Условия работы и тепловая характеристика свечи

Современные поршневые двигатели внутреннего сгорания работают по четырехтактному или двухтактному рабочему циклу. Автомобильные двигатели, за редким исключением, работают по четырехтактному циклу, осуществляемому за два полных оборота коленчатого вала и четыре хода поршня. Двигатели различного назначения особо малого рабочего объема работают по двухтактному циклу, осуществляемому за один оборот коленчатого вала и два хода поршня.

В процессе работы двигателя на свечи воздействуют переменные электрические, тепловые, механические и химические нагрузки с частотой, пропорциональной частоте вращения коленчатого вала. Нагрузка на свечу при работе на двухтактном двигателе по меньшей мере вдвое больше, чем на четырехтактном, что существенно уменьшает срок ее службы.

Тепловые нагрузки. Свечу устанавливают в головке блока цилиндров так, что ее рабочая часть находится в камере сгорания, а контактная - в подкапотном пространстве. Температура газов в камере сгорания изменяется от нескольких десятков градусов Цельсия на впуске до двух-трех тысяч при сгорании. Температура под капотом автомобиля может достигать 150 °С.

На многих автомобилях, и тем более мотоциклах, не исключена возможность попадания воды на свечу, особенно при мойке, что может привести к повреждению изолятора.

Из-за неравномерности нагрева температура в различных сечениях свечи может отличаться на сотни градусов, что приводит к тепловым напряжениям и деформациям. Это усугубляется тем, что изолятор и металлические детали значительно отличаются по величине коэффициента термического расширения.

Механические нагрузки. Давление в цилиндре двигателя изменяется от давления ниже атмосферного на впуске до 50 кгс/см2 и выше при сгорании. При этом свечи дополнительно подвергаются вибрационным нагрузкам.

Химические нагрузки. При сгорании образуется целый "букет" химически активных веществ, способных вызвать окисление даже весьма стойких материалов, тем более что рабочая часть изолятора и электродов может иметь рабочую температуру до 900 °С.

Электрические нагрузки. При искрообразовании, длительность которого может составлять до 3 мс, изолятор свечи оказывается под воздействием импульса высокого напряжения, максимальное значение которого зависит от давления и температуры в камере сгорания и величины искрового зазора. В некоторых случаях напряжение может достигать 20-25 кВ (амплитудное значение). Некоторые типы систем зажигания могут создавать напряжение значительно выше, но его ограничивает пробивное напряжение искрового зазора или напряжение поверхностного перекрытия изолятора.

В дуговой фазе разряда протекание сильного тока приводит к появлению горячих катодных пятен на электроде. Электрическая дуга не может существовать без электронов, излучаемых горячими катодными пятнами. Температура пятен достигает 3000 К, что выше температуры плавления даже самого тугоплавкого металла. Это приводит к неизбежному микроскопическому испарению материала электрода с каждой новой искрой. Скорость электрической эрозии при прочих равных условиях пропорциональна энергии искрового разряда и температуре электрода.

Отклонения от нормального процесса сгорания

Нормальное сгорание горючей смеси происходит со скоростью нескольких десятков метров в секунду и сопровождается относительно плавным нарастанием температуры и давления в цилиндре двигателя. В результате искрового зажигания образуется первичный очаг воспламенения, затем формируется фронт пламени, который быстро распространяется по всему объему камеры сгорания. Несгоревшее топливо догорает уже за фронтом пламени, в пристеночных зонах, в зазорах между поршнем и цилиндром. При некоторых условиях нормальный процесс сгорания может нарушаться, что отражается на надежности и сроке службы свечи. К таким нарушениям можно отнести следующие.

Пропуски воспламенения. Могут возникнуть из-за переобеднения горючей смеси, пропусков искрообразования или недостаточной энергии искры. При этом усиливается процесс образования нагара на изоляторе и электродах.

