Вверни и езжай!

Бензин, огонь и выхлопные трубы — приблизительно так в четырех словах можно описать сферу работы свечи зажигания. Но для того, чтобы понять, какие нагрузки испытывает самая обыкновенная свеча при работе, этих слов будет явно недостаточно.

Вначале 10-25 кВ напряжение искрового пробоя прошивает центральный электрод свечи, почти мгновенно температура бензовоздушной смеси на впуске в камеру сгорания вырастает от нескольких десятков градусов до двух-трех тысяч градусов при воспламенении, в этот же момент давление в цилиндре переваливает за 50 кгс/см кв., а разогретая до 800 градусов по Цельсию, иногда и выше, рабочая часть свечи подвергается атакам химически активных веществ, состав и количество которых зависят как от качества самого бензина, так и количества присадок, содержащихся в нем. Теперь все это суммируем, умножаем на миллион, два, три миллиона рабочих циклов. Вполне естественно возникает вопрос: «За счет чего свеча зажигания может успешно справляться со столь непростой работой?». Для развернутого ответа на этот вопрос и для того, чтобы полнее оценить конструктивное совершенство современной свечи зажигания, необходимо обратиться к ее истории.

БЕЗЛОШАДНЫЙ ЭКИПАЖ

На рубеже ХIХ-ХХ веков на дорогах Европы и Америки стало встречаться все больше и больше безлошадных экипажей, приводимых в движение паровыми, электрическими, газовыми и бензиновыми двигателями. Установив на трехколесную повозку усовершенствованную модель 4-тактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) конструкции Николауса Отто, в 1883 году Карл Бенц и Готлиб Даймлер явили миру первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, работающим на жидком топливе — бензине.

Несмотря на его такие очевидные преимущества, как высокая удельная мощность, малый удельный вес, высокая частота вращения и экономичность в сравнении с остальными конструкциями двигателей тех лет (исключая двигатель Рудольфа Дизеля), бензиновому двигателю внутреннего сгорания пришлось в течение почти двадцати лет доказывать свое преимущество. К примеру, в 1899 году в Соединенных Штатах Америки из всех выпущенных самодвижущихся экипажей 40% составляли «паромобили», 38% «электромобили» и только 22% автомобили с бензиновыми двигателями. Немаловажным фактором, препятствовавшим бензиновому двигателю занять доминирующее положение, являлось несовершенство системы зажигания и свечи зажигания.

Наиболее распространенная модель на то время системы зажигания с так называемой «запальной трубкой» в 1900 году выглядела следующим образом: в головке блока цилиндров размещалась керамическая трубка-изолятор с пропущенным по ней высоковольтным проводом, один конец которого выходил непосредственно в цилиндр ДВС. Такая конструкция позволяла сообщаемому по ней высокому напряжению, вырабатываемому динамо-машиной, совершать пробой в виде искры на поршень или стенку цилиндра, поджигая рабочую смесь. Максимальное количество оборотов в минуту такого двигателя обычно не превышало и тысячи. Понятно, что с такими показателями бензиновому ДВС было непросто конкурировать с конструкциями других двигателей. Ситуацию, в которой оказался бензиновый двигатель на пороге ХIХ-ХХ веков, прекрасно иллюстрируют слова самого Карла Бенца, сказанные им после серии неудачных попыток увеличить мощность своего детища: «Без надежной работы свечи зажигания все усилия напрасны».

ДОЛОЙ КЕРАМИКУ ИЗ ДВИГАТЕЛЯ

В 1902 году Роберт Бош, применив концепцию свечи зажигания и высоковольтного магнето, принципиально решает проблему того, как сообщить высокое напряжение на свечу в четко определенный момент. Но это изобретение лишь наполовину решило проблему низкой эффективности и надежности работы системы зажигания, так как свеча зажигания еще долго продолжала оставаться ее «ахиллесовой пятой». Для получения надежного образца свечи еще только предстояло найти материалы, пригодные для ее изготовления.

