شمعة الإشعال

شمعة الإشعال (وتُسمى أحيانًا في الإنجليزية البريطانية "شمعة شرارة " [ 1 ] ، وتُعرف بالعامية باسم " شمعة" ) هي جهاز يُستخدم لتوصيل التيار الكهربائي من نظام الإشعال إلى غرفة احتراق محرك الإشعال الشراري ، وذلك لإشعال خليط الوقود والهواء المضغوط بواسطة شرارة كهربائية ، مع الحفاظ على ضغط الاحتراق داخل المحرك. تتكون شمعة الإشعال من غلاف معدني ملولب ، معزول كهربائيًا عن قطب مركزي بواسطة عازل خزفي . يتصل القطب المركزي، الذي قد يحتوي على مقاوم ، بسلك معزول جيدًا بطرف خرج ملف الإشعال أو المغناطيس . يُثبّت الغلاف المعدني لشمعة الإشعال في رأس أسطوانة المحرك ، وبالتالي يتم تأريضه كهربائيًا . يبرز القطب المركزي من خلال العازل الخزفي إلى داخل غرفة الاحتراق ، مُشكلاً فجوة شرارة واحدة أو أكثر بين الطرف الداخلي للقطب المركزي، وعادةً ما يكون هناك نتوء أو أكثر أو هياكل متصلة بالطرف الداخلي للغلاف الملولب، وتُسمى هذه الهياكل بالأقطاب الجانبية أو الأرضية . [ 2 ]
قد تُستخدم شمعات الإشعال لأغراض أخرى؛ ففي نظام الإشعال المباشر من ساب، عندما لا تعمل، تُستخدم لقياس التأين في الأسطوانات، ويُستخدم قياس التيار الأيوني هذا بدلاً من مستشعر طور الكامة، ومستشعر الطرق، ووظيفة قياس الاحتراق غير الكامل. [ 3 ] كما تُستخدم شمعات الإشعال في تطبيقات أخرى، مثل الأفران، حيث يجب إشعال خليط الوقود والهواء القابل للاحتراق. وفي هذه الحالة، يُشار إليها أحيانًا باسم مشعلات اللهب .
تاريخ
في عام 1860، استخدم إتيان لينوار شمعة إشعال كهربائية في محركه الغازي ، وهو أول محرك احتراق داخلي يعمل بمكبس. يُنسب الفضل عمومًا إلى لينوار في اختراع شمعة الإشعال. [ 4 ] [ 5 ]
تضمنت براءات الاختراع المبكرة لشمعات الإشعال تلك التي حصل عليها نيكولا تيسلا (في براءة الاختراع الأمريكية رقم 609250 لنظام توقيت الإشعال، 1898)، وفريدريك ريتشارد سيمز (GB 24859/1898، 1898) وروبرت بوش (GB 26907/1898).
في عام ١٩٠٢، اخترع المهندس غوتلوب هونولد، من شركة روبرت بوش، أول شمعة احتراق عالية الجهد قابلة للتطبيق تجاريًا كجزء من نظام إشعال مغناطيسي . وقد أتاح هذا الاختراع أخيرًا تطوير محرك الإشعال بالشرارة . ويُعزى الفضل في التحسينات التصنيعية اللاحقة إلى ألبرت تشامبيون ، [ ٦ ] وإلى الأخوين لودج ، ابني السير أوليفر لودج ، اللذين طورا فكرة والدهما وصنعاها، [ ٧ ] وكذلك إلى كينلم لي غينيس ، من عائلة غينيس لصناعة البيرة ، الذي طور علامة KLG التجارية. وقد لعبت هيلين بلير بارتليت دورًا حيويًا في صناعة العازل عام ١٩٣٠. [ ٨ ]
عملية

- (هـ) عمود الكامات للعادم
- (I) عمود الكامات للسحب
- (S) شمعة الإشعال
- (V) الصمامات
- (P) مكبس
- (R) ذراع التوصيل
- (ج) عمود المرفق
- (W) غلاف مائي لتدفق سائل التبريد
تتمثل وظيفة شمعة الإشعال في توليد شرارة في الوقت المناسب لإشعال خليط الوقود والهواء. تتصل الشمعة بمصدر الجهد العالي الناتج عن ملف الإشعال أو المغناطيس . عند مرور التيار من الملف، يتولد فرق جهد بين القطب المركزي والأقطاب الجانبية. في البداية، لا يمر تيار لأن خليط الوقود والهواء في الفجوة عازل، ولكن مع ارتفاع الجهد، يبدأ في تغيير بنية الغازات بين الأقطاب. بمجرد أن يتجاوز الجهد قوة العزل الكهربائي للغازات، تتأين هذه الغازات . يصبح الغاز المتأين موصلاً للتيار، مما يسمح بمرور التيار عبر الفجوة. تتطلب شمعات الإشعال عادةً جهدًا يتراوح بين 12000 و25000 فولت أو أكثر للإشعال بشكل صحيح، على الرغم من إمكانية وصوله إلى 45000 فولت. توفر هذه الشمعات تيارًا أعلى أثناء عملية التفريغ، مما ينتج عنه شرارة أقوى وأطول مدة.
مع اندفاع تيار الإلكترونات عبر الفجوة، ترتفع درجة حرارة قناة الشرارة إلى 60,000 كلفن . وتتسبب الحرارة الشديدة في قناة الشرارة في تمدد الغاز المتأين بسرعة كبيرة، أشبه بانفجار صغير. وهذا هو صوت "النقرة" المسموع عند رؤية الشرارة، وهو مشابه لصوت البرق والرعد .
تُجبر الحرارة والضغط الغازات على التفاعل فيما بينها، وفي نهاية الشرارة، تتشكل كرة صغيرة من اللهب في فجوة الشرارة نتيجة احتراق الغازات. يعتمد حجم هذه الكرة النارية، أو النواة، على التركيب الدقيق للخليط بين الأقطاب الكهربائية ومستوى اضطراب غرفة الاحتراق لحظة الشرارة. النواة الصغيرة تجعل المحرك يعمل كما لو أن توقيت الإشعال متأخر، والنواة الكبيرة تجعله يعمل كما لو أن التوقيت متقدم.
