Устройство свечи зажигания

Свеча зажигания - это, прежде всего, разрядник с двумя контактами, при протекании тока через данные контакты образуется высоковольтная дуга которая и поджигает топливную смесь в нашем автомобиле.
Свечи зажигания появились довольно давно и примером тому может стать рисунок А, где приведена совершенно нетипичная для нашего времени свеча зажигания (равномерное расстояние по периметру окружности, между центральным электродом и боковым электродом), но все с той же функцией поджига топлива.

Рисунок 1.1. Одна из первых свеч зажигания

Рисунок 1.2.

Свеча зажигания в разрезе: 1 - контактная (штекерная) гайка; 2 - изолятор; 3 - ребра изолятора (барьеры тока); 4 - контактный стержень; 5 - корпус свечи; 6 - токопроводящий стеклогерметик; 7 - уплотнительное кольцо; 8 - центральный электрод с медным сердечником (биметаллический); 9 - теплоотводящая шайба 10.тепловой конус изолятора; 11.боковой электрод;

Основными элементами любой свечи зажигания являются металлический корпус, керамический изолятор, электроды и контактный стержень. На корпусе свечи зажигания нарезана резьба, которая ввинчивается в головку блока двигателя, шестигранник - под ключ типа " головка" и коррозионное покрытие. Опорная поверхность (поверхность свечи зажигания, ограничивающая ход свечи при вкручивании по резьбе в головку блока двигателя) может быть плоской или конической. В первом случае для надежной герметизации свечного отверстия используется уплотнительное кольцо. Во втором коническая поверхность сама хорошо герметизирует соединение свечи с головкой блока конус по конусу. Материалом изолятора служит высокопрочная техническая керамика. Для предотвращения утечки электричества на его поверхности (в " верхней" части изолятора) делают кольцевые канавки (барьеры тока) и наносят специальную глазурь, а часть изолятора со стороны камеры сгорания выполняют в форме конуса (называемого тепловым). Внутри керамической части свечи закреплены центральный электрод и контактный стержень, между которыми может быть расположен резистор, подавляющий радиопомехи. Герметизация соединения этих деталей осуществляется токопроводящей стекломассой (стеклогерметиком). Боковой электрод (" массы") приварен к корпусу. Электроды изготавливают из жаростойкого металла или сплава. Для улучшения отвода тепла от теплового конуса центральный электрод могут делать из двух металлов (биметаллический электрод) - центральную часть из меди заключают в жаростойкую оболочку. Биметаллический боковой электрод обладает повышенным ресурсом благодаря тому, что хорошая теплопроводность меди препятствует чрезмерному его нагреву.

Основным элементами свечи зажигания, которые изнашиваются, являются электроды.

Центральный электрод.
Срок службы зависит от применяемого материала, обычно в наше время для данного электрода применяют следующие материалы:
- медь с жаростойким никелевым покрытием;
- никелевый сплава;
- иридиевый сплава;
- с платиновое наплавление;
- серебряное покрытие;
- золотое покрытие;
- сплавы палладий-золото (применяются для гоночных болидов);

Электроды свечей зажигания должны соответствовать следующим требованиям:
- высокая коррозионная и эрозионная стойкость;
- жаростойкость;
- достаточная теплопроводимость;
- пластичность.
К тому же материал электродов свечей зажигания должен быть технологичным и недорогим, для возможности запуска данной конструкции в серийное производство. В следствии этого наиболее распространенными все же являются следующие материалы электродов свечей зажигания: железо-хром-титан, никель-хром-железо и никель-хром.

Теперь рассмотрим все плюсы и минусы применения того или иного материала для электродов свечей зажигания.Медный электрод свечи зажигания улучшает отвод тепла, снижается налет свечи на холостых оборотах двигателя и тем самым продлевается срок эксплуатации свечи зажигания.

Платиновое покрытие электрода полностью аналогично медному, но более износостойко, что позволяет уменьшить диаметр центрального электрода с 2, 5 мм (обычная свеча) до 1, 1 мм. В связи с этим пучок проходящего через свечи зажигания разряда более собран (точечный) что улучшает холодный пуск двигателя, увеличивается срок службы свечи зажигания и в следствии лучшего поджига снижает токсичность отработанных газов, так как происходит более полное их сгорание.

