Разоблачение свечей накаливания

Автор статьи: David Gierke.
Автор перевода: Владислав Ярополов.

Нам, как настройщикам двигателей, требуется немного понимать теорию и технологию, связанную со свечами накаливания, вместе с умением наблюдать, слушать и анализировать, как это влияет на работу двигателя.

Перед рассмотрением этих вопросов, давайте исследуем две дилеммы свечей накаливания: нуждается ли ваш двигатель в короткой или длинной свече накаливания и будет ли дефлектор (idle-bar) улучшать эксплуатационные характеристики?

Короткие свечи накаливания против длинных свечей накаливания

Короткие свечи накаливания (с короткой резьбовой частью) предназначены для небольших двигателей с тонкими головками. Если вы используете длинную свечу в головке для короткой свечи, она будет вторгаться в камеру сгорания. Во времена поршней с дефлекторами и клинообразных головок, свеча могла соприкоснуться с поршнем в верхней мертвой точке (ВМТ). В наши дни плоских поршней и полусферических камер сгорания, удлиненная свеча будет только увеличивать степень сжатия и, возможно, будет вызывать раннее зажигание из-за точек перегрева на обнаженной части резьбы. С другой стороны, если вы используете короткую свечу в толстой головке, для длинной свечи, вы снизите степень сжатия и, возможно, мощность двигателя. Руководство по эксплуатации двигателя почти всегда оговаривает требуемую свечу накаливания. Если вы в сомнении, снимите головку цилиндра и проверьте, насколько далеко выступает свеча. Нижняя часть свечи должна быть вровень с вершиной камеры сгорания. Если вы используете свечу с дефлектором (idle-bar), то не более чем только дефлектор, может выступать в камеру сгорания. Если видны витки резьбы, смените свечу на короткую. Имейте в виду, что короткая свеча может легко сорвать резьбу в головке из алюминиевого сплава, поэтому затягивайте ее осторожно! Длинные свечи менее вероятно могут сорвать резьбу, но они тоже потенциально могут это сделать. Кроме длины резьбы, нет другого смысла в длине свечи. Короткие свечи в основном используются в двигателях объемом .15 или меньше.

Свечи с дефлектором (idle-bar)

Свечи накаливания с дефлектором предназначены для использования с двигателями, которые снабжены регулировкой газа. На холостом ходу, двухтактный двигатель обладает тенденцией образовывать лужицу жидкого топлива в картере. Когда газ резко открывается, скопившееся топливо устремляется в каналы продувки цилиндра, сталкиваясь со спиралью накаливания незащищенной свечи и немедленно ее охлаждает. В теории, дефлектор разработан для отражения потока жидкого топлива от спирали накаливания свечи. Если ваш двигатель страдает от богатого, неустойчивого холостого хода и/или от обогащенного срыва зажигания при переходе к полному газу, попробуйте свечу с дефлектором. Если двигатель не нуждается в регулировке газа (например, в некоторых видах соревнований), он не нуждается в свече с дефлектором. Дефлектор выступает в камеру сгорания, нарушая нормальное распространение пламени и потенциально вызывая раннее зажигание. Раннее зажигание, дефект зажигания, может происходить из-за горячих точек, которые формируются на краях дефлектора, и вызывают более раннее, чем это предусмотрено, зажигание топливно-воздушной смеси.

Температурный диапазон

Температурный диапазон свечи накаливания и его выбор является более сложной и более трудной задачей, но с этим вполне можно справиться и понять. В этом вопросе есть пять частей:

1. Как двигатель воспламеняет топливо?

Двухтактные двигатели с продувкой через картер обладают относительно низкой степенью сжатия, в среднем между 7:1 и 9:1 с преобладанием спирта (метанола) в топливной смеси. Температура воспламенения метанола (385º C) не может быть достигнута только с помощью компрессии в двигателе, требуется что-то еще для достижения этой температуры. Примечание: максимально возможная температура при степенях сжатия 7:1, 8:1 и 9:1 будет: 367, 402 и 435º C соответственно, но так как существуют потери связанные с утечкой компрессии и передачей тепла через стенки гильзы и головку (плюс другие факторы), эти теоретические температуры никогда не достигаются. Именно здесь вступает в действие свеча накаливания. Для запуска двигателя, через спираль накаливания свечи пропускается электрический ток, вызывая оранжево-белое накаливание (свечение), производя температуру превосходящую 800º C. Когда двигатель проворачивается вручную или с помощью электрического стартера, топливно-воздушная смесь поджигается в камере сгорания. Если состав смеси находится в диапазоне воспламеняемости, двигатель будет продолжать работать, становясь самоподдерживающимся. Когда стартовая батарея отключается, спираль накаливания свечи продолжает светиться и двигатель продолжает работать.

