شمع شرایط کاری، برد، جنس الکترود، شکاف دهانه و…

شمع

• شرایط کارکردی

ساده ترین کاری که از شمع انتظار می رود ایجاد جرقه در محفظه احتراق، برای آغاز احتراق مخلوط هوا-سوخت است. شمع باید بتواند وضعیتی بسیار نا مساعد را تحمل کند تا قادر به ایجاد این جرقه باشد. مثلا یک موتور چهار سیلندر چهار زمانه را، با نسبت تراکم 9 به 1  در نظر میگیریم که در دورهایی تا 5000 دور در دقیقه کار می کند، چرخه چهار زمانه آن در هر 24 میلی ثانیه (0.024 ثانیه) یک بار تکرار می شود:

• در پایان مرحله القا- فشار 0.09 مگا پاسکال و دمای 65 درجه سانتی گراد
• در لحظه جرقه زدن- فشار 0.9 مگا پاسکال و دمای 350 درجه سانتیگراد
• نا مساعد ترین وضعیت در حرکت توان- فشار 4.5 مگا پاسکال و دمای 3000 درجه سانتی گراد
• پس از پایان حرکت انبساط- فشار 0.4 مگا پاسکال و دمای 1100 درجه سانتی گراد.

شمع علاوه بر تحمل وضعیت های نا مساعد بالا، باید ارتعاش شدید و محیط شیمیایی خورنده را نیز تحمل کند. آخرین خصیصه و شاید مهمترین خصیصه ای که شمع باید داشته باشد این است که چینی آن باید ولتاژهایی تا حدود 40 کیلو ولت را تحمل کند.

• ساختمان شمع

در شکل 1 تصویر برش خورده یک شمع مشاهده می شود. الکترود میانی شمع به ترمینال سر شمع متصل است. این الکترود از آلیاژ نیکل ساخته شده است. در بعضی از شمع ها این الکترود از پلاتین و نقره ساخته می شود. برای افزایش رسانش گرمایی یک مغزی مسی در الکترود تعبیه می کنند.

چینی شمع ماده عایقی است که اساس سرامیکی دارد و نوع آن بسیار مرغوب است. اکسید آلومینیم، AL₂O₃ (با خلوص 95 درصد) یکی از مواد مناسب است. این چینی را روی قطعات فلزی می چسپانند و روی آن را لعاب می دهند. ویژگی های چینی شمع به شرح زیر است:

• مدول یانگ برابر 340 کیلو نیوتون بر متر مربع
• ضریب انبساط گرمایی برابر 10^-6 * 7.8 بر درجه کلوین
• رسانندگی گرمایی معادل 5 تا 15 وات بر متر در درجه کلوین (در گستره دمایی 200 تا 900 درجه سانتی گراد)
• مقاومت الکتریکی بالاتر از 10¹³ اهم بر متر

شکل 1

اعداد ذکر شده فقط جنبه راهنما دارند و اعداد واقعی، با تغییرات اندکی در شرایط ساخت، ممکن است به شدت تغییر کنند. درز بند شیشه ای که بین الکترود و پیچ سر شمع قرار می گیرد نقش مقاومت را نیز بازی می کند. این مقاومت دو کارکرد دارد. اول اینکه مانع سوختن الکترود میانی می شود و دوم اینکه از تداخل امواج رادیویی جلوگیری می کند. در هر دو حالت اثر مطلوب به این سبب حاصل می شود که این مقاومت، در لحظه جرقه زدن جریان را میرا می کند.

چنین شمعی را دنده دار می سازند تا جریان از سطح بیرونی آن عبور نکند، زیرا بدین ترتیب فاصله از سر شمع تا رزوه فلزی شمع، که با پیچیدن در موتور اتصال بدنه پیدا می کند، افزایش می یابد.