تصميم شمعة الإشعال
تتكون شمعة الإشعال من غلاف وعازل وموصل مركزي. وهي تخترق جدار غرفة الاحتراق ، ولذلك يجب أن تغلق غرفة الاحتراق بإحكام ضد الضغوط العالية ودرجات الحرارة المرتفعة دون أن تتلف على مدى فترات طويلة من الزمن والاستخدام المطول.
تُحدد شمعات الإشعال حسب الحجم، ونوع السن اللولبي أو الصامولة (يُشار إليها غالبًا باسم "يورو ")، ونوع مانع التسرب (مخروطي أو مانع تسرب مانع للتسرب)، وفجوة الشرارة. الأحجام الشائعة للسن اللولبي (الصواميل) في أوروبا هي 10 مم (16 مم)، و14 مم (21 مم؛ وأحيانًا 16 مم)، و18 مم (24 مم، وأحيانًا 21 مم). أما في الولايات المتحدة، فالأحجام الشائعة للسن اللولبي (الصواميل) هي 10 مم (16 مم)، و12 مم (14 مم، أو 16 مم، أو 17.5 مم)، و14 مم (16 مم، أو 20.63 مم)، و18 مم (20.63 مم). [ 9 ]
أجزاء من القابس
صالة
يحتوي الجزء العلوي من شمعة الإشعال على طرف توصيل لنظام الإشعال . على مر السنين، أدخلت الشركات المصنعة تعديلات على تصميم طرف التوصيل. يختلف تصميم طرف التوصيل باختلاف استخدام شمعة الإشعال. في معظم سيارات الركاب، تُثبّت أسلاك شمعات الإشعال على طرف الشمعة بواسطة مشبك، بينما تحتوي بعض الأسلاك على موصلات حلقية تُثبّت على الشمعة أسفل صامولة. يُعدّ تصميم SAE القياسي ذو الصامولة الصلبة غير القابلة للإزالة شائعًا في العديد من السيارات والشاحنات. غالبًا ما يكون طرف التوصيل في شمعات الإشعال المستخدمة في هذه التطبيقات بمثابة صامولة على عمود ملولب رفيع، مما يسمح باستخدامها مع كلا نوعي التوصيل. يحتوي هذا النوع من شمعات الإشعال على صامولة أو نتوء قابل للإزالة، مما يُمكّن المستخدمين من توصيلها بنوعين مختلفين من أغطية شمعات الإشعال. تحتوي بعض شمعات الإشعال على خيط مكشوف، وهو نوع شائع في الدراجات النارية والمركبات الرباعية. أخيرًا، في السنوات الأخيرة، تم تقديم طرف توصيل على شكل كوب، مما يسمح باستخدام عازل خزفي أطول في نفس المساحة المحدودة. [ 10 ]
عازل
يتكون الجزء الرئيسي من العازل عادةً من الألومينا المتلبدة ( Al₂O₃ ) ، [ 11 ] [ 12 ] وهي مادة خزفية شديدة الصلابة ذات قوة عزل كهربائي عالية ، مطبوع عليها اسم الشركة المصنعة وعلاماتها التعريفية، ثم تُطلى لتحسين مقاومتها لتتبع الشرارة السطحية. وتتمثل وظائفه الرئيسية في توفير الدعم الميكانيكي والعزل الكهربائي للإلكترود المركزي، بالإضافة إلى توفير مسار شرارة ممتد للحماية من الوميض الكهربائي. ويساعد هذا الجزء الممتد، خاصةً في المحركات ذات شمعات الإشعال الغائرة، على تمديد طرف الإشعال فوق رأس الأسطوانة لتسهيل الوصول إليه.

ومن السمات الأخرى للألومينا المتلبدة توصيلها الجيد للحرارة - مما يقلل من ميل العازل إلى التوهج بالحرارة وبالتالي إشعال الخليط قبل الأوان.
أضلاع
من خلال زيادة المسافة بين طرف الجهد العالي والهيكل المعدني المؤرض لشمعة الإشعال، يُحسّن الشكل الفيزيائي للأضلاع العزل الكهربائي ويمنع تسرب الطاقة الكهربائية على طول سطح العازل من الطرف إلى الهيكل المعدني. يؤدي المسار الأطول والأكثر تشعبًا إلى زيادة مقاومة التيار الكهربائي على سطح شمعة الإشعال حتى في وجود الأوساخ والرطوبة. تُصنع بعض شمعات الإشعال بدون أضلاع؛ إذ أن التحسينات في قوة العزل الكهربائي تجعلها أقل أهمية.
طرف العازل

في شمعات الإشعال الحديثة (التي صُنعت بعد ثلاثينيات القرن العشرين)، يكون طرف العازل البارز داخل غرفة الاحتراق مصنوعًا من نفس سيراميك أكسيد الألومنيوم المتلبد (الألومينا) المستخدم في الجزء العلوي، ولكنه غير مطلي. وهو مصمم لتحمل درجة حرارة تصل إلى 650 درجة مئوية (1200 درجة فهرنهايت) وجهد 60 كيلو فولت.
كانت شمعات الإشعال القديمة، وخاصة في الطائرات، تستخدم عازلاً مصنوعاً من طبقات متراصة من الميكا ، يتم ضغطها بواسطة الشد في القطب المركزي.
مع ظهور البنزين المحتوي على الرصاص في ثلاثينيات القرن العشرين، أصبحت ترسبات الرصاص على الميكا مشكلةً، مما قلل من الفترة الزمنية اللازمة لتنظيف شمعة الإشعال. وللتغلب على هذه المشكلة، طورت شركة سيمنز في ألمانيا مادة الألومينا المتلبدة. [ 13 ] تُعد الألومينا المتلبدة مادةً فائقة الجودة مقارنةً بالميكا أو الخزف، فهي موصل حراري جيد نسبيًا بالنسبة للسيراميك، وتحافظ على قوة ميكانيكية جيدة ومقاومة للصدمات الحرارية عند درجات حرارة عالية، كما أن قدرتها على العمل بدرجات حرارة عالية تسمح بتشغيلها في درجات حرارة "التنظيف الذاتي" دون تدهور سريع. وتتيح هذه الخاصية أيضًا تصميمًا بسيطًا من قطعة واحدة بتكلفة منخفضة وموثوقية ميكانيكية عالية. وتحدد أبعاد العازل وقلب الموصل المعدني نطاق الحرارة لشمعة الإشعال. عادةً ما تكون شمعات الإشعال ذات العوازل القصيرة "أقل حرارة"، بينما تُصنع شمعات الإشعال "الأكثر حرارة" بمسار أطول إلى الجسم المعدني، مع العلم أن هذا يعتمد أيضًا على الموصلية الحرارية العالية للقلب المعدني.
