Svećice – šta sve treba da znamo o njima?

Šta treba da znamo o maloj, metalno-porcelanskoj stvarčici, koju zavrćemo u glavu motora?

Bez svećice nema paljenja a samim tim ni rada motora. Ona je zadužena za isporučivanje električne struje u komoru za sagorevanje, gde uz pomoć varnice pali sabijenu mešavinu vazduha i goriva.

Svećica se sastoji od metalne školjke/kućišta s navojem, izolovane od centralne elektrode porcelanskim izolatorom. Centralna elektroda, koja može da sadrži otpornik, povezana je temeljno izolovanom žicom s izlaznim terminalom indukcionog kalema ili induktora. Metalna školjka svećice se zavrće u cilindarsku glavu, te je kroz taj fizički kontakt uzemljena. Centralna elektroda prolazi kroz porcelanski izolator i ulazi u komoru za sagorevanje, formirajući zazor između unutrašnjeg kraja centralne elektrode i obično jednog ili više jezičaka ili struktura povezanih sa unutrašnjim krajem školjke svećice, koja služi kao uzemljenje, preko navoja spojenog sa glavom motora.

Svećice mogu da se koriste i u druge svrhe. Primera radi, u Saab Direct Ignition sistemu, kada ne služe za paljenje, svećice se koriste za merenje jonizacije u cilindrima. Ovo merenje praktično zamenjuje senzor podešavanja rada bregastog vratila i funkciju merenja nepravilnog paljenja.

Istorija

Etjen Lenoar je iskoristio električnu svećicu za svoj benzinski motor 1860. godine, prvi komercijalno uspešni klipni motor s unutrašnjim sagorevanjem. Lenoar je praktično priznat kao pronalazač svećice.

Rani patenti za svećicu idu na konto Nikole Tesle (U.S. Patent 609.250 za sistem sinhronizovanog paljenja 1898.), Frederika Ričarda Simsa (GB 24859/1898 1898.) i Roberta Boša (GB 26907/1898 1898.).

Ipak, jedino je pronalazak prvog komercijalno održivog rešenja visokonaponske svećice  (koji je bio deo sistema paljenja baziranog na induktoru, inženjera iz kompanije Robert Bosch, Gotloba Honolda 1902.), omogućio razvoj motora sa sistemom paljenja uz pomoć svećica. Za unapređenja koja su kasnije usledila, zaslužni su Albert Čempion, braća Lodž i sinovi ser Olivera Lodža, koji su razvili i materijalizovali ideju svog oca, kao i Kenelm Li Ginis iz čuvene pivarske porodice, koji je razvio marku KLG. Helen Bler Bartlet je odigrala vitalnu ulogu u kreiranju izolatora, 1930. godine.

Sistem rada

Svećica je povezana na električnu struju visokog napona, koju generiše indukcioni kalem ili induktor. Kako električna energija teče kroz kalem, napon se razvija između centralne i bočne elektrode. Inicijalno, struja ne može teći, jer je mešavina vazduha i goriva u zazoru praktično izolacioni materijal. Međutim, kako napon raste, struktura gasova između elektroda počinje da se menja. Kada napon nadvlada dielektrični otpor gasova, oni postaju jonizovani. Jonizovani gasovi zatim postaju provodnici i dozvoljavaju električnoj struji da prođe kroz zazor. Svećicama je obično potreban napon između 12.000 i 25.000 V ili više da pravilno „pale“, mada on može da ide i do 45.000 V. Svećice obezbeđuju višu struju tokom procesa pražnjenja, što rezultira varnicom više temperature i dužeg trajanja.

Kako tok elektrona „juriša“ preko zazora, on podiže temperaturu varnice na 60.000 K. Ova intenzivna temperatura uzrokuje da se jonizovani gas širi veoma brzo, poput male eksplozije. Ovo je zapravo karakterističan „klik“ koji se čuje prilikom rada svećice, a funkcioniše po istom principu kao munja na nebu, koju možemo da  vidimo tokom oluje.

