В двух приведенных выше «классических» случаях, когда и подача бензина нормальна, и магнето исправно, а мотор не работает, она скрывается в пренебрежении правилами технической эксплуатации свечей зажигания.
Что же представляет собой и в каких условиях работает запальная свеча — небольшая, но важнейшая деталь системы зажигания двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси?
По принципу образования искры свечи бывают с воздушным искровым промежутком, со скользящей искрой и другие.
Наибольшее распространение получили свечи с воздушным искровым промежутком, что объясняется простотой конструкции, технологичностью изготовления и вполне удовлетворительной работой их на современных двигателях.
Для форсированных спортивных и роторно-поршневых двигателей применяются свечи, конструктивно несколько отличающиеся от обычных. Из-за напряженного теплового режима этих двигателей для дополнительного снятия тепла потребовалась обмазка центрального электрода свечи термоцементом и установка между изолятором и корпусом медной втулки.
Наоборот, для улучшения работы двигателей на малых оборотах, при невысоких тепловых нагрузках, нашли применение свечи со «скользящей» искрой. У этой свечи искра проходит частично через воздушный зазор между торцом теплового конуса и корпусом, служащим боковым электродом, а частично по торцу теплового конуса; при этом происходит очистка его от нагара, наиболее интенсивно откладывающегося на свече именно на малых оборотах.
8 последнее время у свечи подобного типа делаются еще и продувочные окна на корпусе и устанавливается боковой «управляющий» электрод. 8се это препятствует отложению нагара и электрическому шунтированию искрового промежутка, что повышает надежность работы свечи. Некоторые ведущие зарубежные фирмы выпускают свечи с одним кольцевым зазором без управляющего электрода специально для электронных систем зажигания.
Вернемся, однако, к общеизвестной свече с искровым промежутком и посмотрим, в каких условиях она работает. Дальнейшее конструктивное совершенствование и форсировка двигателей предъявляет к свечам зажигания все более высокие требования. Свеча, как известно, вворачивается непосредственно в камеру сгорания двигателя и поэтому подвержена высоким тепловым, электрическим, механическим и химическим воздействиям. Температура газовой среды в камере сгорания меняется от 70°С при поступлении свежего заряда смеси в цилиндр до 2000—2700°С во время рабочего хода. 8 то же время наружная часть корпуса свечи омывается потоком наружного воздуха. Давление в цилиндре двигателя при рабочем такте достигает 50—60 кг/см2. Отсюда следует, что на торец свечи, выходящий в камеру сгорания, действует усилие, достигающее 120 кг, причем в некоторых случаях оно может быть равно и 300 кг. Кроме того, свеча подвергается и высоким вибрационным нагрузкам от работающего двигателя.
И тепловая, и механические нагрузки, действующие на свечу, периодические — при каждом обороте коленвала двухтактного двигателя, например, они меняются от минимальных до максимальных, что еще более ужесточает условия работы. Свеча, помимо того, находится под приложенным к ее электродам электрическим напряжением, равным пробивному напряжению искрового промежутка, которое может достигать 20 и даже 40 кВ в электронных системах зажигания.
Увеличение искрового промежутка из-за износа электродов, а также скругление острых кромок на центральном и образование кратера на боковом электроде приводят к увеличению пробивного напряжения и электрическом нагрузки на изолятор свечи. Износ электродов увеличивается также из-за химической коррозии от продуктов сгорания топлива.
Неполное сгорание топливной смеси ведет к отложению нагара на поверхности теплового конуса, электродах и стенках камеры свечи. Нагар образуется также из-за попадания смазочного масла на тепловой конус, особенно при работе свечи на двухтактном двигателе. Это отложение постепенно обугливается и становится токопроводящим — шунтирует искровой промежуток. При этом напряжение, развиваемое во вторичной цепи системы зажигания, может уменьшиться до такой степени, что станет меньше пробивного, а это приведет к нарушениям бесперебойности искрообразования и даже к полному его прекращению.
Нагар на тепловом конусе при нагреве его до определенной температуры — так называемой температуры самоочищения — сгорает, и работоспособность свечи восстанавливается. Для этого тепловой конус свечи должен иметь температуру 400—500°С.
