Свеча зажигания — устройство для воспламенения топливно-воздушной смеси в самых разнообразных тепловых двигателях. Классифицируются как искровые, дуговые, накаливания, каталитические, полупроводниковые поверхностного разряда, плазменные воспламенители и другие. В бензиновых двигателях внутреннего сгорания используются наиболее распространённые искровые свечи зажигания. Воспламенение топливно-воздушной смеси в них производится электрическим разрядом напряжением в несколько тысяч или десятков тысяч вольт, возникающим между электродами свечи. Напряжение на свечу подаётся на каждом цикле в определённый момент работы двигателя. В ракетных двигателях свеча зажигает топливную смесь электрическим разрядом только в момент запуска. Чаще всего, в процессе работы свеча изнашивается и должна периодически заменяться.
В газотурбинных двигателях свеча воспламеняет струю топлива, выходящего из топливной форсунки в момент запуска, серией мощных дуговых разрядов. После этого горение факела топлива поддерживается самостоятельно. Как правило, используются свечи поверхностного разряда, питающиеся высокочастотным током высокого напряжения от агрегата зажигания. Свечей чаще всего две (для надёжности), каждая установлена в воспламенителе со специальной пусковой форсункой, работающей только при запуске, что защищает свечу от обгорания при работе двигателя. Калильные и одновременно каталитические свечи используются в модельных калильных карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, проволока таких свечей делается из платины. Топливная смесь двигателей специально содержит компоненты, которые легко воспламеняются в начале работы от раскалённой проволочки свечи. В дальнейшем накал нити поддерживается каталитическим окислением паров спирта, входящего в смесь.
История Первая свеча зажигания в ее современном виде была разработана немецким инженером и ученым Робертом Бошем в 1902 году. Впервые свеча зажигания была использована с магнето высокого напряжения, также разработанным в мастерской компании BOSCH. Свечи зажигания BOSCH стали использоваться в двигателях внутреннего сгорания Карла Бенца, заменив используемые в то время калильные трубки с открытым пламенем. С тех пор и по настоящее время практически все свечи зажигания используют тот же принцип работы и строение, как и в 1902 году, эволюция данного узла шла преимущественно по пути усовершенствования используемых материалов (для изолятора, проводников и т.п.) и технологии изготовления (удешевления).
Устройство свечей зажигания
Свеча зажигания состоит из металлического корпуса, изолятора и центрального проводника. Свечи могут иметь встроенный резистор между контактным выводом и центральным электродом.
Детали свечи зажигания
Контактный вывод Контактный вывод, расположенный в верхней части свечи, предназначен для подключения свечи к высоковольтным проводам системы зажигания или непосредственно к индивидуальной высоковольтной катушке зажигания. Могут встречаться несколько слегка различных вариантов конструкции. Наиболее часто провод к свече зажигания имеет защёлкивающийся контакт, который надевается на вывод свечи. В других типах конструкции провод может крепиться к свече гайкой. Часто вывод свечи делают универсальным: в виде оси с резьбой и навинчивающегося защёлкивающегося контакта.
Рёбра изолятора Рёбра изолятора затрудняют электрический пробой по его поверхности, удлиняя путь поверхностных токов (эквивалент более длинного изолятора).
Изолятор Изолятор, как правило, делается из алюминиево-оксидной керамики, которая должна выдерживать температуры от 450 до 1 000 °C и напряжение до 60 000 В. Точный состав изолятора и его длина частично определяют тепловую маркировку свечи.
Часть изолятора, непосредственно прилегающая к центральному электроду, наиболее сильно влияет на качество работы свечи зажигания. Применение керамического изолятора в свече предложено Г. Хонольдом вследствие перехода к высоковольтному зажиганию.
Уплотнители Предназначены для предотвращения прорыва горячих газов из камеры сгорания.
Корпус («юбка») Служит для ввёртывания свечи в резьбу головки блока цилиндров, для отвода тепла от изолятора и электродов, а также является проводником электричества от «массы» автомобиля к боковому электроду.
Боковой электрод
Как правило, изготавливается из легированной никелем и марганцем стали. Приваривается контактной сваркой к корпусу. Боковой электрод, зачастую, очень сильно нагревается во время работы, что может привести к калильному зажиганию. Некоторые конструкции свечей используют несколько боковых электродов. Для увеличения долговечности электроды дорогих свечей снабжают напылением из платины и других благородных металлов. Заявленный ресурс таких автомобильных свечей до 100.000 км, применение тем выгоднее, что в некоторых V-образных двигателях, расположенных поперёк, замена свечей довольно трудоёмка.
С 1999 года на рынке появлялись свечи нового поколения — так называемые плазменно-форкамерные свечи, где роль бокового электрода играет сам корпус свечи, снабженный специальным жаропрочным полусферическим насадком. При этом образуется кольцевой (коаксиальный) искровой зазор, где искровой заряд перемещается по кругу и форкамера, в которой происходит первичное воспламенение смеси. Такая конструкция как будто обеспечивает большой ресурс и самоочистку электродов, которые постоянно продуваются.
Эффективность «форкамерных» свечей вызывает ожесточенные споры как среди специалистов, так и среди рядовых автомобилистов. Не остаются в стороне и автомобильные журналы, часто в пылу дискуссии путают форкамерные свечи с многочисленными "самодельными свечами", выполненных путем доработки традиционных свечей. Чаще всего незначительно дорабатывается центральный или боковой электроды. Был проведен эксперимент, который показал, что подобные изменения формы электродов (сверление отверстия, раздвоение) практически бесполезны. Нет данных о комплектации современных автомобилей такими свечами, производители подобной продукции пишут, что их свечи подходят к любому автомобилю.
