Свечи зажигания

Свечи зажигания являются устройствами, которые предназначенны для подачи электрического тока от системы зажигания в камеру сгорания для воспламенения топливо-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания. Свечи зажигания представляют собой стержневидные устройства с металлическим корпусом с резьбой, который изолирован от центрального электрода при помощи керамического изолятора.

История свечи зажигания

История свечи зажигания начинается более чем 150 лет назад и является довольно запутанной. Некоторые источники приписывают ее создание иммигранту из Того под именем Эдмонд Бергер в начале 1839 года. Эдмонд Бергер якобы изобрел первую свечу зажигания 2 февраля и она была предназначена для газового двигателя внутреннего сгорания, который находился в разработке еще с 1800 годов.

Запатентовать свое изобретение он не имел прав, так как в то время люди с черным цветом кожи считались рабами. Положение дел (отмена рабства) изменилось только в 1865 году, но в тот период времени только проходили первые испытания двигателей с искровым зажиганием. Даже если первая свеча зажигания была изобретена Эдмондом Бергером, то с очень высокой вероятностью она была чрезвычайно недоработана и подтверждающих фактов(патента) этого изобретения нет, по-этому довольно трудно судить о достоверности этой информации.

Фактом является то, что в 1858 году бельгийский инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар создал первый в мире успешный поршневой двигатель внутреннего сгорания, который имел искровое зажигание. Именно по-этому Этьену Ленуару приписывают изобретение первого образца свечи зажигания, которое отображено в патенте США № 345596 от 1860 года.

Следующими правообладателями интеллектуальной собственности систем зажигания были Никола Тесла(система синхронизации зажигания 1898 год), а Фредерик Ричард Симмс и Роберт Бош так же в 1898 году запатентовали именно свечу зажигания. Все эти патенты имели место и вес в истории изобретения свеч зажигания, но настоящий прорыв в этой области сделал Готтлоб Хонольд в 1902 году, который являлся ведущим инженером лаборатории Роберта Боша. Он изобрел первую коммерчески жизнеспособную высоковольтную свечу зажигания на основе магнето. Это открытие являлось толчком в развитии высокопроизводительных двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Последующие успешные изобретения касающиеся свеч зажигания являлись модернизацией свечи Готтлоба Хонольда.

Конструкция свечи зажигания

Как уже говорилось выше, типичная свеча зажигания в общем виде состоит корпуса, центрального электрода и изолятора.

Если рассматривать устройство свечи зажигания подробнее, то можно обратить внимание на отдельные элементы конструкции изображенные на рисунке выше под номером:

1. Клемма(контактный вывод);
2. Ребра изолятора;
3. Изолятор;
4. Металлическая оправа;
5. Центральный электрод;
6. Боковой электрод;
7. Уплотнения.

Для более глубокого понимания разберемся с каждым элементом в отдельности.

№1 Клемма(контактный вывод)

В верхней части свечи зажигания располагается клемма или как его еще называют иначе контактный вывод, который предназначен для подключения свечи к системе зажигания автомобиля. В зависимости от типа системы зажигания конкретного автомобиля соединение может быть установлено непосредственно к катушке зажигания или через провода зажигагия к катушке.

На протяжении многих лет инженеры вносили изменения в конструкцию клеммы свечей зажигания. Из-за этого в наши дни имеется две разновидности их соединения с проводами зажигания. Большинство современных легковых автомобилей имеют провода зажигания, которые защелкиваются самостоятельно на клемме свечей, но существуют провода которые имеют разъемы с проушинами, которые крепятся к свече под гайкой. То есть провод зажигания вкручивается в свечу и только после этого присоединяется к катушке зажигания. Стремление производителей выпускать универсальные свечи зажигания под все автомобили заставило их придумать откручивающуюся клемму свечи зажигания, которая применима под оба типа крепления к проводам зажигания.

№3 Изолятор

Изолятор свечи зажигания является одним из важнейших элементов этого устройства.  Основная его часть обычно изготавливается из спеченого спрессованного оксида алюминия (Al ₂O₃), который представляет собой очень прочный керамический материал с высокой диэлектрической прочностью. На изоляторе свечи зажигания так же наносят маркировку с номенклатурными номерами(название производителя и опознавательные знаки) и покрывают керамической глазурью.

Его основными функциями являются обеспечение механической опоры и электрической изоляции для центрального электрода. Кроме этого можно выделить еще одну функцию, которая так же очень важна — это увеличение пути искры для защиты от пробоя и отвод тепла от центрального электрода, который обеспечивается его хорошей теплопроводностью.

