Компоненты "Отечественные комбинированные свечи зажигания"


Возросшие в последнее время требования к дальнейшему повышению топливной экономичности и экологичности бензиновых двигателей, а также естественное стремление улучшить при этом или хотя бы сохранить их динамические свойства резко усложнили проблемы надёжности искрового воспламенения и полноты сжигания обеднённых смесей в цилиндрах двигателей транспортных средств. Негативность влияния обеднённой смеси особенно чувствительно проявляется в условиях переменных нагрузок, характерных для названных двигателей.

Актуальная задача

В прошлом для воспламенения обеднённых смесей применяли форкамерно-факельное зажигание, предполагавшее выбрасывание в камеру сгорания огненного факела, который поджигал смесь, обеднённую до значения коэффициента избытка воздуха α =1,6. Однако такая система при всей её сложности и громоздкости не обеспечивала должной стабильности работы. В настоящее время предложены способы радикального расслоения свежего заряда непосредственно в цилиндрах, что позволяет подавать в зону свечи зажигания активно сгорающую смесь (с α = 0,9), а в целом сжигать смеси, переобеднённые до α = 2,0-2,5. Однако в этом случае рекомендуется применять свечи с удлинёнными (выдвинутыми в камеру сгорания) электродами, что порождает свои специфические проблемы, связанные с изменением конструкции свечи зажигания. Следовательно, как и в прежние годы, в наше время интерес к интенсификации способов воспламенения смеси в цилиндрах автомобильных и мотоциклетных двигателей сохраняет свою значимость.

Как известно, в мировой практике широкое распространение получили искровые варианты свечей с одним или несколькими боковыми электродами, разделёнными воздушным промежутком. Многие известные фирмы выпускают свечи с резьбой М10х1; М12х1,25; М14х1,25 с разными по длине резьбовыми частями и искровыми зазорами (расстояниями между электродами), равными: 0,5; 0,6;0,7 ммдля двигателей мотоциклов и 0,7; 0,8; 0,9; 1,0;1,1 ммдля автомобильных бензиновых моторов, что позволяет удовлетворять запросы широкого круга потребителей. Кстати, напряжения пробоя свечей с искровым зазором 1,0-1,1 ммпревышают нормы отечественного ОСТ-37.003.081-98. Поэтому в подавляющем большинстве случаев указанный показатель регулируют на величину 0,6-0,8 мм.

Тем не менее многие известные фирмы (Champion, Beru, Volvo, Bosch) освоили и уже выпускают свечи зажигания, известные в литератype как комбинированные, с суммарным искровым промежутком 1,3 –1,4 мм. В этих конструкциях искра скользит по торцу изолятора, затем переходит на его боковую поверхность и вновь изменяя направление, перескакивает на электрод «массы» или непосредственно на корпус свечи. Такая сложная зигзагообразная траектория движения приводит к повышению напряжения пробоя, что предполагает и увеличение мощности системы зажигания. Зарубежные комбинированные свечи уже поступили на российский рынок и пользуются спросом, хотя стоят в 5-10 раз дороже традиционных отечественных конструкций с искровым зазором0,8 мм.

Комбинированная свеча зажигания, разработанная и запатентованная проф. И.Я. Райковым


 Особенности новой разработки

Наша группа, работающая при кафедре АТД МГТУ ”МАМИ” под руководством заслуженного деятеля науки и техники РСФСР профессора И. Я. Райкова столкнулась с проблемой сжигания бедных горючих смесей в процессе поиска возможностей практического использования названных смесей в пока массовых для России карбюраторных двигателях. Были изучены все сделанные в этом направлении попытки, как в нашей стране, так и за рубежом. Остановимся лишь на проблеме улучшения искрового воспламенения смесей в цилиндрах. Сразу отметим, что широкое использование иностранных комбинированных свечей не решило проблемы по ряду причин, основными из которых были сложность конструкций и их высокая стоимость.

