Тепловая характеристика свечей зажигания автомобиля

Рис. 1 Различие свечей зажигания по калильному числу: а) горячая свеча; б) свеча с умеренным калильным числом; в) холодная свеча; г) разновидности электродов.

Электроискровая свеча зажигания на автомобильном двигателе работает в крайне тяжелых условиях, так как подвергается комплексному циклическому воздействию механических, термических и электрических нагрузок, изменяющихся в широких пределах.

Кроме того, детали свечи зажигания подвергаются химическим воздействиям со стороны топливовоздушной смеси, а также со стороны продуктов сгорания топлива и моторного масла.

Во время работы двигателя автомобиля, свечи зажигания подвергаются воздействию колебаний температуры в камере сгорания от 60 до 3000°С. В результате тепловой конус изолятора и электроды нагреваются до некоторой температуры. При неполном сгорании топливовоздушной смеси, а также из-за попадания моторного масла в камеру сгорания на поверхности теплового конуса изолятора свечи зажигания образуется токопроводящий нагар, шунтирующий искровой промежуток свечи. Из-за шунтирующего действия нагара, сопротивление которого в зависимости от температуры работающего двигателя автомобиля может изменяться от 0,5 до 1,0 МОм (в холодном состоянии чистая свеча зажигания имеет сопротивление изолятора 500... 10000 МОм), во вторичной цепи системы зажигания появляется ток утечки. Ток утечки еще до пробоя искрового промежутка в свече вызывает падение напряжения во вторичной цепи. В результате напряжение, подводимое к электродам свечи, уменьшается и может оказаться равным или даже меньше пробивного напряжения искрового промежутка. Это приводит к пропускам искрообразования или искра между электродами вообще не возникает. Утечка тока может иметь место и по наружной поверхности изолятора, если она загрязнена или покрыта влагой. Вредное влияние нагара, влаги и загрязнений может быть уменьшено внутри свечи путем увеличения пути для протекания тока утечки, что достигается удлинением теплового конуса, а снаружи — ребрением поверхности изолятора и ее укрытием под грязезащитный колпачок. При нагреве теплового конуса изолятора до температуры 400...500°С нагар на его поверхности отслаивается. Эта температура называется температурой самоочищения свечи. Для быстрого нагрева теплового конуса до температуры самоочищения он должен быть достаточно длинным. С другой стороны, при работе двигателя под полной нагрузкой температура теплового конуса и электродов не должна превышать 850...900°С. Иначе может возникнуть самопроизвольное воспламенение топливовоздушной смеси (калильное зажигание) от сильно разогретых частей свечи зажигания (причиной калийного зажигания часто является нагар не только на свечах, но и на других частях камеры сгорания).

Калильное зажигание

Калильное зажигание возникает во время сжатия еще до момента появления искры в свече и характеризуется резким ростом температуры и давления газов в камере сгорания. Процесс сгорания топливовоздушной смеси становится неуправляемым, мощность двигателя падает, а его перегрев может привести к серьезным поломкам поршней, клапанов, коленчатого вала, разрушению изолятора свечей и выгоранию электродов. Таким образом, чтобы свеча не покрывалась нагаром и не вызывала калильного зажигания, температура ее теплового конуса должна быть в пределах 400...900°С. Температуру 400...900°С теплового конуса изолятора называют тепловым пределом работоспособности свечи, который для всех свечей практически одинаков. Однако двигатели существенно различаются по мощности, по типу используемого бензина, по степени сжатия, а, следовательно, и по тепловой напряженности. Чем больше форсирован двигатель, тем большее количество тепла выделяется в камере сгорания, тем лучше должно отводится тепло от свечи, чтобы она не перегревалась. Основная часть тепла (80%) отводится через центральный электрод по тепловому конусу изолятора. Далее одна часть данного теплового потока проходит по теплоотводящей шайбе и резьбовой части корпуса, а другая — через опорную поверхность корпуса и прокладку. Таким образом, чтобы выдержать тепловой предел работоспособности свечи, размеры её конструктивных элементов и их формы (главным образом теплового конуса изолятора) должны быть согласованы с тепловой напряженностью двигателя. Отсюда следует, что для различных двигателей требуются свечи зажигания с различной тепловой характеристикой.

Для определения "тепловая характеристика свечи зажигания" однозначного терминологического соглашения пока не существует. Чаще всего тепловая характеристика свечи зажигания выражается калильным числом. Калильное число свечи зажигания представляет собой некоторое условное число, которое характеризует способность свечи работать в условиях специального эталонного двигателя без калильного зажигания.

Согласно российскому ГОСТу 2043-74 под калильным числом понимается условное число из ряда 8, 11, 14, 17, 22, 23, 26, которое пропорционально среднему индикаторному давлению, при котором во время испытания свечи зажигания на тарировочном одноцилиндровом двигателе в цилиндре двигателя начинает появляться калильное зажигание.

Ряд зарубежных фирм под калильным числом принимает величину, пропорциональную времени, по истечении которого свеча, установленная на специальный испытательный двигатель, работающий при определенном режиме, начинает давать калильное зажигание. В некоторых случаях для оценки свечей различных типов используется показатель — относительное калильное число свечи зажигания. Этот показатель является произведением длины теплового конуса изолятора свечи (в мм) на ее калильное число.

Реже в качестве тепловой характеристики используется тепловое число, которое представляет собой отношение литровой мощности (в лошадиных силах) двигателя к площади поверхности нижней части изолятора (см.), воспринимающей тепло. Такая характеристика является мерой тепловой напряженности свечи зажигания.

В общем случае, тепловая характеристика конкретной свечи зажигания зависит от теплопроводности ее центрального электрода и центрального изолятора; от площади и кривизны поверхности теплового конуса изолятора; от формы запальной полости, доступной для рабочей смеси и других факторов. Изменяют тепловую характеристику свечей, в основном, изменением длины теплового конуса изолятора и площадью его соприкосновения с корпусом свечи (рис. 1).

Свеча, предназначенная для низкооборотистого двигателя с умеренным тепловым режимом, имеет длинный тепловой конус (рис. 1а). Изолятор такой свечи получает во время работы двигателя большое количество тепла и нагревается до температуры 600...700°С. Такая свеча называется "горячей". Свеча для быстроходного двигателя с высокой степенью сжатия и напряженным тепловым режимом имеет короткий тепловой конус (рис. 1в), утопленный в корпусе и близко к нему прилегающий. Благодаря этому доступ горючей смеси к запальной полости несколько затруднен, но путь отвода тепла при этом значительно укорочен. Как следствие, изолятор получает меньшее количество тепла и лучше охлаждается (средняя температура нагревания изолятора не превышает 500...600°С). Такую свечу называют "холодной" и она работает без калильного зажигания при напряженном тепловом режиме двигателя. Однако в холодной свече зажигания короткий тепловой конус изолятора становится более восприимчивым к шунтирующему действию нагара.

В зависимости от принятого способа определения тепловой характеристики для свечей зажигания установлены ряды калильных чисел (таблица. 1). Эти ряды составляются фирмами изготовителями и отличаются друг от друга по информационной значимости условных единиц. Калильное число обязательно указывается в маркировке любой свечи зажигания.

Таблица 1

Простые рекомендации при замене и обслуживании автомобильных свечей зажигания