Рис. 9 — Устройство искровой свечи зажигания: 1 — контактная гайка: 2 — оребрение изолятора (барьеры для тока уточки): 3 — контактный стержень: 4 — керамический изолятор: 5 — металлический корпус, б — пробка стеклогерметика. 7 — уплотнительное колыю: 8 — теплоотводящая шайба: 9 — центральный электрод. 10 — тепловой конус изолятора: 11 — рабочая камора: 12 боковой электрод -массы-: h — искровой зазор

Сборку сердечника (изолятора в сборе с центральным электродом и контактным стержнем) осуществляют в следующем порядке. Электрод устанавливают в канале изолятора и сверху засыпают порошкообразный стеклогерметик или укладывают ого в виде таблетки. Затем в канал изолятора устанавливают контактную головку. До запрессовки стеклогерметик занимает больший объем, чем после этой операции, и контактный стержень не может полностью войти в канал изолятора Он примерно на треть длины выступает над изолятором. Заготовку нагревают до температуры 700-900 «С и с усилием в несколько десятков килограммов контактный стержень вводят о размягченный под воздействием температуры стеклогерметик. При этом он затекает в зазоры между каналом изолятора, головкой центрального электрода и контактной головкой. После остывания стеклогерметик затвердевает и надежно закрепляет обе детали в канале изолятора Между торцами электрода и контактной головки образуется герметизирующая пробка высотой от 1.5 до 7,0 мм, полностью перекрывающая канал изолятора от прорыва газов

В случае необходимости встроить в цепь центрального электрода электрическое сопротивление для подавления электромагнитных помех применяют резистивный стеклогерметик. После остывания герметизирующая пробка приобретает электрическое сопротивление необходимой величины.

Сердечник устанавливают в корпусе свечи так, что он соприкасается своей конической поверхностью с соответствующей поверхностью внутри корпуса. Между этими поверхностями устанавливают герметизирующую -теплоотводящую» шайбу (медную или стальную).

Закрепление сердечника осуществляют завальцовкой буртика корпуса на поясок изолятора. Герметизацию по соединению изолятор — корпус осуществляют методом осадки корпуса в нагретом состоянии (термоосадкой).

Боковой электрод -массы» прямоугольного сечения приваривают к торцу корпуса и изгибают в сторону центрального. На цоколь корпуса с упором в плоскую опорную поверхность устанавливают уплотнительное кольцо, предназначенное для герметизации соединения свеча — двигатель.

На резьбовую часть контактного стержня устанавливают контактную гайку, если это требуется конструкцией наконечника высоковольтного провода. В некоторых свечах контактный стержень не имеет резьбовой головки, она сразу же штампуется в форме контактной гайки.

Для обеспечения бесперебойности искрообразования изолятор должен обладать необходимой электрической прочностью даже при высокой рабочей температуре. Напряжение, прикладываемое к изолятору в процессе работы двигателя, равно напряжению пробоя искрового зазора. Это напряжение возрастает с увеличением давления и величины зазора и уменьшается по мере возрастания температуры. На двигателях с классической системой зажигания используются свечи с искровым зазором 0.5-0,7 мм. Максимальная величина напряжения пробоя в этих условиях не превышает 12-15 кВ (амплитудное значение). На двигателях с электронными системами зажигания установочный искровой зазор составляет 0,8-1,0 мм. В процессе эксплуатации он может увеличиться до 1,3-1,5 мм (у обеих систем). При этом напряжение пробоя может достигать 20-25 кВ.

Конструкция изолятора относительно проста — это цилиндр с осевым отверстием для установки центрального электрода.

в средней части изолятора имеется утолщение, так называемый -поясок- для соединения с корпусом. Ниже пояска расположена более тонкая цилиндрическая часть — -дульце-, переходящая в тепловой конус. В месте перехода от дульца к тепловому конусу расположена коническая поверхность, предназначенная для установки между изолятором и корпусом герметизирующей теплоотводящей шайбы. Выше пояска расположена -головка’, а в месте перехода от пояска к головке расположено плечико под завальцовку буртика корпуса при сборке свечи.