С другой стороны, тепловой конус изолятора и центральный электрод не должны перегреваться при работе двигателя на полную нагрузку, так как при этом может возникнуть калильное зажигание. Температура возникновения калильного зажигания зависит от температурных условий в камере сгорания, состава топлива, площади накаленной поверхности и других факторов. Для большинства существующих конструкций свечей и применяемых в настоящее время топлив она колеблется в пределах 850—900°С. Калильное зажигание — неуправляемый процесс, который в первую очередь приводит к падению мощности двигателя. Длительная работа двигателя с калильным зажиганием может привести к аварии — прогару поршня, выпускного клапана, поломке коленчатого вала и т. д.
В самой свече может произойти выгорание электродов, хотя причиной тому может быть и не калильное зажигание. Выгорание электродов свечи чаще происходит в результате калильного зажигания не от свечи, а от перегретых деталей или нагара, находящегося в камере сгорания.
Как мы видим, для того чтобы свеча нормально работала и в то же время не давала калильного зажигания, температура теплового конуса должна находиться в пределах 400—900°С (так называемые «тепловые пределы работоспособности свечи»).
Поскольку условия работы свечи на двигателях с различной степенью форсировки существенно отличаются, а тепловые пределы ее работоспособности практически одинаковы, то невозможно сконструировать единую свечу, подходящую для всех двигателей. Поэтому свечи изготовляют с различными тепловыми свойствами, определяемыми тепловой характеристикой. Так как тепловая характеристика свечи зависит от многих факторов, то возникла необходимость в определенном критерии для ее оценки. Этим критерием является в настоящее время калильное число свечи.
Калильное число — отвлеченная величина, определяемая экспериментально для каждого типа свечей (она пропорциональна так называемому «среднему индикаторному давлению», при котором в цилиндре специальной моторной установки возникает калильное зажигание). Применение этого параметра в качестве оценочного позволяет создать тепловой ряд, в котором две соседние свечи отличаются на определенное количество единиц калильного числа.
При знакомстве с условиями работы свечей зажигания становится очевидным, что к материалам, идущим на их изготовление, предъявляются крайне высокие требования. Это — термическая и электрическая стойкость, высокая прочность, коррозионная устойчивость и т. д.
Изоляторы свечей отечественного производства изготовляются из керамики на основе окиси алюминия (Al2O3). К керамике, содержащей 75% Al2O3, относится «Уралит», из которого изготовляется большинство (около 90%) изоляторов, но в связи с тем, что «Уралит» обладает низкой теплопроводностью и, кроме того, при обжиге дает большой разброс размеров по геометрии изолятора (что приводит к отклонениям по тепловой характеристике), имеется тенденция к переходу на керамику с большим содержанием окиси алюминия.
Керамика, содержащая 95% Al2O3, получила названия «Синоксаль», «Боркорунд» и «Хилумина». Изоляторы свечей, изготовленные из этих материалов, более теплопроводны, термостойки и прочны. Из этих сортов керамики изготовлены свечи: А7,5БС, А6БС, СИ12, А7,5ХС.
К материалу для центрального электрода также предъявляются особые требования: он должен обладать высокой коррозионной и эрозионной стойкостью, жаростойкостью и окалиностойкостью, хорошей теплопроводностью, достаточной пластичностью, хорошей свариваемостью с обычной сталью, да еще при этом не быть слишком дорогим.
Наиболее полно отвечает этим требованиям сталь 13Х25Т, из которой в основном и изготовляются центральные электроды отечественных свечей. Для некоторых типов свечей применяют сплав Х20Н80 (нихром), а на центральные электроды свечей спортивных двигателей идет медь и серебро. Для бокового электрода, как правило, применяют сплав никель-марганец (например, НМц-5). Остальные детали свечи изготовляются из конструкционных сталей.
Интересно, что в то время как по мере совершенствования конструкций остальных узлов электрооборудования двигателей внутреннего сгорания срок службы их растет, у свечи он остается на прежнем уровне или даже уменьшается.
Если на двигателях с низкими удельными мощностями срок службы свечи достигает 1 тыс. часов работы, то на современных форсированных двигателях гарантийная наработка устанавливается не более 300 часов, а на двухтактных двигателях срок службы свечи исчисляется в 130—140 часов. Эти данные не абсолютны, но они позволяют достаточно объективно оценить реальный срок службы свечей.
