Для повышения срока службы свечей зажигания применяются свечи с различными габаритными размерами и числом массовых электродов.
Форма электрода существенно влияет на зажигание топливовоздушной смеси, износ электродов, отвод теплоты и напряжение, необходимое для воспламенения смеси. Преимущественное распространение нашли массовые электроды с нижним расположением (рис. 9.25, а), боковым расположением (рис. 9.25, б) и круговым электродом (рис. 9.25, в).
Свечи с боковым расположением электрода в свою очередь подразделяются на несколько видов, описанных ниже.
Свеча с искровым промежутком. В соответствии с этой конструкцией (рис. 9.26, а) боковой заземляющий электрод располагается относительно центрального электрода таким образом, что искра проскакивает прямо между электродами, поджигая топливно-воздушную смесь между ними.
Свеча с поверхностным искровым промежутком. За счет определенного положения бокового электрода относительно керамической части изолятора центрального электрода искра, прежде чем перескочить через зазор, проходит по поверхности изолятора центрального электрода (рис. 9.26, в). Поскольку для разряда по поверхности требуется меньшее напряжение, чем для разряда через воздушный зазор такого же размера, при одном и том же напряжении поверхностная искра может перекрыть больший зазор между электродами. Образующееся в результате ядро пламени большего размера значительно улучшает условия зажигания. Преимущество этой концепции заключается также в значительно лучшем поведении свечи в условиях частых пусков холодного двигателя, поскольку поверхностная искра очищает поверхность изолятора центрального электрода и предотвращает отложение на нем нагара.
Свеча зажигания с полуповерхностным искровым промежутком В этой конструкции свечи боковые заземляющие электроды располагаются ни определенном расстоянии от центральною электрода и торцевой поверхности керамического изолятора центрального электрода (рис. 9.26, с). В результате создаются два альтернативных зазора, т.е. используются обе формы разряда с различными требованиями к напряжению зажигания. В зависимости от условий работы, свеча может вести себя как свеча с пробоем воздушного зазора или с начальным перекрытием по поверхности.
Увеличение длительности эксплуатации свечей зажигания до нескольких сотен тысяч километров современных свечей зажигания достигается применением более жаропрочных материалов в качестве наплавок на центральных электродах, например платины (температура плавления 1772° С) или иридия (температура плавления 2450° С). Искрообразующее острие центрального электрода, выдерживающее высокие температуры и не расплавляющееся у таких электродов очень мало (0,4…0,6 мм), а сами свечи тоньше и длиннее, что позволяет использовать освободившуюся площадь камеры сгорания для установки клапанов с увеличенными диаметрами головок.
Применение центрального электрода малого диаметра у иридиевой свечи позволяет снизить напряжение пробоя (рис. 9.27), что повышает надежность искрообразования, а характер горения искры таков, что в кольцевом зазоре между центральным электродом постоянно происходят разряды, выжигающие отложения продуктов сгорания.
В случае применения обычных свечей распространению фронта пламени мешают массивные электроды, вследствие рассеивания значительной части энергии в тепло, а в иридиевых свечах фронт пламени распространяется значительно быстрее, так как тепловые потери при этом минимальны (рис. 9.28).
Применение свечей с тонким электродом позволяет избегать калильного зажигания, потому что электрод за время рабочего хода и выпуска успевает охладиться до безопасной температуры.
Новые разработки подачи электрической искры в цилиндры двигателя интенсивно проводят разные фирмы и в частности Saab, которая предлагает использовать одноэлектродную свечу.
В этом случае в качестве одного из электродов свечи используется головка поршня 1, а другой электрод расположен в самой свече 2 (рис. 9.29).
Одноэлектродная свеча изготавливается с большой толщиной керамической изоляции, что позволяет значительно повысить напряжение пробоя. Зазор между электродами изменяется в зависимости от нагрузки. При малых нагрузках, с большим количеством отработавших газов в топливовоздушной смеси, искра подается при зазоре между электродами до 8 мм. На больших нагрузках искра подается при зазоре 1,5мм.
Перспективными считаются свечи с высокочастотным разрядом без бокового электрода (рис. 9.30). Электрический разряд в таких свечах возникает посредством СВЧ-энергии, которую генерирует магнетрон, заменяющий традиционную для автомобиля катушку зажигания, подобно тому как это происходит в микроволновой печи.
Высокочастотному разряду второй электрод не нужен – он может просто «уходить в пространство» камеры сгорания. Лабораторные испытания новой технологии, предложенной американской компанией Etatech и воплощенной в экспериментальных свечах фирмой BERU, показали энергетическая эффективность при применении такой системы воспламенения повышаются на 40%, а выбросы оксидов азота снижаются на 80%. Это поясняется тем, что смесь теперь поджигается сразу во всей камере сгорания, заполненной электрическим полем высокой напряженности. Высокочастотным разряд снимает проблему работы на обедненных смесях, характерную для двигателей с непосредственным впрыском, у которых наблюдается высокий выброс оксидов азота.
Одним из направлений развития свечей зажигания является применение лазерно-искровой свечи зажигания (рис. 9.31). Такая свеча содержит корпус 6 с боковым электродом 12, контактный стержень 4, размещенный в изоляторе 5 корпуса 6 и снабженный разъемом 1 для подключения световода 3, выполненного в полости стержня. Световод 3 содержит фокусирующую линзу 9.
Особенность работы свечи зажигания заключается в подаче лазерной энергии фокусирующего луча 10 от источника лазерного излучения через световод и оптический разъем с образованием фокального пятна 11. Трубчатый контактный стержень 4 в верхней части снабжен контактной втулкой 2 для провода высокого напряжения, а нижней частью через токопроводящую заливку 7 стеклогерметиком электрически соединен с центральным электродом 8, имеющим калиброванное отверстие 13, обеспечивающее формирование лазерного луча 18 и искрообразование.
Световод 3 оканчивается активной зоной 15, обеспечивающей формирование начального участка светового луча 16. Между активной зоной 15 и цилиндрической линзой 9 размещена опорная втулка 17. Перемещение линзы 9 ограничено втулкой 14.
Свеча управляется комбинированной системой управления, содержащей блок искового зажигания и блок управления лазерным излучателем.
Луч лазера проходит с помощью световода 3 через специальное соединение внутрь свечи. Далее луч фокусируется с помощью цилиндрической линзы 9 и выходит в межискровой зазор в камере сгорания. Линза расположена в полом центральном цилиндрическом электроде свечи.
После предварительного лазерного подогрева искрового промежутка по высоковольтному проводу, соединенному с центральным электродом, подается высоковольтный импульс воспламенения горючей смеси. Дополнительно через высоковольтную клемму подается высокое напряжение на центральный электрод от системы зажигания. Энергия лазерного луча фокусируется с помощью цилиндрической линзы в межискровом промежутке свечи.
Лазерно-искровая свеча зажигания обеспечивает более надежное воспламенение смеси на всех режимах работы двигателя, нежели чем обычная свеча.