تشريح شمع خودرو

بررسي شمع خودرو

مشكلات موجود براي جرقه زني مناسب : در موتور بنزيني ولتاژ بالاي توليد شده در كوئل يك جرقه در دهانه شمع با استفاده از تخليه الكتريكي بوجود مي آورد كه باعث اشتعال سوخت موجود در اين ناحيه مي گردد. حرارت اين شعله كوچك (Flame Kernel Core) باعث گرم شدن مولكول هاي سوخت اطراف آن شده ودر صورت كافي بودن حرارت ،آنها را مشتعل مي سازد و در نتيجه شعله بزرگتر شده و نهايتا جبهه آن به لايه هاي اطراف گسترش يافته و در سر تا سر محيط داخل اتاق انفجار منتشر مي گردد و انرژي شيميايي سوخت آزاد و انبساط هواي فشرده ناشي از گرماي انفجار پيستون را به پايين رانده و موتور به حركت در مي آيد.

در طراحي موتور هاي جديد سعي بر آن است كه موتور با سوخت رقيق(Lean Mixture ) كار كند، گراني بنزين و همچنين قوانين سخت محيط زيست از عوامل اصلي اين روند مي باشند، لذا طراحان نيروي موتور خود را با افزايش ضريب تراكم واستفاده از تكنولوژي هاي جديد مانند VVTI ,Vetch و از اين قبيل بدست مي آورند. مشكلي كه اينگونه موتور ها براي كاركرد شمع هاي عادي بوجود مي آورند اين است كه مقدار سوخت براي شعله ابتدايي و بعد لايه هاي اطراف كم است و لذا احتمال خاموشي شعله و احتراق ناقص پديد مي آيد. البته لازم به ذكر است درخودرو هاي قديمي كاربراتوري نيز بعضي از دوستان براي كاهش مصرف اقدام به تنگ كردن ژيگلور هاي سوخت مي كنند كه آنها هم با اينكار با همين مشكل روبرو خواهند شد و بوي بنزين خام ساطع از اين خودرو ها به همين دليل مي باشد. خاموشي شعله ( Quenching) : در ساختار خود شمع نقاطي مانند الكترود ها بخصوص الكترود منفي مانند چاه حرارتي عمل مي كنند،بدين شكل كه اين نقاط خود گرماي شعله اوليه را جذب و از حرارت آن مي كاهند و در بعضي از موارد باعث خاموشي شعله اوليه مي گردند.

ضريب تراكم و شرايط كاركرد سخت : در اتاق انفجار بدليل بالا بودن ضريب فشردگي حجم سيال موجود و نيز بالا بودن حرارت، مقاومت الكتريكي بالا رفته وهمواره شمع براي جرقه زني با مشكل روبرو مي باشد. به خصوص اينكه دهانه شمع هاي عادي پس از مدت كوتاهي به دليل مصرف شدن الكترود ها باز و بازتر مي شوند و با بالا رفتن ولتاژ مورد نياز براي جرقه زني كار سخت تر مي شود چرا كه ولتاژ ثابت است. پس مي بينيم كه با توجه به شرايط موجود در داخل شمع و اتاق انفجاربدون در نظر گرفتن ضعف هاي احتمالي موجود در كل سيستم جرقه مثل واير نامناسب و غيره احتمال از دست دادن جرقه و افت توان موتور و پايين آمدن راندمان آن در ازاي مصرف سوخت بسيار بالاست. فلزات گرانبها : تنها راه مواجه با اين شرايط سخت بدون دست بردن در كل سيستم احتراق كه معمولا گرانقيمت و پيچيده هستند به كار بردن شمع هايي است كه بتوانند با ولتاژ ثابت جرقه قوي تر و با دقت بالا تردر زمان مناسب فراهم آورند، لذا مهندسين به سراغ فلزات گرانبهايي چون ايريديم ، پلاتينيوم ،اوسميم بنا به خواص خارق العاده آنها رفتند و در ساخت شمع هاي جديد به جاي استفاده صرف از نيكل و ايتريم و آلياژ هاي آنها از فلزات جديد با خواص جديد و با كمك تكنولوژي هاي جديد استفاده كردند.

