Świeca zapłonowa – nie tylko zapalnik

Kute tłoki, tytanowe korbowody i zawory, precyzyjnie ustawiony rozrząd DOHC, zaawansowane wtryskiwacze i rozbudowana elektronika sterująca pracą silnika będą całkowicie bezrobotne, jeśli iskra ze świecy zapłonowej nie zapali mieszanki paliwowo-powietrznej. To zaskakujące, jak wielką władzę nad szczytowymi osiągnięciami techniki ma tak tani i prosty element.

Jest to tym bardziej intrygujące, że świeca zapłonowa powstała już 160 lat temu. Co prawda choć wyglądała podobnie do tych współczesnych, to nie do końca jest to taka sama konstrukcja jak dziś. Pierwsze świece były bowiem wykonywane „chałupniczo” przez pionierów motoryzacji i pracowały w oparciu o system niskonapięciowy.

PIERWSZA ŚWIECA ZAPŁONOWA ROBERTA BOSCHA, 1902 ROK.
Może nie wygląda jak współczesna, ale konstrukcyjnie jest bardzo podobna.

Dopiero w kolejnym stuleciu, dokładniej w 1902 roku, Robert Bosch opracował rewolucyjny iskrownik wysokonapięciowy i dopasowaną do niego świecę zapłonową, stosowane do dziś. Oczywiście przez te niemal 120 lat ulepszano je, ale założenia konstrukcyjne są bardzo podobne.

W stalowym korpusie (część wkręcana w głowicę), znajduje się izolator wewnętrzny z twardej porcelany. Ma on za zadanie oddzielić od korpusu stalowy trzpień, na którego końcówkę wystającą poza „obudowę” zakładana jest fajka/fajkocewka. Stalowy trzpień jest pierwszym elementem świecy, który przewodzi prąd do centralnej elektrody. W większości obecnie produkowanych świec, te części nie są jednak połączone bezpośrednio.

JUŻ W LATACH 20. świece nabrały obecnie stosowanego kształtu.
Pojawiło się też rozróżnienie na ciepłe i zimne.

Między nimi znajduje się opornik przeciwzakłóceniowy z masy szklanej. Jak sama nazwa wskazuje, odpowiada on za wyeliminowanie zakłóceń przepływu prądu. Jeśli kojarzycie sytuację, kiedy jeżdżąc komarem czy innym bzykiem po wsi/osiedlu, sąsiedzi wściekali się, że im radio czy telewizor źle odbiera, to właśnie między innymi z powodu braku takiego opornika. Poza tym masa szklana wspomaga odprowadzanie ciepła ze świecy.

Dalej prąd jest przekazywany do elektrody centralnej. To element najczęściej wykonany z miedzi, pokryty platyną (najpopularniejsze, bardzo trwałe i niedrogie rozwiązanie) lub irydem (najlepsza, najtrwalsza i najdroższa opcja). Ostatnim elementem świecy jest elektroda boczna.

RODZAJÓW ŚWIEC JEST WIELE. Są większe i mniejsze, z jedną lub więcej
elektrodami. Obecnie najczęściej spotykane są małe z jedną elektrodą.

To właśnie między nią a elektrodą centralną wytwarza się łuk elektryczny i przeskakuje iskra detonująca mieszankę sprężoną w komorze spalania. Jest to możliwe dzięki prądowi o małym natężeniu, ale dużym napięciu wynoszącym 35 kilowoltów, generowanemu przez cewkę.

Jednak by doszło do przeskoczenia iskry, konieczne jest zachowanie odpowiedniej odległości między elektrodami. Zazwyczaj jest to zakres 0,6-0,9 mm, ale w zależności od modelu świecy, może się różnić.

Jak w piekle

Budowa świecy składająca się ze stalowego korpusu, porcelanowego izolatora, trzpienia, i elektrod jest niezmienna od początku jej istnienia. Przez 120 lat dodano właściwie jeden nowy element – opornik z masy szklanej. Nie znaczy to jednak, że świece się nie zmieniały. Z biegiem lat coraz więcej uwagi poświęcano materiałom i jakości wykonania, by zwiększyć trwałość. Ten detonator pracuje bowiem w ekstremalnie ciężkich warunkach. Sama sprężona mieszanka paliwowo-powietrzna osiąga 400°C i ciśnienie 20 barów, a w chwili detonacji te wartości rosną do ok. 3000°C i 70 barów.

WYTWORZENIE ŁUKU ELEKTRYCZNEGO jest możliwe dzięki prądowi
o niskim natężeniu, za to dużym napięciu 35 kW dostarczanym przez cewkę

Choć utrzymują się tylko przez ułamek sekundy, to po kilkuset czy nawet kilku tysiącach takich cykli, świeca osiąga bardzo wysoką temperaturę. Jest to wskazane, bowiem od 400°C następuje samooczyszczanie się świec z nagaru, ale jest granica, która nie może zostać przekroczona. W temperaturze 900°C mieszanka może zapalić się od samej temperatury świecy, a nie jej iskry, co oznacza przedwczesny zapłon destrukcyjny dla silnika. Za sprawne odprowadzenie ciepła dbają między innymi komora cieplna między elektrodą środkową, a korpusem oraz zewnętrzny porcelanowy izolator.