الفقمات
نظرًا لأن شمعة الإشعال تُحكم إغلاق غرفة الاحتراق في المحرك عند تركيبها، فإن استخدام موانع التسرب ضروري لضمان عدم وجود أي تسريب من غرفة الاحتراق. تُصنع موانع التسرب الداخلية لشمعات الإشعال الحديثة من مسحوق زجاج/معدن مضغوط، بينما كانت موانع التسرب القديمة تُصنع عادةً باستخدام لحام متعدد الطبقات . أما مانع التسرب الخارجي، فهو عادةً عبارة عن حلقة ضغط ، لكن بعض المصنّعين يستخدمون طريقة أرخص تعتمد على وصلة مخروطية وضغط بسيط لمحاولة منع التسرب.
غلاف معدني
يتحمل الغلاف المعدني (أو الغلاف الخارجي ، كما يسميه البعض) لشمعة الإشعال عزم ربطها، ويعمل على تبديد الحرارة من العازل ونقلها إلى رأس الأسطوانة، كما يعمل كأرضي للشرارات المارة عبر القطب المركزي إلى القطب الجانبي. تُصنع أسنان شمعات الإشعال بالدرفلة على البارد لمنع إجهادها الناتج عن دورات الحرارة. من المهم تركيب شمعات إشعال ذات "مدى" أو طول أسنان صحيح. يتراوح مدى شمعات الإشعال بين 0.095 و2.649 سم (0.0375 إلى 1.043 بوصة) ، كما هو الحال في تطبيقات السيارات والمحركات الصغيرة. [ 14 ] كذلك، فإن غلاف شمعة الإشعال البحرية مصنوع من معدن مطلي بطبقتين من كرومات الزنك. [ 15 ]
القطب المركزي

يتصل القطب المركزي بالطرف عبر سلك داخلي، وعادةً ما يكون مزودًا بمقاومة سيراميكية متسلسلة لتقليل انبعاث ضوضاء الترددات اللاسلكية الناتجة عن الشرارة. أما شمعات الإشعال غير المقاومة، والتي تُباع عادةً بدون حرف "R" في رقم القطعة الخاص بها، فتفتقر إلى هذا العنصر لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي مع أجهزة الراديو وغيرها من الأجهزة الحساسة. ويمكن أن يُصنع طرف الشمعة من مزيج من النحاس أو النيكل والحديد أو الكروم أو المعادن النفيسة .
في أواخر سبعينيات القرن الماضي، وصل تطوير المحركات إلى مرحلة لم يعد فيها نطاق الحرارة لشمعات الإشعال التقليدية ذات الأقطاب المركزية المصنوعة من سبيكة النيكل الصلبة كافيًا لتلبية متطلباتها. فالشمعة الباردة بما يكفي لتحمل متطلبات القيادة بسرعات عالية لن تتمكن من حرق رواسب الكربون الناتجة عن ظروف القيادة المتقطعة في المدن، وستتراكم عليها الرواسب في هذه الظروف، مما يؤدي إلى خلل في عمل المحرك. وبالمثل، فإن الشمعة الساخنة بما يكفي لتشغيل المحرك بسلاسة داخل المدينة قد تنصهر عند الحاجة إلى القيادة بسرعات عالية لفترات طويلة على الطرق السريعة. ولحل هذه المشكلة، ابتكر مصنّعو شمعات الإشعال استخدام مادة وتصميم مختلفين للقطب المركزي، بحيث يكون قادرًا على نقل حرارة الاحتراق بعيدًا عن طرفه بكفاءة أكبر من سبيكة النيكل الصلبة. وقع الاختيار على النحاس لهذه المهمة، وابتكرت شركة فلوفورم طريقة لتصنيع القطب المركزي ذي القلب النحاسي .
عادةً ما يكون القطب المركزي هو المُصمّم لإخراج الإلكترونات ( الكاثود ، أي القطب السالب [ 16 ] بالنسبة لكتلة المحرك) لأنه عادةً ما يكون الجزء الأكثر سخونة في شمعة الإشعال؛ إذ يسهل انبعاث الإلكترونات من سطح ساخن، وذلك بسبب نفس القوانين الفيزيائية التي تزيد من انبعاثات البخار من الأسطح الساخنة (انظر الانبعاث الحراري الأيوني ). [ 17 ] بالإضافة إلى ذلك، تنبعث الإلكترونات حيث تكون شدة المجال الكهربائي في أقصى حالاتها؛ أي من أي مكان يكون فيه نصف قطر انحناء السطح أصغر ما يمكن، من نقطة حادة أو حافة بدلاً من سطح مستوٍ (انظر التفريغ الإكليلي ). [ 17 ] يتطلب استخدام القطب الجانبي الأبرد والأقل حدة كقطب سالب جهدًا أعلى بنسبة تصل إلى 45%، [ 17 ] لذا فإن عددًا قليلاً من أنظمة الإشعال، باستثناء أنظمة الشرارة المهدرة، مصممة بهذه الطريقة. [ 18 ] تُعرّض أنظمة الشرارة المهدرة شمعات الإشعال لضغط أكبر لأنها تُطلق الإلكترونات بالتناوب في كلا الاتجاهين (من القطب الأرضي إلى القطب المركزي، وليس فقط من القطب المركزي إلى القطب الأرضي). ونتيجة لذلك، ينبغي أن تحتوي المركبات المزودة بهذا النظام على معادن ثمينة على كلا القطبين، وليس فقط على القطب المركزي، وذلك لزيادة فترات استبدال الخدمة لأنها تتآكل بشكل أسرع في كلا الاتجاهين، وليس في اتجاه واحد فقط. [ 19 ]
سيكون من الأسهل سحب الإلكترونات من قطب كهربائي مدبب، لكن هذا القطب سيتآكل بعد ثوانٍ معدودة. لذا، تنبعث الإلكترونات من الحواف الحادة لطرف القطب؛ ومع تآكل هذه الحواف، تصبح الشرارة أضعف وأقل موثوقية.