Допустимая, с учетом коэффициента запаса прочности, толщина стенок определяется электрической прочностью материала изолятора. По отечественным стандартам изолятор должен выдерживать испытательное напряжение от 18 до 22 кВ (действующее значение), что больше амплитудного в 1.4 раза Длина головки изолятора определяется напряжением поверхностного перекрытия и выполняется в пределах от 15 до 35 мм. У большинства автомобильных свечей эта величина около 25 мм. Дальнейшее увеличение малоэффективно и приводит к снижению механической прочности изолятора. Для исключения возможности электрического пробоя по поверхности изолятора его головку снабжают кольцевыми канавками (барьерами тока) и покрывают специальной глазурью для защиты от возможного загрязнения.

Функцию защиты от поверхностного перекрытия со стороны камеры сгорания выполняет тепловой конус. Эта важнейшая часть изолятора при относительно небольших размерах выдерживает без перекрытия по поверхности указанное выше напряжение.

Первоначально в качестве материала изолятора применяли обычный фарфор. но такой изолятор плохо сопротивлялся тепловому воздействию и имел низкую механическую прочность.

С увеличением мощности двигателей потребовались изоляторы более надежные. чем фарфоровые. Продолжительное время применяли слюдяные изоляторы. Однако при использовании топлив с присадкой свинца слюда разрушалась. Изоляторы снова стали изготавливать керамическими, но не из фарфора, а из особо прочной технической керамики.

Наиболее распространенной и экономически целесообразной для производства изоляторов является технология изостатического прессования, когда из заранее подготовленных компонентов изготавливают гранулы необходимого состава и физических свойств. Из гранул при высоком давлении прессуют заготовки изоляторов, шлифуют до необходимых размеров с учетом усадки при обжиге, а затем однократно обжигают.

Современные изоляторы изготавливают из высокоглиноземистой конструкционной керамики на основе оксида алюминия. Такая керамика, содержащая около 95% оксида алюминия, способна выдержать температуру до 1600 ‘С и имеет высокую электрическую и механическую прочность.

Важнейшим преимуществом керамики из оксида алюминия является то, что она обладает высокой теплопроводностью. Это существенно улучшает тепловую характеристику свечи, так как через изолятор проходит основной поток тепла, поступающий в свечу через тепловой конус и центральный электрод (рис. 10).

Металлический корпус предназначен для установки свечи в двигатель и обеспечивает герметичность соединения с изолятором. К его торцу приваривается боковой электрод, а в конструкциях с кольцевым искровым зазором корпус непосредственно выполняет функцию электрода «массы».

Корпус изготавливают штамповкой или точением из конструкционных малоуглеродистых сталей.

внутри корпуса имеется кольцевой выступ с конической поверхностью. на которую опирается изолятор. На цилиндрической части корпуса выполнена кольцевая проточка, так называемая термоосадочная канавка. В процессе сборки свечи верхний буртик корпуса завальцовывают на поясок изолятора. Затем его нагревают и осаживают на прессе, при этом термоосадочная канавка подвергается пластической деформации, и корпус плотно охватывает изолятор. В результате термоосадки корпус оказывается в напряженном состоянии, что обеспечивает герметичность свечи на весь срок службы.

Рис. 10. Тепловые потоки в изоляторе свечи

Как сказано выше, для улучшения эффективности воспламенения электроды свечи должны быть как можно более тонкими и длинными, а искровой зазор должен иметь максимально допустимую величину. С другой стороны, для обеспечения долговечности электроды должны быть достаточно массивными.

Поэтому, в зависимости от требований к мощности, топливной экономичности и токсичности двигателей, с одной стороны, и требований к долговечности свечи с другой стороны, к каждому типу двигателя разрабатывалась своя конструкция электродов.

