Świece zapłonowe - budowa i zasada działania

Świece zapłonowe ewoluują wraz z silnikami. By sprostać coraz wyższym normom emisji spalin silniki nierzadko pracują na granicy i ważnym elementem całej układanki jest spalanie mieszanki, za co odpowiada właśnie świeca zapłonowa. Dlatego też świece zapłonowe muszą być coraz bardziej odporne na trudne warunki pracy, wysokie temperatury i ciśnienia, a przy tym zawsze wydajne. Zawsze, nie tylko przy wysokich obrotach i w wysokich temperaturach, ale też przy minimalnym obciążeniu silnika pracującego „na zimno”. Muszą niezawodnie umożliwiać rozruch silnika za każdym razem gdy działa układ start-stop. Normy emisji spalin i niezwykle czułe układy ich oczyszczania wymagają wysokiej niezawodności układu zapłonowego. Wbrew pozorom, świeca zapłonowa pozostała do dziś bardzo prostym urządzeniem, które budową i zasadą działania praktycznie nie różni się od produktów sprzed kilkudziesięciu lat.

1. Nakrętka kontaktowa ułatwia mocowanie przewodu wysokiego napięcia i przekazywanie energii elektrycznej do kołka kontaktowego.

2. Izolator ceramiczny zapewnia wysoką wytrzymałość dielektryczną, odporność na zmiany temperatury oraz dużą wytrzymałość mechaniczną. Jego kształt z kilkoma kryzami na powierzchni jest przeszkodą dla prądów pełzających.

3. Kołek kontaktowy przekazuje wysokie napięcie w obszar szklanohermetyku.

4. Korpus świecy umożliwia montaż świecy w gnieździe głowicy zapewniając dobre odprowadzanie ciepła.

5. Szklanohermetyk zapewnia wysoką szczelność połączenia kołka kontaktowego elektrody środkowej i izolatora oraz bardzo dobre odprowadzenie ciepła przy zachowaniu dobrej przewodności elektrycznej.

6. Uszczelka zewnętrzna występuje w świecach z uszczelnieniem zewnętrznym płaskim i pozwala doszczelnić połączenie: świeca - głowica silnika.

7. Uszczelka wewnętrzna w postaci metalowego pierścienia zapewnia szczelność pomiędzy izolatorem oraz korpusem i odprowadza ciepło.

8. Elektroda środkowa posiadająca rdzeń miedziany, pozawala na szybkie odprowadzenie ciepła nie dopuszczając do powstania samozapłonów.

9. Elektroda boczna z widocznym rowkiem w kształcie litery "U" wykonana jest ze specjalnego stopu Ni-Cr, odpornego na obciążenia cieplne i zużycie elektroerozyjne.

Biała, porcelanowa obudowa izolacyjna (2), wewnątrz której znajduje się rdzeń świecy, tkwi w kadłubie/korpusie świecy (4). Kadłub o kształcie walca ma dolną część z gwintem, wkręconym w głowicę silnika. Kadłub jest tzw. masą i integralną częścią elektrody masowej, natomiast rdzeń tkwiący w obudowie umieszczony jest w wydrążeniu kadłuba, które tworzy komorę cieplną. Rdzeń dostaje prąd na końcówkę (1), na którą nakłada się przewód zapłonowy i przekazuje go dalej na elektrodę środkową. Wyładowanie prądu, tzw. iskra występuje między elektrodą środkową i masową (9). Jeśli dzieje się to inaczej, świeca jest wadliwa. Elektroda masowa może mieć postać kilku elektrod co poprawia niezawodność wyładowania.

Ważnymi parametrami świec zapłonowych są temperatura samooczyszczania i temperatura żarzenia. Temperatura samooczyszczania to minimalna temperatura, przy której świeca ma zdolność do oczyszczania się z zanieczyszczeń wynikających z procesu spalania (m. in. sadza, olej). Samooczyszczanie zapobiega mostkowaniu się elektrod. Po osiągnięciu temperatury samooczyszczania następuje wypalenie się zanieczyszczeń osiadających na powierzchni świecy. Temperatura żarzenia to z kolei górna granica pracy świecy. Jest ona również ograniczona ponieważ samoistne żarzenie się elektrody środkowej powoduje nieprzewidziane w cyklu pracy zapłony mieszanki. Świeca zapłonowa pracuje najbardziej efektywnie w zakresie tych temperatur, czyli od ok. 450 do ok. 850 stopni Celsjusza.