در جدول مي توانيد خواص اين فلزات را با يكديگر مقايسه كنيد. شمع هاي سوزني : بكار گيري نسل جديد شمع با ساختار سوزني به دليل نياز به ولتاژ پايين تر براي جرقه زني و نيز كاهش امكان خاموشي شعله و همچنين بوجود آوردن شعله گرمتر اوليه و احتراق مطمئن تر از دستاورد هاي جديد اين صنعت مي باشد.

همانطور كه در تصاوير مشخص است بنا به خاصيت تمركز الكترون ها در سر سوزني شكل الكترود مثبت امكان تخليه الكتريكي در دهانه باز تر شمع با همان ولتاژ قبلي فراهم است. بازتر بودن دهانه شمع و جرقه بلند تر شعله گرمتر و در نتيجه احتراق مطمئن تر را حاصل مي كند .

البته براي امكان جرقه زني بهتر بر روي سر الكترود منفي براي ايجاد رسانايي بهتر و تخليه الكتريكي قوي تر بعضي از كارخانجات از فلزات گرانبها استفاده مي كنند.همچنين به دليل كوچكتر شدن سطح تماس شعله با الكترود مياني و نيز با كونيك شدن سر الكترود منفي (Taper cut) احتمال وقوع خاموشي شعله يا كوئنچينگ بسيار پايين مي آيد. تا به حال براي توليد شمع هاي سوزني كه عمدتا داراي الكترود مثبتي به قطر4/0 تا 7/0 ميليمتر هستند مي بايست از ابزار بسيار دقيق براي توليد آنها استفاده كرد. اين عمل با ليزر ياگ تحقق مي يابد. بطور مثال كارخانه ولكر براي جوش الكترود مياني از 6 نقطه حول 360 درجه و از 40 نقطه براي جوش سر الكترود منفي استفاده ميكند.

همچنين امكان توليد چنين قطعات ريزي با استفاده از خواص اين فلزات مثل نقطه ذوب آنها ميسر شده است. با اين حال بعضي از كارخانجات براي بالا بردن خواص فلزي مثل ايريديم با استفاده از عنصر راديم و گاهي اوسميم اقدام به ساخت آلياژ هاي جديد مي نمايند. اين آلياژ ها با استفاده از تكنولوژي نانو كريستال در محيط گاز هيدروژن و در دماي 2400 درجه سانتيگراد توليد مي شوند و نه تنها امكان توليد شمع هاي جديد را به وجود مي آورند بلكه با بالا رفتن نقطه ذوب و سختي الكترود مياني كاركرد غير باور نكردني 160000 كيلومتري را براي شمع فراهم مي كنند. همانطور كه ذكر شد در اثر جرقه زني الكترود ها ذوب و بخار مي شوند و در نتيجه دهانه شمع از حالت استاندارد خارج مي شود حال اگر اين دهانه ثابت باشد شمع مي تواند به كاركرد خود ادامه دهد.اين مزيت در موتور هاي جديد كه بعضا دسترسي به شمع آنها بدليل محدوديت فضاي زيردرب موتور سخت است و تعويض شمع اجرت بالايي را در بر دارد مطلوب تر است. همچنين به دليل ثابت ماندن دهانه شمع تنظيم موتور مدت بيشتري دوام داشته و ثابت مي ماند و همچنين به دليل يكنواخت تر بودن جرقه زني دور آرام بهتري فراهم خواهد آمد. نكته حائز اهميت با استفاده از شمع هاي سوزني اين است نياز به ولتاژ پايين تر براي كاركرد آنها از فشار جريان الكتريكي در كل سيستم جرقه را نيز كمتر كرده و بر طول عمر آنها مي افزايد. همچنين با كمك جرقه گرمتر و بهسوزي سوخت وارده و نيز از دست نرفتن فرصت هاي جرقه زني و داشتن سيكل هاي قدرت بيشتر با يك استدلال ساده افزايش قدرت موتور و كاهش مصرف سوخت نسبت به شمع هاي عادي قابل پيش بيني است. همچنين كارخانجات معتبر با تست خودرو بر روي داينامومتر اين استدلالات را در واقعيت تست و نتايج را منتشر كرده اند. با افزايش بهسوزي و احتراق كاملتر از آلايندگي هاي اگزوز كاسته و نتيجه آن كاهش آلودگي هوا و نيز افزايش عمر سيستم كاتاليزور اگزوزمي شود. عمدتا كاتاليزور ها با رسوب ذرات نسوخته ، گرفته و موجب خروج با مشكل گاز هاي خروجي موتور ، كم شدن كارآيي موتور و فشار آوردن به اجزاي موتور مي گردد.

