1300 градусов за 2 секунды: Мгновенный пуск и забота об экологии. Несправедливая судьба дизельных двигателей и эволюция свечей накаливания

В прошлом материале подробно рассказывал о появлении и развитии систем впрыска топлива. В этот раз поговорим про свечи накаливания, без которых не обходится ни один современный автомобильный дизельный двигатель.

История появления свечей накаливания

Эволюционный путь этих компонентов начался, конечно, все с тех же нефтяных двигателей. Способные работать на различных видах топлива — керосине, сырой нефти, растительном масле — они выпускались с конца 19 века. Если быть точным, с 1886 года, то есть они появились на 11 лет раньше, чем первый работающий двигатель Рудольфа Дизеля. А в 1891 году увидели свет первые серийные нефтяные двигатели — их выпускала по лицензии компания Richard Hornsby & Sons.

Видео двигателя Hornsby:

Особенностью конструкции, разработанной британским инженером Гербертом Акройд-Стюартом, было наличие так называемого калоризатора, или калильной головки — специальной теплоизолированной камеры, где температура была намного выше, чем в самом цилиндре двигателя. Именно в калоризаторе и происходило воспламенение топлива. Чтобы облегчить этот процесс, перед пуском двигателя калоризатор было необходимо разогреть до температуры 300-350 градусов при использовании углей, открытого огня, или, позже, электрической спирали. При помощи паяльной лампы греть калоризатор было нужно минут 10-15.

Примечательно, что именно компания Роберта Хорнсби стала создателем первого в мире действующего трактора с гусеничным движителем с непрерывной стальной лентой.

На испытаниях для армии (в качестве артиллерийских тягачей) солдаты прозвали машину гусеницей.

Патент на трактор был продан компании Holt, так на свет появилась марка Caterpillar.

Воспламенение происходило следующим образом. На такте впуска в горячий калоризатор подавалось топливо при помощи форсунки. Перед достижением поршнем ВМТ, в камеру поступал сжатый поршнем воздух, и пары испарившегося топлива воспламенялись. Конструкция, позже получившая название "полудизель", несмотря на все свои очевидные недостатки (малая мощность, вибрации, необходимость подогрева калоризатора при использовании на малых оборотах) была простой в производстве и продержалась на плаву (в том числе, в прямом смысле, на небольших судах) до середины 20 века. В числе наиболее успешных примеров — немецкие тракторы Lanz-Bulldog, которые я показывал вам в материале из секретного музея винтажных тракторов в Австрии. В СССР двухтактные нефтяные двигатели ставили, например, на тракторы "Запорожец". Модификации с запальным шаром вместо калильной головки были широко известны у нас под брендом "болиндер".

Запуск нефтяного двигателя с запальным шаром:

Конструкция нефтяных двигателей уже в начале 20 века была вытеснена более эффективными дизельными двигателями. Можно долго спорить о том, кто же все таки изобрел эту конструкцию — Рудольф Дизель или русский инженер Густав Тринклер, раньше своего немецкого коллеги предложивший в 1898 году не только сам двигатель с воспламенением от сжатия, но и гидравлическую систему нагнетания и впрыска топлива, эволюционировавшую сегодня в систему Common Rail.

Но факт есть факт — под давлением рыночных факторов в лице Эммануила Нобеля, купившего в том же году лицензию на выпуск моторов Дизеля, и запустившего их масштабное производство на Механическом заводе "Людвиг Нобель" в Санкт-Петербурге, конструкция Тринклера развития не получила, и именно дизельные двигатели начали завоевывать мир.

Правда, не весь — работавшие на нефти дизели были очень габаритные, малооборотистые, требовали больших воздушных компрессоров, поэтому применялись в стационарной технике, и на различных судах. А еще — на дирижаблях.

Стационарные дизельные двигатели используются и по сей день. Примеров этому немало на Youtube, и выглядит это очень познавательно.

На автомобилях дизельные двигатели стали применяться лишь в 20-х годах, после изобретения немецким инженером Робертом Бошем компактного многосекционного ТНВД и бескомпрессорных форсунок.

Ключевой особенностью дизельных двигателей было воспламенение топливо-воздушной смеси без использования искровых свечей зажигания.
У таких моторов была очень высокая степень сжатия (например, 15:1 или 20:1 против 5:1 у полудизелей). Чтобы смесь самостоятельно воспламенилась, ее, конечно, тоже необходимо было нагреть до высокой температуры, и двигатель делал это самостоятельно — на такте сжатия поршень сжимал воздух, подаваемый в цилиндры с давлением в 45-55 бар, и в результате адиабатического сжатия его температура повышалась до 500-600 градусов Цельсия, что обеспечивало самовоспламенение смеси после впрыска топлива.