В первую очередь это касалось изолятора. Изолирующим материалом для первых свечей служило мало подходившее для таких целей керамическое сырье, и в первое время оно ничем не отличалось от того, что шло на изготовление обыкновенной керамической посуды. Ничего удивительного не было в том, что такая свеча начинала разрушаться уже при небольших тепловых перегрузках, плохо переносила вибрацию, детонацию и другие механические воздействия неотъемлемых спутников работающего двигателя. Оттого нередки были случаи, когда изолятор свечи под воздействием всех вышеперечисленных негативных факторов рассыпался прямо во время работы двигателя, обрушаясь всеми своими частями прямо внутрь цилиндра. Излишне объяснять, что после таких встрясок весь кривошипно-шатунный механизм надолго выходил из строя.

Тогда на борьбу за улучшение качества изолятора свечи были мобилизованы все мало-мальски известные и исследованные диэлектрики того времени: стекло, кварц, слюда, тальк, резина и даже некоторые сорта древесины. Много времени было потрачено на попытки использовать огнеупорное стекло в качестве изолятора, но из приведенного выше списка материалов лучше всего с поставленными задачами справлялась слюда. Свеча со слюдяным изолятором была устойчива к механическим нагрузкам, хорошо отводила тепло и обладала прекрасными изолирующими свойствами. Но дожить до наших дней слюдяной свече помешало то, что даже при очень незначительных тепловых перегрузках слюдяной изолятор быстро дегидрирует и распадается. Как это ни странно, но к началу Второй мировой войны абсолютное большинство двигателей американских ВВС снабжались именно такими свечами, тогда как в самолетах германских «люфтваффе» уже широко применялись свечи с изолятором из высококачественной керамики.

БЕНЗИН ЕСТЬ ДВИГАТЕЛЬ ПРОГРЕССА

В тот же предвоенный период нефтеперерабатывающая промышленность наладила массовое производство этилированного бензина. Добавление тетраэтилсвинца в традиционный состав бензина позволило значительно улучшить октановое (антидетонационное) свойство бензина. И вскоре этилированный бензин с успехом вытеснил отовсюду своего предшественника. Но свинец, присутствовавший в этом соединении, прекрасно справлялся не только с детонацией в цилиндрах, но и с традиционными на то время изоляторами и электродами свечей зажигания, вызывая у последних следы глубокой эрозии за самые короткие сроки. И только с появлением новой конструкционной керамики с высоким содержанием оксида алюминия удалось прекратить разрушительное воздействие этилированного бензина на изолятор свечи.

Характеризуя свечу зажигания на рубеже тридцатых — сороковых годов, про нее можно сказать следующее: это была свеча со стальным корпусом и присоединительной резьбой, нарезанной по его внешнему контуру, центральный электрод в форме округлого стержня, изготовленного из хромоникелевого сплава с традиционным Г-образным боковым электродом. Изолятор свечи изготавливался из керамики с высоким содержанием оксида алюминия. Средняя продолжительность службы такой свечи не превышала 8-10 тысяч километров, а ее функциональные возможности волне соответствовали нуждам автомобилестроения тех лет. Но грянувшая война моторов диктовала свои условия, и в первую очередь о своих правах заявила авиация, чьи форсированные поршневые двигатели требовали стократного запаса надежности для каждой из устанавливаемой на него детали. Так, авиадвигатели, начиная с периода сороковых годов, стали комплектоваться свечами с поистине революционными на то время техническими решениями. Это были свечи с продублированными боковыми электродами, со способностью к очищению изолятора энергией искрового разряда т.н. «воздушно-поверхностным разрядом» и биметаллическим центральным электродом, внутрь электрода был помещен теплопроводящий мостик в виде медного сердечника, что позволило значительно расширить границы рабочего теплового режима свечи. Эта конструкция оказалась настолько удачной, что даже в ходе последующих десятилетий ее эксплуатации в нее не потребовалось вносить каких-либо серьезных изменений.

ПОЛИТИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ

В отличие от авиаторов, ни в сороковые годы, ни в период 50-60-х годов, автолюбители не были избалованы свечными новинками. На тот период свеча превратилась едва ли не в самую консервативную деталь двигателя и мало чем отличалась от своего довоенного предшественника, исправно неся свою службу. Конечно, работа в лабораториях не прекращалась, к примеру, фирмой Bosch именно в те годы были разработаны их первые образцы свечей зажигания с использованием платины, но выпуск таких свечей ограничивался отдельными опытными партиями.

