Свечи зажигания: ни шагу назад!

Вы думаете, что активное внедрение электропривода в автомобилестроении приведет к стагнации технологического развития в области свечей зажигания? Вы глубоко заблуждаетесь. Эти технологии сейчас на подъеме и довольно бурно прогрессируют. О наиболее интересных новациях – в нашем материале.

Но прежде чем перейти к самим технологиям, давайте-ка расставим все по своим местам. Сегодня можно уже совершенно точно констатировать: несмотря на растущую популярность электромобилей, двигатель внутреннего сгорания продолжает оставаться наиболее распространенной технологией привода, используемой автомобилестроением, во многих странах мира. А применение свечей зажигания в сервисном обслуживании и в гибридных транспортных средствах гарантирует, что они будут актуальны не просто на протяжении нескольких последующих лет, а не одного десятилетия, как минимум.

Так что по мере развития автомобильной отрасли ее участникам и потребителям ее продукции принципиально важно осознавать сохраняющуюся важность технологий свечей зажигания. Кроме того, постоянное развитие технологий свечей зажигания, таких как передовые изоляционные материалы и экологически чистые решения, демонстрирует стремление отрасли адаптироваться и внедрять инновации в ответ на меняющуюся динамику рынка.

Вот пять причин, по которым свечи зажигания останутся (пока!) в тренде индустрии:

1. Автомобили с двигателями внутреннего сгорания. В то время как электромобили (EV – Electric Vehicles) набирают популярность, двигатель внутреннего сгорания по-прежнему доминирует на рынке. Автомобили с бензиновыми и дизельными моторами продолжают использоваться в странах, где инфраструктура электромобилей все еще развивается или где стоимость электромобилей остается непомерно высокой. Кроме того, существует (опять же – пока) немало промышленных секторов, где электротранспорт еще не может составить ощутимой конкуренции (по техническим, инфраструктурным и проч. причинам) автотранспорту.

2. Гибридные транспортные средства. Гибридным транспортным средствам, в которых используется комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя, также требуются свечи зажигания для их бензиновых двигателей. Эти автомобили продолжают пользоваться популярностью благодаря своей способности сочетать топливную экономичность с увеличенным запасом хода.

3. Техническое обслуживание и замена. Свечи зажигания – это расходные материалы, которые необходимо периодически заменять в зависимости от типа и возраста двигателя. Причем безальтернативные расходные материалы – до тех пор, пока на дорогах будут автомобили с двигателями внутреннего сгорания, будет существовать потребность в замене свечей зажигания.

4. Промышленное и сельскохозяйственное оборудование. Свечи зажигания также используются в различном промышленном и сельскохозяйственном оборудовании, таком как генераторы, насосы и небольшие двигатели. Это оборудование определенно продолжит нуждаться в свечах зажигания в обозримом будущем.

5. Авиационная и морская промышленность. Свечи зажигания обычно используются в авиационных поршневых двигателях и судовых двигателях, где электрическая тяга все еще находится на ранних стадиях разработки. Это позволит поддерживать спрос на свечи зажигания в этих отраслях.

Да, двигатель внутреннего сгорания живет «в долг», но это не значит, что в ближайшее время он внезапно и бесследно исчезнет из истории. Для многих применений в тяжелых условиях эксплуатации ДВС еще много лет будут оставаться лучшим решением. Вот почему по-прежнему стоит искать способы минимизировать выбросы и повысить эффективность.

Один из таких способов, точнее, комплекса способов – оптимизация свечей зажигания. Именно поэтому развитие их технологий продолжается и этот компонент еще рано списывать со счетов. А учитывая, куда приводят эти технологии и какие результаты, благодаря их в некотором смысле даже революционности, обеспечивают, невольно напрашивается вопрос: а может, рано мы решили проститься с ДВС?

Но обзор свой мы начнем, пожалуй, с более тривиальных и не слишком радикальных новаций.

Еще прочнее

Многие производители видят, что определенный профит можно выжать и из уже ставшей вполне классической конструкции свечей зажигания, лишь немного ее изменяя или модифицируя. Например, компания Bosch, понимая, что увеличение диэлектрической прочности изолятора свечи позволяет ей выдерживать довольно-таки экстремальные условия эксплуатации, обусловленные нерегулярностью сгорания, пару лет назад выпустила свечу Bosch EVO, у которой данный параметр увеличен до 45 кВ.