في وقت من الأوقات، كان من الشائع إزالة شمعات الإشعال، وتنظيف الرواسب من أطرافها إما يدويًا أو باستخدام معدات السفع الرملي المتخصصة ، وبرد طرف القطب لاستعادة الحواف الحادة، ولكن هذه الممارسة أصبحت أقل شيوعًا لثلاثة أسباب:
- يؤدي التنظيف باستخدام أدوات مثل فرشاة الأسلاك إلى ترك آثار من المعدن على العازل مما قد يوفر مسار توصيل ضعيف وبالتالي إضعاف الشرارة (زيادة الانبعاثات).
- تعتبر المقابس رخيصة للغاية مقارنة بتكلفة العمالة، لذا فإن الاعتبارات الاقتصادية تفرض استبدالها، لا سيما مع المقابس الحديثة طويلة العمر.
- أصبحت سدادات الأذن المصنوعة من الإيريديوم والبلاتين، والتي تتمتع بعمر أطول من النحاس، أكثر شيوعًا.
يُتيح تطوير أقطاب كهربائية من المعادن النبيلة عالية الحرارة (باستخدام معادن مثل الإيتريوم ، والإيريديوم ، والتنغستن ، والبلاديوم ، والروثينيوم ، بالإضافة إلى البلاتين ، والفضة ، والذهب ذات القيمة العالية نسبيًا ) استخدام سلك مركزي أصغر حجمًا، ذي حواف أكثر حدة، ولكنه لا ينصهر أو يتآكل. تُستخدم هذه المواد نظرًا لارتفاع درجة انصهارها ومتانتها، وليس بسبب موصليتها الكهربائية (التي لا تُؤثر عند توصيلها على التوالي مع مقاومة شمعة الإشعال أو الأسلاك). كما يمتص القطب الأصغر حجمًا حرارة أقل من الشرارة وطاقة اللهب الأولية.
سوّقت شركة فايرستون شمعات إشعال البولونيوم من عام 1940 إلى عام 1953. ورغم أن كمية الإشعاع المنبعثة من هذه الشمعات كانت ضئيلة للغاية ولا تشكل خطرًا على المستهلك، إلا أن فوائدها تضاءلت سريعًا بعد شهر تقريبًا نظرًا لقصر عمر النصف للبولونيوم، ولأن تراكمه على الموصلات كان يحجب الإشعاع الذي يُحسّن أداء المحرك. وتقوم فكرة شمعة إشعال البولونيوم، وكذلك شمعة الراديوم النموذجية التي سبقتها والتي صممها ألفريد ماثيو هوبارد ، على أن الإشعاع يُحسّن تأين الوقود في الأسطوانة، مما يسمح للشمعة بالإشعال بسرعة وكفاءة أكبر. [ 20 ] [ 21 ]
قطب جانبي (أرضي)
القطب الجانبي (المعروف أيضًا باسم "شريط التأريض") مصنوع من فولاذ عالي النيكل ، ويتم لحامه أو تشكيله بالحرارة على جانب الغلاف المعدني. يسخن القطب الجانبي بشدة، خاصةً في سدادات الأنف البارزة. وقد زُوِّدت بعض التصاميم بنواة نحاسية لهذا القطب لزيادة التوصيل الحراري. كما يمكن استخدام عدة أقطاب جانبية لتجنب تداخلها مع القطب المركزي. ويمكن أيضًا إضافة وسادات صغيرة من البلاتين أو حتى الإيريديوم إلى قطب التأريض لزيادة عمره الافتراضي. [ 22 ]
فجوة شمعة الإشعال

تُصمَّم شمعات الإشعال عادةً بفجوة شرارة قابلة للتعديل من قِبل الفني المُركِّب، وذلك بثني القطب الأرضي قليلاً. قد تُستخدم الشمعة نفسها في محركات مختلفة، مما يستلزم فجوة مختلفة لكل محرك. تتراوح فجوة شمعات الإشعال في السيارات عمومًا بين 0.6 و1.8 ملم (0.024 و0.071 بوصة) . وقد تتطلب هذه الفجوة تعديلًا عن قيمتها الأصلية.
