ТЕСТЕР СВЕЧЕЙ ЗАЖИГАНИЯ
SPARK PLUG TESTER

Тестер свечей зажигания (ТСЗ) автомобильного бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) согласно действующей рубрики Международной патентной классификации МПК-2016.01 относится к классу F02P 17/04 - динамическая проверка систем электроискрового зажигания (СЭЗ) в ДВС с индуктивными накопителями энергии, работающих без самовоспламенения от сжатия.
Область техники, к которой относится изобретение
ТСЗ относится к области техники проверок СЭЗ автомобильных бензиновых ДВС, наиболее распространенных в настоящее время. Поскольку свечи зажигания играют важнейшую роль в процессе инициирования воспламенения топливовоздушной смеси (ТВС) в цилиндрах, они должны в течение всего срока службы соответствовать жестким и противоречивым требованиям: иметь высокий ионный ток и КПД; обеспечивать устойчивое искрообразование на всех режимах работы ДВС при давлении газа в цилиндре 8÷15 бар на такте сжатия; выдерживать не приводящие к пробою изолятора напряжения свыше 30 кВ в диапазоне температур до +1000°С в условиях быстро чередующихся термических нагрузок; выдерживать пики давления в камере сгорания до 100 бар, не утрачивая газонепроницаемости; сохранять целостность корпуса и изолятора при установке и затяжке; выдерживать химические нагрузки и агрессивные осадки от воздействия химических процессов при сгорании компонентов топлива и масла; иметь минимальную искровую эрозию и коррозию электродов; самоочищаться (BOSCH. Системы управления бензиновыми двигателями, пер. с нем., первое русское изд. - М.; ООО Книжное изд-во «За рулем», 2005, с. 209-237).
Высокое давление газов в цилиндре, а также эрозия и коррозия электродов при эксплуатации свечи зажигания в агрессивной среде и условиях высоких температур, вызывают потребность в росте напряжении пробоя искрового промежутка. Если эта потребность не покрывается напряжением катушки зажигания, возникают перебои в искрообразовании. На качестве функционирования свечи зажигания также сказывается износ двигателя, загрязнение и изменение свойств самой свечи. Износ ДВС приводит к росту зазоров в сопряжениях и нарушению герметичности, которое влечет за собой проникновение масла в камеру сгорания, что вызывает увеличение отложений сажи и масляного нагара на электродах и изоляторе свечи, которые шунтируют цепь ионного тока и приводит к перебоям в искрообразовании. Антидетонационные присадки в бензине образуют горячие шунты. Перебои в искрообразовании вызывают перебои в воспламенении ТВС и, как следствие, нарушающий экологию рост эмиссии отработавших газов, перегрев и повреждение каталитического нейтрализатора, опасность пожара. Высокий расход масла, износ, повреждение, загрязнение и несоответствие калильного числа свечей зажигания приводят к ненормальным режимам работы ДВС - калильному зажиганию и детонационному сгоранию, приводящим к повреждению двигателя и свечей зажигания (там же, с. 225-226), что, кроме того, усугубляется наличием на рынке контрафактных свечей зажигания, имеющих низкие характеристики.
Все вышеперечисленные факторы напрямую негативно влияют на функционирование ДВС и экологию, поэтому свечи зажигания следует постоянно проверять, правильно подбирать, очищать, корректировать размер искрового промежутка, своевременно заменять, в силу чего вопросы совершенствования средств и способов диагностики свечей зажигания являются весьма актуальными.
Уровень техники
Аналоги ТСЗ широко применяются в диагностической практике. Такие как тестер для проверки свечи зажигания Oregon 42-087 (http://www.onno.ru/simferopol/witem/156330/?ymclid=031125592148318798600001), тестер искрового зазора свечей зажигания, AR030015 Jonnesway (https://feodosiya.tiu.ru/p254815297-tester-iskrovogo-zazora;all.html) и им подобные предназначены для проверки свечей без давления, а потому результаты осуществленной с их помощью диагностики нельзя считать достоверными. Остальные аналоги ТСЗ обеспечивает проверку свечей зажигания в таком диапазоне давлений: 4÷6 бар - Э-203 (https://tiu.ru/p220266744-pribor-dlya-proverki;all.html); до 10 бар - SL-100 (https://tiu.ru/p220266745-100-pribor-dlya;all.html); 7÷10 бар - SPCT-100 (https://aircraftspruce.su/catalog/view/cozy/tools/saws/spark-plug-cleaner-tester-br-dual-voltage) и мн. др.
Прототипом ТСЗ является стенд для диагностики свечей зажигания SMC-100 (https://tiu.ru/p95416805-smc-100-pribor;all.html), который развивает давление до 12 бар.
