Проект "Влияние технических характеристик свечей зажигания на главные эксплуатационные показатели работы двигателя внутреннего сгорания"
Влияние технических характеристик свечей
зажигания на главные эксплуатационные
показатели работы двигателя внутреннего
сгорания
СПАССКИЙ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ СПЕЦ.ДИСЦИПЛИН
ГБОУ СПО «РАМЕНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ» МО
2
Содержание
Введение………………………………………………………………………………3
Глава 1. Устройство и принцип работы свечей зажигания……………………....4
Глава 2. Типы свечей зажигания……………………………………………………6
Глава 3. Сравнительная характеристика эффективности работы различных свечей
зажигания на двигателе одного типа………………………………………………..12.
Заключение……………………………………………………………………………16
Использованные источники…………………………………………………………17
3
Введение
Свеча зажигания - неотъемлемый атрибут двигателя внутреннего сгорания с легким
топливом. Свеча появилась на свет более 160 лет назад сначала в первом двигателе (без
сжатия) француза Ленуара, а затем в более эффективном двигателе со сжатием немца
Отто.
Свеча служит для воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя.
Классическая свеча, знакомая всем автолюбителям, содержит стальной корпус с резьбой и
шестигранником, изолятор с центральным электродом, образующий искровой зазор с
боковым электродом. Свеча по-прежнему является одним из самых напряженных узлов
двигателя. Причина - в тяжелейших условиях эксплуатации: циклические воздействия
высоких напряжений, температуры, давления, широкий диапазон режимов двигателя,
отложения продуктов сгорания, электроэррозия и др. На совершенствование свечи
тратились и до сих пор тратятся большие ресурсы. За последние пять лет в Патентном
фонде США зарегистрировано более 7 тысяч "свечных" патентов.
Основные характеристики свечей зажигания, это: размер под ключ, длина резьбой части,
калильное число.
4
Устройство и принцип работы свечей зажигания
По конструкции свечи могут быть двухэлектродными или многоэлектродными.
Многоэлектродные свечи имеют больший ресурс, в сравнении с двухэлектродными, но он
не кратен количеству дополнительных электродов, - ведь центральный электрод остается
один, и так же выгорает.
Часто электроды покрывают различными металлами: платина, иттрий, иридий,
вольфрам, палладий. Это позволяет значительно увеличить ресурс свечи, а так же
стабильность ее работы.
Устройство свечи зажигания: 1 - изолятор; 2 - центральный электрод; 3 -
контактный стержень; 4 - пробка стеклогерметика; 5 - резистор; 6 - металлический корпус;
7 - заземляющий электрод; 8 - теплоотводящая шайба; 9 - уплотнительная прокладка; 10 -
уплотнение.
5
Составные элементы свечи зажигания: 1 - гайка типа SAE или 4 мм резьба; 2 -
изолятор с барьерами тока утечки; 3 - внутреннее уплотнение; 4 - помехоподавляющий
резистор (стекломасса); 5 - невыпадающее уплотнительное кольцо; 6 - накатанная резьба;
7 - промежуточный электрод с медным сердечником; 8 - зазор; 9 - боковой электрод.
6
Типы свечей зажигания
Основные цели изменения внешнего вида свечи зажигания, это увеличение ресурса
и качества работы свечи. Для достижения этих целей, современные инженеры вкладывают
немало усилий, а их фантазии можно только завидовать: применение нескольких боковых
электродов, их уменьшение и увеличение, использование драгоценных металлов для
центрального электрода (иридий, платина) и это далеко не весь список модификации
свечей.
Стандартная свеча зажигания
Стандартная свеча зажигания, центральный электрод выполнен из
жаростойкого метала. Ресурс свечи данного типа не столь велик по сравнению
с многоэлектродными. Независимо от вышесказанного он остаётся самым
распространённым типом свечей.
Многоэлектродные свечи
Увеличения количества боковых электродов в
основном влияет только на ресурс. В отличие от
одноэлектродного типа свечей искра меняет
своё направление, что приводит к меньшему
сгоранию боковых электродов в целом.
Свеча зажигания с V-образной высечкой
Свеча зажигания с V-образной высечкой на центральном электроде.
Изменение формы центрального электрода вряд ли приведёт к увеличению
ресурса, зато качество воспламенения смеси заметно улучшится, что приведёт
к экономии топлива и меньшему количеству отработанных газов.
Свеча, центральный электрод из платины
Свеча, часть центрального электрода изготовлена из платины. Как заявляют
производители свечей, ресурс увеличивается до 100000 км. Толщина
платинового электрода около 0.7 мм., получаем: низкое напряжение
искрообразования, экономия топлива, стабильный зазор на всём сроке
службы, увеличенный ресурс, экономия.
