Свеча зажигания

Свеча зажигания

 

Свеча зажигания, это устройство, предназначенное для воспламенения топливовоздушной смеси в тепловых двигателях. В бензиновых двигателях внутреннего сгорания используются искровые свечи. Воспламенение топливовоздушной смеси производится электрическим разрядом напряжением в несколько десятков тысяч вольт, возникающим между электродами свечи. Вот о том, что представляет собой свеча зажигания, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Свеча зажигания служит для передачи энергии зажигания, выработанной в катушке зажига­ния, в камеру сгорания. Подаваемое на свечу высокое напряжение создает электрическую искру между электродами свечи, которая за­жигает сжатую топливно-воздушную смесь. По­скольку эта функция должна быть обеспечена при самых различных условиях (пуск холодного двигателя, полностью открытая дроссельная заслонка и т.д.), свеча зажигания играет важную роль в обеспечении надежной и оптимальной работы двигателя. Эти требования остаются не­изменными на протяжении всего срока службы свечи зажигания.

Требования к свече зажигания

 

Свеча зажигания должна удовлетворять боль­шому количеству разнообразных требований. Она подвергается циклическим воздействиям внутри камеры сгорания, а также факторам внешней среды.

При использовании электронных систем зажигания на свечи подается напряжение до 30 кВ. Эти высокие напряжения не должны вызывать пробой керамического изолятора. Эта изоляция должна быть обеспечена на про­тяжении всего срока службы и гарантирована при высоких температурах (до 1000 °С).

Свеча зажигания подвергается воздействию высоких давлений (до 100 бар), периодически возникающих в камере сгорания, которые не должны вызывать нарушений герметичности. Кроме того, материалы электродов свечи за­жигания должны обладать очень высокой тем­пературной и вибрационной стойкостью. Корпус свечи должен выдерживать большие моменты затяжки без каких-либо деформаций.

Между тем, та часть свечи зажигания, что входит в камеру сгорания, подвергается воз­действию высокотемпературных химических процессов, поэтому свеча должна обладать и свойством сопротивления агрессивным продуктам сгорания (сопротивление высо­котемпературной коррозии). Так как свеча подвергается быстрым изменениям температурных режимов (между горячими продуктами сгорания и холодной рабочей смесью), кера­мический изолятор должен обладать высоким сопротивлением тепловым нагрузкам (тепло­вому удару). Электроды и изолятор должны хо­рошо рассеивать тепло, что является важным условием надежной работы свечи.

 

Конструкция свечи зажигания

 

В специальном керамическом изоляторе (Аl2O3) токопроводящий стекло герметик об­разует электрическое соединение между цен­тральным электродом и контактной головкой (см. рис. «Конструкция свечи зажигания» ). Конструкция свечи зажиганияТокопроводящий стекло герметик одновременно играет роль уплотнения от про­рыва газов, находящихся под высоким дав­лением. В свечу также может быть встроен резистор для подавления помех.

На конце присоединения изолятор покрыт не содержащей свинца водо- и грязеотталкива­ющей глазурью. Это предотвращает перекры­тие изоляции. Соединение между изолятором и стальным корпусом с никелевым покрытием должно быть газонепроницаемым.

Боковой электрод(ы), соединенный с массой, также как центральный электрод обычно изго­тавливается из жаростойкого никелевого сплава и приваривается к корпусу свечи. Для улучше­ния рассеивания тепла, применяются составные центральные и боковые электроды с оболочкой из никелевого сплава и медным сердечником. Серебро, платина или платиновые сплавы ис­пользуются в качестве материала электродов для специальных применений (например, в свечах с особо длительным сроком службы).

Свечи зажигания имеют на своей контактной головке резьбу М4 или стандартную резьбу SAE, в зависимости от типа высоковольтного соедине­ния. Свечи зажигания с металлическими экранами используются для герметизированных и экра­нированных от радиопомех систем зажигания.