№2 Ребра изолятора

За счет удлинения поверхности между высоковольтным выводом и заземленным металлическим корпусом свечи зажигания, физическая форма ребер улучшает электрическую изоляцию и предотвращает утечку электрической энергии по поверхности изолятора от вывода к металлическому корпусу. Прерывистый и более длинный путь заставляет электричество встречаться с большим сопротивлением на поверхности свечи зажигания даже в присутствии грязи и влаги. Некоторые свечи зажигания изготавливаются без ребер, потому что улучшение диэлектрической прочности изолятора делает их не столь важными.

№4 Металлическая оправа

Металлическая оправа корпуса свечи зажигания предназначена для монтажа в автомобильный двигатель, а также для отвода от изолятора, передачи и рассеивания тепла на металлический корпус ГБЦ. Кроме того металлическая оправа с шайбой действует как заземление для искры, проходящей через центральный электрод. На корпусе современной свечи зажигания довольно часто присутствует шайба, которая совместно с уплотнениями под номером №7 на рисунке улучшает герметизацию камеры сгорания при работе двигателя. Резьба свечей зажигания холоднокатана, чтобы предотвратить усталость от термического цикла. Важно устанавливать свечи зажигания с правильной длиной резьбы. Кроме того, корпус свечи зажигания выполнен из металла с двойным покрытием из хромата цинка, чтобы недопустить коррозии в ходе эксплуатации.

№5 Центральный электрод

Центральный электрод является очень важной составляющей свечи зажигания. Он передает электрическую энергию для создания искры непосредственно в блоке цилиндров. Центральный электрод соединяется с контактным выводом через внутренний провод и керамическое последовательное сопротивление для уменьшения радиочастотного шума. С развитием технологий электроды свечей зажигания претерпели множество изменений, так как добиться необходимых параметров от свечи зажигания оказалось непросто.

Сейчас наиболее распространенными являются платиновые и иридиевые цетральные электроды. Собственно вы могли слышать что то вроде «платиновые свечи» или «иридиевые свечи». В этом случае речь идет именно о материале из которого изготовлен центральный электрод. На качество электрической проводимости разница этих металлов не оказывает никакого влияния.

Эти материалы используются из-за их высоких температур плавления и долговечности. Именно использование более термостойкого материала позволяет делать центральный электрод более тонким, так как меньший электрод поглощает меньше тепла от искры и энергии начального пламени. Качество изготовления центрального электрода прямо пропорционально качеству всей свечи зажигания.

№6 Боковой электрод

Боковой электрод так же является одним из важнейших конструкционных элементов свечи зажигания. Его обычно изготавливают из стали с высоким содержанием никеля и подвергают горячей штамповке с металлической оправой. Боковой электрод так же подвергается воздействию высоких температур и некоторые производители используют медный сердечник для увеличения теплоотвода.

Современные свечи зажигания могут иметь один, два, три и даже четыре боковых электрода. Основная идея состоит в том, чтобы продлить сроки службы свечи зажигания. То есть если по каким-либо причинам центральный электрод не дает искру на 1 боковой электрод, то в запасе остается еще 3. На сколько это действенно сказать сложно, но, вероятно, это продлевает жизнь свечей зажигания.

№7 Уплотнения

Большинство свечей зажигания плотно прилегают к головке блока цилиндров с помощью одноразовой полой или складчатой ​​металлической шайбы, которая слегка раздавливается между плоской поверхностью головки и поверхностью свечи, чуть выше резьбы. Некоторые свечи зажигания имеют коническое седло без шайбы. Крутящий момент при установке этих свечей должен быть ниже, чем у аналогичных с шайбой. Свечи с коническими седлами никогда не должны устанавливаться в автомобилях с ГБЦ, требующими шайб, и наоборот. В противном случае может возникнуть плохое уплотнение или неправильный охват из-за неправильной посадки резьбы в двигателе. Перед выбором конкретного продукта необходимо консультироваться со специалистами.

Принцип работы свечи зажигания

Свеча зажигания является устройством, которое предназначено для того, чтобы произвести искру в зазоре между центральным и боковым электродом в точный момент времени для воспламенения топливо-воздушной смеси в камере сгорания автомобильного двигателя. Автомобильные свечи подключаются к высоковольтной катушке зажигания через клемму или так называемый контактный вывод.