Однако, практика диагностировании и ремонта ДВС показывает, что давление 4÷12 бар для проверки свечей зажигания нельзя считать достаточным. Значение компрессии цилиндров нормально функционирующего инжекторного ДВС, как правило, составляет 12÷13 бар, значение максимального давления ТВС в цилиндрах при подключенных форсунках и прокручивании коленчатого вала (KB) стартером и в режиме частичной нагрузки 13÷14 бар, а в отдельных случаях и больше. В момент резкого нажатия на педаль акселератора ДВС переходит в режим полной нагрузки, который характеризуется тем, что вследствие увеличения дозы топлива ТВС обогащается, ее плотность увеличивается, а момент зажигания переходит в положение, близкое к 0° угла поворота KB (верхняя мертвая точка поршня), где происходит максимальное сжатие газа. Эти факторывызывают рост давления в цилиндре в момент, когда необходим искровой разряд, но если свеча зажигания неспособна к искрообразованию при таком давлении, то в цилиндре не происходит воспламенение ТВС. Следовательно, свечи зажигания должны подвергаться диагностике при давлении, значение которого не меньше того, которое имеет место в цилиндре в момент зажигания - это, как правило, 15 бар, а в отдельных ДВС, имеющих более высокую компрессию и давление ТВС в цилиндрах, и выше - 16÷17 бар.
Применение в аналогах и прототипе ТСЗ давлений 4÷12 бар определяется возможностями их воздушных компрессоров и насосов для создания давления, однако, это резко снижает достоверность диагностики. В отличие от прототипа, в ТСЗ свечи зажигания подвергаются давлениям, близким к тем, которые создаются в цилиндрах ДВС, что обеспечивает достоверность диагностики. ТСЗ неизвестен из уровня техники, он для специалиста не следует из уровня техники явным образом, и может быть применен в отрасли автомобильного сервиса. В силу этого ТСЗ является новым, промышленно применимым изобретением.
Раскрытие изобретения
В состав ТСЗ входит электрический воздушный компрессор (ЭВК) 1 (фиг. 1), развивающий давление до 17 бар в свечном боксе 2, за счет чего ТСЗ обеспечивает диагностику газонепроницаемости и искрообразования свечей зажигания 3 с высокой степенью достоверности. Кроме того, в составе ТСЗ имеются: высоковольтный импульсный генератор (ВИГ) 4, манометр 5 и источник питания 6 с выключателем ВИГ 7 и выключателем ЭВК 8.
ВИГ 4 включает в себя задающий генератор прямоугольных импульсов, ключевой каскад мощности и катушку зажигания, со вторичной обмотки которой импульсы высокого напряжения поступают по высоковольтному кабелю 9 на контактную головку 10 токопроводящего стержня одной из диагностируемых свечей зажигания 3.
Свечной бокс 2 имеет одно (фронтальное) или два (фронтальное и тыльное) смотровых окна 11, герметично закрытых фланцами 12. Сверху свечной бокс имеет три свечных отверстия: одно М18×1,5 и два М14×1,25. Для установки свечей зажигания, имеющих других параметры резьбы, предусмотрены адаптеры M18×1,5-М12×1,25 и M18×1,5-M10×1. Сбоку в свечной бокс 2 установлен штуцер 13 для нагнетания воздуха под давлением от ЭВК 1 по шлангу высокого давления 14.
В качестве ЭВК 1 применен автомобильный компрессор для накачки шин (https://hz.rn.aliexpress.com/wto=у&SearchTex1=автомобильный+компрессор+для+накачки+шин; http://kompressory.vseinstmmenti.ru/avtomobilnye/info/avtomobilnyj-kompressor-inforce-04-06-07/ и мн. др.)(фиг. 2), приводной электрический двигатель 15 которого развивает мощность свыше 200 Вт, что достаточно для создания требуемого давления 17 бар и более. Однако, в таких компрессорах применяется, как правило, пластиковое зубчатое колесо 16 привода кривошипно-шатунного механизма (КШМ) 17 (фиг. 3), зубья которого при создании давления 5÷10 бар срезает стальная ведущая шестерня 18 (фиг. 2), после чего зубчатое колесо 16 становится непригодным к дальнейшему использованию. Для преодоления этого недостатка привод КШМ компрессора усилен, а именно: пластиковое зубчатое колесо 16 (фиг. 3) заменено на металлическое (стальное или бронзовое) зубчатое колесо 19, имеющее аналогичные параметры - делительную и другие окружности, окружной шаг, модуль, размеры зуба и др. В этом случае автомобильный компрессор способен развить требуемое давление 17 бар и выполнить в составе ТСЗ функцию ЭВК.
Источник питания 6 (фиг. 1) обеспечивает ЭВК 1 и ВИГ 4 напряжением +12÷15 В при токе нагрузки до 20 А. В качестве источника питания 6 может служить автомобильная аккумуляторная батарея.
