Техническая информация – обзор свечей зажигания

Свечи зажигания являются одними из самых малопонятных компонентов двигателя. За последнее время всплыло на поверхность множество вопросов, стявящих многих людей в тупик.

Это руководство выпущено в свет в помощь техническим специалистам, любителям, гоночным механикам для понимания принципов использования свечей и диагностики двигателя по состоянию свечей зажигания. Информация, содержащаяся в данном руководстве, относится ко всем двигателям внутреннего сгорания: двухтактным двигателям, роторно-поршневым (четырехтактным) двигателям, гоночным двигателям и транспортным средствам.

Свечи зажигания являются средством познания вашего двигателя, очевидцами процессов, происходящих в камере сгорания, и могут использоваться как полноценный диагностический инструмент. Как термометр для больного, свечи зажигания выявляют симптомы и условия эксплуатации двигателя. Опытный механик, анализируя эти симптомы, может обнаружить причину, вызывающую множество проблем, или определить соотношение топливовоздушной смеси.

СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Свеча зажигания выполняет две основные функции:

* Воспламенение топливовоздушной смеси
* Отвод тепла из камеры сгорания

Свечи зажигания передают электроэнергию, которая извлекает скрытую энергию топлива, преобразуя ее в полезную энергию. Система зажигания должна генерировать величину напряжения достаточную для проскакивания искры через ее зазор. Это свойство свечи называется электрической характеристикой.

Температура рабочего конца свечи должна поддерживаться достаточно низкой для предотвращения раннего зажигания и, одновременно, достаточно высокой для предотвращения образования нагара. Это свойство свечи называется тепловой характеристикой, и определяется выбором теплового диапазона свечи.

Важно помнить, что свечи зажигания не генерируют, а только отводят тепло. Свеча зажигания функционирует как теплообменник, отводя излишнюю тепловую энергию от камеры сгорания и передавая ее системе охлаждения двигателя. Тепловой диапазон характеризуется как способность свечи к рассеиванию (передаче) тепла.

Величина теплопередачи определяется следующими факторами:

* Длинной изолятора рабочего кончика свечи
* Объемом газовой полости вокруг изолятора рабочего кончика свечи
* Материалом и конструкцией центрального электрода и керамического изолятора

Тепловой диапазон свечей зажигания не зависит от фактического напряжения передаваемого через свечу зажигания. Вернее, тепловой диапазон есть величина способности свечи к отводу тепла от камеры сгорания. Величина теплового диапазона определяется несколькими факторами: длинной керамического центрального изолятора рабочего кончика свечи и его способности к поглощению и передаче тепла процесса сгорания, материалом изолятора и центрального электрода.

Тепловая мощность и тепловой поток через свечи зажигания NGK



Горячий тип
Развитая поверхность контакта с газами камеры сгорания.
Медленный отвод тепла.
Быстрый нагрев рабочего кончика свечи.

Холодный тип
Небольшая поверхность контакта с газами камеры сгорания.
Быстрый отвод тепла.
Медленный нагрев рабочего кончика свечи.

Длина изолятора рабочего кончика свечи есть расстояние между кончиком изолятора со стороны искрового зазора и точкой контакта изолятора с металлическим корпусом свечи. Так как кончик изолятора является самой нагретой частью свечи, его температура является первичной причиной раннего зажигания и образования нагара. Температура кончика свечи должна находиться в диапазоне от 500°C до 850°C, вне зависимости от того, используется ли она в двигателе газонокосилки, лодки или гоночной машины. Если температура кончика ниже 500°C, поверхность изолятора, окружающего центральный электрод, будет недостаточной для сгорания углеродных и прочих отложений. Накопление отложений может вызвать загрязнение свечи, что ведет к пропускам зажигания. Если температура кончика выше 850°C, свеча будет перегреваться, что может вызвать повреждение керамической оболочки центрального электрода и плавление электродов. Это может привести к раннему зажиганию/детонации и серьезному повреждению двигателя. Для одинаковых типов свечей зажигания изменение теплового диапазона на 1 единицу приводит к изменению температуры в камере сгорания на величину от 70°C до 100°C, а температура кончика свечи зажигания с заземляющим электродом выступающей формы при этом изменяется на 10°C-20°C.

