ПЛАМЕННЫЕ ЮБОЧКИ

В январскую стужу, когда на горизонте маячили еще более суровые тридцатиградусные морозы, мне предложили испытать на своих «Жигулях» 1983 года выпуска работу новых свечей зажигания Bugaets, только что появившихся на иркутском рынке. К этому времени на автомобиле стоял комплект свечей Brisk, который, в свою очередь, заменил уфимские свечи и не вызывал особых нареканий. Тем более, что «тройка» уже дважды побывала на «диагностике», и работа двигателя абсолютно устраивала. Но перспектива заиметь на автомобиле, которому перевалило за два десятка, свечи зажигания стоимостью около 3000 руб. была заманчива. Вдруг двигатель объемом 1,3 литра поразит своей динамикой: не пришлось бы еще антикрыло устанавливать, чтобы не взлететь.

Между свечами и проводами усилители искры

К свечам прилагался комплект усилителей искры Bugaets и инструкция по применению на карбюраторных двигателях, которая своей подробностью напрягла мой гуманитарный склад ума. Честно говоря, я даже расстроился, почитав инструкцию, где предлагалось в случае неполадки в электрооборудовнии двигателя, после установки свечей зажигания с усилителями искры Bugaets, снять крышку трамблера (вместе с проводами), отвернуть «бегунок» и натянуть 1-ю пружину, разгибая соответствующие крепежные усики. Поэтому захотелось подробнее узнать о свечах зажигания Bugaets, обратившись к источнику в журнале «Двигатель», в котором объяснялось принципиальное отличие данной разработки от других свечей.

Факельный прорыв

Теоретическая часть любой конструкции всегда вызывает споры от полного неприятия до восторженных откликов. И, конечно, не является истиной в последней инстанции: главное в этом соревновании на практике доказать конкурентоспособность разработки. Но все-таки без теории не обойтись.

Мотор-тестер показал увеличение пробойного напряжения между электродами свечей

— Как известно, основная доля энергии искры в современных двигателях выделяется на этапе индуктивной фазы разряда. Источником высоковольтной электрической энергии является катушка зажигания. Количество накапливаемой энергии пропорционально величине индуктивности катушки, поэтому последняя получается весьма тяжелой и материалоемкой. Суммарное сопротивление высоковольтной цепи системы зажигания составляет около 20 кОм. Учитывая, что напряжение между электродами после пробоя падает до 300 В, а ток разряда в среднем равен 300 мА, то сопротивление искрового зазора примерно равно 1 кОм. Отсюда следует, что электрический КПД искры составляет около 5%. Ток разряда в искре превращается в джоулево тепло, которое и осуществляет поджигание воздушно-топливной смеси. Таким образом потери тепла при разогреве электродов достигают 70%. Но и сам вихрь, бушующий в камере сгорания, приносит тепло. Скорость вихря максимальна именно у стенок камеры сгорания, где расположен искровой зазор свечи. С учетом этого КПД искры доходит до 15%.

В то же время из-за асимметрии горения возникают механические потери. Свеча является пассивным точечным источником тепла. Конфигурация фронта пламени при развитии горения воздушно-топливной смеси определяется вихревыми потоками. На первом этапе пламя от искры распространяется в виде постоянно расширяющейся трехмерной спиральной поверхности вдоль стенки в один из углов камеры, а оттуда в центр, которым является дно поршня в положении верхней мертвой точки (ВМТ). На втором этапе фронт пламени начинает распространяться практически равномерно во все стороны. Возникшая на первом этапе «спираль» продолжает поддерживаться от искры, поэтому горение завершается в другом углу камеры сгорания, противоположном «спирали». Когда через 15° поворота коленвала, после прохода ВМТ завершается горение воздушно-топливной смеси, поршень наряду с равномерным давлением на все дно, получает импульс по одному краю. Ему «ничего не остается», как повернуться относительно точки опоры, что приводит к кратковременному заклиниванию поршня в цилиндре. Двигатель перед тем как заглохнуть, может «козлить». Это объясняется тем, что поршни по очереди «проскакивают» через заклиненное состояние. У холодного двигателя заклинивающий эффект максимален.