Наступил 1970 год. В тот год правительством США было принято постановление Clean Air, согласно которому выбросы вредных веществ новыми автомобилями должны быть снижены на 90% в период 1971 по 1976 годы. В 1974 году схожее постановление было принято и правительством ФРГ, а постепенно к нему присоединились и другие европейские страны. Прежде всего это означало прекращение использования этилированного бензина и возврат к неэтилированному, чьи горючие свойства значительно хуже, чем у его свинцового собрата. Рабочий объем карбюраторных двигателей резко пошел на убыль, зрела необходимость внесения серьезных изменений в существующую конструкцию ДВС.

Снять большую мощность с меньшего объема можно было только путем форсирования двигателя, а это влекло за собой изменение теплового режима двигателя, увеличение его степени сжатия и оборотов, серьезное вмешательство в шатунно-поршневую группу, создание принципиально новых систем подачи топлива, усовершенствования камеры сгорания, впускного и выпускного трактов, а также системы зажигания. Понятно, чтобы соответствовать новым требованиям, свечи также подверглись серьезной трансформации.

НАЗЛО ЮВЕЛИРАМ

Перед конструкторами свечей зажигания встали следующие задачи: необходимо было расширить рабочий тепловой режим свечи, обеспечить устойчивое искрообразование, улучшить способности свечи к самоочищению. Вот тут и пригодился опыт прежних лет. Эксперименты с традиционным хромоникелевым сплавом и его самыми разными сочетаниями с такими материалами, как медь, серебро, платина, золото. Полученные новые материалы повысили сопротивляемость электродов свечи к коррозии и эрозии, а главное, значительно улучшили их теплопроводящие свойства. В середине 1980-х годов были запущены в серию свечи с медным сердечником. Медь — прекрасный проводник тепла и электричества, что позволило новым свечам работать при более высоких температурных нагрузках, не вызывая калильного зажигания. При этом улучшились способности свечи к самоочищению и искрообразованию, срок службы таких свечей также вырос.

Но настоящим прорывом в деле производства свечей стало начало серийного выпуска свечей с платиновыми и золотопалладиевыми напайками на кончиках электродов. В 1985 году первые образцы таких свечей фирмы Bosch поступили в продажу на североамериканском рынке. Все виды традиционных свечей обладают одним неустранимым недостатком: их центральные электроды, изготовленные, как правило, из Ni-Cr-Fe и Ni-Cr-Ti, теряют сравнительно большое количество молекул металла при искровом пробое. По приблизительным расчетам после каждых 1500 километров пробега зазор между центральным и боковым электродом увеличивается настолько, что уже требуется дополнительных 500 В напряжения для успешного искрообразования. Не сложно подсчитать, что после 15-20 тысяч километров пробега таких свечей без их планового ТО напряжение искрового пробоя может возрасти на 5 и более киловольт. После чего двигателю гарантируются проблемы с запуском, неустойчивая работа на «холостых», ухудшается разгонная динамика, увеличивается содержание вредных веществ в выхлопных газах. Поэтому производитель свечей рекомендовал, а жизнь заставляла каждые 7-10 тысяч километров проверять и регулировать зазор межу электродами.

Но как только производители начали добавлять в состав электрода платину и золотопалладиевый сплав, эмиссия молекул настолько сократилась, что ресурс свечи увеличился в разы. Большинство «платиновых» свечей рассчитаны на пробег в 100 и более тысяч километров и не требуют обслуживания.

ПЛАТИНУ — В СВЕЧИ, БРИЛЛИАНТ — В КПП

В настоящее время все ведущие фирмы-производители свечей, такие как AC Delco, Bosch, Federal Mogul, NGK, Denso, могут предложить своим покупателям традиционную свечу с платиновой напайкой на кончике одного или сразу двух электродов. Но даже данная конструкция уже день вчерашний, к примеру, на сегодняшний день стандарт платиновой свечи фирмы Bosch сочетает в себе такие конструктивные решения, как центральный электрод из чистой платины с напайкой на кончике, выполненной из иттриевого сплава. Свечи этой серии Platinum+2 и Platinum+4 изготовлены по технологии свечей с воздушно-скользящей искрой, или по-другому воздушно-поверхностным разрядом. Суть данной технологии сводится к тому, что искра в зависимости от нагрузки на двигатель, степени изношенности и загрязнения свечи сама определяет наиболее оптимальный для зажигания путь от центрального к одному из боковых электродов, преодолевая его либо воздушным путем, либо скользя по поверхности изолятора, попутно сжигая на нем следы нагара. На практике применение такой технологии позволяет свечам зажигания постоянно, по мере накопления углеродистых отложений на изоляторе, немедленно входить в режим самоочищения, не дожидаясь того момента, когда корпус изолятора нагреется до температуры их сжигания. Справедливости ради надо отметить, что технологию воздушно-поверхностного разряда также используют в своих изделиях такие фирмы-производители, как NGK, Denso и некоторые другие.