Относительно простую и сравнительно недорогую отечественную комбинированную свечу зажигания (рис. 1) разработал и запатентовал проф. И. Я. Райков (патент РФ № 2159979 с приоритетом от 13.04.1999 г.; опубликован в Бюллетене № 33 за2000 г.). Её отличительная особенность заключается в том, что искровой разряд совершает прямолинейное движение: от центрального электрода он скользит по торцу изолятора и, преодолевая воздушный зазор, в том же направлении перескакивает на боковой («массовый») электрод. Возможное отклонение движения искрового разряда от прямолинейной траектории ограничивается допусками на изготовление, т. е. величиной «а» в пределах0,2 мм. Суммарный искровой промежуток равен:

r = (R-r) + ∆ℓ,

где R, r – соответственно радиусы торца изолятора и центрального электрода; ∆ℓ – воздушный зазор.

 Для отечественных стандартных свечей величины R = 2,5 мм, r = 1,24 мми ∆ℓ = 0,4-0,6 мм, ℓr = 1,66-1,86 мм (отсюда индексация свечи ИР2). Если же применять специализированный изолятор центрального электрода с большим значением R, т. е. с развитым торцом, то ℓr >2,0 мм. Однако на первой стадии мы ограничились существующими размерами отечественных автомобильных свечей зажигания. Поэтому конструкция комбинированной свечи отличается только формой и размерами бокового электрода, а также выступанием центрального электрода над торцом изолятора, которое не должно превышать 1/3 от его собственного диаметра. Благодаря этому отечественной комбинированной свече зажигания ИР2 свойственна эластичность тепловой характеристики, подтвердившаяся в процессе её испытаний.

 По итогам испытаний

С целью всесторонних натурных экспериментальных исследований свечей ИР2 их нужное количество было изготовлено подручными средствами. В качестве базовых в основном применялись свечи А17ДВ фирмы APS (г. Энгельс). Испытания проводились:

- на безмоторном стенде Э 203.11 «ГАРО» с барокамерой, дополнительно оснащённом оптическим прибором с 12-кратным увеличением для наблюдения за геометрической формой разряда;

- в стендовых условиях на двигателях ВАЗ (1,6 л), УАМЗ (1,5 л);

- при эксплуатации на различных отечественных  и зарубежных автомобилях с карбюраторным и форсуночным питанием (ВАЗ 2101-2107, ВАЗ 2108, -2109, ВАЗ 2110-2113, «Москвич-2141», «Святогор», различные модели автомашин «Волга»).

Изучение влияния свечей ИР2 на выброс токсичных веществ проводилось на специализированном оборудовании на Дмитровском автополигоне. Результаты первых сравнительных испытаний приведены в табл. 1.

Напомним, что ГОСТ предписывает испытывать свечи зажигания на бесперебойное искрообразование 30 сек. при давлении 8,5 кгс/см2, напряжении пробоя (разряда) 19,5 кВ и принятом для них искровом зазоре (0,8 мм).

Таблица 1. Итоги сравнительных испытаний комбинированных свечей ИР2 на бесперебойность искрообразования

№№

 п/п

Марка

свечи

Искровой

зазор, мм

Давление в камере, кг/см2

8,0

10,0

12,0

   1

А17ДВ

   0,8

нормальное

ед. пробой

пробои

   2

А17ДВ

    1,0

ед. пробой

ед. пробой

пробои

   3

ИР2

    1,5

нормально

нормально

нормально

   4

ИР2

    1,7

нормально

нормально

нормально

   5

ИР2

    1,9

нормально

нормально

нормально

   6

ИР2

    2,1

нормально

нормально

ед. пробой

 


Комбинированная свеча с двумя боковыми электродами


Указанные опробования показали, что по сравнению с двумя базовыми свечами А17ДВ комбинированные ИР2 (рис. 2) сохраняли устойчивое искрообразование при давлениях в камере до 12 кгс/см2, хотя суммарный искровой промежуток (ℓr) в них в 1,8 раза превышал 1,0 мм, при котором обычная свеча давала пробои даже в условиях давления 8 кгс/см2. Анализ полученных результатов подтвердил ожидания автора конструкции, принимавшего участие в данном опробовании. Но поскольку свечи зажигания одних и тех же марки и завода-изготовителя имеют всё же некоторые различия в характеристиках по началу пробоя искры на «массу», то было решено провести исследования с большой достоверностью получаемых результатов.

