Urządzenie do świec zapłonowych (Largus 1)

Pomimo różnorodności konstrukcji, każda świeca zapłonowa (rysunek 9) składa się z ceramicznego izolatora, metalowej obudowy, elektrod i głowicy stykowej służącej do podłączenia do przewodu wysokiego napięcia.

Elektroda centralna jest zamontowana w kanale izolacyjnym o zmiennej średnicy. Głowica elektrody opiera się o stożkową powierzchnię kanału izolatora przy przejściu z większej średnicy do mniejszej. Część robocza elektrody centralnej wystaje z izolatora na odległość 1,0–5,0 mm. Elektrodę umieszcza się w kanale izolatora, a połączenie to uszczelnia się za pomocą szczeliwa szklanego. Jest to mieszanka specjalnego szkła technicznego i proszku metalowego. Szkło musi mieć współczynnik rozszerzalności cieplnej równy współczynnikowi ceramiki. W tym przypadku korek uszczelniający nie ulegnie zniszczeniu wskutek zmian temperatury podczas pracy. Proszek Mohalla (miedź lub ołów) dodawany do szkła, aby uczynić je przewodnikiem prądu elektrycznego.





Montaż rdzenia (zespół izolatora z elektrodą centralną i prętem stykowym) przeprowadzane są w następującej kolejności. Elektrodę umieszcza się w kanale izolatora, a na jej wierzch wylewa się lub umieszcza w formie tabletki szczeliwo szklane w proszku. Następnie głowicę stykową montuje się w kanale izolatora. Przed dociśnięciem uszczelka szklana zajmuje więcej miejsca niż po tej operacji, a pręt stykowy nie może całkowicie wejść do kanału izolatora. Wystaje on około jednej trzeciej swojej długości ponad izolator. Przedmiot obrabiany nagrzewa się do temperatury 700-900°C i z siłą kilkudziesięciu kilogramów wprowadza się pręt kontaktowy do zmiękczonego pod wpływem temperatury uszczelniacza szklanego. W tym przypadku przepływa ona do szczelin pomiędzy kanałem izolatora, głowicą elektrody centralnej i głowicą stykową. Po ostygnięciu, uszczelniacz szklany twardnieje i pewnie mocuje obie części w kanale izolatora. Pomiędzy końcami elektrody a głowicą stykową tworzy się korek uszczelniający o wysokości od 1,5 do 7,0 mm, całkowicie blokując kanał izolatora przed przedostawaniem się gazu

Jeżeli konieczne jest wprowadzenie oporu elektrycznego do obwodu elektrody centralnej w celu stłumienia zakłóceń elektromagnetycznych, stosuje się uszczelniacz szklany rezystancyjny. Po ostygnięciu korek uszczelniający uzyskuje wymaganą wartość oporu elektrycznego.

Rdzeń montuje się w korpusie świecy zapłonowej w taki sposób, że jego powierzchnia stożkowa styka się z odpowiednią powierzchnią wewnątrz korpusu. Pomiędzy tymi powierzchniami zamontowana jest uszczelniająca podkładka rozpraszająca ciepło (miedź lub stal).



Rdzeń mocuje się poprzez nawinięcie kołnierza obudowy na pas izolacyjny. Uszczelnienie połączenia izolator-obudowa odbywa się metodą osadzania obudowy w stanie nagrzanym (opady termiczne).

Boczna elektroda "masy" o przekroju prostokątnym przyspawana jest do końca obudowy i wygięta w kierunku środkowej. Pierścień uszczelniający montowany jest na podstawie obudowy, z ogranicznikiem opartym o płaską powierzchnię podporową, którego zadaniem jest uszczelnienie połączenia świecy zapłonowej z silnikiem.

Jeśli wymaga tego konstrukcja końcówki przewodu wysokiego napięcia, na gwintowanej części pręta stykowego zakłada się nakrętkę stykową. W niektórych świecach zapłonowych pręt kontaktowy nie posiada gwintowanej głowicy, lecz jest od razu wytłoczony w kształcie nakrętki kontaktowej.