Температура кончика изолятора и внешний вид свечи зажигания



Внешний вид свечи зажигания также зависит от температуры кончика свечи зажигания. Существует три основных критерия для диагностики свечей зажигания: нормальные, загрязненные и перегретые. Граница раздела между областями загрязнения и оптимального функционирования лежит около 500°C и называется температурой самоочистки свечи. При этой температуре скопившиеся углеродные и прочие отложения сгорают.

Необходимо иметь в виду, что длина изолятора рабочего кончика свечи является определяющим фактором теплового диапазона свечи. Чем он длиннее, тем меньше поглощается тепла и, в дальнейшем, тепло должно передаваться охлаждающей воде в каналах головки блока цилиндров. Это означает, что свеча имеет большую внутреннюю температуру и является свечой горячего типа. Свеча горячего типа поддерживает высокую внутреннюю рабочую температуру, обеспечивая сгорание масла и углеродных отложений, и не зависит от интенсивности или качества искры.

И наоборот, свеча зажигания холодного типа имеет меньшую длину изолятора и поглощает больше тепла камеры сгорания. Тепло проходит меньшую дистанцию, позволяя свече работать при более низкой внутренней температуре. Холодный диапазон необходим для тяжелонагруженного функционирования или работы на высоких оборотах в течении продолжительного периода времени. Свечи холодного типа более быстро отводят тепло и, таким образом, снижают вероятность раннего зажигания/детонации и плавления или повреждения рабочего кончика свечи. (Температура двигателя может влиять на рабочую температуру свечи, но не на тепловой диапазон свечи.)

Ниже приведен перечень некоторых возможных внешних факторов, влияющих на рабочую температуру свечи. Следующие симптомы или условия могут иметь воздействие на фактическую температуру свечи. Свеча не может создавать эти условия, но должна быть способна выдерживать тепловые нагрузки, иначе пострадают эксплуатационные возможности и двигатель может выйти из строя.

Соотношение/качество топливовоздушной смеси имеет значительное влияние на эксплуатационные возможности двигателя и рабочую температуру свечи зажигания.

* Богатая топливовоздушная смесь вызывает падение температуры кончика свечи, провоцируя возникновение нагара и низкие эксплуатационные возможности
* Бедная топливовоздушная смесь вызывает возростание температуры в камере сгорания и кончика свечи, в результате, приводя к возникновению раннего зажигания, детонации и возможности серьезных повреждений свечи зажигания и двигателя
* Важно многократно проверять состояние свечей зажигания в процессе работы, чтобы достигнуть оптимального соотношения топливовоздушной смеси


Высокая компрессия/Наддув поднимают температуру в камере сгорания и температуру кончика свечи зажигания

* Компрессия может возрастать при следующих модификациях:
o снижение объема камеры сгорания, то есть применение куполообразных поршней, головок блока цилиндров измененной конструкции и т. д.
o дополнительный наддув (Nitrous, Turbocharging или Supercharging)
o модификация распредвала
* При возрастании компрессии следует: использовать свечи более низкого температурного диапазона; применять высокооктановое топливо; необходимо осторожно и внимательно подбирать момент зажигания и соотношение топливовоздушной смеси. Ошибка в выборе свечи зажигания холодного типа может привести к повреждению свечи/двигателя


Смещение момента зажигания в сторону опережения

* Смещение момента зажигания в сторону опережения на 10° вызовет нагрев кончика свечи примерно на 70°-100° C Обороты двигателя и нагрузка
* Возрастание температуры кончика свечи пропорционально увеличению оборотов двигателя и его нагрузки. При работе на высоких оборотах или при большой нагрузке следует устанавливать свечи более холодного теплового диапазона


Температура окружающего воздуха

* При снижении температуры окружающего воздуха возростает плотность/объем воздуха, в результате, происходит обеднение топливовоздушной смеси
* Это способствует возростанию температуры/давления в цилиндре и вызывает повышение температуры кончика свечи. Таким образом, следует увеличить подачу топлива
* С возрастанием температуры плотность и объем всасываемого воздуха уменьшается, таким образом следует снизить подачу топлива


Влажность

* С возростанием влажности снижается объем всасываемого воздуха
* В результате, уменьшается компрессия и температура сгорания, вызывая снижение температуры свечи и доступной мощности
* Следует обеднять топливовоздушную смесь в зависимости от температуры окружающей среды


# Барометрическое давление/Высота над уровнем моря Также влияет на температуру рабочего кончика свечи
# С повышением высоты над уровнем моря снижается компрессия. Вследствие падения температуры сгорания уменьшается температура рабочего кончика свечи
# Многие механики пытаются при этом изменять тепловой диапазон свечей
# Наиболее реальный вариант заключается в регулировке жиклеров или соотношения топливовоздушной смеси с целью увеличения подачи воздуха в двигатель