Калильное зажигание. Различают преждевременное, до появления искры, сопровождающее появление искры и запаздывающее воспламенение горючей смеси, вызванное перегретыми участками поверхностей выпускного клапана, поршня, цилиндра или свечи. Кроме того, преждевременное воспламенение может быть вызвано тлеющими частицами нагара. При преждевременном калильном зажигании самопроизвольно увеличивается угол опережения зажигания. Это приводит к росту скорости нарастания давления и температуры, увеличивается их максимальное значение, детали двигателя перегреваются и угол опережения зажигания еще больше увеличивается. Процесс принимает ускоряющийся характер до момента, когда угол опережения зажигания станет таким, что мощность двигателя начнет стремительно падать.

При калильном зажигании вероятны повреждения выпускного клапана, поршня, поршневых колец, поверхности цилиндра и прокладки головки блока цилиндров. У свечи могут полностью или частично сгореть электроды, а некоторых случаях может даже оплавиться изолятор.

Детонация. Это явление возникает при недостаточной детонационной стойкости топлива в наиболее удаленном от свечи месте у горячих поверхностей, в результате сжатия еще не сгоревшей горючей смеси основным фронтом пламени. Детонация распространяется со скоростью 1500-2500 м/с, что превышает скорость звука. Ударные волны многократно отражаются от стенок и вызывают вибрацию и локальный перегрев цилиндра, поршня, клапанов и свечи. Возможны повреждения, как при калильном зажигании, так как перегретые детали становятся неспособными выдерживать возросшую нагрузку. На изоляторе свечи могут образоваться сколы и трещины, электроды могут оплавиться и даже полностью выгореть. Характерными признаками детонации являются металлические стуки, вибрация и потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива и иногда появление черного дыма из выпускной трубы.

Особенностью детонации является некоторая задержка по времени от момента наступления необходимых условий до ее возникновения. Задержка необходима для образования активных веществ, способствующих возникновению взрывного процесса. В связи с этим детонация наиболее вероятна при относительно небольших оборотах коленчатого вала и полной нагрузке. Наиболее вероятен выход на этот режим при движении автомобиля на подъеме при полностью нажатой педали газа. Если при этом мощность двигателя оказывается недостаточной, скорость автомобиля и частота вращения коленчатого вала уменьшаются. При недостаточном в данных условиях октановом числе топлива возникает детонация, сопровождаемая звонким металлическим стуком.

Для устранения детонации достаточно перейти на пониженную передачу и увеличить обороты двигателя.

Безусловным является требование использовать только топливо, соответствующее двигателю по октановому числу.

Дизелинг. В некоторых случаях возникает крайне неравномерная неуправляемая работа бензинового двигателя с выключенным зажиганием при очень малой частоте вращения коленчатого вала. Это явление возникает из-за самовоспламенения горючей смеси при сжатии, подобно тому, как это происходит в дизелях. В русской технической литературе "дизелинг" является сравнительно новым термином, взятым из английского языка (dieseling).

На двигателях, преимущественно карбюраторных, где не исключена возможность подачи топлива в цилиндр при выключенном зажигании, дизелинг возникает при попытке остановить двигатель. При выключении зажигания двигатель продолжает работать с очень малыми оборотами и крайне неравномерно. Это может продолжаться несколько секунд, иногда дольше, затем двигатель самопроизвольно останавливается. Проще всего объяснить это явление калильным зажиганием от перегретой свечи, но она полностью непричастна.

Причина дизелинга - в особенностях конструкции камеры сгорания и в качестве топлива (низкая стойкость к самовоспламенению при сжатии). Свечи не могут являться причиной этого явления, так как их температура при малых оборотах явно недостаточна для воспламенения горючей смеси. Калильное зажигание возникает при температуре электродов и изолятора 850-900 °С, такой величины она может достигнуть только при работе двигателя с максимальной мощностью. При остановке двигателя температура этих деталей не превышает 350 °С. Свеча в этих условиях не причина, а скорее "жертва", так как из-за неполноты сгорания усиливается процесс образования нагара.

Качество топлива и моторного масла

Для обеспечения нормальной работы свечей автомобильные бензины должны иметь достаточную детонационную стойкость, минимальное коррозионное воздействие и не иметь склонности к отложениям.