Появление биметаллических электродов позволило в определенной степени решить эту проблему, так как такой электрод имеет достаточную теплопроводность. В отличие от обычного «монометаллического» он при работе на двигателе имеет меньшую температуру и соответственно больший ресурс. В тех случаях, когда требуется увеличить ресурс, применяют два электрода «массы- (рис.11). На свечах зарубежного производства с этой целью применяют три и даже четыре электрода. Отечественная промышленность выпускает свечи с таким количеством электродов только для авиационных и промышленных газовых двигателей. Следует отметить, что с увеличением числа электродов снижается стойкость к образованию нагара и затрудняется очистка от нагара.

К материалу электродов предъявляются следующие требования высокая коррозионная и эрозионная стойкость: жаростойкость и окалиностойкость: высокая теплопроводность; достаточная для штамповки пластичность. Стоимость материала не должна быть высокой Наибольшее распространение в отечественной промышленности для изготовления центральных электродов свечей зажигания получили жаростойкие сплавы: железо-хромтитан, никель-хром-железо и никельхром с различными легирующими добавками

Рис. 11. Свеча А26ДВ-1 с двумя боковыми электродами «массы-

Боковой электрод «массы» должен обладать высокой жаростойкостью и стойкостью к коррозии. Он должен обладать хорошей свариваемостью с обычной конструкционной сталью, из которой изготавливают корпус, поэтому применяют сплав никель — марганец (например. НМц-5). Боковой электрод должен обладать хорошей пластичностью для обеспечения возможности регулирования искрового зазора.

С целью снижения гасящего влияния электродов при доработке свечей на электродах выполняют канавки, в электроде -массы» выполняют сквозные отверстия. Иногда боковой электрод разделяют на две части, превращая одноэлектродную свечу в двухэлектродную.

Искровой разряд является источником электромагнитных помех, в том числе радиоприему. Для их подавления между центральным электродом и контактной головкой устанавливают резистор, имеющий при температуре 25±10 ‘С электрическое сопротивление от 4 до 13к0м. В процессе эксплуатации допускается изменение величины этого сопротивления в диапазоне 2-50 кОм после воздействия температуры от -40 до +300 ‘С и импульсов высокого напряжения.

Даже небольшие потери энергии зажигания приводят к ослаблению искры со всеми неприятными последствиями: ухудшение пуска, неустойчивая работа на холостом ходу, потеря мощности двигателя, перерасход топлива, рост токсичности отработавших газов и т. д. Если поверхность изолятора покрыта нагаром, грязью или просто влагой, происходит утечка тока «на массу». Она обнаруживается в темноте в виде коронного разряда по поверхности изолятора. Утечка по загрязненной поверхности теплового конуса изолятора в камере сгорания двигателя может привести к отказу в искрообразовании. Наиболее радикальным способом повышения электрической прочности изоляции является установка между корпусом и контактной головкой свечи дополнительного изолятора в виде керамической втулки. Таким образом, свеча приобретает двойную защиту от утечек тока «на массу».

Данное техническое рошенио защищено патентом и реализовано у нас в стране ЗАО «Автоконинвест» (Москва).

Рис. 12. Форкамерная свеча зажигания

Известны различные варианты устройства свечи, у которых рабочая камера выполнена в виде форкамеры. Их используют с целью улучшения сгорания рабочей смеси. Форкамерные свечи подобны свечам для спортивных форсированных двигателей, где электроды для защиты от перегрева установлены глубоко внутри рабочей камеры корпуса. Отличие заключается в том. что отверстие. соединяющее рабочую камеру (форкамеру) с цилиндром двигателя, делают специальной формы. При сжатии свежая смесь поступает в форкамеру, искровой разряд возникает в области вихревого потока, и образование первичного очага воспламенения становится интенсивнее. Благодаря этому обеспечивается быстрое распространение пламени в форкамере. Давление быстро возрастает и выбрасывает факел пламени, проникающий в камеру сгорания двигателя и интенсифицирующий воспламенение даже сильно обедненной рабочей смеси.