Иридиевый электрод свечи зажигания имеет большую износостойкость, чем платиновое покрытие, что позволяет также уменьшить диаметр центрального электрода до 0, 7 мм и даже до 0, 4 мм. При этом электрическая проводимость у данного электрода очень высокая что позволяет поджигать смесь при низком бортовом напряжении (на 20% ниже чем нормальное), также позволяет зажигать обедненные топливно-воздушные смеси. Кроме того данные свечи зажигания обладают большим эксплутационным ресурсом.

Боковой электрод свечи зажигания (электрод «масса»).Кроме требований, которые выдвигаются к центральному электроду, данный электрод должен хорошо свариваться с корпусом свечи, который, как правило, изготовляется из обычной стали, да еще и должен быть пластичным, чтобы можно было регулировать зазор между электродами. Есть свечи у которых не только центральный электрод покрыт платиной, но и боковой. Это улучшает свойства сгорания и увеличивает срок службы. Есть свечи у которых центральный электрод почти полностью изготовлен из серебра (99, 9%) и рассчитаны на срок службы 50 000 тысяч километров пробега. Количество боковых электродов со временем изменялось: один, два, три, четыре. Преимущество многоэлектродных свечей зажигания — больший ресурс.

Рисунок (многоэлектродная свеча зажигания)

В некоторых случаях используют свечи зажигания вообще без бокового электрода. В них роль бокового электрода играет все нижнее боковое ребро корпуса свечи. Преимущество – это больший ресурс свечи, высокая надежность искрообразования. Но для данных свечей требуется специализированная система зажигания. Так как увеличение площади влечет за собой и увеличение разрядного напряжения. Используются в спортивных гоночных болидах. Форма бокового электрода влияет на распространение фронта пламени. (Рисудок Д)

Рисунок Д Схемы развития фронта пламени для одноэлектродных (а) и многоэлектродных (б) свечей.

Во втором случае из-за «открытого» искрового зазора сгорание смеси начинается интенсивней, чем в первом — фронт пламени одноэлектродной свечи теряет время на выход из межэлектродного пространства.

Изолятор свечей зажигания.
В первых свечах зажигания изолятором была обыкновенная глина.
В следствии низких эксплутационных качеств и основных требований к изоляторы перечисленных ниже:
-высокое удельное сопротивление при температурах близких к 800° С;
-высокую механическую прочность;
- большую теплопроводность и термостойкость;
- хорошую выдержку при больших перепадах температуры;
- химическую нейтральность к продуктам сгорания;
- небольшой температурный коэффициент линейного расширения, был выбран новый изоляционный материал - фарфор.
Но фарфор не долго удерживал данную нишу, так как при 400° С у него терялись диэлектрические свойства. Фарфор заменило стекло, точнее слюда, но данный материал был нетехнологичен и дорог. Более ходовым материалом в 30-40-е гг. прошлого века стал стеатит (материал на основе талька). На смену стеатиту пришла керамика на основе алюминия.
В тоже время на северном американском континенте изолятор делали из силлиманита, минерала, который добывали в США. Силлиманитовые изоляторы (85% силлиманита и 15% каолина) превосходили своими свойствами стеатитовые и лучше работали при резких перепадах температур. Монополизировала добычу фирма CHAMPION, которая удовлетворяла на то время 70% мировой потребности в свечах. Некоторые другие фирмы производили цирконе бериллиевые изоляторы (15% циркония, 35% бериллия и 50% пластических глин и каолина). Такие изоляторы имели лучшие электрические и термические свойства, чем силлиманитовые и стеатитовые, но были хрупкими и дорогими. О составе керамики в современных свечах зажигания сейчас принято умалчивать ссылаясь на технико-коммерческую тайну и секрет фирмы.
Форма изолятора за последние 100 лет практически не поменялась.
Свечи зажигания работают в довольно тяжелых условиях. Температура в камере сгорания где они установлены изменяется в рабочем режиме от 70 до 2500°С, давление газов достигает 50 - 60 бар, а напряжение на электродах составляет порядка 20 000 вольт.