Рожденные зажигать

История

Совсем недавно отгремели салюты в честь сначала 100, а затем и 110-летия патента на первую свечу, который получил выдающийся инженер и предприниматель Роберт Бош. Теперь уже мало кто помнит, что на самом деле первым искровой разрядник в двигателе попытался использовать Карл Бенц, но, не сумев подобрать подходящие материалы для изолятора и электродов, оставил это занятие. Роберт Бош сделал изолятор керамическим, а электроды – из специального жаростойкого сплава. Именно эта конструкция была отражена в патенте 1902 года на систему зажигания, одним из узлов которой была увековечившая Боша свеча.

Изобретение свечи – это тот случай, когда правильное решение было найдено сразу. Если посмотреть на первые свечи Боша, то найдется не так много отличий от тех, что стоят сегодня на моторах «Формулы-1». Все последние 100 лет внешне свечи похожи, как братья, и в то же время необыкновенно разные…

…а стоит ли свеч?

Мировой автомобильный рынок завален свечами самых разных фирм, марок и моделей. Оригинальными, альтернативными, копиями, поддельными…

Каждый производитель утверждает, что именно их свеча решит все ваши проблемы. А так ли это? Может, если все свечи похожи, то и выбирать ничего не надо, может, работают все они одинаково (ну кто в наши дни задумывается о марке и фирме-производителе, например, гвоздей?), а разговоры про дополнительную мощность, экономию и холодный пуск – это так, для рекламы.

Оказывается, все не так просто. Вернее, совсем не просто. Но здесь читатель должен поверить на слово. А тем, кто не поверит, придется покопаться в Интернете. Там можно найти массу интересных тестов, выполненных в свое время в нашей стране и еще больше за рубежом различными независимыми и зависимыми лабораториями, а также коллегами-журналистами из автомобильных изданий, имеющих в своем распоряжении испытательную базу. Результаты этих тестов однозначно говорят – главные характеристики автомобильного двигателя существенно меняются, если в него последовательно устанавливать комплекты различных свечей, купленных на вторичном рынке. Исправные и предназначенные именно для этого двигателя свечи дают столь значительный разброс его основных показателей, что не заметить и игнорировать его невозможно. Про неисправные или неподходящие для двигателя свечи говорить нет смысла, поскольку мотор можно даже не запустить.

Итак, считаем экспериментально доказанным тот факт, что свечи – это один из тех узлов, конструкция и характеристики которых в значительной мере влияют на важнейшие эксплуатационные показатели двигателей. Поэтому стоит разобраться, почему мотору не все равно, какая свеча туда установлена.

Совсем немного теории

Почему же двигатель сильно реагирует на тот или другой тип свечей и качество их изготовления? Казалось бы, поджечь правильно подготовленную системой питания топливовоздушную смесь – дело нехитрое. В зажигалках и газовых плитах это происходит легко. Но с бедной смесью при высоком давлении дело обстоит куда сложнее. При давлении выше 8 атм создать в бензиновоздушной смеси искру оказывается очень непросто. А ведь степень сжатия у современных моторов почти всегда выше. Чтобы разобраться, в чем здесь проблема, нужно обратиться к классической теории двигателя внутреннего сгорания (ветвь термодинамики, однако). С помощью этой науки исследователи давно показали, что главнейшие характеристики бензинового двигателя (и мощность, и экономичность, и токсичность газов…) определяют всего несколько факторов: качество наполнения цилиндров, состав топливовоздушной смеси, механические потери и качество сгорания топлива.

Среди них от свечей зависит только один, последний фактор, под которым подразумевают полноту и скорость сгорания топлива (скорость распространения фронта пламени).

Полнота сгорания зависит от состава смеси (если воздуха мало, то часть топлива не сгорит) и опять-таки скорости сгорания топлива. Потому что при малой скорости сколько-то топлива может не успеть выгореть на момент начала открытия выпускных клапанов.