В мировой практике с этим явлением начали бороться не сразу. Когда в авиации из соображений надежности стали применять две симметричные свечи на цилиндр, то это повысило мощность двигателя на 5%. Такое решение в автомобильной практике первой использовала Honda, так как убедилась в значительном повышении крутящего момента на «низах». Далее к такому же решению прибегла Alfa-Romeo. И совсем недавно — DaimlerChrysler. Однако внедрение дублированной системы зажигания — недешевое удовольствие и, кроме того, оно фактически означает необходимость разработки нового двигателя. А что делать с сотнями миллионов автомобилей, которые уже колесят по всему свету?

Кроме того, применение двух свечей на цилиндр не устраняет другой недостаток. Длина пути распространения фронта пламени в реальных камерах сгорания составляет не менее трех радиусов поршня. Большая протяженность пути фронта пламени приводила к тому, что при высокой частоте вращения вала приходилось поджигать воздушно-топливную смесь задолго до ВМТ (увеличивать угол опережения зажигания), а фаза сжатия заканчивалась уже после зажигания воздушно-топливной смеси. Если рассматривать индикаторную диаграмму, то при этом тепловая энергия нарастает в фазе сжатия и, естественно, уменьшается в фазе расширения. Таким образом, с ростом частоты вращения вала крутящий момент падает «с удвоенной скоростью». Затем наступает момент, когда двигатель «визжит, но тянуть уже не может», так как способен обслуживать только сам себя. И все это в основном из-за долгого горения или неверного способа зажигания.

Все недостатки, рассмотренные выше, устраняются, если горение воздушно-топливной смеси начать в центре камеры сгорания.

И сделать это разумнее всего с помощью факельного зажигания по аналогии с лучшими форкамерными двигателями, первый из которых был предложен Рикардо в 1918 г., а последний снят с производства в начале 80-х. Форкамерные двигатели были лучше обычных по всем показателям, кроме одного — они были сложнее, особенно в отношении системы питания и газораспределения. Вероятно, последнее и перевесило в извечном компромиссе «цена-качество».

Главное достоинство факельного зажигания — активность. Факел способен преодолеть заметные расстояния как поперек, так и навстречу вихрю.

В 1994 г. автором и его коллегами были начаты исследования по созданию системы зажигания и свечи с факельным эффектом. У данной свечи центральный искровой зазор окружен симметричной усеченной конусной поверхностью, выполненной в виде насадки, которая закреплена на резьбовом торце корпуса и содержит канал для бокового электрода. Насадка изготовлена из тонкостенного жаростойкого сплава, обладающего антикалильными свойствами. Конструкция свечи полуоткрытая, но при этом свеча обладает факельным эффектом. Академик А.Е. Акимов назвал ее «торсионным генератором». Именно благодаря «полуоткрытости» свечей ей не страшны проблемы вентиляции и засорения продуктами неполного горения. Она работает лучше обычной свечи, лучше форкамерной свечи на всех режимах двигателя, так как формирует более мощный расходящийся факел. В ходе одного из экспериментов проверялась приемистость двигателя со штатной системой зажигания и новой свечей без нагрузки. Двигатель со штатной свечей зажигания набирал максимальную частоту вращения вала в течение 3 сек. После замены свечи на новую мотор без видимой задержки буквально «взрывается», при этом частота вращения вала «зашкаливает». В процессе эксперимента были установлены зависимость КПД новой свечи от ряда характеристик: формы камеры сгорания, положения, энергии и длительности искры, качества воздушно-топливной смеси.

Наиболее выгодной оказалась установка разработанной свечи на двигатель устаревшей конструкции с двумя клапанами на цилиндр; при этом свеча располагалась сбоку, ее ось проходила через камеры сгорания. В современных двигателях (4 клапана на цилиндр, свеча вертикальная) наблюдается обратная картина. Воздушно-топливная смесь, выжатая поршнем в ВМТ, мешает факелу достичь центра камеры сгорания. Замена свеч дает эффект только для двигателей с малым объемом, работающих при большой частоте вращения вала (3000 об./мин. и выше). Для кардинального решения данной проблемы требуется повышать энергию высоковольтного импульса до 150 мДж. Исследования позволяют констатировать, что факельное зажигание улучшает одновременно все параметры двигателя и автомобиля: скорость, приемистость, экономичность, экологичность. Особенно важным достижением представляется снижение уровня выбросов окислов азота. Резко уменьшилась тепловая загруженность автомобиля. Расход топлива сокращается и перестает зависеть от скорости, поэтому при поездках со скоростью 120 км/час экономия нередко достигает 30 процентов. Замечено, для автомобилей с большей массой и двигателем с увеличенным диаметром поршней выигрыш увеличивается.

