Sedmog januara 2002. navršilo se tačno sto godina od trenutka kada je Robert Bosch patentirao prvu svećicu koja je radila u kombinaciji sa visokonaponskim magnetnim sistemom paljenja.
Te 1902. godine ih je proizvedeno svega 300 komada, dok današnji tiraž iznosi preko 350 miliona svećica godišnje. Za sto godina proizvodnje Bosch je razvio preko 20.000 različitih tipova i proizveo preko 7,5 milijardi komada.
Benzinski motori su motori sa spoljnjim određivanjem trenutka paljenja, koji prevode hemijsku energiju goriva u kinetičku, tj. mehaničku energiju, radi obavljanja određenog rada. U njima, sistem za napajanje gorivom formira mešavinu vazduha i goriva neposredno pred ulazak u komoru za sagorevanje.
U komoru se smeša usisava pomoću podpritiska koji klip stvara krećući se ka donjoj mrtvoj tački. Periodični, spoljno određeni trenutak paljenja (za razliku od samopaljenja dizela) preko svećice pali smešu za trenutak pre nego što klip dodje u gornju mrtvu tačku (GMT) i na taj način započinje proces sagorevanja.
Ovaj proces se odvija u toku trećeg takta, jedinog radnog takta kod četvorotaktnih motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Nakon što je varnica svećice zapalila smešu vazduha i goriva, temperatura raste kao rezultat sagorevanja smeše. Pritisak u cilindru se povećava i gura klip ka donjoj mrtvoj tački (DMT), prenoseći rad preko klipnjače na kolenasto vratilo (radilicu). Ovaj rad stoji na raspolaganju vozaču u vidu snage motora, koja se povećava sa povećanjem njegovog broja obrtaja.
Ako postoji dovoljno visoki napon, varnica preskače između elektroda svećice. U trenutku paljenja, napon između elektroda svećice raste veoma brzo do trenutka preskakanja varnice (tzv. probojni napon koji iznosi oko 15.000 volti). Nakon preskakanja varnice napon između elektroda opada do neke vrednosti koja se naziva napon varnice. Vreme koje protekne od trenutka stvaranja varnice pa do njenog nestanka zove se trajanje varnice. Ovde treba odgovoriti na još jedno pitanje, zašto je potrebno da sistem za paljenje generiše napon od preko 30.000 volti, ako je probojni napon nepunih 15.000 volti? Odgovor je u suštini vrlo prost, vremenom se zbog habanja svećica zazor između elektroda povećava, što za sobom neminovno povlači i povećanje probojnog napona. Ne treba zaboraviti ni habanje ostalih elemenata sistema za paljenje, slabljenje akumulatora takođe. Razlika između raspoloživog i probojnog napona se naziva rezerva napona paljenja. Ona je neophodna da bi i pri samom kraju eksploatacionog veka vozila (motora), sistem bio sposoban da stvori sve potrebne uslove za nastanak varnice, odnosno za paljenje smeše.
Zahtevi za svećicu
Zahtevi za svećicu su ekstremni: ona je izložena i periodičnim promenama procesa u komori za sagorevanje i klimatskim uslovima izvan motora. Pred nju se postavljaju četiri vrste zahteva: električni, mehanički, hemijski i temperaturski.
Pod električnim zahtevima se podrazumeva da ne sme doći do preskakanja električnog luka ili proboja struje kroz izolator. Električni otpor izolatora mora biti zadovoljavajući i pri temperaturi od 1000 stepeni celzijusa i ne sme se menjati za radnog veka svećice.
Pod mehaničkim zahtevima se podrazumeva da svećica mora izdržati visoke pritiske (do 50 bar-a) koji se periodično pojavljuju u komori za sagorevanje i zato moraju, za sve vreme svoje eksploatacije, da ostanu gasno nepropusne. Dodatno se zahteva velika mehanička čvrstoća svih delova u spoju, naročito keramike i metalnog tela svećice.
Hemijski zahtevi koji se odnose na vrh svećice moraju biti u potpunosti zadovoljeni, jer taj deo direktno na sebi oseća proces sagorevanja zbog koga može postati usijan, a samim tim i izložen hemijskim procesima na visokim temperaturama. Ako je dostignuta tačka topljenja, agresivne hemijske komponente u gorivu se talože na svećicu i mogu promeniti njene karakteristike.
