Świeca zapłonowa, SZKOŁA, FIZYKA, wynalazki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Świeca zapłonowa
Już przed rokiem 1902 spod ręki licznych pionierów motoryzacji wyszło kilkadziesiąt
różnych silników spalinowych. Jak sobie radzono z zapłonem? - różnie.
Początki należą do tzw. zapłonu brzęczykowego, zwanego bardziej fachowo induktorem.
Istota jego działania polegała na ciągłym i niekontrolowanym przeskoku iskry między
elektrodami, powodującym zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej. Jakże daleko było mu
do współczesnych rozwiązań, w których moment przeskoku i wielkość iskry są wyliczone
do setnych części sekundy i dziesiątej części milimetra. Zapłon ten podczas pracy
dobywał z siebie charakterystyczny brzęk, stąd zrodziła się jego nazwa. Takie urządzenie,
bardzo powszechne na przełomie stuleci, wykorzystał jeden z prekursorów motoryzacji
Carl Benz
w swoim pojeździe z 1885 roku. Zapłon brzęczykowy przypominał jednak
permanentną loterię: zapali, nie zapali. Dlatego musiał odejść w mrok dziejów. Dlaczego
zatem przy tak zawodnym urządzeniu pierwsze automobile w ogóle jeździły? Ponieważ
napędzały je niskoobrotowe silniki (z wałem korbowym obracającym się około 300-500
razy na minutę). Im mniej cykli pracy silnika w ciągu minuty, tym łatwiej było wcelować
z przeskokiem iskry w odpowiedni moment. Przy dzisiejszych silnikach zdolnych do kilku
tysięcy obrotów na minutę, zapłon brzęczykowy nigdy nie sprostałby swemu zadaniu.
Innym rozpowszechnionym w przeszłości patentem był zapłon termiczny (inaczej
żarowy). Dłużej utrzymał się w pojazdach użytkowych niż w autach osobowych. Jego
serce stanowiła specjalna niechłodzona powierzchnia komory silnika zwana często
zapłonnikiem. Przed uruchomieniem silnika trzeba było go nagrzać płomieniem, aby
doprowadzić do zapłonu mieszaniny paliwa z powietrzem. Później, już podczas pracy
silnika, spaliny opuszczające komorę cylindra rozżarzały zapłonnik, który ponownie
zapalał mieszankę paliwową. Zapłon termiczny bardziej już nadawał się do użycia w
szybkoobrotowym silniku spalinowym niż jego brzęczący poprzednik. Był jednak
kłopotliwy w eksploatacji, zaś silnik z takim zapłonem zużywał dużo paliwa.
Za wynalazcę świecy zapłonowej uważa się Niemca Roberta Boscha. Już w 1902 roku
rozpoczął on seryjną produkcję tego urządzenia. Jednak to Louis Renault, współzałożyciel
francuskiej firmy, wpadł na pomysł, aby je wkręcać do komory silnika.
Boschowi pomógł wynalazek Honolda. Jako pierwszy na początku minionego wieku
opatentował on wysokonapięciowy iskrownik. Dla wywołania przeskoku iskry elektrycznej
wystarczy bowiem napięcie rzędu 5 tysięcy Voltów. Jednak im wyższe napięcie, tym
większa moc iskry i pewniejszy zapłon mieszanki. Tak więc przyszłość należała do świec
wysokonapięciowych.
Z biegiem czasu zmieniał się także materiał, z którego wykonywano izolator świecy. Ma
on sprawiać, by wyładowanie w postaci iskry nastąpiło dokładnie w cylindrze. Izolator
świecy zapłonowej trzeba więc było wykonać z takiego materiału, który nie przewodzi
prądu. Początkowo robiono go z łojku, potem z miki lub porcelany, by wreszcie zastąpić
je tworzywem ceramicznym o nazwie steatyt. Ten w latach 30-tych został zaś wyparty
przez tworzywo o nazwie piranit. Dlaczego zdecydowano się na kruchą przecież
ceramikę? Ponieważ tylko ona była odporna na ekstremalnie wysokie temperatury,
gwarantując trwałość świecy, a także znakomicie usztywniając całe urządzenie.
Niebagatelną sprawą była także liczba elektrod zewnętrznych. W swojej klasycznej
postaci iskra w świecy zapłonowej przeskakuje między elektrodą środkową a zewnętrzną.
Jednak im wyższa liczba elektrod zewnętrznych, tym więcej możliwych, jak najkrótszych
dróg dla przeskoku iskry, a co za tym idzie - pewniejszy zapłon. Ponadto jeżeli jedna z
elektrod jest utleniona lub zanieczyszczona (np. osadem w postaci nagaru powstającego
w wyniku spalania paliwa), to zawsze druga elektroda może przejąć do siebie iskrę. Na
początku lat 20. amerykański Champion jako pierwszy producent na świecie wprowadził
świece zapłonowe z dwiema zewnętrznymi elektrodami, głównie z myślą o silnikach
przemysłowych. Dekadę później ta sama firma przedstawiła świecę z czterema już
zewnętrznymi elektrodami. Z czasem pojawiało się coraz więcej modyfikacji. W
samochodach wyczynowych zaczęto stosować świece, których elektrody były wykonane
ze srebra, a nawet platyny. Zapewniało to żywotność świec nawet na dystansach do 100
tysięcy kilometrów. Dziś coraz częściej stosuje się więc świece z elektrodami pokrytymi
cienką warstwą platyny i dzięki temu wymienia się je rzadziej, a silniki pracują bez
zakłóceń.
Niepozorna na pierwszy rzut oka współczesna świeca zapłonowa jest urządzeniem, które
musi sprostać nie lada próbie. Wytrzymując w silniku dystans co najmniej 20-30 tys.
kilometrów musi wytworzyć ponad 20 milionów iskier. I to wszystko pod różnicą ciśnień
dochodzącą do 50 barów oraz w temperaturze sięgającej 3 tysięcy stopni Celsjusza.
W latach 70-tych pojawiła się świeca zapłonowa z rdzeniem
miedzianym
mocniej
wysuniętym do komory spalania. Takie rozwiązanie zapewniało pewniejszy zapłon i
lepsze samooczyszczanie świecy w wyższych temperaturach.
Ostatnie dwie dekady XX wieku to próby z zapłonem plazmowym, który być może kiedyś
wyeliminuje tradycyjne świece zapłonowe. Mieszanka paliwowo-powietrzna zapala się od
plazmy (całkowicie zjonizowany gaz), która wytwarzana jest w specjalnym generatorze.
Umożliwia to zapłon ubogiej mieszanki, czyli takiej, w której jest dużo więcej powietrza
niż paliwa.
Według:
Gazeta.pl
[ Pobierz całość w formacie PDF ]