Eksploatacja zużytej lub uszkodzonej świecy zapłonowej pracującej w podwyższonych temperaturach panujących w komorze spalania może mieć wpływ na nierównomierną pracę silnika, zmniejszenie mocy silnika 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 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 przez gwintowany korpus świecy. Korpus służy do zamocowania świecy w gnieździe głowicy, przez co również odprowadzana jest temperatura.

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, tj. 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 stopniach OWK cyklu 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 o średnicy 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 specjalne pozycjonowanie 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.  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 paliwowo-powietrznej.

5. Materiał elektrody głównej – materiał wykorzystany w budowie elektrody musi być dobrym przewodnikiem. Najczęściej używa się irydu, platyny, miedzi bądź niklu.

6. Odstęp między elektrodami – zbyt duża przerwa między elektrodami może nie spowodować przemieszczenia ładunku elektrycznego, zbyt mały odstęp może 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 itp.

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 stopu irydu 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 – świece te 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 zmniejszenia zapotrzebowania na wartość szczytowego napięcia zapłonu. Świece platynowe są czterokrotnie bardziej żywotne niż świece standardowe. Ten typ świec zapłonowych pod względem ceny klasyfikuje się między 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, zapłon, skład mieszanki paliwowo-powietrznej został ustawiony poprawnie – 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 nagaru węglowego, czyli przerwy w wyładowaniu iskrowym przy dużym obciążeniu silnika i utrudniony rozruch silnika. Przyczyną takiego stanu może być ponadto 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 paliwowo-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 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, 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 takiego uszkodzenia jest także niepoprawny przebieg ustawienia przerwy między elektrodami. Wielokrotne odginanie elektrod powoduje ich pękanie.

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, co może doprowadzić do ich nadtopienia, pęknięcia lub wykruszenia. W układach zapłonowych z indywidualnymi cewkami zapłonowymi podczas montażu należy zastosować odpowiedni smar do świec zapłonowych, który zapewnia przyleganie gniazda cewki względem świecy zapłonowej. Dodatkowo smar taki w przyszłości pomoże w demontażu cewki. Często uszkodzenia cewek powstają przez zbyt duży moment ich dokręcania. Świece zapłonowe, przewody wysokiego napięcia i cewki zapłonowe powinno się wymieniać kompletami.