Свеча зажигания: далеко не просто…
Генри Форд был умным, но очень своеобразным дядькой: современники иногда даже считали его «самодуром с придурью». Рассказывают, однажды он заявил, что ему на заводе не нужны инженеры, которые не могут за час разобрать и собрать двигатель автомобиля. И быстро поувольнял всех, кто не смог.
Самодуром-то он, конечно, был. Но вот его требования к специалистам глупыми уж никак не назовешь. Поскольку результат они давали выдающийся.
Сегодня у нас в авторемонтном бизнесе сложилась ситуация, когда работникам СТО не хватает квалификации – и часто они просто не знают основ своей профессии. Иногда отсутствует даже минимальная техническая грамотность. И потому журнал регулярно публикует статьи, подробно и доходчиво рассказывающие об автокомпонентах – особенностях их эксплуатации, вариантах конструкции, правилах подбора и других «тонкостях», которые специалисту знать просто необходимо.
Сегодня поговорим о свечах зажигания – компоненте внешне простом, но на самом деле очень сложном, в создании которого используются последние достижения в различных областях науки и уникальные технические решения.
Мало кто знает, что изобретение свечи зажигания (которая и была-то придумана как необходимое дополнение к высоковольтному магнето) не вызвало большого интереса у инженеров-автомобилистов.
Когда Роберт Бош продемонстрировал свою новинку на стенде Парижского автосалона в ноябре 1902 года, то вместо привычной большой и насыщенной искры, возникающей при размыкании цепи (именно так работали модели старых, низковольтных конструкций магнето), для зажигания топлива предлагалась «жиденькая» бледная искра.
Но именно свеча зажигания пережила саму систему, для которой и была придумана, – и сегодня является одним из основных компонентов системы зажигания в бензиновых двигателях.
Что же это такое – свеча?
Парадокс: если смотреть на цифры, то свеча зажигания в современном моторе работать (по крайней мере, долго) не может.
Судите сами: температура в камере сгорания в различные моменты рабочего цикла изменяется от 70 до 2000 и даже 2700°C. (Температура плавления стали – 1500°C.) Давление при сгорании топливовоздушной смеси достигает 50–60 бар. (Дульное давление в стволе гладкоствольного ружья, разгоняющее заряд дроби до 762 м/с.) При этом усилие, стремящееся «выдавить» свечу из свечного отверстия, доходит до 300 кГ (эквивалентно удару кувалды). Причем все эти воздействия – циклические, они изменяются с частотой до 50 раз в секунду.
С такой же периодичностью на свечу поступает высокое (до 40 000 В) напряжение. То есть электроды подвергаются искровой эрозии. А раскаленные продукты сгорания, содержащие фосфор, серу, свинец, оказывают сильное коррозионное воздействие на материалы электродов и изолятора.
Но при всех этих «адских» условиях свеча стабильно и долго выполняет свою основную функцию – транспортирует электрическую энергию внутрь камеры сгорания и преобразует ее в энергию искрового разряда, формирующего ядро пламени.
Чтобы добиться стабильности в работе свечи, инженерам приходится постоянно искать технические решения, чтобы «соединить несовместимое» – металлический корпус и керамический изолятор, биметаллический центральный электрод, керамический резистор и вновь металлический сердечник.
А ведь материалы, из которых изготовлены эти детали, в несколько раз отличаются по способности к температурному расширению и не поддаются неразъемному соединению традиционными способами.
Стоит добавить, что детали в свече соединены не «просто так», а чтобы центральный токовод обладал высокой электропроводностью, и места контакта центрального электрода с изолятором и изолятора с корпусом были герметичны и имели низкое тепловое сопротивление.
Сюда стоит добавить также изготовление ажурного алюмооксидного изолятора сложной формы, «обертывание» миниатюрного медного керна центрального (а в некоторых конструкциях и бокового) электрода в тонкую оболочку из никелевого сплава, приварку лазером к торцу электрода кусочка платиновой или иридиевой «иглы» диаметром в полмиллиметра.
И все эти технологические «чудеса» (способные вызвать ночные кошмары у любого ювелира) происходят в крупносерийном производстве – ведущие компании изготавливают свечи миллионами.
Термоэластичность
Этот термин обозначает широкий тепловой диапазон свечи. Что это такое? Разберемся подробнее…
Современные автомобильные двигатели с каждым годом становятся все мощнее, но при этом все меньше по размерам. А добиться этого возможно только одним путем: повышением давления в цилиндрах, а значит, и увеличением количества тепла, выделяемого при сгорании топливо-воздушной смеси.