Первый опыт

Одним из первых автомобилей в Иркутске, на котором были установлены свечи зажигания и усилители искры Bugaets, оказался ГАЗ-3110 с карбюраторным двигателем ЗМЗ-402.10, объемом 2,4 л, пробегом 37 000 км. Комплект Bugaets был установлен в конце октября прошлого года. До этого на «Волге» использовались свечи Brisk. Первый пуск двигателя с Bugaets состоялся в холодном гараже при температуре -15 градусов. На удивление двигатель завелся мгновенно и набрал обороты выше обычного. До этого на прогреве при закрытой заслонке было 1500-1700 об./мин., стало 2000-2200 об./мин. Когда с помощью заслонки владелец снизил обороты до 1500 об./мин., сразу почувствовалась более устойчивая и ровная работа двигателя. После прогрева двигателя до +40 градусов на холостых оборотах стрелка тахометра встала, как вкопанная на норме. Обычно на прежних свечах ее мотало, пока двигатель и карбюратор полностью не прогреются. По прилагаемой инструкции трамблер был повернут на более раннее зажигание, после чего несколько увеличились обороты. С помощью регулирующего болта на карбюраторе количество смеси довели до нормы, и автомобиль выехал на улицу. Сразу было отмечено, что в потоке транспорта при городском темпе езды третья передача вела себя как вторая. На скоростных участках в городе пятая почти не просила четвертую. При загородных поездках видна существенная разница преодоления затяжных подъемов на трассе: машина ведет себя гораздо резвее. Также при дальних поездках за городом видна существенная экономия топлива, чего нельзя сказать о городском цикле, где расход остался прежним. «Волга» проехала с комплектом Bugaets больше 7 000 км. Пока жалоб и нареканий нет.

Полевые испытания

И так, подковавшись теоретически и поверив на слово владельцу вышеописанной «Волги», я получил на руки две фирменные коробочки со свечами и усилителями искры Bugaets. Правда, перед этим мы вывернули из «Жигулей» старые свечи, выяснив, что необходимо делать регулировку клапанов. Буквально три недели назад клапаны регулировались, но опять вошли в свое обычное, разрегулированное состояние. Bugaets мне было рекомендовано завернуть в холодное тело, то есть когда температура блока цилиндров и свечей будет одинаковой. Для чистоты эксперимента это тело — двигатель, я даже мыть не стал. С регулировкой клапанов тоже решил подождать и ввернул новые свечи, когда на спидометре было 77 300 км. Обороты двигателя на холостом ходу поднялись с 800-900 до 1200-1300. Автомобиль поехал по-другому. Работа двигателя, говоря образно, стала эластичней. Улучшилась тяговитость при подъемах. В Кайскую гору я стал спокойно заезжать на четвертой скорости, чего раньше не случалось: приходилось на самой «опушке» — пересечение с ул. Чайковского — переключаться на третью. Автомобиль стал резче откликаться на педаль газа, делая неведомые до этого ускорения. Чего я точно не заметил, так это значительной экономии топлива. Также «Жигули» никогда не заводились с первой попытки «на холодную», хотя «ночуют» в капитальном гараже. Только после того как трижды крутанешь стартером, мотор начинает призывно урчать. Эта особенность «тройки» сохранилась с того времени, когда не ней стояли уфимские свечи зажигания. Замена их на Brisk, а затем и Bugaets ничего не изменила. Зато улучшился прогрев двигателя.

Тем не менее высокие обороты двигателя напрягали, и я решил воспользоваться инструкцией, которая прилагается к комплекту новых свечей и усилителей, чтобы привести работу мотора в норму. Для этого необходимо было сделать зажигание «раньше», повернув трамблер на +3-6 градусов, а затем отрегулировать подачу топлива на карбюраторе с помощью специального болта. Подобная задача для меня была невыполнимой, поэтому я обратился к помощи своего коллеги Николая Рудых. Но к своему удивлению услышал, что ничего у нас не получится, если все делать вручную, без соответствующего оборудования. Мне пришлось призывать к совести Николая Дмитриевича и показывать ему инструкцию, чтобы уговорить. Результат оказался плачевным. После того как зажигание «накрутили» по-новому, двигатель стало трясти. На спидометре значилась цифра 78 600 км. Еще одна попытка отрегулировать зажигание положительных результатов не дала. Решено было ехать в сервис «на диагностику».