Pod temperaturskim zahtevima smatra se da svećica, odnosno njen keramički deo, mora posedovati veliku termičku “šok” otpornost, jer će u jednom trenutku naglo primiti toplotu vrelih sagorelih gasova, a u drugom biti izložena hladnoj smeši goriva i vazduha u taktu usisavanja.
Konstrukcija svećice
Svećica se sastoji od metala, keramike i stakla. Pažljivim dizajniranjem svećice dolazi se do potpunog iskorišćenja pozitivnih svojstava ovih materijala. U najvažnije delove svećice se ubrajaju spojni provodnik, izolator, telo i elektrode.
Spojni provodnik, napravljen je od čelika i gasno nepropusno zalepljen za izolator ulivanjem specijalnog lepka u zazor između njih. Ovaj, električno provodljivi, lepak predstavlja spoj sa centralnom elektrodom. Na svom kraju koji izlazi iz izolatora, spojni provodnik ima spojni navoj sa spojnom maticom za spajanje prema visokonaponskom kablu.
Izolator je napravljen od specijalne keramike (aluminijumoksid sa dodatkom aditiva), a namenjen je izolovanju centralne elektrode i spojnog provodnika od tela svećice. Radi još boljeg sprečavanja strujnih gubitaka, na izolatoru se nalazi pet užljebljenja. Oni služe da povećaju površinu preko koje strujni gubici prelaze. Zbog ovih žljebova ni u ekstremnim uslovima vožnje nema neželjenog oticanja struje. Inače, izolator se koristi i kao nosač i za centralnu elektrodu i za spojni provodnik.
Telo je izrađeno od čelika, a namenjeno je za učvršćivanje svećice u glavu motora. Površina tela je električnim putem presvučena niklom radi zaštite od korozije, da održi navoj slobodan i spreči zepecanje, pogotovo u aluminijumskim glavama motora. U zavisnosti od uslova ugradnje, svećica može biti isporučena sa prstenom za zaptivanje ili konusom.
Elektrode se habaju pod dejstvom erozije (izaziva je varnica paljenja) i korozije (hemijski i termički uticaji). Njihovo trošenje vodi ka povećanju probojnog napona tj. ka smanjenju rezerve napona. Elekroda mase je učvršćena na telo svećice i obično ima pravougaoni savijeni oblik. Može biti izradjena kao prednja, ili kao bočna što zavisi od njenog položaja u odnosu na centralnu elektrodu. Tanjim profilom elektrode mase kao i postavljanjem višestrukih elektroda mase znatno se produžava vek trajanja svećice. Centralna elektroda je gasno nepropusno učvršćena u izolator sa specijalnim elektroprovodljivim lepkom. Ona ima nešto manji prečnik od otvora vrha izolatora zbog širenja usled zagrevanja. Najčešće korišćen materijal za izradu centralne elektrode običnih svećica je bakar (za izradu jezgra) i legura nikla (za izradu plašta oko jezgra). Od specijalnih materijala koji se koriste za ovu svrhu su srebro i platina, s’ tim što je u tom slučaju elektroda znatno manjeg prečnika.
Zazor između elektroda je najmanji razmak između centralne elektrode i elektrode mase pa kao takav predstavlja meru dužine staze varnice. Što je zazor manji, to je potreban manji probojni napon. Obično se ova vrednost kreće oko 0,7-1,1 mm kod motora sa karburatorom, dok kod sistema za elektronsko ubrizgavanje i paljenje goriva ova vrednost se kreće od 1,1-1,8 mm. Međusobni položaj elektroda određuje tip zazora. Postoje dva tipa: vazdušni zazor varnice, kada je elektroda mase ispred centralne elektrode i površinski zazor varnice, kada se jedna ili više elektroda mase nalaze sa strane centralne elektrode. Dakle, položaj varnice odgovara položaju zazora između elektroda svećice.
Termičke karakteristike svećice
Toplotni opseg svećice je mera termičke opteretivosti svećice (motora) i on mora odgovarati karakteristikama svećice (motora). Ovaj termin je od presudne važnosti za izbor odgovarajuće svećice za jedan motor.