2. Как работают свечи накаливания?

Воспламенение топливно-воздушной смеси с помощью свечи накаливания контролируется тремя факторами: сгоранием, каталитической реакцией и компрессией. Комбинация первых двух факторов производит температуру достаточную для воспламенения сжатой топливно-воздушной смеси, обеспечивая непрерывную (от цикла к циклу) работу.

Нагрев спирали посредством процесса сгорания вызывает поднятие температуры спирали свечи накаливания до температур свыше 800º C. Хотя спираль быстро остывает, значительная часть этой температуры переносится до следующего цикла.

Когда пары спирта взаимодействуют с платиной (серебристо-белый металл), имеет место экзотермическая реакция. Действуя как катализатор, платина не изменяется физически в результате реакции, но ее температура увеличивается. Следовательно, спираль из платинового сплава испытывает дальнейшее увеличение в температуре по мере того, как пары топливно-воздушной смеси передаются в цилиндр и во время сжатия. Примечание: из-за хрупкости платины при высоких температурах, для улучшения долговечности спирали накаливания используется платино-иридиевый или платино-родиевый сплав.

Хотя процесс сжатия в двигателе не может поднять температуру спирали свечи накаливания до точки воспламенения топлива на основе спирта, он по-прежнему играет важную роль. Путем сжатия газообразной топливно-воздушной смеси, увеличивается ее внутренняя энергия, нагрев ускоряет движение молекул, участвующих в реакции, и производит то, что мы называем "кондиционирование сжатием". Тепловая теория для зажигания говорит о том, что воспламенение начинается только тогда, когда газообразная смесь станет достаточно горячей, и столкновение молекул происходит достаточно часто. Некоторые из этих столкновений приводят к реакции воспламенения на спирали свечи накаливания.

3. Зачем нам нужны свечи накаливания с различными температурными диапазонами?

Некоторые называют двигатели со свечами накаливания конструкцией с фиксированной точкой зажигания, но это очень далеко от истины. К сожалению, этот миф запутывает вопрос температурных диапазонов.

Двигатели с искровыми свечами контролируют момент зажигания с помощью механических или электронных систем регулировки момента зажигания. Компрессионные двигатели для моделей контролируют момент зажигания посредством механической регулировки степени сжатия с помощью перемещаемой головки, известной как "контр-поршень". Хотя регулировка момента зажигания двигателей со свечами накаливания не так очевидна, она постоянно происходит путем изменения таких переменных, как нагрузка пропеллера, содержание нитрометана, содержание смазочного масла, степени сжатия и температурного диапазона свечи накаливания. Играет роль механическое состояние двигателя и даже погодные условия. Мы регулируем момент зажигания двигателя для достижения оптимальной точки максимального давления после ВМТ, что в итоге обеспечивает наилучшие характеристики и долговечность двигателя. Изменение свечей накаливания внутри диапазона от "горячей" до "холодной" часто является первой регулировкой в изменении момента зажигания двигателя.

4. Как температурный диапазон свечи накаливания изменяет момент зажигания двигателя?

"Тепловой диапазон" не самый лучший термин для описания того, что происходит внутри свечи накаливания. Вне мира науки и технологии, такие слова, как "тепло" и "температура" часто используются заменяя друг друга, к сожалению, однако, они не имеют одинакового значения. Без углубления в вопрос, я просто хочу сказать, что я предпочитаю использовать термин "температурный класс" или "температурный диапазон", что является более научно корректным для описания того, как свеча накаливания продвигает или отодвигает момент зажигания двигателя. Когда вы поймете, что традиционные слова "горячая" и "холодная" в действительности относятся к температуре, вы сможете вызвать любое действие, которое захотите.

