Silniki Diesla są silnikami o zapłonie samoczynnym. Aby nastąpił zapłon, konieczne jest jednak spełnienie pewnych warunków. Przy niskich temperaturach zewnętrznych w silniku wysokoprężnym brakuje odpowiedniej temperatury w komorach spalania do zainicjowania samozapłonu oleju napędowego. Podczas uruchamiania silnika w cylindrach następuje sprężanie mieszanki powietrza z paliwem.

Wzrasta temperatura gazu, jednak zimne powietrze dolotowe i straty ciepła w chłodnych cylindrach uniemożliwiają osiągnięcie temperatury zapłonu mieszanki. Samozapłon nastąpi dopiero przy temperaturze w komorze spalania powyżej 750°C, a takiej wartości diesel nie osiągnie bez dostarczenia ciepła. Warunkiem uruchomienia jeszcze chłodnego silnika jest wstępne ogrzanie powietrza dolotowego lub zainstalowanie źródła ciepła w komorze spalania. W silnikach wysokoprężnych samochodów osobowych jako element wspomagający zimny rozruch sprawdziły się świece żarowe. Podczas uruchamiania silnika część grzewcza świecy żarowej, która wystaje do komory spalania, osiąga temperaturę ok. 850°C. Wtryśnięte do komory paliwo odparowuje, a wydzielające się ciepło inicjuje spalanie.

Zapłon oleju napędowego w niskich temperaturach potrzebuje dużej ilości energii – zwłaszcza jeśli silnik ma się szybko uruchomić. Świeca może być również przedmuchiwana zimnym powietrzem, gdy tłok zassie je do komór wstępnego spalania lub spalania podczas rozruchu. Udany zapłon wymaga jednak czegoś więcej niż tylko świecącej plamki na końcówce świecy żarowej. W tym środowisku świeca może działać tylko wtedy, gdy ma wystarczające rezerwy – czyli kiedy powierzchnia grzania jest odpowiednia, aby móc od razu wtłoczyć ciepło do strefy zimnego nadmuchu.

W nowych pojazdach samoregulujące świece żarowe z dwiema spiralami – grzejną i regulacyjną (zwaną też kompensacyjną) – wyparły w dużym stopniu inne świece żarowe, takie jak świece żarowe z drutem grzejnym czy z pojedynczą spiralą.

Budowa i właściwości świec żarowych prętowych

Świeca żarowa zasadniczo składa się z korpusu, pręta grzewczego z cewką grzewczą i regulacyjną oraz śruby łączącej. Odporny na korozję pręt grzewczy jest szczelnie wciśnięty w obudowę. Dodatkowo świeca uszczelniona jest o-ringiem w części łączącej. Świeca żarowa pobiera energię elektryczną z akumulatora, a elektroniczny regulator steruje czasem jej dogrzewania.

Raven Media – Bogdan Kruk

Podstawowa zasada działania świecy żarowej prętowej polega na połączeniu cewki regulacyjnej i cewki grzewczej w jeden wspólny element oporowy. Spirala grzejna tworzy strefę grzejną z częścią pręta grzejnego. Cewka kompensacyjna ma tę właściwość, że jej rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Powoduje to regulację prądu i temperatury (charakterystyka PTC – termistor o dodatnim współczynniku temperaturowym).

Obie spirale mają dodatnie, ale różne współczynniki rezystancji wysokotemperaturowej. Cewka regulacyjna ma wyższy współczynnik i jest przymocowana do śruby łączącej, przewodzącej prąd. Spirala grzewcza ma niższy współczynnik i połączona z końcówką rurki grzewczej.

W niektórych świecach żarowych spirala kompensacyjna wykonana jest ze stopu, którego rezystancja gwałtownie wzrasta w temperaturze powyżej 400°C. Pozwoliło to na zaprojektowanie cewki w taki sposób, aby podczas rozruchu silnika wysokoprężnego umożliwiła przepływ dużego prądu do spirali grzewczej. Temperatura zapłonu oleju napędowego jest błyskawicznie osiągana i utrzymywana w dopuszczalnym dla świec żarowych zakresie. Dzięki zastosowaniu różnych długości, średnic i grubości drutu cewek grzewczych i regulacyjnych można zmieniać czasy nagrzewania i temperatury żarzenia świecy oraz dostosowywać je do wymagań danego typu silnika.