Visoka temperatura i pritisak nagone gasove da međusobno reaguju, a na kraju procesa se stvara mala vatrena lopta u zazoru, jer dolazi do samozapaljenja gasova. Veličina ove vatrene loptice, odnosno vatrenog jezgra, zavisi od tačne kompozicije mešavine koja se nalazi između elektroda i nivoa turbulencije u komori za sagorevanje u trenutku paljenja. Malo vatreno jezgro će činiti da motor radi kao da je vreme paljenja zakasnelo a veliko kao da je preuranjeno.

Konstrukcija

Kao što smo naveli na početku, svećica je sačinjena od školjke, izolatora i centralnog provodnika. Prolazi kroz zid komore za sagorevanje, što znači da je ujedno i zaptiva, što je neophodno zbog visokog pritiska i visokih temperatura. Takođe, neophodno je da ne dođe do propadanja tokom dugih vremenskih perioda i produžene eksploatacije.

Svećice su klasifikovane po veličini, kako navoja tako i navrtke, tipa zaptivanja (konusni ili sa zaptivnom podloškom) i zazora. Uobičajene dimenzije navoja odnosno navrtke u Evropi su 10 mm (16 mm), 14 mm (21 mm; ponekad 16 mm) i 18 mm (24 mm; ponekad 21 mm).

Komponente svećice

Terminal/Konektor kabla

Vrh svećice sadrži terminal koji se povezuje na sistem za paljenje. Tokom godina, proizvođači su uvodili varijacije što se tiče same konfiguracije terminala. Konkretna konstrukcija varira u zavisnosti od upotrebe. Kod većine putničkih automobila, kablovi se pričvršćuju na terminal svećice, ali neki kablovi imaju prstenaste konektore koji su pričvršćeni na svećicu ispod navrtke. Standardna, fiksna navrtka SAE konfiguracije je uobičajena kod mnogih automobila i kamiona. Svećice koje se koriste za ovu aplikaciju često imaju kraj terminala koji obezbeđuje obe vrste povezivanja, jer navrtka može da se odvrne i skine. Neke svećice imaju ogoljen navoj, što je uobičajen tip za motocikle i ATV vozila. Poslednjih godina, uveden je i terminal u stilu „pehara“, koji omogućava dužu keramičku izolaciju u istom ograničenom prostoru.

Izolacija

Glavni deo izolatora je obično napravljen od sinterovanog aluminijum-oksida, veoma tvrdog keramičkog materijala sa visokim dielektričnim otporom. Prepoznatljiv je po tome što na njemu počivaju logo proizvođača i identifikacione oznake. Glavne funkcije izolatora su da obezbedi mehaničku podršku i električnu izolaciju za centralnu elektrodu, u isto vreme obezbeđujući produžen put varnice kao zaštitu od neželjenog pražnjenja. Ova produžena sekcija, obično u motorima sa+ duboko uvučenim svećicama, pomaže da se produži terminal iznad glave cilindra, što osigurava bolju pristupačnost.

Dodatna karakteristika sinterovanog aluminijum-oksida je dobro provođenje visoke temperature, što redukuje tendenciju izolatora da se usija, te na taj prevremeno zapali smešu.

Rebra

Produžavanjem površine između visokonaponskog terminala i uzemljenog metalnog kućišta svećice, fizička forma rebara funkcioniše u službi poboljšanja električne izolacije i preveniranja „curenja“ električne energije duž površine izolatora od terminala do metalnog kućišta. Duži put koji je ujedno remećen, za rezultat ima to da se elektricitet suočava s više otpora duž površine svećice, čak i u prisustvu prljavštine i vlage. Neke svećice se proizvode bez rebara, jer ih poboljšanja u dielektričnom otporu izolatora čine manje važnim.

Vrh izolatora

Na modernim svećicama (posle tridesetih godina prošlog veka), vrh izolatora koji prodire u komoru za sagorevanje je od iste keramike od sinterovanog aluminijum oksida kao i gornja sekcija, samo bez glazure. Dizajniran je da izdrži temperature od 650 °C i 60 kV.

Starije svećice, posebno avionske, koristile  su izolator napravljen od presovanih slojeva silikatnog materijala (liskun).