При перетекании горящих газов из форкамеры в цилиндр двигателя, в связи с турбулизацией горючей смеси, ускоряется и становится более эффективным процесс сгорания. Это. в свою очередь, может привести к улучшению показателей, характеризующих топливную экономичность и токсичность отработавших газов.

Недостатки форкамерных свечей заключаются в том, что велико гасящее влияние электродов, а стойкость к образованию нагара мала. Вентиляция форкамеры затруднена и горючая смесь в ней содержит повышенное количество остаточных газов. При перетекании горящих газов из форкамеры в цилиндр возникают дополнительные тепловые потери. Один из вариантов форкамерной свечи представлен на рис. 12.

Виды, устройство и принцип работы свечей зажигания

Свеча зажигания – это важнейший элемент системы зажигания двигателя, который непосредственно осуществляет воспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорания. В современных автомобилях используются свечи различных конструкций и эксплуатационных параметров, но все они имеют сходный принцип работы.

Устройство и роль в автомобиле

Базовая конструкция свечи включает в себя следующие элементы:

• Корпус из металла с нанесенной на внешнюю сторону резьбой для крепления свечи в головке блока цилиндров. Он также выполняет функцию отвода излишков тепла и служит проводником от «массы» к боковому электроду.
• Изолятор. Он, как правило, имеет ребристую поверхность, что удлиняет фактический путь поверхностных токов и предотвращает пробой по поверхности.
• Центральный и боковой электроды, между которыми возникает искра, воспламеняющая топливовоздушную смесь. Боковой электрод выполняют из стали, легированной никелем и марганцем. Центральный – из благородных металлов, что обеспечивает возможность самоочищения электрода.
• Контактный вывод для крепления свечи к высоковольтным проводам системы зажигания. Соединение может быть резьбовым или с защелкивающимся контактом.

В устройстве автомобильной свечи системы зажигания также может быть предусмотрен резистор. Его основной задачей является подавление помех, создаваемых системой зажигания. Сопротивление может варьироваться от 2 кОм до 10 кОм.

Свечи, используемые в двигателях внутреннего сгорания, также называют искровыми. Они формируют искру на каждом такте сжатия (либо сжатия и выпуска при применении двухвыводных катушек зажигания), воспламеняя топливовоздушную смесь в определенный момент, на протяжении всего времени работы мотора. На каждый цилиндр двигателя, как правило, приходится одна свеча (за исключение двигателей типа Twinspark), которая ввинчивается при помощи резьбы в специальные отверстия в корпусе головки блока цилиндров. Рабочая часть при этом находится в камере сгорания двигателя, а ее контактный вывод снаружи.

Неправильно выполненная затяжка свечей может привести к неустойчивой работе мотора. Недостаточная затяжка способствует понижению компрессии в камере сгорания. При слишком сильной затяжке могут произойти механические деформации.

Принцип работы и характеристики

Основной задачей свечи является формирование искры и ее поддержание в течение необходимого количества времени. Для этого низкое напряжение от аккумулятора автомобиля преобразуется в высокое (до 40 000 В) в катушке зажигания, а затем поступает на электроды свечи, между которыми выполнен зазор. “Плюс” от катушки приходит на центральный электрод, “минус” – на боковом от двигателя.

В момент формирования напряжения на электродах (“плюс” от катушки на центральном и “минус” на боковом от двигателя), достаточного для преодоления (пробоя) сопротивления среды в зазоре, между ними возникает искра.

Значение искрового зазора

Искровой зазор – главный параметр свечей зажигания. Он определяет минимальное расстояние между электродами, обеспечивающее формирование искры достаточного размера и возможность пробоя соответствующего слоя среды (топливовоздушной смеси, находящейся под давлением).

Искровой зазор

Величина зазора должна находиться в пределах, заданных производителем. Если зазор будет слишком большим – энергии искрового разряда может не хватить для поддержания необходимого времени горения свечи и смесь может не воспламениться. С другой стороны, слишком малый зазор приведет к прогоранию электродов и повышенному износу свечей.