Cała spirala umieszczona jest w zagęszczonym proszku (tlenek magnezu), który ma odpowiednie właściwości izolacyjne (elektryczne), ale jednocześnie jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła. W procesie produkcji element grzejny jest umieszczony w świecy i zostaje trwale sprasowany z mączką – wygląda jakby był odlany w betonie. Cienkie druty cewek są trwale zabezpieczone przed wibracjami. Poszczególne uzwojenia są oddalone od siebie o zaledwie kilka dziesiątych milimetra. W żadnym przypadku nie może dojść do zwarcia między nimi, a już na pewno do zwarcia z rurką grzejną, ponieważ zniszczyłoby to świecę.

Ochrona przed przegrzaniem

Elektronicznie sterowane dogrzewanie wstępne świec żarowych rozpoczyna się po przekręceniu kluczyka w stacyjce. Początkowo podczas podgrzewania przez śrubę przyłączeniową i cewkę sterującą przepływa duży prąd, który bardzo szybko nagrzewa cewkę grzewczą i powoduje podgrzewanie rurki grzewczej. Powierzchnia żarzenia bardzo szybko się zwiększa, więc już po 2–5 s pręt grzewczy jest cały rozgrzany. Dodatkowo wzrasta temperatura spirali sterującej, która jest już wstępnie nagrzana przez przepływający prąd. W wyniku wzrostu temperatury zwiększa się rezystancja elektryczna cewki, powodując zmniejszenie wartości prądu, dzięki czemu pręt grzewczy nie ulegnie uszkodzeniu. Przegrzanie świecy żarowej podczas wstępnego nagrzewania jest więc niemożliwe.

Samoregulujące świece żarowe prętowe zabezpiecza się w ten sposób przed przegrzaniem, ograniczając prąd przepływający z akumulatora do świecy w miarę wzrostu temperatury cewek. Jeśli kierowca nie uruchomi samochodu, po pewnym czasie czuwania świece zostaną wyłączone przez elektroniczny regulator.

W przypadku współczesnych silników wysokoprężnych działanie świec żarowych nie kończy się, gdy uruchamiana jednostka podejmie pracę. Dzięki temu silniki szybciej się nagrzewają i lepiej pracują niż silniki starszych typów. Żarzenie świec żarowych po zakończonym rozruchu w początkowej fazie wpływa na redukcję białego i niebieskiego koloru spalin oraz zapobiega charakterystycznemu klekotaniu jednostek wysokoprężnych. Po uruchomieniu silnika wzrasta napięcie wytwarzane przez alternator. Część świec żarowych może ulec uszkodzeniu. Dodatkowo po uruchomieniu silnika rozgrzane świece są podgrzewane z dwóch stron, zarówno od wewnątrz, jak i od zewnątrz. Świece żarowe z funkcją dogrzewania działają sprawnie przy pełnym napięciu alternatora. Charakteryzują się one szybkim wzrostem temperatury, jednak dzięki zastosowaniu sprali kompensacyjnej następuje obniżenie temperatury do poziomu, jaki mają świece bez przedłużonego dogrzewania.

Czas dogrzewania się do 3 minut

Czas trwania dogrzewania zależy przede wszystkim od temperatury w komorze spalania. W przypadku zimnego silnika dochodzi jednak do szczególnie dużej emisji szkodliwych substancji i głośnej pracy silnika, dlatego w takich sytuacjach dogrzewanie powinno trwać dłużej. Temperatura silnika mierzona jest najczęściej przez czujnik temperatury płynu chłodzącego. Regulator steruje załączeniem świec żarowych do momentu, aż temperatura wody chłodzącej osiągnie 60°C. W nowoczesnych silnikach Diesla i w temperaturach zewnętrznych do -30°C następuje to zazwyczaj w ciągu 3 minut od momentu uruchomienia silnika. Jeżeli temperatura wody przekracza 60°C jeszcze przed uruchomieniem pojazdu, podgrzewanie świec nie jest załączane. 