Диапазон рабочих температур свечей зажигания

 

Во время работы двигателя свеча зажигания нагре­вается под действием теплоты сгорания топлива. Некоторая часть тепла, поглощенного свечой зажи­гания, передается к свежей топливно-воздушной смеси. Температурная характеристика свечи зажиганияОсновная часть тепла передается на корпус свечи через центральный электрод и его изоля­тор и рассеивается в головке блока цилиндров. Рабочая температура отражает баланс тепла, по­глощаемого свечой и рассеиваемого в головке блока цилиндров. Целью является обеспечение температуры самоочистки изолятора центрального электрода свечи, приблизительно равной 500 °С, даже при низкой нагрузке двигателя.

При снижении температуры ниже этого уровня возникает опасность отложения на хо­лодных областях свечи нагара и масла вслед­ствие неполного сгорания топлива (особенно, когда двигатель не достиг нормальной рабочей температуры при низких температурах наруж­ного воздуха или во время пуска) (см. рис. «Температурная характеристика свечи зажигания«, кривая 3). Это может привести к созданию про­водимости (шунтирования) между центральным электродом и корпусом свечи зажигания. Это приведет к потерям энергии зажигания в форме тока короткого замыкания (что создает опас­ность пропусков зажигания). При более высоких температурах отложения нагара сгорают на изо­ляторе центрального электрода, свеча зажигания «очищает» сама себя (см. рис. «Температурная характеристика свечи зажигания«, кривая 2).

При этом температура не должна превы­шать 900 °С, поскольку в противном случае значительно увеличивается износ электродов свечи (вследствие окисления и коррозии под действием горячих газов). При дальнейшем повышении температуры возникает опасность самовоспламенения (зажигания топливно- воздушной смеси на горячих поверхностях) (см рис. «Температурная характеристика свечи зажигания«, кривая 1). Самовоспламенение подвер­гает двигатель чрезвычайно высоким нагрузкам и может привести к его очень быстрому выходу из строя. Отсюда следует, что свеча зажигания должна соответствовать двигателю в отноше­нии его теплопоглощающей способности.

Идентификатором тепловой нагрузочной способности свечи зажигания является ее те­пловой коэффициент, обозначаемый калиль­ным числом и определяемый посредством сравнительных измерений с использованием эталонного источника.

Для определения калильного числа свечей зажигания используется процедура, заключающаяся в измерении ионного тока в процессе сгорания топлива. Для оценки развития процесса сгорания топлива используется ионизирующий эффект пла­мени, процедура заключается в измерении проводимости в зазоре между электродами. Характеристические изменения в процессе сгорания топлива, вследствие увеличения те­пловой нагрузки свечи зажигания, могут быть определены посредством измерения ионного тока и использованы для оценки процесса са­мовоспламенения. Свеча зажигания должна быть адаптирована таким образом, чтобы предотвратить преждевременное зажигание.

Применение материалов с высокой те­плопроводностью (серебра или никелевых сплавов с медным сердечником) для изго­товления центрального электрода позволяет значительно увеличить длину изолятора цен­трального электрода без изменения калиль­ного числа свечи зажигания. Это расширяет рабочий диапазон в сторону низких тепловых нагрузок и снижает вероятность отложений нагара.

Уменьшение вероятности пропусков за­жигания, сопровождающихся значительным повышением содержания углеводородов в от­работавших газах, является чрезвычайно бла­гоприятным фактором снижения токсичности отработавших газов и расхода топлива во время работы двигателя при частичном открытии дрос­сельной заслонки в режиме низкой нагрузки.

 

 

Зазор между электродами свечи зажигания и напряжение зажигания

 

Зазор между электродами свечи зажигания представляет собой кратчайшее расстояние между центральным и боковым (заземляющим) электродами, и среди других факторов опреде­ляет длину искры. Желательно иметь макси­мальные зазоры между электродами свечи, так как они позволяют искре зажигать относительно большие объемы топливно-воздушной смеси, что обеспечивает надежное сжигание этой смеси и хорошие мощностные характеристики двигателя. С другой стороны, чем меньше за­зор, тем меньшее напряжение требуется для Издания искры. При слишком малом зазоре вокруг электрода будет образовываться очень маленькое ядро пламени. При этом из ядра будет забираться энергия через поверхности контакта с электродами, и скорость распространения Пламени будет низка. В крайних случаях потери энергии могут оказаться настолько велики, что будут происходить пропуски зажигания.