Детонационная стойкость топлива зависит от его химического состава и структуры углеводородов, полученных при переработке нефти. Способность сопротивляться появлению детонации зависит от молекулярной массы - чем она выше, тем ниже стойкость топлива к детонации и наоборот. Стойкость бензина к детонации, так называемое октановое число, определяется в лабораторных условиях моторным и исследовательским методом на специальной моторной установке, путем сравнения стойкости испытуемого бензина и изооктана в смеси с гептаном. Октановое число изооктана принимают равным 100. Добавка гептана, нестойкого к детонации, снижает октановое число смеси.

Промышленное производство бензина включает первичную и вторичную переработку нефти с последующим смешением различных компонентов для получения необходимых свойств.

При первичной переработке нефти (прямой перегонке) получают 10-25 % бензина невысокого качества с октановым числом 40-50. При вторичной переработке нефти на крупных нефтеперерабатывающих заводах ее подвергают сложной технологической обработке с целью расщепления крупных молекул на мелкие, стабилизации химического состава и удаления вредных примесей, особенно серы. Выход бензина увеличивается до 60 %. Затем, путем смешения продуктов первичной и вторичной переработки нефти с добавлением различных присадок получают товарные бензины. Автомобильные бензины одной марки, производимые на разных предприятиях, в связи с разницей в технологии, имеют несколько различные составы.

Для повышения октанового числа в бензин добавляют антидетонаторы - химические соединения, подавляющие детонацию. Для удаления из камеры сгорания продуктов сгорания при применении антидетонационных присадок в топливо добавляют так называемые выносители - химические вещества, способствующие удалению продуктов сгорания. Тем не менее, условия работы свечи при использовании антидетонаторов существенно ухудшаются.

Полностью удалить продукты сгорания не удается, и на электродах и тепловом конусе изолятора свечи образуется нагар. Под воздействием температуры эти отложения могут стать электропроводящими и вызвать частичный или полный отказ в искрообразовании.

Небольшие фирмы получают высокооктановые бензины АИ-95 и АИ-98 путем добавки в бензины АИ-92 и АИ-95 до 12-15 % метил-трет-бутилового эфира, при этом бензин имеет необходимое качество. Достаточно широко используются различные железосодержащие антидетонаторы и традиционный антидетонатор на основе тетраэтила свинца - этанол (в этом случае добавляют краситель, так как этанол ядовит).

К сожалению, недобросовестные производители изготавливают суррогатный бензин из низкооктановых бензинов, добавляя антидетонационные присадки свыше действующих норм.

Сверхнормативное использование (более 37 мг Fe/л) содержащих железо антидетонаторов, например ФерРоз, ФК-4 или АПК вызывает отложение токопроводящего нагара красного цвета на свечах. Этот нагар практически невозможно удалить, он приводит к полному и необратимому их отказу.

Моторные масла также имеют нефтяное происхождение и содержат присадки: противостоящие износу, стабилизирующие, антикоррозионные, моющие и т.д. При сгорании масла, попавшего в камеру сгорания, образуются зольные остатки, которые, как и продукты неполного сгорания топлива, могут образовывать нагар на свечах.

Коррозионное воздействие бензина определяется содержанием кислот, щелочей и сернистых соединений. Сильным коррозионным воздействием на металлы обладают минеральные кислоты и щелочи, их наличие в бензинах недопустимо. Сернистые соединения обладают высокой коррозионной активностью и способствуют образованию нагара, однако полностью избавиться от них непросто, особенно при переработке сернистой нефти.

Образование нагара и самоочищение

Нагар на свече - это твердая углеродистая масса с шероховатой поверхностью, образующаяся при температуре поверхности 200 °С и выше. Свойства, внешний вид и цвет нагара зависят от условий его образования, состава топлива и моторного масла. В некоторых случаях, особенно на двухтактных двигателях, нагар может образовать в искровом зазоре электропроводный мостик и вызвать короткое замыкание во вторичной цепи системы зажигания. И в том, и в другом случае происходит частичное или полное прекращение искрообразования. Если свечу очистить от нагара, то ее работоспособность восстанавливается. Поэтому одно из важнейших требований к свече - способность самоочищаться от нагара. Во многом степень совершенства ее конструкции определяется именно этим свойством.

