Gdy weźmie się pod uwagę, że świeca zapłonowa musi generować iskrę od 500 do 3500 razy na minutę, staje się jasne, jak duży jest wkład technologii świec zapłonowych w prawidłowość pracy silnika podczas długotrwałego użytkowania.

Konstrukcja świecy zapłonowej

Powietrze jest zasysane do cylindra w silniku, a paliwo jest dostarczane przez wtryskiwacz paliwa. Już w kolektorze dolotowym powstaje palna mieszanina, która w cylindrze zostaje zapalona przez iskrę ze świecy zapłonowej.

Głównymi elementami świecy zapłonowej są elektrody oraz izolator. Elektroda dodatnia znajduje się wewnątrz świecy. Otoczona jest ona izolatorem, który osadzony jest w cokole świecy stanowiącym jednocześnie elektrodę ujemną. Cokół świecy połączony jest elektrycznie z masą silnika, co gwarantuje przepływ prądu elektrycznego. Świece zapłonowe różnią się między sobą szczegółami wykonania samego izolatora oraz elektrod. Różnice te mogą mieć kluczowe znaczenie dla poprawnej pracy silnika.

Elementami składowymi świecy zapłonowej są:

• elektroda środkowa z rdzeniem miedzianym – składa się ona głównie ze stopu niklu. Z końca tej elektrody iskra musi przeskoczyć na elektrodę uziemiającą. Elektrody środkowe w świecach zapłonowych niektórych producentów wykonane są ze stopów miedzi lub zawierają dodatki irydu w celu polepszenia właściwości termicznych i odporności na erozję elektroiskrową;
• izolator – wykonany z ceramiki izolator ma dwa zadania: służy przede wszystkim do izolacji elektrycznej, dzięki czemu zapobiega upływowi wysokiego napięcia z elektrody środkowej do masy pojazdu (biegun ujemny). Drugim zadaniem izolatora jest odprowadzanie pewnej ilości ciepła do głowicy silnika. Ilość ta jest uzależniona od konstrukcji silnika i dobierana w taki sposób, aby elektrody i część izolatora znajdująca się w komorze spalania utrzymywały temperaturę samooczyszczania, czyli temperaturę na tyle wysoką, aby podtrzymywać proces utleniania się złogów sadzy i węglowodorów powstałych przy spalaniu benzyny. Dzięki utrzymywaniu tej temperatury (zazwyczaj w przedziale 450–850°C) świeca nie jest mostkowana przez nagary i długo zachowuje czystość. W przypadku, kiedy świeca zapłonowa ma zbyt wysoką temperaturę (mniej ciepła odprowadzonego do głowicy), może dojść do niekontrolowanego samozapłonu mieszanki w cylindrze, co może być niszczące dla silnika. Gdy zbyt dużo ciepła odprowadzane jest przez izolator do głowicy, świeca będzie miała zbyt niską temperaturę i będzie pokrywała się sadzą oraz nagarem, co też będzie negatywnie wpływało na generowanie iskry, aż do jej zaniku. Węgiel jest przewodnikiem i może on zewrzeć elektrody świecy zapłonowej;
• bariery prądów pełzających – są to wgłębienia znajdujące się na zewnętrznej części izolatora w jego górnej części. Zapobiegają upływowi napięcia do masy pojazdu, przedłużając w ten sposób ścieżkę przebiegu prądu i zwiększając opór elektryczny. Dlatego gwarantują one, że energia podąży ścieżką najmniejszego oporu, czyli przez elektrodę środkową, a nie wierzchnią warstwę izolatora;
• metalowa obudowa z gwintem – obudowa odgrywa ważną rolę w rozpraszaniu ciepła świecy zapłonowej. W metalowej obudowie osadzony jest izolator z elektrodą centralną. Jest on uszczelniony, aby nie dochodziło do upływu gazów z komory spalania. Na obudowie na końcu gwintu osadzona jest uszczelka. Niektóre świece zapłonowe posiadają uszczelnienie stożkowe i nie mają zawalcowanej podkładki uszczelniającej;
• pierścień uszczelniający – zapobiega wydostawaniu się gazu spalinowego poza świecę zapłonową w wyniku wysokiego ciśnienia spalania. Ponadto przewodzi ciepło do głowicy cylindrów i wyrównuje właściwości rozszerzania się głowicy cylindrów i obudowy świecy zapłonowej;
• uszczelki wewnętrzne – tworzą gazoszczelne połączenie między izolatorem a metalową obudową. Składa się na nie pierścień z talku, który jest zamknięty między dwoma dodatkowymi pierścieniami uszczelniającymi i zawalcowany, tworząc odporne na temperaturę uszczelnienie izolatora w obudowie;
• elektroda uziemiająca – w standardowej świecy zapłonowej elektroda uziemiająca wykonana jest ze stopu niklu i przyspawana do dolnej części obudowy. Do niej przeskakuje iskra z elektrody centralnej;
• tłumienie zakłóceń – w celu zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), a tym samym bezawaryjnej pracy elektroniki pokładowej wewnątrz świecy zapłonowej stosuje się stop szklany jako tłumienie zakłóceń;
• połączenie – złącze elektryczne zaprojektowano jako połączenie SAE lub gwint M4. Do złącza podłączony jest kabel zapłonowy lub cewka prętowa. W obu przypadkach przez złącze wysokie napięcie musi zostać przetransportowane na drugi koniec świecy zapłonowej do elektrod.

Momenty dokręcania zależą od materiału głowicy cylindra i średnicy gwintu. W tabeli przedstawiono zalecane przez NGK momenty dokręcania. Źródło: NGK

Jak powstaje iskra?