Но 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 °C.
Нижнюю границу этого диапазона (450 °C) называют «температурой самоочищения»: начиная с нее происходит активное выгорание с поверхности изолятора углеводородных отложений, т.е. изолятор очищается. При меньшей температуре нагар накапливается, образуется электропроводный слой, который шунтирует (закорачивает) искровой промежуток – и искрообразования не происходит.
Если же температура превышает верхний порог оптимального теплового диапазона (800 °C), то резко возрастает интенсивность износа электродов свечи. Кроме того, возникает опасность преждевременного воспламенения смеси (так называемого «калильного зажигания») от раскаленного кончика изолятора, грозящего повреждением свечи и всего двигателя.
Поэтому температура кончика изолятора не должна выходить за указанные пределы на любых режимах работы мотора. Но с увеличением литровой мощности двигателей теплонапряженность камеры сгорания возрастала – и «удержать» температуру становилось все труднее.
Решением этой проблемы стало увеличение теплопроводности центрального электрода за счет создания биметаллического соединения (сталь-медь). Теплопроводность меди выше, чем у стали, и это позволило интенсивнее отводить тепло от юбки изолятора. Свеча с биметаллическим электродом быстро выходила на режим самоочищения и оставалась работоспособной в более широком диапазоне изменения тепловых режимов в камере сгорания – т.е. она стала термоэластичнее.
Способность свечи отводить тепло характеризуется 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.
Стоит отметить, что калильное число свечи зависит не только от теплопроводности центрального электрода. На него влияют также длина центрального электрода, площадь поверхности (высота) юбки изолятора, теплопроводность материала изолятора, вылет юбки относительно металлического корпуса.
Кстати, увеличение теплового диапазона свечей позволило существенно сократить их ассортимент.
Искровая эрозия
Основная проблема, сокращающая время эксплуатации свечей, – это искровая эрозия электродов. С каждой пройденной тысячей километров расстояние между электродами из никелевых сплавов возрастает на величину от 3 до 10 мкм. Это приводит к повышению пробивного напряжения: нагрузка на систему зажигания растет, пока не достигнет предела, – и искрообразование становится нестабильным.
Экзотика
Решением проблемы эрозии стало изготовление электродов из экзотических, драгоценных и редкоземельных металлов: золота, платины, иридия, иттрия, родия и их сплавов. Именно их повышенная стойкость против эрозии позволила увеличить ресурс свечи в несколько раз.
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 эрозионно-стойкими начали делать оба электрода. Свечи типа «дабл экзотик» объективно нужны для применения в DIS-системах зажигания, где каждая пара свечей обслуживается одной «двухискровой» катушкой. Во-первых, в них свечи «искрят» вдвое чаще, чем в других. Во-вторых, половина свечей питается высоким напряжением обратной полярности, поэтому противостоять ионам приходится и боковому электроду.
Кстати, такими свечами комплектуются некоторые современные моторы с иными системами зажигания.
Стоит отметить, что другие преимущества, которые иногда упоминаются в рекламных проспектах (предварительная ионизация искрового промежутка, каталитическое воздействие и т. п.), не всегда согласуются с теорией искрового разряда.
Больше электродов
Еще одним способом повышения ресурса свечей стало увеличение количества боковых электродов. То есть искра «сама выбирает» межэлектродный промежуток с наилучшими для нее условиями.
В таких свечах у центрального электрода более развитая боковая поверхность и несколько межэлектродных зазоров, работающих попеременно. Поэтому негативное влияние эрозии многократно уменьшается.
Предельный вариант многоэлектродной свечи – так называемая свеча с блуждающей искрой, где роль бокового электрода выполняет бортик в форме кольца на торце резьбового корпуса. Соответственно межэлектродный зазор представляет собой кольцевую щель, в которой искра «гуляет по кругу» самым произвольным образом.
Сделать свечу такой конструкции «горячей» проблематично – сплошной кольцевой электрод экранирует юбку изолятора от раскаленных продуктов сгорания. Не случайно она чаще применяется в спортивных моторах.
У многоэлектродных свечей, в общем-то, всего один «недостаток» – невозможно регулировать величины зазоров (как это делается на стандартных двухэлектродных). Но, по большому счету, и недостатком-то назвать это нельзя. Проще заменить свечи на новые…
Стабильность важнее
Свеча зажигания – это вечный «расходник». И борьба за еще большее увеличение ее ресурса большого смысла не имеет. Поэтому сегодня совершенствование свечей идет в направлении повышения эффективности и стабильности их работы в сложных условиях.