S razvojem olovnog benzina tridesetih godina, naslage olova na liskunu su predstavljale problem i smanjile su intervale za neophodno čišćenje svećica. Sinterovani aluminijum-oksid je razvio Siemens, upravo da bi sprečio ove neželjene posledice. Sinterovani aluminijum-oksid je superioran u odnosu na liskun ili porcelan, jer je relativno dobar termički provodnik za jedan keramički materijal, zadržava mehaničku snagu i visok stepen otpornosti na visoke temperature. Takođe, pogodan je iz razloga što što može da dostigne visoku temperaturu, dovoljnu za stvaranje efekta  „samočišćenja“, i to bez rapidne degradacije. Ono što je takođe veoma važno je ekonomski aspekt, jer jednostavna, jeftina konstrukcija iz jednog dela poseduje izvanrednu mehaničku pouzdanost.

Dimenzije izolatora i jezgra metalnog provodnika određuju temperaturni raspon svećice. Kratki izolatori po običaju podrazumevaju „hladne“ svećice, dok su „tople“ napravljene sa produženim putem do metalnog tela, mada to zavisi i od termalno provodnog metalnog jezgra.

Zaptivci

Iz razloga što svećica služi za zaptivanje komore za sagorevanje kada se instalira, zaptivci su neophodni da obezbede da nema bilo kakvog propuštanja. Unutrašnji zaptivci na modernim svećicama su napravljeni od presovanog stakleno-metalnog praha.

Spoljni zaptivak je obično u vidu prstena, ali neki proizvođači koriste jeftiniji metod konusne granične površine i jednostavnog pritiska, koji obezbeđuje zaptivanje.

Metalno kućište/školjka

Metalna školjka ili košuljica svećice, koja izdržava silu zavrtanja, služi da odvuče visoku temperaturu sa izolatora i prenese je na glavu motora. Takođe, igra ulogu uzemljenja svećice. Navoji su hladno valjani, da bi se prevenirao zamor materijala izazvan promenama toplotnih ciklusa. Ono što je važno je da se svećica instalira sa korektnim „dosegom“, odnosno dužinom navoja. Doseg može da varira od 0,095 do 2,649 centimetara.

Centralna elektroda

Povezana je s terminalom putem unutrašnjeg provodnika i obično nizom keramičkih otpornika, da bi se redukovala emisija šuma koji proizvode elektromagnetni talasi pri varničenju svećica. Svećice bez otpornika, prepoznatljive po odsustvu slova „R“ u broju tipa svećice, ne mogu da redukuju elektromagnetne smetnje, što se ogleda u interferenciji sa radio uređajem ili drugom osetljivom elektronskom opremom.

Vrh može biti napravljen od kombinacije bakra, nikl-gvožđa, hroma ili plemenitih metala. Krajem sedamdesetih godina prošlog veka, razvoj motora je dostigao nivo gde toplotni raspon konvencionalnih svećica s centralnom elektrodom od čvrste legure nikla, nije mogao da se nosi sa njihovim zahtevima. Svećica dovoljno hladna da zadovolji imperative pri brzoj vožnji, nije mogla da sagori naslage gareži, koje su bile posledica gradske „stani-kreni“ vožnje, tako da nije zadovoljavala eksploataciju u urbanim uslovima, jer je izazivala nepravilno paljenje. Slično, svećica koja je bila dovoljno topla da rad motora bude uglađen u gradskoj vožnji, mogla je da se rastopi pri bržoj vožnji na autoputu. Odgovor na ovaj problem, koji su razvili proizvođači svećica, došao je u vidu upotrebe različitih materijala i dizajna centralne elektrode, koji bi mogli da preusmere višak toplote izazvan sagorevanjem sa vrha svećice, efikasnije nego što je to u stanju legura nikla. Bakar je bio odabrani materijal, a metod proizvodnje centralne elektrode sa bakarnim jezgrom je razvila firma  Floform.

