Свеча накаливания: нагрев и поджиг топлива без искры

В современной автомобильной и тракторной технике широко применяются свечи накаливания — нагревательные элементы особой конструкции, обеспечивающие подогрев и воспламенение топливной смеси без искры. О том, что такое свечи накаливания, каких видов они бывают, как устроены и работают — читайте в статье.

Что такое свечи накаливания и где они применяются

Свечи накаливания — электрический нагревательный прибор, установленный в камере сгорания дизельного двигателя и различных вспомогательных агрегатов автомобиля для подогрева или воспламенения топливно-воздушной смеси. Свечи накаливания, в отличие от свечей зажигания, во время работы не дают искры, а нагреваются до высокой температуры (до желтого или белого каления), обеспечивая быстрый прогрев или воспламенение горючей смеси.

Свечи накаливания находят следующее применение:

• В дизельных силовых агрегатах — для подогрева топливно-воздушной смеси в камерах сгорания перед пуском двигателя при температурах окружающей среды ниже +5°C; для стабилизации режима работы двигателя в первые минуты после запуска;
• В предпусковых подогревателях и автономных отопителях салона — для воспламенения топливно-воздушной смеси при запуске устройства.

Также свечи накаливания (но уже не электрические) работают в калильных двигателях малого объема, используемых в моделизме. О данных свечах здесь мы говорить не будем.

Типы свечей накаливания

Свечи накаливания делятся на две основных группы:

• С открытой спиралью (или просто открытые) — в данных свечах спираль вовсе не имеет защитного наконечника (чехла) или окружена открытым кожухом ("юбкой");
• С закрытой спиралью (или просто закрытые) — в таких свечах спираль помещена внутрь защитного наконечника (чехла).

Также свечи делятся на два типа по конструкции нагревательного элемента:

• Обычные — с широким цилиндрическим кожухом или юбкой;
• Стержневые или штифтовые — с удлиненным наконечником, выполненным в форме стержня или штифта.

Свечи накаливания открытого типа

Стержневые свечи накаливания

Закрытые стержневые свечи делятся на два типа по материалу изготовления нагревательного элемента:

• Металлические — наконечник, в который помещена спираль, изготавливается из жаропрочных сплавов;
• Керамические — нагревательная спираль помещена в керамическую оболочку (как правило, из нитрида кремния).

Металлическая свеча накаливания

Керамическая свеча накаливания

Металлические свечи работают при температурах 850-1000°C, керамические свечи могут нагреваться до температуры 1350°C. Керамические свечи благодаря высокой теплопроводности нитрида кремния очень быстро разогреваются и на протяжении длительного времени могут работать при высоких температурах.

• С одной нагревательной спиралью;
• С двумя соединенными последовательно спиралями, одна из них является нагревательной (основной), вторая — регулировочной.

Свечи с одной спиралью более просты конструктивно, однако для их оптимального разогрева и поддержания определенной температуры необходимо использовать автоматические системы контроля и управления.

Свечи с регулировочной спиралью являются саморегулирующимися. Регулировочная спираль изготавливается из сплавов, удельное электрическое сопротивление которых повышается с ростом температуры. Такая зависимость обеспечивает падение тока на спирали при ее нагреве и автоматическое поддержание температуры в заданных пределах без сложных систем управления. Металлические саморегулирующиеся свечи обозначаются SRM (Self-Regulating Metal), керамические — SRC (Self-Regulating Ceramic).

Важно заметить, что свечи с одной и двумя спиралями не взаимозаменяемы, так как они требуют различных систем управления и имеют неодинаковые режимы работы.

Наконец, все свечи накаливания можно разделить на группы по назначению — для дизельных двигателей различных конструкций, для автономных предпусковых подогревателей, автономных отопителей и т.д.

Конструкция свечей накаливания

Основу свечи накаливания составляет металлический корпус с резьбой для монтажа в головку двигателя. В верхней части корпуса установлена клемма, она может быть гладкой (наконечник DIN или иного стандарта) или резьбовой. В нижней части корпуса располагается нагревательный элемент, подача тока от клеммы до нагревательного элемента осуществляется по пропущенному через весь корпус контактному стержню.

Конструкция нагревательного элемента зависит от типа свечи.

Свечи накаливания открытого типа. Нагреватель представляет собой спираль из сплава с высоким удельным сопротивлением, которая может быть покрыта защитным слоем и помещена в открытый чехол. Сам чехол может выполняться в виде юбки или иметь перфорацию.