بازه حرارتي شمع (HEAT RANGE) : يكي از مهمترين وظايف شمع خودرو به غير از جرقه زني انتقال حرارت مناسب گرما از درون اتاق انفجار به بيرون مي باشد. همانطور كه از عكس پيداست اين حرارت بيشتراز طريق رزوه ها كه با ناحيه سر سيلندر در تماس است به بيرون هدايت مي گردد،مقدار باقيمانده از طريق هسته مركزي به بيرون اتاقك انفجار انتقال مي يابد. به شمعي كه حرارت را سريعا انتقال مي دهد شمع سرد و به شمعي كه كند تر حرارت را انتقال داده و مقداري از حرارت را در خود نگه مي دارد شمع گرم اطلاق مي گردد.معمولا كارخانجات يك بازه عددي براي نمايش اين خاصيت تعريف مي كنند. شمع هاي سرد اصولا در موتور هاي با ضريب تراكم بالا مثل موتور هاي توربو و موتور هاي به شدت تقويت شده كاربرد دارند چراكه همواره در دور هاي بالا كار كرده و احتمال دوده گرفتن شمع در آنها پايين است. شمع هاي گرم معمولا براي خودرو هاي استاندارد كه هم در دور هاي پايين مثل ترافيك هاي روزمره و هم در دور هاي بالا مثل جاده كار مي كنند مورد استفاده قرار مي گيرند. يكي از مشخصات شمع خوب و مناسب براي يك موتور اين است كه سر شمع كه در اتاق انفجار قرار مي گيرد در دماي بهينه بماند.

دماي بهينه دمائيست كه شمع موجب شعله ور شدن پيش از موقع ( PRE IGNITION)تعيين شده بنزين نگردد. همچنين با داشتن دماي كافي امكان سوزاندن كربنهاي نسوخته و ناخالصي هاي موجود در سوخت كه بر روي خود شمعمي نشيند را داشته و عمل خود تميز كردن يا SELF CLEANING ر ا به خوبي انجام دهد.اين دما همانطور كه در نمودار پيداست بين 450 تا 850 درج سانتيگراد براي خودرو هاي بنزيني قرار دارد. در صورت انجام نشدن اين عمل به طور مناسب پس از مدتي شمع دوده زده و امكان جرقه زني از آن صلب مي شود. يكي از مضر ترين اتفاقاتي كه در موتور يك خودرو رخ مي دهد پديده خوداشتعالي است كه در اثر استفاده از شمع نامناسب،بنزين با اكتان پايين و مناسب نبودن بنزين ،تنظيم غلط موتور ،ضريب تراكم بيش از حد بالا رخ مي دهد.اين پديده خودرا به صورت ضربه هاي توام با صداي شديد (KNOCK) نشان داده و موجب صدمات بسيار شديدي به موتور مي گردد. اين اتفاق بدليل فشار آمدن بر روي پيستون قبل از شروع سيكل قدرت سيلندر است كه گاها باعث شكستن اجزاي متحرك موتور مي گردد.