Такие свечи зажигания особенно хорошо подходят для турбированных двигателей с прямым впрыском топлива, с одной стороны предъявляющих наиболее (на данный момент) высокие требования к надежности свечей и их стойкости к высоким температурам, с другой – сильно подверженных так называемой мегадетонации, вызванной как раз нерегулярностью (нестабильностью) сгорания. Для того чтобы противостоять широкому диапазону неблагоприятных внешних воздействий и эффективно справляться с возникающим при сильной детонации взрывным ростом давления, обеспечивая термомеханическую, механическую и электронную надежность, в Bosch EVO реализовано несколько фирменных ноу-хау.

Среди них лазерная сварка иридиевого штифта на центральном электроде и платиновой пластины на заземляющем электроде, а также улучшенная конструкция амортизатора свечи зажигания, отлично выдерживающая многократные снятия и повторные установки свечи. Впрочем, даже при наличии такого амортизатора для EVO, как и для любых других свечей зажигания, крайне важное значение имеет соблюдение правильного момента затяжки при монтаже, которое способствует максимально точному позиционированию детали в камере сгорания. 

Еще тоньше

В свою очередь, американская компания Pulstar продолжает идти по пути утоньшения центрального электрода. В 2021 году она выпустила следующее поколение своей запатентованной иридиевой свечи зажигания Plasmacore с использованием плазменной технологии, которая обеспечивает, по утверждению разработчиков, большую мощность и крутящий момент, более быструю реакцию на «дроссель», лучшую топливную экономичность и снижение выбросов для автомобилей, оснащенных бензиновым ДВС любого типа.

Тут надо уточнить, что компания Pulstar разработала технологию зажигания Plasmacore совместно с Sandia National Laboratories в Альбукерке – одной из трех научно-исследовательских лабораторий Национального управления ядерной безопасности (R & D) в США. Их работа привела к первому за столетие кардинальному изменению конструкции свечи зажигания: появлению встроенного конденсатора, который усиливает мощность электрического разряда и насыщает двигатель высокореактивным полем ионизированной плазмы.

В чем преимущества этих свечей? Как известно, иридий, твердый, плотный металл с чрезвычайно высокой температурой плавления, обладает высочайшими защитными свойствами от коррозии и дуговой эрозии в современных высокотемпературных двигателях. К тому же конструкция с тонкопроволочным электродом обеспечивает постоянную и стабильную искру, которая улучшает электродинамику процесса зажигания. У нового поколения диаметр центрального электрода даже меньше, чем у рекордсменов по тонкости – японских иридиевых свечей Denso. Плюс новый профиль и более крепкая керамическая конструкция изолятора повышают его прочность на растяжение и диэлектрическую прочность.

Независимые исследования подтвердили достоинства технологии зажигания Plasmacore. В ходе тестов продукта было зафиксировано, что он обладает на 35% более высокой устойчивостью к разрушению, очень низкой частотой ошибок и лучшей стабильностью электрического разряда от цикла к циклу. Испытания, проведенные в тюнинг-центре Motiva Performance на двигателе Lotus, показали увеличение мощности на 7% и крутящего момента на 10%. Журнал DSPORT проверил свечи зажигания Pulstar и сообщил об увеличении мощности на 3,5% и крутящего момента на 3,8% на редакционной Honda Civic. Исследования AVL – крупнейшей в мире компании по разработке, моделированию и тестированию систем привода, – а также компании Nissan и Университета Южной Калифорнии отметили значительно более быстрое инициирование зажигания и развитие ядра пламени по сравнению с обычными свечами зажигания.

Новинки из таблицы Менделеева

Мы давно привыкли к тому, что из благородных металлов в конструкции свечей зажигания традиционно используются иридий и платина. Были, конечно, эксперименты Bosch с иттрием (тоже переходный, но не благородный металл), однако они в итоге не получили дальнейшего развития – в текущей линейке бренда их нет. Однако новаторство и экспериментальный дух, приумноженные пристальным поиском по структурным закоулкам таблицы Менделеева, по-прежнему не дают покоя глобальным производителям.

Впрочем, далеко искать не пришлось. В той же когорте металлов-аристократов – платиновой группе – выискался довольно любопытный элемент с весьма полезными для свечей зажигания свойствами – рутений. Наверняка после того, как вы прочли эти слова, вашей первой мыслью было: что за вздор? Нет, не вздор. Можете проверить – есть такой. Более того, свое название он получил в честь Российской империи (был открыт в 1844 году русским ученым прибалтийско-немецкого происхождения Карлом Эрнстом Клаусом): Ruthenia – это латинское название Руси.

Как видите, знали о нем достаточно давно, но в свечах зажигания начали применять всего несколько лет назад. Однако в последние пару лет интерес к рутению в данном контексте увеличился в разы. 