Но скорость сгорания влияет на качество процесса не только через полноту сгорания. Еще важнее интенсивность (скорость) горения вблизи верхней мертвой точки (ВМТ), а также соотношения количества топлива, сгорающего до и после ВМТ. Классическая термодинамика говорит, что чем больше топлива сгорает при малых объемах цилиндра, т.е. вблизи ВМТ, но уже при начавшемся такте расширения (когда продукты горения не тормозят, а ускоряют движение поршня), тем выше мощность двигателя и его экономичность. Те есть процесс горения должен начаться строго вовремя и идти с постоянной высокой скоростью.

Значит, скорость сгорания топлива – это важнейшая характеристика, но как она зависит от качества свечи?

Физики утверждают, что скорость сгорания будет тем выше, чем больше размеры начального очага воспламенения (по сути, зазора) и выше температура этого очага (т.е. искры).

Температура искры – один из основополагающих факторов процесса горения, поскольку скорость горения пропорциональна квадрату этой температуры. Косвенно температуру искры можно определить по ее цвету: искра должна быть бело-синего цвета. Наличие красных оттенков в искре говорит о ее пониженной температуре. Обеспечить высокую температуру искры при любых эксплуатационных условиях – главнейшая задача свечи и самая большая трудность конструкторов.

Второй важнейший параметр – длина начального очага воспламенения, чаще всего она равна зазору между электродами, но при некоторых ухищрениях может быть больше его. Большой размер в сочетании с высокой температурой искры (такую искру принято называть «мощной») позволяет рассчитывать на высокую скорость сгорания топлива.

Ряд производителей успешно используют особые способы «удлинения» искры. Так, например, в некоторых моделях свечей Bosch с боковыми электродами используется «скользящая» искра, которая не только добирается до центрального электрода по воздушному промежутку (вернее, заполненному топливовоздушной смесью промежутку), а продолжает далее скользить по поверхности изолятора, создавая поверхностный разряд. Размеры первоначального очага воспламенения при такой искре существенно возрастают. Похожие решения есть и у других производителей. Ряд других моделей свечей Bosch (для надежности воспламенения) используют комбинированный воздушно-поверхностный разряд, использующий обе технологии: воздушную и поверхностную.

Есть еще один конструктивный фактор, влияющий на скорость сгорания, – расположение искрового промежутка.

В многоэлектродных свечах он «открыт», и поэтому сгорание смеси начинается интенсивнее. В одноэлектродных свечах с г-образным боковым электродом фронт пламени теряет время на выход из «холодного» межэлектродного пространства. Есть конструктивные решения для облегчения этого «выхода», например, Brisk делает на некоторых марках своих свечей очень узкие боковые электроды.

«Удлинить» искру можно и по-другому – поставить в один цилиндр сразу две свечи. Такие моторы тоже известны (Alfa-Romeo, например), там показатели мощности искры и скорости сгорания топлива практически удвоены. При только одном недостатке – цене двигателя.

На распространение фронта пламени (на скорость горения) также влияют форма, размеры и другие конструктивные особенности камеры сгорания.

Физика процесса воспламенения горючей смеси от искрового разряда до сих пор хранит немало тайн даже для серьезных исследователей и, само собой, привлекает внимание изобретателей и инженеров-самоучек. Поэтому на прилавках иногда появляются совершенно экзотичные конструкции свечей. Говорят, любителей поэкспериментировать среди наших автовладельцев не убавилось…

…практика, которая всегда богаче теории

Еще большее разнообразие в только что написанное вносит тот факт, что в работающем двигателе все процессы быстротечны. Несколько тысяч оборотов в минуту – обычный режим для ДВС, причем эти обороты и нагрузка, снимаемая с двигателя, никогда не бывают постоянны.

Поэтому с практической точки зрения важно обеспечить необходимую мощность искры при любых (в том числе и переходных) режимах работы двигателя (холостой ход, полная мощность, имитация движения по шоссе и городского цикла) и достаточно долго сохранять заявленные параметры, обеспечив приемлемый ресурс свечи.