دو تصور اشتباه: لازم به ذكر دو تصور اشتباه در ميان دوست داران خودرو مي باشد: بعضي ها شمع با احتراق قوي تر را موجب ذوب شدن پيستون ها و انتنخفجار موتور خودرو مي دانند! بعضي ها بنزين سوپر را براي موتور مضر دانسته و معتقدند كه باعث حرارت بيشتر موتور مي گردد و جالب آنكه بعضي ها آن را كم بركت خوانده و مدعي زود تمام شدن آن هستند! شمع قوي و احتراق كامل فقط مي تواند بنزين وارد موتور شده را بسوزاند نه بيشتر، احتمالا تصور اين دوستان از حوادثي است كه ديده يا شنيده در اثر انتخاب شمع با بازه حرارتي نامناسب براي مصرف كننده بوجود آمده، نشات مي گيرد. لازم به يادآوريست كه سوخت ناقص و تجمع بنزين باقيمانده از سيكل هاي قبلي در موتور و شعله ور شدن ناگهاني مقدار نامتعارف آن خود نوعي اشتعال ناخواسته است كه دراثراستفاده از شمع هاي ضعيف به بار مي آيد. مطلب بعدي آنكه فرق اصلي بنزين سوپر با بنزين عادي در عدد اكتان آنهاست،بطور خلاصه عدد اكتان دقت سوخت بنزين در زمان شعله ور شدن است هر چه عدد اكتان پايين تر باشد احتمال پيش اشتعالي بالا تر رفته و كار آيي موتور پايين تر مي آيد و احتراق ناقص تر انجام مي شود. بنزين سوپر با محترق شدن در زمان مقتضي بازده موتور را افزايش و آلايندگي موتور را كمتر و مصرف سوخت را كاهش مي دهد و همچنين از صدمه خوردن به موتور خودرو جلوگيري مي كند. چه شمعي براي خودرومان انتخاب كنيم؟ در هنگام خريد شمع دقت كنيد كه فروشنده از بابت شماره فني داراي علم كافي راجع به بازه حرارتي و ابعاد مناسب خودروي شما اطلاع داشته باشد. شمع را از فروشگاه هاي معتبر و از مارك هاي شناخته شده تهيه فرماييد، از تقلبي نبودن شمع تا حد امكان مطمئن شويد چون مي تواند قاتل موتور خودروي شما گردد. شمع هاي چند پلاتين بهتر كار مي كنند يا سوزني؟ بطور يقين شمع هاي سوزني، علت بكار بردن پلاتين هاي متعدد در ساخت شمع صرفا بالا بردن طول عمر آن است و امكان جرقه زني همزمان همه الكترود ها با هم با سيستم ولتاژ خودرو هاي استاندارد تقريبا محال است.فقط در زمانهايي كه حرارت يك الكترود طوري بالا برود كه مقاومت الكتريكي آن مانع گذر الكترون هاي آماده تخليه از الكترود مثبت شود،الكترون ها الكترود منفي خنك تر را انتخاب مي كنند.شايد به همين دليل است كه بعضي ها با خطاي ديد تصور مي كنند كه همه الكترود ها با هم جرقه مي زنند چون چشم انسان از ديدن و تشخيص حدود چند ده جرقه در ثانيه و تميز دادن بين آنها نا توان است. مطلب نامناسب در مورد اين شمع ها نسبت به شمع هاي سوزني داشتن احتمال خاموشي شعله به دليل چا ه هاي حرارتي بيشتر(الكترود هاي منفي بيشتر) و نيز داشتن هندسه جرقه وشعله عمود بر راستاي سيلندر كه امكان انتشار شعله همگن را از بين مي برد مي توان نام برد. البته لازم به ذكر است توليد شمع هاي چند پلاتين در زمان خود نسبت به شمع هاي عادي يك انقلاب بود و در زمان خود گام مثبتي در راستاي احتراق بهتر به حساب مي آمد. شمع هاي سوزني ايريديم جديد با تكيه بر خواص مواد بكار رفته