Пробій свічок запалювання при роботі двигуна

Наши партнеры ArtmMisto

Це деталь двигуна внутрішнього згоряння, ввертати в головку блоку, призначена для займання повітряно-паливної суміші за допомогою високовольтного електричного розряду. Це відомо багатьом. Так, бувають різні (за розміром, калильному числу і іншим характеристикам) свічки - але не будемо про це.
Однак, не всі знають, що свічки починають працювати нестабільно (внаслідок їх пробою), коли збільшується тиск в камері згоряння. Це коли при подачі напруги на свічку іскра виходить нестабільною, слабкою, а то і зовсім відсутня. Виникає питання - чому? Ось про це піде мова в даній статті.
Отже, наприклад, є свічка. Перевіряємо її «на іскру» (тобто вивертають з двигуна, приєднуємо до високовольтного проводу і замикаємо корпус на масу; при цьому тиск повітря, в якому знаходяться електроди свічки, дорівнює атмосферному, тобто тиск - низький) - зразок, все нормально. Іскра спостерігається досить потужна, чутно характерне потріскування. Але ось, будучи ввернутой в своє робоче місце, вона іноді не працює як належить, в результаті чого дівгатель починає «троить» (тобто відбуваються пропуски запалювання, що веде до зниження максимальної потужності двигуна, а також до перевитрати палива).
Зрозуміло, що буде краще, якщо в такому випадку замінити свічку на нову. А, втім, що вже розмінюватися на дрібниці: відразу можна замінити автомобіль на новий, діючи за принципом, викладеному в приблизно такому анекдоті:
У автосалон приходить власник автомобіля який тиждень тому придбав його і вимагає:
- заберіть його назад; мені грошей не треба за нього, просто заберіть, щоб духу його не було, а я куплю у Вас такий же новий.
- так, а в чому справа, може, відремонтувати? ...
- так нічого не треба, не хочу я його бачити більше, заберіть його, кажу Вам; я ж грошей назад не вимагаю.
- ну, а все-таки, можна хоча б поцікавитися - чому він Вам не подобається?
- ну Ви і даєте! Ну, добре, подивіться в салон: бачите ж, там пепельнца повна недопалків ... Як я на ньому їздити-то буду ?! Але все-таки являє інтерес, в чому причина порушення роботи свічки запалювання, коли вона виконує свою функцію, а не просто перевіряється?
Головна причина полягає в тому, що в камері згоряння паливно-повітряна суміш перед займанням стискається, причому досить сильно, особливо в дизельних двигунах (там тиск може досягати 16 ... 20 атмосфер і навіть більше). У бензинових двигунах внутрішнього згоряння тиск (компресія) нижче і становить, для справного двигуна, 12 ... 15 атмосфер.
Так ось, при підвищенні тиску (тобто коли свічка знаходиться не при атмосферному тиску, а в камері згоряння двигуна) свічки починають «пробивати». Це виражається в послабленні, а то і в повному зникненні іскри між електродами свічки. Питання: що ж виходить, невже електричного розряду не відбувається? Адже висока напруга-то подається.
Ослаблення або зникнення розряду між електродами свічки запалювання пов'язано з тим, що при підвищенні тиску пробивна напруга газу (в тому числі і паливно-повітряної суміші) збільшується. Розглянемо, наприклад, криві на малюнках 3.8 ... 3.15 з Довідника по електротехнічних матеріалах (Автори: Ю.В. Корицький, Б.М. Тареев, В.В. Пасинків) , Стр. 52 ... 54. Бачимо, що, наприклад, для повітря, азоту, елегазу в діапазоні тисків 0,1 ... 1,0 МПа (1 ... 10 атм або кгс / см 2) в цілому спостерігається пропорційне узалежнення між тиском газу і його пробивним напругою . Аналогічні криві існують і для паливно-повітряних сумішей. Думаємо, їх без зусиль можна знайти у відповідних довідниках, наукових статтях, дипломних або дисертаційних роботах відповідної тематики.