Centralna elektroda je dizajnirana tako da „ispucava“ elektrone (katoda – negativno naelektrisanje u odnosu na blok motora), jer je najtopliji deo svećice. Elektroni se lakše emituju s vrele površine, jer isti zakon fizike vlada i pri povećavaju emisije isparenja s usijane površine. Pored toga, elektroni se emituju tamo gde je snaga električnog polja najveća, odnosno gde je radijus zakrivljenja površine najmanji, što znači da se dešava pre na oštrom vrhu nego ravnoj površini. Korišćenje hladnije, tuplje strane elektrode kao negativne, zahteva do 45 odsto veći napon, tako da je mali broj sistema paljenja dizajniran na taj način, sem onih kod kojih do paljenja dolazi u tandemu, tako što jedna svećica „baca varnicu“ u cilindru u kojem dolazi do takta sabijanja a druga u kojem se obavlja izduvni hod klipa. Ovaj sistem u većoj meri opterećuje svećice jer one naizmenično „ispucavaju“ elektrone u oba smera, tako da on zahteva upotrebu plemenitih metala u obe elektrode, ne samo u centralnoj, jer dolazi praktično do dvostrukog habanja.

Najlakše bi bilo izvlačiti elektrone iz „zašiljene“ elektrode, ali bi ona erodirala nakon samo nekoliko sekundi. Umesto toga, elektroni se emituju s oštrih ivica krajeva elektrode. Kako se ivice troše, svećica postaje slabija i nepouzdanija.

Naravno, u jednom momentu je neophodno izvaditi svećice, očistiti ih od naslaga i išmirglati krajeve elektrode da bi se povratile oštre ivice, ali ova praksa je iz tri razloga sve ređa:

1. Čišćenje alatima poput žičane četke ostavlja metalne opiljke na izolatoru, što može dovesti do slabog provođenja struje i slabljenja svećice.
2. Svećice su jeftine, a ekonomičnost diktira zamenu kao bolje rešenje.
3. Iridijumske i platinaste svećice, koje imaju duži vek trajanja od bakarnih su postale uobičajene.

Razvoj elektroda visoke toplotne vrednosti s plemenitim metalima (itrijum, iridijum, volfram, paladijum), kao i onim skupljim (platina, srebro ili zlato), omogućava korišćenje manjeg centralnog provodnika s oštrijim ivicama, koji se neće istopiti ili korodirati. Ovi materijali se koriste zbog njihove visoke tačke topljenja i izdržljivosti a ne zbog elektroprovodljivosti. Manja elektroda takođe apsorbuje manje toplote iz varnice i inicijalne energije iz plamena. U jednom trenutku, Firestone je reklamirao svećice sa polonijumom u vrhu, po (diskutabilnoj) teoriji da će radioaktivnost jonizovati vazduh u zazoru, na taj način olakšavajući formiranje varnice.

Bočna elektroda

Ova elektroda, poznata i kao „provodnik mase“, napravljena je od niklovanog čelika i zavarena je ili zakovana sa strane metalne školjke. Bočna elektroda se takođe veoma greje. Neka rešenja pružaju jezgro od bakra, da bi se poboljšala provodljivost visoke temperature. Višestruke bočne elektrode takođe mogu da se koriste, tako da se ne preklapaju s centralnom. Elektroda za masu može imati i male podloge od platine, pa čak i iridijuma, da bi se povećao radni vek.

Zazor

Svećice su poslovično dizajnirane tako da se zazor može podešavati jednostavnim blagim savijanjem bočne elektrode. Svećica sa istim specifikacijama se može koristiti za nekoliko različitih motora, gde svaki od njih zahteva različit zazor. Svećice u automobilima generalno imaju zazor od 0,6 do 1,8 milimetara, a on može zahtevati prilagođavanje pre instalacije. Za merenje zazora se koristi poseban merni instrument.

Kod modernih motora, koji koriste aktuelne sisteme paljenja i kompjuterizovane sisteme ubrizgavanja goriva, u proseku su svećice većih zazora u odnosu na one iz vremena karburatora. Vozilima koja kao gorivo koriste komprimovani prirodni gas, generalno su potrebne svećice s manjim zazorima u odnosu na ona koja kao pogonsko gorivo koriste benzin.

Podešavanje zazora može biti od ključnog značaja za optimalan rad motora. Manji zazor može da pruži previše malu i slabu varnicu da bi se na odgovarajući način zapalila smeša goriva i vazduha, ali će gotovo uvek doći do paljenja u svakom ciklusu. S druge strane, ukoliko je zazor prevelik, on može dovesti do toga da uopšte ne dođe do stvaranja varnice i sagorevanja smeše ili nepravilnog paljenja pri visokim brzinama, ali će obično pružiti dovoljno snažnu varnicu za čistu detonaciju.

