Принцип работы, устройство и замена свечей накаливания в дизельном двигателе

О том, что дизельные двигатели плохо запускаются при низких температурах, причём не запредельных, а начиная с околонулевой зоны шкалы градусника, владелец современного автомобиля может и не подозревать. Способствуют тому с виду простые устройства – свечи накаливания, по одной на каждый цилиндр двигателя. Автоматически подключаясь, они обеспечивают уверенный старт дизеля даже в сильный мороз, когда без них водителю пришлось бы сильно разочароваться в удобстве пользования своим мощным и экономичным двигателем.

Назначение свечей накаливания дизеля

Воспламенение смеси тяжёлого топлива с воздухом в дизельном моторе происходит от тепла, выделяемого при сжатии. Поршень идёт вверх, клапаны закрыты, объём надпоршневого пространства стремительно уменьшается. По законам физики давление и температура воздуха возрастают.

В момент, когда они максимальны или около того, точное значение выбирается при расчёте двигателя, происходит впрыск топлива под давлением. Если температура сжатого газа уже достаточна, получается самовоспламенение.

На максимальную температуру оказывают влияние несколько факторов, во время разработки мотора все они учитываются. Результат обычно таков, что если мотор имеет оптимальные характеристики, то запустить его на товарном дизельном топливе при температуре всасываемого воздуха уже около нуля практически невозможно. В конце такта сжатия нужного значения она не наберёт. Требуется дополнительный подогрев.

Решить задачу с наименьшими затратами удалось при помощи свечей накаливания. Схематично это простые устройства, содержащие нить из провода большого сопративления, помещённую в защитный корпус и расположенную в камере сгорания цилиндра.

При подаче на неё электрического напряжения она быстро разогревается до температуры порядка 1000 градусов Цельсия (ярко-оранжевое, практически белое свечение) и нагревает воздух до нужного порога вспышки.

Даже после того, как двигатель запустился, отключать свечи рано. Различными способами их тепловая мощность уменьшается, но они продолжают подогрев, обеспечивая устойчивую работу ещё холодного двигателя, тем самым повышая его экологические характеристики и ускоряя выход на рабочий температурный режим. После чего автоматически отключаются устройством управления.

Типы свечей

С момента своего появления свечи накаливания дизельных моторов прошли существенный эволюционный путь. Основными его направлениями стали:

• увеличение надёжности и долговечности, условия работы свечи можно считать чрезвычайно тяжёлыми;
• максимальное сокращения времени нагрева для быстрого пуска холодного двигателя;
• усложнение конструкции приданием свече свойств саморегулирования питающего тока;
• повышение температуры рабочей зоны свечи, что особо важно для современных дизелей с пониженной степенью сжатия.

Выделяется два типа свечей, отличающихся по технологии изготовления.

Керамические

Наиболее современные изделия выполняются из керамики. Этот материал позволяет работать при значительно более высоких температурах, чем металлы, что даёт эффект качественного разогрева без снижения срока службы.

Для изготовления рабочего стержня свечи применяют соединение кремния с азотом. Этот материал обладает выдающимися свойствами именно применительно к его нахождению в цилиндре дизельного мотора.

Уникально сочетаются температурная стойкость, минимальная деформация при тепловом расширении и высокая сопротивляемость ударным нагрузкам за счёт вязкости, редко свойственной керамике. При этом он является электрическим изолятором, что упрощает конструкцию и повышает надёжность.

Современные керамические свечи способны разогреваться до полутора тысяч градусов, при этом служить более ста тысяч километров пробега. Это важный показатель, учитывая их высокую стоимость. Именно она стала единственным недостатком керамики.

Штифтовые

Более простые и дешёвые изделия состоят из одной или двух нитей накаливания, помещённых в металлический корпус (штифт). Для электрической изоляции пространство между металлом колпака и нитью заполняется веществом, хорошо проводящим тепло, но изолирующим корпус от электрического замыкания. Обычно это окись магния.

Характеристики таких свечей задаются количеством и материалом нагревательных спиралей. Возможны два варианта – единственная нить выполнена из материала с подобранным коэффициентом зависимости между сопротивлением и температурой, или более простая рабочая спираль дополняется регулирующей, нужным образом реагирующей на нагрев.

Таким образом обеспечивается расчётное время быстрого выхода на рабочий режим с последующим поддержанием температуры на сниженной мощности.

Металлические штифтовые свечи отличаются низкой стоимостью, но их тоже приходится усложнять ради регулируемости. В последние годы распространённость мощной и недорогой элементной базы для блоков управления позволяет эти функции переносить на источник питания свечи.

Принцип работы и устройство

Свеча в цилиндре устанавливается максимально близко к зоне впрыска в него распылённого топлива. Дизели могут иметь разную конструкцию, с вихревыми или предварительными форкамерами, камерой сгорания в поршне, многократным впрыском за один цикл.