Це означає, що чим вище тиск газу, тим, як правило, вище і його пробивна напруга (правда, це до певних меж). Тобто тим важче утворитися електричної іскрі на електродах свічки запалювання. Саме тому, до речі, грамотні працівники автосервісів, проводячи діагностику роботи двигуна автомобіля, перевіряють свічки запалювання на спеціальному стенді, в якийсь імітує умови, в яких працює свічка в двигуні: імітація полягає в тому, що в камеру, де знаходиться свічка, подають підвищений тиск повітря (за допомогою, наприклад, ручного насоса ... так, саме - ручного, бо повітря від компресора часто містить багато водяної пари, які вносять спотворення в процес діагностики свічок) і потім дають електричну напругу. Так ось, нерідкі випадки, коли свічки запалювання досить стабільно працюють, скажімо, при 4 ... 6 атмосферах, але починають відчувати перебої іскроутворення при більш високому тиску.
Справа в тому, що при цьому електричний розряд відбувається вже не шляхом пробою проміжку між електродами свічки, а або через її ізолятор, або (що частіше) по поверхні. Так, з одного боку, судячи з малюнків 3.19, 3.23, 3.25 (стор. 54 ... 57) згаданого довідника, напруга перекриття (тобто розряд в газі уздовж поверхні діелектрика, наприклад, фарфорового ізолятора свічки запалювання) також, як і напруга пробою газового проміжку, збільшується з ростом тиску газу (паливно-повітряної суміші). Але, з іншого боку, ця напруга може істотно знижуватися при забрудненні поверхні ізолятора свічки запалювання (мається на увазі та його частина, яка знаходиться в камері згоряння) продуктами горіння палива, зокрема, вуглецем, який, як відомо, є непоганим провідником електричного струму . Крім того, позначається свого роду втома фарфорового ізолятора. Як на поверхні, так і всередині якого починають з'являтися, причому у все більшій і більшій кількості, ділянки зі зниженим електричним опором (приблизно, як на малюнку).
Що відбувається, коли свічка запалювання двигуна, в процесі його роботи, поступово покривається чорним нагаром? Коли на її ізоляторі утворюються місця зі зниженим опором? Очевидно, загальний опір, необхідне для перекриття свічки запалювання по поверхні внутрішньої частини її ізолятора, знижується. Відповідно, знижується і напруга перекриття. Свічка починає працювати погано, іскра стає слабкою, червонуватою. Але як тільки воно стає меншим, ніж напруга пробою газового проміжку (між електродами свічки), замість його пробою відбувається перекриття свічки, тобто електричний розряд починає здійснюватися по поверхні її ізолятора.
Найцікавіше полягає ще і в тому, що до певного часу, поки місць зі зниженим електричним опором (наприклад, де присутні частки нагару) не так багато, зниження працездатності свічки запалювання не настільки помітно (стор. 57 Довідника, формула 3.18), де-не- яка іскра все ж є, двигун погано-бідно, але працює. Справа в тому, що збільшення розміру областей ізолятора свічки, що володіють зниженим електричним опором, еквівалентно зниженню відстані між електродами (про що йде мова на стор. 57), тобто пробивної (точніше, що перекривається) відстані, що веде до зниження пробивної напруги. Однак, ця залежність досить слабка: зниження пробивної напруги здійснюється досить повільно в міру зменшення відстані між електродами (тобто в міру, наприклад, накопичення нагару на ізоляторі свічки). Тому до пори до часу свічка не виявляє ознак несправності і може працювати цілком нормально. Але коли нагару (чи інших областей зі зниженим електроопору) на поверхні ізолятора свічки з'являється вже багато , Напруга перекриття по ній зменшується настільки, що його вже не вистачає для нормального пробою проміжку між електродами. І виходить, що поверхня ізолятора починає шунтировать іскровий проміжок, що іноді можна виявити на практиці. Відповідно, іскра слабшає, а потім і зовсім зникає.
