W samochodach osobowych jest wiele części, których wymiana jest prosta i stosunkowo niedroga, ale bez których pojazd nie mógłby działać. Jednym z tych właśnie elementów jest świeca zapłonowa w silnikach benzynowych. Mogłoby się wydawać, że nie ma tutaj nic skomplikowanego, ale to tylko pozory. Ten artykuł poświęcony jest tematowi źródła iskry.

Świece zapłonowe – historia

Komu należą się zasługi za wynalezienie tego urządzenia – jak w większości takich sytuacji – jest kwestią sporną.

W 1860 r. Étienne Lenoir wyposażył silnik swojego autorstwa – pierwszy tłokowy silnik spalinowy – w elektryczną świecę zapłonową. To właśnie ten naukowiec uważany jest za wynalazcę świecy zapłonowej. Z tego, co wiemy wynika jednak, że podobny wynalazek skonstruował wcześniej, bo 2 lutego 1839 r. Edmond Berger z tą jednak różnicą, że zapomniał go opatentować.

Pierwsze patenty na świece zapłonowe posiadali Nikola Tesla (miejsce i data wystawienia patentu: Stany Zjednoczone, 1898), Frederick Richard Simms (Wielka Brytania, 1898) i Robert Bosch (Wielka Brytania, 1898).

Rozwój silnika z zapłonem iskrowym był jednak możliwy dopiero dzięki wynalezieniu pierwszej komercyjnie opłacalnej świecy zapłonowej wysokiego napięcia stanowiącej część magnetycznego układu zapłonowego, stworzonej przez Gottloba Honolda w 1902 r.

Zasada działania świec zapłonowych

Zadaniem świecy zapłonowej jest wykonanie wyładowania elektrycznego w formie iskry, dzięki czemu w komorze spalania dochodzi do zapłonu mieszanki paliwowej. Do świecy musi być doprowadzone wysokie napięcie wytwarzane przez cewkę zapłonową lub magnes. Gdy prąd przepływa przez cewkę, pomiędzy elektrodą centralną a boczną powstaje napięcie.

Początkowo iskra nie powstaje, ponieważ uniemożliwia to mieszanka paliwa i powietrza, która wnika w szczelinę elektrody działając jak izolator. W miarę wzrostu napięcia w szczelinie zmienia się struktura gazów otaczających elektrodę. Po tym, jak napięcie pokona wytrzymałość dielektryczną gazów, następuje ich jonizacja.

Zjonizowany gaz staje się przewodnikiem i umożliwia przepływ prądu przez szczelinę. Świece zapłonowe wymagają zazwyczaj napięcia od 12 000 do 25 000 V lub więcej, aby zadziałać prawidłowo, chociaż wartość ta może osiągać nawet 45 000 V. Podczas wyładowania elektrycznego przez elektrodę płynie prąd, rozgrzewając ją, co skutkuje powstaniem iskry – tym silniejszej, im wyższe jest natężenie prądu.

Gdy rozpoczyna się przepływ elektronów przez iskrownik, temperatura kanału iskrowego wzrasta do 60 000 K. Intensywne ciepło w kanale iskrowym sprawia, że zjonizowany gaz rozszerza się bardzo szybko – mówiąc po prostu – eksploduje. Można wówczas zaobserwować miniaturową błyskawicę i grzmot.

Pod wpływem ciepła i ciśnienia dochodzi do wzajemnej reakcji gazów, a następnie ich zapłonu, przy czym pojawia się mała kula ognia. Wielkość tej kuli zależy od składu mieszanki znajdującej się między elektrodami i poziomu turbulencji w komorze spalania w momencie generowania iskry.

Z czego składa się świeca zapłonowa (elementy)?

Świeca zapłonowa składa się z korpusu, izolatora i przewodu centralnego. Ponieważ świeca zapłonowa przechodzi przez ścianę komory spalania, musi być ona uszczelniona przed wysokim ciśnieniem i temperaturą podczas użytkowania. Głównymi parametrami świecy zapłonowej są jej rozmiar, rozmiar gwintu/nakrętki (najczęściej Euro-nakrętka), uszczelnienie (stożek lub podkładka kompresyjna) i iskrownik. Najczęściej spotykanie rozmiary gwintu (nakrętki) w Europie to 10 mm (16 mm), 14 mm (21 mm; czasami 16 mm) i 18 mm (24 mm, czasami 21 mm).