Spalanie mieszanki nie jest jednak tak szkodliwe dla świecy, jak sam łuk elektryczny. Gdy iskra przeskakuje na elektrodę boczną, w miejscu wyładowania temperatura sięga 10 000°C! Taki atak na elektrodę tworzy mikroskopijne pęknięcia na jej powierzchni, a po dłuższym użytkowaniu także ubytki materiału. Przez to odległość między elektrodami się zwiększa.

Dzięki nowym materiałom i powłokom lepszej jakości (irydowym, platynowym) elektrody wytrzymują obecnie od 30 do 50 milionów wyładowań elektrycznych, co w zależności od silnika przekłada się nawet na kilkadziesiąt tysięcy kilometrów. Może i jest to mało precyzyjne określenie trwałości, ale wpływ na nią ma wiele czynników np.: styl jazdy (zarówno wyciskanie siódmych potów, jak i jazda na zbyt niskich obrotach przyspieszają zużycie), jakość paliwa, czy ustawienie zapłonu.

Kolejnym wyzwaniem dla świecy są ogromne różnice temperatur. Gdy wewnętrzna część pracuje w piekielnych warunkach, zewnętrzna nierzadko jest nastawiona na deszcz czy nawet mróz. Dochodzi zatem do bardzo gwałtownego wychładzania, a to grozi powstaniem mikropęknięć na powierzchni porcelanowej części, powodujących przebicie, czyli „ucieczkę” prądu. W takiej sytuacji iskra nie zostanie wytworzona między elektrodami lub będzie po prostu za słaba by prawidłowo zapalić mieszankę. Na szczęście w obecnie produkowanych, markowych świecach przebicie występuje niezwykle rzadko.

Zimno, ciepło

W połowie lat dwudziestych ub. wieku, wybór świec zapłonowych był coraz większy. Zaczęto bowiem produkować świece o różnej skuteczności odprowadzania ciepła. Te, które robią to sprawniej, nazywa się zimnymi, gorzej – ciepłymi. O tym, czy świeca jest zimniejsza, czy cieplejsza, informuje jej oznaczenie np. BR9ES – im niższa cyfra, tym sprawniejsze odprowadzanie ciepła.

O tym jaka świeca powinna znajdować się w silniku waszego motocykla, dowiecie się z jego instrukcji lub ze strony producentów np. NGK, Bosch lub Denso. Korzystanie ze świec o innych parametrach niż montowane seryjnie to nienajlepszy pomysł. Zbyt zimna nie będzie w stanie osiągnąć optymalnej temperatury pracy, więc pokryje się nagarem uniemożliwiającym odpowiedni przeskok iskry lub w ogóle jej wytworzenie.

Za ciepła natomiast sprawia zagrożenie przedwczesnego zapłonu. Są tylko dwie sytuacje, w których stosowanie świecy o innych parametrach ma sens. Pierwsza to poważne modyfikacje silnika, choć nie zawsze jest to konieczne i powinno być poparte testami i/lub obliczeniami. Druga to sytuacja kryzysowa, w której świeca w twoim motocyklu padła, a nie masz pod ręką zalecanej przez producenta. Jednak wtedy lepiej skorzystać z zimniejszej. Co prawda wytrzyma krótko, ale nie zniszczy silnika i pozwoli na dotarcie do celu.

Świeca nie kłamie

Główną rolą świecy zapłonowej jest oczywiście detonacja ładunku, ale nie jedyną. Sprawdzając jej stan, można uzyskać wiele informacji o kondycji silnika. W prawidłowo działającej jednostce, jej korpus i elektroda powinny być pokryte osadem w kolorze kawy z mlekiem (szarobiały lub szarożółty). Jeśli pokryte są czarną sadzą, to scenariuszy jest kilka: za bogata mieszanka (za dużo paliwa względem powietrza), brudny filtr paliwa lub powietrza. Nadtopione i pokryte nagarem elektrody świadczą o za ubogiej mieszance, rozregulowanym zapłonie lub zużytych czy też źle ustawionych zaworach. Podobną diagnozę można wydać jeśli nadtopiona jest środkowa elektroda.

Świeca, która jest mokra od oleju, powinna natomiast wzbudzić podejrzenie, że pierścienie olejowe lub cylinder są na wykończeniu. Na elektrodzie mogą też pojawić się jasnożółte lub białe osady przypominające kamień, za który winne są kiepskie dodatki do paliwa lub oleju.

W takiej sytuacji nie ma co się obawiać o stan silnika, ale świeca może działać nieprawidłowo, więc warto ją wymienić. Można też pomyśleć nad zalaniem oleju o mniej agresywnych dodatkach.

Bardzo rzadko, ale jednak, zdarza się, że elektroda jest zaokrąglona. Dzieje się tak, gdy regularnie się przegrzewa lub pracuje z paliwem kiepskiej jakości. Świeca jest więc nie tylko elementem od którego zależy czy silnik będzie pracował. Jak się okazuje, to także najprostszy, najtańszy i najbardziej niezawodny przyrząd do diagnostyki silnika!