Zadaniem świecy w silniku o zapłonie iskrowym jest wprowadzenie do komory spalania energii zapłonowej, wytworzonej w cewce zapłonowej i dostarczonej za pomocą przewodów wysokiego napięcia, poprzez wyładowanie elektryczne pomiędzy jej elektrodami, które zapoczątkowuje proces spalania.

Świeca jest najbardziej obciążonym elementem układu zapłonowego z uwagi na bezpośredni kontakt elektrod z gorącymi gazami spalinowymi, szczególnie w silniku zasilanym LPG, w którym warunki są jeszcze bardziej niekorzystne. Wynika to z innego charakteru spalania gazu w stosunku do benzyny.

Historia świec

Początki historii świecy zapłonowej można datować na wiele lat przed zbudowaniem silnika spalinowego. Jak to możliwe? Już pod koniec XVII w. holenderski fizyk i matematyk Christiaan Huygens wynalazł maszynę na proch strzelniczy z zapłonem lontowym, aby przy jej pomocy uzyskiwać energię mechaniczną. Można by się zatem pokusić o twierdzenie, że świeca zapłonowa pochodzi w prostej linii od… lontu.

W miarę rozwoju nauk przyrodniczych i po odkryciu elektryczności, badania i eksperymenty nabierały odpowiedniego tempa. 100 lat później włoski nauczyciel fizyki eksperymentował z gazami piorunującymi (gazy wybuchowe powstałe w wyniku elektrolizy wody!), których eksplozję wywoływał przy pomocy iskry elektrycznej. Eksperymenty te są wyraźnym początkiem zapłonu elektrycznego mieszanki gazowo-powietrznej. Przełom nastąpił w roku 1860, gdy pochodzący z Belgii, a mieszkający we Francji wynalazca Étienne Lenoir skonstruował jednocylindrowy, dwusuwowy silnik spalinowy napędzany gazem świetlnym (koksowniczym). Motor napędzał prosty pojazd, który pokonał dystans ok. 11 km między Paryżem a Joinville-le-Pont. Warto zwrócić przy tym uwagę na to, że jednym z pierwszych pojazdów z silnikiem spalinowym był pojazd napędzany gazem! Na potrzeby tego wynalazku powstał protoplasta współczesnej świecy zapłonowej. Ponieważ jego leżący jednocylindrowy silnik nie wykorzystywał sprężania i osiągał zaledwie 80 obrotów na minutę, obciążenie termiczne, mechaniczne i elektryczne świec zapłonowych było niewielkie. Dlatego konstrukcja Lenoira nie była skomplikowana.

Ćwierć wieku później Karl Benz wyprodukował własne świece zapłonowe wykorzystywane w jego silnikach z zapłonem brzęczykowym. Zasada jego działania polegała na ciągłym i niekontrolowanym przeskoku iskry między elektrodami, powodującym zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej. Parę lat później Gottliebowi Daimlerowi udało się skonstruować silnik szybkobieżny z zapłonem żarowym, który przez pewien czas był powszechnie używany, lecz w tym wypadku zapłon nie powstawał na skutek wyładowania elektrycznego. Dopiero na początku XX w. niemiecki przemysłowiec i wynalazca Robert Bosch sprawił, że świeca zapłonowa uzyskała znany nam kształt i system działania. Wszystko to za sprawą wysokonapięciowego zapłonu bateryjnego, który okazał się rozwiązaniem najmniej zawodnym.

W roku 1902 firma Boscha podjęła produkcję świec zapłonowych. Ciekawostką jest natomiast mało znany udział francuskiego pioniera motoryzacji Louisa Renault, który wpadł na pomysł, żeby świece wyposażyć w gwint i wkręcać do komory silnika. Istotnym momentem w historii świec zapłonowych było wprowadzenie kryterium wartości cieplnej świecy, które ogłosiła w 1925 roku firma Bosch. Umożliwiło to normalizację i powszechną systematykę świec zapłonowych i wysokonakładową produkcję świec o różnych właściwościach.
Izolator znanej nam dzisiaj świecy wytwarzano najpierw z łojku, potem z miki i porcelany. Ze zmian konstrukcyjnych do roku 1910 wymienia się tylko wywinięcie obrzeża izolatora i wkręcenie elektrody środkowej w gwintowany otwór kamienia świecy. Kolejnym materiałem, z którego wykonywano izolatory świec było tworzywo ceramiczne o nazwie steatyt. Jego epoka była jednak krótka. W szybkim czasie (1931) wyparła go inna mieszanka ceramiczna – piranit. Do dziś ceramiczny izolator jest najlepszym materiałem, zdolnym wytrzymać wysoką temperaturę pracy, nie deformować się i ciągle izolować.