Свеча, центральный электрод из иридия
Наконечник на электроде данного типа свечей выполнен из иридия. Дело в
том, что иридий один из самых твёрдых металлов, устойчив к коррозии и
электрическим разрядам. Толщина электрода свечи 0.6 мм.
7
Искра на свечи с платиновым электродом.
Если искра имеет бело-синий цвет, что соответствует температуре 3500—4000 К, а
если содержит красноватые оттенки (температура около 3000 К). Температура искры
влияет на начальную скорость распространения фронта пламени. Хорошие свечи
экономят топливо и увеличивают мощность двигателя.
По калильному числу свечи делятся на холодные, средние, горячие. Холодные
свечи имеют хорошую систему теплоотвода, и могут работать в экстремальных условиях,
в двигателях с высокой степенью сжатия и при применении высокооктанового бензина. В
этих условиях они хорошо самоочищаются от продуктов сгорания, но не перегреваются
до появления калийного зажигания. Средние свечи универсальны и могут работать в
обоих условиях, хоть и не очень эффективно. В России выпускаются свечи с калильными
числами 8, 11, 14, 17, 20, 23 и 26, за рубежом нет единой классификации.
Существуют и более экзотические конструкции свечей, о которых рядовой
автовладелец даже не слышал. Факельные, или плазменно-форкамерные - применяемые в
автомобильных гонках, т.к. очень эффективны на высоких оборотах.
8
Факельные свечи
9
Форкамерные свечи
Форкамерная свеча при работе.
10
Форкамерная свеча в разрезе.
Производители форкамерных свечей обещают большой ресурс и стабильную
работу. Но если судить по отзывам пользователей - это не так. Свечи сильно сбоят на
низких оборотах, двигатель может троить, свечи сильно нагреваются, вплоть до
расплавления колпачков. Да и вообще, конструкция форкамерных свечей зажигания не
очень соответствует изначальной идее - форкамерной камере сгорания. Там объем
форкамеры был около 25%, и в ней воспламенялась более богатая смесь, чем в общей
камере. В 70-тых годах разрабатывались такие двигатели, предполагалось, что они будут
более экологичнее. Это потребовало значительного усложнения системы питания, и от
такой конструкции отказались. На снимке свечи в разрезе видно, что объем форкамеры
очень мал, и она не имеет системы вентиляции, за исключением просверленных
отверстий. При работе такая свеча перегревается, и может возникнуть эффект калильного
зажигания. Но, как бы то не было, существуют пользователи, у которых никакие
недостатки не проявлялись.
Как и всякой новой технологии, форкамерным свечам требуется время для
развития, а сейчас проще купить хорошие платиновые или иридиевые свечи и не
экспериментировать над автомобилем.
11
Установка свечей зажигания.
Неправильная установка свечей зажигания.
На снимке выше изображены случаи неправильной установки свечей зажигания.
I - правильная установка
II - установка без герметизирующего кольца.
III - установка с несколькими кольцами
VI - слишком короткая резьбовая часть.
V - слишком длинная резьбовая часть.
При частом вкручивании-закручивании свечей уплотнительные кольца на них
портятся и могут не обеспечивать должной герметичности, есть свечи с конусным
уплотнением, на таких кольца отсутствуют. Исправные свечи обычно имеют цвет кофе с
молоком. Неисправности свечей зажигания могут диагностироваться по цвету.
12
Сравнительная характеристика эффективности работы различных
свечей зажигания на двигателе одного типа
Для начала установим, чем различается искрообразование у свечей зажигания с
тонким центральным электродом и у обычных свечей. Для этого в свечное отверстие
головки блока цилиндров, снятой с другого двигателя, поочередно ввернем все
испытуемые свечи зажигания. На свечи наденем высоковольтный провод от системы
зажигания стендового мотора, включим зажигание и покрутим двигатель от стенда при
одной и той же частоте вращения коленчатого вала — 1500 мин
-1
. Цифровым
фотоаппаратом с большим увеличением снимем то, что происходит между электродами
свечей. Причем выдержку поставим фиксированную — 1 с. Таким образом, на каждом
снимке мы получим пятнадцать искр. Но предварительно проверим, чтобы на всех свечах
зажигания размер межэлектродного зазора свечи был одинаковым — 1,1 мм.
Итак, смотрим на фотографии. На обычной свече все как обычно. Искры мечутся
по всему зазору, причем цвет их разный — от розового до ярко-синего. А, допустим, для
свечи из комплекта свечей зажигания BoschPlatin в межэлектродном пространстве будто
кто-то зажег яркую лампочку: отдельных искр и не видно, все они слились. Свечи
зажигания с тонким иридиевым электродом свечи, Denso и NGK, дают четкий стабильный
белый конус. Цвет искры свечи, кстати, сам по себе о многом говорит. Красная или
розовая искра — слабая, частенько дающая пропуск вспышек. Синяя, голубая — более
интенсивные, а белая — самая стабильная и горячая. Так вот, все свечи с тонкими
электродами дают именно такую искру!