• Zacisk przyłączeniowy:

Jest to część, która łączy się z przewodem wysokiego napięcia z rozdzielacza. Doprowadza wysokie napięcie do elektrody centralnej.

• Izolator ceramiczny:

Wykonany jest z ceramiki z zawartością tlenku glinu i działa jak izolator. Zapewnia izolację elektrody centralnej od ziemi do 40 000 V. Może być produkowany w wersji podstawowej lub z profilami.

• Metalowy korpus:

Stalowa powłoka z precyzyjnie walcowanymi gwintami dla bezpiecznego dopasowania i łatwego montażu/demontażu. Zapewnia uziemienie elektryczne do głowicy cylindra i pomaga w chłodzeniu świecy poprzez odprowadzanie ciepła do głowicy cylindra.

• Elektroda centralna:

Wykonana jest ze stopu niklu, a w jej środku osadzony jest miedziany rdzeń. W zależności od typu elektroda centralna może być wykonana z platyny lub irydu. Wysokie napięcie dociera do elektrody centralnej z uzwojenia wtórnego poprzez rozdzielacz.

• Elektroda uziemiająca:

Świeca jest przyspawana do metalowego korpusu, który działa jako elektroda uziemiająca. Element ten wykonany jest zwykle ze stopów niklu (z ewentualnymi wzmocnieniami irydowymi lub tytanowymi).

• Podkładka uszczelniająca/uszczelka:

Uszczelnia głowicę cylindra i pomaga w odprowadzaniu ciepła.

• Końcówka izolatora:

Końcówka izolatora wnika w komorę spalania i w znacznej mierze decyduje o charakterystyce cieplnej świecy zapłonowej.

• Szczelina elektrody:

Jest to odległość pomiędzy elektrodą centralną a elektrodą uziemiającą. Jeśli świeca zapłonowa nie ma odpowiedniej szczeliny, nie będzie w stanie wytworzyć wystarczającej iskry do zapłonu paliwa, co może wywołać usterkę.

Zakres temperatur, wartość kaloryczna

Temperatura robocza świecy zapłonowej to rzeczywista temperatura fizyczna na końcówce świecy zapłonowej wewnątrz pracującego silnika, zwykle od 500 do 800 °C. Jest to ważne, ponieważ warunkuje skuteczność samooczyszczania.

Mówi się, że świeca zapłonowa jest „gorąca”, jeżeli jest dobrym izolatorem termicznym, zatrzymującym więcej ciepła w końcówce świecy zapłonowej. Świeca zapłonowa jest nazywana „zimną”, jeżeli może odprowadzić więcej ciepła z końcówki świecy zapłonowej i obniżyć temperaturę końcówki. Parametr ten nosi miano charakterystyki cieplnej. Zakres ciepła świecy zapłonowej jest zwykle podawany liczbowo, przy czym niektórzy producenci używają rosnących liczb dla gorętszych świec, a inni robią odwrotnie – przypisują rosnące liczby dla stopniowo zimniejszych świec.

Zanim nastała era elektronicznie sterowanego wtrysku paliwa, świece zapłonowe produkowano dla kilku zakresów ciepła. „Gorętsze” świece przeznaczone były do samochodów, które jeździły powoli w warunkach miejskich, zaś „zimniejsze” do pojazdów poruszających się szybko po autostradach.

Praktyka ta jednak w dużej mierze odeszła do lamusa, ponieważ samochody utrzymują mieszankę paliwowo-powietrzną i temperaturę cylindra w wąskim zakresie, aby ograniczyć emisję spalin.

Jednak w przypadku silników wyścigowych nadal korzystny jest wybór odpowiedniego zakresu ciepła. Bardzo stare silniki wyścigowe mają czasem dwa zestawy świec zapłonowych, jeden tylko do rozruchu, a drugi do jazdy, gdy silnik jest rozgrzany.

źródło: en.wikipedia.org