Устройства воспламенения топливовоздушной смеси тепловых двигателей

УСТРОЙСТВА 
ВОСПЛАМЕНЕНИЯ 
ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ 
ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

С.М. ЗУЕВ 
Д.Р. ЯХУТЛЬ 
Б.А. БАСС 
Р.А. МАЛЕЕВ

Под редакцией С.М. Зуева

Москва
ИНФРА-М
2024

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.1.01(075.8)
ББК 31.36я73
 
З93
А в т о р ы:
Зуев С.М., кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой 
оптико-электронных приборов и систем МИРЭА — Российского технологического 
университета (гл. 1–8 , Специальные термины и определения, 
приложения);
Яхутль Д.Р., кандидат технических наук, доцент, заместитель директора 
Научно-исследовательского и экспериментального института автомобильной 
электроники и электрооборудования (гл. 2–4);
Басс Б.А., кандидат технических наук (гл. 6–7);
Малеев Р.А., кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры 
электрооборудования и промышленной электроники Московского политехнического 
университета (гл. 3–5) 
Р е ц е н з е н т ы:
Фещенко А.И., кандидат технических наук, доцент, доцент, Московского 
автомобильно-дорожного государственного технического университета (
МАДИ);
Лавриков А.А., кандидат технических наук, доцент Московского политехнического 
университета

ISBN 978-5-16-018125-7 (print)
ISBN 978-5-16-111131-4 (online)
© Зуев С.М., Яхутль Д.Р., Басс Б.А., 
Малеев Р.А., 2023

Зуев С.М.
З93 
 
Устройства воспламенения топливовоздушной смеси тепловых двигателей : 
учебное пособие / С.М. Зуев, Д.Р. Яхутль, Б.А. Басс, Р.А. Малеев ; 
под ред. С.М. Зуева. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 182 с. — 
(Высшее образование). — DOI 10.12737/1911604.
ISBN 978-5-16-018125-7 (print)
ISBN 978-5-16-111131-4 (online)
В учебном пособии описаны базовые теоретические основы и практические 
задачи в области исследования устройств воспламенения топливо-
воздушной смеси тепловых двигателей. Представлены данные, касающиеся 
условий работы свеч зажигания, их классификация, устройство 
и основные характеристики. Подробно описаны особенности электрофизических 
процессов в искровых свечах зажигания автомобильных двигателей 
внутреннего сгорания. Рассмотрены методика и алгоритмы численного 
моделирования теплового состояния свечи зажигания. Описаны 
разработка, испытание и контроль качества, производство и эксплуатация 
устройств воспламенения топливовоздушной смеси тепловых двигателей.
Соответствует требованиям федеральных государственных стандартов 
высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов бакалавриата, магистратуры и специали-
тета, обучающихся по направлениям 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 
12.03.01 «Приборостроение», 12.03.05 «Лазерная техника 
и лазерные технологии», 12.05.01 «Электронные и оптико-электронные 
приборы и системы специального назначения».
УДК 621.1.01(075.8)
ББК 31.36я73

Введение

Искровые свечи зажигания являются одним из компонентов 
систем зажигания двигателей внутреннего сгорания с принудительным 
зажиганием (далее — ДВС). Они предназначены для воспламенения 
рабочей смеси в цилиндрах ДВС при помощи искрового 
разряда, создаваемого системой зажигания в конце такта сжатия, 
при строго определенном положении поршня (в поршневых ДВС) 
или ротора (в роторно-поршневых ДВС). Искровой разряд, создаваемый 
системой зажигания, должен обладать энергией, необходимой 
для воспламенения горючей смеси на любом режиме работы 
двигателя во всех условиях эксплуатации. Конструкция свечи зажигания 
во многом определяет место размещения первичного очага 
воспламенения в камере сгорания и его параметры.
От совершенства конструкции и качества изготовления свечи 
зажигания, с одной стороны, существенно зависят пусковые характеристики, 
надежность, мощность, топливная экономичность, 
а также токсичность отработавших газов ДВС. С другой стороны, 
функцио нальные свойства свечей зажигания зависят от их соответствия 
ДВС по основным размерам, конструкции, тепловой характеристике 
и величине искрового зазора. При высоких значениях 
давления и температуры, которые имеют место в процессе работы, 
свечи должны надежно противостоять воздействию химически агрессивных 
продуктов сгорания. Также в данном случае изолятор 
должен выдерживать высокое электрическое напряжение. Решающее 
влияние на надежность и долговечность свечи зажигания 
оказывают техническое состояние ДВС, характер и условия эксплуатации, 
качество топлива и моторного масла [23].
Свечи зажигания различаются по применяемым при их изготовлении 
материалам, конструкции, размерам и тепловым характеристикам (
калильным числам). Они могут быть неэкранированными, 
когда их контактная часть выступает из металлического корпуса, 
и экрани рованными, у которых контактная часть расположена 
внутри металлического экрана.
Искровой разряд у большинства свечей образуется непосредственно 
в искровом зазоре между электродами. При «скользящей 
искре» разряд происходит по поверхности изолятора, установленного 
между электродами. Существуют свечи с комбинированным 
разрядом, в которых одна часть искры образуется между 
электродами, а другая — по поверхности изолятора.