Испытания свечей зажигания проведем на двух двигателях — на инжекторном (на
примере двигателя автомобиля ВАЗ-2110) и на карбюраторном (на примередвигателя
автомобиля ВАЗ-2106). Зачем? Они очень разные с точки зрения управления рабочим
процессом. В карбюраторном моторе обратной связи нет, состав смеси четко задан
регулировкой системы питания. Поэтому при работе в одних и тех же режимах, при
одинаковом топливе и атмосферных условиях, реакция мотора отслеживает особенности
искрообразования свечей, и только это. А вот для инжекторного двигателя обратная связь
через систему l-регулирования меняет состав смеси в зависимости от того, сколько
кислорода остается в отработавших газах. А их состав во многом определяется качеством
и скоростью сгорания и наличием или отсутствием пропусков вспышек. Следовательно,
здесь свеча зажигания — уже элемент системы управления двигателем. Предположим, что
для инжекторного двигателя зависимость его поведения от качества свечей будет более
выраженной. Проверим это.
13
В одних и тех же режимах работы двигателя мы замерили мощность, расход
топлива и токсичность отработавших газов. Кроме того, сняли «моментную»
характеристику при полностью открытом дросселе в диапазоне от 1500 до 4000 мин
-1
—
так называемую внешнюю скоростную характеристику. Данные по расходам и
токсичности отработавших газов усреднили и сравнили.
Что же мы увидели? Все говорит о том, что диаметр центрального электрода свечи
влияет на параметры двигателя. Причем, если для карбюраторного мотора это влияние не
столь велико, например по расходу топлива не превышает 2% между лидером и
аутсайдером, то на инжекторном разница доходит уже до 6–7%! А это уже вполне
заметно! И характерно то, что лучшие показатели на обоих моторах там и там дают свечи
DensoIridium, то есть те свечи зажигания, которые имеют наименьшую толщину
центрального электрода — 0,4 мм. А вот иттриевые свечи Brisk A-Line, у которых размер
электродов свечей практически такой же, как у обычных свечей зажигания, кое в чем даже
уступают свечам А-17ДВМР, которые мы взяли в качестве начальной точки отсчета. У
остальных же свечей эффект по экономичности оказался практически обратно
пропорциональным диаметру центрального электрода: чем тоньше электрод свечи
зажигания, тем меньше топлива потребляет двигатель.
Сравнение моментных характеристик при работе двигателя по внешней скоростной
характеристике этот вывод также подтверждает: хоть и ненамного, но мощность
двигателя на свечах зажигания Denso, свечах NGK и Bosch возрастает по сравнению с
обычными свечами на 3–4%.
Проведем еще один тест свечей зажигания, который должен проиллюстрировать
надежность работы свечей в усложненных условиях, которых в реальной жизни может
быть масса. Это и холодный пуск, и разряженный аккумулятор, и одновременно
включенные мощные источники энергопотребления в автомобиле, сажающие напряжение
в бортовой сети. Для этого на карбюраторном моторе снимем ремень привода генератора,
вместо нормального, рабочего аккумулятора поставим полностью разряженный и
запитаем бортовую сеть двигателя от лабораторного источника постоянного тока. Таким
образом, мы получаем возможность регулировать напряжение в бортовой сети. А оно
пропорционально тому, что выдает катушка зажигания на свечи. Дальше посмотрим, как
будет меняться выдаваемый двигателем крутящий момент в двух режимах, при 2000 и
3000 мин
-1
, по мере падения напряжения в бортовой сети. А потом, выведя двигатель в
заданный фиксированный режим, будем понижать напряжение до полного прекращения
искрообразования.
14
Результаты теста свечей зажигания опять оказались предсказуемыми: свечи с
наиболее тонкими электродами, DensoIridium и NGK Iridium, это соревнование уверенно
выиграли. А вот свечи зажигания BoschPlatin, несмотря на тонкий центральный электрод
свечи, выступил не очень ярко. Видимо, сказывается то, что электрод утоплен в изоляторе
свечи.