Elektronika na szybki start

Producenci samochodów dążą do tego, aby uruchomienie silnika odbyło się od razu po przekręceniu kluczyka w stacyjce. Oznacza to rozruch bez specjalnego czasu nagrzewania komory spalania. Coraz krótszy czas uruchomienia jednostek wysokoprężnych nie powinien jednak wpływać na zwiększenie obciążeń urządzeń i instalacji elektrycznej pojazdu. Ponadto musi być dostosowany do wymogów OBD (On-Board Diagnostics – diagnostyka pokładowa), którego zadaniem jest bieżąca ocena pracy silnika w celu wykrycia niesprawności podzespołów pojazdu, które mogą powodować zwiększenie ilości emitowanych składników toksycznych spalin powyżej wartości dopuszczalnych, określonych w normach. 

W celu spełnienia powyższych wymagań producent świec Beru opracował układ szybkiego rozruchu ISS (Instant Start System), w którym system żarzenia składa się z jednostki sterującej i elektronicznie sterowanych świec żarowych. Mikrokontroler w układzie sterującym reguluje wartość napięcia na świecach żarowych w zależności od czasu i napięcia – dzięki czemu uzyskuje się krótki czas nagrzewania i kontrolowane grzanie.

Według producenta czas nagrzewania do temperatury 1100°C skrócił się do 2 s, a sprawny rozruch, stabilna praca i niski poziom emisji zanieczyszczeń są możliwy nawet w temperaturze -25°C. Świece ISS są udoskonaleniem samoregulujących się stalowych świec żarowych prętowych. Elektroniczne sterowanie dotyczy wszystkich faz pracy świecy żarowej – grzania wstępnego, rozruchowego i dogrzewania. Czas podgrzewania takich świec wynosi zaledwie 2 s w porównaniu z 5 s w przypadku świec tradycyjnych. Wymagają one zdecydowanie mniejszej ilości prądu, zarówno w fazie nagrzewania, jak i w fazie podtrzymania. 

Każda świeca żarowa sterowana jest indywidualnie, temperatura i pobór prądu nie zależą tylko od jej wewnętrznej budowy. Moduł świec żarowych jest decydującym elementem w procesie prawidłowego rozruchu zimnego silnika. Sterownik decyduje o temperaturze spirali i czasie załączenia przepływu prądu zależnie od typu silnika. Reguluje on również wartość napięcia w różnych fazach rozruchu pojazdu. W początkowej fazie (kiedy silnik jeszcze nie jest rozgrzany) podaje z alternatora przez okres 2 s prawie pełne napięcie (ok. 11,5 V). W tym czasie odbywa się błyskawiczne nagrzanie świecy żarowej. Następnie sterownik dokonuje stopniowego zmniejszania napięcia do 5,3 V dla pracy ciągłej silnika. Zmiana poboru mocy następuje poprzez regulację (modulację szerokości impulsu) prądu świecy żarowej za pomocą tranzystorowego stopnia wyjściowego.

Każda ze świec sterowana jest przez przydzielony element półprzewodnikowy, a prąd w obwodzie żarzenia monitorowany jest oddzielnie. Sterownik reguluje napięcie każdej świecy żarowej z osobna, dzięki czemu możliwe jest kontrolowanie zadanych parametrów podczas grzania w trakcie rozruchu silnika i podczas fazy dogrzewania. Zapewnia to stabilną pracę silnika na biegu jałowym, płynne reagowanie na obciążenia, a tym samym niższą emisję spalin.

Uszkodzenia świec żarowych

Świece żarowe są narażone na usterki mechaniczne, które mogą prowadzić do awarii silnika. Specyficzny wygląd elementu grzejnego świec żarowych prętowych pozwala na wyciągnięcie wniosków dotyczących przyczyny uszkodzeń.

Nie zawsze jednak tylko świece są przyczyną usterek eksploatacyjnych. Przepalanie, uszkodzenie końcówek prętów grzewczych lub przerwanie żarnika są zazwyczaj wynikiem awarii dyszy wtryskiwacza, przepięcia w wyniku zewnętrznego rozruchu lub innych przyczyn. W przypadku stwierdzenia uszkodzenia świec żarowych ważne jest ustalenie przyczyny uszkodzenia i jej skuteczne wyeliminowanie, aby nie dopuścić do powtórnej usterki.

