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.

Preview

Budowa świecy zapłonowej © NGK

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.

1. Średnica gwintu świecy – do najpopularniejszych gwintów zaliczamy te, których średnica wynosi: 10, 12, 14 i 18 mm. Obecnie konstruktorzy silników spalinowych dążą do zmniejszania średnicy gwintu w celu zwiększenia w głowicy silnika wolnej przestrzeni na większą liczbę zaworów lub specjalnego pozycjonowania korpusu wtryskiwaczy, np. piezoelektrycznych.
2. Długość gwintu świecy – standardowo wynosi 19 lub 26,5 mm. Świece o dłuższym gwincie są stosowane w głowicach wykonanych ze stopów aluminium lub stopów magnezowych, ponieważ głowice z tych materiałów posiadają mniejszą wytrzymałość niż głowice starszych silników wykonanych z żeliwa. Dłuższy gwint zapobiega zerwaniu gwintu świecy zapłonowej w gnieździe głowicy.
3. Rozmiar klucza – związany jest w pewnym stopniu ze średnicą gwintu – bardzo często większa średnica gwintu oznacza większy rozmiar klucza. Najczęściej stosuje się rozmiary: 20,7 (21), 16 i 14.
4. Liczba elektrod bocznych – 1, 2, 3 lub 4 – większa liczba elektrod bocznych nie zawsze idzie w parze ze skutecznością świecy zapłonowej, ponieważ świeca o większej liczbie elektrod bocznych może nie być odpowiednia dla danego silnika, szczególnie przy elektronicznym sterowaniu chwilą zapłonu mieszanki paliwo-powietrznej.
5. Materiał elektrody głównej – materiał wykorzystany w budowie elektrody musi być dobrym przewodnikiem. Używa się tutaj irydu, platyny, miedzi bądź niklu.
6. Odstęp pomiędzy elektrodami – zbyt duża przerwa między elektrodami może uniemożliwić przemieszczenie ładunku elektrycznego, zbyt mała – utrudniać rozruch ciepłego silnika i ograniczać energię iskry.
7. Wartości momentów dokręcania – w zależności od średnicy gwintu dla nowych świec moment dokręcania wynosi od 10 do 30 Nm.
8. Inne – np. zastosowanie rezystora przeciwzakłóceniowego, gwintu niestandardowej długości, przeznaczenia do nietypowych silników itd.

Budowa świec ze względu na zastosowany materiał elektrody

1. Świece standardowe – elektrody w świecach standardowych wykonane są ze stopu niklowo-litowego. Stop ten cechuje wysoka żywotność, niskie zużycie paliwa. Stosowane są również rdzenie z miedzi, które dobrze odprowadzają ciepło. Świece standardowe należą do najtańszych i najmniej trwałych.
2. Świece irydowe – do produkcji końcówek elektrody najczęściej używa się stopu irydu. Temperatura topnienia irydu wynosi 2450°C. Materiał ten jest bardzo odporny na zużycie erozyjne wywołane wyładowaniem iskrowym. Zastosowanie stopu irydu na końcówkę elektrody skutkuje dwukrotnym wydłużeniem okresu eksploatacji w porównaniu do świec standardowych. Zastosowanie tego stopu pozwala na wykonanie mniejszych średnic elektrody centralnej nawet do 0,4 mm. Wpływa to na zmniejszenie zapotrzebowania na szczytową wartość napięcia zapłonu i dodatkowo poprawia rozchodzenie się frontu płomienia zapłonu w komorze spalania. Powyższe świece są zdecydowanie droższe od świec standardowych.
3. Świece platynowe – przeznaczone są do silników wyposażonych w układ zasilania gazem LPG lub CNG. Zastosowanie w nich płytki platynowej w elektrodzie centralnej sprawia, że świeca generuje stałą moc nawet w najtrudniejszych warunkach eksploatacji silnika przy gwałtownych zmianach obciążenia i prędkościach obrotowych wału korbowego. Elektroda w takiej świecy jest bardziej smukła od standardowej, co umożliwia zmniejszenie zapotrzebowania na wartość szczytowego napięcia zapłonu. Świece platynowe są czterokrotnie bardziej żywotne niż świece standardowe. Pod względem ceny typ ten klasyfikuje się pomiędzy świecami standardowymi a irydowymi.

