Рожденные зажигать

Свечи – самый известный в народе компонент двигателя. При любых поломках автолюбители по старой привычке стремятся начать диагностику или ремонт именно с них. О том, как развивались технологии производства свечей и на какие новации обратить внимание, – в нашем обзоре.

Эксперименты великих

Сегодня немногие помнят о том, что сам Карл Бенц первым попытался применить в двигателе внутреннего сгорания искровой разрядник для воспламенения топлива. Но потерпев крах в своих экспериментах, оставил это занятие. Неудаче способствовало то, что изобретатель не смог подобрать оптимальные материалы для изолятора и электродов.

Дальше за дело взялся Роберт Бош, который создал керамический изолятор, а для изготовления электродов применил жаростойкий сплав. Нестандартный подход принес победу, и конструкция Боша была отражена в патенте на систему зажигания 1902 года.

Но интереснее другое: его конструкция оказалась настолько удачной, что дожила до наших дней без принципиальных изменений. Если посмотреть на первые свечи Боша, то вы вряд ли найдете много визуальных отличий с теми свечами, что сегодня стоят в сверхтехнологичных моторах болидов «Формулы-1».

Была ли эволюция?

Возникает логичный вопрос: раз они похожи, значит, 117 лет прогресса не затронули свечи зажигания? Если все свечи похожи, то, может, и работают они одинаково, а разговоры про дополнительную мощность, экономию и удивительно легкий холодный запуск двигателя – это лишь маркетинговые уловки производителей? И зачем столько фирм, марок и моделей?

Рассказываем. Масса тестов (как отечественных, так и иностранных) однозначно говорят о том, что главные характеристики ДВС существенно меняются, если в него последовательно устанавливать различные комплекты свечей зажигания.

Исправные и предназначенные именно для конкретного двигателя свечи дают столь значительный разброс его показателей, что игнорировать это невозможно.

Мотору не все равно

Классическая теория двигателя внутреннего сгорания говорит, что все 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. От свечей зависит только последний фактор, под которым подразумевают полноту и скорость сгорания топлива (скорость распространения фронта пламени).

Главные показатели

Физики утверждают, что скорость сгорания тем выше, чем больше размеры начального очага воспламенения и выше температура этого очага. Как можно догадаться, речь идет об искре и зазоре.

Температура

Температура искры – один из основополагающих факторов процесса горения, поскольку скорость горения пропорциональна квадрату этой температуры. Искра должна быть яркого бело-синего цвета. Обеспечить высокую температуру искры при любых эксплуатационных условиях – самая большая трудность для конструкторов свечей зажигания.

Большой зазор

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

Производители успешно используют особые способы «удлинения» искры, применяя «скользящую» искру – которая не только добирается до центрального электрода по промежутку, заполненному топливовоздушной смесью, а продолжает далее скользить по поверхности изолятора, создавая поверхностный разряд. Бывают свечи, использующие воздушную и поверхностную технологии одновременно. Для «удлинения» искры в один цилиндр иногда ставят сразу две свечи.

Расположение искрового промежутка также влияет на скорость сгорания. 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 межэлектродного пространства. Производители используют электроды самой различной формы (узкие, тонкие, раздвоенные, зазубренные…), облегчающие этот «выход».

Фронт пламени

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 от любителей поэкспериментировать.

Обеспечение стабильности

В работающем двигателе все процессы быстротечны. Несколько тысяч оборотов в минуту – обычный режим для ДВС. Причем и обороты, и нагрузка, снимаемая с двигателя, никогда не бывают постоянными.

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

От чего зависит ресурс

Главное условие нормальной длительной работы свечи в камере сгорания – стабильность ее температуры при разных режимах работы двигателя. На холостых оборотах ее температура не должна опускаться ниже 380–400 градусов.

Если температура будет ниже, перестает происходить самоочистка и отложения быстро выводят свечу из строя.

В режиме максимальной мощности температура поверхности 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 свечей. Последствия калильного зажигания могут быть катастрофическими не только для самой свечи, но и для мотора – поломки и прогары поршней.

Значит, свеча после запуска двигателя должна быстро нагреваться до 500 градусов и эффективно отдавать лишнее тепло блоку цилиндров, чтобы избежать перегревов. Для удовлетворения этих параметров за последние десятилетия придумана масса конструктивно-технологических решений.

Борьба за зазор

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

Высокие технологии в простой форме

Стоит ли говорить о том, что двигатели за 117 лет, прошедшие с момента изобретения свечи зажигания, кардинально менялись? Они стали мощнее, меньше и эффективнее, получили наддув, приучились работать на обедненной смеси. Поэтому и свечи, несмотря на внешнюю схожесть со своими прародителями, стали другими.

Многоэлектродные представители

Первое, что бросается в глаза, это обилие электродов. Замечено, что при увеличении давления в камере сгорания надежность искрообразования падает – при давлении свыше 8 атм одноэлектродные свечи нередко дают пропуски. Решить эту проблему как раз и помогают дополнительные электроды – простое и элегантное решение.

Есть и дополнительный профит – ресурс таких свечей значительно выше, ведь искра «грызет» электроды по очереди.

Но и это еще не все. Искровой промежуток становится открытым, что способствует увеличению скорости горения рабочей топливовоздушной смеси, а значит, улучшает мощностные, экономические и экологические показатели одновременно.

С другой стороны, растет цена, поэтому автопроизводители, прекрасно понимая достоинства многоэлектродных свечей, применяют их только там, где не идет речь об эконом- или массовом сегментах. Например, их ставят на некоторых премиальных моторах BMW.

А теперь снизим уровень эйфории: многоэлектродные свечи работают шикарно, но только на новых моторах – уровень самоочищения у них несколько хуже, чем у традиционных. Поэтому с увеличением пробега их советуют менять на обычные. Соответственно, ставить их на автораритеты не стоит.

Обилие предложений

У конструкторов было более ста лет, чтобы убедиться – универсальную свечу под любой двигатель изобрести не получится, именно поэтому для каждого мотора разрабатывается своя. И чем выше требования и эффективность мотора, тем более совершенной должна быть свеча.

В итоге каждый производитель имеет в своем арсенале огромное количество моделей, например, компания имени первопроходца индустрии предлагает рынку не менее 1300 артикулов свечей, от «коротышек» для скутеров и газонокосилок до «карандашей» для двигателей, работающих на газе.

Свечи будущего

Но технологии, как известно, меняют мир. Грядет эра электромобилей, и свечи, кажется, массово будут не так востребованы уже лет через 30–40. Поэтому производители свечей не спешат инвестировать в прорывные технологии. Хотя на рынке время от времени появляются необычные решения, вроде свечей с дополнительным диагностическим электродом, способных очень тонко адаптироваться под работу конкретного мотора.

К тому же не так давно мотостроителям были предложены свечи, использующие высокочастотный коронный разряд (вместо искрового), и под них пришлось заново разрабатывать моторы. Смогут ли двигатели с «коронным» воспламенением стать конкурентами искровым, покажет самое ближайшее будущее.

В итоге стоит констатировать, что материалы, применяемые при производстве свечи, количество и конструкция электродов могут коренным образом влиять на характеристики двигателя и даже, в случае установки некачественной свечи, вывести его из строя.