В любом случаен топливо надо воспламенить как можно быстрее при его появлении в сжатом воздухе. От этого зависит экономичность двигателя и чистота сгорания.

Начальный разогрев свечей идёт на максимально допустимой мощности. Водитель не должен тратить время на ожидание. После погасания индикаторной лампочки проходит ещё некоторое время, и температура выйдет на предел.

Двигатель запускается, но свечи не отключаются ещё некоторое время, просто понижается подаваемая на них мощность. Это достигается либо характеристиками спиралей, либо управляющим устройством.

Самые простые свечи медленно набирают температуру за время, измеряемое десятками секунд. Лучшие современные способны за время менее 2 секунд выйти на режим максимальной температуры, а затем самостоятельно её сбросить. Этому способствует применение керамических проводящих стержней вместо спиралей, а также уменьшение размеров наконечника.

Неисправности

Перегорание свечи означает, что она уже не сможет реагировать на подачу напряжения изменением температуры. Как полностью, так и частично. В том числе возможны случаи, когда нагрев распространяется по корпусу не начиная с кончика стержня, а с любой другой зоны. Нормально работать такая свеча не будет.

Возможно и нарушение геометрической формы изделия. Металлические наконечники способны вздуваться или искривляться, что чревато разрушением при работе или попытке демонтажа.

Избежать подобных проблем проще всего профилактической заменой. Примерный срок службы каждого типа прибора известен, не стоит доводить до его исчерпания. Сложности могут возникнуть как с надёжным запуском мотора и сохранностью его устройств снижения токсичности, так и при попытке заменить неисправную свечу.

Как проверить свечи на работоспособность

Самый простой способ состоит в проверке омического сопротивления нити накаливания. Обычно оно составляет порядка одного ома, что можно определить подходящим прибором. Но так невозможно полностью оценить полную исправность детали.

Свечу можно извлечь и кратковременно подать на неё питающее напряжение. Следить при этом надо за интенсивностью и порядком разогрева кончика. Свечение должно плавно распространяться от торца к резьбовой части. Способ достаточно опасен, некоторые свечи при такой проверке способны перегреться, поскольку рассчитаны на работу только от управляющего устройства.

Как заменить свечи накала двигателя

При замене свечей неминуемо столкновение с проблемой закисания резьбы их крепления в головке. Непрерывное уменьшение геометрических размеров привело к снижению прочности корпуса из-за малого диаметра резьбовой части. Ни в коем случае не стоит сразу применять силу при попытке открутить неисправную деталь.

Если она переломится, а часть её останется в двигателе, то извлечь её оттуда очень непросто, придётся серьёзно платить за услуги специализированного сервиса. Поэтому лучше сразу туда и обращаться по поводу замены.

Если всё же деталь удалось демонтировать, а сделать это возможно путём последовательного ослабления затяжки аккуратным обстукиванием граней, отмачиванием резьбы проникающими составами и дозированным многократным приложением усилия, то устанавливать новую надо после полной очистки резьбового гнезда с затяжкой только динамометрическим ключом на заданный момент. Чрезмерный натяг и нерегулярные замены – источник всех проблем.

Что делать если при замене обломилась свеча

Для выворачивания обломков из головки блока существуют специальные экстракторы в наборах, где можно подобрать нужный размер.

Содержимое центральной части корпуса извлекается или высверливается, смотря как произошёл излом, после чего в отверстие ввинчивается экстрактор. При наличии некоторого навыка так можно вывернуть обломок, поскольку натяг в резьбе уже ослаблен. Главная задача – ничего не уронить в цилиндр.

В самых тяжёлых случаях придётся снимать головку с двигателя для извлечение остатков и восстановления резьбы. Это сложная и объёмная работа, которой должны заниматься специалисты, причём именно по дизельным двигателям, в ремонте сильно отличающимся от бензиновых.

Как работают и для чего нужны свечи накаливания в дизельном двигателе

В дизельном двигателе топливовоздушная смесь самовоспламеняется за счет сильного нагрева воздуха в процессе его сжатия в цилиндрах. Пока температура в камерах не достигнет нужного значения, мотор находится в режиме «холодного пуска». Если эксплуатационные условия при этом будут отличаться от нормальных (например, температура окружающей среды будет ниже +5 °С), двигатель будет запускаться слишком долго. Чтобы этого не произошло, применяются свечи накаливания, принцип работы которых аналогичен погружному электронагревателю. О том, как устроена свеча накаливания и какую функцию выполняет в дизельном двигателе и пойдет речь далее.

Принцип работы и функции свечи накаливания

Основное предназначение свечи накаливания – это прогрев внутреннего пространства камеры сгорания. А потому для каждого цилиндра устанавливается своя свеча. В отличие от бензиновых двигателей она не генерирует искру, а лишь прогревает воздух для запуска мотора.

