Что такое лазерные свечи и как они работают

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…

Начнем с определения

Свеча зажигания — это устройство, которое поджигает топливно-воздушную смесь в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания. Поджиг осуществляется с помощью электрического разряда напряжением в несколько тысяч вольт, проскакивающего между электродами свечи.

При работающем двигателе, они постоянно подвергаются воздействию высокой температуры (до 1000 градусов Цельсия) и давления. Существует множество типов и моделей свечек, от качества которых зависит работа двигателя.

Посмотрите, в каких суровых условиях работают свечи:

• Температура до 1 000 градусов Цельсия. Например, серебро плавится при 960 градусах Цельсия;
• Давление до 4 000 000 Паскаль, что в 20 раз больше давления в шинах;
• Напряжение до 25 000 Вольт. Такое высокое напряжение подается для того, чтобы искра пробила слой воздуха между электродами и зажгла топливную смесь. Для пробивки одного сантиметра воздуха требуется напряжение в 30 000 вольт. Делайте выводы.

Почти все люди знают, как выглядит свеча зажигания, но мало кто догадывается о том, что находится у нее внутри.

Принцип работы очень прост. С катушки зажигания на наконечник 1 подается напряжение, и между электродами 2(+) и 3(-) проскакивает искра, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь.

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.

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.

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

Михаил Смирнов

Виды свечей зажигания

В классическом исполнении свеча зажигания является двухэлектродной — с одним центральным электродом и одним боковым, но вследствие эволюции конструкции появились многоэлектродные (боковых электродов может быть несколько, в основном это 2 или 4). Такая многоэлектродность позволяет увеличить надежность и срок службы. Также менее распространенные из-за своей дороговизны и противоречивых тестов факельные и форкамерные свечи.

Помимо конструкции, свечи разделяются и на другие виды, обусловленные материалом изготовления электрода. Как уже выяснилось, зачастую, это сталь, легированная никелем и марганцем, но для увеличения ресурса работы на электроды делаются напайки разных драгоценных металлов, как правило, из платины или иридия.

Тестирование свечей зажигания

Отличительная черта платиновых и иридиевых свечей зажигания — иная форма центрального и бокового электродов. Поскольку применение этих металлов позволяют обеспечить постоянную мощную искру в более жестких режимах эксплуатации, тонкий электрод требует меньшего напряжения, тем самым снижая нагрузку на катушку зажигания и оптимизируя сгорание топлива.

Имеет смысл ставить платиновые свечи в турбомоторы, так как этот металл обладает высокой коррозионной устойчивостью, а также стойкий к высоким температурам.

В отличие от классических, платиновые свечи ни в коем случае нельзя очищать механическим способом.

По периодичности замены свечи можно разместить в таком порядке:

1. Медные/никелевые свечи зажигания имеют стандартный ресурс работы до 30 тыс. км., их стоимость вполне соответствует сроку службе, цена одной такой свечи будет в районе 250 рублей.
2. Платиновые свечи (подразумевается напыление на электрод) стоят на втором месте по сроку службы, применяемости и ценнику. Продолжительность безотказной работы искрового зажигания в два раза больше, то есть около 60 тыс. км. К тому же образования нагара будет значительно меньше, что еще более благоприятно влияет на воспламенение воздушно-топливной смеси.
3. Свечи из иридия в разы улучшают тепловые характеристики. Такие свечи зажигания обеспечивают бесперебойную искру при самых высоких температурах. Ресурс работы составит более 100 тыс. км, но и цена будет куда выше первых двух.

Параметры и характеристика свечей зажигания

Основными параметрами характеристики свечей выступают размер и калильное число, это кроме того, что они также отличаются по количеству электродов и по материалу изготовления. Со всеми этими моментами, и как они влияют на работоспособность, разберемся по порядку.

Одна из важнейших тепловых характеристик свечей зажигания – так называемое, калильное число. Это параметр, обозначающий давление, при котором возникает калильное зажигание. Обычно в документации автомобиля указывается марка свечей и калильное число, которые должны в нем использоваться. Старайтесь придерживаться этих рекомендаций.

Не правильно подобранное калильное число влияет на самоочистку свечи зажигания.

Калильное число делится на три диапазона:

• холодные свечи (к. ч. от 20 и выше);
• горячие (11 — 14);
• средние (к.ч. от 17 до 19).

Данный параметр указывает на тепловые режимы работы свечи, чем оно выше, тем с более высокими температурами она может работать.

Свеча с более высоким калильным числом может работать в более агрессивной среде с высокими температурами, а свеча с более низким будет частенько перегреваться, что, естественно, сказывается на сроке ее службы.

Помимо калильного числа и геометрических размеров, есть еще один достаточно важный параметр при выборе свечей — их конструкция.

Технические характеристики

Общая информация про свечи зажигания

К техническим характеристикам свечи зажигания относятся:

• диаметр резьбы;
• размер головки ключа;
• длина резьбы;
• зазор между электродами.

Диаметр автомобильных свечей зажигания, как правило, составляет 14 мм. По длине резьбы свечи делятся на три группы:

1) короткие – 12 мм;

2) средние – 19-20 мм;

3) длинные – 25 мм и более.

Длина резьбовой часты свечи будет зависеть от мощности двигателя – чем мощнее, тем свеча длиннее. Такая конструкция обусловлена тем, что температура по длинному корпусу быстрее и равномернее распределяется. Наиболее распространенным размером инструментом для вкручивания свечек является головка на 16 мм, реже – 14 и 18 мм. Размер зазора между центральным и боковым электродами у всех свечей зажигания в пределах 0,5 мм – 2,0 мм, но наиболее распространенный – 0,8 или 1,1 мм.

Характеристики свечи зажигания маркируются типовым обозначением – буквенно-цифровым кодом, который наноситься на свечу и на упаковку. Типовые обозначения свечей различаются в зависимости от производителя, унифицированных обозначений нет.

Ознакомимся с разновидностями свечей

Свечки классифицируются по конструкции и по материалу электродов.

По конструкции, свечи зажигания разделяют на двухэлектродные (первая) и многоэлектродные (вторая):

Многоэлектродные свечи служат дольше и они более надежные, сейчас объясню почему. При эксплуатации свеч электроды выгорают, после чего нарушается искрообразование. Боковой электрод выгорает гораздо быстрее. Так вот, в многоэлектродных свечках, искра проскакивает между центральным и одним из боковых электродов, нагрузка распределяется между боковыми электродами, тем самым, увеличивая их срок службы.

По материалу электродов свечки разделяют на классические и иридиевые. Есть еще и платиновые (платиновая напайка на электродах, которая более устойчива к разрушению), но как класс я их не рассматриваю. С обычными свечками все понятно.

Давайте ознакомимся с иридиевыми.

На рисунке изображена иридиевая свечка (1 — боковой электрод с платиновой напайкой, 2 — иридиевый электрод диаметром 0,6 мм, который приваривается лазерной сваркой). Если присмотреться, то на боковом электроде можно увидеть платиновую напайку. Такие свечи имеют ряд неоспоримых преимуществ перед классическими:

• Центральный электрод очень тонкий, что позволяет «концентрировать» напряжение зажигания;
• Иридий практически не выгорает, на сердечнике практически не скапливаются отложения;
• Благодаря тонкому сердечнику сведен к минимуму гасящий эффект при распространении пламени;
• Иридиевый сердечник прослужит как минимум в два раза дольше.

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.

Тепловую характеристику (калильное число) свечи оптимизируют, изменяя длину центрального электрода и теплового конуса изолятора

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.

Электроды с наконечниками из
экзотических металлов прежде всего
увеличивают долговечность свечи

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.