2.7Kpregleda
Sedmog januara 2002. navršilo se tačno sto godina od trenutka kada je Robert Bosch patentirao prvu svjećicu 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 mješavinu vazduha i goriva neposredno pred ulazak u komoru za sagorijevanje.
U komoru se smješa usisava pomoću podpritiska koji klip stvara krećući se ka donjoj mrtvoj tački. Periodični, spoljno određeni trenutak paljenja (za razliku od samopaljenja dizela) preko svjećice pali smješu za trenutak prije nego što klip dodje u gornju mrtvu tačku (GMT) i na taj način započinje proces sagorijevanja.
Ovaj proces se odvija u toku trećeg takta, jedinog radnog takta kod četvorotaktnih motora sa unutrašnjim sagorijevanjem. Nakon što je varnica svjećice zapalila smješu vazduha i goriva, temperatura raste kao rezultat sagorijevanja smješe. Pritisak u cilindru se povećava i gura klip ka donjoj mrtvoj tački (DMT), prenoseći rad preko klipnjače na koljenasto vratilo (radilicu). Ovaj rad stoji na raspolaganju vozaču u vidu snage motora, koja se povećava sa povećanjem njegovog broja obrtaja.
Dakle, paljenje se vrši električnom varnicom, tačnije energijom koju ona posjeduje. Sistem za paljenje u određenim trenucima generiše visoki napon (preko 30.000 volti) koji stvara varnicu između elektroda svjećice u komori za sagorijevanje. Ovako visoki napon se stvara u bobini na principu transformatora. U sadašnjim putničkim automobilima koristi se sistem paljenja sa induktivno akumuliranom energijom.
Ako postoji dovoljno visoki napon, varnica preskače između elektroda svjećice. U trenutku paljenja, napon između elektroda svjećice 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 vrijednosti koja se naziva napon varnice. Vrijeme koje protekne od trenutka stvaranja varnice pa do njenog nestanka zove se trajanje varnice. Ovdje 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 svjećica, 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 vijeka vozila (motora), sistem bio sposoban da stvori sve potrebne uslove za nastanak varnice, odnosno za paljenje smeše.
Zahtjevi za svjećicu
Zahtjevi za svjećicu su ekstremni: ona je izložena i periodičnim promjenama procesa u komori za sagorijevanje i klimatskim uslovima izvan motora. Pred nju se postavljaju četiri vrste zahteva: električni, mehanički, hemijski i temperaturski.
Pod električnim zahtjevima se podrazumijeva da ne smije 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 smije se mijenjati za radnog veka svjećice.
Pod mehaničkim zahtijevima se podrazumijeva da svjećica mora izdržati visoke pritiske (do 50 bar-a) koji se periodično pojavljuju u komori za sagorijevanje i zato moraju, za sve vrijeme svoje eksploatacije, da ostanu gasno nepropusne. Dodatno se zahtijeva velika mehanička čvrstoća svih djelova u spoju, naročito keramike i metalnog tijela svjećice.
Hemijski zahtjevi koji se odnose na vrh svećice moraju biti u potpunosti zadovoljeni, jer taj dio direktno na sebi osjeća proces sagorijevanja 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 svjećicu i mogu promijeniti njene karakteristike.
Pod temperaturskim zahtijevima smatra se da svjećica, odnosno njen keramički dio, mora posjedovati veliku termičku “šok” otpornost, jer će u jednom trenutku naglo primiti toplotu vrelih sagorjelih gasova, a u drugom biti izložena hladnoj smješi goriva i vazduha u taktu usisavanja.
Konstrukcija svećice
Svjećica se sastoji od metala, keramike i stakla. Pažljivim dizajniranjem svjećice dolazi se do potpunog iskorišćenja pozitivnih svojstava ovih materijala. U najvažnije djelove svjećice se ubrajaju spojni provodnik, izolator, tijelo i elektrode.
Spojni provodnik, napravljen je od čelika i gasno nepropusno zalijepljen za izolator ulivanjem specijalnog lijepka u zazor između njih. Ovaj, električno provodljivi, lijepak 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 namijenjen je izolovanju centralne elektrode i spojnog provodnika od tijela svjećice. Radi još boljeg spriječavanja 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.
