Świeca zapłonowa: więcej niż tylko iskra

Istota świecy zapłonowej w silniku o zapłonie iskrowym wydaje się oczywista. To proste urządzenie, w którym najważniejszą częścią są dwie elektrody, pomiędzy którymi przeskakuje iskra zapłonowa. Niewielu z nas wie, że w nowoczesnych silnikach świeca zapłonowa zyskała nową funkcję.

Nowoczesne silniki są sterowane prawie wyłącznie elektronicznie. Kontroler, popularnie zwany „komputerem” zbiera szereg danych dotyczących pracy jednostki (wymienimy tutaj przede wszystkim prędkość obrotową wału korbowego, stopień „wciśnięcia” pedału gazu, ciśnienie atmosferyczne powietrza i w kolektorze dolotowym, temperaturę płynu chłodzącego, paliwa i powietrza, a także skład spalin w układzie wydechowym przed i po oczyszczeniu ich katalizatorami), a następnie porównując te informacje z zapisanymi w jego pamięci wydaje polecenia do układów sterowania procesem zapłonu i paliwa wtrysku, a także położenie przepustnicy powietrza. Faktem jest, że temperatura zapłonu i dawka paliwa dla poszczególnych cykli pracy muszą być optymalne pod względem sprawności, ekonomii i ekologii w każdym momencie pracy silnika.

CZYTAJ TAKŻE

Świece żarowe

Gra jest warta świeczki

Wśród danych niezbędnych do kontroli prawidłowej pracy silnika znajduje się również informacja o obecności (lub braku) spalania detonacyjnego. Mieszanka paliwowo-powietrzna znajdująca się już w komorze spalania nad tłokiem musi spalać się szybko, ale stopniowo, od świecy zapłonowej po najdalsze partie komory spalania. Jeżeli mieszanka zapali się w całości, czyli „wybuchnie”, to sprawność silnika (czyli możliwość wykorzystania energii zawartej w paliwie) gwałtownie spada, a jednocześnie wzrasta obciążenie ważnych elementów silnika, co może doprowadzić do jego awarii. Dlatego nie należy dopuszczać do stałego zjawiska detonacji, ale z drugiej strony natychmiastowe ustawienie zapłonu i skład mieszanki paliwowo-powietrznej powinny być takie, aby proces spalania był stosunkowo zbliżony do tych detonacji.

Dlatego od kilku lat nowoczesne silniki wyposażane są w tzw. czujnik stukowy. W tradycyjnej wersji jest to właściwie wyspecjalizowany mikrofon, który wkręcany w blok silnika reaguje jedynie na wibracje o częstotliwości odpowiadającej typowemu spalaniu detonacyjnemu. Czujnik wysyła informację o możliwym stukaniu do komputera silnika, który reaguje zmianą punktu zapłonu tak, aby stuki nie występowały.

Detekcja spalania detonacyjnego może być jednak przeprowadzona w inny sposób. Już w 1988 roku szwedzka firma Saab rozpoczęła produkcję bezrozdzielaczowej jednostki zapłonowej o nazwie Saab Direct Ignition (SDI) w modelu 9000. W tym rozwiązaniu każda świeca zapłonowa ma swoją własną cewkę zapłonową wbudowaną w głowicę cylindrów, a „komputer” tylko wysyła sygnały sterujące do tej cewki. Dlatego w tym układzie punkt zapłonu może być inny (optymalny) dla każdego cylindra.

Jednak ważniejsze w takim układzie jest to, do czego służy każda świeca, gdy nie wytwarza iskry zapłonowej (czas trwania iskry to zaledwie kilkadziesiąt mikrosekund na cykl pracy, a np. przy 6000 obr./min jeden cykl pracy silnika to dwie setne sekundy). Okazało się, że tymi samymi elektrodami można mierzyć przepływający między nimi prąd jonowy. Wykorzystano tutaj zjawisko samojonizacji cząsteczek paliwa i powietrza podczas spalania ładunku nad tłokiem. Oddzielne jony (swobodne elektrony o ładunku ujemnym) i cząstki o ładunku dodatnim umożliwiają przepływ prądu między elektrodami umieszczonymi w komorze spalania, a prąd ten można zmierzyć.

Należy zwrócić uwagę na stopień jonizacji gazu w komorze spalanie zależy od parametrów spalania, tj. głównie od aktualnego ciśnienia i temperatury. Zatem wartość prądu jonowego zawiera ważne informacje o procesie spalania.

Podstawowe dane uzyskane przez system Saaba SDI dostarczyły informacji o stukach i ewentualnych wypadach zapłonów, a także pozwoliły określić wymagany kąt wyprzedzenia zapłonu. W praktyce system dostarczał bardziej wiarygodnych danych niż konwencjonalny układ zapłonowy z tradycyjnym czujnikiem spalania stukowego, a przy tym był tańszy.

Tak zwany system bezrozdzielaczowy z oddzielnymi cewkami dla każdego cylindra jest obecnie szeroko stosowany, a wiele firm już wykorzystuje pomiar prądu jonowego do zbierania informacji o procesie spalania w silniku. Dostosowane do tego układy zapłonowe oferują najważniejsi dostawcy silników. Okazuje się również, że ocena procesu spalania w silniku poprzez pomiar prądu jonowego może być ważnym sposobem badania osiągów silnika w czasie rzeczywistym. Pozwala bezpośrednio wykryć nie tylko nieprawidłowe spalanie, ale także określić wielkość i położenie (liczone w stopniach obrotu wału korbowego) rzeczywistego maksymalnego ciśnienia nad tłokiem. Do tej pory taki pomiar nie był możliwy w silnikach seryjnych. Za pomocą odpowiedniego oprogramowania, dzięki tym danym, możliwe jest dokładne sterowanie zapłonem i wtryskiem w znacznie szerszym zakresie obciążeń i temperatur silnika, a także dostosowanie parametrów pracy urządzenia do określonych właściwości paliwa.