Варианты ненормального процесса сгорания
Ранний момент зажигания

* Определяется как: воспламенение топливовоздушной смеси раньше предварительно установленной отметки
* Вызвано горячими участками камеры сгорания, причиной может являться: ранний момент зажигания, перегрев свечи, низкооктановое топливо, обедненная топливовоздушная смесь, чрезмерно высокая компрессия, недостаточное охлаждение двигателя
* Может помочь повышение октанового числа топлива, применение свечи более холодного теплового диапазона, обогащение топливовоздушной смеси или снижение компрессии
* Также может понадобиться смещение момента зажигания в сторону запаздывания и проверка системы охлаждения
* Ранний момент зажигания обычно приводит к детонации. Ранний момент зажигания и детонация являются двумя отдельными случаями


Детонация

* Злейший враг свечей зажигания! (наравне с нагаром)
* Может вызвать повреждение изоляторов или заземляющих электродов
* В большинстве случаев ранний момент зажигания приводит к детонации
* Темпрература рабочего кончика свечи в процессе сгорания может превышать 1650°С (гоночные двигатели)
* Наиболее часто вызывается перегретыми участками камеры сгорания.

Перегретые участки приведут к раннему моменту зажигания топливовоздушной смеси. Когда поршень движется вверх под действием шатуна, преждевременное воспламенение смеси вызовет усилие в обратном направлении. Если поршень не может подняться вверх (вследствии преждевременного воспламенения) и не может двигаться вниз (вследствие воздействия шатуна в верхнем направлении), он будет колебаться из стороны в сторону. В результате, ударная волна воплотится в слышимый глухой звук. Такое явление называется детонацией
* Разрушающее воздействие для двигателя более критично от возникновения детонации, нежели чем от перегрева
* Свечи зажигания повреждаются как от повышенных температур, так и от сопутствующей ударной волны или сотрясения


Перебои/пропуски зажигания

* Считается, что свеча дает пропуск зажигания, когда в нужный момент хода поршня в камеру сгорания подается искровой разряд недостаточный для полного воспламенения топливовоздушной смеси (несколько градусов до верхней мертвой точки)
* Свеча зажигания может генерировать слабую искру (или вообще не генерировать искру) по различным причинам: поврежденная катушка зажигания, слишком высокая компрессия вкупе с неправильным зазором свечи, сухой или влажный налет на свечах, сбитый момент зажигания и т. д.
* Незначительные пропуски зажигания могут вызвать потерю мощности по очевидным причинам (не генерируется энергия, непостоянная подача топлива)
* Частые пропуски зажигания вызовут повышенный расход топлива, низкие эксплуатационные возможности и могут привести к повреждению двигателя


Нагар

* Возникает, когда температура рабочего кончика свечи недостаточна для сжигания углеродных, топливных, масляных и других отложений
* Вызовет закорачивание электродов на землю, так, что искра не будет проскакивать через зазор свечи, соответственно, возникнут пропуски зажигания
* Влажные свечи должны заменяться, так как не происходит образования искры
* Иногда свечи с сухим налетом могут быть очищены увеличением рабочей температуры двигателя
* Перед заменой зашлакованных свечей убедитесь в устранении причины их загрязнения

Методика диагностики свечи зажигания
При компетентной диагностике свечи зажигания, она может являться помощником в различных настройках двигателя. Анализируя цвет изолятора рабочего кончика свечи, опытный механик может получить множество информации о рабочих условиях двигателя.

Вообще, светлый желтовато-коричневый/серый цвет свечи говорит о том, что двигатель функционирует в нормальном режиме при оптимальной температуре. Темный цвет, например, черные влажные или сухие отложения, может указывать на чрезмерно богатую смесь, слишком холодный тепловой диапазон свечи, возможное снижения вакуума, низкую компрессию, поздний момент зажигания или слишком большой искровой зазор свечи

Присутствие влажного налета может быть вызвано повреждением прокладки головки блока цилиндров, износом маслосъемного колца, или возникновением проблем в механизме газораспределения, или работой двигателя на чрезмерно богатой смеси – в зависимости от состава влажных отложений на рабочем кончике свечи. Следы нагара или перегрева необходимо обнаруживать как можно быстрее с целью предотвращения ухудшения ходовых возможностей и повреждения двигателя.