Центральный электрод Центральный электрод как правило соединяется с контактным выводом свечи через стеклогерметик с резистором, это позволяет уменьшить радиопомехи от системы зажигания. Наконечник центрального электрода изготавливают из железо-никелевых сплавов с добавлением меди и хрома. Иногда на рабочую поверхность напыляют иттрий, в некоторых используют платиновые напайки или утонченный электрод из иридия. Обычно центральный электрод — наиболее горячая деталь свечи. Кроме того, центральный электрод должен обладать хорошей способностью к эмиссии электронов, для облегчения искрообразования (предполагается, что искра проскакивает в той фазе импульса напряжения, когда центральный электрод служит катодом). Поскольку напряжённость электрического поля максимальна вблизи краёв электрода, искра проскакивает между острым краем центрального электрода и краем бокового электрода. В результате этого края электродов подвергаются наибольшей электрической эрозии. Раньше свечи периодически вынимали и удаляли следы эрозии наждаком. Сейчас, благодаря применению сплавов с редкоземельными и благородными металлами (иттрий, иридий, платина), нужда в зачистке электродов практически отпала. Срок службы при этом существенно вырос.
Зазор Зазор — минимальное расстояние между центральным и боковым электродом.
Величина зазора — это компромисс между «мощностью» искры, то есть размерами плазмы, возникающей при пробое воздушного зазора и между возможностью пробить этот зазор в условиях сжатой воздушно-бензиновой смеси.
Факторы, определяемые зазором:
Чем больше зазор — тем больше размеры искры, тем больше вероятность воспламенения смеси и больше зона воспламенения. Всё это положительно влияет на потребление топлива, равномерность работы, понижает требования к качеству топлива, повышает мощность. Слишком увеличивать зазор тоже нельзя, иначе высокое напряжение может пробить высоковольтные провода на корпус, «бегунок» распределителя и т. д. Чем больше зазор — тем сложнее пробить его искрой. Пробоем изоляции называют потерю изоляцией изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения, называемого пробивным напряжением . Соответствующая напряжённость электрического поля , где — расстояние между электродами, называется электрической прочностью промежутка. То есть чем больше зазор — тем бо́льшее напряжение пробоя необходимо. Там есть ещё зависимость от ионизации молекул, равномерности структуры вещества, полярности искры, скорости нарастания импульса, но это не важно в данном случае. Понятное дело, что высокое напряжение пр мы не можем поменять — оно определяется системой зажигания. А вот зазор мы поменять можем. Напряжённость поля в зазоре определяется формой электродов. Чем они острее — тем больше напряжённость поля в зазоре и легче пробой (как у иридиевых и платиновых свечей с тонким центральным электродом). Пробиваемость зазора зависит от плотности газа в зазоре. В нашем случае — от плотности воздушно-бензиновой смеси. Чем она больше — тем сложнее пробить. Пробивное напряжение газового промежутка с однородным и слабо неоднородным электрическим полем зависит как от расстояния между электродами, так и от давления и температуры газа. Эта зависимость определяется законом Пашена, согласно которому пробивное напряжение газового промежутка с однородным и слабо неоднородным электрическим полем определяется произведением относительной плотности газа на расстояние между электродами, . Относительной плотностью газа называют отношение плотности газа в данных условиях к плотности газа при нормальных условиях (20 °C, 760 мм рт. ст.). От зазора зависит соотношение между энергией, выделяемой в фазе пробоя, в дуговой фазе, и фазе тлеющего разряда. При увеличении зазора доля энергии пробоя растёт, и именно энергия, выделенная в фазе пробоя, определяет скорость сгорания. Поэтому на быстроходных двигателях зазор приходится увеличивать.
Зазор свечей не является константой, один раз заданной. Он может и должен подстраиваться под конкретную ситуацию эксплуатации двигателя. При переоборудовании автомобиля под более дешевое альтернативное топливо - сжиженный и сжатый газ (LPG, CNG), искровой зазор следует уменьшить из-за большего пробивного напряжения, чем у бензиновой смеси.
Режимы работы свечей Искровые свечи бензиновых двигателей по режиму работы условно подразделяют на «горячие», «холодные», «средние» — в зависимости от тепловой характеристики свечи, выражаемой её калильным числом.
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.
Каждому режиму работы двигателя соответствует определённое значение температуры теплового конуса изолятора свечи. Когда эта температура поднимается выше 850...900°С, в двигателе начинает происходить так называемое калильное зажигание — самопроизвольное, без искры, воспламенение рабочей смеси при контакте с раскалённым тепловым конусом изолятора и другими частями свечи. Данный процесс обычно проявляется при работе двигателя на больших оборотах под нагрузкой. Он может приводить к оплавлению поршня и камеры сгорания, прогоранию поршней и выпускных клапанов, а также повреждению иных элементов двигателя. Для его предотвращения в двигатель устанавливаются свечи зажигания с «холодной» тепловой характеристикой, что обеспечивается хорошим отводом тепла от теплового конуса изолятора свечи. У таких свечей тепловой конус короткий и изолятор почти на всей своей длине контактирует с металлом корпуса свечи, благодаря чему тепло от него хорошо отводится и его перегрева не происходит даже в форсированных моторах с напряжённым тепловым режимом.