Стержневые/штифтовые металлические свечи накаливания. Нагревательный элемент собран из нескольких компонентов, и в сборе эта конструкция называется нагревательной трубкой. Внутри трубки располагается одна или две спирали, внутреннее пространство трубки заполнено спрессованным изолирующим порошком (обычно окисью магния), который удерживает спираль в необходимом положении и предотвращает ее контакт с кожухом.

Стержневые/штифтовые керамические свечи накаливания. В целом конструкция нагревательной трубки аналогична описанной выше. Однако спираль керамических свечей изготавливается из более теплостойких сплавов, она помещена в запрессованный керамический наполнитель и окружена керамическим кожухом из нитрида кремния.

В открытых и в закрытых металлических свечах нагревательный элемент выполнен в виде плоской спирали с различным числом витков, а в керамических свечах нагревательный элемент чаще выполняется в виде прямого или U-образного стержня. Однако во всех свечах этот элемент по традиции называется спиралью.

Во время работы свечи по ее нагревательному элементу и электродам протекают высокие токи, поэтому нагревательная трубка и другие детали устанавливаются в корпус через изоляторы, сам корпус внутри также имеет изолирующий наполнитель.

Принцип работы и применение свечей накаливания

Принципиально работа свечей накаливания крайне проста: при подаче тока на свечу ее нагревательный элемент, имеющий высокое удельное сопротивление, быстро нагревается, обеспечивая подогрев воздуха и топлива в двигателе, или воспламеняя топливо в подогревателях и отопителях. Однако работа свечей в дизельных двигателях имеет несколько особенностей.

Ток на свечи накаливания подается при переводе ключа зажигания в положение II — включение электросистемы автомобиля. О работе свечей говорит соответствующий индикатор на приборной панели, обычно он имеет вид спирали. За время от 2 до 25 секунд свечи накаляются до рабочей температуры, об этом сигнализирует выключение индикатора — теперь двигатель готов к пуску.

Время разогрева свечей накаливания до рабочей температуры зависит от их типа и конструкции:

• Керамические свечи с быстрым нагревом — 2-3 секунды;
• Керамические свечи с двумя спиралями — около 4 секунд;
• Металлические свечи с двумя спиралями — 4-6 секунд;
• Металлические свечи с быстрым нагревом — от 6 до 17 секунд;
• Металлические свечи стандартные 20-25 секунд.

При включении стартера свечи продолжают работать, решая важную задачу — они подогревают поступающие в камеру сгорания воздух и топливо, облегчая разогрев и воспламенение горючей смеси в конце такта сжатия. В некоторых моторах наконечник свечи расположен таким образом, что в нее ударяет струя топлива, поэтому топливо более равномерно распыляется по цилиндру, а процесс смесеобразования улучшается.

После успешного запуска двигателя свечи могут отключаться, однако в современных двигателях свечи накаливания работают до 3-5 минут на пониженном напряжении — данный режим обычно называется остаточным накалом. В первые минуты мотор выходит на стабильный рабочий режим, и в этом ему помогают свечи накаливания. При включенных свечах накаливания в таком режиме улучшается не только работа двигателя, но и его экономические и экологические показатели. Также остаточный накал вследствие более полного сжигания топлива в начальный период работы двигателя повышает ресурс сажевого фильтра в выхлопной системе.

Расположение свечей накаливания в двигателе зависит от его конструкции. В двигателях с нераздельными камерами сгорания свеча накаливания выходит непосредственно в камеру сгорания. В двигателях с форкамерой (предкамерой) или вихревой камерой свеча накаливания располагается в данных камерах. Во всех этих случаях число свечей накаливания соответствует числу цилиндров.

Управление свечами накаливания осуществляется с помощью отдельного электронного блока или системой управления двигателя. Обычно свечи подключаются через собственные реле. Также блок управления берет на себя и защитные функции — он регулировкой тока предотвращает перегорание спиралей в свечах при запущенном двигателе, когда напряжение в бортовой сети автомобиля повышается за счет включения в работу генератора.

Свечи накаливания в процессе эксплуатации не требуют специального обслуживания и обладают значительным ресурсом. При выходе из строя свечи необходимо менять, так как это нарушает условия запуска и работы двигателя в начальный период. При правильной эксплуатации двигателя и своевременной замене свечей накаливания автомобиль будет работать надежно в любых условиях.