Кстати, самые высокие требования по стабильности предъявляются свечам обычного городского автомобиля – от них требуется надежно работать при холодном пуске двигателя в условиях отрицательных температур, в режимах холостого хода и малых нагрузок или при частых кратковременных поездках и т.д. Именно такие режимы, характеризующиеся плохими условиями для смесеобразования и самоочищения изолятора, наиболее опасны для свечи.
А экологические требования к стабильной работе в условиях повышенного нагарообразования и надежному воспламенению до предела обедненных, недостаточно гомогенизированных топливовоздушных смесей лишь повышаются.
Каким образом инженеры решают эти задачи?
Одной из первых мер стало увеличение размеров искрового промежутка. Увеличение зазора и, как следствие, 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. Поэтому за последнюю пару десятков лет межэлектродные зазоры постепенно увеличились от долей миллиметра до миллиметра с лишним.
Но пробой большего искрового промежутка требует повышения напряжения и, соответственно, энергии искры. Это стало возможным благодаря совершенствованию систем зажигания, энергия которых возросла почти в 10 раз, а напряжение порядка 30 000 В стало обычным делом.
Но дальнейшее повышение этих параметров проблематично, так как ускоряет эрозию электродов и требует кардинального усиления электроизоляции высоковольтных участков цепи зажигания.
Также повысить надежность и эффективность свечей удалось путем оптимизации конструкции электродов.
Существует два эффекта: экранирующее и подавляющее действие электродов. Экранирующий эффект создает боковой электрод (или электроды), который является препятствием для смеси, поступающей к искровому промежутку. Подавляющий эффект состоит в том, что, находясь вплотную к зародившемуся ядру пламени, имеющие высокую теплопроводность электроды «сосут» из него тепло, которого на начальной стадии не так много.
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 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 несколькими 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
Сегодня 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. 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 – и свече приходится уменьшаться.
Конечно, есть возможность сэкономить на материалах. Но хотя детали свечи становятся миниатюрнее, требования к их точности, механической, электрической прочности и теплопроводности во многом ужесточаются.
В ближайшем будущем свечам все чаще придется работать в моторах с турбонаддувом, в условиях повышенного давления и температуры. И воспламенять сверхобедненные смеси и расслоенные заряды в двигателях с непосредственным впрыском. А это 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 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 еще больше сократить потребление топлива и улучшить экологию. Это не фантастика, известно, что уже разрабатывается лазерная система для двигателей Ford GDI следующего поколения.
Denso
Компания сегодня представляет на рынке широкий ассортимент высокоэффективных свечей зажигания, созданных по передовым технологиям.
Например, свечи ТТ были разработаны «с прицелом» на массовые модели автомобилей. Стоит также отметить, что примененная в них технология Тwin Tip запатентована DENSO.
Суть этой технологии достаточно проста: диаметр центрального электрода из никеля уменьшен с 2,5 до 1,5 мм. А на боковой электрод наварен наконечник такого же диаметра – 1,5 мм.
Благодаря этому требуется более низкое напряжение для запуска двигателя, а производимая искра получается намного более сильной, улучшая эффективность зажигания даже при экстремально холодных погодных условиях.
Что важно, свечи ТТ практически достигают эффективности высококачественных иридиевых свечей, при этом не используя дорогостоящих драгоценных металлов.
Кроме того, тесты показывают, что, используя свечи TT, можно достичь экономии топлива до 5%.
Линейка свечей зажигания ТТ за счет 15 позиций покрывает более 87% всего парка автомобилей.
Пополнился и «дизельный» ассортимент Denso – в нем появились семь новых позиций свечей накаливания с двойной спиралью. Эти семь свечей заменяют 35 оригинальных номеров, предназначенных для 215 популярных моделей автомобилей ведущих автопроизводителей. Все новые свечи оснащены нагревательной и регулирующей спиралями, которые разработаны специально для дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива.
Bosch
В ассортименте компании Bosch присутствует ряд новых моделей свечей зажигания.
Первая новинка – свеча зажигания с клеммным соединением нового типа: на новой модели клемма выполнена в виде чаши. Это позволило удлинить изолятор почти на 9 мм, сохранив при этом прежнюю длину самой свечи, в результате чего повысилась ее устойчивость к пробою по внешней части изолятора даже при возросшем давлении в цилиндре.
Благодаря новой конструкции свечи с новым клеммным соединением обладают большей механической прочностью и выдерживают давление в камере сгорания до 250 бар. А использование новых керамических материалов позволило увеличить электрическую прочность до 45 кВ. Испытания показали, что улучшенная благодаря этим свечам воспламеняемость топливно-воздушной смеси позволяет в любых условиях повысить эффективность работы двигателя и при этом сократить расход топлива.