 

 Рис. 3. Результаты испытаний свечей ИР2 на стенде Э-203.11:

1 – холостой ход катушки зажигания, 2 – пуск и холостой ход, 3 – полный дроссель, 4 – ½ открытия дроссельной заслонки, 5 - ¼ открытия дроссельной заслонки.

_ _ _ _ _ _ ИР2, воздушный зазор0,6 мм, суммарный зазор1,86 мм

              А 17 ДВ, воздушный зазор0,80 мм

Для осуществления намеченного были задействованы 15 новых свечей А17ДВ фирмы APS (г. Энгельс). Результаты их испытаний были получены с применением безмоторного стенда при неизменяемом напряжении пробоя, которое поддерживалось на уровне 18,4 кВ, т. е. с учётом возможностей обычных автомобильных систем зажигания с механическим прерывателем и контролировалось киловольтметром. Давление пробоя измерялось стрелочным манометром. Начало пробоя фиксировалось трёхэлектродным разрядником, включённым параллельно киловольтметру.

Одни и те же свечи в полностью сопоставимых условиях проходили предварительное испытание в комплектации «А» (при стандартном исполнении их изготовителем), а потом в комплектации «Б», когда их переоснащали в комбинированные ИР2 в соответствии с патентом № 2159979. Воздушный зазор в последних регулировался на величину от 0,25 до 0,75 мм, вследствие чего суммарный искровой промежуток (суммарный зазор (ℓr) превышал воздушный зазор в комплектации «А» в 2,0-2,5 раза. Давление же пробоя сохранялось практически одинаковым: в комплектации «А» составляло 13,6 кгс/см², а в «Б» – равнялось 13,1 кгс/см², т. е. в 96,3 % случаях совпадало (см. табл. 2).

Таблица 2. Результаты сравнительных испытаний свечей А и Б


 

А – обычные искровые свечи с воздушным зазором между электродами0,8 мм

Б – те же свечи «А», переоснащённые в комбинированные ИР2, в которых искровой заряд скользит по поверхности торца изолятора, а затем перескакивает на электрод «массы», что позволяет увеличивать суммарный искровой промежуток (зазор) до 2,01/0,8 = 2,5 раза и более (в зависимости от размера торца изолятора).

Анализ табличных данных свидетельствует, что до значения воздушного зазора0,55 ммкомбинированные свечи ИР2 имеют одинаковое с базовыми для них свечами А17ДВ давление начала пробоя. Это замечательное свойство свечей ИР2, так как увеличение в них длины искрового промежутка в 1,76/0,8 = 2,2 раза не требует каких-либо изменений в обычных автомобильных батарейных системах зажигания. Однако и с относительно большим воздушным зазором (до0,75 мм), когда суммарный зазор лежит в пределах 1-2 мм, свечи ИР2, выполняемые на базе изделий фирмы APS, можно использовать без модернизации простейших батарейных систем зажигания. Это относится и к вариантам изготовления ИР2 на базе свечей других фирм, если их характеристики не хуже, чем у продукции APS. Кстати, выполненное нами широкое обследование различных свечей зажигания, включая и свечи ведущих мировых фирм, не выявило между ними существенных различий.

 

Стендовые моторные испытания, результаты которых представлены в виде графиков на рис. 3, были проведены на двигателе ВАЗ-2106 при различных положениях дроссельной заслонки, начиная с холостого хода (кривая 2) до полного её открытия (кривая 3), подтвердив результаты, полученные в барокамере. Пробивные напряжения с ИР2 оказывались практически одинаковыми относительно штатных свечей, причём возможности катушки зажигания двигателя ВАЗ-2106 на установившихся режимах недоиспользовались примерно на 5 кВ (кривая 1). А это гарантировало устойчивую работу двигателя на сложных переходных режимах, когда требуются более высокие пробивные напряжения.

Свеча с четырьмя боковыми электродами


Таким образом, удалось показать простоту решения комбинированных свечей ИР2 и возможность их использования в сочетании с обычными системами зажигания, полагая, что читатели знают, насколько важна каждая десятая доля миллиметра воздушного зазора между электродами свечи зажигания для повышения надёжности работы двигателя, а свеча ИР2 даст увеличение искрового промежутка на величину до1,0 мм.