В конструкции первых успешных автомобильных дизелей сгорание облегчали так называемые предкамеры (форкамеры), составляющие от 20 до 40% от общего объема двигателя. При воспламенении паров топлива в предкамере, разогретая смесь несгоревшего топлива и продуктов сгорания вытеснялась в надпоршневое пространство, давление в цилиндре нарастало более равномерно, двигатель работал мягче и эффективнее.

Один из первых примеров автомобильного форкамерного дизеля — разработанный в 1923, спустя год пошедший в серию грузовик Mercedes-Benz 5K3 с четырехцилиндровым форкамерным дизелем объемом 8.8 л. Разработанный инженером Проспером Леранжем двигатель OB 2 выдавал всего 50 л.с. Привод на колеса осуществлялся при помощи цепи.

Использование предкамер позволяло снизить давление впрыска топлива до 200 бар, то есть, значительно уменьшить размер необходимой топливной аппаратуры. Однако с уменьшением рабочего объема дизельных двигателей, с ростом рабочих оборотов, что было обусловлено автомобильной спецификой, инженеры столкнулись с еще одной проблемой — затрудненным запуском дизельного двигателя при низких температурах.

Так, для уверенного пуска форкамерного дизеля, температура внутри предкамеры должна была составлять не менее 40 градусов Цельсия. В противном случае, особенно, при температурах ниже нуля, запустить такой двигатель было проблематично.

Чтобы решить проблему холодного пуска, в разных конструкциях двигателей использовались разные, в том числе экзотические по сегодняшним решения — например, патроны с тлеющей селитровой бумагой. Разработанные Робертом Бошем в калильные свечи, или свечи накаливания, распространены и поныне, но этом году отмечают столетний юбилей! Представленные в 1922 году конструкции упрощенно представляли собой подключенные последовательно электрические подогреватели, — эдакие кипятильники, которые устанавливались в предкамеры. Похожие свечи применяли и другие производители.

В качестве резисторов использовался толстый термостойкий провод, скрученный в катушку — нагревательную спираль. При подаче электричества, система медленно разогревалась. Рабочая температура в предкамере достигалась за 180 секунд.

Первым серийным дизельным легковым автомобилем стал роскошный Mercedes-Benz 260 D W138, с помпой представленный в 1936 году на берлинской авто- и мотовыставке.

Дизельный двигатель OM-138 был “обрезанной” и адаптированной под легковые нужды версией “шестерки”, успешно применяемой к тому моменту в коммерческой линейке. 4 цилиндра, рабочий объем 2.6 литра, верхнее расположение клапанов, предкамеры, мощность в 45 л.с. при 3200 об/мин. По тем временам мотор был весьма оборотистым для дизеля.

Поддерживать непрерывную подачу топлива на высоких (3000 и более) оборотах стало возможно только благодаря четырехплунжерному ТНВД разработки инженера Боша — первой подобной конструкции, не утратившей актуальности с годами. Для таких серьезных конструкций это типично — например, история современных моделей ТНВД распределительного типа с механическими регуляторами частоты вращения восходит к шестидесятым годам. Двигатель OM 138, влекущий немаленький “Мерседес”, расходовал всего 9.5 литров тяжелого топлива на сотню.

Насосы высокого давления — отдельная тема, так что не будем отвлекаться, и вернемся к нашим свечам накала, которые во второй половине двадцатого века уже выглядели почти так же, как сейчас.

Если в тридцатых-сороковых годах все еще использовались “кипятильники” (на тот же 260 D электрические свечи накала устанавливали с 1938 года), то уже в конце пятидесятых свечи накаливания имели зачастую практически современный вид.

Эволюция дизелей и свечей накаливания

Нагревающие спирали были расположены в заполненной изолятором — оксидом магния — герметичной металлической трубке. Корпус похожей на карандаш свечи получил резьбовое крепление. Похоже на обычные свечи зажигания, но без электрода на конце. При подаче напряжения, кончик свечи нагревался до температуры в 700-800 градусов Цельсия, испуская видимое свечения (отсюда — английское название glow plug). На разогрев требовалось около минуты.

С годами двигатели и их узлы становились все более компактными, не исключая и свечи накаливания. В семидесятых годах трубки свечей имели диаметр 6 мм, на разогрев требовалось уже 15-17 секунд. К восьмидесятым годам время разогрева сократилось до 10 секунд,

Вихрекамерные двигатели — дальнейшая эволюция предкамерных двигателей. Основное отличие — благодаря каналам специальной формы, поступающий в предкамеру воздух завихряется, и топливо впрыскивается в этот вихрь, что делает процесс сгорания более эффективным. Том числе, и при холодном пуске — такие моторы могли технически спокойно запускаться при температуре +20 градусов без активации свечей накала.

