Введение

Устройство, генерирующее искры в двигателях внутреннего сгорания.

Свеча зажигания – это электрическое устройство, используемое в двигателе внутреннего сгорания для создания искры, воспламеняющей воздушно-топливную смесь в камере сгорания. Являясь частью системы зажигания двигателя, свеча зажигания получает высоковольтное электричество (генерируемое катушкой зажигания в современных двигателях и передаваемое по проводу свечи зажигания), которое она использует для образования искры в небольшом зазоре между положительным и отрицательным электродами. Момент зажигания является ключевым фактором в работе двигателя, и свеча зажигания обычно срабатывает непосредственно перед началом такта сгорания. Свеча зажигания была изобретена в 1860 году, однако широкое распространение она получила только после изобретения магнето в 1902 году. Дизельные двигатели используют самовоспламенение от сжатия (вместо искрового зажигания), поэтому свечи зажигания в них обычно не применяются.

Дизайн

Основными элементами свечи зажигания являются корпус, изолятор, центральный электрод и боковой электрод (также известный как "земляной контакт"). Основная часть изолятора обычно изготавливается из спеченного оксида алюминия (Al2O3) – твердого керамического материала с высокой диэлектрической прочностью. В морских двигателях корпус свечи зажигания часто имеет двойное покрытие цинковым хроматом. Поскольку свеча зажигания проходит сквозь стенку камеры сгорания, она также должна обеспечивать герметичность для газов высокого давления внутри камеры сгорания.

Электроды

Центральный электрод соединен с клеммой внутренним проводом. Центральный электрод функционирует как катод, с которого происходит эмиссия электронов. Это обусловлено тем, что центральный электрод обычно является самой горячей частью свечи, а принципы термоэлектронной эмиссии подразумевают, что электроны легче испускаются с более нагретой поверхности. Острый конец центрального электрода также усиливает напряженность электрического поля, что способствует увеличению эмиссии электронов. Боковой электрод изготавливается из высоконикелевой стали и приваривается или горячеформуется к металлическому корпусу. Свечи зажигания могут содержать до четырех боковых электродов, окружающих центральный электрод. Наличие нескольких боковых электродов обычно увеличивает срок службы свечи, поскольку при увеличении зазора искры из-за износа, вызванного электрическим разрядом, искра переходит на другой, более близкий заземляющий электрод. Недостатком использования нескольких боковых электродов является возможность возникновения эффекта экранирования для каждого электрода, что приводит к менее эффективному сгоранию и повышенному расходу топлива.

Размер пробела

Расстояние между боковым электродом свечи зажигания и центральным электродом называется "зазором свечи зажигания" и является ключевым фактором в работе свечи зажигания. Зазоры свечей зажигания для автомобильных двигателей обычно различаются: современные двигатели (использующие системы зажигания с твердотельными компонентами и электронный впрыск топлива) обычно используют большие зазоры, чем более старые двигатели с контактными прерывателями и карбюраторами. Меньшие зазоры обычно более надежно обеспечивают искрообразование, однако искра может оказаться недостаточно сильной для воспламенения топливно-воздушной смеси. Больший зазор обеспечивает более мощную искру, но при этом искрообразование может не всегда происходить (например, на высоких оборотах). Регулировка зазора не рекомендуется для свечей зажигания из иридия и платины, так как существует риск повреждения металлического диска, приваренного к электроду.

Использование отработанных искр

Системы с потерянным искрообразованием создают повышенную нагрузку на свечи зажигания, поскольку они попеременно генерируют искру в обоих направлениях (от бокового электрода к центральному, а не только от центрального к боковому). Следовательно, в автомобилях с такой системой на обоих электродах, а не только на центральном, должны быть использованы свечи с драгоценными металлами, чтобы увеличить интервалы замены, так как износ металла происходит быстрее в обоих направлениях, а не только в одном.

Диапазон температур

Важным фактором для свечи зажигания является температура, которую ее наконечник рассчитан выдерживать, называемая тепловым числом. Типичные тепловые числа для двигателей легковых автомобилей обычно находятся между… Более горячая свеча имеет больше изоляции между собой и головкой блока цилиндров, что приводит к меньшему рассеиванию тепла от свечи и, следовательно, к более высокой ее рабочей температуре. Для предотвращения образования нагара на свече требуются температуры выше 450 °C (842 °F), в то время как температуры выше 800 °C (1472 °F) могут привести к перегреву свечи. Переход на свечу с более высоким тепловым числом иногда используется для компенсации проблем с подачей топлива или потреблением масла, однако это увеличивает риск преждевременного воспламенения.

История

Французскому инженеру Этьену Ленуару обычно приписывают изобретение свечи зажигания в 1860 году, благодаря её использованию в раннем газовом двигателе Ленуара. В конце 1890-х годов было подано несколько патентов, касающихся систем электрического зажигания, в том числе от сербского инженера Николы Теслы, британского инженера Фредерика Ричарда Симмса и немецкого инженера Роберта Боша. Однако использование свечей высокого напряжения в коммерчески жизнеспособных двигателях стало возможным только после 1902 года, благодаря изобретению систем зажигания на основе магнито инженером Bosch Готлобом Хонольдом. Среди ранних производителей свечей зажигания были американская компания Champion, британская компания Lodge Brothers и лондонская KLG, которая впервые начала использовать слюду в качестве изолятора. В 1930-х годах американский геолог Хелен Блэр Бартлетт разработала изолятор на основе оксида алюминия (глинозема) для свечей зажигания. Свечи зажигания с полонием продавались компанией Firestone с 1940 по 1953 год. Хотя количество излучения от свечей было ничтожно малым и не представляло угрозы для потребителя, эффективность таких свечей быстро снижалась примерно через месяц из-за короткого периода полураспада полония, а также из-за того, что отложения на проводниках блокировали излучение, улучшавшее работу двигателя. Идея, лежащая в основе свечи зажигания с полонием, а также прототипа радиевой свечи Альфреда Мэтью Хаббарда, который предшествовал ей, заключалась в том, что излучение улучшит ионизацию топлива в цилиндре и, таким образом, позволит свече зажигаться быстрее и эффективнее.