ИР2 с успехом использовали при обычной эксплуатации. Как было установлено наблюдениями, уменьшаются хлопоты на обслуживание в сравнении с обычными свечами зажигания. Добровольные испытатели названных свечей отмечают улучшение пусковых свойств двигателей, более спокойную работу на холостом ходу и повышение динамики автомобилей. Накапливаемые в этой части материалы обрабатываются и будут опубликованы.

Чтобы проиллюстрировать другие положительные свойства комбинированных свечей ИР2, рассмотрим вероятность шунтирования маслом свечей в изношенном двигателе. Сопоставлялись базовая свеча А17ДВ и ИР2. Первая из них регулировалась на воздушные зазоры от 0,6 до 1,0 мм, а между электродами вводили моторное масло. При подаче напряжения в условиях атмосферного давления наблюдения под микроскопом показали, что около электродов возникает два ярких голубых пятна, но обычное искрообразование отсутствует. При повторных испытаниях в барокамере этой свечи с воздушным зазором 0,9 мми постоянном повышении давления до норматива наблюдалась та же картина – сплошной электрический шнур не возникал, т. е. свеча не работала. У свечи ИР2 в тех же условиях атмосферного, а также повышенного давлений при воздушных зазорах ∆ℓ = 0,5 и 0,6 мми соответственно ℓr = 1,76 и1,86 м электрическая искра не исчезла, а сплошной шнур её скользил поверх слоя масла. Причём траектория движения шнура была строго прямолинейна, а следовательно, свеча комбинированного типа превращалась в свечу со скользящим разрядом. Поэтому она сохраняла не только свою работоспособность, но и присущую свечам ИР2 эффективность воспламенения смеси в цилиндрах. Мы не можем утверждать, что все известные комбинированные свечи обладают этим замечательным свойством, но свечам ИР2 оно органически присуще, и описанный выше эксперимент с шунтированием служит убедительным тому доказательством. Видимо, этим объясняется и тот факт, что некоторые комплекты ИР2 проработали в эксплуатации по 20 тыс. км и более без текущего обслуживания.

 Улучшение экономичности и снижение токсичности выхлопа

В заключение рассмотрим результаты испытаний разработанных конструкций свечей, показывающие влияние их на экономичность и экологичность современного автомобиля. Объектом проведения последних стал автомобиль ВАЗ-2110, принадлежащий автополигону НАМИ и имеющий пробег 19,5 тыс. км. Двигатель этой машины оснащён форсуночным распределённым впрыскиванием топлива с электронным управлением. Дня измерений напряжения пробоя и частоты вращения вала использовали осциллоскоп и цифровой тестер фирмы Bosch. Испытания проводились при температуре окружающей среды +17 °С и атмосферном давлении756 мм. рт. ст. Сопоставлялись свечи А17ДВР, штатные для этого автомобиля, ИР (рис. 1) и модификации ИРС с четырьмя боковыми электродами, изготовленные на базе свечи Bosch, из которых два были выполнены как указано на рис. 4, а два других оставались штатными. Работа выполнялась на беговых барабанах в режимах стандартного городского цикла (4x195 с) и разгона с 40 до100 км/ч.

Испытания, проведённые в режимах городского цикла, позволили оценить свойства упомянутых свечей зажигания по важнейшему параметру – величине пробивного напряжения (U 2) на самых характерных нагрузочных и скоростных составляющих движения автомобиля в типичных городских условиях: холостой ход (XX), принудительный холостой ход (ПХХ), разгон до заданной скорости неустановившегося режима (НУР) и установившийся режим работы двигателя (УP).

Так, на XX при частоте вращения коленчатого вала 850 мин-1 величина U2 для всех трёх вариантов находилась в пределах 12-14 кВ; на ПХХ (при торможении двигателем) вариант установки свечей ИР показал более 20 кВ против 13 кВ для обычных свечей; на разгоне коленчатого вала от 850 до 1600 мин-1 на НУР величина U 2 составляла 15-18 кВ для комбинированных вариантов и 19 кВ – для штатных. Однако при paзгоне коленчатого вала в режимах НУР до более высоких скоростей величина U 2 варианта с установкой ИР превышала 20 кВ; на установившихся режимах (УР) работы она практически оставалась одинаковой, изменяясь пределах 8-10кВ, при всех опробованных вариантах свечей.

