Свечи зажигания, безусловно, работают в самых экстремальных условиях, которые только можно найти в автомобиле. Они поочередно то находятся "в эпицентре взрыва" раскаленных газов с температурами до нескольких тысяч градусов, то принимают на себя порцию рабочей смеси, которая только что образовалась из атмосферного воздуха (при температуре окружающей среды) и паров бензина. Все это повторяется десятки раз каждую секунду в течение многих часов.
Главной задачей всей конструкции свечи является создание зазора, через который периодически пропускается мощный электрический заряд под напряжением 20-30 тысяч вольт, создающий дугу, которая поджигает рабочую смесь. Самые небольшие отклонения параметров приводят к неустойчивой работе, особенно заметной на холостых оборотах, а иногда и к полной остановке или невозможности завести двигатель. Основной причиной таких отклонений являются накопления продуктов сгорания бензина, забивающие искрообразующий зазор.
Выход из этой противоречивой ситуации найден давно - свеча сама должна освобождаться от продуктов сгорания. Они дожигаются на ее раскаленных поверхностях и смываются вихрем горящих газов, попадая дальше в моторное масло и в конечном итоге - в масляный фильтр или в виде отложений на дно картера. Вместе с тем свеча зажигания не должна нагреваться слишком сильно, в этом случае начинается так называемое калильное зажигание и детонация, когда рабочая смесь загорается не от разряда тока в заданный момент времени, а от раскаленных электродов в момент попадания паров в камеру. Последствия этого самые печальные, начиная от потери мощности и увеличения выброса всех вредных веществ до возможного разрушения двигателя.
Характер эксплуатации автомобиля определяет громадный диапазон возможных нагрузок на двигатель. Тепловой режим его компонентов при работе, скажем, в городе очень сильно отличается от напряженного режима при движении на горном серпантине. Все это время свечи зажигания должны обеспечивать точный баланс между накоплением тепла для самоочищения и его отводом для предотвращения калильного зажигания. Экспериментально установлено, что такой баланс выдерживается максимально верно, когда рабочие поверхности свечи находятся в диапазоне от 400 до 900 градусов.
Хорошо известна схема отвода тепла типичной свечой зажигания. Около 20 процентов из 100, получаемых от сжигания газов переходит обратно поступившей в камеру новой порции рабочей смеси (она поступает практически с температурой окружающего воздуха). Шестьдесят процентов проходит через поверхности соприкосновение изолятора и оболочки свечи далее на корпус головки туда, где их уже "ждет" рубашка охлаждения. По 10 процентов получает атмосфера снаружи от внешних частей оболочки и изолятора.
Именно комбинация конструктивных особенностей изолятора и оболочки свечей зажигания определили их деление на горячие, холодные и промежуточные. Первые имеют большую поверхность изолятора, выдающуюся в камеру и "доступную" для обогрева горящими газами и маленькую зону перехода от изолятора к оболочке. Вторые имеют гораздо большую зону для отвода тепла и, поэтому, их рабочие поверхности нагреваются значительно меньше. Способность накапливать тепло называется калильным числом свечи. Практически каждая фирма-изготовитель применяет здесь свою систему кодировки и, поэтому, единственный способ правильно подобрать свечу - использовать фирменный каталог или таблицы взаимозаменяемости.
Керамический изолятор определяет способность свечи накапливать тепло, а металлический сердечник - отводить. Без эффективного решения второй составляющей этого равенства правильный баланс невозможен и поэтому практически все современные свечи имеют так называемую биметаллическую конструкцию. Центральный электрод делается композитным, состоящим из стойкой к эрозии оболочки (обычно из хромо-никилевой стали) и медного сердечника, многократно повышающего способность отводить тепло. Гораздо реже биметаллическими делают и боковые электроды, еще реже вместо меди применяют другие материалы, например серебро.
Биметаллический центральный электрод придает свече важнейшее свойство, называемое термоэластичностью. Ее конструкция обладает одновременно и "горячими" и "холодными" свойствами. В момент пуска двигателя нагревается нижняя часть электрода, сделанная из хромо-никилевого сплава с меньшей теплопроводностью. Это позволяет поддерживать повышенную температуру и, как следствие, обеспечить быстрый и надежный пуск. Затем, по мере прогревания всей массы свечи, в дело вступает медная сердцевина, интенсивно отводящая тепло, свеча становится "холодной". При снижении оборотов, например на холостом ходу, больше работает хромо-никилевый участок и свеча вновь приобретает "горячие" свойства.