Таким образом, можно сделать следующие выводы проведённых тестов свечей
зажигания. Стоят ли «драгоценные» свечи своих денег? Давайте считать. Возьмем
дорогие свечи с тонким электродом, допустим свечи зажигания DensoIridium. При их
установке мы переплатим примерно 1200 рублей по сравнению с обычными, но вполне
приличными импортными свечами. Пусть автомобиль в неделю расходует 40 литров 95-го
бензина. Это около 1000 рублей. Снижение расхода топлива на иридиевых свечах для
инжекторного двигателя — около 6–7%. Улучшение динамики, повышенная надежность
работы, сниженная токсичность — это уже так, небольшие дополнительные бонусы от
использования этих свечей Denso… Служат же эти свечи практически весь срок жизни
автомобиля в руках одного хозяина! Так что с экономикой все понятно. А вот иттриевые
свечи зажигания Brisk A-Line, видимо, основное свое преимущество будут иметь только в
ресурсе. По моторным показателям — экономичности, мощности и экономичности, они
мало отличаются от хороших обычных свечей. Правда, и стоят эти свечи зажигания
несколько дороже.
Марка
свечи
Цена,
1 шт.
Расход топлива
Показатель мощности
Токсичность
отработавших
газов
Баллы
инжекторный
карбюраторный
инжекторный
карбюраторный
А-17
ДВМР
20-
30р.
6,1л
7,4л
92л.с.
75л.с.
_
1
Denso
Inidium
550-
600р.
-6,5%
-2%
+3%
+3%
уменьшается
5
Brisk-A
Line
65-
80р.
-5%
-1,8%
+2%
+1,4%
Уменьшается
незначительно
3
Bosch
Platin
350-
400р.
-6,3%
-1,8%
+3,3%
+3,5%
Уменьшается
незначительно
3
NGK-
Iridium
750-
800р.
-5,8%
-1%
+3,4%
+3,2%
уменьшается
4
15
Тест драйв факельных свечей зажигания не проводился из-за их высокой
стоимости, поэтому мы используем данные исследований, проведённых журналом «За
рулём», где показаны преимущества факельных свечей зажигания:
1. ДИНАМИЧНОСТЬ - повышается за счёт быстрого и симметричного горения.
Значительно увеличивается крутящий момент на низких и высоких оборотах.
2. ЭКОНОМИЧНОСТЬ - достигается за счёт обеднения смеси в режиме холостого
хода, быстрого и симметричного горения и исключения механических потерь. Экономия
на трассе нередко достигает 50%. (проверено - эффект есть)
3. ЭКОЛОГИЧНОСТЬ - повышается в несколько раз! Выбросы CO и CH
снижаются за счёт обеднения смеси и повышения стабильности зажигания. NOx
снижается за счёт экономичности и быстроты горения. Катализатор и весь выпускной
тракт очищаются от нагара.
4. МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ - вырастает, так как повышается крутящий
момент на высоких оборотах и горючая смесь сгорает быстро и только в фазе
РАСШИРЕНИЕ. Значительно расширяется рабочий диапазон высоких оборотов.
5. НАДЁЖНЫЙ ПУСК ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ -
обеспечивается несколькими полезными особенностями конусного резонатора: создание
"микроклимат а" для горения; увеличение искрового зазора; фокусировка всех видов
энергий излучаемых искрой.
6. НАГРЕВ ДВИГАТЕЛЯ - снижается за счет быстрого и симметричного горения.
7. НОРМАЛЬНАЯ ТЯГА ХОЛОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ - ликвидация эффекта
"микроклина" в условиях максимальных тепловых зазоров между поршнем и цилиндром.
8. ЭЛАСТИЧНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ - за счёт значительного расширения рабочего
диапазона оборотов. На автомобилях V6 с АКПП на второй передаче набирается скорость
120 км/ч. На автомобилях с механической коробкой передач после набора скорости 40-50
км/ч можно включать высшую передачу.
9. РЕСУРС ДВИГАТЕЛЯ - значительно увеличивается за счёт интегрального
эффекта всех выше перечисленных преимуществ.
16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Требования к свечам зажигания возрастают из года в год, так как постоянно
совершенствуются автомобильные двигатели.
В данной работе проанализированы основные показатели работы свечей зажигания
разных типов на более устаревших двигателях (карбюраторных) и современных
(инжекторных).
Вывод: применение более современных свечей зажигания, в производстве которых
используются совершенные технологии и драгоценные металлы, даёт лучшие результаты
на инжекторных двигателях. Использование же таких свечей на карбюраторных
двигателях экономически нецелесообразно, а результаты работы свечей практически не
отражаются на эксплуатационных показателях работы двигателя.
17
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1) Шестопалов С.К. Устройство, техническое обслуживание и ремонт легковых
автомобилей – М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 544с.
2) Пехальский А.П.,Пехальский И.А. Устройство автомобилей – М.: Издательский
центр «Академия», 2005. – 520с.
3) Журнал «За рулём», №11, 2012
4) http://www.uazbuka.ru/lib/candle_theory/candle_theory.htm
5) http://5koleso.ru/articles/Tehnika/Svechi_zazhiganiya_Moment_istini
6) http://www.autoreview.ru/archive/2004/22/svechi/