Конструкция форкамерных моторов оказалась невероятно успешной и популярной. Компанией Mercedes, например, форкамерные рядники на 6, 5 и 4 цилиндров (OM606/605/604 объемом от 3 до 2 л) выпускались до начала нового тысячелетия. В девяностых их ставили на самые популярные модели марки, такие как W202 и W210.

Многие склонны называть всеядные чугунные моторы этих серий последними настоящими немецкими “миллионниками”, особенно, это касается модификаций последних годов выпуска, когда капризную систему впрыска (EVE, Elektronic Verteiler Einspritzpumpe) от Lucas заменили на более надежную от Bosch (EDC, Elektronic Diesel Conrol). В остальном все отлично — минимум электроники и много чугуна.

Использование четырех клапанов на цилиндр ужесточило требование и к размерам свеч накала, которые стали еще более компактными.

На разогрев новейших 11-вольтовых двухспиральных свечей накаливания Bosch Duraterm до 850 градусов уходило менее четырех секунд, после чего двигатель мягко запускался даже в сильный мороз. Трубка накаливания была изготовлена устойчивого к коррозии и вибрации никель-хромового сплав c добавками алюминия, меди, кремния. Уже тогда свечи накаливания научили поддерживать нагрев на протяжении трех минут, оптимизируя сгорание на холодном двигателе, что способствовало не только более стабильной работе, но и снижению уровня вредных выбросов. Максимальная температура нагрева свечей составляла 950 градусов Цельсия.

Конструкция современной свечи накаливания объединяет в один резистивный элемент нагревательную спираль и регулирующую обмотку. Ток передается через соединительный болт и регулирующую обмотку на нагревательную спираль, плотно “упакованную” в изолирующий керамический порошок с высокой теплопроводностью. Электрическое сопротивление сплава, из которого сделана спираль, увеличивается при нагреве, соответственно, ток уменьшается после нагрева спирали до рабочей температуры, защищая узел от перегрева.

Альтернативным решением стали применяемые на японских двигателях свечи накала с электромеханическим релейным блоком, позже замененным на электронный модуль управления.

Непосредственный впрыск — из начала 20 века в новое тысячелетие

С развитием компьютерного управления впрыском, а также ужесточением экологических норм, наступило время дизельных моторов с непосредственным впрыском топлива, выбрасывающих еще меньше вредных выбросов.

Строго говоря, первый дизель с непосредственным впрыском применялся еще на грузовике M.A.N. Saurer в 1924 году. Вес 40-сильного двигателя составлял 420 кг.

В таких двигателях топливо впрыскивается не в предкамеру, а непосредственно в цилиндр, тем самым уменьшаются теплопотери и растет эффективность работы.

Первым автомобилем с современным высокооборотистым “непосредственным” дизельным двигателем стал микроавтобус Ford Transit 1984 года с роторным распределительным насосом высокого давления и форсунками Lucas DPS или Bosch VE, в зависимости от модификации. Экономия топлива на этом двигателе составляла до 25% по сравнению с форкамерной моделью. Первой легковушкой с таким дизелем в 1988 стала передовая итальянская модель — Fiat Croma, с 1.9-литровым мотором, выдающим 92 л.с. и 182 Нм.

Год спустя на модели Audi 100 стартовало второе поколение легковых дизелей с прямым впрыском Bosch VP34 — на легендарной рядной пятерке объемом 2.5 л, развивающий 120 л.с.и 265 Нм.

По дизайну и характеру Alfa Romeo 156 сильно отличалась от моделей Fiat, и это сделало ее любимицей покупателей. В 1998 — Европейский автомобиль года, в том числе, благодаря самому современному легковому турбодизелю. За 10 лет было произведено около 680 тысяч автомобилей. Фото: Stellantis

Технологии были проданы компании Bosch, давно ведущей свои разработки в этом направлении, и в том же году увидел свет Mercedes-Benz W202 с непосредственным впрыском с системой Common Rail с давлением до 1350 бар.

На современных двигателях с непосредственным впрыском подача топлива через форсунки строго дозируется компьютером. Правильно смешать смесь в камере сгорания помогает особая форма днища поршня. Свеча накаливания выступает непосредственно в цилиндр. При температуре в 0 градусов, стандартные свечи накаливания в двухтысячных годах требовали на входе всего 4.4-5 Вольт вместо прежних 11-ти, не создавая излишней нагрузки на бортовую сеть, прогревались до 1000 градусов за 3 секунды, обеспечивая стабильный пуск и поддержание нагрева при работе двигателя на ХХ при и движении накатом, чтобы температура не падала ниже определенной отметки и сгорание становилось более эффективным. Тем самым уменьшались и вредные выбросы.