Пример: предположим, что "холодная" (низкотемпературная) свеча накаливания была заменена "горячей" (высокотемпературной) свечой. Как это затронет момент зажигания двигателя? Момент зажигания продвинется, то есть зажигание произойдет раньше в процессе сжатия. Почему это происходит? Во время нормальной работы двигателя (с отключенной батареей для накала свечи), более высокая температура спирали "горячей" свечи накаливания позволяет сжимаемой топливно-воздушной смеси достичь ее температуры воспламенения раньше, чем это происходит в случае с "холодной" свечой. Вспомните, что температура спирали является результатом температуры сгорания и температуры каталитической реакции, совместно с сжатием топливно-воздушной смеси, в итоге приводящей к воспламенению. Противоположное происходит, когда "холодная" свеча сменяет "горячую" свечу, более низкая температура ее спирали требует большего сжатия топливно-воздушной смеси для того, чтобы достичь температуры воспламенения. Это происходит ближе к ВМТ и, следовательно, отодвигает момент зажигания.

5. Как производители делают свечи накаливания "горячими" или "холодными"?

Температурный диапазон свечей накаливания зависит от многих факторов, включая:

• Характеристики сплава спирали накаливания: платина-иридий или платина-родий, состав сплава.
• Размеры спирали накаливания: толщина проволоки, длина, диаметр спирали, количество витков.
• Углубление в свече и его геометрия (например, диаметр и глубина).
• Положение спирали в углублении.
• Обработка корпуса свечи: отражающая или поглощающая поверхность.

Платиновый сплав спирали обычно является фокусом внимания, когда энтузиасты обсуждают температурный диапазон свечей накаливания. Обсуждение обычно идет таким образом: "эта свеча обладает толстой спиралью и имеет мало витков, поэтому это холодная свеча". Возможно это так, но также много других факторов вносят вклад в температурный диапазон свечей накаливания. Мой друг Кларенс Ли однажды написал:

"Так просто, какой кажется свеча накаливания, в действительности это более сложно, чем вы могли бы подумать. Вы не можете просто закрепить кусок платиновой проволоки в обработанном корпусе и ожидать, что это будет работать. Я принимал участие в разработке старой свечи накаливания Veco и могу утверждать это с некоторой уверенностью. Вы можете полностью изменить характеристики (температурный диапазон) свечи накаливания путем обработки поверхности черным оксидированием или никелированием. Со всеми этими переменными, просто подумайте обо всех возможных комбинациях, которые вы можете использовать для экспериментов".

Трудная часть разработки свечи накаливания начинается при присвоении величины каждой переменной, все изменяется, когда переменные начинают взаимодействовать! При изменении обработки поверхности, насколько изменится температурный диапазон? Как насчет длины провода по отношению к диаметру углубления в корпусе свечи? Как насчет толщины провода в сравнении с количеством витков, и так далее, и тому подобное? Хотя не существует единственного фактора, определяющего температурный диапазон свечи накаливания, все же могут быть сделаны некоторые обобщения:

• Тонкий провод спирали ведет к поднятию температурного диапазона.
• Небольшой диаметр углубления в корпусе свечи ведет к снижению температурного диапазона.
• Отражающая обработка поверхности (никелирование) углубления поднимает температурный диапазон.
• Поглощающая обработка поверхности (черное оксидирование) углубления снижает температурный диапазон.
• Вытягивание спирали за пределы корпуса свечи поднимает температурный диапазон.
• Заталкивание спирали вглубь углубления снижает температурный диапазон.

Существуют и другие конструктивные особенности, помимо температурного диапазона свечей накаливания. Физические размеры спирали определяют напряжение, которое должно прикладываться к свече для достижения бело-оранжевого накала, необходимого для запуска двигателя. Существуют также вопросы крепления спирали, электрической изоляции, крепления центрального электрода и герметизации под высоким давлением.

Инженер по термодинамике Френк Вассало сказал: "Внутри свечи накаливания имеют место очень сложные взаимодействия".

Я думаю, что вы получили достаточную картину. Рискуя оскорбить конструкторов и производителей свечей накаливания, можно утверждать, что нет никаких экспертов по свечам накаливания. Свечи накаливания представляют собой форму черной магии, где безраздельно господствует эмпирическое знание (метод проб и ошибок).

Вернуться к списку   Обсудить на форуме