Надалі, при коли все більше областей ізолятора знижують своє електричний опір, не відбувається навіть перекриття. При цьому по поверхні ізолятора, при подачі напруги на електроди свічки, може протікати струм без пробою (без перекриття). Відповідно, ніякого розряду, навіть по поверхні, виявити вже не вдасться. Іскри, звичайно, вже не буде ні за яких умов. Свічка стає повністю непрацездатною.
Однак, тут відбувається конкуренція: напруги перекриття по поверхні ізолятора свічки і напруги пробою проміжку між електродами. З ростом тиску зростають обидві величини; і якщо перше зростає повільніше (як правило, це так), то при деякому тиску іскра між електродами спостерігатися не буде. В протилежному випадку - процес перекриття не буде реалізований, іскра між електродами буде присутній.
Крім того, є ще внутрішній опір ізолятора (тієї його частини, яка облягає центральний електрод свічки запалювання). Воно не дуже сильно залежить від тиску, але також, як і поверхня ізолятора, шунтирует іскровий проміжок. Тому ясно, що при підвищенні тиску, починаючи з деякої його величини, пробій відбуватися всередині ізолятора. Справді: адже внутрішній опір ізолятора практично не змінилося, а для іскрового проміжку і поверхні ізолятора - зросла.
В цьому і полягає причина того, що, починаючи з деякої величини тиску газу, в якому знаходиться робоча частина свічки запалювання, при подачі високої напруги іскра між її електродами зникає. Причому, таке закономірно спостерігається і на нових свічках. Конкретні величини відповідного критичного тиску залежать лише від якості виготовлення свічки, а також від характеру газового (паливно-повітряної) середовища, в якій знаходиться працююча частина свічки. Скажімо, при тиску в 50 ... 100 атмосфер (якщо механічна конструкція свічки дозволить його витримати), в силу дуже високої пробивної напруги паливно-повітряної суміші, іскра НЕ буде спостерігатися, ймовірно, у будь-який автомобільної свічки запалювання: пробій йти або по поверхні ізолятора, або всередині нього самого. Втім ... закон Пашена починає порушуватися при високому тиску; цілком можливо, що при зростанні тиску, починаючи з деякого критичного, напруга пробою іскрового проміжку знову знизиться і, отже, іскра з'явиться.

Що ж стосується темного обідка (ореолу) на зовнішній поверхні ізолятора свічки запалювання, то він, як правило, зовсім не пов'язаний з тріщинами на ньому, з "проникненням газів з камери згоряння", як можна іноді прочитати на автомобільних форумах. Деякі "специ" навіть радять міняти свічки запалювання, як тільки з'явився такий ободок. Смішно, але це щосили, на повному серйозі, обговорюється "знавцями". Які потім "розкручують" своїх клієнтів на заміну свічок, а також створюють враження про свою кваліфікацію.
Насправді ж, причина появи ореолу банальна. В процесі роботи свічки запалювання її зовнішня частина (ізолятор) електризується, тобто на ній з'являються електричні заряди, причому високої величини. Це призводить до того, що знаходяться в підкапотному просторі частинки пилу, масла і т.п., іонізуючи, в свою чергу, притягуються до ізолятора. І, так як останній при роботі двигуна нагрівається досить сильно, прикипають і залишаються там в твердому коксообразном стані. До речі, подібний ефект використовується в електроочістке газів. Так що нічого такого парадоксального тут немає.
І ось для того, щоб утворюється ореол, завдяки своєму зниженому, в порівнянні з порцеляною ізолятора, електричного опору, не заважав (за допомогою шунтування електроіскрового проміжку між електродами свічки) процесу іскроутворення, на свічку і надівається спеціальний ковпачок (зазвичай чорного кольору), що закриває достатню довжину ізолятора, де ореол утворюватися не буде. Тому наявність ореолу практично абсолютно не заважає нормальній роботі свічки (про що, до речі, повідомляють і виробники свічок запалювання), бо свідчить, хіба що, про її віці і / або про інтенсивну її експлуатації. А також про те, що в підкапотний простір потрапляють пари масла, частинки пилу або ще чого.