Świece zapłonowe | Zaiskrzyć musi

Kciuk kierowcy dotyka przycisku startera, rozrusznik obraca wał korbowy. Otwiera się zawór ssący, tłok zaczyna przesuwać się ku dołowi. Powietrze w kanale ssącym przesuwa się w stronę cylindra, tuż przed nim wtryskiwacz podaje dawkę benzyny. Tłok zasysa mieszankę paliwowo-powietrzną, a po osiągnięciu dolnego martwego punktu zaczyna ją sprężać, przesuwając się ku górze. Wałek rozrządu zamknął już zawory, więc miejsca dla mieszanki jest coraz mniej. W końcu pozostaje dla niej tylko komora spalania. Za chwilę tłok osiągnie górny martwy punkt. W tym momencie decydują się losy rozpoczęcia pracy przez silnik. To, co wykonał układ korbowy i układ zasilania, stanie się działaniem zupełnie bezużytecznym, jeśli nie zostanie zainicjowany wybuch mieszanki nad tłokiem, rozpoczynający suw pracy.

Nie pomoże żadna zaawansowana elektronika, najnowocześniejsze, wielootworowe wtryski, dynamiczne doładowanie, pięć zaworów na cylinder, rozrząd DOHC czy superlekkie tłoki. Niezbędna jest maleńka iskra elektryczna wytworzona przez prosty, kilkucentymetrowy element zwany świecą zapłonową. Tylko dzięki niej łuk elektryczny powstający na dystansie zaledwie 0,6-0,9 mm może zapalić mieszankę paliwowo-powietrzną.

Dwa światy

Od ponad stu lat nie wymyślono niczego lepszego do inicjowania procesu zamiany energii chemicznej zawartej w paliwie na energię cieplną, a potem na energię mechaniczną. Od tej małej iskry zależy właściwie wszystko. Jeśli jej zabraknie, silnik po prostu nie ruszy. Za jej powstanie odpowiedzialny jest detal niepozorny z wyglądu i nieszczególnie skomplikowany. A jednak trudno przecenić jego rolę w bezawaryjnej i efektywnej pracy silnika. Świeca zapłonowa, wchodząca w skład układu zapłonowego i będąca jego końcowym, a zarazem wykonawczym elementem, ma wyjątkowo odpowiedzialne zadanie i wyjątkowo trudne warunki pracy. Jedna jej część pozostaje na zewnątrz, znosząc opady, upały, a nierzadko też mrozy, druga zaś spoczywa wewnątrz komory spalania, znosząc wysoką temperaturę i wielkie ciśnienia. Ogromne różnice temperatur i ciśnień między jedną a drugą stroną świecy to tylko jeden z czynników destrukcyjnych, mogący prowadzić do powstawania pęknięć i mikroszczelin, a w efekcie do przebić prądu elektrycznego.

Już to może spowodować problemy z zapłonem, a w efekcie zaburzenia w pracy silnika. A zagrożeń jest przecież znacznie więcej. Świeca zapłonowa musi znieść bardzo trudne warunki, zanim zainicjuje suw pracy. Podczas suwu sprężania temperatura sprężonej mieszanki osiąga 400°C, a ciśnienie 20 bar. Po zapłonie wartości te rosną do 3000 °C i 70 bar. Przed kolejnym suwem pracy świeca musi być znowu gotowa do wytworzenia iskry. Proces powtarza się, przeciętnie 30-50 milionów razy w okresie eksploatacyjnym świecy. Widać wyraźnie, że to jeden z najciężej pracujących elementów silnika. Na szczęście świece są coraz lepiej przygotowane do opierania się czynnikom destrukcyjnym. Kiedyś wytrzymywały ledwie kilka tysięcy kilometrów, dzisiaj nawet kilkadziesiąt tysięcy.

Stal, porcelana, szkło

Świeca zapłonowa to z pozoru dość prosty element silnika. W rzeczywistości sprawa ma się trochę inaczej. Jej komplikacja techniczna i technologiczna nie jest może szczególnie wysoka, ale wymagania co do materiałów i precyzji montażu są kolosalne. W korpusie wykonanym ze stali, obejmującym między innymi gwint do wkręcania w głowicę i sześciokąt pod klucz, montuje się izolator wewnętrzny ze specjalnej, twardej porcelany. W jego wnętrzu, odseparowany od korpusu, biegnie centralnie stalowy trzpień. W górnej części wystaje on poza izolator, tworząc końcówkę do zakładania przewodu wysokiego napięcia. W dolnej części nie łączy się on bezpośrednio z centralną elektrodą, wykonaną ze szlachetnego metalu.

