ملاقات با آتش‌افروز

شمع چیست و چه كاری در پيشرانه انجام می دهد؟ اين قطعه به‌ظاهر ساده و كوچك، كار مهمي انجام مي‌دهد؟ بسياري از ما ياد گرفته‌ايم كه شمع را با آچار باز كرده و خارج كنيم و پس از اين كه سرمان را به خاطر كثيفي الكترودهاي آن تكان داديم، دست‌به‌كار شويم و با يك سنباده و وسايلي نظير آن، به زدودن آلودگي‌هاي سياه‌رنگ از آن اقدام كنيم. اما در دنياي امروزي و با ظهور پيشرانه‌هاي جديد در خودروهاي مدرن، شمع نيز دچار پيشرفت شده و از حالت قديمي خود خارج شده است، به گونه‌اي كه در حال حاضر اين قطعه كوچك به عنصري مهم در هرچه بهينه‌تر كردن فرايند احتراق در موتور تبديل شده است.

اولين عمل موثر شمع (spark plug) در انواع پيشرانه‌هاي درون‌سوز، آتش زدن مخلوط هوا و سوخت در فرايند احتراق داخلی موتور است. شمع بايد پالس الکتریکی با ولتاژ بالا را همراه با ٢٥هزار ولت به صورت مكرر به داخل محفظه احتراق موتور انتقال دهد. الكترودهای بادوام را از بين آن‌هايي كه جريان برق را می توانند قوس داده يا جرقه بزنند تا مخلوط هوا و سوخت در سيلندر را محترق سازد، پيش‌بيني و تهيه مي‌كنند. تحت شرايط فشار و حرارت شديد آماده اند تا ميليون‌ها بار جرقه بزنند. ميزان عملكرد شمع در موتور خودرو هم‌زمان با افزايش توان خروجی خودرو، سخت تر و شديدتر می شود.

اجزاي شمع

شمع‌ها به‌طور كلی از چندین بخش تشكيل شده‌اند:

1) بخش فلزی

2) عايق چينی

3) الكترودها

4) واشرها

5) مهره سر شمع

6) پودر هوابند

بخش فلزی يا بدنه: هر شمع دارای يك بخش فلزی است. بالای اين قسمت فلزی به شكل شش گوش است تا شمع به طور محكم درجای خود نصب شود.

قسمت پايين اين بخش، رزوه شده و به روی سرسيلندر پيچيده می‌شود و يك الكترود منفی نيز از قسمت پايينی اين بخش بيرون آمده است. يك واشر نسوز در زير رزوه‌ها قرار دارد كه در مقابل لبه بيرون‌آمده جای گرفته است. در محل قرار گرفتن شمع در سرسيلندر موتور، واشر مسی با تركيبی از مس و آزبست با مقطع نعلي‌شكل (U) قرار گرفته تا از نشت گاز در اتاقك احتراق به خارج جلوگيری شود، در ضمن محل نصب بعضی از شمع‌ها به شكل اُريب بوده و به خوبی آب‌بندی می‌شود.

بیش‌تر شمع‌های امروزی دارای پیچی به قطر ١٤ میلی‌متر است، هر چند بعضی از شمع ها دارای ١٨ میلی‌متر قطر بوده و بعضی دیگر نيز قطرشان١٠ میلی‌متر است. معمولا رزوه ها با گام ٢/١ یا ٥/١ میلی‌متری هستند که طبق مشخصات پیچ پایه شمع ها عبارت است از ٢٥/١. گاهی هم پیچ های قطورتر از ١٤ برای موتورهای دوزمانه و قطر کمتر برای موتوسیکلت‌ها ساخته می شود. پایه شمع وقتی در سرسیلندر قرار گرفت باید با اتاق احتراق تراز باشد. چنان‌چه کوتاه تر انتخاب شود موجب تجمع جرم شده و اگر بلندتر باشد قسمت بیرون‌زده، داغ می ماند و در هر دو صورت ایجاد خودسوزی می کند.