Но вернемся к нашим электродам. Низкое сопротивление новых материалов позволило безболезненно для системы зажигания увеличить зазор между электродами до 1,3-1,6 мм. Вместе с зазором увеличилась и длина плазменного шнура, а чем длиннее фронт плазмы, тем эффективнее сгорание пусть даже очень бедной рабочей смеси.

Для своей серии свечей «Iridium IX» фирмой NGK и «Iridium power» фирмой Denso в качестве материала для центрального электрода используется уникальный сплав иридия и радия, полученный материал в шесть раз тяжелее и в восемь раз прочнее платины. Срок службы таких свечей переваливает за 150 000 км, толщина же центрального электрода не превышает 0,6-0,7 мм, что позволило снизить напряжение искрового пробоя на 5 кВ по сравнению с обычными свечами.

Этим же двум фирмам принадлежит авторство нанесения «V» и «U»-образных канавок на кончики электродов. Столь простое на первый взгляд дополнение позволило повысить надежность искрообразования и устойчивость к загрязнению в свечах данного вида.

В ходе работ по совершенствованию свечей зажигания изменения коснулись не только химического состава электродов, но также их формы и количества.

Конструкция свечи зажигания с несколькими боковыми электродами позволяет искре при ежесекундно меняющихся режимах работы двигателя самостоятельно определять оптимальный путь для пробоя. Соответственно это снижает риск пропуска искры, а также увеличивает срок службы всего изделия благодаря распределению нагрузки по электродам. В таких свечах искровой зазор задается заводом-изготовителем и не нуждается в регулировке в период всего срока эксплуатации.

Еще одним шагом, позволившим повысить надежность искрообразования, стало использование принципа, суть которого в том, что искра легче соскальзывает с заостренного электрода, чем с плоскоокруглого. Практическое отображение этот принцип нашел в свечах Bosch Super plus и Bosch Super 4.

БОРИСЬ С НАГАРОМ

Но все великолепие и совершенство современного электрода будет сведено на нет, если он покроется толстым слоем черного нагара. Нагар на свече — это твердая углеродистая масса с шероховатой поверхностью, образующаяся при температуре поверхности 200 градусов по Цельсию и выше. Отложения нагара на рабочей части свечи может вызывать: калильное зажигание, короткое замыкание высоковольтной цепи системы зажигания на массу при утечке тока по нагару на поверхности теплового конуса изолятора, а также пропуски искрообразования, последнее считывается автомобильной системой OBDII (на автомобилях выпуска позднее 1995 года) как ошибка, и на приборной панели немедленно вспыхивает лампа «Check Engine».

Сжигание нагара, если в продуктах сгорания нет несгораемых веществ, начинает происходить уже при температуре 350-400 градусов по Цельсию. Эффективность самоочищения от нагара зависит от того, как быстро тепловой конус изолятора нагреется до этой температуры. В то же время нельзя давать изолятору и электродам раскаляться настолько, чтобы вызвать калильное зажигание. Таким образом, рабочая температура нижней части изолятора у современных свечей колеблется в пределах 400-900 градусов по Цельсию.

Теплообмен работающей свечи выглядит следующим образом: 67% тепла воспринимает торец корпуса свечи, 21% — тепловой конус изолятора, 12% — электроды свечи центральный и боковой, более 90% от всего этого тепла уходит в головку цилиндра через резьбовое соединение. Для управления тепловой характеристики свечи важно знать следующее: через керамический изолятор центрального электрода отводится более 80% тепла, поступающего в свечу через тепловой конус и центральный электрод. Керамика — не очень хороший проводник тепла, следовательно, чем длиннее керамический изолятор свечи, тем медленнее отводится поступающее тепло, тем «горячее» данная свеча; соответственно, чем короче изолятор, тем быстрее отводится тепло и тем свеча «холоднее». Соотношение длины теплового конуса изолятора и теплопроводящих свойств центрального электрода свечи и определяют ее тепловую характеристику. Чем быстрее способен тепловой конус свечи достигать нижнего температурного порога самоочищения, тем меньше вероятность отложения нагара на его стенках.