По мере увеличения зазора между электро­дами (например, вследствие их износа) усло­вия зажигания улучшаются, но в то же время увеличивается требуемое напряжение. При этом, поскольку напряжение питания катушки зажигания остается неизменным, запас надеж­ного зажигания по напряжению уменьшается, а риск пропусков зажигания увеличивается.

На величину требуемого напряжения за­жигания оказывает влияние не только зазор между электродами, но также их форма, температура и материал. Важную роль также играют параметры, относящиеся к камере сгорания, такие как состав смеси (значение коэффициента избытка смеси (λ), скорость потока, степень турбулентности потока и плот­ность воспламеняемого газа.

На современных двигателях, характери­зующихся высокими степенями сжатия и турбулентностью заряда, для обеспечения надежного зажигания и исключения пропусков воспламенения за весь период службы свечи следует особо соблюдать нормируемый зазор между электродами свечи.

Положение искры

 

Положение искры определяется расположе­нием искрового промежутка относительно камеры сгорания. На современных двигате­лях (в особенности, оборудованных системами прямого впрыска топлива) положение искры оказывает значительное влияние на процесс сгорания топлива. Заметное улучшение дина­мики зажигания наблюдается при увеличении выступания свечи вглубь камеры сгорания. Процесс сгорания топлива может характе­ризоваться ровной или неровной работой двигателя, оцениваемой прямо по стабиль­ности частоты вращения коленчатого вала или косвенно, посредством статического анализа среднего значения индуцированного давления.

В то же время, поскольку боковой зазем­ляющий электрод свечи становится длиннее, достигаются более высокие температуры. Это, в свою очередь, влияет на износ и долговечность электродов. Требуемый ресурс свечи зажигания можно обеспечить посредством определенных конструктивных мер (удлинения корпуса свечи зажигания за пределы стенки камеры сгорания) или использования электродов из композитных или высокотемпературных материалов.

 

 

Конструкции свечей зажигания

 

В зависимости от предъявляемых к свече за­жигания требований (долговечность, динамические характеристики и т.д.), преимущества могут давать один или более боковых заземляющих электродов. Тип свечи зажигания определяется взаимным расположением электродов и поло­жением боковых заземляющих электродов от­носительно изолятора центрального электрода.

Свеча зажигания с искровым промежутком

 

В соответствии с этой конструкцией (рис. а, «Конструкции свечей зажигания» ) боковой заземляющий электрод располагается относительно центрального электрода таким образом, что искра проскакивает прямо между электродами, поджигая топливно-воздушную смесь между ними.

Свеча зажигания с поверхностным искровым промежутком

 

Конструкции свечей зажиганияЗа счет определенного положения бокового электрода относительно керамической части изолятора центрального электрода искра, пре­жде чем перескочить через заполненный газом зазор, проходит по поверхности изолятора цен­трального электрода (см. рис. Ь, «Конструкции свечей зажигания» ). Поскольку для разряда по поверхности требуется меньшее напряжение, чем для разряда через воздушный зазор такого же размера, при одном и том же на­пряжении поверхностная искра может перекрыть больший зазор между электродами. Образую­щееся в результате ядро пламени большего раз­мера значительно улучшает условия зажигания.

Преимущество этой концепции заключается также в значительно лучшем поведении свечи в условиях частых пусков холодного двигателя, поскольку поверхностная искра очищает по­верхность изолятора центрального электрода и предотвращает отложение на нем нагара.

Свеча зажигания с полуповерхностным искровым промежутком

 

В соответствии с этой концепцией боковые заземляющие электроды располагаются на определенном расстоянии от центрального электрода и торцевой поверхности керами­ческого изолятора центрального электрода (см. рис. с, «Конструкции свечей зажигания» ). В результате создаются два альтернативных зазора, т.е. используются обе формы разряда с различными требованиями к напряжению зажигания. В зависимости от условий работы, свеча может вести себя как свеча с пробоем воздушного зазора или с на­чальным перекрытием по поверхности.

Условное обозначение свечей зажигания

 

Условное обозначение свечи зажиганияУсловное обозначение свечи зажигания со­держит ее рабочие характеристики (см. рис. «Условное обозначение свечи зажигания» ). Зазор между электродами также указывается на упаковке. Свечи зажигания, подходящий для данного двигателя, указываются или рекомен­дуются производителем двигателя.