Izolator

Aby zapewnić nieprzerwane powstawanie iskier, izolator musi mieć wymaganą wytrzymałość elektryczną nawet przy wysokich temperaturach roboczych. Napięcie przyłożone do izolatora podczas pracy silnika jest równe napięciu przebicia iskiernika. Naprężenie to wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia i wielkości szczeliny, a maleje wraz ze wzrostem temperatury. W silnikach z klasycznym układem zapłonowym stosuje się świece zapłonowe o przerwie iskrowej 0,5-0,7 mm. Maksymalna wartość napięcia przebicia w tych warunkach nie przekracza 12-15 kV (wartość amplitudy). W silnikach z elektronicznym układem zapłonowym, odstęp iskiernika wynosi 0,8-1,0 mm. Podczas eksploatacji może on wzrosnąć do 1,3-1,5 mm (oba systemy). W tym przypadku napięcie przebicia może osiągnąć 20-25 kV.



Konstrukcja izolatora jest stosunkowo prosta - jest to cylinder z osiowym otworem służącym do zamontowania elektrody centralnej.

w środkowej części izolatora znajduje się pogrubienie tzw. "pas", służące do połączenia z korpusem. Poniżej pasa znajduje się cieńsza, cylindryczna część - szyjka - która przechodzi w stożek termiczny. W miejscu przejścia od ujścia do stożka cieplnego znajduje się stożkowa powierzchnia przeznaczona do montażu pomiędzy izolatorem a korpusem uszczelniającej podkładki rozpraszającej ciepło. Nad paskiem znajduje się "głowica", a w miejscu przejścia paska z głowicą znajduje się kołnierz służący do zaciśnięcia kołnierza korpusu podczas montażu świecy zapłonowej.

Dopuszczalna grubość ścianki, z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa, jest określona wytrzymałością elektryczną materiału izolacyjnego. Zgodnie z normami krajowymi izolator musi wytrzymać napięcie próbne wynoszące od 18 do 22 kV (wartość efektywna), co jest 1,4 razy większe niż amplituda. Długość głowicy izolatora jest określana przez napięcie nakładania się powierzchni i mieści się w zakresie od 15 do 35 mm. Dla większości świec zapłonowych samochodowych wartość ta wynosi około 25 mm. Dalsze zwiększanie jest nieskuteczne i prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości mechanicznej izolatora. Aby wyeliminować możliwość przebicia elektrycznego na powierzchni izolatora, jego głowica wyposażona jest w rowki pierścieniowe (obecne bariery) i pokryte specjalną glazurą, aby chronić przed ewentualnymi zanieczyszczeniami.



Stożek termiczny pełni funkcję ochronną przed nakładaniem się powierzchni od strony komory spalania. Ta najważniejsza część izolatora, pomimo stosunkowo małych rozmiarów, jest w stanie wytrzymać wspomniane napięcie bez wychodzenia na powierzchnię.

Początkowo jako materiał izolacyjny stosowano zwykłą porcelanę. ale taki izolator miał słabą odporność na działanie ciepła i niską wytrzymałość mechaniczną.

W miarę zwiększania mocy silnika konieczne stało się stosowanie bardziej niezawodnych izolatorów. niż porcelanowe. Izolatory mikowe były stosowane przez długi czas. Jednakże przy stosowaniu paliw z dodatkiem ołowiu mika ulegała zniszczeniu. Izolatory zaczęto znów wytwarzać z ceramiki, jednak nie z porcelany, lecz ze szczególnie wytrzymałej ceramiki technicznej.

Najbardziej powszechną i ekonomicznie opłacalną technologią produkcji izolatorów jest prasowanie izostatyczne, w którym z wcześniej przygotowanych składników wytwarza się granulki o wymaganym składzie i właściwościach fizycznych. Półfabrykaty izolatorów są prasowane z granulatu pod wysokim ciśnieniem, szlifowane do wymaganych wymiarów z uwzględnieniem skurczu podczas wypalania, a następnie wypalane jeden raz.