Ideą świecy zapłonowej jest przeskok iskry pomiędzy dwiema elektrodami: wewnętrzną, wykonaną zwykle z miedzi i zewnętrzną. Liczba elektrod zewnętrznych pozostaje w zasadzie niezmienna, od jednej do czterech. Już na początku lat 20. XX w., amerykański Champion na potrzeby silników przemysłowych wprowadził świece z dwiema elektrodami zewnętrznymi. A 10 lat później zwiększyli ich liczbę do czterech! Z biegiem czasu i w miarę rozwoju szczególnie sportów motorowych, świece przechodziły kolejne modyfikacje zwiększające ich trwałość, zdolność do samooczyszczania elektrod i gwarantujące najmocniejszą iskrę. Najczęściej zabiegi dotyczą użycia innych niż zwykle materiałów. W samochodach wyczynowych zaczęto stosować świece z elektrodami srebrnymi i platynowymi. Dzięki temu trwałość świec wzrosła do 100 tysięcy kilometrów przebiegu. Dziś coraz częściej stosuje się więc świece z elektrodami pokrytymi cienką warstwą platyny. W latach 70. rdzeń miedziany mocniej wysunięto do komory spalania. Takie rozwiązanie zapewniało pewniejszy zapłon i lepsze samooczyszczanie świecy w wyższych temperaturach.

Najważniejsza wartość cieplna

Podstawowym parametrem charakteryzującym świece zapłonowe jest wartość cieplna dobrana do konkretnego silnika (jego stopnia wysilenia). Określa ona za pomocą wskaźnika liczbowego zdolność świecy zapłonowej do odprowadzania i rozpraszania ciepła, które jest przejmowane z komory spalania. Każdy z producentów silników określa ten parametr podając konkretne oznaczenia świec nadających się do użycia w danej jednostce napędowej. Większa wartość cieplna określa większą zdolność do odprowadzania ciepła co oznacza, że świeca może być stosowana w bardziej wysilonym silniku bez niebezpieczeństwa powodowania samozapłonu. Takie świece (potocznie określane jako zimne) trudniej się rozgrzewają mają jednak mniejszą zdolność samooczyszczania (łatwiej osadza się na nich nagar). Mniejsza wartość cieplna świecy oznacza mniejszą zdolność do odprowadzania ciepła (szybciej się nagrzewa), mając jednocześnie większą zdolność do samooczyszczania. Świece tego typu (potocznie zwane gorącymi) stosowane są do silników o mniejszych stopniach sprężania, niższej mocy, w których występują niższe temperatury spalania.

Odpowiednio dobrana wartość cieplna świecy powoduje, że pracuje ona w zakresie temperatur od 500 do 850^o C. Pierwsza wartość temperatury daje gwarancję samooczyszczania świecy czyli wypalania się osadzających się na powierzchni izolatora zanieczyszczeń w postaci węglowodorów i sadzy. Jej spadek powoduje osadzanie się zanieczyszczeń na izolatorze, wskutek czego spada jego rezystancja powierzchniowa i tworzy się, tzw. mostek przewodzący. Z kolei przekroczenie temperatury 850^o C przez wysunięte do komory spalania elektrody powoduje samozapłony i niekontrolowane spalanie mieszanki. Oba zjawiska w kontekście stosowanych we współczesnych samochodach systemów EOBD są niedopuszczalne. Dlatego też dobór odpowiednich do konkretnego pojazdu świec zapłonowych oraz ich okresowa, zgodna z zaleceniami producenta wymiana ma kluczowe znaczenie dla poprawnej eksploatacji silnika, szczególnie zaś jeśli jest on adaptowany do zasilania gazem.

Proces spalania LPG

Mieszanka gazowo-powietrzna w przeciwieństwie do benzynowo-powietrznej spala się w silniku z mniejszymi prędkościami. Jest to jeden z kilku powodów dla których silnik zasilany LPG ma nieznacznie niższą moc (mniejszy przyrost ciśnienia w dłuższym czasie). Kolejne generacje systemów gazowych niwelują tę stratę w takim stopniu, że jest ona nieodczuwalna dla użytkownika. Taki charakter spalania mieszanki gazowo-powietrznej powoduje, że jednostka napędowa jest znacznie bardziej elastyczna niż przy zasilaniu benzyną. Rozciągnięty w czasie proces spalania powoduje jednak, że ścianki komory są w dłuższym okresie narażone na kontakt z gorącymi gazami spalinowymi. Jest to jeden z czynników, któremu musi sprostać wkręcona w głowicę świeca zapłonowa. Kolejnym jest utrudniony zapłon, wynikający z większej o około 30% rezystancji mieszanki gazowo-powietrznej. Wymaga to większej energii wyładowania.

Jedno- czy wieloelektrodowe?

Eksploatacja świec zapłonowych powoduje ich zużycie wskutek erozji iskrowej. Prowadzi ona do stopniowego usuwania materiału z elektrod, a tym samym powiększania przerwy pomiędzy nimi. Zjawisko to występuje zawsze, lecz można mu przeciwdziałać, przez co przedłuża się żywotność świec zapłonowych. Jedną z metod jest stosowanie świec wieloelektrodowych, w których wyładowanie rozkłada się pomiędzy poszczególne elektrody boczne. Tego typu świece nie są jednak zalecane do silników zasilanych gazem z uwagi na mniejszą energię zapłonu, która rozkłada się na większą liczbę elektrod. Silniki gazowe powinny być wyposażane w świece jednoelektrodowe, najlepiej z nieco zmniejszoną przerwą, co zapewnia większą energię wyładowania elektrycznego. Aby zapewnić ich odpowiednią trwałość stosowane są inne (lepsze) materiały.