مقياس فجوة شمعة الإشعال عبارة عن قرص ذي حافة مائلة، أو أسلاك دائرية بأقطار دقيقة، ويُستخدم لقياس الفجوة. استخدام مقياس سماكة ذي شفرات مسطحة بدلاً من الأسلاك الدائرية، كما هو الحال في نقاط التوزيع أو خلوص الصمامات ، يُعطي نتائج خاطئة، بسبب شكل أقطاب شمعة الإشعال. أبسط المقاييس عبارة عن مجموعة من المفاتيح ذات سماكات مختلفة تُطابق الفجوات المطلوبة، ويتم ضبط الفجوة حتى يُناسب المفتاح بإحكام. مع تكنولوجيا المحركات الحالية، التي تتضمن أنظمة إشعال إلكترونية وحقن وقود محوسب ، أصبحت الفجوات المستخدمة أكبر في المتوسط مما كانت عليه في عصر المكربن وموزعات نقاط التلامس، لدرجة أن مقاييس شمعات الإشعال من ذلك العصر لا تستطيع دائمًا قياس الفجوات المطلوبة للسيارات الحديثة. [ 23 ] تتطلب المركبات التي تعمل بالغاز الطبيعي المضغوط عمومًا فجوات أضيق من المركبات التي تعمل بالبنزين. [ 24 ]
يُعدّ ضبط فجوة شمعة الإشعال (المعروف أيضًا باسم "ضبط فجوة شمعة الإشعال") أمرًا بالغ الأهمية لضمان التشغيل السليم للمحرك. قد تُنتج الفجوة الضيقة شرارة ضعيفة جدًا لا تُشعل خليط الوقود والهواء بكفاءة، ولكن الشمعة ستعمل في أغلب الأحيان في كل دورة. أما الفجوة الواسعة جدًا فقد تمنع الشرارة من الاشتعال تمامًا أو قد تُسبب خللًا في الاحتراق عند السرعات العالية، ولكنها عادةً ما تُنتج شرارة قوية لاحتراق نظيف. قد لا يُلاحظ بشكل مباشر عدم قدرة الشرارة على إشعال خليط الوقود والهواء بشكل متقطع، ولكنها ستظهر على شكل انخفاض في قوة المحرك وكفاءة استهلاك الوقود . لا يُنصح بضبط فجوة شمعات الإشعال المصنوعة من الإيريديوم والبلاتين، نظرًا لوجود خطر تلف القرص المعدني الملحوم بالقطب الكهربائي. [ 25 ]
تنويعات على التصميم الأساسي

على مر السنين، سعت تعديلات تصميم شمعات الإشعال الأساسية إلى تحسين الإشعال، أو إطالة عمرها، أو كليهما. تشمل هذه التعديلات استخدام قطبين أو ثلاثة أو أربعة أقطاب أرضية متساوية المسافة تحيط بالقطب المركزي. كما تشمل استخدام قطب مركزي غائر محاط بسن لولبي لشمعة الإشعال، والذي يصبح فعليًا القطب الأرضي (انظر "شمعة الإشعال ذات التفريغ السطحي" أدناه). يُستخدم أيضًا شق على شكل حرف V في طرف القطب الأرضي. توفر الأقطاب الأرضية المتعددة عمومًا عمرًا أطول، فعندما تتسع فجوة الشرارة نتيجة التآكل الناتج عن التفريغ الكهربائي، تنتقل الشرارة إلى قطب أرضي أقرب. لكن من عيوب الأقطاب الأرضية المتعددة إمكانية حدوث تأثير حجب في غرفة احتراق المحرك، مما يعيق وصول اللهب إلى سطح الاحتراق أثناء احتراق خليط الوقود والهواء. قد يؤدي ذلك إلى احتراق أقل كفاءة وزيادة استهلاك الوقود. كما يصعب، أو يكاد يستحيل، تعديلها للحصول على فجوة موحدة أخرى.
شمعة إشعال ذات تفريغ سطحي
يحتوي محرك المكبس على جزء من غرفة الاحتراق يكون دائمًا بعيدًا عن متناول المكبس، وهذه المنطقة هي التي يوجد بها شمعة الإشعال التقليدية. أما محرك وانكل، فيتميز بمنطقة احتراق متغيرة باستمرار، وتتعرض شمعة الإشعال حتمًا لحركة مانعات التسرب في رأس الدوار. إذا برزت شمعة الإشعال داخل غرفة احتراق محرك وانكل، فسوف تصطدم بها مانعات التسرب أثناء مرورها، ولكن إذا كانت الشمعة غائرة لتجنب ذلك، فإن وصول خليط الوقود والهواء إلى الشرارة سيقل، مما يؤدي إلى احتراق غير كامل أو خلل في الإشعال. لذلك، تم تطوير نوع جديد من شمعات الإشعال "ذات التفريغ السطحي"، والتي تتميز بسطح شبه مستوٍ مقابل غرفة الاحتراق. يبرز قطب مركزي قصير بشكل طفيف جدًا، ويعمل جسم الشمعة المؤرض بالكامل كقطب جانبي. وبالتالي، تقع الأقطاب الكهربائية خارج نطاق وصول مانع التسرب أثناء مروره، بينما تكون الشرارة متاحة لخليط الوقود والهواء. تظل فجوة القوس الكهربائي ثابتة طوال عمر شمعة الإشعال ذات الفجوة السطحية، ويتغير مسار الشرارة باستمرار (بدلاً من أن تنطلق من المركز إلى القطب الجانبي كما في الشمعات التقليدية). ومن مزايا تصميم الفجوة السطحية أيضاً أن القطب الجانبي لا يمكن أن ينكسر ويتسبب في تلف المحرك، مع أن هذا نادر الحدوث أيضاً في شمعات الإشعال التقليدية.
إحكام الغلق على رأس الأسطوانة
تُحكم معظم شمعات الإشعال إغلاقها برأس الأسطوانة باستخدام حلقة معدنية مجوفة أو مطوية للاستخدام لمرة واحدة، تُضغط قليلاً بين السطح المستوي للرأس وسطح الشمعة، فوق السنون مباشرةً. بعض شمعات الإشعال ذات مقعد مخروطي لا تستخدم حلقة. من المفترض أن يكون عزم الربط اللازم لتركيب هذه الشمعات أقل من عزم الربط اللازم لشمعات الإشعال المحكمة الإغلاق بحلقة. [ 26 ] لا ينبغي أبدًا تركيب شمعات الإشعال ذات المقاعد المخروطية في المركبات التي تتطلب رؤوس أسطوانات مزودة بحلقات، والعكس صحيح. وإلا، فسيؤدي ذلك إلى ضعف الإحكام أو عدم وصول الشمعة بشكل صحيح إلى رأس الأسطوانة بسبب عدم تثبيت السنون بشكل سليم.
بروز الطرف

يجب أن يتناسب طول الجزء الملولب من سدادة الإشعال بدقة مع سُمك رأس الأسطوانة. إذا امتدت السدادة أكثر من اللازم داخل غرفة الاحتراق، فقد يصطدم بها المكبس، مما يُلحق الضرر بالمحرك من الداخل. وفي حالة أقل خطورة، إذا امتدت أسنان السدادة داخل غرفة الاحتراق، فإن حوافها الحادة تُصبح مصادر حرارة مركزة قد تُسبب احتراقًا مبكرًا ؛ إضافةً إلى ذلك، قد تُصعّب الرواسب المتكونة بين الأسنان المكشوفة عملية إزالة السدادات، بل وقد تُلحق الضرر بالأسنان في رؤوس الأسطوانات المصنوعة من الألومنيوم أثناء عملية الإزالة.
