Świeca zapłonowa: nie tylko iskra

Współczesne silniki sterowane są prawie wyłącznie elektronicznie. Sterownik,

zwany popularnie "komputerem" zbiera szereg danych dotyczących pracy jednostki (wymieńmy tu przede wszystkim prędkość obrotową wału korbowego, stopień "wciśnięcia" pedału gazu, ciśnienie powietrza atmosferycznego i w kolektorze dolotowym, temperaturę cieczy chłodzącej, paliwa i powietrza oraz skład spalin w układzie wydechowym przed i za oczyszczającymi je katalizatorami), a następnie porównując te informacje z zapisanymi w swojej pamięci, wydaje polecenia układom sterującym procesem zapłonu oraz wtrysku paliwa oraz położeniem przepustnicy powietrza. Chodzi o to, żeby w każdym momencie pracy silnika punkt zapłonu oraz dawka paliwa dla poszczególnych cyklów pracy były optymalne z punktu widzenia ekonomii, wydajności i ekologii.

**CZYTAJ TAKŻE

**

Wśród danych potrzebnych dla prawidłowego sterowania pracą silnika znajduje się też informacja o występowaniu (lub nie) spalania detonacyjnego. Mieszanka paliwa z powietrzem znajdująca się już w komorze spalania nad tłokiem, powinna spalać się szybko ale stopniowo, poczynając od iskry świecy zapłonowej do najdalszych obszarów komory spalania. Jeżeli mieszanka zapala się w całej swej objętości czyli "wybucha", następuje gwałtowny spadek sprawności silnika (czyli zdolności do wykorzystania energii zawartej w paliwie), a jednocześnie bardzo zwiększa się obciążenie ważnych części silnika, co grozi awarią. Dlatego do trwałego zjawiska detonacji nie można dopuścić, ale z drugiej strony chwilowe ustawienie zapłonu i skład mieszanki paliwa z powietrzem powinny być takie, aby proces spalania był stosunkowo bliski owym detonacjom.

Zatem już od kilkunastu lat współczesne silniki wyposaża się w tzw. czujnik spalania detonacyjnego. W tradycyjnej wersji jest on właściwie specjalizowanym mikrofonem, który wkręcony w kadłub silnika reaguje tylko na drgania o częstotliwości odpowiadającej typowemu spalaniu detonacyjnemu. Czujnik przekazuje informację o ewentualnych detonacjach do komputera silnika, a ten reaguje zmieniając punkt zapłonu, w ten sposób, aby detonacje nie występowały.

Wykrywanie spalania detonacyjnego można jednak zrealizować w inny sposób. Już w roku 1988 szwedzki Saab wprowadził do produkcji w modelu 9000 bezrozdzielaczowy okład zapłonowy o nazwie Saab Direct Ignition (SDI). W rozwiązaniu tym każda świeca ma swoją własną cewkę zapłonową zabudowaną w głowicy silnika, a "komputer" dostarcza do tej cewki jedynie sygnały sterujące. W układzie tym punkt zapłonu może być zatem inny (optymalny) dla każdego cylindra.

Bardziej istotne jest jednak to, do czego w takim układzie służy każda ze świec zapłonowych w czasie gdy nie dostarcza iskry zapłonowej (czas trwania iskry to zaledwie kilkadziesiąt mikrosekund na cykl pracy, a np. przy 6000 obr/min jeden cykl pracy silnika wynosi całe dwie setne sekundy). Okazało się, że te same elektrody można wykorzystać do pomiaru prądu jonowego, przepływającego pomiędzy nimi. Wykorzystano tu zjawisko samoczynnej jonizacji cząsteczek paliwa i powietrza podczas spalania ładunku nad tłokiem. Poszczególne jony (wolne elektrony o ładunku ujemnym) i cząstki o ładunku dodatnim umożliwiają przepływ prądu pomiędzy elektrodami umieszczonymi w komorze spalania i prąd ten można zmierzyć.

Co ważne, stopień wspomnianej jonizacji gazu znajdującego się w komorze

spalania zależy od parametrów spalania, czyli głównie od aktualnego ciśnienia i temperatury. A zatem wielkość prądu jonowego zawiera istotne informacje o przebiegu spalania.

Podstawowe dane uzyskiwane przez system SDI Saaba dostarczały więc informacji o spalaniu stukowym i ewentualnym "wypadaniu" zapłonów, oraz pozwalały określić wymagany kąt wyprzedzenia zapłonu. W praktyce układ dostarczał pewniejszych danych niż klasyczny układ zapłonowy z tradycyjnym czujnikiem spalania stukowego, a przy tym był tańszy.

Obecnie tzw. system bezrozdzielaczowy z indywidualnymi cewkami dla każdego cylindra jest stosowany powszechnie, a zbieranie informacji o procesie spalania w silniku za pomocą pomiaru prądu jonowego stosuje już wiele firm. Układy zapłonowe do tego przystosowane znajdują się w ofercie najważniejszych dostawców osprzętu silników. Okazuje się ponadto, że ocena procesu spalania w silniku za pomocą pomiaru prądu jonowego może stać się najważniejszym sposobem badania pracy silnika w czasie rzeczywistym. Umożliwia ona bezpośrednie wykrycie nie tylko wadliwego spalania, ale też określenie wielkości i położenia (liczonego w stopniach obrotu wału korbowego) rzeczywistego maksymalnego ciśnienia nad tłokiem. Taki pomiar nie był dotychczas możliwy w silnikach produkowanych seryjnie. Stosując odpowiednie oprogramowanie, można dzięki tym danym sterować precyzyjnie zapłonem i wtryskiem w znacznie szerszych zakresach obciążeń i temperatur silnika, a także dostosowywać parametry pracy jednostki do szczególnych własności paliwa.