Анатолій Окоча, канд. техн. наук, доцент, Олександр Лавріненко, канд. техн. наук, доцент, НУБіП України
Свічки запалювання – одна з важливих частин у системі роботи двигунів із примусовим запалюванням робочої суміші (бензинових і газових). Адже вони безпосередньо здійснюють запалювання суміші.
На якість цього запалювання впливає багато факторів, які мають велике значення для експлуатації машин і для стану навколишнього середовища. Від того, як працює свічка запалювання залежить дуже багато, зокрема потужність двигуна, плавність ходу, витрата палива, загальний моторесурс, викиди шкідливих речовин у відпрацьованих газах, а тому потрібно насамперед її правильно обрати. Нижче розглянемо, на що слід звертати увагу при цьому.
Вимоги
Надійне іскроутворення – головна вимога до свічок запалювання, і воно залежить головним чином від розміру електродів та величини зазору між ними.
Теоретично, що:
– тоншим є електрод, то вища напруженість електричного поля;
– більшим є зазор між електродами, то вища потужність іскри.
Чому ж тоді на переважній більшості свічок центральний електрод досить «товстий» – 2,5 мм у діаметрі? Справа в тому, що тонкі електроди, виготовлені з хромонікелевого сплаву, швидше «вигорають» і така свічка прослужить недовго.
Вихід із цієї ситуації є – електрод покривають шаром тугоплавкого металу (платини, іридію). Така технологія дає змогу зменшити діаметр електрода до 0,4 – 0,6 мм. Ресурс і вартість свічки при цьому різко (у декілька разів) зростають.
Зазори у свічках, як відомо, потрібно виставляти відповідно до рекомендацій виробника двигуна. Експериментальним шляхом доведено, що «звичайні» свічки «болісно» сприймають як зменшення, так і збільшення зазору – інтенсивність іскри знижується, збільшується ймовірність пропусків запалення. Протилежна картина із «тонкоелектродними» свічками – вони практично не реагують на зміну зазору, а іскроутворення залишається потужним та стабільним.
У процесі роботи електроди свічки поступово вигоряють, збільшуючи тим самим зазор. А це означає, що з часом у «звичайної» свічки іскроутворення погіршиться, а у «тонкоелектродної» практично не зміниться.
Крім розглянутих геометричних параметрів свічки, на надійність займання робочої суміші впливають і зовнішні фактори:
– тиск і температура у циліндрі;
– склад робочої суміші;
– форма камери згоряння;
– на різних режимах роботи двигуна умови роботи свічки також змінюються.
Тому свічка має відповідати параметрам двигуна/у.
Основні параметри свічок запалювання
Для забезпечення якісної роботи різних видів і моделей двигунів із примусовим запалюванням робочої суміші свічки запалювання виготовляють із різними параметрами, які відображаються в їх умовному позначенні (розглянуто нижче).
Габаритно-приєднувальні розміри – це діаметр і крок нарізки, довжина нарізної частини і розмір шестигранника «під ключ». Усі вони чітко визначені для кожного двигуна.
Свічки бувають із нарізною частиною діаметром 14 або 18 мм. На всіх сучасних двигунах застосовують лише свічки з нарізкою 14х1,25.
За довжиною нарізки свічки поділяють на три групи: короткі – 12 мм, середні – 19–20 мм, довгі – 25 мм і більше. На сучасних форсованих двигунах використовують свічки переважно з довгою нарізною частиною, тому що при цьому забезпечується ліпший тепловий контакт головки блока циліндрів зі свічкою, завдяки чому відбувається краще охолодження останньої.
Найпоширенішим розміром шестигранника для монтажу/демонтажу свічки є головка на 16 мм, рідше – 14 і 18 мм. Деякі свічки вітчизняного виробництва виготовлені під ключ 22 мм.
Жарове (калильне) число – показник теплових властивостей свічки (її здатність нагріватися за різних теплових навантаженнях двигуна). Воно пропорціональне середньому тиску, за якого в процесі випробування свічки на спеціальній моторній установці в її циліндрі починає з’являтися самочинне (жарове) запалювання (некерований процес запалювання робочої суміші від розжарених елементів свічки). Що вища літрова потужність двигуна, то вища ступінь стиску, номінальна частота обертання колінчастого вала, та більшим має бути жарове число. Так, наприклад, для двигунів із повітряним охолодженням і двотактних варто встановлювати свічки з підвищеним жаровим числом.