يؤثر بروز طرف شمعة الإشعال داخل غرفة الاحتراق على أدائها؛ فكلما كانت فجوة الشرارة أقرب إلى مركز غرفة الاحتراق، كان احتراق خليط الهواء والوقود أفضل عمومًا، مع أن الخبراء يعتقدون أن العملية أكثر تعقيدًا وتعتمد على شكل غرفة الاحتراق. من جهة أخرى، إذا كان المحرك يحرق الزيت، فإن الزيت الزائد المتسرب إلى غرفة الاحتراق يميل إلى تلويث طرف شمعة الإشعال وإعاقة الشرارة؛ في مثل هذه الحالات، غالبًا ما تتراكم رواسب أقل على شمعة الإشعال ذات البروز الأقل من المعتاد، ما يُحسّن أداءها لفترة أطول. تُباع محولات خاصة مضادة للتلويث تُركّب بين شمعة الإشعال ورأس الأسطوانة لتقليل بروزها لهذا السبب تحديدًا، في المحركات القديمة التي تعاني من مشاكل حادة في حرق الزيت؛ سيؤدي ذلك إلى تقليل فعالية احتراق خليط الوقود والهواء، ولكن في مثل هذه الحالات، يكون هذا التأثير أقل أهمية.
نطاق الحرارة

درجة حرارة تشغيل شمعة الإشعال هي درجة الحرارة الفعلية عند طرفها داخل المحرك أثناء التشغيل، وتتراوح عادةً بين 500 و800 درجة مئوية (932 و1472 درجة فهرنهايت) . تُعدّ هذه الدرجة مهمة لأنها تُحدد كفاءة التنظيف الذاتي للشمعة، وتتأثر بعدة عوامل، أهمها درجة الحرارة الفعلية داخل غرفة الاحتراق. لا توجد علاقة مباشرة بين درجة حرارة تشغيل شمعة الإشعال وجهد الشرارة. مع ذلك، يؤثر مستوى عزم الدوران الذي يُنتجه المحرك حاليًا بشكل كبير على درجة حرارة تشغيل شمعة الإشعال، لأن أعلى درجة حرارة وضغط تحدث عندما يعمل المحرك بالقرب من ذروة عزم الدوران (يُحدد عزم الدوران وسرعة الدوران القدرة الناتجة بشكل مباشر ) . تتأثر درجة حرارة العازل بالظروف الحرارية التي يتعرض لها في غرفة الاحتراق، وليس العكس. إذا كان طرف شمعة الإشعال ساخنًا جدًا، فقد يتسبب ذلك في اشتعال مُبكر أو في بعض الأحيان انفجار/طرق ، وقد يحدث تلف. إذا كان الجو بارداً جداً، فقد تتشكل رواسب موصلة كهربائياً على العازل، مما يتسبب في فقدان طاقة الشرارة أو حدوث قصر فعلي في تيار الشرارة.
يُقال إن شمعة الإشعال "ساخنة" إذا كانت عازلة للحرارة بشكل أفضل، مما يُبقي على كمية أكبر من الحرارة في طرفها. ويُقال إنها "باردة" إذا كانت قادرة على توصيل كمية أكبر من الحرارة من طرفها وخفض درجة حرارته. يُعرف تصنيف شمعة الإشعال إلى "ساخنة" أو "باردة" بنطاق حرارتها. يُحدد نطاق حرارة شمعة الإشعال عادةً برقم، حيث يستخدم بعض المصنّعين أرقامًا تصاعدية للشمعات الأكثر سخونة، بينما يستخدم آخرون العكس - أي أرقامًا تصاعدية للشمعات الأقل سخونة.
يتأثر نطاق حرارة شمعة الإشعال بتصميمها: أنواع المواد المستخدمة، وطول العازل ، ومساحة سطح الشمعة المعرضة داخل غرفة الاحتراق. في الاستخدام العادي، يُمثل اختيار نطاق حرارة شمعة الإشعال توازناً بين الحفاظ على سخونة كافية لطرف الشمعة عند التباطؤ لمنع التلوث، وبرودة كافية عند أقصى قدرة لمنع الاشتعال المبكر أو طرق المحرك . عند فحص شمعات إشعال "أكثر سخونة" و"أقل سخونة" من نفس الشركة المصنعة جنبًا إلى جنب، يتضح المبدأ بوضوح؛ فالشمعات الأقل سخونة تحتوي على عازل خزفي أكثر سمكًا يملأ الفجوة بين القطب المركزي والغلاف، مما يسمح للغلاف بنقل المزيد من الحرارة، بينما تحتوي الشمعات الأكثر سخونة على كمية أقل من المادة الخزفية، مما يجعل طرف الشمعة أكثر عزلاً عن جسمها ويحتفظ بالحرارة بشكل أفضل.
تتسرب الحرارة من غرفة الاحتراق عبر غازات العادم، وجدران الأسطوانة، وشمعة الإشعال نفسها. ولا يؤثر نطاق حرارة شمعة الإشعال إلا تأثيرًا طفيفًا على درجة حرارة غرفة الاحتراق ودرجة حرارة المحرك الإجمالية. ولن تؤدي شمعة الإشعال الباردة إلى خفض درجة حرارة تشغيل المحرك بشكل ملحوظ. (مع ذلك، قد تؤدي شمعة الإشعال الساخنة جدًا، بشكل غير مباشر، إلى حالة احتراق مبكر متسارعة، مما قد يزيد من درجة حرارة المحرك). بل إن التأثير الرئيسي لشمعة الإشعال "الساخنة" أو "الباردة" يكمن في التأثير على درجة حرارة طرفها.