В зависимости от конструкции самого дизельного двигателя, эти свечи могут устанавливаться в различных местах:

• в вихревой камере;
• в форкамере (предкамера);
• в камере сгорания.

При включении зажигания от аккумулятора на свечи накаливания поступает напряжение. Это позволяет разогреть воздушное пространство в зоне впрыска топлива до высоких значений температуры 850-1350°С. Когда происходит нагрев, на приборной панели автомобиля загорается индикатор состояния нагревателей (свечей).

Если лампочка индикатора гаснет, это означает, что требуемая температура достигнута и двигатель может быть запущен. После запуска силового агрегата свечи накаливания продолжают цикл разогрева, пока датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя не покажет 75 °С. В стандартном режиме это занимает не более 3 минут с момента запуска мотора.

Схема подключения свечей накаливания

Основными характеристиками свечей накаливания являются следующие параметры:

• скорость нагрева;
• объем нагрева;
• габаритные размеры;
• адаптация к параметрам камеры сгорания.

Устройство и виды свечей накаливания

Конструктивно эти свечи состоят из: корпуса, нагревательного элемента и клеммы подключения к питанию.

В верхней части корпуса присутствует резьба, позволяющая зафиксировать нагреватель на двигателе. Нагревательный элемент состоит из спирали с защитной оболочкой, которая может быть выполнена из металла или керамики. Ранее применялись конструкции с открытой спиралью, которые сегодня можно встретить в старых моделях авто. Такая система не отличалась долговечностью.

Устройство свечи накаливания

В конструкции с металлической защитной оболочкой наконечник нагревателя выполняется из сплава железа, хрома и никеля, устойчивого к воздействию высоких температур. Внутри него находятся нагревательная и регулировочная спирали.

Нагревательная спираль выполняет разогрев воздуха, и ее сопротивление не зависит от температуры. Регулировочная спираль путем повышения сопротивления выполняет регулировку интенсивности накаливания, предотвращая перегрев. Внутреннее пространство наконечника заполняется изолятором из оксида магния.

Кроме классических конструкций существуют турбосвечи, которые имеют специфическую форму корпуса и конический наконечник, что позволяет сократить утечки. Применяются такие модели в гоночных автомобилях.

Керамические свечи накаливания имеют аналогичную конструкцию, но вместо металла и защитная оболочка, и нагревательный элемент выполняются из керамики.

Спираль в нагревателе может быть целостной (моноспираль) или двойной. В первом случае она одновременно выполняет и функции накаливания, и при этом самостоятельно регулируется, препятствуя разогреву до критических температур. Конструкции с двойной спиралью применяются сравнительно недавно. Они позволяют более точно регулировать температурный режим нагревательного элемента на всех режимах работы двигателя.

Управление свечами накаливания

Охлаждение нагревательного стержня осуществляется за счет потока топливно-воздушной смеси на такте подачи и потока воздуха на такте сжатия. Снижение температуры происходит при увеличении скорости, а повышение – при стабильной работе двигателя. Для компенсации и регулирования этих процессов в современных автомобилях задействуется электронный блок управления двигателем (ЭБУ), который подает на свечу такое напряжение, которое оптимально соответствует текущему режиму работы мотора.

Помимо этого ЭБУ может осуществлять экстремальный разогрев свечи накаливания (за максимально короткие промежутки времени до 2 секунд). Наиболее прогрессивные системы предусматривают возможность независимого управления каждой свечой с помощью полупроводниковых элементов, что также упрощает процесс диагностики их состояния.

Неисправности свечей накаливания в дизельных двигателях

Срок службы свечи зависит от ее конструктивных особенностей, материала электрода и условий эксплуатации. Штифтовые конструкции в среднем имеют ресурс до 30 тысяч километров пробега, но некоторые наиболее качественные способны обеспечивать бесперебойную работу до 60 тысяч километров эксплуатации.

Выполнять проверку неисправности свечей в дизельном двигателе лучше всего до наступления холодов, поскольку летом проблемы могут вовсе не проявляться. Наиболее распространенными неполадками этого элемента являются:

• обрыв спирали;
• разрушение или оплавление нагревательного стержня;
• повреждение резьбы монтажного соединения.

Причинами неполадок могут служить как естественные процессы, так и нарушения правил эксплуатации. В их числе:

• перегрев нагревательного элемента при подаче слишком высокого напряжения;
• неисправность двигателя и нарушение режимов впрыска топлива;
• загрязнение форсунок мотора;
• повреждение корпуса наконечника;
• некорректная установка свечи в двигатель;
• электрохимическая коррозия;
• неисправность электронного блока управления.

Для более эффективной работы свеча должна устанавливаться точно на периферии воронки топливовоздушной смеси. При этом она должна быть продвинута достаточно глубоко в камеру сгорания или в форкамеру. Диагностику и замену этого элемента следует доверять профессионалам.