Способ диагностики свечей зажигания посредством ТСЗ заключается в том, что свечи подвергают давлению, равному компрессии или давлению ТВС в цилиндрах ДВС, и подают на них такие же импульсы высокого напряжения, как и в ДВС.
Свечи зажигания 3 устанавливают в свечной бокс 2 и затягивают с моментом затяжки, указанным в нормативно-технической документации (НТД) на данную свечу зажигания (как правило, около 2 кгс⋅м). Высоковольтный вывод ВИГ 4 соединяют высоковольтным кабелем 9 с контактным наконечником 10 свечи зажигания 3. Выключателями 7 и 8 последовательно включают ВИГ 4 и ЭВК 1 соответственно, в смотровое окно 11 наблюдают наличие и качество искрового разряда в искровом промежутке 20 свечи зажигания и по манометру 5 контролируют величину давления воздуха в свечном боксе. Искровой разряд качествен, если он яркий и имеет цвет от голубого до белого.
Если давление воздуха самопроизвольно стравливается, свеча зажигания является газопроницаемой, и ее признают неработоспособной.
Газонепроницаемую свечу оценивают по величине давления, при котором искровой разряд в искровом промежутке 20 является устойчивым. В момент исчезновения хотя бы одного искрового разряда в искровом промежутке 20 свечи зажигания 3, перехода искрового разряда на шунтирующую поверхность по внешней или внутренней части изолятора свечи зажигания фиксируют по манометру 5 давление воздуха в свечном боксе 3. Значение давления исчезновения хотя бы одного искрового разряда в искровом промежутке 20 является критерием технического состояния свечи зажигания 3, по которому осуществляют постановку технического диагноза. Если давление исчезновения искрового разряда ниже или равно компрессии цилиндра или максимального давления ТВС в цилиндре, ставят технический диагноз - свеча зажигания дефектна. Если давление исчезновения искрового разряда выше компрессии цилиндра или максимального давления ТВС в цилиндре, ставят технический диагноз - свеча зажигания работоспособна. Если компрессия цилиндров или максимальное давление ТВС в цилиндрах не измерялись, а давление исчезновения искрового разряда ниже 15 бар, ставят технический диагноз -свеча зажигания дефектна; если давление исчезновения искрового разряда равно или выше 15 бар, ставят технический диагноз - свеча зажигания работоспособна. Если значения компрессии цилиндров ДВС или максимального давления ТВС в цилиндрах ДВС различны, и значения давлений искровых разрядов разных свечей зажигания различны, осуществляют расстановку свечей зажигания по цилиндрам с таким расчетом, чтобы в соответствующих цилиндрах давления исчезновения искрового разряда были выше компрессии или максимального давления ТВС. Для увеличения давления исчезновения искрового разряда и приведения тем самым свечи зажигания в соответствие со значением компрессии или максимального давления ТВС путем подгибания бокового электрода 21 свечи зажигания 3 уменьшают размер искрового промежутка 20 до минимального значения, предусмотренного НТД на данную свечу зажигания и данный ДВС, и повторяют процедуру диагностики свечи зажигания.
По окончании диагностики первой свечи зажигания выключают выключатель ВИГ 7, высоковольтный кабель 9 соединяют с контактным наконечником 10 другой свечи зажигания, включают выключатель ВИГ 7 и осуществляют вышеописанную процедуру диагностики, после чего аналогичным образом переходят к диагностике третьей свечи зажигания.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. ТСЗ. Схема функциональная: 1 - ЭВК; 2 - свечной бокс; 3 - свеча зажигания; 4 - ВИГ; 5 - манометр; 6 - источник питания; 7 - выключатель ВИГ; 8 - выключатель ЭВК; 9 - высоковольтный кабель; 10 - контактный наконечник; 11 - смотровое окно; 12 -фланец; 13 - штуцер; 14 - воздушный шланг высокого давления; 20 - искровой промежуток; 21 - боковой электрод.
Фиг. 2. Автомобильный компрессор для накачки шин со снятым корпусом: 5 -манометр; 14 - воздушный шланг высокого давления; 15 - приводной электрический двигатель; 16 - пластиковое зубчатое колесо; 17 - КШМ; 18 - ведущая шестерня.
Фиг. 3. Зубчатые колеса привода КШМ автомобильного компрессора: 14 - воздушный шланг высокого давления; 16 - пластиковое зубчатое колесо; 17 - КШМ; 19 -металлическое зубчатое колесо.
Фиг. 4. ВВТ: 2 - свечной бокс; 3 - диагностируемая свеча зажигания; 7 - выключатель ВИГ; 8 - выключатель ЭВК; 9 - высоковольтный кабель; 10 - контактный наконечник; 11 - смотровое окно; 12 - фланец; 13 - штуцер; 14 - воздушный шланг высокого давления; 22 - ВВТ; 23 - адаптер M18×l,5-M12×l,25; 24 - заглушка М12×1,25; 25 - искровой разрядник; 26 - штурвал искрового разрядника.