قبل عصر أنظمة حقن الوقود المحوسبة الحديثة، كان من الشائع تحديد نطاقين حراريين مختلفين على الأقل لشمعات الإشعال في محركات السيارات؛ شمعة ذات درجة حرارة أعلى للسيارات التي تُقاد في الغالب ببطء داخل المدينة، وشمعة ذات درجة حرارة أقل للقيادة المستمرة بسرعات عالية على الطرق السريعة. إلا أن هذه الممارسة أصبحت متقادمة إلى حد كبير الآن، حيث تُضبط نسبة خليط الوقود والهواء ودرجة حرارة الأسطوانات في السيارات ضمن نطاق ضيق، وذلك للحد من الانبعاثات. مع ذلك، لا تزال محركات السباق تستفيد من اختيار نطاق حراري مناسب لشمعات الإشعال. في بعض الأحيان، تحتوي محركات السباق القديمة جدًا على مجموعتين من شمعات الإشعال، إحداهما للتشغيل فقط، والأخرى تُركّب للقيادة بعد تسخين المحرك.
تستخدم شركات تصنيع شمعات الإشعال أرقامًا مختلفة للدلالة على نطاقها الحراري. فبعض الشركات، مثل دينسو وإن جي كي، تستخدم أرقامًا تزداد كلما انخفضت درجة الحرارة. في المقابل، تستخدم شركات مثل تشامبيون وبوش وبريسك وبيرو وإيه سي ديلكو نظامًا لنطاق الحرارة تزداد فيه الأرقام كلما ارتفعت درجة حرارة الشمعات. ونتيجةً لذلك، يجب ترجمة أرقام النطاق الحراري بين مختلف الشركات المصنعة، ولا يمكن استخدامها بشكل مباشر ومتساوٍ.
قراءة شمعات الإشعال
يتأثر طرف شمعة الإشعال بالبيئة الداخلية لغرفة الاحتراق. وبما أنه يمكن إزالة شمعة الإشعال لفحصها، يمكن دراسة آثار الاحتراق عليها. ويمكن لفحص العلامات المميزة على طرف شمعة الإشعال أن يشير إلى حالة المحرك أثناء التشغيل. وينشر مصنّعو المحركات وشمعات الإشعال معلومات حول هذه العلامات في جداول قراءة شمعات الإشعال.
يشير تغير لون طرف شمعة الإشعال إلى اللون البني الفاتح إلى سلامة عملها؛ بينما قد تدلّ حالات أخرى على وجود خلل. على سبيل المثال، يشير مظهر التآكل الرملي على طرف شمعة الإشعال إلى حدوث فرقعة خفيفة ومستمرة ، غالباً ما تكون غير مسموعة. ويحدث التلف الذي يصيب طرف شمعة الإشعال أيضاً داخل الأسطوانة. قد تتسبب الفرقعة الشديدة في كسر عازل شمعة الإشعال وأجزاء المحرك الداخلية قبل أن يظهر على شكل تآكل رملي، ولكن يمكن سماعه بسهولة. كمثال آخر، إذا كانت شمعة الإشعال باردة جداً، ستتراكم رواسب على طرفها. وعلى العكس، إذا كانت ساخنة جداً، سيبدو الخزف مسامياً، أشبه بالسكر. وستتسرب المادة التي تربط القطب المركزي بالعازل. أحياناً يبدو طرف شمعة الإشعال لامعاً، نتيجة ذوبان الرواسب.
يؤثر تشغيل المحرك في وضع الخمول على شمعات الإشعال بشكل مختلف عن تشغيله بأقصى طاقته . تكون قراءات شمعات الإشعال دقيقة فقط في ظل ظروف التشغيل الأخيرة للمحرك، وقد يؤدي تشغيل المحرك في ظروف مختلفة إلى محو أو إخفاء العلامات المميزة الموجودة مسبقًا على شمعات الإشعال. للحصول على أفضل النتائج، يُنصح بتشغيل المحرك بسرعة عالية وحمل كامل، ثم إيقاف تشغيل الإشعال فورًا والتوقف تمامًا دون تشغيل المحرك في وضع الخمول أو بسرعات منخفضة، ثم إزالة شمعات الإشعال لقراءة قراءاتها.
تتوفر أجهزة قراءة شمعات الإشعال، وهي عبارة عن مصابيح يدوية/مكبرات مدمجة، لتحسين قراءة شمعات الإشعال.

فهرسة شمعات الإشعال
تتضمن عملية "ضبط" شمعات الإشعال عند تركيبها تثبيتها بحيث يكون الجزء المفتوح من فجوتها، غير المغطى بالقطب الأرضي، مواجهًا لمركز غرفة الاحتراق وليس لأحد جدرانها. وتقوم النظرية على أن هذا يزيد من تعرض خليط الوقود والهواء للشرارة، ويضمن أيضًا انتظام تصميم كل غرفة احتراق، مما يؤدي إلى احتراق أفضل. يتم الضبط بتحديد موضع الفجوة على السطح الخارجي للشمعة، ثم تركيبها، مع ملاحظة اتجاه العلامة. بعد ذلك، تُزال الشمعة وتُضاف حلقات معدنية لتغيير اتجاهها بعد إحكام ربطها. يجب القيام بذلك بشكل فردي لكل شمعة، لأن اتجاه الفجوة بالنسبة لأسنان غلاف الشمعة عشوائي . بعض الشمعات مصممة باتجاه فجوة غير عشوائي، وعادةً ما يُشار إلى ذلك بلاحقة في رقم الطراز؛ وعادةً ما يحددها مصنّعو المحركات الصغيرة جدًا حيث يشكل طرف شمعة الإشعال والأقطاب الكهربائية جزءًا كبيرًا من شكل غرفة الاحتراق.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ كتاب بوش عن السيارة، تطورها وتطورها الهندسي . دار سانت مارتن للنشر. 1975. الصفحات 206-207 . LCCN 75-39516 . OCLC 2175044 .
- ↑ "الخصائص الكهربائية لتفريغ الشرارة في أنظمة إشعال السيارات" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 26-01-2017.
- ↑ لاغانا، أ.أ.م.؛ ليما، ل.ل.؛ خوستو، ج.ف.؛ أرودا، ب.أ.؛ سانتوس، م.م.د. (2018). "تحديد الاحتراق والانفجار في محركات الإشعال الشراري باستخدام إشارة التيار الأيوني". الوقود . 227 : 469-477. رمز Bibcode : 2018Fuel..227..469L . doi : 10.1016/j.fuel.2018.04.080 . S2CID 104060623 .