Svećica koja povremeno propusti da zapali smešu vazduha i goriva možda prođe neprimećena direktno, ali će za posledicu imati gubitak snage i povećanu potrošnju goriva.

Toplotna vrednost

Radna temperatura svećice je zapravo temperatura na njenom vrhu dok je motor u radu. Kreće se između 500 i 800 °C. Ovo je važno jer određuje efikasnost „samočišćenja“ svećice, a zavisi od brojnih faktora, ali prvenstveno od aktuelne temperature unutar komore za sagorevanje.

Nema direktne veze između radne temperature svećice i napona. Međutim, obrtni moment koji motor proizvodi veoma utiče na radnu temperaturu svećice, jer do maksimalne temperature i pritiska dolazi kada motor radi blizu maksimalnog obrtnog momenta (obrtni moment i broj obrtaja kolenastog vratila direktno određuju izlaznu snagu motora). Temperatura izolatora odgovara na temperaturne uslove kojima je izložen u komori za sagorevanje, ali ne i suprotno. Ukoliko je vrh svećice previše topao, može izazvati pretpaljenje ili detonantno sagorevanje, što može napraviti štetu. Ukoliko je previše hladan, elektroprovodljiv talog se može formirati na izolatoru, što za posledicu ima gubitak energije varnice  ili njenog kratkotrajnog prekida.

Za svećicu se kaže da je „topla“ ukoliko je bolji toplotni izolator, što znači da zadržava više toplote na vrhu. S druge strane, za svećicu se kaže da je „hladna“ ako je bolji toplotni provodnik, što znači da može da sprovede visoku temperaturu dalje od vrha izolatora. Ove karakteristike čine termički raspon svećice. On se obično izražava kroz brojke, s tim što neki proizvođači koriste uzlazne za „toplije“ a neki za „hladnije“ svećice. Na termički raspon utiče konstrukcija same svećice: tip upotrebljenih materijala, dužina izolatora i površina izložena uslovima u komori za sagorevanje. Za regularnu upotrebu, odabir termalnog raspona svećice predstavlja balans između održavanja vrha dovoljno toplim pri radu u „leru“ i dovoljno hladnim da pri ostvarivanju maksimalne snage motora ne dođe do pretpaljenja i detonantnog sagorevanja.

Kroz uporedno ispitivanje „toplih“ i „hladnih“ svećica istog proizvođača, dotični princip može jasno da se uvidi. Naime, „hladnije“ svećice imaju znatno izdašniju količinu izolacionog materijala, koji popunjava prostor između centralne elektrode i školjke, omogućujući da se veća količina visoke temperature sprovede iz kućišta, dok „toplije“ svećice imaju manje keramičkog materijala, tako da je vrh izolovaniji od tela svećice i bolje zadržava visoku temperaturu.

Vrelina iz komora za sagorevanje se rasipa kroz izduvni sistem, cilindarske zidove, pa i same svećice. Njen toplotni raspon ima vrlo mali efekat na komoru za sagorevanje i ukupnu temperaturu motora. „Hladna“ svećica neće značajno spustiti radnu temperaturu  agregata. Ipak, pretopla svećica može indirektno da dovede do stanja pretpaljenja koje može da izazove pregrevanje motora. Ono što je važnije i u čemu je suština, je da se „topao“ ili „hladan“ efekat svećica odnosi na temperaturu vrha.

Proizvođači svećica koriste različite brojne oznake za određivanje toplotnog raspona. Neke kompanije, kao što su Denso i NGK, imaju skalu koja ide naviše kako svećice postaju „hladnije“. Suprotno tome, Champion, Bosch, Beru i ACDelco koriste sistem u kojem su brojevi veći kako tip svećice postaje „topliji“. S obzirom da nominalne vrednosti nisu standardizovane, ponekad je potrebno „prevoditi“, kada je reč o svećicama različitih proizvođača.

Pavle Barta

Vrele Gume