در آنها و تكنولوژي صرف شده درساختشان داراي جرقه قوي تر در راستاي سيلندر كه امكان انتشار همگن شعله را پديد مي آورد و باعث بهسوزي ميگردد، از عمر طولاني برخوردار بوده و اقدام موثري در راستاي بالا بردن كارآيي موتور هاي درونسوز و حفظ محيط زيست به حساب مي آيند،البته اغلب به دليل بالا بودن هزينه ساخت از قيمت هاي بالايي برخوردارند كه البته با كاهش مصرف سوخت و افزايش عمر قطعات موتور اين هزينه اوليه را براي مصرف كننده جبران خواهند كرد. عيب يابي تصويري شمع خودرو : از ميان قطعات مصرفي موتور شايد هيچ كدام به اندازه شمع در ميان مردم شناخته شده نباشد، در عين حال اغلب افراد اهميت آن را ناديده مي گيرند.وظيفه شمع جرقه زني به منظور مشتعل ساختن مخلوط هوا و بنزين در داخل سيلندر مي باشد. اين عمل ساده به نظر مي رسد ولي مشكل اصلي اين است كه جرقه زني بايد با ولتاژ بسيار بالا و چند بار در ثانيه، در معرض حرارت بالا و فشار هواي بالا انجام گيرد. مهمتر آنكه كوچكترين خللي در عملكرد اين قطعه كوچك باعث افت بازده موتور، آلودگي محيط زيست و صدمه به ديگر اجزاء موتور مي گردد.اجزاء و قطعات تشكيل دهنده شمع از بالا به ترتيب فيش اتصال واير ولتاژ بالا، عايق سراميكي بدنه و الكترودها مي باشند. عايق سراميكي به شكلي طراحي گرديده است كه جريان را به شكل كانال صدايت نمايد. شكل كشيده عايق و برجستگي هاي روي آن به همين منظور در نظر گرفته شده است. در بطن عايق قطعه اي ميله شكل از رساناي فلزي قرار داده شده است كه بالا تا پايين امتداد يافته است. جريان پس از عبور از ميله و قبل از ورود به الكترود، از قطعه اي از جنس شيشه رسانا گذشته و به دماغه سراميكي شمع كه الكترود در آن جاي گرفته مي رسد. جنس الكترود معمولا از آلياژ نيكل با غزي از جنس مسي، پلاتيني يا ديگر فلزات مي باشد. جرقه بين الكترود مركزي با الكترود اتصال بدنه (و يا بعضي مواقع بر عكس) زده مي شود. همانطوري كه از نام آن مشخص است الكترود اتصال بدنه به تنه سيلندر وصل است.دامنه عملكرد حرارتيدماي دهانه بايد در هنگام شروع بكار موتور در حداقل زمان ممكن به 400 درجه سانتيگراد برسد. اگر اين امر محقق نشود بنزين و دوده در نوك شمع جمع مي شود و باعث تغيير مسير جريان الكتريسيته و جلوگيري از جرقه زني مي شود.در عين حال اگر شمع بيش از حد گرم شود (بيش از 850 درجه سانتيگراد) عمر آن به شدت كاش يافته و حرارت بالاي آن باعث احتراق پيش از موعد مخلوط سوخت و هوا در داخل سيلندرمي شود. با توجه به عملكرد متفاوت موتورها، شمعهاي مختلف و متنوعي عرضه شده اند كه عمدتا در درجه حرارت عملكرد و طول مدت احتراق با يكديگر تفاوت دارند. موتوري كه 100 اسب بخار در ازاء هر ليتر حجم توليد مي كند قطعا حرارت عملكردي متفاوت از موتوري كه 50 اسب بخار در ازاء هر ليتر حجم توليد مي كند، خواهد داشت، در موتورهاي پر بازده از شمعهايي كه اصطلاحا سرد ناميده مي شوند استفاده مي شود. شمع سرد به نحوي طراحي شده كه حرارت را سريعتر دفع كند يا اصطلاحا خنك شود. اين نوع شمع دماغ دراز ناميده مي شود و الكترود آن بلندتر از الكترود شمع گرم كه حرارت را كندتر دفع مي نمايد و در موتورهاي بازده پايين استفاده مي شود، طراحي شده است.