Z czego te elektrody?

Stosowanie w budowie świec specjalnych materiałów na elektrody, które charakteryzują się mniejszą erozją iskrową jest kolejną metodą na zwiększenie ich trwałości. Różnego rodzaju dodatki mają na celu ułatwienie jonizacji mieszanki pomiędzy elektrodami co pozytywnie wpływa na obniżenie napięcia przebicia, przy którym powstaje iskra zapłonowa. W świecach dedykowanych do silników zasilanych LPG takie rozwiązania stosowane są dość powszechnie z uwagi na trudniejsze warunki panujące w tego typu jednostkach napędowych. Stosowane są metale szlachetne: srebro, platyna, złoto oraz ich stopy z innymi metalami (np. palladem). Bardzo dobrym materiałem na elektrodę środkową jest srebro z uwagi na znakomitą przewodność cieplną tego metalu i odporność erozyjną. Materiał ten wykorzystują na przykład dedykowane do silników gazowych (LPG i CNG) czeskie świece Brisk Silver. Elektroda wykonana ze srebra jest cieńsza, co ma dodatkowe zalety w postaci cieńszego i dłuższego izolatora. Przy tej samej średnicy gwintu zwiększa się komora cieplna (przestrzeń pomiędzy izolatorem a zewnętrzną metalową częścią świecy) co powoduje, że świeca szybciej osiąga temperaturę samooczyszczania, a trwałość elektrody jest znacznie większa.

Innym przykładem ciekawej kombinacji materiałów na elektrody są świece LPG LaserLine firmy NGK. Są to dedykowane specjalnie do silników gazowych (zarówno LPG jak i CNG) świece, w których wykorzystano elektrodę środkową zakończoną irydowym stożkiem oraz boczną z platynową płytką. Elementy te są spajane z materiałem rodzimym elektrod za pomocą opatentowanej technologii spawania laserowego. Zastosowanie irydu pozwoliło na ukształtowanie końcówki elektrody o bardzo małej średnicy 0,6 mm. Stożkowy kształt przyczynia się również do zmniejszenia napięcia zapłonowego co nie jest bez znaczenia ponieważ zapłon gazu jest trudniejszy niż benzyny. Świece NGK LPG LaserLine mają fabrycznie wyregulowany odstęp pomiędzy elektrodami, jego korekta nie jest potrzebna.

Izolator

To, na co zwracamy uwagę patrząc na świecę zapłonową, to izolator. Widoczna jest tylko jego część zewnętrzna. Reszta znajduje się w korpusie świecy, a końcówka wraz z elektrodą środkową wystaje do komory spalania silnika. Warunki panujące w silniku powodują, że izolator jest wykonywany z materiałów ceramicznych (główny składnik – tlenek glinu), odpornych na obciążenia mechaniczne (zmiany ciśnienia) i termiczne przy zachowaniu własności izolacyjnych. Część zewnętrzna izolatora jest glazurowana, co zapobiega osadzaniu zanieczyszczeń, które mogą chłonąć wilgoć i powodować niekontrolowane wyładowania pomiędzy elektrodą środkową a korpusem. Dodatkowym zabezpieczeniem są rowki na izolatorze, wydłużające drogę upływu prądu. Część izolatora wystająca do komory spalania jest polerowana, co zmniejsza skłonność do osiadania nagaru.

Tendencje

Z uwagi na systematyczne powiększanie powierzchni zaworów, coraz mniej miejsca w komorach spalania pozostaje na zamontowanie świec zapłonowych. Dlatego obserwuje się trend do zmniejszania ich średnic. Trwają również prace badawcze nad innymi sposobami zapłonu mieszanki w silnikach, np. zapłon plazmowy, w którym zastąpiono świecę plazmą (całkowicie zjonizowany gaz), wytwarzaną w specjalnym generatorze. Dzięki temu możliwy staje się zapłon mieszanek ubogich, które pozwalają na ograniczenie zużycia paliwa i emisji szkodliwych gazów spalinowych. Z kolei uczeni z uniwersytetu w Liverpoolu wymyślili zastąpienie tradycyjnej świecy promieniem lasera dla zmniejszenia zużycia paliwa i emisji spalin.

Jak widać, świeca zapłonowa nie jest bardzo skomplikowanym urządzeniem, jednak trzeba pamiętać, że warunki, w jakich pracuje, są ekstremalne. W czasie swego krótkiego życia, musi wytworzyć ponad 20 milionów iskier w cylindrze, w którym różnica ciśnień pomiędzy suwami wynosi nawet 50 barów oraz w temperaturze sięgającej 3 tysięcy stopni Celsjusza!

Wojciech Mackiewicz, Piotr Złoty, I 2010