По мере протекания электрического тока через центральный или боковые электроды возникает напряжение, но искра не может появиться из-за того что топливо и воздух в зазоре являются изоляторами. Высоковольтная катушка зажигания увеличивает напряжение в зазоре свечи, которое изменяет структуру смеси между электродами. Когда напряжение превышает диэлектрическую прочность газов в смеси, газы становятся ионизированными. Ионизированный газ становится проводником и позволяет электрическому току протекать через зазор и создавать искру. Стандартной свечи зажигания для произведения искры требуется напряжение в пределах 12000 – 25000 вольт, но оно может доходить до 45 000 вольт.

Поскольку ток электронов скачков напряжения через зазор повышает температуру канала искры до 60000К ионизированный газ начинает очень быстро расширяться. Тепло и давление заставляют газы реагировать друг с другом, и в конце процесса образования искры в зазоре должен образоваться небольшой огненный шар, так как смесь газов способна к воспламенению.

Размер этого огненного шара или ядра зависит от точного состава смеси между электродами и уровня турбулентности камеры сгорания во время искры. Он должен быть определенного размера для нормальной работы двигателя внутреннего сгорания, так как огненный шар меньшего размера заставляет автомобильный двигатель работать так как будто у него раннее зажигание, а огненный шар большего размера создает условия для иммитации позднего зажигания.

Калильное число свечи зажигания

Калильное число или теплотворная способность свечи указывается в виде целого натурального числа маркировки на свече зажигания. Если на самой свече калильное число не указано явно, то его можно узнать в каталогах на сайте производителя для определенного типа свечи. Это значение показывает максимальную рабочую температуру, которая определяется способностью свечи поглощать и рассеивать тепло из камеры сгорания. Количество тепла которое воздействует на свечу зажигания зависит от типа двигателя на котором он используется.

 

Калильное число в ходе эксплуатации составляет от 400°C до 900 °C, причем минимальное значение температуры в 400 °C должно быть достигнуто в кратчайшие сроки работы двигателя. Она необходима для того, чтобы свеча зажигания могла «сжечь» остатки на изоляторе, избегая образования сажи и связанных с этим пропусков зажигания. Минимальная температура самоочистки свечей зажигания равняется приблизительно 450°C.

С другой стороны, максимальная температура около 900 ° C (диапазон предварительного зажигания) не должна превышаться ни в одной точке свечи, поскольку в противном случае двигатель имеет тенденцию к самовоспламенению, что проявляется в мощной детонации двигателя. Если свеча слишком холодная, на изоляторе могут образоваться электропроводящие отложения, вызывающие потерю энергии искры или фактическое замыкание искрового тока.

Калильное число свечи зажигания определяется на специальной тарировочной установке, имеющей вид эталонного одноцилиндрового двигателя определённой конструкции. В этот двигатель устанавливают соответствующую свечу зажигания и испытывают его в различных режимах, отслеживая при этом характер работы, а также температуру и давление в цилиндре. В зависимости от рабочей температуры различают холодные и горячие свечи зажигания.

«Холодная» свеча зажигания отводит как можно больше тепла через изолятор и электрод. Керамический изолятор короче, чем у сравнительно «горячей» свечи зажигания, что приводит к меньшему поглощению тепла и большему отведению тепла через резьбу свечи. Композитные электроды дополнительно улучшают рассеивание тепла, например, с никелевым электродом с медным сердечником, который хорошо проводит тепло. Таким образом, «холодная» свеча зажигания обычно применяется на мощном двигателе с высоким уровнем тепловыделения материала свечи зажигания. «Горячая» свеча зажигания надежно обеспечивает достижение температуры догорания и используется в двигателях с малой нагрузкой. Более длинная изолирующая ножка обеспечивает поглощение тепла свечой с меньшим тепловыделением через резьбу свечи.

Маркировка калильного числа стандартизируется каждым производителем самостоятельно. По-этому уточнять градацию калильного числа для определенного производителя следует на сайте производителя свечи зажигания. К примеру Bosch, Beru и Champion используют большие числа для обозначения калильного числа горячих свечей зажигания, в то время NGK и Denso наоборот используют маленькие числа. То есть горячие свечи с рабочей температурой около 800 °C производителей Bosch и NGK будут 88 и 8(цифры и производители приведены в качестве примера) соответственно.

Зазор свечи зажигания

Зазор свечи зажигания является очень важной характеристикой от которой напрямую зависит производительность зажигания. Сам по себе, он представляет собой расстояние от центрального до бокового электрода. Обычно это расстояние может регулироваться техником, который устанавливает свечи слегка подгибая боковой электрод(если это возможно).