Oba elementy oddziela masa szklana, przewodząca prąd elektryczny. Boczna elektroda mocowana jest do stalowego korpusu. Górna część korpusu pokryta jest dodatkowo porcelanowym izolatorem zewnętrznym. Świeca zapłonowa może być również wyposażona w uszczelkę, chociaż nie jest to regułą.

W odpowiednim momencie między elektrodami przeskakuje iskra elektryczna. Wytworzenie takiego zjawiska jest możliwe, dzięki generowaniu przez cewkę zapłonową prądu elektrycznego o małym natężeniu, ale bardzo dużym napięciu (ok. 35 kilowoltów). Podanie takiego napięcia na elektrodę centralną powoduje powstanie łuku elektrycznego między odizolowanymi od siebie elektrodami. Prąd elektryczny dąży do przedostania się przez małą szczelinę między elektrodami z części centralnej do korpusu (zazwyczaj od 0,6 do 0,9 mm). Jest to bowiem jedyne miejsce, gdzie może to zrobić. W innych częściach świecy zapłonowej centralny czpień i elektroda są zbyt dobrze odizolowane od korpusu.

Termiczna układanka

Odstęp między elektrodami ma istotne znaczenie dla przebiegu zapłonu mieszanki w komorze spalania. Wraz ze zwiększaniem i zmniejszaniem odstępu między elektrodami wydłuża się bądź skraca czas przeskoku iskry elektrycznej. W konsekwencji moment zapłonu może wypaść wcześniej lub później. Przy zbyt dużej odległości między elektrodami łuk elektryczny w ogóle nie zostanie wytworzony. Tylko odpowiedni odstęp między elektrodami, zalecony przez producenta, zapewnia odpowiednie parametry zapłonu. Przy określonym napięciu, generowanym przez układ zapłonowy, określona jest też graniczna odległość między elektrodami, przy której może powstać iskra.

Główny problem związany z elektrodami polega na tym, że nawet bez mechanicznej ingerencji odległość, jaką ma do pokonania iskra, wciąż się zwiększa. Przeskok iskry elektrycznej pociąga za sobą zużycie powierzchni, między którymi powstaje łuk elektryczny. Nie dość, że odbywa się to bardzo często, to jeszcze w momencie wyładowania temperatura sięga 10 000°C. Wskutek ciągłego „bombardowania” powstają najpierw mikroskopijne, a potem nawet widoczne gołym okiem wypalenia materiału. Proces erozji elektrycznej powoduje ubytki na elektrodach.

Ale nie tylko dlatego trzeba sprawdzać ich odstęp. W pewnych warunkach (niedogrzanie) resztki po procesie spalania mogą gromadzić się na elektrodach zmniejszając odległość jaką będzie miał do pokonania łuk elektryczny. W krytycznych sytuacjach może dojść do połączenia elektrod „nagarem”. Właśnie z tego względu ważna jest temperatura, przy jakiej pracują świece zapłonowe. Mają one różną budowę, w zależności od tego, z jakimi warunkami muszą sobie radzić. Świeca może oddawać do otoczenia więcej lub mniej ciepła, a zatem może się słabiej lub mocniej nagrzewać w okolicach elektrod. Jeśli świeca nie będzie odpowiednio rozgrzana, nie nastąpi proces jej samooczyszczania i resztki z procesu spalania osiadać będą na elektrodach. Gdy będzie zbyt gorąca w okolicach elektrod, nastąpi zbyt wczesny samozapłon mieszanki. Benzyna wymieszana z powietrzem wybuchnie od samego zetknięcia się z rozgrzanymi elektrodami. Dolną granicę temperatury pracy świecy, przy której następuje samooczyszczanie elektrod, określa się na 400°C, górną, przy której następuje samozapłon na 900°C.

Na każdą okazję

Koncepcja budowy silnika określa, jakich warunków pracy można spodziewać się w komorze spalania. Wiadomo przecież, że w jednostce napędowej o typowo sportowym charakterze świeca zapłonowa będzie musiała odprowadzić więcej ciepła niż w mniej obciążonym silniku motocykla turystycznego. Innych temperatur można spodziewać się w silniku chłodzonym powietrzem, innych zaś w chłodzonym cieczą. Ważnym wskaźnikiem jest także moc jednostkowa. Stąd oznaczenia „ciepłoty” świec zapłonowych.