Нормальное состояние
Состояние двигателя может быть оценено по внешнему облику рабочего кончика свечи зажигания. Если рабочий кончик свечи коричневый или светло-серый, состояние двигателя нормальное и свеча функционирует в оптимальном режиме









Сухие и влажные отложения
Хотя существует множество различных вариантов, но если сопротивление между центральным и заземляющим электродом выше 10 Ом, двигатель можно нормально завести. Если сопротивление изолятора падает до значения 0 Ом, запальный конец свечи зажигания загрязнен либо сухими сажистыми, либо влажными масляными отложениями.
Причины образования сажистых отложений: Неправильные регулировки карбюратора; слишком обогащенная топливно-воздушная смесь; сильное загрязнение воздушного фильтра; слабая искра; неправильное функционирование/заедание воздушной заслонки; проблема чаще всего возникает при использовании двигателя для перемещения на короткие расстояния; свечи зажигания имеют слишком низкую рабочую температуру; индекс теплового диапазона свечи зажигания слишком низкий.
Результат: Пропуски в зажигании, трудности в запуске двигателя.
Исправления: Отрегулировать настройки карбюратора и воздушной заслонки; проверить состояние воздушного фильтра. Если загрязнены только одна или две свечи комплекта, то проверьте на наличие заедания клапанов или неисправности выводов системы зажигания. После исправления причины неисправности необходимо провести обслуживание свеч зажигания и снова их установить.






Причины образования масляных отложений: Высокое содержание масла в камере сгорания. Повышенный уровень масла в картере двигателя; износ поршневых колец, гильз блока цилиндров или направляющих втулок клапанов. Может возникать в период обкатки нового двигателя или двигателя после капремонта (такие загрязненные свечи могут пройти обслуживание и устанавливаться снова).
Результат: Пропуски в зажигании, трудности в запуске двигателя.
Исправления: Проведение капитального ремонта двигателя, отрегулировать соотношение топливно-масляной смеси (2-тактные двигатели), заменить свечи зажигания на новые.






Свинцовые отложения и перегрев При перегреве свечи зажигания отложения, которые скапливаются на рабочем кончике изолятора, расплавляются и придают ему глазурованный или глянцевый внешний вид коричнево-желтого цвета.
Причины: Резкое повышение температуры в камере сгорания, вызванное резким ускорением при большой нагрузке приводит к образованию лаковых отложений. Также использование топлива со свинцово-содержащими присадками приводит к образованию лаковых отложений.
Результат: При большой нагрузке лаковые отложения становятся электропроводными и приводят к пропускам в зажигании. Они не могут быть обнаружены замером сопротивления между центральным и заземляющим электродами при комнатной температуре.
Исправления: Заменить свечи зажигания на новые. При повторении таких явлений рекомендуется использовать свечи с более холодным диапазоном и обслуживать их чаще.






Изолятор имеет мутно-белый или серый цвет и выглядит вспученным. Электроды подверглись эррозии и отложений не наблюдается. Причины: Использование свеч зажигания со слишком высоким тепловым диапазоном; чрезмерное опережение зажигания; неисправность системы охлаждения двигателя; обеднение топливно-воздушной смеси; протечка впускного коллектора или заедание клапанов.
Исправления: Проверить правильность: используемого теплового диапазона свечи зажигания, установки момента зажигания, регулировок
карбюратора; проверить герметичность впускного коллектора и состояние клапанов. Заменить свечи зажигания.








Зольные отложения
Обильные порошкообразные отложения белого или желтого цвета на изоляторе и заземляющем электроде.
Причины: Использование определенных марок топлива и масел, содержащих присадки различного типа; образование отложений зависит от наличия утечки масла, качества используемого топлива и продолжительности работы двигателя.
Результат: Может возникать самовоспламенение топливно-воздушной смеси, приводящее к потере мощности и и возможному повреждению двигателя.
Исправления: Накопление отложений в зоне заземляющего электрода и корпуса изолятора могут быть необычно большими, но они легко снимаются. Можно проводить обслуживание и повторную установку свеч. Рекомендуется проверить исправность двигателя, в некоторых случаях рекомендуется замена свечей зажигания на новые. Возможно,понадобится смена типа используемого машинного масла.