Главное условие нормальной длительной работы свечи в камере сгорания – стабильность ее температуры при разных режимах работы двигателя. На холостых оборотах двигателя ее температура не должна опускаться ниже 380–400 градусов. За этой границей перестает происходить самоочистка и отложения быстро выводят свечу из строя. В другом граничном режиме – режиме максимальной мощности температура никаких поверхностей свечи не должна превышать 850–900 градусов. Нагрев выше 1000 градусов грозит калильным зажиганием, при котором смесь в цилиндре поджигается раньше времени от горячих точек камеры сгорания и перегретых электродов (очень опасен перегрев центрального электрода) свечей. Последствия калильного зажигания могут быть катастрофическими – поломки и прогары поршней. Значит, свеча после запуска двигателя должна быстро нагреваться градусов до 500, но не перегреваться, эффективно отдавая лишнее тепло блоку цилиндров. Для этого придумана масса различных конструктивно-технологических решений.

Кроме того, искровой разряд вызывает эрозию электродов, поэтому величина и форма зазора со временем неминуемо меняются, ограничивая время надежной работы (ресурс) свечи. Для увеличения стойкости свечи разработаны специальные жаростойкие и стойкие к эрозии сплавы и покрытия, в которые часто входят самые экзотические компоненты: платина, иридий, иттрий… Причем у каждой компании-разработчика это свое ноу-хау, делиться которым никто не хочет.

Каждому мотору по своей свече?

Еще раз повторим.

Первое. Свече для создания искры нужны эти самые «тысячи вольт», и нужны они вовремя – это дело системы зажигания.

Второе. С помощью свечи поджигают топливовоздушную смесь определенного состава, подготовить и вовремя подать ее в цилиндр – задача системы питания.

Третье. Свеча работает в цилиндре, где происходят быстропротекающие процессы изменения давления, температуры, состава смеси. На образование фронта пламени влияют форма и размеры камеры сгорания, расположение свечи и еще множество факторов.

Значит, свеча – это элемент системы «двигатель – система питания – система зажигания» и никоим образом не может рассматриваться вне этой системы.

• Как сделать искру мощной (длинной и «горячей») даже при пониженном бортовом напряжении, например, при холодном пуске?
• Как стабилизировать температуру свечи?
• Как обеспечить надежное воспламенение бедной и сильно сжатой смеси?
• Как замедлить эрозию электродов?
• Как не допустить отложений даже при использовании не самых лучших бензинов и масел и как избежать утечек напряжения «мимо» искрового промежутка?
• И, самое главное, как совместить все это в одной свече?

На эти и еще на добрую сотню вопросов приходится отвечать разработчикам при конструировании свечи. На все эти вопросы исследователи нашли положительные ответы. И, как выяснилось, на многие из вопросов существует несколько ответов, поэтому разные фирмы часто идут своим путем. (Ответы мы намерены последовательно рассмотреть в дальнейшем.) Но, оказалось, совместить все эти ответы в одной свече с технической и экономической точек зрения можно только для какого-то одного мотора (или группы моторов, условия работы которых очень близки). Ста лет не хватило, чтобы создать одну-единственную (ну, пусть не одну, пусть десяток) свечу, которая бы одинаково хорошо воспламеняла топливо на двигателях разных типов. Наоборот, эти сто лет показали, что такой свечи не может существовать в принципе. А раз так, то пришли к прямо противоположному решению – для каждого мотора разрабатывать собственную свечу. И чем выше требования, предъявляемые к двигателю, тем чаще приходится прибегать к этой крайности. О том, как это делают самые передовые «свечные» фирмы, рассказ тоже впереди.

Тенденция, вынесенная в заголовок, продолжает усиливаться. Мало того, что чуть ли не для каждого нового мотора разрабатывают свою свечу, дело доходит до того (к счастью, пока нечасто), что, чтобы увеличить ресурс пробега в заданном экологическом коридоре, в «молодости», «зрелости» и «в пожилом возрасте» одному и тому же мотору может быть рекомендована разная свеча.