Связано это, естественно, с его свойствами. В первую очередь – выдающейся твердостью и высокой температурой плавления. Она составляет 2334 градуса по Цельсию против 2000 градусов у иридия. Эти 334 градуса разницы в условиях «горячих» высокопроизводительных современных движков играют ведущую роль.

Такие свойства делают рутений отличным выбором для изготовления свечей зажигания. Применяясь в них, он может повысить долговечность, улучшить характеристики зажигания и обеспечить лучшую устойчивость к эрозии и износу по сравнению с традиционными платиной или иридием и уж тем более никелем.

Это означает, что двигатели, оснащенные рутениевыми свечами зажигания, могут обеспечивать более плавный ход, повышенную топливную экономичность и более длительные интервалы обслуживания.

Безусловно, срок службы свечей зажигания в значительной степени зависит от нескольких факторов, включая тип транспортного средства, привычки вождения и состояние двигателя. Однако благодаря перечисленным свойствам рутениевые свечи зажигания особенно долговечны. В нашем распоряжении нет российских спецификаций (потому что официально в Россию их никто не возит), но в Америке многие модели таких свечей регламентируются и ходят до, страшно сказать, 170–200 тыс. км. При этом их стоимость примерно в полтора раза ниже, чем платиновых и иридиевых.

А точно искра?

Компания Transient Plasma Systems (TPS) продемонстрировала модуль зажигания, который использует наносекундные импульсы плазмы для воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя. Управляясь силовым блоком, он должен стать заменой традиционным свечам зажигания. 

Впрочем, давайте по порядку. В традиционном четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания смесь в цилиндрах воспламеняет искра. Обычно такая искра длится несколько миллисекунд, и, хотя управление этой искрой теперь осуществляется электронным, а не механическим способом, принцип тот же, что и в 1910 году, когда Cadillac установил ее в свои двигатели.

Система TPS устраняет традиционный подход «катушка и свеча». Вместо этого для воспламенения топливовоздушной смеси внутри цилиндра используются гораздо более короткие импульсы плазмы – они занимают несколько наносекунд и имеют гораздо более высокую пиковую мощность, чем обычная искра. Однако, благодаря их гораздо более (опять «гораздо более» – но иначе и не скажешь, потому что оно так) короткому сроку, зажигание на самом деле происходит с довольно низким энергопотреблением (и, следовательно, с более низкой температурой).

Следовательно, можно добиться лучшего сгорания при высоких степенях сжатия, более стабильном сжигании топлива и более низких температурах сгорания в цилиндре. А это означает, у нас появляется более эффективный двигатель, который производит меньше оксида азота. TPS заявляет, что с помощью своей системы она может повысить тепловой КПД и без того очень эффективного двигателя внутреннего сгорания, подобного тому, который Toyota использует в нынешнем Prius (который составляет около 41%), до 45%.

Чтобы доказать жизнеспособность системы, TPS установила ее на 2,5-литровый мотор Toyota Camry, работающий по эффективному циклу Аткинсона, с тепловым КПД около 40%. Новая система плазменного зажигания обеспечивает более эффективную перенастройку системы управления двигателем с «чуть больше» открытым клапаном EGR и новыми таймингами. Это позволило двигателю экономить до 6% топлива по сравнению с оригинальной системой зажигания.

Система зажигания TPS подтвердила улучшенную устойчивость к выгоранию в обедненном состоянии топливовоздушной смеси по сравнению со стандартной системой зажигания. Это, как показали предыдущие результаты моделирования в отчете Sandia National Labs Министерства энергетики США, может привести к увеличению экономии топлива до 20. 

Но особенно классной данную технологию делает то, что TPS разработала систему для замены существующих свечей зажигания, поэтому производителям не нужно переделывать свои движки, чтобы использовать ее. И вдобавок ко всему нет никаких причин, по которым она не могла бы работать в сочетании с другими новейшими передовыми технологиями двигателя, такими как система динамического пропуска зажигания от Delphi (которая обеспечивает высокоточное отключение цилиндров), двигатель с переменной степенью сжатия от Nissan или даже система умного зажигания от Mazda с воспламенением бензиновой топливовоздушной смеси от сжатия.

Дайте две!

В то время как Hyundai уделяет большое внимание развивающемуся рынку электромобилей, радикально новый дизайн свечи зажигания от южнокорейского производителя показывает, что он также хочет повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания. Инженеры компании нашли очень умный способ добиться этого и даже получили патент в Управлении по патентам и товарным знакам США (USPTO), хотя, как говорится, ничто не ново под луной.