В процессе работы из-за неполноты сгорания в пристеночной 
зоне на рабочих деталях свечи образуется нагар. В связи с возможностью 
шунтирования системы зажигания и отказа в искрообразовании 
свечи должны самоочищаться, автоматически поддерживая 
необходимую рабочую температуру в температурных пределах, 
обеспечивающих удаление нагара и исключающих возможность 
калильного зажигания [40].
Свечи должны обеспечивать свою работоспособность 
в условиях, когда электрические, механические и химические нагрузки 
соперничают между собой по своей интенсивности. За весь 
срок службы они должны выдержать десятки миллионов рабочих 
циклов, а также непрерывный рост удельных мощностей двигателей 
при ужесточении норм токсичности отработавших газов.
В свою очередь, работоспособность свечи зависит от соответствия 
двигателю по конструкции, основным размерам, величине 
искрового зазора и тепловой характеристике.
Одной из основных задач при разработке свечи зажигания является 
обеспечение условий, при которых значения температуры 
центрального электрода и теплового конуса изолятора свечи зажигания 
находятся в пределах примерно от 350–400°C (температура 
самоочищения от нагара) до 850–900°C (температура, при которой 
возникает калильное зажигание) при любом скоростном и нагрузочном 
режимах работы ДВС, в том числе и форсированного 
наддувом. Длительная работа свечи зажигания, имеющей температуру 
ниже той, при которой происходит самоочищение, приводит 
к шунтированию системы зажигания токопроводящим нагаром, отлагающимся 
на поверхности теплового конуса ее изолятора свечи 
зажигания, и, как следствие, нарушению бесперебойности искрообразования [
16]. При превышении температуры свыше уровня, 
достаточного для калильного зажигания, в цилиндре ДВС возникает 
неуправляемое воспламенение горючей смеси перегретыми 
э лементами, каковыми могут являться центральный электрод 
или тепловой конус изолятора, а на очень «холодных» свечах зажигания — 
электрод массы, особенно если он имеет значительные 
размеры.
Решение этой задачи заключается в разработке конструктивных 
и технологических мероприятий, направленных на расширение 
диапазона работоспособности свечи зажигания, т.е. совокупности 
режимов работы ДВС, на которых обеспечено ее функционирование 
в необходимых температурных пределах. Для этого необходимо 
уметь экспериментально определять и (или) рассчитывать 
величину температуры в различных частях свечи зажигания, осо-

бенно в критических зонах (торцовые части теплового конуса изолятора 
и центрального электрода).
Экспериментальное определение температуры в определенных 
точках свечи зажигания требует встраивания миниатюрных термопар, 
что весьма непросто, учитывая условия работы этого изделия. 
Из-за небольших размеров установить в изолятор свечи зажигания 
более одной термопары практически невозможно. Кроме 
того, встраивание термопары приводит к существенному изменению 
конструкции свечи зажигания, что существенно влияет на температурное 
поле и снижает ценность полученных результатов [94].
Для этой цели предпочтительнее использовать методы математического 
моделирования температурного поля свечи зажигания, 
которые позволяют сократить объем экспериментальных исследований, 
а также сократить число вариантов опытных образцов, подлежащих 
моторным стендовым и эксплуатационным испытаниям 
[18, 29].
Работы по проектированию, организации производства, сертификации 
и контролю качества свечей зажигания в бывшем СССР 
осуществляло соответствующее профильное предприятие в г. Энгельсе, 
а после его распада в Российской Федерации осуществляет 
федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский 
и экспериментальный институт автомобильной 
электроники и электрооборудования» (ФГУП НИИАЭ). Основным 
документом при разработке и проведении испытаний является 
разработанный ФГУП «Центральный ордена Трудового Красного 
Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный 
институт “НАМИ”» (ФГУП «НАМИ»), ФГУП «Научно-
исследовательский и экспериментальный институт автомобильной 
электроники и электрооборудования» (ФГУП «НИИАЭ») ГОСТ 
Р 53842—2010 «Двигатели автомобильные. Свечи зажигания искровые. 
Технические требования и методы испытаний» [32]. В нем 
учтены требования стандартов в области искровых свечей зажигания, 
в том числе ГОСТ Р ИСО 2859-1—2007 «Статистические 
методы. Процедуры выборочного контроля по альтернативному 
признаку» [33].
В последние десятилетия существования СССР головным производителем 
искровых свечей зажигания в автомобильной промышленности 
был Энгельсский завод автотракторных запальных 
свечей (ЭЗАЗС), расположенный в г. Энгельсе Саратовской области. 
Он был единственным специализированным на выпуске 
искровых свечей зажигания, работал по полному циклу основного 
производства и производил до 40% свечей зажигания. Кроме того, 

