Устройство свечи зажигания

В бензиновых двигателях внутреннего сгорания для воспламенения топливно-воздушной смеси используют искровые свечи зажигания. Электрический разряд напряжением в тысячи вольт возникает между электродами свечи на каждом цикле работы двигателя, и в определенные моменты воспламеняет топливно-воздушную смесь внутри цилиндра.

Впервые свечу зажигания, какой мы ее знаем по сей день, разработал в 1902 году ученый Роберт Бош для питания от высоковольтного магнето, спроектированного в мастерской его одноименной компании. С того самого момента свечи зажигания стали широко использоваться в двигателях внутреннего сгорания, причем устройство искровой свечи конструктивно до сих пор не изменилось, эволюционировали лишь применяемые в ней материалы.

Принципиально свеча зажигания включает в себя следующие главные элементы: металлический корпус, изолятор и центральный проводник. Некоторые свечи дополнительно содержат встроенный резистор между центральным электродом и контактным выводом. В любом случае три модифицированных элемента — основа любой свечи зажигания.

В верху на свече располагается контактный вывод, к которому присоединяются высоковольтные провода системы зажигания или отдельная высоковольтная катушка. Конструкции могут отличаться, но чаще всего сверху на свече фиксируется защелкивающийся контакт либо крепление осуществляется при помощи гайки. Обычно вывод центрального проводника на контактный вывод универсален: защелкивающийся контакт устанавливается на резьбе и при необходимости легко отвинчивается.

Изолятор свечи изготавливается обычно из алюминиево-оксидной керамики, термостойкость которой доходит до 1000 °C, а пробивное напряжение составляет не менее 60 кВ. Именно состав изолятора и его габариты определяют тепловую маркировку конкретной свечи. Наиболее важна верхняя часть изолятора, которая непосредственно контактирует с электродом, она определяет то, насколько качественно будет работать данная свеча.

По краям изолятора сделаны удлиняющие путь тока ребра для затруднения электрического пробоя по его поверхности. Данное решение эквивалентно удлинению изолятора. Идея относительно использования керамики в конструкции высоковольтной искровой свечи зажигания принадлежит немецкому инженеру Готтлобу Хонольду.

Основа корпуса свечи — так называемая «юбка», которая служит для установки и фиксации свечи на резьбе в головку блока цилиндров, а также для отвода тепла как от изолятора, так и от электродов. Юбка проводит электрический ток между боковым электродом свечи и «массой» электрической бортовой сети автомобиля. Над юбкой установлен уплотнитель для защиты от прорыва горючих газов из камеры сгорания наружу.

Боковой электрод свечи сделан из стали, легированной марганцем и никелем. Он приваривается к корпусу свечи путем контактной сварки. Этот электрод всегда сильно разогревается во время работы двигателя внутреннего сгорания, что может привести к калильному зажиганию. У некоторых свечей боковых электродов несколько.

Долговечности данным электродам можно придать если покрыть их напылением из таких благородных металлов, как платина — таким образом делают более дорогие свечи, которые способны прослужить 100000 километров, что порой выгодно, ведь в V-образных двигателях замена свечи — весьма трудоемкий процесс.

В роли бокового электрода может выступать и непосредственно корпус свечи, именно такие свечи начиная с 1999 года появились на рынке под названием плазменно-форкамерные свечи зажигания. Они снабжены особой жаропрочной сферической насадкой.

Искровой зазор получается у таких свечей кольцевым, и электрический разряд перемещается здесь по круговой траектории, а первичное воспламенение воздушно-бензиновой смеси происходит в форкамере. Данное решение обеспечивает самоочистку электродов, так как они постоянно продуваются, что обеспечивает продление ресурса свечи. Насколько эффективны форкамерные свечи — вопрос до сих пор спорный.

Сердцевина свечи зажигания — центральный электрод. Он соединен с контактным выводом изделия через стеклогерметик с резистором. Это нужно для снижения радиопомех, вызываемых работой системы зажигания. Центральный электрод оснащен наконечником из железо-никелевых сплавов с добавлением хрома и меди. Может быть напылен иттрий, также иногда встречается платиновая напайка, либо электрод может быть утонченным и изготовлен целиком из иридия.

Центральный электрод свечи зажигания — в принципе самая горячая ее деталь. Кроме того он должен обеспечить надлежащий уровень электронной эмиссии, чтобы искра возникала на нем, как на катоде, легко.

Так как электрическое поле имеет максимум напряженности на краях электрода, искра образуется именно между острым краем центрального электрода и краем бокового электрода, поэтому в данных местах наблюдается наибольшее воздействие электрической эрозии.

В былые времена у автолюбителей было принято время от времени вынимать свечи и счищать с электродов следы эрозии. Сейчас проблему помогают предотвратить используемые в наконечниках сплавы (платина, иттрий, иридий), обеспечивающие электродам продление срока службы.

Расстояние между боковым электродом корпуса и центральным электродом свечи формируют зазор для искры. Величина зазора является компромиссом между возможностью пробить зазор, находящийся в среде сжатой воздушно-бензиновой смеси и объемом плазмы, который возникает при пробое. Чем шире зазор — тем крупнее искра, выше вероятность воспламенения топливной смеси, ниже требования к качеству топлива.

Но слишком большой зазор может привести к пробою на бегунок, на провода, и на другие части автомобиля. Более широкий зазор искре труднее пробить, и она будет скорее стремиться просочиться через изоляцию.

Более крупному зазору необходимо большее напряжение для нормального образования искры. Однако система зажигания имеет неизменную величину напряжения, а вот зазор у свечи в принципе изменить можно. К тому же чем острее электроды — тем легче высокому напряжению пробить зазор. Но чем выше давление в топливной смеси — тем зазор пробить тяжелее. Здесь также нужен компромисс.

Зазор свечей зажигания не является постоянной величиной, заданной один раз. Его необходимо подстраивать под конкретный текущий режим эксплуатации двигателя. При переоборудовании автомобиля на сжиженный и сжатый газ, искровой зазор уменьшают из-за большего пробивного напряжения, чем у воздушно-бензиновой смеси.

Андрей Повный