Eksploatacyjne zużycie świec zapłonowych

1. Świeca zapłonowa normalnie zużyta – wówczas gdy silnik pracuje prawidłowo, wartość cieplna świecy została poprawnie dobrana do danej konstrukcji silnika, a zapłon i skład mieszanki paliwowo-powietrznej zostały ustawione poprawnie (skład mieszanki jest bliski stechiometrycznemu) – to nie występuje przegrzanie elementów wykonawczych komory silnika, a izolator świecy pokryty jest szarobiałym bądź lekko brązowym nalotem. 
2. Izolator pokryty węglem – najczęstszą przyczyną powstania czarnego suchego nagaru węglowego jest zbyt bogata mieszanka paliwowo-powietrzna, zabrudzony filtr powietrza, źle dobrana świeca zapłonowa o zbyt małej wartości cieplnej lub użytkowanie samochodu na krótkich dystansach, przez co elektrody świecy nie mogą osiągnąć temperatury samooczyszczania. Skutkiem mogą być chwilowe przerwy w wyładowaniach elektrycznych (strzelanie z wydechu) bądź utrudnione uruchomienie nienagrzanego silnika. Dość częstą przyczyną takiego stanu jest także uszkodzenie układu zapłonowego silnika lub niepoprawne ustawienie wartości kąta wyprzedzenia zapłonu.
3. Świeca zanieczyszczona olejem – częstymi przyczynami zaoliwienia świecy zapłonowej jest zużycie pierścieni tłokowych, zużycie gładzi cylindrów, zużyte uszczelniacze lub prowadnice zaworów oraz zbyt duża ilość oleju smarującego w silniku, a w przypadku dwusuwowych silników motocyklowych – zbyt duża ilość oleju w mieszance palnej. Skutki są podobne jak w przypadku powstania nagaru węglowego, czyli przerwy w wyładowaniu iskrowym przy dużym obciążeniu silnika i utrudniony rozruch silnika. Przyczyną takiego stanu może być także zbyt duża zawartość związków ołowiu w benzynie. 
4. Świeca zanieczyszczona nagarami z dodatków paliwowych – przy takim zanieczyszczeniu końcówka izolatora, elektroda centralna oraz boczna pokryte są szklistą powłoką o barwie żółtobrązowej, zielonkawej lub czerwonej. Przyczyną jest dodawanie zbyt dużej ilości dodatków do paliwa, np. związków manganu o symbolu MMT lub związku żelaza o nazwie ferrocen. Oba związki są wykorzystywane do zwiększania liczby oktanowej benzyny, szczególnie w krajach Europy Wschodniej i w Afryce Południowej. Skutkiem niewłaściwego składu chemicznego benzyny jest niepoprawne spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej, zmniejszenie mocy i momentu obrotowego silnika oraz utrudniony rozruch silnika.
5. Świeca zanieczyszczona osadem popiołu – przy takim zanieczyszczeniu końcówka izolatora, elektroda centralna oraz boczna pokryte są luźnym popiołem przypominającym żużel. Do przyczyn powstania takiego zanieczyszczenia zaliczyć możemy drobiny metalu w oleju silnikowym oraz wytworzenie się popiołów w komorze spalania wskutek niewłaściwego składu mieszanki paliwo-powietrznej lub niewłaściwego składu chemicznego benzyny. Osady popiołu mogą przyczynić się do samozapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. Z kolei niewłaściwa chwila zapłonu mieszanki może doprowadzić do uszkodzenia mechanizmów układu tłokowo-korbowego silnika. W przypadku zaobserwowania takich objawów niezbędna jest zmiana oleju silnikowego na olej o odpowiedniej jakości i lepkości dynamicznej oraz wymiana wszystkich świec zapłonowych.
6. Elektroda centralna pokryta roztopionym osadem – elektroda oraz izolator są pokryte gąbczastymi pęcherzami pochodzącymi z samozapłonu mieszanki bądź przegrzania silnika. Podczas szukania przyczyn postania tego problemu należy uwzględnić zbyt wczesny kąt wyprzedzenia zapłonu, uszkodzone zawory, zbyt małą wartość cieplną zastosowanych świec, uszkodzenie wtryskiwaczy lub zastosowanie paliwa o nieodpowiedniej jakości.
7. Częściowo spalone elektrody – wówczas elektroda centralna jest spalona, natomiast elektroda boczna zostaje uszkodzona wskutek podwyższenia temperatury spalania oraz samozapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. Przyczyn takiego stanu należy szukać w zbyt późnym ustawieniu kąta wyprzedzenia zapłonu, wadliwym działaniu wtryskiwaczy oraz spalaniu osadów stałych w komorze spalania.
8. Bardzo duże zużycie elektrody centralnej – niewielka część elektrody centralnej wystaje ponad izolator. Przyczyną takiego uszkodzenia świecy jest przekroczony przewidywany czas eksploatacji świecy. Skutkami tego jest niepoprawne spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej, czyli tzw. samozapłon (zapłon mieszanki, ,,strzelanie” w kolektor wydechowy) powstały przez zbyt małą wartość napięcia wyładowania iskrowego świecy w wyniku niewłaściwie ustawionej przerwy między elektrodami.
9. Częściowo stopiona tylko elektroda boczna – przyczynami mogą być spalanie stukowe albo zbyt duża ilość dodatków stosowanych do paliwa lub oleju smarującego.
10. Złamany izolator elektrody – do przyczyn powstania takiego uszkodzenia świecy zaliczamy upuszczenie świecy lub nieprawidłowy przebieg jej montażu. Częstą przyczyną uszkodzenia tego typu jest także niepoprawny przebieg ustawienia przerwy miedzy elektrodami. Wielokrotne odginanie elektrod powoduje ich pękanie.

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.

Preview

© Piotr Wróblewski

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.

Preview

Ilustracja 3. Wzrost temperatury świecy zapłonowej w zależności od wzrostu obciążenia silnika. © Piotr Wróblewski

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.