 

 

 

 

 

Рабочие характеристики свечей зажигания

 

Изменения в процессе эксплуатации свечей зажигания

 

Поскольку свечи зажигания работают в агрес­сивной среде, иногда в условиях чрезвычайно высоких температур, электроды подвергаются износу, вызывающему увеличение требуемого для зажигания напряжения. Когда катушка за­жигания перестает обеспечивать требуемое напряжение, возникают пропуски зажигания на работу свечи зажигания также оказывают влияние загрязнения и изменение состояния двигателя в процессе его старения (напри­мер, увеличение расхода масла). Отложения на свечах зажигания вызывают шунтирование искрового промежутка и, следовательно, на­рушения в работе системы зажигания. Это, в свою очередь, может вызывать увеличение со­держания токсичных выбросов в отработавших газах и даже повреждение каталитического нейтрализатора. В связи с этим свечи зажи­гания следует регулярно заменять.

 



 

Износ электродов свечи зажигания

 

Износ электродов заключается в эрозии их материала. В результате, чем дольше экс­плуатируется свеча, тем больше становится зазор между электродами. В основном ответ­ственность за это несут два механизма: эрозия электродов и коррозия в камере сгорания.

Для сведения износа электродов к мини­муму используются материалы с высокой термостойкостью (специальные стали, ле­гированные платиной или иридием). Износ электродов можно также уменьшить за счет правильного выбора их геометрии и конструк­ции (свечи с полуповерхностным искровым промежутком). Для такой свечи с четырьмя боковыми электродами и восемью возмож­ными искровыми промежутками вероятность распространения искры одинакова для всех электродов. Таким образом, износ равномерно распределяется между всеми четырьмя электродами.

Эрозию и износ электродов также позво­ляет снизить электрическое сопротивление стеклогерметика.

Свечи зажигания для двигателей с прямым впрыском топлива

 

Удачные концепции свечей зажигания могут быть разработаны для двигателей с прямым впрыском топлива, с направлением струи топлива на днище поршня или в поток завихрения воздуха (работа в режиме послойного Распределения заряда смеси). В последних Разработках все шире используются процессы, в вторых топливо впрыскивается форсункой высокого давления во время такта всасыва­ли, что обеспечивает более ровную работу Двигателя.

Для двигателей с турбонаддувом с использованием отработавших газов основное внимание при разработке свечей зажигания уделяется напряжению зажигания, рабочей температуре и сроку службы (уменьшение износа). В качестве примера можно привести свечи с платиновым центральным электродом и двумя боковыми заземляющими электро­дами с резьбой диаметром 12 мм, которые, в отличие от их использования в процессах сгорания смеси с направленным впрыском струи, не требуют специальной юстировки в моторном отсеке.

Ненормальные условия работы для свечей зажигания

 

Ненормальные условия работы (самовос­пламенение смеси, детонация и т.д..) могут вызвать необратимые повреждения двига­теля и свечей зажигания. Причинами таких повреждений могут стать неправильная на­стройка системы зажигания; использование свечей зажигания, калильное число которых не соответствует двигателю; или использование несоответствующего топлива.

Самовоспламенение смеси

 

Самовоспламенение смеси представляет со­бой неуправляемый процесс зажигания, в ходе которого в том или ином месте камеры сгорания (например, в области изолятора центрального электрода свечи зажигания, выпускного клапана или прокладки головки блока цилиндров) могут возникать крайне вы­сокие температуры, вызывающие серьезные повреждения двигателя и свечей зажигания.

Детонация

 

Детонация представляет собой процесс некон­тролируемого сгорания смеси, сопровождаю­щийся резким возрастанием давления. Про­цесс сгорания протекает значительно быстрее, чем при нормальных условиях. Вследствие высоких градиентов давления, компоненты двигателя (головка блока цилиндров, кла­паны, поршни и свечи зажигания) испытывают чрезвычайно высокие тепловые нагрузки. Это может привести к повреждению одного или не­скольких компонентов (см. «Предупреждение детонации»).

В следующей статье я расскажу о том как происходит каталитическая очистка отработавших газов.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *