Подгревни свещи

Подгревните свещи се монтират в дизелови двигатели.
Те подпомагат пускането в ход на двигателите при нискивъншни температури.
Терминът „студен старт“ описва всички процеси по стартиране, случващи се докато двигателя не достигне работна температура. Колкото по-ниска е температурата, толкова по-неблагоприятни са условията за бързо запалване и осъществяване на екологично съобразено горене. Определени мерки се използват в подкрепа при студен старт, така че пускането в ход на двигателя да не бъде прекалено дълго или дори невъзможно. Тези мерки компенсират влошените условия на стартиране и осигуряват стабилно горене.
Подгревните свещи са един от тези подпомагащи компоненти. Чрез електрически генерираната термична енергия в горивната камера те създават идеални условия на горене за инжектираното гориво. Подгревните свещи се вграждат в дизеловите двигатели с разделени горивни камери (индиректно впръскване) тъй като са незаменима подкрепа при температури до 30 °C. Дизеловите двигатели с една основна горивна камера (директно впръскване) също са оборудвани с подгревни свещи, тъй като пускането им в ход се влошава значително при температури под 0°C.

Принцип на работа

Дизеловите двигатели работят на принципа на самозапалването, което означава че впръсканото гориво се възпламенява без необходимостта от запалителна искра. Тактовете при дизеловите двигатели са както следва:
1. Първи такт/Всмукване – свеж въздух се засмуква
2. Втори такт/Сгъстяване – свежият въздух се компресира до 30 – 55bar. В следствие на сгъстяването температурата се покачва до 700 – 900°C.
3. Трети такт/Работен – Гориво се впръсква в горивната камера точно преди ГМТ на буталото и то се самовъзпламенява поради високата температура на въздуха. Налягането в цилиндъра силно нараства и двигателят извършва работния си такт.
4. Четвърти такт/Изпускане - По време на този такт буталото се движи от ДМТ към ГМТ, като изтласква газовете от цилиндъра през изпускателните клапани.
По-старите превозни средства обикновено са оборудвани с подгревни свещи, които подгряват преди и по време на студения старт. Съвременните автомобили са оборудвани със свещи, използващи 3-фазна система (фиг. 2), която включва:
- Подгрев преди стартиране
- Подгрев по време на стартиране
- Подгрев след стартиране

Фаза 1 стартира при завъртане на контактния ключ в позиция ON и продължава приблизително 2-5 сек при нормални външни температури.
Фаза 3 продължава до достигане на работна температура или след изтичане на зададено време, предварително програмирано в ел. контролер за управление на ДВГ. Моментът на изключване на ел. захранване към подгревните свещи е обвързано и с режимите, при които работи автомобила. От една страна, ниските обороти на ДВГ генерират пониски температури в цилиндрите и разсейването на тази топлина е по-лесно. По-високите обороти компресират свежия въздух по-интензивно и се генерира повече топлина. От друга страна, ниските обороти на ДВГ са обвързани и с по-малко количество инжектирано гориво, а по-високите обороти – с повече. При така поставени основи трябва да се отбележи, че после-подгрева може да приключи:
• при достигане на температури близки до 70°C при работа на празен ход
• при достигане на температури близки до 50°C при стандартно шофиране на автомобила
Резултат от ниска температура на възпламеняване е генерирането на бял или син пушек, излизащ от изпускателната система на автомобила. После-подгревът подпомага по-пълното изгаряне на горивото по време фазата на загряване и намалява плътността на пушека с до 40%.
Трудно е да се говори за „край“ на Фаза 3, тъй като е възможно тя да се включи отново дори след достигане на работна температура от ДВГ. Обикновено това се случва при експлоатация на автомобила в режими на шофиране, при които температурата в цилиндрите спада – както при продължително спускане на планински участък например. Друг случай на повторно активиране на Фаза 3 е при нужда от допълнително подгряване на изгорелите газове, особено ценно при регенерация на DPF филтъра.
Неизправната подгревна система може да породи „чукане“ или твърдата работа на студен ДВГ след пускане в ход. Наляганията и температурите в цилиндрите се покачват рязко, което води до внезапно възпламеняване на горивото и „чукане“ в ДВГ. Подгряването преди пускане в ход на двигателя както и после-подгрева спомагат за плавно покачване на наляганията и температурите в цилиндрите поради по-равномерното и пълно изгаряне на горивото. В резултат ДВГ работи по-тихо и „меко“.
Според изследванията, подгревната система на един автомобил има пряка връзка също и към отделяните емисии. Изправността й гарантира редуциране на изхвърляните сажди с 40% - фиг. 3

Ролята на подгревната свещ при приложения с директно впръскване не се променя спрямо приложенията с индиректно – подпомага възпламеняването на гориво-въздушната смес при студен старт. След пускане в ход на ДВГ, температурата на сгъстения въздух е достатъчна за самовъзпламеняване. Не така стоят нещата по време на стартиране – засмукваният студен въздух генерира по-ниски температури в края на фазата на сгъстяване. Всъщност, при студен старт пониските температури в цилиндрите се дължат основно на по-ниските обороти на въртене на ДВГ. Тогава загубите на температура и налягане са по-големи спрямо работа на празен ход. Независимо от вида впръскване, подгряващите върхове трябва да са ситуирани на границата на вихрушката от гориво-въздушна смес. Също така, подгревните свещи не могат да бъдат издадени прекалено навътре в камерата тъй като ще възпрепятстват подготовката на гориво-въздушната смес, което ще доведе до завишени вредни емисии.

Трябва да се отбележи, че подгревната система на един автомобил е взаимно свързана с други системи (фиг. 4) и затрудненото стартиране не винаги е вследствие от подгревното реле или свещи. Трябва да се провери състоянието на акумулаторната батерия, нейните клеми, а също и стартер. От друга страна, подгревната система е многокомпонентна, което означава, че при неизправност дефекта може да е породен от управление на подгревното реле, самото реле, силова верига към свещите, самите свещи, междинни букси и др.

Видове подгревни свещи

Видове подгревни свещи

Класификацията на подгревните свещи се свежда основно до две групи: щифтови и керамични (фиг. 5). Всяка от групите има своите вариации, но това не променя тяхната същност.
- Щифтови подгряващи свещи: Нагревателната спирала е метална и е разположена под метален щифт (корпус), устойчив на висока температура.
- Керамични подгряващи свещи: Техният нагревателен елемент е покрит с керамичен материал или самият нагревател е изработен от електропроводима керамика.
При щифтовите свещи нагревателната спирала е разположена под метален щифт, устойчив на висока температура. Между спиралата и щифта е разположен изолиращ прах (най-често магнезиев оксид). Така нагревателният елемент не се излага директно на топлината в горивната камера. Отделно, металният щифт осигурява защита от натрупващия се въглерод (саждите са въглеродни съединения). При отсъствие на щифта (както при ранните модели подгревни свещи) би се отлагал въглерод, създавайки предпоставки за късо съединение. И при двете групи свещи има разновидности, различаващи се в конструкция и захранващо напрежение. Не всички екземпляри работят при 12V. Някои се захранват с 4.4V, с 5V или 7V. Освен в захранващото напрежение, другата разлика се изразява в броя нагреватели – с един или с два. В случай на един, той изпълнява функцията на подгрев. В случай на два нагревателя, единия подгрява, а вторият регулира протичащия ток. При повишаване на температурата, съпротивлението на регулиращата спирала се увеличава, редуцирайки консумирания ток. Това представлява своебразна защита от прегряване и регулиране на собствената температура. Всички тези разлики се диктуват от приложенията, за които са произведени свещите. При някои се допуска да се достигне температура на подгревния връх от 800°C за период от 20-25 сек. При други е важно да се постигне 1000°С за 2 сек.

Подгревни свещи с интегриран сензор за налягане в цилиндрите

По-строгите екологични норми в последните години изискват по-прецизно управление на горивния процес с цел редуциране на вредните емисии. Това би било възможно само ако ел. модул за управление на ДВГ разполага в  
Щифтова подгр. свещ (вляво) и Керамична подгр. свещ (вдясно) отделните цилиндри. Тенденцията към Downsizing, обаче не оставя възможност за разполагане на нови компоненти в над-буталното пространство. В тази връзка производителите на подгревни свещи предлагат интегрирано решение – поместени в един корпус подгревна свещ и сензор за налягане в цилиндъра. Датчикът използва пиезо-резистивният принцип на работа и е в състояние да измери налягания до 200 bar. Целта е чрез актуална информация за процесите в цилиндрите да се въздейства върху количеството гориво и момент на впръскване.

Свещите със сензори са от щифтов тип и поради това не фигурират като отделна група подгревни свещи. Ключовото тук е, че металният щифт не е фиксиран, а е подвижен компонент. Той се движи спрямо корпуса на свещта.При такт Сгъстяване, покачващото се налягане избутва щифта нагоре. Той от своя страна притиска и деформира измервателна мембрана. Мембраната е оборудвана с резистори, чиито съпротивление се променя при деформацията. Това изменение се преработва и усилва от платката с електроника като след това се подава в аналогов вид към ел. модул за управление на ДВГ. Термичния товар върху уплътнението между щифт и корпус е сравнително нисък, тъй като нагревателната спирала е значително къса. Това позволява подгрева да е концентриран във върха на свещта, който прониква в горивната камера.

Как се разпознават ниско качествените свещи?

В борбата за повече клиенти, някои производители прибягват до нискобюджетни решения, в следствие на които качеството се занижава. Не всички признаци за нискобюджетно производство могат да бъдат разкодирани при покупката. В тази връзка е много ценно да се направи също обстоен преглед и анализ на вече дефектиралата подгревна свещ с цел избягване повторно закупуване на некачествен продукт. По-долу са изброени точките, чиито качество трябва да е на ниво:
1) Единично уплътнение – не е водонепропускливо
2) , 8) и 9) Запълване с лош изолатор – подуване на щифта, запълнен с нискокачествен магнезиев прах. Качественият изолатор изисква изсушаване и пресоване преди запълване на щифта. Евтините варианти на пазара използват непресован, неизсушен и в някои случаи замърсен магнезиев прах. По време на първите нагрявания, изолаторът на прах значително се разширява и щифтът се подува. При тази ситуация подгревните свещи могат да бъдат сменени само след демонтаж на цилиндровата глава.
3) Изисква се технология с 2 намотки, изпълнено само с 1. Само подгревни свещи с 2 намотки постигат късите времена за нагряване и температурната устойчивост, изисквани от производителите на автомобили. Тъй като няма как да се установи отвън наличието на втората намотка, някои производители не я вграждат. Именно втората намотка е регулираща и липсата на ограничение по ток излага акумулаторната батерия под допълнителен товар. В резултат, превозното средство ще стартира със затруднение или изобщо няма да стартира.
4) Дебелината на стената не е еднаква по цялото протежение – подгревната свещ дефектира.
5) и 13) Намотката е монтирана под ъгъл – опасност от късо съединение. Тестовете за качество сочат, че единствено съвременните производствени машини могат да центрират подгревната намотка и да я кримпват към свързващия пин. Нереномираните производители не кримпват, а само притискат намотката към свързващия пин – това създава опасност от късо съединение.
6) Подгревният щифт не е центриран, следователно отсъства концентричност. Подгревната свещ е под ъгъл спрямо пред камерата – това е предпоставка подгревната свещ да дефектира вследствие на инжектираната струя гориво.
7) Подгревният корпус е с пукнатини с размер на косъм – опасност от дефект. При неправилно заваряване/сдвояване на щифта към свещта се получават микропукнатини с размерите на косъм. Тези нехерметичности са в основата на предстоящ дефект. От една страна, в следствие на налягането е възможно намотката да промени позицията си спрямо корпуса на свещта и да окъси. От друга страна, е възможно да се натрупа въглероден нагар, продукт на горенето, който в крайна сметка да доведе също до окъсяване.
10) Заобленият връх е пробит поради некоректно заваряване/сдвояване – опасност от дефект
11) Подгревният щифт е изкривен вследствие на прекалено тънки стени, натрупва се нагар – опасност от дефект.
12) Подгревна спирала с неправилен дизайн – свръх товар върху акумулаторната батерия поради прекомерна консумация на ток – опасност от нагаряне на контактите на подгревното реле.
14) Конусът на свещта не уплътнява коректно в цилиндровата глава – тук няма пряка опасност за подгревната свещ, но липсата на херметичност на съответния цилиндър ще доведе до некоректна работа на двигателя, натрупване на нагар в междината между свещ и цилиндрова глава, а при нужда от смяна - свещта няма да е в състояние да бъде демонтирана.
15) Повърхност без покритие – опасност от блокиране в отвора в цилиндровата глава
16) Слаб производствен контакт – позицията на контактните уши не кореспондира с изискванията, опасност от прекъсване на протичащият ток на подгрев
17) Дължината на подгревната свещ не отговаря на спецификацията – При по-голяма дължина: свещта дефектира вследствие на инжектираната струя гориво. При по-малка дължина: двигателят има затруднен студен старт.