انتخاب شمع در هنگام تعويض آن كار نسبتا ساده اي است ولي در صورتي كه بخواهيد از انواع بهتر و متفاوت موجود در بازار انتخاب نمائيد، كار پيچيده تر مي شود. جريان حاضر قريب به 18 نوع شمع متفاوت از لحاظ نوع شكل و چيدمان الكترود در بازار موجود است از مهمترين نكات در انتخاب شمع طول بخشي از آن كه در داخل سيلندر قرار مي گيرد مي باشد، زيرا ممكن است طول بيش از حد آن باعث برخورد با سطح فوقاني پيستون شود. خريد شمعهاي گران قيمت چند الكترودي، بدون الكترود و الكترود V شكل اگر چه در خودروهاي تقويت شده بسيار موثري است ولي تاثير چشمگيري در بازده موتورهاي استاندارد ندارد. در صورتي كه بخواهيد شمع مناسبي را براي موتور استاندارد خود انتخاب كنيد اصطلاحا بايد "سرد" و "گرم" بودن شمع را مد نظر قرار دهيد. بطور كل دامنه عملكرد حرارتي شمع تحت تاثير عوامل زير قرار دارد . o نسبت هوا به بنزين• o آوانس جرقه• o تراكم• o نوع سوخت• o استفاده از كيت NOX يا نايتروس اكسيد• o نصب سوپر چارجر يا توربو چارجر• o ارتفاع از سطح دريا • o نوع پيست (در مسابقات) همانطوي كه از ليست فوق مشخص است عوامل زيادي در انتخاب نوع شمع دخيل هستند. در واقع بايد گفت كه انتخاب نوع شمع بر اساس فرضيات تئوريك خيلي دقيق نمي باشد و در صورتي كه بخواهيد شمعي غير از نوع استاندارد انتخاب كنيد بايد بر اساس آزمون سعي و خطا عمل نمائيد.نقطه آغاز انتخاب شمعي سردتر از شمع استاندارد است. بعد بايد بررسي كنيد كه آيا قدرت موتور افزايش يافته است؟ آيا شمع دوده نزده است؟ سپس مراقب باشيد كه با آوانس كردن جرقه، موتور دچار احتراق پيش از موعد " knock " نشود.مكانيك خودرو اگر جواب سوالات فوق مثبت است، شمع بعدي را يك درجه سردتر انتخاب كنيد تا جايي كه شمع دوده بزند، از اين پس مي تواند شمع هاي انتخاب را بطور معكوس يعني از نوع آخر به اول بررسي نموده و مناسبترين نوع را انتخاب كنيد.اگر شما اهل گاز داده هستيد مي توانيد شمع دو درجه سردتر از نوع استاندارد انتخاب كنيد زيرا مي توانيد در اين صورت تايمينگ موتور را در وضعيت آوانس تر (جلوتر) تنظيم كنيد، بدون آن كه احتراق بيش از موعد رخ دهد و بدين ترتيب بازده موتور افزايش پيدا مي كند اگر چه در دور آرام، تنظيم بودن موتور و يا صحيح بودن نوع شمع انتخابي بواسطه بررسي ظاهر شمع مستهلك مسيرمي باشد به شكل زير توجه نمائيد.بطور كل بايد گفت در صورتي كه موتور خودروي شما استاندار است، انتخاب شمع متفاوت پيشرفته تر تاثير چنداني در بازده موتور نخواهد داشت ولي در صورت انتخاب صحيح، مي توانيد تا حدي نرمي عملكرد و بازده موتور در دورهاي بالا را افزايش دهيد، ولي در صورتي كه موتور اتومبيل شما تقويت شده باشد، استفاده از شمعهاي مخصوص مي تواند بازده موتور شما را به نحو چشمگيري افزايش دهد.

منبع: www.tuningtalk.com