Скол, крошение, разрушение изолятора
Причины: Разрушение изолятора обычно вызвано тепловым расширением и тепловым ударом, вследствие внезапного нагрева или охлаждения; механическое повреждение, вызванное падением свечи зажигания, или прикладыванием чрезмерного усилия на центральный электрод при выставлении зазора; в исключительных случаях формирование отложений между центральным электродом и изолятором, а также коррозия центрального электрода могут привести к разрушению изолятора (это чаще происходит при слишком большом периоде эксплуатации двигателя). Результат: Пропуски в зажигании, искра проскакивает в промежутке, недоступном для воспламенения свежей порции топливно-воздушной смеси, подающейся в камеру сгорания.
Исправления: Замена свечи зажигания на новую.






Нормальный износ
Результат: Изношенная свеча зажигания не только излишне расходует топливо, но также осложняет работу всей системы зажигания, потому что зазор увеличенный вследствие эррозии требует большего напряжения. Нормальный уровень увеличения зазора при эксплуатации приведен ниже:
Четырехтактные двигатели: 0.01~0.02 мм/1000 км
Двухтактные двигатели: 0.02~0.04 мм/1,000 км
Исправления: Замена свечи зажигания на новую в случае чрезмерного износа ее электродов.








Ненормальная эрозия
Причины: Ненормальная эррозия электрода возникает под воздействием коррозии, окисления и реакции со свинцом – все это приводит к увеличению искрового зазора.
Результат: Пропуски в зажигании, трудный запуск
Исправления: Замена свечи зажигания на новую.








Свинцовая эррозия
Типичная свинцовая эррозия вызывает утоньшение заземляющего электрода, и кончик центрального электрода выглядит расщепленным. Причины: Свинцовая эррозия вызвана присутствием свинцовых примесей в топливе, которые при высоких температурах вступают в химическую реакцию с материалом электродов (никелевый сплав); структура никелевого сплава разрушается, вследствие проникновения и разделения структуры зерен никелевого сплава свинцовыми соединениями.
Результат: Пропуски в зажигании, трудный запуск
Исправления: Замена свечи зажигания на новую.






Чрезмерный износ заземляющего электрода
Причины: Присутствие агрессивных добавок в топливе и масле. Снижена пропускная способность смеси в камере сгорания, вероятно, вследствие наличия отложений. Детонация. Перегрев отсутствует.
Результат: Пропуски в зажигании, особенно в режиме ускорения; трудный запуск
Исправления: Замена свечи зажигания на новую.






Вогнутая эррозия заземляющего электрода
Центральный электрод имеет только следы нормального износа.
Причины: нарушение полярности при подключении катушки зажигания
Результат: Пропуски в зажигании, неравномерная работа двигателя на холостом ходу
Исправления: Поменяйте полярность подключения проводов к первичной обмотке катушки зажигания. Замена свечи зажигания на новую.








Чрезмерный износ центрального электрода
Причины: Не соблюден интервал замены свечей зажигания. Свеча давно требует замены.
Результат: Пропуски в зажигании, особенно в режиме ускорения; трудный запуск
Исправления: Замена свечи зажигания на новую.










Эрозия, коррозия и окисление
Материал электродов окисляется, и когда происходит сильное окисление, поверхность электрода приобретает зеленый оттенок. Поверхность электрода также изношенная и неровная.
Результат: Пропуски в зажигании; трудный запуск
Исправления: Замена свечи зажигания на новую.








Расплавление электродов
Работа двигателя при чрезмерно высокой температуре в камере сгорания приводит к возникновению чрезмерно раннего зажигания и расплавлению электродов. Температура плавления никелевого сплава составляет 1,200~1,300°C. Первым плавится центральный электрод, затем, заземляющий электрод. Чаще всего поверхность электрода глянцевая и неровная, изолятор – белого цвета, имеет пористую и мягкую структуру но может быть грязным, если присутствовали пропуски в зажигании. Электроды могут быть частично расплавленными с присутствием расплавленных посторонних включений на них (крайний справа снимок).



Причины: Перегрев, вызванный самовоспламенением топливной смеси, например, при чрезмерно раннем зажигании; отложения в камере сгорания; повреждение распраделителя зажигания; использование топлива низкого качества; обеднение топливно-воздушной смеси; нарушения в работе системы охлаждения двигателя; использование свечи зажигания с чрезмерно низким числовым значением теплового диапазона; утечка через впускной коллектор; недостаток в смазке.

Результат: Пропуски в зажигании; потеря мощности (повреждение двигателя);
Исправления: Замена свечи зажигания на новую.