Nowoczesne izolatory wykonane są z ceramiki konstrukcyjnej o wysokiej zawartości glinu, bazującej na tlenku glinu. Ten materiał ceramiczny, zawierający około 95% tlenku glinu, wytrzymuje temperatury do 1600°C i charakteryzuje się dużą wytrzymałością elektryczną i mechaniczną.

Najważniejszą zaletą ceramiki tlenku glinu jest jej wysoka przewodność cieplna. Znacznie poprawia to charakterystykę cieplną świecy zapłonowej, ponieważ główny strumień ciepła przepływa przez izolator i wchodzi do świecy zapłonowej przez stożek cieplny i elektrodę centralną (rysunek 10).

Rama

Metalowa obudowa przeznaczona jest do montażu świecy zapłonowej w silniku i zapewnia szczelne połączenie z izolatorem. Do jego końca przyspawana jest elektroda boczna, a w konstrukcjach z pierścieniową przerwą iskrową korpus pełni bezpośrednio funkcję elektrody uziemiającej.

Nadwozie wykonane jest metodą tłoczenia lub toczenia ze stali konstrukcyjnej niskowęglowej.

wewnątrz korpusu znajduje się pierścieniowaty występ o powierzchni stożkowej. na którym spoczywa izolator. Na walcowej części korpusu znajduje się rowek pierścieniowy, tzw. rowek stabilizujący ciepło. Podczas montażu świecy zapłonowej górny kołnierz obudowy jest nawijany na pasek izolatora. Następnie jest on podgrzewany i prasowany, w wyniku czego rowek stabilizujący ulega odkształceniu plastycznemu, a obudowa szczelnie zakrywa izolator. W wyniku działania opadów termicznych korpus znajduje się w stanie naprężenia, co zapewnia szczelność świecy zapłonowej przez cały okres jej eksploatacji.

Elektrody

Jak wspomniano powyżej, w celu zwiększenia efektywności zapłonu, elektrody świec zapłonowych powinny być jak najcieńsze i jak najdłuższe, a przerwa iskrowa powinna mieć maksymalną dopuszczalną wartość. Z drugiej strony, aby zapewnić trwałość, elektrody muszą być odpowiednio masywne.

Dlatego też, biorąc pod uwagę wymagania dotyczące mocy, oszczędności paliwa i toksyczności silników z jednej strony oraz wymagania dotyczące trwałości świecy zapłonowej z drugiej strony, opracowano specyficzną konstrukcję elektrod dla każdego typu silnika.

Pojawienie się elektrod bimetalicznych pozwoliło w pewnym stopniu rozwiązać ten problem, ponieważ taka elektroda ma wystarczającą przewodność cieplną. W odróżnieniu od zwykłego oleju "monometalicznego" charakteryzuje się on niższą temperaturą pracy silnika i, co za tym idzie, dłuższą żywotnością. W przypadkach, gdy konieczne jest zwiększenie zasobu, stosuje się dwie elektrody "uziemiające" (rysunek 11). W tym celu w świecach zapłonowych produkcji zagranicznej stosuje się trzy, a nawet cztery elektrody. Przemysł krajowy produkuje świece zapłonowe z taką liczbą elektrod jedynie do silników lotniczych i przemysłowych silników gazowych. Należy pamiętać, że wraz ze wzrostem liczby elektrod, odporność na tworzenie się osadów węglowych maleje, a usuwanie osadów węglowych staje się trudniejsze.

Materiałowi elektrody stawiane są następujące wymagania: wysoka odporność na korozję i erozję; odporność na ciepło i osadzanie się kamienia; wysoka przewodność cieplna; wystarczająca plastyczność do tłoczenia. Koszt materiału nie powinien być wysoki. W przemyśle krajowym do produkcji elektrod centralnych świec zapłonowych najczęściej stosuje się stopy żaroodporne: żelazo-chrom-tytan, nikiel-chrom-żelazo oraz nikiel-chrom z różnymi dodatkami stopowymi



Elektroda uziemiająca musi mieć wysoką odporność na ciepło i korozję. Musi się dobrze spawać ze zwykłą stalą konstrukcyjną, z której wykonane jest nadwozie, dlatego stosuje się stop niklowo-manganowy (na przykład NMC-5). Elektroda boczna musi charakteryzować się dobrą plastycznością, aby zapewnić możliwość regulacji odstępu iskier.