Одна и та же свеча зажигания может применяться на разных автомобилях и разных двигателях внутреннего сгорания. Отличием является именно зазор зажигания, который является разным для всех типов двигателей. Расстояние между центральным и боковыми электродами на современных свечах составляет от 0,6 до 2,0 мм. В ходе эксплуатации свечей зажигания зазор между электродами увеличивается. По-этому коррекцию зазора свечей зажигания периодически необходимо проводить. Регулировка зазора может иметь решающее значение для правильной работы двигателя. Узкий зазор может дать слишком маленькую и слабую искру для эффективного воспламенения топливно-воздушной смеси, но свеча почти всегда срабатывает в каждом цикле.

Слишком широкий зазор может помешать искре вообще загореться или может пропустить зажигание на высоких скоростях, но, как правило, искра будет сильной для чистого горения. Искра, которая периодически не может воспламенить топливно-воздушную смесь, может быть незаметна напрямую, но будет проявляться в уменьшении мощности двигателя и расходе топлива.

Типичные неисправности свечей зажигания

Свечи являются основным компонентом системы зажигания, от которых зависит правильная работа двигателя внутреннего сгорания. При неисправных свечах зажигания наблюдается повышение расхода топлива, детонация или повышенная вибрация двигателя. После некоторого промежутка эксплуатации свечей зажигания по их внешнему виду можно определять неисправности свечей, причины и последствия неправильной работы двигателя.

1. Если свеча желто-коричневого цвета — двигатель работает без нареканий, топливная смесь правильная и калильное число свечей правильное.

2. Перегоревшая свеча зажигания может означать, что к топливу или к маслу применяются слишком агрессивные присадки. В цилиндре двигателя образуются остатки продуктов горения, низкое качество топлива, неисправный распределитель зажигания или неправильно работают клапаны двигателя. При таком состоянии свечей зажигания наблюдается потеря мощности двигателя и возможен полный его отказ в последствии. Для устранения подобных проблем необходмо устранить неисправности, попробовать поменять топливо либо моторное масло.

3. Прогоревший центральный электрод свечи зажигания может означать, что происходит тепловая перегрузка из-за  запального зажигания. Так же возможной причиной неисправности является слишком горячая свеча или отложения в камере сгорания. Еще одной возможной причиной прогорания центрального электрода может быть неправильно выставленное зажигание(опережение зажигания), низкое качество топлива или неисправные клапаны/распределители зажигания. При возникновении неисправности такого рода рекомендуют заменить свечу зажигания, проверить угол опережения зажигания, проверить топливный фильтр и заменить топливо.

4. Глазурованные отложения на свече зажигания могут образовываться из-за присадок к маслу или бензину, которые образуют зольные отложения. Отложения на свечах способны вызывать пропуски зажигания при высоких нагрузках. Вариантом выхода из ситуации является замена свечей зажигания на фирменные(от производителя автомобиля) и использование других присадок.

5. Механическое повреждение свечи зажигания может происходить из-за установки слишком длинной свечи или механического повреждения двигателя, в результате которого металлическая стружка повреждает или разрушает свечу зажигания. Решением в таком случае является замена свечи зажигания на оригинальную. Если повреждение свечи повторяется — значит присутствует механический дефект в двигателе.

6. Загрязнение свечи зажигания(черный цвет) означает, что в камере сгорания присутствует большое количество моторного масла. Неисправность может проявляться при износе поршневых колец или при критически большом уровне моторного масла в поддоне. Так же такой эффект может проявиться при не затянутых должным образом свечах зажигания. Вариантами устранения неисправности является пооверка затяжки свечи зажигания или уровня моторного масла. В противном случае необходимо производить ремонт двигателя.

7. Свеча зажигания оплавлена или образуется нагар белого цвета может проявляться в тепловой перегрузке или из-за большого калильного числа самой свечи. Другими причинами могут послужить детонация двигателя или слишком обедненная смесь. Решением проблемы обычно служит проверка калильного числа свечи зажигания. Если число совпадает, то необходимо регулировать впрыск топлива или проверить октановое число бензина.

8. Образование перемычки в зазоре свечи говорит прежде всего о продолжительной эксплуатации свечи на холодном двигателе или при малых нагрузках. Кроме этого может присутствовать эффект переобогащенной топливной смеси или использование этилированного топлива, которое способно обазовывать отложения свинца на свечах зажигания. При неисправности такого рода необходимо деревянной пластиной очистить электроды от перемычки и хорошо прогреть двигатель внутреннего сгорания. Кроме этого необходимо дать поработать двигателю под нашрузкаии, чтобы свеча могла самоочиститься.