Следовательно, на XX и УР полученные нами ранее результаты подтвердились. На режимах разгона (НУР) лучшим оказался вариант ИРС (рис. 4), но он был многоэлектродным и выполнен на основе более качественных свечей «Bosch». Это даёт повод рекомендовать для комбинированных свечей применение по возможности более качественной базовой основы.

Свеча с винтовыми прорезями на нижнем торце корпуса 


Испытания на разгон от 40 до100 км/чавтомобиля ВАЗ-2110 на беговых барабанах при работе со свечами ИР2 в среднем из четырёх «заездов» дали 19,9 сек., при штатных свечах – 20 сек. и 18,9 сек. при ИРС. Как видим, последние дали результат на 1 сек. лучше штатных. В этом и заключаются резервные возможности установки комбинированных свечей, над использованием которых ещё следует работать.

В процессе испытаний автомобиля ВАЗ-2110 по методике Дмитровского автополигона были определены главные показатели: выброс токсичных веществ и расход топлива на режимах движения в городском цикле (см. табл. 3).

Таблица 3. Показатели выброса токсичных веществ и расход топлива

№№

п/п

Вид

испытаний

Марка

свечи

СО

СН

NOx

Gm

г/исп.

100%

г/исп.

100 %

г/исп.

100 %

г/исп.

100 %

1

4 «заезда» в городском

цикле

А17ДВ

Штатные

27,6

100

 5,4

100

5,8

100

9,11

100

 

2

4 «заезда» в городском

цикле

ИР2

на базе

А17ДВ

 

 

26,4

 

26,2

95,6

 

95,0

5,1

 

5,3

94,4

 

98,0

5,6

 

5,7

96,5

 

98,3

8,71

 

8,67

95,6

 

95,2

26,3

95,3

5,2

96,2

5,65

97,4

8,69

95,4

 

3

4 «заезда» в городском

цикле

 ИРС четырёхконтактные

на базе

“Bosch”

 

26,22

 

26,33

95,0

 

95,4

5,27

 

5,12

97,6

 

95,0

6,23

 

5,93

107

 

102

8,58

 

8,35

94,2

 

91,6

26,275

95,2

5,195

96,3

6,08

104,5

8,43

92,9

 

Анализ данных таблицы 3 не оставляет сомнений в преимуществах комбинированных свечей зажигания, изготовленных на базе А17ДВ (г. Энгельс) и особенно с использованием дня них четырёхэлектродных электродных свечей «Bosch». И действительно, по СО выброс уменьшается на 5 %; по СН – примерно на 4 %. Хуже обстоит со снижением эмиссии NOх: если использование свечей ИР2 способствовало уменьшению выброса на 1 %, то установка свечей ИРС обусловила увеличение выброса на 4,5 %.

Снижение токсичности отработавших газов – факт отрадный, но он лишь подчёркивает высокую эффективность комбинированных свечей ИР при всей их простоте, поскольку проблема токсичности двигателей в наше время решается иными, более радикальными, средствами. Другое дело, снижение расхода топлива (Gm) составляет 5 - 7%, что представляет уже практический интерес. Между тем эта экономия была получена без каких-либо подготовительных мероприятий. Мы полагаем, что ради этого стоит осваивать производство отечественных комбинированных свечей зажигания. Тем более, они обладают и многими другими положительными свойствами. Например, повышая надёжность воспламенения смеси, не требуют модернизации простейших систем зажигания; снижают вероятность шунтирования и отказа свечи в изношенных двигателях и др.

На рис. 5 показана свеча, у которой на нижнем торце корпуса были выполнены винтовые прорези, создавшие статическую турбину, чтобы проверить, будет ли отклоняться искра в завихрённом потоке рабочей смеси в такте сжатия в момент проскакивания искры. Как показали эксперименты, отклонение наблюдалось незначительное, при давлениях до 14 кг/см2.

Производство отечественных комбинированных свечей назрело, и его следует начинать с простейших конструкций этого класса, например, предложенной И. Я. Райковым.

 

И. Я. РАЙКОВ, профессор,

Ю. К. ЯРКИН, доцент,

О. Н. ВАГАНОВ, аспирант,

MГТУ «МАМИ»