Aby zmniejszyć efekt tłumienia elektrod podczas modyfikacji świec zapłonowych, na elektrodach wykonuje się rowki, a w elektrodzie "masowej" otwory przelotowe. Czasami elektrodę boczną dzieli się na dwie części, zmieniając świecę zapłonową jednoelektrodową w dwuelektrodową.

Wbudowany rezystor

Wyładowanie iskrowe jest źródłem zakłóceń elektromagnetycznych, w tym odbioru radiowego. Aby je stłumić, między elektrodą centralną a głowicą stykową montuje się rezystor, który w temperaturze 25 ± 10°C ma rezystancję elektryczną od 4 do 13 kOhm. Podczas pracy dopuszczalna jest zmiana wartości tej rezystancji w zakresie 2–50 kOhm po wystawieniu na działanie temperatur od -40 do +300°C oraz impulsów wysokiego napięcia.

Dodatkowy izolator

Nawet niewielkie straty energii zapłonu prowadzą do osłabienia iskry ze wszystkimi nieprzyjemnymi konsekwencjami: utrudnionym rozruchem, niestabilną pracą na biegu jałowym, spadkiem mocy silnika, nadmiernym zużyciem paliwa, zwiększoną toksycznością spalin itp. Jeśli powierzchnia izolatora jest pokryta nagarem, brudem lub po prostu wilgocią, następuje upływ prądu "do masy". Jest on wykrywany w ciemności jako wyładowanie koronowe na powierzchni izolatora. Wyciek na zanieczyszczonej powierzchni stożka cieplnego izolatora w komorze spalania silnika może spowodować awarię generatora iskry. Najbardziej radykalnym sposobem zwiększenia wytrzymałości elektrycznej izolacji jest zamontowanie dodatkowego izolatora w postaci tulei ceramicznej pomiędzy korpusem a główką stykową świecy zapłonowej. Dzięki temu świeca zapłonowa zyskuje podwójną ochronę przed upływem prądu "do ziemi".

Świece zapłonowe komory wstępnej

Znane są różne warianty konstrukcji świecy zapłonowej, w których komora robocza jest zaprojektowana jako komora wstępna. Służą do polepszenia spalania mieszanki roboczej. Świece zapłonowe z komorą wstępną są podobne do świec zapłonowych stosowanych w sportowych silnikach o dużej mocy, w których elektrody są zamontowane głęboko w komorze roboczej obudowy, aby chronić je przed przegrzaniem. Różnica jest taka, że... co za dziura. element łączący komorę roboczą (komorę wstępną) z cylindrem silnika ma specjalny kształt. Podczas sprężania świeża mieszanka dostaje się do komory wstępnej, w obszarze przepływu wirowego następuje wyładowanie iskry, a powstawanie pierwotnego źródła zapłonu staje się intensywniejsze. Zapewnia to szybkie rozprzestrzenianie się płomienia w komorze wstępnego spalania. Ciśnienie szybko wzrasta i powoduje powstanie płomienia, który przenika do komory spalania silnika i wzmacnia zapłon nawet bardzo ubogiej mieszanki roboczej.

Kiedy spaliny przepływają z komory wstępnej do cylindra silnika, wskutek zawirowań mieszanki palnej proces spalania przyspiesza i staje się bardziej wydajny. To z kolei może prowadzić do zmniejszenia zużycia paliwa i toksyczności spalin.

Wadami świec zapłonowych z komorą wstępną są duże tłumienie elektrod i ich niska odporność na osadzanie się nagaru. Wentylacja komory wstępnego spalania jest utrudniona, a znajdująca się w niej mieszanka palna zawiera zwiększoną ilość gazów resztkowych. Dodatkowe straty ciepła następują, gdy spaliny przepływają z komory wstępnego spalania do cylindra. Na rysunku pokazano jedną z odmian świecy zapłonowej z komorą wstępną 12.