Удаление нагара, если в продуктах сгорания нет несгораемых веществ, происходит при температуре 300-350 °С - это нижний температурный предел работоспособности свечи. Эффективность самоочищения от нагара зависит от того, как быстро тепловой конус изолятора нагреется до этой температуры после пуска двигателя. С этой точки зрения длину теплового конуса изолятора необходимо выполнять как можно большей, а сам тепловой конус целесообразно выдвигать в камеру сгорания. То же самое требуется для предотвращения утечек тока и соответственно для снижения потерь энергии зажигания.

Тепловая характеристика

Тепловая характеристика свечи - это зависимость температуры теплового конуса изолятора или центрального электрода от режима работы двигателя.

Различие в тепловых характеристиках свечей достигают в основном за счет изменения длины теплового конуса изолятора (рис. 1).

Рис. 1. Различие свечей по тепловым характеристикам: а - тепловые характеристики свечей: 1 - "горячей" свечи (не соответствующей данному двигателю по верхнему пределу); 2 - свечи, соответствующей данному двигателю по тепловой характеристике; 3 - "холодной" свечи (не соответствующей данному двигателю по нижнему пределу); 4 - верхний температурный предел; 5 - нижний температурный предел; А - точка разрушения; б - свечи с различными тепловыми характеристиками: 1 - "горячая" свеча с более длинным тепловым конусом; 2 - нормальная свеча с оптимальной для данного двигателя длиной теплового конуса; 3 - "холодная" свеча с более коротким тепловым конусом (теми же цифрами на рис. 2, а обозначены соответствующие диапазоны работоспособности данных свечей)

Удлинение теплового конуса изолятора приводит к увеличению подвода тепла в свечу и к росту ее рабочей температуры. Максимальное значение температуры не может превышать 850-900° С, так как при этом возникает калильное зажигание. Эта величина является верхним температурным пределом работоспособности свечи. Температурные пределы работоспособности свечи неизменны на любом двигателе вне зависимости от его удельной мощности и особенности конструкции.

В настоящее время еще не создана экономически обоснованная и технологически выполнимая в массовом производстве свеча, которая была бы способна работать на любом двигателе, поддерживая рабочую температуру в допустимых температурных пределах. Для обеспечения этого условия на двигателях, отличающихся тепловой напряженностью, свечи изготавливают с различными тепловыми характеристиками.

Непрерывный рост удельных мощностей двигателей при ужесточении норм токсичности отработавших газов требует улучшения тепловых характеристик свечей. В настоящее время наиболее распространены следующие методы их улучшения.

1. Сборку свечей осуществляют с минимально возможными зазорами между деталями. Полностью устранить зазоры не удается из-за различия коэффициентов термического расширения изолятора и металлических деталей.

2. Центральный электрод изготавливают биметаллическим: из меди с жаростойкой оболочкой из сплава на основе Ni-Cr-Fe (рис. 2).

Рис. 2. Свеча с биметаллическим центральным электродом (показан стрелкой) 3. Тепловой конус изолятора делают выступающим из корпуса на 1,5-2,0 мм (рис. 3).

Рис. 3. Свечи с выступанием и без выступания теплового конуса изолятора за торец корпуса: 1 - свеча А17ДВ -1 с выступающим за торец корпуса тепловым конусом изолятора; 2 - свеча А20Д без выступания за торец корпуса теплового конуса изолятора

Первые два метода обеспечивают высокую теплопроводность свечи в целом, позволяют существенно увеличить длину теплового конуса изолятора без увеличения его максимальной рабочей температуры и, следовательно, улучшить тепловую характеристику. Выступание изолятора за торец корпуса ускоряет прогрев теплового конуса в зоне нижнего температурного предела.