Сама по себе идея двухискрового зажигания, конечно же, хорошо известна – Alfa Romeo впервые применила ее в 1914 году. С тех пор она использовалась многими другими производителями для повышения эффективности сгорания и достижения более чистых выбросов выхлопных газов. Она, скорее всего, вернется и в следующей эволюции двигателя Mazda Skyactiv X. Но единственное, что объединяет все существовавшие двигатели с двумя искрами на протяжении всей истории, – это необходимость в двух свечах зажигания и двух катушках зажигания.

При этом нам знакомы свечи зажигания с несколькими боковыми электродами, повышающими шансы на успешное воспламенение, и специальными центральными электродами с игольчатыми наконечниками или щелевыми канавками для удовлетворения потребностей конкретной конструкции камеры сгорания. Но, независимо от количества заземляющих электродов или формы центрального электрода, одним событием зажигания будет только одна искра, потому что именно столько раз срабатывает катушка.

Полученный Hyundai патент представляет систему, обеспечивающую фактическое двухискровое зажигание от одной свечи зажигания, и достигается эта цель с помощью весьма элегантного, уникального решения. Сейчас будет несколько технологических подробностей – напрягитесь и, может быть, через силу, но дочитайте до конца, поскольку без них никуда – иначе систему не понять и она покажется совершенно фантастической, хотя ничего, собственно, фантастического в ней нет.

По-новому взглянув на состояние напряжения на высоковольтной стороне катушки зажигания во время возникновения искры, инженеры поняли, что на графике выходного напряжения есть неиспользованный скачок. Именно тогда пришло вдохновение, и они добавили второй центральный электрод к одной свече зажигания, чтобы использовать этот дополнительный всплеск мощности.

В современных системах зажигания искра срабатывает в катушке зажигания, когда блок управления двигателем отключает первичную обмотку. Когда на обмотки первичной катушки подается входной ток, создается постоянное магнитное поле, которое передается на обмотку вторичной катушки через их общий ферритовый сердечник. Это магнитное поле накапливает энергию, генерируемую первичной катушкой, и, когда первичная катушка выключена, эта энергия разряжается через вторичную катушку для генерации высоковольтной искры с положительной полярностью на конце центрального электрода.

Однако за этим разрядом сразу же следует отрицательный скачок напряжения из-за эффекта магнитного запаздывания во вторичной обмотке. По сути, обмотки вторичной катушки на мгновение меняют полярность и создают возможность для второй искры, генерируя скачок напряжения, который ниже напряжения заземляющего электрода свечи зажигания.

Современные системы зажигания игнорируют этот скачок отрицательного напряжения, потому что свеча заискрила и работа выполнена, но этот патент Hyundai демонстрирует, что можно генерировать вторую искру, используя также этот скачок обратной полярности.

Чтобы обеспечить эту работу, свеча зажигания была переработана. Заземляющий электрод может принимать различные формы по современной моде, но к традиционному центральному электроду присоединился второй центральный электрод. Один из двух электродов является обычным положительным электродом и подсоединен к одной стороне обмоток вторичной катушки. Второй электрод подсоединен к другому концу обмоток вторичной катушки. Два центральных электрода заключены в один и тот же изолирующий материал, и оба они подключаются к внешнему электроду заземления, который всегда находится на опорном напряжении заземления двигателя.

При возникновении положительного скачка напряжения положительный центральный электрод обычным способом поджигает топливовоздушную смесь на заземляющем электроде, а когда вскоре после этого возникает отрицательный скачок напряжения, это создает еще одну искру между отрицательным центральным электродом и заземляющим электродом. Это очень простой метод получения двух последовательных искр от одной свечи зажигания, и для его работы даже не требуется специализированная система управления. Единственное отличие заключается в том, что из верхней части свечи зажигания выступают два разъема центрального электрода (один положительный и один отрицательный) вместо обычного.

Преимущества этого изобретения многочисленны и заключаются в дополнительной искре, добавляемой к событию воспламенения. Когда оба центральных электрода соединяются с заземляющим электродом, они объединяются и создают больший фронт пламени внутри камеры сгорания.

Это ускоряет распространение искры, что приводит к более быстрому и полному сгоранию топливовоздушной смеси, повышая эффективность преобразования энергии и сокращая выбросы. Повышенная энергия пламени также позволяет двигателю работать на более экономичных топливовоздушных смесях без риска пропусков зажигания, что повысит топливную экономичность и еще больше сократит выбросы выхлопных газов.

И вот, скажите на милость, почему это никому раньше в голову не пришло? Ведь на поверхности же лежало, как теперь-то кажется!