Поки тепловий конус не нагріється до температури 400°С, на ньому утворюється нагар, який призводить до втрати струму й порушення іскроутворення. За досягнення цієї температури нагар починає згоряти, тобто відбувається самоочищення січки.
Що довший тепловий конус, то більша його площа, тому він нагрівається до температури самоочищення за меншого теплового навантаження. До того ж виступ цієї частини ізолятора з корпуса підсилює її обдування газами, що додатково прискорює прогрівання і поліпшує очищення від нагару. Збільшення довжини теплового конуса призводить до зменшення жарового числа. Аби залишити його незмінним, у конструкції свічок застосовують біметалеві центральні електроди, які краще відводять тепло. Такі свічки (їх називають термоеластичними) швидше прогріваються до температури самоочищення (як «гарячі»), але викликають жарове запалювання за високих теплових навантажень (як «холодні»).
«Гарячі» свічки – відносне поняття, пов’язане з температурою. «Гарячі» свічки мають невелике жарове число. Їх тепловий конус нагрівається до температури 900°С (температура початку самочинного запалювання) за відносно невеликого теплового навантаження. Призначені для використання на малофорсованих двигунах, де необхідно досягнення температури самоочищення від нагару за відносно невеликих теплових навантажень.
«Холодні» свічки призначені для використання на високофорсованих двигунах для нагрівання менше температури жарового запалювання за максимальної потужності двигуна. Свічки «холодніші» не досягатимуть необхідної для такого двигуна температури самоочищення, і тому перестануть працювати через короткий проміжок часу.
Чисто візуально тип свічки запалювання можна визначити за довжиною конуса ізолятора: що він довший, то повільніше відбуватиметься охолодження, а отже, швидше нагріватиметься. Довгий ізолятор – «гаряча» свічка, короткий – «холодна».
Промисловість країн СНД виготовляє свічки запалювання з жаровими числами 8, 11, 14, 17, 20, 23 та 26.
Теплова характеристика свічок за жаровим числом:
- «гарячі» свічки 11 – 14;
- «середні» свічки 17 – 19;
- «холодні» свічки 20 і більше;
- «уніфіковані» свічки 11 – 20.
За кордоном не існує єдиної шкали жарових чисел. Старе маркування жарового числа свічок низки закордонних фірм проводилось за часом (у секундах), після якого на спеціальній установці починалось жарове запалювання. Ця величина приблизно вдесятеро перевищує показник жарового числа свічок країн СНД. Нині більшість фірм позначають жарове число чисто умовно.
Ряди жарових чисел довільні, і різні фірми застосовують їх по-різному. У США, Франції, Японії використовують зростаючий ряд чисел від «гарячої» до «холодної» свічок, а у Німеччині та Англії – зменшуючий.
Величина іскрового зазору вказується в інструкції з експлуатації автомобіля (однак може бути зазначена також на упаковці або в маркуванні свічки), і перебуває в межах від 0,5 до 2 мм. Залежно від конструкції електродів зазор може бути регульований та нерегульований (у свічках із декількома боковими електродами).
Зазор між електродами свічки регулюють шляхом підгинання бокового електрода, причому для вимірювання величини зазору слід застосовувати не плаский, а циліндричний щуп. Річ у тім, що внаслідок спрацювання у боковому електроді утворюється виїмка, тому вимірювання пласким щупом дасть неправильний результат.
Малий зазор. Якщо встановлені малі значення зазору між електродами, то проявлятимуться пропуски у системі запалювання. Тієї іскри, яка утворюється між електродами, максимально наближеними один до одного, недостатньо для запалювання робочої суміші. Іскра хоч і сильна, але її недостатньо, тому автомобіль рухатиметься ривками, і не розвиватиме необхідну швидкість. На карбюраторних двигунах може заливати свічки.
Великий зазор. Виробники свічок виставляють оптимальний зазор між електродами, однак під час експлуатації двигуна він сам може збільшуватися в результаті спрацювання електродів. Таким чином, іскра між електродами значно слабшає, внаслідок чого погіршується займання робочої суміші. Часто через збільшення зазору пробиває ізолятор центрального електрода, а іскра «намагається» знайти найкоротший шлях між електродами.
Умовно, залежно від типу системи запалювання, рекомендовані величини зазорів можна розділити на три групи:
- на карбюраторному двигуні з контактною системою запалювання – нормальний зазор у межах 0,5 – 0,6 мм;
- на карбюраторному двигуні з електронним запалюванням – 0,7 – 0,8 мм;
- на інжекторному двигуні – 1,0 – 1,3 мм.