Radna temperatura svećice je temperatura koju svećica dostiže u toku rada motora i ona predstavlja ravnotežu između primljene količine toplote (od upaljene smeše) i predate količine toplote (glavi motora sa kojom je u kontaktu preko navojaka). Ona se kreće od 400 do 850 stepeni celzijusa.
Donja granica je određena najnižom temperaturom samočišćenja svećice od naslaga čađi i nesagorelog ugljenika, a gornja, najvišom temperaturom pri kojoj neće doći do samopaljenja smeše (usled njenog kontakta sa zagrejanim delovima svećice). Osnovni razlog zbog koga se ne može jedan isti tip svećice koristiti u svim motorima leži u činjenici da motori većih snaga oslobađaju veću količinu toplote i imaju višu temperaturu sagorevne komore nego motori manjih snaga. Zato i postoje, grubo govoreći, dva osnovna tipa svećica, “topla” i “hladna“.
Važno je podvući da najveći deo primljene toplote iz komore (oko 80 %) svećica sa vrha izolatora provodi preko svog unutrašnjeg zaptivnog prstena na telo svećice, odakle se ona dalje, preko navojnog spoja, prevodi na glavu motora. Kod “tople” svećice vrh izolatora je maksimalnom svojom dužinom u kontaktu sa vrelim gasovima iz sagorevne komore. Koristi se kod motora manjih snaga jer mu je (vrhu) potrebna veća količina toplote da bi se zagrejao i “ušao” u svoj radni temperaturski opseg.
Kod “hladnih” svećica stvari stoje sasvim obrnuto (slika 4). Različite dužine slobodnog vrha izolatora utiču na različit toplotni opseg svećice. Da bi bilo jasnije o kojoj se svećici radi, toplotni opseg se obeležava brojem koji se naziva toplotna vrednost svećice. Niži brojevi toplotne vrednosti (npr. 2…4) znače “hladne” svećice sa malim prijemom toplote kroz kratkivrh izolatora, dok viši brojevi toplotne vrednosti (npr. 7…10) znače “tople” svećice sa velikim prijemom toplote kroz dugi vrh izolatora.
Nenormalni radni uslovi svećice
Nenormalni radni uslovi, koji se mogu pojaviti u toku sagorevanja smeše, mogu nepopravljivo oštetiti motor i svećicu. Ovde podrazumevamo one najosnovnije anomalije kao što su: samopaljenje smeše, odnosno, njeno detonativno sagorevanje.
Samopaljenje smeše nastaje zbog lokalnog pregrevanja (pri punom opterećenju) vrha izolatora svećice, izduvnog ventila, ispupčenih delova glave cilindra kao i izdvojenih čestica taloga. Ovo je nekontrolisani proces paljenja pri kome temperatura u komori za sagorevanje može naglo porasti tako da nanese ozbiljne štete i svećici i ostalim delovima motora.
Napomenimo da samopaljenje NIJE isto što i detonacija odnosno “dizelovanje”. Detonacija je nekontrolisano sagorevanje sa veoma strmim porastom pritiska. Prouzrokovano je spontanim paljenjem delova smeše koji još nisu bili zahvaćeni prostornim širenjem fronta plamena zapaljenog svećicom.
Sagorevanje se vrši nekoliko (desetina) puta brže od normalnog (postepenog) sagorevanja. Javljaju se oscilacije pritiska sa veoma velikim amplitudama i visokom frekvencijom. Kao posledica javlja se pregrevanje delova motora.
Efekti detonacije na svećici su vidljivi u obliku tačkastog habanja (pitting-a) elektrode mase. Osnovni uzrok ove anomalije leži u lošem kvalitetu goriva (benzina).
Sasvim je sigurno da su nauka i tehnologija izrade svećica za proteklih sto godina napravile ogroman korak u smeru usavršavanja motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Naravno, predstoje još mnoga iskušenja i izazovi koji stoje pred konstruktore, ali oni već pripadaju nekom novom vremenu koje je pred nama i nekom novom poglavlju o razvoju svećica.
Preuzeto sa : mlfree.com