Подбирать свечу к двигателю необходимо с учетом конкретных условий эксплуатации. Главным фактором при этом является температура теплового конуса, определяемая калильным числом. В любых случаях необходимо придерживаться рекомендаций завода — изготовителя данного двигателя. Особо внимательным надо быть при установке на двигатель свечей иностранных марок: методики определения калильного числа в разных странах несколько отличаются, отсюда и различие в маркировке (см. таблицу).
Можно дать некоторые общие рекомендации по подбору свечей для двигателя исходя из условий его работы.
Если предстоит длительное движение на максимальных оборотах, то можно рекомендовать после запуска и прогрева двигателя до рабочей температуры установить свечи с более высоким калильным числом («холодные»), которые обеспечат устойчивую работу в напряженном тепловом режиме. Но при этом нужно помнить, что запуск холодного двигателя на этих свечах будет весьма затруднен или вообще невозможен.
Если вы собираетесь ехать, не торопясь, а штатная свеча склонна к нагарообразованию и ее приходится часто чистить, то рекомендуем поставить свечу с ближайшим меньшим калильным числом (более «горячую»). Но не забудьте ее заменить на штатную при изменении режима движения: «горячая» свеча может вызвать калильное зажигание.
При пониженной температуре окружающего воздуха облегчит запуск двигателя установка свечей с возможно низким калильным числом, что конечно не исключает и других дополнительных мер (вспрыскивание легковоспламеняющихся жидкостей, регулировка карбюратора и т. д.).
При работе на топливах с присадкой тетраэтила свинца в качестве антидетонатора на тепловом конусе свечи постепенно образуются свинцовые отложения. Перегрев свечи для самоочищения в этом случае нежелателен, так как при высоких температурах эти отложения могут проникнуть в поверхностный слой керамики изолятора (образовать пленку свинцовистого стекла) и привести к возникновению трещин и даже разрушению теплового конуса изолятора.
Другое неприятное явление — это образование мостиков из свинца между центральным и боковым электродами. Это наблюдается в основном на двухтактных двигателях, что объясняется повышенным количеством остаточных газов, наличием в топливе смазочного масла и малыми скоростями газовых струй в зоне расположения электродов свечи. Наилучший способ борьбы с мостикообразованием — тщательный уход за свечой в процессе эксплуатации, регулярная очистка рабочей камеры свечи и искрового промежутка, а также своевременная его регулировка.
Каковы основные неисправности свечи, возникающие в процессе эксплуатации? Это — выгорание и износ центрального и бокового электродов, закапчивание, мостикообразование, трещины и сколы на изоляторе, нарушение герметичности соединений.
Выгорание электродов приводит к увеличению искрового промежутка. Свечу в этом случае желательно заменить на новую, но, если электроды не слишком износились, их можно зачистить, а искровой промежуток отрегулировать в соответствии с инструкцией по эксплуатации.
Свечи, покрытые нагаром, очищают бензином при помощи металлической кисточки или на специальном пескоструйном аппарате. Очистка свечи от нагара нагревом до температуры 700—800°С при помощи паяльной лампы или в костре недопустима, так как при этом нарушается ее герметичность. (На двигателях с малым рабочим объемом эта не-герметичность может привести к падению мощности и ухудшению запуска.)
Через каждые 100 часов работы на четырехтактном двигателе и 40—50 часов работы на двухтактном свечи необходимо снять, осмотреть, а в случае необходимости, очистить их и отрегулировать искровой промежуток.
Для обеспечения длительной надежной работы свечи двигатель должен находиться в удовлетворительном техническом состоянии. Особое внимание следует уделять регулировке карбюратора и систем зажигания по инструкциям, приложенным к двигателям.
Следует еще упомянуть о специальных приспособлениях для подавления радиопомех, возникающих при работе свечи, поскольку сейчас этому вопросу придается особое значение.
До последнего времени основным помехоподавляющим устройством был резистор 5—5,5 кОм, устанавливаемый непосредственно в высоковольтном наконечнике. Но такая защита не обеспечивала полного подавления радиопомех. Лучшие результаты дает применение металлического экрана на наконечнике с резистором. Так выполнен недавно разработанный специально для автотранспорта и подвесных лодочных моторов радиопомехоподавительный наконечник А14СУ. Этим наконечником комплектуется большинство выпускающихся в настоящее время подвесных моторов.