Второе новшество – свечи зажигания Bosch, выполненные по технологии Pin to Pin. Их отличает наличие дополнительных «игольчатых контактов» из сплава платины с иридием на центральном и боковом электродах (диаметром 0,8 и 0,6 мм).
Эта технология позволила значительно увеличить срок службы свечей, а также обеспечить уверенное воспламенение «бедной» смеси в двигателях с непосредственным впрыском топлива. Свечи Bosch, выполненные по технологии Pin to Pin, в основном предназначены для автомобилей Honda, Hyundai, Nissan, Toyota и Volvo.
NGK
При производстве свечей зажигания компания NGK Spark Plug широко применяет современные технологические ноу-хау. Например, свечи с игольчатыми напайками на боковых электродах. Тонкие электроды (и центральный, и боковой) позволяют несколько увеличить мощность мотора благодаря генерации более мощной искры. Для предотвращения износа на тонкие электроды делают напайки из иридия и платины. Такая технология, в частности, применяется в свечах зажигания NGK ILZKFR8A7S, специально разработанных для новых двигателей M270 концерна Mercedes-Benz. Кроме того, оснащение свечей направленными боковыми электродами обеспечивает надежное воспламенение при любых режимах эксплуатации мотора.
Кроме утончения электродов, широко используется новый тип узла соединения свечи с высоковольтным проводом: контактный терминал чашеобразного типа. Чашеобразная конструкция более компактна по сравнению со стандартной SAE. А удлинение изолятора свечи за счет использования чашеобразного терминала позволяет противостоять возможному поверхностному пробою.
Есть и другие интересные технические решения. Например, компания разработала технологию применения свечи зажигания в качестве датчика детонации. Величина ионного тока в момент искрообразования пропорциональна давлению в камере сгорания. И постоянно измеряя этот ток, можно иметь точную картину качества сгорания топлива в цилиндре. Такая свеча, в частности, уже работает на Lamborghini Aventador.
Есть в ассортименте NGK и свеча SIZFR6A6D, созданная для двигателей, которые могут работать как на бензине, так и на альтернативных видах топлива. Такая свеча отлично выдерживает повышенное давление, завихрения топливо-воздушной смеси, создаваемые турбонаддувом и нагнетателем, а также повышенную температуру сгорания топлива при работе на газе.
Federal-Mogul
Ассортимент свечей зажигания известного бренда Champion (принадлежащего компании Federal-Mogul) пополнился новыми свечами Platinum и многоэлектродной Multi Ground.
Новые свечи зажигания Champion Bi-Hex с уменьшенным диаметром (M12) и увеличенной длиной резьбы созданы для более узких свечных колодцев двигателей семейства Prince, установленных в Citroёn, Peugeot, BMW и Mini. Эти свечи выдерживают такие же электрические и механические нагрузки, как и свечи со «стандартной» резьбой М14.
Для уточнения: Prince – кодовое название семейства современных автомобильных рядных 4-цилиндровых двигателей, разработанных совместно BMW и PSA Peugeot Citroеn. Это ряд компактных двигателей объемом 1,4–1,6 л с множеством функций, включая прямой впрыск бензина и регулируемые фазы газораспределения.
Многоэлектродные свечи Multi Ground благодаря своей конструкции (закрытая рабочая камера, профилированный центральный электрод, расположенный почти заподлицо с керамическим наконечником изолятора, и др.) имеют более длительный срок эксплуатации и высокую эффективность при холодном запуске.
Другой известный бренд компании – BERU, представил девять новых свечей зажигания, которые (вместе с шестью уже зарекомендовавшими себя свечами Ultra X), составляют теперь программу Ultra X Titan.
У свечей нового типа Ultra X Titan верхний электрод является однополюсным с Poly-V-формой (т.е. на поверхность электрода нанесены пять острых кромок, на которых попеременно появляется искра). Это означает низкое напряжение пробоя и пять возможных вариантов появления искры. В сочетании с никель-титановым сплавом высокой жаростойкости это обеспечивает длительную постоянную мощность системы зажигания при оптимальном использовании топлива. А также (в сочетании тонким платиновым центральным электродом) значительно увеличенный срок службы свечи.
Кроме того, в конструкции свечи предусмотрено коронное кольцо для целенаправленного предварительного разряда и последующего стабильного воспламенения, что предотвращает утечку между центральным электродом и электрической массой.
В статье использованы тексты эксперта «АБС-авто» Сергея Самохина