Фиг. 5. ЭВК: 1 - ЭВК; 14 - воздушный шланг высокого давления; 15 - приводной электрический двигатель; 19 - металлическое зубчатое колесо; 27 - хомут; 28 - шланг манометра.
Фиг. 6. Практическая диагностика при давлении 16,5 бар: 2 - свечной бокс; 3 -диагностируемая свеча зажигания; 5 - манометр; 29 - искровой разряд в искровом промежутке свечи зажигания.
Фиг. 7. Практическая диагностика при давлении 16,5 бар: 2 - свечной бокс; 3 -диагностируемая свеча зажигания; 5 - манометр; 30 - искровой разряд по поверхности изолятора свечи зажигания.
Фиг. 8. Практическая диагностика при давлении 16,5 бар: 2 - свечной бокс; 3 -диагностируемая свеча зажигания; 5 - манометр; 30 - искровой разряд по поверхности изолятора свечи зажигания.
Осуществление изобретения
Практическая конструкция ТСЗ реализована в высоковольтном тестере (ВВТ) 22 (фиг. 4) и является его составной частью.
Свечной бокс 2 расположен на верхней стенке корпуса ВВТ 22. Он выполнен из стали, его фронтальное и тыльное смотровые окна 11 - из оргстекла толщиной 6 мм, закрепленного стальными фланцами 12. Сверху свечной бокс имеет три свечных отверстия: одно с резьбой М18×1,5 и два с резьбой М14×1,25. Для установки свечей зажигания, имеющих других параметры резьбы, предусмотрены адаптеры M18×1,5-М12×1,25 и M18×1,5-М10×1. На фиг. 4 диагностируемые свечи зажигания 3 имеют резьбу M14×1,25 и установлены в соответствующие свечные отверстия, а в свечное отверстие M18×1,5 установлен адаптер M18×1,5-М12×1,25 23 и для его герметизации в него ввинчена заглушка М12×1,25 24. В правой боковой стенке свечного бокса 2 установлен штуцер 13 для нагнетания воздуха под давлением от ЭВК по воздушному шлангу высокого давления 14.
Манометр 5 имеет максимальный предел измерения давления 17 бар. Он расположен на верхней стенке корпуса ВВТ 22 сзади свечей зажигания 3 в створе с ними. Такое расположение вызвано необходимостью одновременного наблюдения и одновременной визуальной фиксации диагностом давления и искрового разряда свечи зажигания.
Выключатель ЭВК 8 расположен на правой боковой стенке ВВТ 22, выключатель ВИГ 7 - на лицевой панели ВВТ 22.
ВВТ оборудован регулируемым искровым разрядником 25, искровой промежуток которого регулируется вращением штурвала разрядника 26. При диагностировании свечей зажигания 3 искровой разрядник не используется, для чего во избежание шунтирования искрового разряда свечи зажигания искровой промежуток разрядника 25 устанавливают в максимальное положение.
Оснащенный металлическим зубчатым колесом 19 (фиг. 5) ЭВК 1 расположен внутри задней части корпуса ВВТ, к которому жестко закреплен хомутом 27. Сжатый ЭВК 1 воздух по шлангу высокого давления 14 и по шлангу манометра 28 поступает в свечной бокс 2 (фиг. 4) и манометр 5 соответственно.
Пример практического использования ТСЗ при диагностировании свечей зажигания ДВС, в котором давление ТВС в цилиндрах достигает 16,5 бар, показан на фиг. 6-8. При достижении в свечном боксе 2 (фиг. 6) давления 16,5 бар, контролируемое по манометру 5, искровой разряд 29 первоначально возникает в искровом промежутке диагностируемой свечи зажигания 3. Это дает возможность вначале предположить, что свеча зажигания 3 работоспособна. Однако в следующее мгновение искровой разряд исчезает из искрового промежутка свечи зажигания 3 (фиг. 7), но возникает искровой разряд 30 по поверхности внешней части изолятора свечи зажигания, что свидетельствует о наличии дефекта. В дальнейшем искровой разряд 30 (фиг. 8) перемещается по поверхности внешней части изолятора свечи зажигания. Технический диагноз: поскольку в ходе диагностирования давление в свечном боксе не стравливается, установленные свечи зажигания газонепроницаемы, однако свеча зажигания 3 неработоспособна из-за дефекта поверхности внешней части изолятора свечи зажигания, вследствие чего происходят пропуски зажигания и пропуски воспламенения ТВС в том цилиндре ДВС, где установлена свеча зажигания 3.
Полученные данные в ходе многолетнего практического применения ТСЗ подтвердили соответствие технического результата заявленному назначению изобретения: ТСЗ обеспечивает высокую достоверность и эффективность диагностики свечей зажигания.