В итоге каждый производитель имеет в своем арсенале огромное количество моделей свечей. Например, только Bosch предлагает первичному и вторичному рынку порядка 1300 марок и моделей свечей: от «коротышек» для скутеров и газонокосилок до «карандашей» для двигателей, работающих на газе.

Поэтому выбор свечи из лавины предложений становится непростой инженерной задачей.

Многоэлектродные свечи

Почему делают много (2–3–4) электродов?

Замечено, что при увеличении давления в камере сгорания надежность искрообразования падает. При давлении свыше 8 атм одноэлектродные свечи могут давать пропуски, а при еще большем увеличении давления теряют работоспособность. Оказывается, что давление уверенного искрообразования у многоэлектродных свечей выше, значит, такие свечи более надежны. Это первое, для чего их делают.

Второе – это ресурс. Искра «грызет» электроды по очереди, менять такие свечи можно значительно реже. И третье – искровой промежуток становится открытым, что способствует увеличению скорости горения рабочей топливовоздушной смеси, а значит, улучшает мощностные, экономические и экологические показатели одновременно.

Многоэлектродные свечи породило желание увеличить ресурс свечи и надежность воспламенения смеси. Автопроизводители прекрасно понимают достоинства многоэлектродных свечей, но применяют их там, где о цене заботятся мало. Например, на некоторых моторах BMW.

Большинство производителей делают многоэлектродные свечи только с боковыми электродами. А в компании NGK есть свечи, имеющие как центральный, так и боковые электроды, их называют гибридными и делают все для той же надежности искрообразования.

И здесь, как всегда, не обходится без ложки дегтя. На новых моторах многоэлектродные свечи работают шикарно, но поскольку у них несколько хуже самоочищение, то с увеличением пробега их советуют менять на обычные.

Свеча – инструмент диагностики

Как выяснилось, правильно подобранная свеча отлично приспособлена к нормальным условиям работы вполне определенного двигателя. А если эти условия меняются не по вине свечи? Если в моторе что-то работает неправильно или требует регулировки? Свече это может не понравиться. В таких случаях свеча станет сигнализировать об этих неисправностях. Сигнализирует она по-разному, прежде всего цветом отложений на изоляторе центрального электрода и состоянием самих электродов. Совсем недавно в каталогах фирм-поставщиков можно было найти таблицы, в которых указано, о какой неисправности сигнализирует то или иное состояние изолятора. Все это, наверно, было правильно исключительно для карбюраторных двигателей.

Сейчас с уверенностью можно сказать только о трех вещах:

• Если цвет изолятора от светло-серого до светло-коричневого – двигатель автомобиля в порядке.
• Если цвет изолятора от красно-коричневого до красно-бордового – есть смысл попробовать заправляться на других бензоколонках.
• При любых других ситуациях следует обратиться на сервис.

Сигнализировать о неисправностях мотора свеча может и по-другому – формы кривой тока, протекающего через свечу, и напряжения на ней могут отличаться от стандартных. Блоки управления современных двигателей считывают информацию (в виде электрического сигнала) со свечи, анализируют ее и могут в некоторых пределах подстроить работу двигателя и даже иногда работу каждого цилиндра двигателя, руководствуясь информацией, полученной от свечи. Известны примеры выпуска свечей с дополнительным (диагностическим) электродом, еще больше расширяющим функции диагностики и адаптации. Сейчас это экзотика, но кто знает, может быть, через несколько лет свеча впервые за сто лет изменит свой облик.

В будущих выпусках нашего журнала нам хочется показать, как разные производители свечей решают задачи, о которых только что было рассказано. Как подбирают свечи для новых моторов? Как производят свечи? В чем особенность «свечного бизнеса» на вторичном рынке? Начать, наверно, придется со свечей компании Bosch, отдав тем самым дань первооткрывателю современной конструкции свечи.