Следующим эволюционным шагом стало внедрение вместо нагревательных спиралей металло-керамических (как правило, из нитрида кремния и дисилицида молибдена) или чисто керамических нагревательных элементов. Современные “керамические” свечи накаливания имеют диаметр накальной трубки в 2-3 мм, потребляют 7 вольт, за 1-2 секунды разогреваются до 1000 градусов, при “потолке” в 1350 градусов. Тем самым достигается и практически мгновенный холодный пуск, и эффективное управление температурой смеси в цилиндрах в разных режимах работы двигателя.

Европейские производители исторически почти поголовно используют в качестве оригинального оборудования свечи накаливания и компоненты топливной аппаратуры Bosch.

Температура и время работы свечи плавно регулируется блоком управления двигателем. Задача свечи накала в современном дизеле с прямым впрыском — больше, чем просто обеспечить холодный пуск. Свечи должны по команде компьютера оптимально разогревать смесь в зависимости от условий и режима его работы, как при холодном пуске, так и на протяжении 15 минут после него. Также свечи включаются автоматически при движении, при снижении температуры выпускных газов, для “дожига” сажи и, соответственно, снижения загрязнения сажевого фильтра.

Более того, свечи накала в современных дизелях чисто физически участвуют в смесеобразовании — топливо впрыскиваться непосредственно на их наконечник.

Полноценно используя современные свечи накаливания, дизельные двигатели соответствуют нормам Евро-6 с приличным запасом. Топливные системы Common Rail с давлением до 2700 бар позволяет выжимать из современных турбодизелей до 135 лошадиных сил с литра объема.

Еще одной интересной разработкой стало дополнение конструкции свечей накаливания пьезорезистивным датчиком давления, измеряющим давление в камере сгорания и передающим его в ЭБУ двигателя. По оценкам специалистов, это решение позволило добиться еще более эффективного снижения уровня наиболее вредных выбросов, в частности, оксидов азота. Однако эта технология так и не стала массовой — получившие второе дыхание в двухтысячных дизелестроение получило удар под дых в виде дизельгейта, и разработки новых поколений дизелей были фактически прекращены.

Как определить, что свечи накаливания пора менять

Срок службы современной свечи накаливание составляет 5-7 лет, или 80-100 тысяч километров. На неисправность свечей указывает затрудненный холодный пуск с обильным сизым выхлопом, повышенные шум и вибрации на прогреве, потеря мощности и увеличенный расход топлива. Проверить работоспособность лучше всего помогает специальный тестер.

Основной причиной выхода свечей накаливания из строя, очевидно, является перегрев. Чаще всего это происходит из-за выхода из строя контроллера, когда напряжение на свечу подается дольше положенного. При перегреве свечи корпус нагревательного элемента может даже лопнуть. Также на здоровье свечи негативно могут повлиять неправильная работа форсунки, сдвиг фаз газораспределения. В случае физической поломки свечи, не исключен дорогостоящий ремонт с демонтажом ГБЦ. Представляет опасность неправильная установка (если перетянуть, то можно вызвать деформацию контактного стержня — вот почему некоторые производители делают его гибким), а также некорректное тестирование — например, при напряжении 12 вольт вместо 7. Менять свечи накаливания рекомендуется комплектом, ведь на исправном двигателе они выйдут из строя одна за другой.

Подведем итог. Дизельные двигатели и их компоненты, включая свечи накаливания, активно совершенствовались на протяжении всей своей истории, и к настоящему времени их конструкция могла бы быть еще более эффективной. Однако в том числе в результате дизельгейта, ведущими европейскими, а затем и азиатскими автогигантами разработки дизельных двигателей нового поколения были фактически прекращены. И это — в тот самый момент, когда дизеля могли стать еще чище и безопаснее, при отличной экономичности высокой литровой мощности и крутящем моменте! Впрочем, сейчас это касается уже всех типов ДВС, включая бензиновые, “жизненный цикл” которых, по крайней мере, в “родной” Европе, похоже, подошел к концу.

Теперь вам слово, уважаемые читатели! Какой опыт у вас есть со свечами накаливания? Поломки, замена, и так далее. Буду рад вашим комментариям и дополнениям!

Читайте также:

— История электронного впрыска. Как он спасает наше здоровье, и почему его скоро запретят?
— Эволюция аккумуляторных батарей: Что такое "багдадская батарейка", и зачем на самом деле нужны AGM-батареи?
— Как автогиганты воруют идеи у изобретателей? Эволюция автомобильных стеклоочистителей и проклятье гениев
— Как ABS и ESP спасают наши жизни, и причем тут невидимый лось и yaw-сенсор.
— Как подушки безопасности убивают людей
— Как делают радиаторы охлаждения
— Как делают смазки
— Как делают тормозные колодки
— Как делают шины
— Как добывают уголь