Świeca zapłonowa jest jednym z najtańszych elementów eksploatacyjnych silnika spalinowego. Obecna tendencja podnoszenia średnich ciśnień indykowanych w silnikach skutkuje pogorszeniem warunków pracy elementów konstrukcyjnych tworzących przestrzeń komory spalania – dotyczy to zwłaszcza świec zapłonowych.
Jak zużyta lub uszkodzona świeca zapłonowa wpływa na pracę silnika?
Eksploatacja zużytej lub uszkodzonej świecy zapłonowej pracującej w podwyższonych temperaturach panujących w komorze spalania może mieć wpływ na nierównomierną pracę silnika, zmniejszenie jego mocy oraz wzrost zużycia paliwa. Do głównych zadań świecy zapłonowej należy realizowanie we wnętrzu komory spalania iskrowego wyładowania ładunku elektrycznego o wymaganym charakterze przy zapewnieniu powtarzalnej pracy silnika w warunkach minimalnego obciążenia izobarycznego i izotermicznego. Wspomniane wcześniej wyładowanie określają szczytowe napięcie znamionowe oraz energia iskry. Producenci świec zapłonowych, oprócz spełnienia wymogów wytrzymałościowo-eksploatacyjnych współczesnych systemów spalania silników spalinowych, muszą także spełniać wymogi wynikające z zaostrzających się przepisów dotyczących emisji spalin.
Obecnie w silnikach spalinowych stosuje się jedną świecę zapłonową na cylinder. Do wyjątków należą silniki, w których stosowane są dwie świece na jeden cylinder. Takie rozwiązanie znajduje się w samochodach marki Alfa Romeo wyposażonych w układ zasilania Twin Spark. Kolejnym częstym przykładem zastosowania dwóch świec zapłonowych na jeden cylinder są silniki o układzie V2 w silnikach motocyklowych.
Obecnie stosuje się wiele typów konstrukcji świec zapłonowych dostosowanych do warunków pracy panujących w komorze spalania wybranego silnika spalinowego: standardowe – z jedną elektrodą boczną, specjalistyczne – z kilkoma elektrodami bocznymi, U-super – z rowkiem w elektrodzie bocznej oraz eksperymentalne konstrukcje o specjalnych kształtach izolatorów.
Budowa świec zapłonowych
Iskra powstaje podczas zjawiska wyładowania ładunku między elektrodą centralną, zasilaną wysokim napięciem i umieszczoną wewnątrz izolatora ceramicznego, a elektrodą boczną podłączoną do masy poprzez gwintowany korpus świecy. Korpus służy do zamocowania świecy w gnieździe głowicy oraz do odprowadzania do niej ciepła z elektrody.
Podstawowe parametry świec zapłonowych
Wartość cieplna świecy – jest to temperatura samooczyszczania i temperatura żarzenia. Temperatura samooczyszczania to minimalna temperatura, przy której następuje samoczynne oczyszczenie świecy z zabrudzeń powstałych podczas procesu spalania w komorze spalania (osad z oleju, nagar i cząstki sadzy). Zanieczyszczenia, które powstały na powierzchni świecy zapłonowej, muszą ulec samoczynnemu wypaleniu. Każda świeca zapłonowa posiada swoją maksymalną temperaturę pracy, nazywaną temperaturą żarzenia. Temperatura ta powoduje samoistne żarzenie się elektrody centralnej, co skutkuje samozapłonem mieszanki palnej w nieokreślonych punktach obrotu wału korbowego (OWK) podczas pracy silnika. Determinuje to nierównomierną pracę na biegu jałowym silnika lub przy dużym jego obciążeniu. Najbardziej efektywną temperaturą pracy świecy zapłonowej jest zakres od ok. 450 do ok. 850°C. Wewnątrz komory spalania panują różne temperatury w zależności od budowy silnika.
W celu ułatwienia zadania wprowadzono ogólny parametr wartości cieplnej świecy, natomiast same świece podzielono na dwa segmenty. Pierwszy z nich to świece zimne, drugi to świece 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. Współczynnik wartości cieplnej świecy podawany jest w postaci kodu cyfrowego – każdy producent posiada własne oznaczenia. Według firm NGK i Iskra im wyższa wartość współczynnika wartości cieplnej, tym świeca jest bardziej „zimna”. Z kolei Bosch ma numerację odwróconą, w której wyższa wartość liczbowa oznacza świecę „gorącą”, a niższa „zimną”. Używanie świec zapłonowych o większej wartości cieplnej niż zalecana może prowadzić do nieosiągania przez nie wymaganej temperatury samooczyszczenia (od ok. 550 do 750°C). Z kolei świece zapłonowe o zbyt małej wartości cieplnej są podatne na przegrzanie, co może wywołać przedwczesny zapłon mieszanki w komorze spalania silnika. Przeciętnie świeca zapłonowa musi zapewnić od 500 do 3500 zapłonów na minutę. Stan świec zapłonowych z uwagi na dobór wartości cieplnej wpływa bezpośrednio na zachowanie norm emisji spalin oraz ograniczenie zużycia paliwa.
Budowa świec ze względu na zastosowany materiał elektrody
Eksploatacyjne zużycie świec zapłonowych
Świece i paliwa alternatywne
Temperatura pracy silnika zasilanego LPG, CNG czy LNG jest znacznie wyższa niż silnika benzynowego (mieszanka gazu i powietrza spala się w wyższej temperaturze), co w połączeniu ze zwiększoną erozją elektryczną spowodowaną przez paliwa alternatywne przekłada się na inny czas żywotności świecy w takim silniku. Wspomniana różnica w porównaniu do silnika napędzanego benzyną może być dość znaczna i zależy od konkretnego przypadku. Co więcej, napięcie zapłonowe wymagane dla mieszanki gazu LPG z powietrzem również jest znacznie wyższe niż dla mieszanki benzyny i powietrza. Oznacza to, że świece zapłonowe muszą być zasilane z cewki zapłonowej mniej więcej o połowę wyższym napięciem. W silnikach benzynowych wystarcza zwykle napięcie zapłonowe rzędu 10–15 kV, w silnikach zasilanych LPG wymagane jest wyższe – ok. 25–30 kV.
