточно смеси для воспламенения. Если оно произошло, больший размер первоначального ядра ускоряет формирование и распространение фронта пламени по камере сгорания. В общем, то что нужно. Пробой большего искрового промежутка требует повышения напряжения и, соответственно, энергии искры. Последнее также до определенной степени способствует надежности воспламенения смеси – в сложных условиях есть разница, чем ее поджигать – «спичкой» или «факелом». Поэтому за последнюю пару десятков лет межэлектродные зазоры постепенно увеличились от долей миллиметра до миллиметра с лишним. Это стало возможным благодаря совершенствованию систем зажигания, энергия которых возросла почти в десять раз, а напряжение порядка 30000 В стало обычным делом. Дальнейшее повышение этих параметров проблематично, так как ускоряет эрозию электродов и требует кардинального усиления электроизоляции высоковольтных участков цепи зажигания.

Повысить надежность и эффективность свечей удалось путем оптимизации конструкции электродов. Они же способны оказывать негативное влияние на воспламенение смеси. Негатив вызывается двумя эффектами: экранирующим и подавляющим действием электродов. Экранирующий эффект создает боковой электрод (или электроды), который, как ни крути, является препятствием для смеси, поступающей к искровому промежутку. Подавляющее воздействие оказывают оба. Находясь вплотную к зародившемуся ядру пламени, имеющие высокую теплопроводность электроды «сосут» из него тепло, которого на начальной стадии не так много. Электрическая мощность искрового импульса составляет несколько десятков ватт, а тепловая – и того меньше.

Обойтись вовсе без бокового электрода нельзя, так же как нельзя сделать его тоньше по соображениям прочности. Поэтому для минимизации экранирования применяют способы, вытесняющие искровой разряд от оси электродов на их периферию. Для этого, например, в свечах NGK V-line на торце центрального электрода сделана насечка V-образного профиля. Поскольку при физических условиях, в которых работает свеча зажигания, разряд происходит по кратчайшему пути между электродами, удается исключить его привязку к центру электрода. Кроме того, несколько снижается напряжение искрообразования вследствие увеличения напряженности электрического поля на острых кромках, образующихся на торце электрода при его насечке. Это конструктивное решение запатентовано, поэтому остальным производителям свечей пришлось искать другие способы. И они нашлись: Denso разработала технологию U-groove – боковой электрод с продольной канавкой U-образного сечения, Beru освоила технологию Poly-V изготовления бокового электрода с четырьмя V-образными канавками.

Снижения подавляющего действия добиваются, уменьшая площадь контакта обоих электродов с областью воспламенения – срезают на конус боковой электрод или уменьшают диаметр центрального электрода. Последний способ нашел применение в современных свечах с электродами из экзотических металлов. Так что приварка к электродам тонких и сверхтонких (до 0,4 мм) наконечников из сплавов платины, иридия и т.п. – это не столько экономия драгметаллов (хотя и это важно для снижения стоимости изделий), сколько средство повышения эффективности свечи. Тем более что тонкий наконечник – еще и концентратор напряженности поля, повышающий стабильность искры.

В конструкции современных свечей используется ряд технологий для повышения надежности зажигания в условиях повышенного нагарообразования. Часть из них направлена на то, чтобы с помощью самой искры очищать кончик теплового конуса изолятора. Для этого межэлектродному зазору придается такая конфигурация, что искровой путь проходит вблизи поверхности изолятора и искра выжигает отложения. Так работает, например, технология полуповерхностного разряда. В свечах с дополнительным воздушным зазором и с «перехватывающим» электродом основной искровой зазор дублируется дополнительным, который перехватывает искру в том случае, если она «стекает» по поверхности изолятора. Тем самым, опасность пропуска зажигания уменьшается.

Тенденции и перспектива
Специалисты единодушно отмечают, что совершенствование конструкции свечей идет по пути их миниатюризации. На смену еще недавно распространенному стандарту свечей с резьбой М14 уже приходят новые – с более длинным резьбовым корпусом М12 и даже М10. Они требуют особо осторожного обращения – иначе можно легко повредить свечу или резьбу свечного отверстия. Миниатюризация – вынужденная мера, которая вызвана уменьшением свободного места для размещения свечи в своде камеры сгорания. Увеличиваются количество и диаметр клапанов, между ними вклиниваются инжекторы непосредственного впрыска топлива – свече приходится потесниться. Так что у производителей свечей есть возможность сэкономить на материалах. Вместе с тем, их задача усложняется – детали свечи становятся миниатюрнее, но требования к их точности, механической, электрической прочности и теплопроводности не снижаются, а наоборот, во многом ужесточаются. В ближайшем будущем свечам все чаще придется работать в моторах с турбонаддувом, в условиях повышенного давления и температуры, воспламенять сверхобедненные смеси и расслоенные заряды в двигателях с непосредственным впрыском. Решение этих задач требует дальнейшего улучшения тепловых и электроизоляционных свойств керамики, оптимизации конфигурации искрового пространства, разработки свечей специальной конструкции и высокой точности. Например, таких, которые могут обеспечить позиционирование искрового промежутка в камере сгорания с потрясающей точностью +/-0,2 мм, да еще и при определенной угловой ориентации бокового электрода.

Если говорить об отдаленной перспективе, на смену привычным свечам зажигания, скорее всего, придут лазерные технологии. Оптическая «свеча», соединенная с источником лазерного излучения гибким световодом, будет направлять интенсивные лазерные импульсы в разные участки камеры сгорания, обеспечивая быстрое и максимально полное сгорание топливовоздушной смеси. По мнению исследователей, такими системами можно оснащать уже существующие бензиновые двигатели, что позволит сократить потребление топлива и улучшить экологию. Это не фантастика, известно, что уже разрабатывается лазерная система для двигателей Ford GDI следующего поколения.

Узница камеры. Свечи зажигания

Сергей Самохин


Шановний відвідувач сайту www.autoexpert-consulting.com. Якщо ви професіонал ринку автосервісу та торгівлі автозапчастинами, оливами тощо – ви маєте змогу безкоштовно користуватися послугою Hotline autoExpert за телефоном гарячої лінії +38 067 537 82 42.
 (голосов: 1)






Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии в данной новости.

Спецвипуски

Реклама

Календар

«    Март 2024    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31

Опитування

Напрямок вашого бізнесу

Продаж автомобілів
Автосервіс
Гуртова торгівля автокомпонентами
Автомагазин
Автоперевезення
Інше