Najczęstsze przyczyny uszkodzenia świec żarowych

Nadtopiony lub ułamany pręt grzejny
Przyczyna. Przeciążenie termiczne spowodowane zbyt wczesnym rozpoczęciem wtrysku mieszanki, zatkaniem lub niedomknięciem się dysz spryskiwaczy. Możliwe są również zbyt wysoki poziom oleju spowodowany brakiem odpowietrzenia skrzyni korbowej lub zapieczone pierścienie tłokowe.
Rozwiązanie. Należy sprawdzić układ wtryskowy i dokładnie ustawić kąt wyprzedzenia wtrysku oraz sprawdzić, czy poziom oleju nie jest za wysoki, skontrować stan pierścieni tłokowych.

Pręt grzejny uszkodzony przez cewkę
Przyczyna. Przeciążenie termiczne spowodowane pracą świecy żarowej podczas skoków napięcia, np. w trakcie rozruchu awaryjnego przy pomocy źródła zewnętrznego. Uszkodzenie może wystąpić również w trakcie zbyt długiego ładowania akumulatora z powodu zablokowania przekaźnika. Niedopuszczalne jest także żarzenie się świecy podczas pracy silnika lub zbyt wczesne rozpoczęcie wtrysku, ponieważ skutkuje to kruszeniem się końcówki pręta grzejnego. 
Rozwiązanie. Należy unikać nieprawidłowej pracy silnika. Sprawdzić układ wtrysku dysz i podgrzewania wstępnego.

Korpus świecy żarowej ze zbyt małą szczeliną pierścieniową
Przyczyna. Użyto zbyt dużego momentu podczas dokręcania. Zbyt mała szczelina spowoduje przeniesienie ciepła ze spirali regulacyjnej na metalową obudowę. W takiej sytuacji spirala regulacyjna nie będzie w stanie regulować przepływu prądu.
Rozwiązanie. Podczas dokręcania należy bezwzględnie przestrzegać momentu obrotowego podanego przez producentów samochodów. Nie należy oliwić ani smarować gwintów.

Mechaniczne uszkodzenie śruby przyłączeniowej lub korpusu
Przyczyna. Gwint śruby uszkodzony w wyniku zastosowania zbyt dużej siły podczas dokręcania. Uszkodzenie sześciokątnego korpusu ze względu na użycie niewłaściwych narzędzi. W wyniku odkształcenia korpusu świecy żarowej możliwe jest zwarcie z okrągłą nakrętką.
Rozwiązanie. Należy dokręcać nakrętkę mocującą przyłącze elektryczne kluczem dynamometrycznym zgodnie z zaleceniami producenta pojazdu. Nie wolno oliwić ani smarować gwintu. Nie należy dokręcać wtyczki kluczem nasadowym ani oczkowym. 

Charakterystyczny odgłos pojawiający przy rozruchu silnika Diesla wynika ze zwiększonego opóźnienia zapłonu, gdy silnik jest jeszcze zimny. Niestety im chłodniejsza jednostka, tym większe opóźnienie zapłonu, mieszanka paliwowa nagle się zapala i silnik zaczyna stukać. Świece żarowe szybciej nagrzewają silnik do temperatury roboczej, a tym samym redukują poziom stukania.

Grzanie w trakcie rozruchu oraz dogrzewanie komory spalania powodują, że paliwo spala się bardziej równomiernie i do końca. W ten sposób uwalnia się więcej energii, a temperatura w komorze spalania rośnie szybciej. Do czasu osiągnięcia właściwej temperatury zapłonu silnik wydala spaliny koloru białego lub niebieskiego. Taka barwa spalin spowodowana jest niecałkowitym spalaniem mieszanki paliwowej w wyniku zbyt niskiej temperatury zapłonu. Dogrzewanie powoduje pełniejsze spalanie paliwa i ogranicza spaliny nawet o 40%.