Tak zwane świece „zimne”, oznaczane przez producentów małymi wartościami liczbowymi, mogą odprowadzić więcej ciepła i są stosowane w motocyklach sportowych. Obieg ciepła w tych świecach jest krótki. Świece „ciepłe” mają znacznie dłuższy obieg termiczny i odprowadzają do otoczenia mniej ciepła. Dobór świec musi odbywać się zawsze w oparciu o dane producenta i tabele zamienników.

Świece zapłonowe różnią się jednak nie tylko ciepłotą, ale też zasadniczą koncepcją konstrukcyjną. Są świece tradycyjnej wielkości, są też świece znacznie mniejsze od klasycznych. Właśnie w motocyklach, ze względu na małe rozmiary silników, są one często stosowane. Różna może być też budowa systemu elektrodowego. Standardem jest jedna elektroda centralna i jedna elektroda boczna, ale są wersje z dwoma, a nawet czterema elektrodami bocznymi. Elektrod bocznych w klasycznej postaci może nie być w ogóle, wówczas łuk elektryczny tworzy się między elektrodą centralną a pierścieniowym elementem korpusu.

W silnikach o dużych obciążeniach cieplnych stosuje się bardziej wytrzymałe i trwalsze świece z elektrodami pokrytymi szlachetnymi materiałami (np. platyną). Stosując szlachetne metale, można redukować wymiary elektrod, uzyskując lepszy dostęp iskry elektrycznej do mieszanki paliwowo-powietrznej. Najbardziej wyrafinowane konstrukcje oparte są na powstawaniu iskry między czterema elektrodami bocznymi, ustawionymi w różnych odstępach od elektrody centralnej. W zależności od obciążenia silnika łuk elektryczny powstaje na różnych elektrodach, co optymalizuje proces zapłonu.

Rola świec zapłonowych w prawidłowej pracy silnika jest nie do przecenienia. Dlatego nie wolno zaniedbywać tych niepozornych elementów. Trzeba traktować je jak każdy inny podzespół silnika. Przede wszystkim należy kontrolować ich stan oraz sprawdzać odstęp elektrod. Przy zaleconych przez producenta przebiegach świece trzeba koniecznie wymieniać. Przekraczanie dopuszczalnych limitów niczemu nie służy. W świecy zużyciu podlegają nie tylko elektrody, ale także porcelanowy izolator. Pojawiają w nim mikropęknięcia, które z czasem powiększają się i doprowadzają do powstawania przebić elektrycznych. Zawsze wpływają one źle na kondycję silnika. Obniżają dynamikę, zwiększają zużycie paliwa, utrudniają rozruch. Początkowo problemy są niezauważalne, potem narastają. Często wiąże się je z czymś zupełnie innym. Nie dajmy się zwieść. Od świec zapłonowych naprawdę wiele zależy.

Od lontu do platyny

Pierwsze silniki spalinowe pracowały dzięki zastosowaniu lontu. Świeca zapłonowa, w kształcie, który wszyscy kojarzymy, pojawiła się w 1860 r. i pracowała w silniku na gaz świetlny Belga Etienne Lenoira. Silnikowi pionierzy sami konstruowali i budowali świece zapłonowe. Wymagania dla nich nie były wygórowane, ledwie kilkaset obrotów na minutę. Proces zapłonu opierał się na systemie niskonapięciowym. Dopiero w 1902 r. Robert Bosch zrewolucjonizował układy zapłonowe, wprowadzając iskrownik wysokonapięciowy z dostosowaną do niego świecą zapłonową. Rozpoczął się triumfalny pochód nowego rozwiązania przez świat. Choć na przestrzeni ponad stu lat świeca zapłonowa zmieniała swoje oblicze i została bardzo udoskonalona, to jednak jej zasadnicza konstrukcja nie uległa rewolucyjnym zmianom. Sięgano głównie po nowe materiały, by zapewnić jak najlepsze parametry elektryczne i trwałościowe. Izolatory wykonywano początkowo z porcelany i miki, potem zdecydowano się na inne minerały, takie jak łojek i steatyt. W latach trzydziestych ubiegłego wieku na scenie pojawił się piranit. Od połowy lat dwudziestych zaczęto dobierać wartości cieplne świec. W okresie powojennym skupiono się na opracowywaniu coraz bardziej trwałych izolatorów, bardziej odpornych na mikropęknięcia i przebicia elektryczne, eksperymentowano z liczbą i kształtem elektrod. W najnowszych wydaniach świece zapłonowe mają elektrody pokrywane złotem, srebrem lub platyną.

Tekst Dariusz Dobosz | Zdjęcia Archiwum