• برد شمع

با توجه به تنوع و فراوانی خصیصه های ساختمانی موتور، گستره دمایی که شمع ممکن است در معرض آن قرار گیرد، می تواند بسیار گسترده باشد. دمای کاری الکترود میانی شمع بسیار مهم است. اگر این دما بیش از اندازه بالا برود، آن گاه ممکن است پیش اشتعال رخ دهد، یعنی مخلوط هوا-سوخت در اثر گداختگی الکترود شمع مشتعل شود. از طرف دیگر، اگر دمای الکترود بیش از اندازه پایین باشد، آنگاه ممکن است شمع دوده یا روغن بزند، زیرا در دمای پایین رسوب ها نمی سوزند. با گرفتگی دهانه شمع ممکن است مداری موازی با شکاف جرقه ایجاد شود. بر اساس آزمایش و تجربه نشان داده شده است که دمای کاری ایدئال الکترود شمع بین 400 تا 900 درجه سانتی گراد است . در شکل 2 تغییرات دمای الکترود شمع با تغییر توان خروجی موتور نشان داده شده است.

شکل 2

برد گرمایی شمع معیاری از توانایی آن برای دفع گرمای الکترود میانی است. موتوری که گرم کار می کند به شمع هایی نیاز دارد که بار گرمایی بالاتری را تحمل کنند. منظور از گرم یا سرد کار کردن موتور دمای احتراق در آن است، و بازده سیستم خنک کن مد نظر نیست. ظرفیت گرمایی شمع را عوامل طیر تعیین می کنند :

• طول دماغه چینی
• جنس الکترود
• طول رزوه شده
• برجستگی الکترود

همه این عوامل به هم وابسته اند و جای شمع در موتور نیز اثر خاصی دارد.

می دانیم که هرگاه برجستگی الکترود شمع بیشتر شود، احتمال بروز مشکلات ناشی از گرفتگی دهانه شمع در نتیجه کار با توان کم، رانندگی در خیابان های شلوغ و راهبندان و رانندگی در مناطق مرتفع کاهش می یابد. در صورتی می توان برجستگی الکترود شمع را افزایش داد که رسانش گرمایی افزایش یابد و انتقال گرما، در هنگامی که توان خروجی بالا می رود، بهتر انجام می شود.

• جنس الکترود

ماده ای برای ساخت الکترود شمع مناسب است که ویژگی های زیر را داشته باشد :

• رسانندگی گرمایی بالا
• مقاومت زیاد در برابر خوردگی
• مقاومت زیاد در برابر سوختن

در کاربرد های عادی برای ساختن الکترود شمع از آلیاژهای نیکل استفاده می شود. کروم، منگنز، سیلیسیم و منیزیم بعضی از عنصر های آلیاژی هستند که آنها را به نیکل اضافه می کنند. این آلیاژها در برابر خوردگی و سوختن مقاومت خوبی از خود نشان می دهند. برای بهبود رسانندگی گرمایی از الکترود های مرکب استفاده می شود. چنانکه در بخش پیش گفته شد، با استفاده از این آلیاژها می توان برجستگی الکترود را، در گستره دمایی مفروض، افزایش داد. به عنوان نمونه ای از این نوع شمع می توان از شمع مغزه مسی نام برد.

برای کاربرد های خاص از الکترود نقره ای استفاده می شود. ویژگی های الکتریکی و گرمایی نقره بسیار خوب است.در این نوع شمع ها نیز می توان، در صورت ثابت ماندن گستره دما، برجستگی را افزایش داد.

رسانندگی گرمایی بعضی از موادی که در ساخت الکترود به کار می روند به شرح زیر است :

نقره – 407 وات بر متر در درجه کلوین (w/mk)

مس – 384 وات بر متر در درجه کلوین

پلاتین – 70 وات بر متر در درجه کلوین

نیکل – 59 وات بر متر در درجه کلوین

رسانندگی گرمایی میانگین الکترود های مرکب در حدود 200 وات بر متر در درجه کلوین است.

در بعضی از شمع های خاص از نوک های پلاتینی استفاده می شود زیرا مقاومت پلاتین در برابر سوختن بسیار زیاد است. به همین سبب می توان قطر الکترود را نیز کاهش و، در نتیجه، دسترس پذیری مخلوط را افزایش داد. پلاتین اثر کاتالیزوری نیز دارد و فرایند احتراق را شتاب می دهد.