Zwiększone napięcie i zwiększona temperatura spalania LPG powodują, że świece zapłonowe w tych silnikach powinny być wymieniane o wiele częściej. Dlatego też do silników zasilanych LPG zaleca się stosowanie świec irydowych i platynowych. Należy pamiętać, że częstotliwość wymiany zależy od kilku czynników. Najważniejszym z nich jest to, jaki model świecy zastosowany jest w naszym aucie. Jeśli w silniku pracują świece standardowe, które mają zwykle jedną elektrodę masową i stosunkowo niską trwałość, powinniśmy wymieniać je co 30 tys. km. W przypadku zastosowania świec lepszej jakości dystans jaki możemy pokonać wzrasta do 60 tys. km, a w przypadku świec z elektrodami pokrytymi platyną wynosi 100 tys. km. Są to przebiegi dla samochodów zasilanych benzyną, w przypadku, gdy stosowane jest zasilnie gazem LPG lub CNG wymiana świec powinna nastąpić po przejechaniu 15 (świece standardowe) i 30 tys. km (świece irydowe/platynowe).
Świece i turbo
W silnikach z turbodoładowaniem temperatury w komorze spalania są wyższe. Przy poważnych modyfikacjach zaleca się wymianę świec na „zimniejsze”, o wyższej wartości cieplnej. Należy jednak uważać, aby nie przesadzić, ponieważ mogą wystąpić poważne problemy z pracą silnika, nie wspominając już o problemach z jego rozruchem „na zimno”. Dla optymalnej pracy świecy zapłonowej, niezbędny jest odpowiedni zakres temperatur w komorze spalania. Dolna granica takiego zakresu to 450°C, zwana też temperaturą samooczyszczania się. To właśnie powyżej tej temperatury rozpoczyna się spalanie odkładających się cząstek sadzy na stożku izolatora. Dla niższych temperatur, mogą one odkładać się na świecy w zbyt dużej ilości. Cząstki sadzy mogą przewodzić ładunki elektryczne, a następstwem takiego zjawiska może być odpływ napięcia zapłonu przez warstwę sadzy do masy pojazdu, przez co nie wytworzy się iskra. Idąc w drugą stronę, górną granicą zakresu temperatur jest 850°C. Powyżej tej wartości, izolator nagrzewa się tak mocno, że może dojść do niekontrolowanych zapłonów na jego powierzchni (zapłonów żarzenia), co oczywiście może prowadzić do uszkodzenia silnika.
Wymiana świec zapłonowych
Wymiana świec zapłonowych należy do czynności niewymagających dużych umiejętności. Świece wkręcone są w głowice silnika. Różne rodzaje materiałów użytych w konstrukcji głowic oraz zastosowanie różnych układów zapłonowych powoduje nieznaczne różnice w sposobie wymiany świec zapłonowych. W pierwszej kolejności demontaż świec rozpoczynamy od usunięcia gniazda przewodu wysokiego napięcia lub cewki zapłonowej z końca świecy zapłonowej. Podczas wykręcania świec z głowicy trzeba zwrócić uwagę na temperaturę silnika – wymianę świec należy zawsze przeprowadzać na nienagrzanym silniku. W szczególności dotyczy to głowic aluminiowych, które są bardziej podatne na rozszerzalność pod wpływem temperatury niż gwint świecy zapłonowej. W przypadku tego typu głowic podczas wykręcania świecy na nagrzanym silniku może dojść do uszkodzenia nie tylko gwintu świecy, ale także gniazda w głowicy. Przewody wysokiego napięcia zdejmuje się ręcznie lub za pomocą specjalnych ściągaczy. Dodatkowo należy ocenić wzrokowo stan elektrod i izolatora świecy pod względem zużycia bądź zalegających na nich zanieczyszczeń. Szczególną uwagę trzeba zwrócić na stan nasadek przewodów wysokiego napięcia lub cewek palcowych, które są wykonane z tworzywa sztucznego. Podczas pracy dochodzi do zwiększenia ich temperatury eksploatacji, co może doprowadzić do nadtopienia, pęknięcia lub wykruszenia tych części. W układach zapłonowych z indywidualnymi cewkami zapłonowymi podczas montażu należy zastosować odpowiedni smar do świec zapłonowych, który zapewnia odpowiednie przyleganie gniazda cewki względem świecy zapłonowej. Dodatkowo smar taki w przyszłości pomoże w demontażu. Często uszkodzenia cewek powstają przez zbyt duży moment ich dokręcania. Świece zapłonowe, przewody wysokiego napięcia oraz cewki zapłonowe powinno się wymieniać kompletami. Gwint nowej świecy zapłonowej przed dokręceniem do świec za pomocą specjalnego klucza powinno się pokryć cienką warstwą oleju silnikowego. Świece zapłonowe wstępnie dokręca się ręcznie lub za pomocą standardowych kluczy. Jednakże ostateczne dokręcenie zawsze należy prowadzić przy pomocy klucza dynamometrycznego odpowiednim momentem w zależności od średnicy gwintu, typu gniazda i materiału głowicy. W celu zapewnienia niezawodnego przekazywania wysokiego napięcia gniazda indywidualnych cewek zapłonowych są mocno zaciskane na końcach świec zapłonowych. W związku z tym do ich zdjęcia zaleca się użycie specjalnego ściągacza.