Среди производителей свечей зажигания идет непрерывная борьба двух противоположных концепций. Согласно первой чем больший по мощности ток проходит через зазор между электродами, тем полнее и эффективнее сгорает топливо. В результате снижается расход бензина, увеличивается чистота работы двигателя и ресурс таких дорогостоящих элементов системы, как каталитический нейтрализатор. При этом, тем не менее, идет интенсивное электрохимическое разрушение поверхностей электродов, в особенности бокового. Противники этого подхода предлагают решения, понижающие мощность тока, увеличивая при этом ресурс свечей зажигания.
Не только повышенный заряд тока, но и идея "необслуживаемого" автомобиля заставляют конструкторов искать пути увеличения времени работы свечи. Многие новые автомобили США предлагают сегодня 100 тысяч миль (160 тысяч километров) до первой замены расходных материалов (фильтры-свечи). Чаще всего такие модели укомплектованы платиновыми вставками в виде дисков на боковом или на обоих электродах. Платина намного устойчивей к коррозии и электрохимическому разрушению, чем традиционные хромо-никилиевые сплавы. Конструкции с электродами, целиком выполненными из платинового сплава делаются реже.
В розничной торговле "свечи-долгожители" чаще укомплектованы тремя - четырьмя боковыми электродами, хотя встречаются и платиновые вставки. По ошибке автолюбители часто полагают, что четыре электрода улучшают "поджигаемость" смеси, образуя четыре плазменных мостика. На самом деле происходит обратное. "Поджигаемость", а также эффективность сгорания даже немного ухудшаются, зато значительно продлевается время жизни свечи. В случае с четырьмя боковыми электродами искра образуется между центральным и тем боковым, который находится ближе. Его поверхность понемногу изнашивается и в дело вступает следующий - тот, расстояние до которого минимально. Так по очереди и работает несколько боковых электродов, продлевая срок службы свечи.
Сгорание рабочей смеси свечей с несколькими боковыми электродами ухудшается потому, что ее доступ в самую критическую часть камеры - к искре затруднен. К тому же, чем больше электродов, тем интенсивнее отводится тепло от свечи. Для таких конструкций больше вероятность образования нагара и хуже показатели двигателя по CO и NO. Поэтому конструкторы активно исследуют и другой путь - свечи с одним боковым электродом минимальных размеров или ... совсем без бокового электрода.
Последнюю конструкцию в реальной жизни можно встретить только на спортивных болидах. В них роль бокового электрода выполняет вся боковая кромка и искра действительно образуется в виде пучков из трех-четырех мостиков. Делать свечи без боковых электродов в гоночных автомобилях приходится вследствие применения сверхмощного заряда. Такой заряд, во-первых, слишком быстро съедает электроды из любого материала, а во-вторых имеет возможность "перепрыгнуть" с бокового кольца в центр.
Другой способ "уйти" от применения бокового электрода предлагала в свое время фирма СААБ. В той конструкции его роль выполнял ... поршень. Идея была проста и гениальна. Зажигание смеси любого бензинового двигателя происходит при движении поршня вверх, когда он сжимает уже предварительно поступившую в камеру рабочую смесь. На поверхности поршня был сделан иглообразный выступ, с которого и сходила искра, попадая затем на центральный электрод свечи, расположенной в обычном для нее месте. Преимущества такой конструкции очевидны. Не только увеличивалось время службы "бокового электрода" (он практически не выгорал), но и центральный электрод и изолятор можно было сделать долговечнее. Не позволили внедрить такую систему зажигания проблемы с подводом и распределением электрического заряда.
Следующим шагом стало усовершенствование геометрии бокового и центрального электродов свечей обычной конструкции. Если взять в качестве примера каталог любой из крупных фирм, то в нем можно найти 10-20 различных способов улучшить искрообразование. Форма центрального электрода меняется и самым радикальным примером здесь может быть модель Rapidfire компании Delphi. На поверхности ее центрального стержня сделаны 12 ребер с острыми кромками. С таких кромок свеча сходит гораздо легче, чем с традиционной гладкой цилиндрической поверхности центрального электрода.
Это позволяет, с одной стороны, понизить пороговое напряжение зажигания, а с другой - сделать его надежнее и устойчивее при режимах холостого хода или пуска. Продавцы автомобилей отмечают, что именно эти режимы самые критические в восприятии потенциальными покупателями всего автомобиля. Изготовители Rapidfire подсчитали, что ее конструкция по сравнению с "заводскими" свечами автомобиля позволяет на 18% увеличить отдачу акселератора, на 27% стабильность холостого хода и на 2% экономию топлива, но это для каких-нибудь там (у них) Ford или Chevrolet. Никто не измерял улучшений в работе двигателя среднего российского авто. Все дело в допусках, посадках и зазорах. Остается только спорить о том, поймают ли высокоточные приборы экономию в 2% на двигателе с разбросом основных характеристик в плюс-минус 5-10%%.