Величина искрового зазора отличается в зависимости от режима работы двигателя и его типа и производителя. Нижний порог искрового зазора может быть около 0,4 мм, а верхний доходить до 2 мм.

Для проверки величины искрового зазора используется специальный инструмент – щуп, который может быть округлым или плоским. Второй тип более прост в использовании, но дает погрешность, поскольку не учитывает износ поверхности электродов. Подгонку зазора под необходимый размер выполняют вручную подгибанием бокового электрода.

Что такое калильное число

Не менее важным параметром является калильное число. Оно определяет тепловые свойства конструкции и демонстрирует, при каком давлении в камере сгорания может произойти неконтролируемое самовоспламенение топливовоздушной смеси (калильное зажигание). Простыми словами, чем больше будет калильное число, тем меньше свеча будет разогреваться в процессе работы двигателя.

Конструкции с разным калильным числом применяются соответственно типу мотора, режиму и условиям его работы. Так, в летнее время и при повышенных нагрузках оптимально использовать конструкции с большим калильным числом, а зимой или при спокойной езде в городской черте – с меньшим.

Свечи с низким калильным числом устанавливаются в моторах с малым уровнем давления, работающих на топливе с небольшим октановым числом. Конструкции с высоким калильным числом наоборот используются в двигателях с повышенной компрессией и высокой температурной нагруженностью камеры сгорания.

Виды и маркировка

Чтобы не ошибиться при выборе модели, следует обратить внимание на маркировку приобретаемых свечей зажигания. У каждого производителя она своя.

Первый параметр – это, как правило, диаметр резьбы и форма опорной поверхности, демонстрирующие возможность фактической установки свечи на конкретный двигатель.

Символ R (Р) зачастую свидетельствует о присутствии в конструкции резистора. Далее, указывается калильное число, величина искрового зазора и материал, из которого выполнены электроды.

По количеству электродов свечи зажигания разделяют на два вида:

• Одноэлектродные.
• Многоэлектродные – они имеют несколько боковых электродов. Искра возникает с тем из них, у которого наименьшее сопротивление.

В зависимости от величины калильного числа свечи разделяют на:

• горячие с калильным числом от 11 до 14;
• средние – от 17 до 19;
• холодные – от 20 и выше;
• унифицированные – от 11 до 20.

Свечи зажигания с различным числом электродов

По типу материала центрального электрода свечи зажигания различают:

• иридиевые;
• иттриевые;
• вольфрамовые;
• платиновые;
• палладиевые.

Самыми долговечными и износостойкими считаются иридиевые автомобильные свечи зажигания. Они применяются в двигателях высокой мощности, но при установке на обычные моторы серьезных улучшений не создают.

Срок службы и распространенные неисправности

Определить на практике, когда менять свечи зажигания можно, принимая во внимание несколько аспектов:

• Заявленный производителем срок службы конкретной марки свечей зажигания. Например, периодичность замены для типовых моделей составляет до 50 тысяч километров пробега, для платиновых этот показатель составляет 90 тысяч километров, а наиболее дорогостоящие иридиевые свечи зажигания служат до 160 тысяч километров.
• Условия эксплуатации. При использовании низкокачественного топлива реальный срок работы будет меньше заявленного изготовителем на 20%. При этом особенно чувствительными среди свечей зажигания являются иридиевые.
• Состояние электродов. Они могут выгорать в ходе долгой эксплуатации или в результате нарушения режимов работы двигателя. Очистка электродов может производиться механическим способом или самопроизвольно (при достижении высоких температур). Стоит отметить, что иридиевые и платиновые свечи зажигания очищать механически нельзя.
• Состояние изолятора. Он может быть загрязнен или разрушен.

От работоспособности этого, на первый взгляд, простого элемента зависит корректный запуск и мощность мотора, расход топлива и содержание СО в выхлопных газах, а потому ответ на вопрос зачем своевременно менять свечи зажигания вполне очевиден.