- ↑ قارن: دينتون، توم (2013). "تطوير النظام الكهربائي للسيارات". أنظمة السيارات الكهربائية والإلكترونية ( طبعة منقحة). روتليدج. ص 6. ISBN 9781136073823تم الاطلاع عليه بتاريخ 2018-08-20 .
1860[:] أنتجت شركة لينوار أول شمعة احتراق.
- ↑ دونيلي، جيم (يناير 2006). "ألبرت تشامبيون" . هيمينغز . تم الاسترجاع في 6 فبراير 2019 .
- ↑ "تاريخ شمعات الإشعال من ASECC" . Asecc.com. 27-10-1927 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17-09-2011 .
- ↑ "سدادات النزل" . Gracesguide.co.uk. 30-08-2011 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17-09-2011 .
- ↑ "النساء في مجال النقل - اختراعات السيارات" . إدارة الطرق السريعة الفيدرالية (FHWA) . مؤرشف من الأصل بتاريخ 23-06-2016.
- ↑ كتالوج تطبيقات شمعات الإشعال Champion Master لعام 2015، صفحة 6
- ↑ لاحظ الصفحة الداخلية الخلفية لكتالوج تشامبيون 2015-2016 من أوروبا.
- ↑ صفحة "المعرفة الأساسية" لشركة دينسو . Globaldenso.com . تم الاطلاع عليها بتاريخ 17-09-2011 .
- ↑ دليل بوش للسيارات، الطبعة الثامنة، دار نشر بنتلي، حقوق الطبع والنشر مايو 2011، رقم ISBN 978-0-8376-1686-5، الصفحات 581-585.
- ↑ العميد الجوي إف آر بانكس (1978). لم أحتفظ بمذكرات . إيرلايف. ص 113. ISBN 0-9504543-9-7.
- ↑ للاطلاع على أمثلة، انظر القائمة في مخطط أنواع شمعات الإشعال في كتالوج تطبيقات شمعات الإشعال الرئيسي من Champion لعام 2015، الصفحات 6
- ↑ "معلومات مفيدة عن شمعات الإشعال البحرية" . MarineEngineDigest.com. 29 أبريل 2012. تم الاطلاع عليه في 1 ديسمبر 2012 .
- ↑ VAW، هيلير (1991). "74: نظام الإشعال". أساسيات تكنولوجيا المركبات الآلية ( الطبعة الرابعة). ستانلي ثورنز. ص 450. ISBN 0-7487-05317.
- 1 2 3 International Harvester، دليل خدمة الشاحنات TM 5-4210-230-14&P-1 - الكهرباء - ملفات الإشعال والمكثفات، CTS-2013-E صفحة 5 (صفحة 545 من ملف PDF)
- ↑ NGK، إشعال الشرارة المهدرة
- ↑ انظر الصفحة 824 من كتالوج تشامبيون الرئيسي لعام 2015. http://www.fme-cat.com/catalogs.aspx مؤرشف بتاريخ 1 يونيو 2018 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
- ↑ "شمعات الإشعال المشعة" . جامعات أوك ريدج المرتبطة. 20 يناير 1999. تم الاطلاع عليه في 7 أكتوبر 2021 .
- ↑ بيتمان، كاساندرا (3 فبراير 2017). "البولونيوم" . مركز الأجهزة . جامعة توليدو . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 أغسطس 2018 .
- ↑ على سبيل المثال، لاحظ كتالوج تشامبيون الرئيسي لعامي 2015-2016 من مخطط أنواع الخطوط الأوروبية، والذي يُفتح من الخلف. في كثير من الحالات، وبحسب التصميم، يُدرج "البلاتين" كنوع الخط المعدني.
- على سبيل المثال ، في كتالوج شمعات الإشعال من شركة تشامبيون لعام 1967، صُممت أداة "قياس فجوة الشمعات الفاخرة" في الصفحة 38 للتعامل مع فجوات تتراوح من 0.38 إلى 1.02 مم (0.015 إلى 0.040 بوصة) ، وهي أقل من الفجوة المطلوبة في العديد من السيارات الحديثة. أما بالنسبة للسيارات القديمة التي صُنعت قبل عام 1960 تقريبًا، فيُرجى مراجعة قسم السيارات الكلاسيكية في كتالوج شمعات الإشعال من شركة إيه سي ديلكو لعام 1997، من الصفحة 250 إلى 264. كانت فجوات الشمعات في عشرينيات القرن الماضي للعديد من الماركات غالبًا 0.64 مم (0.025 بوصة) . ومع ذلك، فإن العديد من السيارات الحديثة لديها فجوات ليست أكبر بكثير، مثل تلك التي صنعتها شركة فولفو من عام 1967 إلى عام 2014، والتي كانت فجواتها تتراوح عادةً من 0.71 إلى 0.76 مم (0.028 إلى 0.030 بوصة) . انظر إلى قوائم هذه العلامة التجارية في كتالوج تطبيقات شمعات الإشعال Champion Master لعام 2015، الصفحات من 333 إلى 339، والتي كان الاستثناء الوحيد فيها بعض محركات 4.4 لتر.
- على سبيل المثال ، يتطلب محرك فورد كراون فيكتوريا سعة 4.6 لتر فجوة 1.1 مم (0.044 بوصة) عند استخدام الغاز الطبيعي المضغوط، بينما يتطلب فجوة 1.4 مم (0.054 بوصة) عند استخدام البنزين. راجع كتالوج تطبيقات شمعات الإشعال Champion Master لعام 2015، صفحة 124؛ تجد شرحًا فنيًا في صفحة 825.
- ↑ "كيفية اختيار شمعات الإشعال المناسبة لمحرك سيارتك" . VIN Sonar | مساعدة - أدلة وأدوات السيارات عبر الإنترنت . 27-01-2022 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12-05-2022 .
- ↑ على سبيل المثال، لاحظ توصيات عزم الدوران في الصفحة 823 من كتالوج تطبيقات شمعات الإشعال Champion Master لعام 2015.
روابط خارجية
- شمعات الإشعال
- أنظمة الإشعال
- الأقواس الكهربائية
- مكونات المحرك