ПОСЛЕДНИЙ ПАВШИЙ БАСТИОН

Все свечи с никельхромовыми и медными сердечниками, включая свечи с платиновыми и иридиевыми наконечниками, страдают одним и тем же недугом, из-за различия коэффициентов теплового расширения металла и керамики в местах сопряжения металлических и керамических деталей образуются воздушные микрозазоры, что приводит к ухудшению тепловых характеристик свечей. Но, похоже, и здесь привычное положение вещей было нарушено инженерами Bosch. Суть их новой технологии состоит в том, что центральный электрод из чистой платины вплавляется в изолятор с уникальным для керамики коэффициентом теплового расширения, таким образом удалось получить высококачественную, исключающую появление в ней зазоров керамометаллическую спайку. Изготовленный из такого материала конус изолятора свечи максимально быстро, в зависимости от настроек двигателя, разогревается до температуры самоочищения от нагара. В сочетании с воздушно-поверхностным разрядом такая свеча становится практически неуязвимой для нагара — блестящее решение и второй части ставившейся перед конструкторами задачи.

ЭПИЛОГ

Ну, казалось бы, все, можно ставить точку, принимая во внимание прекрасные способности современных свечей справляться с температурными, химическими, электрическими и механическими нагрузками с моторесурсом по сто и более тысяч километров. Все выглядит предельно просто — вворачиваешь такую свечу в автомобиль, ложишься на привычный курс: дом — деревня — гараж — работа, и только знай, что меняй — масло, фильтр, «резину»; и опять масло, фильтр, «резину», и снова масло; ну и, конечно, свечи примерно один раз в две пятилетки — красота, да и только! Но на практике все это доступно для очень немногих современных автомобилей, да и то при исключительно благоприятных условиях их эксплуатации. Для того чтобы понять, что заслоняет от нас столь радужную перспективу, достаточно заглянуть под капот простой отечественной малолитражки. Считаем: катушка зажигания, высоковольтные провода, крышка распределителя зажигания, бегунок, датчик «Холла», коммутатор, коммутационные провода — любая из вышеперечисленных деталей может вызвать перебои в искрообразовании, а то и вовсе прекратить его, не «пробежав» и пятидесяти из упомянутых ста тысяч километров. И это только то, что может ухватить взгляд снаружи. А если копнуть глубже, где износ поршневых колец, направляющих втулок клапанов, маслосъемных колпачков приводит к попаданию масла в камеру сгорания и на рабочую часть свечи, тогда моторесурс пусть даже самой совершенной свечи будет измерен уже не десятками тысяч, а скорее лишь сотней — другой километров, к счастью, такую картину можно встретить не часто.

При эксплуатации исправного двигателя свечи все же лучше менять в пределах рекомендованного производителем пробега. Для того чтобы стимулировать в себе это желание, существуют по крайней мере три веских причины. Во-первых, новые свечи значительно снижают вероятность пропуска искры, что как нельзя лучше сказывается на мощности и экономичности двигателя, при этом риск попадания несгоревшего топлива в катализатор — минимальный. Во-вторых, новые свечи требуют меньшего напряжения для искрообразования, что облегчает запуск холодного двигателя. В-третьих, значительно сокращается выброс вредных веществ в атмосферу.

При выборе марки и типа свечи кроме собственных пристрастий и содержимого кошелька необходимо учитывать калильное число, длину присоединительной резьбы свечи, а также напряжение, вырабатываемое вашей системой зажигания; пока на сегодняшний день избежать этого никак нельзя. Перед каким выбором свечей зажигания мы столкнемся завтра, предположить непросто, только за последние пять лет Патентным бюро США выдано более семи тысяч свидетельств в области усовершенствования ее конструкции. Если предположить, что эволюция ДВС и его составляющих будет продолжаться еще десяток — другой лет с прежней динамикой, лучше сразу воздержаться от всяческих прогнозов. Поживем — увидим.