Главным же противником современных свечей на современных двигателях являются ... соседи по камере. Конструктивно свеча может быть установлена только в ее верхней части там, где уже расположились клапаны и, часто, различные датчики. Переход от двух к четырем и далее к пяти клапанам на цилиндр оставляет совсем мало свободного пространства. Свече приходится "худеть" в диаметре, экономя на бесценной площади внутри камеры сгорания. Так, если в недавнем прошлом можно было встретить свечи с резьбой M18, то теперь распространенными являются М14 и уже встречаются М12 и даже М10. Для такой тонкой свечи гораздо сложнее решить проблемы термической выносливости и теплоотвода и здесь на первый план выходят вопросы качества материала, стабильности производства и соблюдения технологии.
Все фирмы-производители имеют свои уникальные системы маркировки. Так, например, практически одна и та же свеча разных производителей может называться WR7D, RN9YC, CR43CXLS, CW7LPR или 17R-7DU. Единственной буквой, встречающейся в данном случае в каждой комбинации является R и это не случайно. Ей обозначают резистор, сделанный составной частью центрального электрода. Как и многие другие технические решения, оно пришло из авиации тех времен, когда из двигателей внутреннего сгорания там выжимали последние резервы повышения эффективности. Резистор необходимо применять на тех автомобилях, которые оснащены электронными системами, расположенными в подкапотном пространстве. Другая часто встречающаяся буква - С, обозначающая медь (Cupper), а точнее - центральный медный электрод, а две буквы CC у Champion обозначают медный сердечник как у центрального, так и у бокового электрода.
Важнейшими численными характеристиками свечей зажигания являются калильное число, диаметр резьбы и длина резьбы.
Не стоит говорить о том, что свеча должна точно соответствовать по этим трем параметрам двигателю Вашего автомобиля. Даже простая ошибка с длиной резьбы может привести к дорогостоящим печальным последствиям. Если она будет короче, чем ваша штатная - на "лишних" витках резьбы в головке очень быстро накопятся продукты сгорания и затем для нормальной свечи путь придется пробивать специальным метчиком. Еще страшнее последствия заворачивания слишком длинной свечи. В этом случае продукты сгорания осядут уже на ее поверхности и она будет схвачена своебразным замком. Минимальный результат такой невнимательности - разборка двигателя.
Не стоит также стараться запомнить систему кодировки калильного числа и резьб у разных производителей. Любой уважающий себя и клиентов продавец запчастей имеет на готове таблицу взаимозаменяемости.
Свечи зажигания, точнее их внешний вид, являются превосходным индикатором состояния двигателя.
Не только свеча сама готова вам "рассказать" о возможных ошибках с ее выбором, но и поведать о скрытых процессах, развивающихся в двигателе задолго до того, как они заявят о себе виде черного дыма, детонации или нестабильной работы.
Нормально работающая свеча исправного двигателя имеет чистые электроды и цвет керамической юбки изолятора варьирующийся от светло-серого до коричневого.
Появление черного жирного нагара говорит о том, что либо свеча холодна для данного двигателя, либо из-за начинающего проявлять себя износа поршневых колец в камеру поступает излишнее количество масла, либо карбюратор отрегулирован неправильно и рабочая смесь переобогащена. Перегревающаяся свеча имеет белый цвет керамики. Если же, вывернув свечу, Вы обнаружили оплавившиеся или забросанные расплавленным алюминием электроды - это сигнал уже начавшихся серьезных неприятностей (калильного зажигания, детонации).
И последнее, о чем следует упомянуть - возможное продление жизни свечи регулировкой зазора. Действительно, по мере электрического и термического износа электродов он растет и, применив специальные щупы, можно замерить и выставить правильный зазор простым подгибанием бокового электрода. Можно признать такие действия единственно правильными, если Вы оказались один на один с незаводящимся двигателем на даче за городом или финансовый кризис съел все запасы Вашей семьи и траты на следующий комплект в нем не предусмотрены. В обычной же ситуации подумайте о том, что утонченные электроды быстрее раскаляются и создают угрозу детонации. Капитальный ремонт двигателя стоит гораздо дороже дюжины свечей. Самое последнее - меняйте их всем комплектом (4, 6, 8 штук, в зависимости от двигателя) - не стоит экономить на спичках.