Tijelo je izrađeno od čelika, a namijenjeno je za učvršćivanje svjećice u glavu motora. Površina tijela je električnim putem presvučena niklom radi zaštite od korozije, da održi navoj slobodan i spriječi da zapekne, pogotovo u aluminijumskim glavama motora. U zavisnosti od uslova ugradnje, svjećica 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 tijelo svjećice i obično ima pravougaoni savijeni oblik. Može biti izrađena 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 vijek trajanja svjećice. Centralna elektroda je gasno nepropusno učvršćena u izolator sa specijalnim elektroprovodljivim lijepkom. Ona ima nešto manji prečnik od otvora vrha izolatora zbog širenja uslijed zagrijevanja. Najčešće korišćen materijal za izradu centralne elektrode običnih svjećica 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 mjeru dužine staze varnice. Što je zazor manji, to je potreban manji probojni napon. Obično se ova vrijednost kreće oko 0,7-1,1 mm kod motora sa karburatorom, dok kod sistema za elektronsko ubrizgavanje i paljenje goriva ova vrijednost 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 svjećice.
Termičke karakteristike svećice
Toplotni opseg svjećice je mjera termičke opteretivosti svećice (motora) i on mora odgovarati karakteristikama svjećice (motora). Ovaj termin je od presudne važnosti za izbor odgovarajuće svjećice za jedan motor.
Radna temperatura svjećice je temperatura koju svjećica dostiže u toku rada motora i ona predstavlja ravnotežu između primljene količine toplote (od upaljene smješe) 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 svjećice od naslaga čađi i nesagorjelog ugljenika, a gornja, najvišom temperaturom pri kojoj neće doći do samopaljenja smješe (uslijed njenog kontakta sa zagrijanim djelovima svjećice). Osnovni razlog zbog koga se ne može jedan isti tip svjećice koristiti u svim motorima leži u činjenici da motori većih snaga oslobađaju veću količinu toplote i imaju višu temperaturu komore za sagorijevanje, nego motori manjih snaga. Zato i postoje, grubo govoreći, dva osnovna tipa svjećica, “topla” i “hladna“.
Važno je podvući da najveći dio primljene toplote iz komore (oko 80 %) svjećica sa vrha izolatora provodi preko svog unutrašnjeg zaptivnog prstena na tijelo svjećice, odakle se ona dalje, preko navojnog spoja, prevodi na glavu motora. Kod “tople” svjećice vrh izolatora je maksimalnom svojom dužinom u kontaktu sa vrelim gasovima iz komore za sagorijevanje. Koristi se kod motora manjih snaga jer mu je (vrhu) potrebna veća količina toplote da bi se zagrijao i “ušao” u svoj radni temperaturski opseg.
Kod “hladnih” svjećica stvari stoje sasvim obrnuto (slika 4). Različite dužine slobodnog vrha izolatora utiču na različit toplotni opseg svjećice. Da bi bilo jasnije o kojoj se svjećici radi, toplotni opseg se obilježava brojem koji se naziva toplotna vrijednost svjećice. Niži brojevi toplotne vrijednosti (npr. 2…4) znače “hladne” svjećice sa malim prijemom toplote kroz kratki vrh izolatora, dok viši brojevi toplotne vrijednosti (npr. 7…10) znače “tople” svjećice sa velikim prijemom toplote kroz dugi vrh izolatora.
Nenormalni radni uslovi svećice
Nenormalni radni uslovi, koji se mogu pojaviti u toku sagorijevanja smješe, mogu nepopravljivo oštetiti motor i svjećicu. Ovdje podrazumijevamo one najosnovnije anomalije kao što su: samopaljenje smješe, odnosno, njeno detonativno sagorijevanje.
Samopaljenje smješe nastaje zbog lokalnog pregrijevanja (pri punom opterećenju) vrha izolatora svjećice, izduvnog ventila, ispupčenih djelova glave cilindra kao i izdvojenih čestica taloga. Ovo je nekontrolisani proces paljenja pri kome temperatura u komori za sagorijevanje može naglo porasti tako da nanese ozbiljne štete i svjećici i ostalim djelovima motora.
Napomenimo da samopaljenje NIJE isto što i detonacija odnosno “dizelovanje”. Detonacija je nekontrolisano sagorijevanje sa veoma strmim porastom pritiska. Prouzrokovano je spontanim paljenjem djelova smješe koji još nisu bili zahvaćeni prostornim širenjem fronta plamena zapaljenog svjećicom.
Sagorijevanje se vrši nekoliko (desetina) puta brže od normalnog (postepenog) sagorijevanja. Javljaju se oscilacije pritiska sa veoma velikim amplitudama i visokom frekvencijom. Kao posledica javlja se pregrijevanje djelova motora.
Efekti detonacije na svjećici 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 svjećica za proteklih sto godina napravile ogroman korak u smjeru usavršavanja motora sa unutrašnjim sagorijevanjem. 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 svjećica.
pmlautomobili
Dodaj komentar