Види свічок запалювання
Класичні (стандартні) свічки. Перевагою класичних свічок запалювання є лише їх невисока ціна. Ресурс цих свічок невеликий, тому що її електроди виготовлені з недорогого жаростійкого металу, який піддається ерозії.
Свічки з декількома електродами мають два, три або чотири бокових електроди. Введення додаткових електродів забезпечує кращі умови іскроутворення завдяки самовільному визначенню електрода, на якому менше нагару. Крім того, у процесі роботи контакти нагріваються і термін роботи деталі скорочується, а якщо ж контактів буде декілька, то іскра проскакує там, де найменший опір. Це може бути чітко за чергою в міру забруднення електроду або хаотично. Бокове розташування електродів вигідне ще й тим, що простір під свічкою (камера згоряння) залишається повністю відкритим: ніщо не перешкоджає рівномірному поширенню полум’я від іскри. А що рівномірніше відбувається згоряння, то краще розподіляється навантаження на поршень, забезпечуючи оптимальне балансування і знижуючи вібрацію під час роботи. Таким чином, декілька бокових електродів збільшують ресурс і стабільність роботи як самої свічки, так і двигуна загалом.
Однак варто зазначити, що іскра може бути тільки одна, всупереч думці, що у таких контактах генерується відразу декілька розрядів одночасно, але у декілька разів підвищиться надійність свічки.
З цією ж метою на електродах роблять V- або U-подібні рівчачки: розряд на один бік електрода підвищує термін його роботи.
Серед переваг наведених вище свічок варто зауважити надійність, повне згоряння палива, можливість використання збідненої суміші, економічність і мінімальний вміст шкідливих викидів. Недолік – порівняно висока ціна.
Свічки з іридієвими і платиновими електродами. Іскровий розряд на свічці запалювання потужніший за тоншого електрода. Відповідно, збільшується і потужність двигуна. Однак тут виникає проблема, пов’язана з тим, що тонкий електрод не може тривалий час витримувати дію високої температури, яка виникає під час потужного іскрового розряду. У результаті досліджень було виявлено, що найкраще протидіють руйнуванню іридій та платина. Товщина центрального електрода, виготовленого з іридію і платини, становить приблизно 0,5 мм, потужна іскра здатна навіть очищати з електрода нагар.
Деякі виробники наносять «острівець» дорогоцінного сплаву і на боковий електрод, що дає змогу збільшити іскровий зазор у 3,5 рази за збереження рівня колишніх енергозатрат.
Перевагами таких свічок є надійність і великий ресурс – до 200 тис. км пробігу. Однак для цього потрібно дотримуватися таких вимог виробників:
- заправляти автомобіль бензином, октанове число якого не нижче рекомендованого інструкцією з експлуатації;
- свічку слід встановлювати з суворим дотриманням правил.
Переваги платинових свічок:
- довгий ресурс (до 100 тис. км) експлуатації;
- тонкий електрод дає велику іскру, відповідно, покращується якість запалювання робочої суміші;
- електроди не вигорають, зазор між ними не змінюється;
- на основний електрод подається менша напруга, а тому він працює більш стабільно протягом тривалого часу;
- вища температура іскри, що дає змогу запалювати навіть збіднену робочу суміш, і може використовуватися у двигунах із нагнітачами повітря.
Переваги іридієвих свічок практично повністю дублюють платинові, однак варто зазначити ще декілька моментів:
- ще більша стійкість матеріалу до окислення й вигорання;
- міцність іридію вища, ніж у інших металів;
- температура плавлення значно вища, ніж у платини;
- іридієва свічка може стабільно працювати у великому діапазоні навантажень.
Тенденції розвитку свічок запалювання
Сьогодні все більше свічок запалювання випускають із біметалевими електродами. Це дає змогу, крім поліпшення термоеластичності, підвищити їхню надійність та довговічність.
Збільшується об’єм виробництва свічок запалювання з виступаючим тепловим конусом ізолятора з металевого корпусу, що забезпечує покращене самоочищення від нагару.
Для збільшення терміну експлуатації, не потребуючого регулювання теплового зазору, випускають свічки із декількома боковими електродами.
Для поліпшення запалювальної здатності іскри, розробляють свічки зі збільшеним іскровим зазором, змінюють форму й профіль електродів, а на їх поверхню наносять платину.
Збільшується виробництво свічок запалювання із використанням поверхневого розряду (в яких немає електрода «маси», а іскра йде від центрального електрода до корпусу поверхнею ізолятора).
Для зменшення рівня радіоперешкод дедалі більше свічок запалювання виготовляють із вбудованим резистором.