• شکاف دهانه شمع

با افزایش توان سیستم های جرقه زنی، شکاف دهانه شمع نیز به طور کلی افزایش یافته است. بین شکاف دهانه شمع و ولتاژلازم برای جرقه زدن رابطه ساده ای وجود دارد و با افزایش پهنای این شکاف، ولتاژ(صرف نظر از شرایط کار موتور) باید افزایش یابد. به علاوه انرژی قابل حصول برای ایجاد جرقه در دور موتور ثابت، مقداری ثابت است؛ یعنی در صورت پهن تر گرفتن شکاف و استفاده از ولتاژ بالاتر، عمر جرقه کوتاه می شود. هرگاه پهنای شکاف کمتر باشد، عمر جرقه بیشتر می شود. در هنگام موتور گردانی سرد و احتراق مخلوط هوا- سوخت فقیر، عمر جرقه بسیار مهم است. به همین ترتیب شکاف دهانه شمع باید تا حد امکان پهن باشد تا جرقه به آسانی به مخلوط هوا-سوخت دسترسی پیدا کند.

بنابراین در انتخاب نهایی باید از طریق آزمون در هر مورد خاص، وضعیت بهینه را پیدا کرد. در حال حاظر به نظر می رسد که پهنای مناسب شکاف دهانه شمع بین 0.7 و 1.0 میلیمتر باشد.

• شمع با شیار جناغی

شمع با شیار جناغی از ابداعات شرکت NGK است که به منظور جلوگیری از سریع سرد شدن الکترود و تسهیل پیشروی شعله، از سمت جرقه به طرف مخلوط هوا- سوخت، طراحی شده است. برای این منظور در سر الکترود شیاری به شکل «V» ایجاد می کنند. بدین ترتیب جرقه در یک طرف الکترود تشکیل می شود و جبهه شعله بهتر انتشار می یابد و در نتیجه تماس با الکترود میانی و الکترود اتصال بدنه کمتر سرد می شود. در شکل 3 دهانه این نوع شمع، همراه با نمودار مقایسه آن با شمع های معمولی مشاهده می شود.

شکل 3

• انتخاب شمع مناسب

برای تعیین بهترین شمع در هر کاربرد غالبا از دو روش استفاده می کنند. مهمترین عامل موثر در انتخاب شمع گستره دماست. نخستین روش تعیین دمای شمع استفاده از ترموکوپل شمع مطابق شکل 4  است. بدین ترتیب میتوان دما را به دقت اندازه گیری کرد، اما این آزمون را نمی توان روی همه انواع شمع انجام داد. در روش دوم از فن اندازه گیری جریان یونی استفاده می شود. وقتی احتراق آغاز شد، رسانندگی و الگوی جریان در شکاف دهانه شمع نشانه های بسیار خوبی از بار گرمایی وارد بر شمع به شمار می روند. با استفاده از این روش می توان برد گرمایی هر شمع را، با دقت، با هر موتور تطبیق داد و داده هایی نیز در مورد دمای احتراق در موتور تحت آزمون بدست آورد. استفاده از این روش برای پسخورد دادن به سیستم های اداره موتور ، به منظور افزایش دقت کنترل، آغاز شده است.

شکل 4

• پیشرفت های نوین

تکنولوژی شمع عمدتا به صورت تدریجی پیشرفت کرده است. اخیرا گرایش هایی به سوی استفاده از شمع های پلاتینی و ابداع شمعی که کیفیت آن به مدت طولانی (مثلا پس از پیمودن بیش از 80 هزار کیلو متر) ثابت بماند، مشاهده شده است. بوش به تازگی شمعی با دو الکترود اتصال بدنه ابداع کرده است. ادعا می شود که این شمع، هم از لحاظ جرقه زنی بسیار برتر است هم عمر طولانی تری دارد. بی اختیار این پرسش به ذهن انسان می رسد که اگر عمر شمع بیش از اندازه طولانی شود، سرانجام کارخانه سازنده آن چه خواهد بود.