Wartości temperatur wewnątrz komory spalania różnią się między poszczególnymi silnikami więc dobór świecy zapłonowej jest sprawą indywidualną do każdego silnika. By ułatwić to zadanie wprowadzono ogólny parametr wartości cieplnej świecy, a same świece podzielono ogólnie na zimne i gorące. Zimne mają niską skłonność do gromadzenia ciepła i szybko je odprowadzają dzięki krótkiej stopie izolatora tkwiącej wewnątrz komory cieplnej o małej pojemności. Natomiast świece gorące mają długą stopę izolatora i większą komorę cieplną, przez co długo odprowadzają ciepło.

Jak już wspomniałem wraz z rozwojem silników stawiano coraz wyższe wymagania świecom zapłonowym. W ich konstrukcji nie można było wiele zmienić, ale materiały już tak. Pojawiło się srebro, iryd i platyna. Świece platynowo-irydowe mają rdzeń i elektrody wykonane z metalu szlachetnego, elektroda środkowa jest znacznie cieńsza, a masowa zaostrzona. Podwójne świece platynowe mają z kolei elementy platynowe napawane laserowo (elektroda środkowa) lub wtopione (elektroda masowa). Ich zalety to szybko osiągana temperatura samooczyszczania i wysoka niezawodność podczas pracy na zimno (np. rozruch). Fabrycznie ustawiony odstęp między elektrodami jest dobierany bardzo precyzyjnie. Tego typu świece zaleca się m. in. do silników zasilanych paliwami gazowymi.

Konstrukcja świec zapłonowych zmieniła się nieznacznie. Poza kształtem i wielkością, które dopasowano do komór spalania i uwarstwienia mieszanki paliwowo-powietrznej, zwłaszcza w silnikach z wtryskiem bezpośrednim, zastosowano trzy lub cztery elektrody masowe. Praca takich świec oparta jest na zasadzie iskry powietrzno-ślizgowej, która wybiera zawsze najkrótszą, a raczej najłatwiejszą drogę między elektrodami. W pewnych sytuacjach przeskakuje między elektrodami w tradycyjny sposób, w innych ślizga się po stopie izolatora by dotrzeć do elektrody masowej. Taka świeca ma w zasadzie same zalety. Doskonale pracuje w szerokim zakresie temperatur, ma dobre zdolności samooczyszczania i zapewnia niezawodny zapłon. Świetnie sprawdza się w komorach spalania, w których dochodzi do silnych zawirowań mieszanki. W ich wyniku może dojść do „zdmuchnięcia” iskry, ale przy czterech elektrodach masowych ten problem został całkowicie wyeliminowany.

Inną innowacją w konstrukcji świecy zapłonowej jest całkowite wyeliminowanie klasycznej elektrody bocznej, która zdaniem inżynierów firmy Brisk powoduje powstawanie cienia dla zapłonu mieszanki. Po zmodyfikowaniu kształtu kadłuba świecy powstały swoiste elektrody pierścieniowe. Różnica polega na tym, że elektroda środkowa jest najbardziej wysuniętym w głąb komory spalania elementem świecy, a po powierzchni końcówki stopy izolatora poruszają się cztery długie iskry ślizgowe co ma zapewnić jeszcze lepszą iskrę od tradycyjnych świec zapłonowych. Pomysłów na wyładowanie między elektrodami jest znacznie więcej i różni producenci świec opracowują oryginalne rozwiązania.

Poniższe zestawienie z przykładowymi cenami świec zapłonowych do konkretnych modeli samochodów doskonale obrazuje, że ceny świec nie są uzależnione od mocy, wielkości silnika czy jego popularności. Jak widać za komplet świec do raczej egzotycznego Saaba 9-3 X 2,0 T BioPower można nie kupić nawet jednej świecy do popularnego silnika 1,2 TSI Volkswagena, a z drugiej strony niemal wyczynowa jednostka napędowa z Renault Sport w Renault Megane RS może mieć znacznie tańsze świece od silnika 1,4 T-Jet Fiata. Dużo zależy od wyboru producenta świecy zapłonowej.