W wersji klasycznej centralna cewka zapłonowa wytwarza wysokie napięcie niezbędne do zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. Mechaniczny rozdzielacz zapłonu zapewnia, że napięcie to dociera do poszczególnych cylindrów i świec zapłonowych kolejno i we właściwym czasie. W tym celu napięcie zapłonowe jest prowadzone przez obracający się palec rozdzielacza do jego obudowy i dalej – do przewodu wysokiego napięcia oraz do złącza świecy zapłonowej. Stąd dochodzi do końca środkowej elektrody i w postaci iskry pokonuje szczelinę powietrzną do elektrody uziemiającej.

W bardziej nowoczesnej wersji w każdej świecy zapłonowej znajduje się cewka ołówkowa – tak zwany w pełni elektroniczny zapłon ze statycznym rozkładem zapłonu. Nie są wymagane mechaniczne rozdzielacze zapłonu ani przewody zapłonowe wysokiego napięcia.

Ocena ciepła

Generowanie i przepływ ciepła różnią się znacznie w zależności od silnika, np. silniki z turbodoładowaniem pracują w wyższej temperaturze niż silniki wolnossące. Dlatego dla każdego silnika dobierana jest odpowiednia świeca zapłonowa, która może precyzyjnie odprowadzić nadmiar ciepła do głowicy cylindra i zapewnić utrzymanie optymalnego okna temperaturowego. Tak zwana ocena cieplna dostarcza informacji o wytrzymałości cieplnej świecy zapłonowej. W przypadku świec zapłonowych NGK obowiązuje następująca zasada: im wyższa wartość cieplna, tym wyższa wytrzymałość termiczna.

Rozpraszanie i przepływ ciepła

Prawie 60% rozpraszanego ciepła wydostaje się przez obudowę świecy zapłonowej i gwint. Niecałe 40% emitowane jest przez pierścień uszczelniający do głowicy cylindrów. Niewielki pozostały procent wypływa przez środkową elektrodę.

Izolator absorbuje ciepło z komory spalania i kieruje je do wnętrza świecy zapłonowej. Wszędzie, gdzie ma kontakt z obudową, ciepło jest przewodzone. Zwiększając lub zmniejszając wielkość tej powierzchni styku, można wpływać na to, czy świeca zapłonowa przewodzi więcej czy mniej ciepła przez obudowę.

Powierzchnia styku jest większa w przypadku świec zapłonowych o wyższej wytrzymałości termicznej.

Jak odczytać kod świecy na przykładzie kodowania NGK?

Kombinacja liter i cyfr przypisanych do każdej świecy zapłonowej to nie tylko oznaczenie typu – to logiczna formuła, która zawiera ważne szczegóły dotyczące działania świecy zapłonowej.

Diagnoza i instalacja

Szczególnie w przypadku nowoczesnych pojazdów ważne jest, aby mieć odpowiednie narzędzie do przykręcania świec zapłonowych. W przeciwnym razie istnieje ryzyko uszkodzenia świec podczas ich odkręcania lub wkręcania.

W nowoczesnych silnikach, które zwykle są wyposażone w aluminiowe głowice cylindrów, aluminium po podgrzaniu rozszerza się bardziej niż świeca zapłonowa, w wyniku czego świeca może się klinować w gnieździe. Dlatego wymiana świecy zapłonowej powinna odbywać się tylko przy całkowicie schłodzonym silniku.

Większość awarii świec zapłonowych można przypisać nieprawidłowemu momentowi dokręcania. Jeśli jest ustawiony zbyt nisko, istnieje ryzyko strat kompresji i przegrzania. Możliwe jest również uszkodzenie izolatora lub elektrody środkowej w wyniku wibracji.

Jeśli moment dokręcania jest ustawiony zbyt wysoko, świeca zapłonowa może się oderwać. Jej obudowa może się zaś rozszerzać lub wypaczać. Strefy rozpraszania ciepła są zakłócone: może dojść do przegrzania i stopienia elektrod, a nawet uszkodzenia silnika.

Defekty świec zapłonowych

1. Normalny wygląd: tak wygląda nienaruszona świeca zapłonowa. Białe czy szare przebarwienie jest nieszkodliwe. Pochodzi z dodatków do paliw, których pozostałości osadzają się na świecy po spaleniu.
2. Osady: tutaj widać świecę zapłonową pokrytą znaczną ilością osadów. Może to być spowodowane niską jakością paliwa, wysokim zużyciem oleju przez mechanicznie wyeksploatowany silnik lub spalaniem płynu chłodzącego z uszkodzonych uszczelek głowicy cylindrów. Nagromadzenie osadów może sprzyjać samozapłonowi paliwa (osady żarzą się w czasie pracy silnika).
3. Pęknięcie izolatora: uszkodzenie izolatora, jak widać na tym zdjęciu, może prowadzić do awarii silnika. Jego przyczyną może być użycie niewłaściwego momentu dokręcania lub uszkodzenie świecy na skutek upuszczenia na twardą powierzchnię (np. podłogę warsztatu) przed montażem.
4. Stopienie: środkowa i uziemiona elektroda stopiły się ze sobą na świecy zapłonowej. Dzieje się tak, gdy świeca zapłonowa się przegrzeje. W takim przypadku stopić może się nawet tłok silnika. Przyczyną może być wybór niewłaściwej świecy zapłonowej (niewłaściwa moc cieplna) lub nieprawidłowe działanie silnika (spalanie detonacyjne, zapłon jarzeniowy, zbyt wczesny zapłon).
5. Złogi węgla: tutaj widać świecę zapchaną osadami węglowymi. Osady węgla pojawiają się, jeśli świeca zapłonowa często pracuje poniżej temperatury samoczyszczenia (450°C) – np. gdy pojazd użytkowany jest na krótkich odcinkach lub wybrano niewłaściwą wartość cieplną (zbyt zimne świece).

Na podstawie informacji firmy NGK