ЭЗАЗС изготавливал до 90% изоляторов свечей зажигания из керамики, 
таких как «Уралит», «Боркорунд», «Хилумин», и поставлял 
их для сборки свечей зажигания на Тюменском (ТАТЭ) и Куйбышевском (
КЗАТЭ) заводах автотракторного электрооборудования, 
не имевших собственного керамического производства.
Выпуск искровых свечей зажигания по полному производственному 
циклу, включая изготовление изоляторов, осуществляло 
и осуществляет также Уфимское агрегатное производственное 
объединение им. 50-летия СССР (УАПО) авиационной 
промышленности.
В связи с перестройкой производство свечей зажигания в конце 
прошлого века прекратили заводы ТАТЭ и КЗАТЭ. В этот же период 
некоторые конверсионные предприятия освоили производство 
комплектующих деталей свечей зажигания, в том числе изоляторов, 
и на основе кооперации с ними, а также на основе поставок 
деталей из-за рубежа сборочные производства были организованы 
ООО НПФ «ГРАН» ЛТД (г. Энгельс Саратовской обл.), ООО 
«ЭЛИС-ЭЗ» (г. Саратов) и некоторыми другими предприятиями. 
Производство металлических деталей и сборку свечей зажигания 
освоило ГУП ПО «Ульяновский машиностроительный завод» 
(ГУП ПО «УМЗ»). Изготовление биметаллических центральных 
электродов было налажено СКБ «РОТОР». Донской завод радиодеталей, 
Новосибирский электровакуумный завод, ОНПП «Технология» (
г. Обнинск) и другие производители керамики освоили 
производство свечных изоляторов [30].

а
б
в
г
д
е
ж

Рис. В.1. Неэкранированная свеча зажигания типа А17ДВ-10 
для автомобилей ВАЗ производства:
а — ОАО ЭЗАЗС; б — УЗЭТИ ФГУП «УАПО»; в — ГУП ПО «УМЗ»; 
г — ООО «ГРАН» ЛТД; д — ОНПП «Технология»; е — ОАО «Европейская 
автомобильная электроника»; ж — ООО «ЭЛИС-ЭЗ»

Фирма Brisk (Чехия) организовала сборочное производство 
в г. Озерске (Калининградская область), а ОАО «Европейская 
автомобильная электроника» — производство свечей по технологии 
фирмы Eyquem (Франция) в г. Ярославле. По состоянию 
на 2022 г. достаточно массовое производство искровых свечей 
зажигания осуществляют ЭЗАЗС, преобразованный вначале 
в ОАО с иностранными инвестициями «Завод автотракторных 
запальных свечей» (ОАО «ЗАЗС»), а затем в ОАО «Роберт Бош 
Саратов», и УАПО им. 50-летия СССР, преобразованное в ФГУП 
«УАПО».

а
б
в
г

Рис. В.2. Экранированные влагозащищенные свечи зажигания, 
производившиеся в СССР для нужд Вооруженных Сил:
а — неэкранированная свеча А17ДВ-10 (приводится для сравнения); 
б — экранированная влагозащищенная свеча зажигания СН307; 
в — свеча зажигания СН302Б; г — свеча зажигания СН302А

В составе объединения ФГУП «УАПО» свечи зажигания, в том 
числе для автомобильных ДВС, производит Уфимский завод электротехнических 
изделий (УЗЭТИ ФГУП «УАПО»). Образцы 
их продукции представлены на рис. В.1 и В.2.
В результате освоения материалов учебного пособия обучающиеся 
будут:

знать
 
• методики и способы оперативного изменения схем, режимов работы 
электропередач, сетей и систем;
 
• методы выбора средств измерений параметров устройств тепло- 
и электроэнергетики;
уметь
 
• разрабатывать методики и способы оперативного изменения 
схем, режимов работы электропередач, сетей и систем;
 
• проводить измерение параметров комплексов тепло- и электроэнергетики;
 
• 
применять методы испытаний и организовывать опытную проверку 
систем автоматики приборов тепло- и электроэнергетики;
владеть
 
• методами и приемами работы с компьютером как средством 
управления информацией;
 
• способами проектирования, испытаний и диагностики;
 
• методами планирования испытаний, используя основные варианты 
диагностики систем комплексов тепло- и электроэнергетики.