Проверка работы комплекта Bugaets на мотор-тестере показала, что длительность горения дуги такая же, как у обычных свечей. Больше оказалось напряжение на свече и вместо 8 КВ показывала 12 КВ. Это говорило о повышенном сопротивлении в высоковольтных проводах, а значит и о высокой нагрузке на катушку зажигания. Был сделан вывод, что производитель сразу страхуется насчет пробоя катушки, высоковольтных поводов, крышки трамблера и «бегунка», так подробно останавливаясь в инструкции на том, чтобы они были «приведены в норму» после установки Bugaets. Опять же руководствуясь инструкцией, обороты двигателя привели в норму, подтянули цепь и отрегулировали клапаны, после чего я выехал из сервиса несколько обескураженным: перспектива встать на дороге из-за «пробитой» катушки зажигания не радовала. Но сейчас на спидометре свыше 82000 км, и каких-либо отказов в работе электрики нет.

Иркутский центр малой авиации тоже проверял работу комплекта Bugaets на французских двигателях Rotax-503, на которых до этого были установлены свечи зажигания NGK-7. Наземные испытания показали хорошую работу двигателей во всех режимах.

Кроме того, Bugaets рекомендовано ставить на карбюраторные двигатели импортного производства объемом до 2 л, если позволяет монтаж, то есть вне «колодца». При этом усилители на иномарки не нужны: процессор сам регулирует работу свечей.

Из этого можно заключить, что комплект Bugaets — своего рода тюнинг российских автомобилей, так как стоит около 2900 руб. и будет востребован теми, кто хочет улучшить характеристики работы двигателя. Для автомобилей импортного производства свечи Bugaets без усилителей стоят 1200 руб. — это единая цена по России.

Из пожеланий при покупке комплекта Bugaets можно только порекомендовать устанавливать свечи в специализированном сервисе и лучше, чтобы эту услугу оказывал продавец.

Технология Bugaets

Использование в конструкции свечи конусной насадки на торце корпуса, которая закрепляется с помощью точечной сварки, сразу высветило проблему: каким свечам отдать предпочтение? Приварив «юбочку» на свечу, производитель которой не является лидером, можно столкнуться с тем, что она может выйти из строя из-за конструктивных недоработок, а грешить будут на установленную на ней насадку. Выход из положения был найден использованием свечей NGK, что гарантировало качество, но соответственно отразилось на цене в сторону увеличения. По утверждению разработчиков, использование насадки на свечах и усилителя искры позволяет полнее сжигать топливную смесь, получая дополнительную энергию. Во время фаз впуска и сжатия в цилиндре и камере сгорания, свободная полость свечи, включая насадку, заполняется топливной смесью, которая после появления искры воспламеняется не как обычно, а начинает накапливать тепловую энергию в свече. При приближении поршня к верхней мертвой точке происходит выстрел в виде расширяющегося факела по всей полости камеры сгорания. Благодаря конусной насадке мощность и длина факела максимально возможные.

Дополнительно к комплекту свечей изготовлены усилители искры. Конструкция усилителя искры выполнена в виде внешнего и внутреннего цилиндров, содержащих конденсатор. Между ними находится силиконовый наконечник, на который монтируется провод высоковольтного напряжения. Внешний цилиндр является корпусом усилителя, выполнен из тонкостенной нержавеющей стали и заканчивается шестигранником для монтажа с помощью стандартного свечного ключа. Внутренний сделан из твердого алюминиевого сплава с резьбой для монтажа на свечу. Все это представляет единую деталь, выполненную за одну технологическую операцию.

При подаче высоковольтного напряжения распределенная емкость усилителей искры начинает заряжаться через высокоомную цепь. Это несколько снижает скорость нарастания и амплитуду высоковольтного напряжения. В момент пробоя искрового зазора свечи зажигания происходит достаточно быстрый (около 100 мсек) разряд запасенной энергии. Ток разряда имеет форму затухающего радиоимпульса с частотой приблизительно 120 МГц. Амплитуда импульса тока по сравнению со стандартной искрой повышается в сотни раз. Температура искры пропорционально возрастает, что существенно повышает стабильность зажигания. Кроме того, практически исключается электроэрозия электродов свечи зажигания.