Учебное пособие предназначено для студентов бакалавриата, магистратуры, 
специалитета и аспирантов, обучающихся по направлениям 
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 12.03.01 
«Приборостроение», 12.03.05 «Лазерная техника и лазерные технологии», 
12.05.01 «Электронные и оптико-электронные приборы 
и системы специального назначения».

Глава 1. 

УСЛОВИЯ РАБОТЫ СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ

1.1. ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СВЕЧУ ЗАЖИГАНИЯ

Главной задачей всей конструкции свечи (рис. 1.1) является создание 
зазора, через который периодически пропускается мощный 
электрический заряд под напряжением 20–30 кВ, создающий 
плазменный жгут, который поджигает рабочую смесь. Самые небольшие 
отклонения параметров приводят к неустойчивой работе, 
особенно заметной на холостых оборотах, а иногда и к полной остановке 
или невозможности завести двигатель [31]. Основной причиной 
таких отклонений является накопление продуктов сгорания 
бензина, забивающее искрообразующий зазор.

1

2

3

4

5

6

7

8
9
10
11
12
d

h

l

L

S

Рис. 1.1. Схематический чертеж свечи зажигания:
1 — контактная гайка; 2 — оребрение изолятора; 3 — контактная головка; 
4 — изолятор; 5 — корпус; 6 — токопроводящий стеклогерметик; 
7 — уплотнительное кольцо; 8 — теплоотводящая шайба; 9 — центральный 
электрод; 10 — тепловой конус изолятора; 11 — рабочая камера свечи; 
12 — электрод массы (боковой); h — искровой зазор; L — длина ввертываемой 
части; l — длина резьбовой части; d — наружный диаметр резьбы; 
S — размер под ключ

При работе на ДВС свеча зажигания подвергается воздействию 
химически агрессивных веществ в условиях давлений и температур, 
возникающих в камере сгорания. При этом изолятор свечи должен 
выдерживать высоковольтное напряжение, создаваемое системой 
зажигания. Электрические, тепловые, механические, химические 
нагрузки на свечи зажигания в процессе работы ДВС носят переменный 
характер и воздействуют с частотой, пропорцио нальной 
частоте вращения коленчатого вала. Эти воздействия повторяются 
за весь срок службы свечи зажигания миллионы и десятки миллионов 
раз.
Современные автомобильные ДВС в большинстве случаев работают 
по четырехтактному рабочему циклу, и только малолитражные 
двигатели различного назначения — по двухтактному циклу. 
В связи с этим нагрузка на свечу при работе на двухтактном ДВС 
практически вдвое больше, чем на четырехтактном. Учитывая, что 
двухтактные ДВС чаще всего имеют воздушное охлаждение, менее 
эффективное, чем жидкостное, срок службы свечей зажигания оказывается 
еще меньше. Если на современных четырехтактных автомобильных 
ДВС с рабочим объемом более 1,5 л ресурс свечей 
зажигания находится в пределах примерно от 40 до 80 тыс. км пробега 
автомобиля, то на двухтактных мотоциклетных двигателях эта 
величина не превышает 15 тыс. км.
Тепловые нагрузки. Свечу зажигания размещают в головке 
блока цилиндров таким образом, чтобы ее рабочая часть находилась 
в камере сгорания, а контактная — в подкапотном пространстве 
транспортного средства. При работе двигателя температура 
газов в камере сгорания изменяется от достаточно низкого 
значения на впуске до примерно двух тысяч градусов при сгорании. 
Температура воздушной среды в подкапотном пространстве транспортного 
средства в определенных климатических условиях может 
достигать величины 150°C и даже выше. Ввиду неравномерности 
нагрева температура в разных частях свечи зажигания может отличаться 
на величину порядка сотен градусов, что приводит к тепловым 
напряжениям и деформациям [14].
Данный процесс усиливается в связи с тем, что изолятор и металлические 
детали значительно отличаются по величине коэффициента 
термического расширения. Кроме этого, свечи зажигания 
могут подвергаться термическим ударам, так как при движении 
автомобиля или мотоцикла, а тем более при мойке, не исключена 
возможность попадания воды на ее наиболее уязвимую часть — 
керамический изолятор. Общепринятая схема тепловых потоков 
в свече зажигания приведена на рис. 1.2.