عايق شمع: عايق شمع از جنس نوعی سراميك است كه در برابر حرارت، فشار و ولتاژ بالا بسيار مقاوم است. اين عايق طوری قرار داده شده كه از پوسته صدفی بيرونی، به وسيله يك واشر نسوز داخلی و تركيبات آب‌بندی‌كننده كاملا جدا است.

اين عايق علاوه بر اين كه الكترود مركزی را نگه می‌دارد به منزله يك محافظ برای الكترود نيز هست و جريان الكتريسيته مجبور است فقط از داخل الكترود بگذرد. عايق بايد در مقابل حرارت زياد، خنك شدن و لرزش، مقاومت داشته باشد. قسمت بالايی عايق كه در معرض گرد و خاك است بايد هميشه تميز نگه داشته شود تا از هدر رفتن الكتريسته جلوگيری شود. در بعضی از انواع شمع، عايق‌های پشته‌ای وجود دارند كه گاه‌گاه می‌توان از طريق اين پشته، آلودگي‌هاي جمع‌شده را دور انداخت.

 الكترودها: شمع دارای دو الكترود مياني (مثبت) و كناری (منفی) است كه به بدنه آن متصل هستند. الكترود ميانی در وسط عايق سراميكی قرار گرفته و در مقابل فشار زياد تا ٤٠ اتمسفر و حرارت بالا تا دو هزار درجه سانتي‌گراد مقاوم است. الكترود كناری به پوسته فلزی چسبيده و با الكترود ميانی فاصله هوایی دارد كه فاصله دهانه شمع ناميده می‌شود. فاصله بين دهانه دو الكترود شمع، نخستين عامل جرقه‌زنی است. اين فاصله بايد مطابق خصوصيات موتور باشد. اگر فاصله دو الكترود خيلی كم باشد، جرقه ضعيف شده و موجب بد كار كردن و روشن‌نشدن موتور می‌شود.

 اگر فاصله دو الكترود خيلی زياد باشد، موتور در دورهای كم خوب كار خواهد كرد، اما در دورهای زياد يا داشتن بار، به كوئل فشار زيادی می‌آيد و موجب روشن نشدن و يا بد كاركردن موتور مي‌شود. سطح الكترودها در قسمتی كه روبه روی هم قرار می‌گيرند بايد كاملا موازی و به شكل چهارگوش باشند، به اين طريق جهش جرقه از دهانه شمع راحت تر صورت می‌گيرد.

الكترود ميانی شمع‌های جديد، دوتكه بوده و واير شمع به قسمت بالای آن وصل شده و قسمت پايينی تا داخل اتاقك احتراق ادامه پيدا می‌كند. در بعضی از شمع‌ها مقاومت هزار اهم قرار داده شده است. اين مقاومت، پارازيت‌های راديو و تلويزيون را گرفته و عمر شمع را نيز افزایش می‌دهد. جنس الكترودها از فلز ديرگدازی مانند آلياژ نيكل و يا آلياژ آهن و كروم است كه هم هادی خوبی براي جريان بوده و نيز در مقابل حرارت زياد مقاومت می‌كند.

 عملكرد شمع: شمع‌ها دارای دو قسمت هادی يا الكترود هستند. يك الكترود به سيم درِ دلكو و ديگری به بدنه، سر ديگر هريك از الكترودها در شمع و به فاصله كمی از يكديگر قرار دارند، موجی از ولتاژ قوی سبب القای اتصال می شود. جريان الكتريكی از كوئل به داخل در دلكو وارد  شده و از آن‌جا از طريق وايرها به يكی از الكترودهای شمع می‌رسد.

سپس اين جريان از شكاف و فاصله بين دو الكترود انتهای شمع جهش كرده و به طرف الكترود ديگر و بدنه می‌رود و به اين ترتيب ضمن جهش جريان برق از شكاف و فاصلة بين الكترودهای شمع، مدار كامل شده و عبور جريان برق همچنان ادامه می‌يابد.

كامل كردن مدار برق يكی از كارهای مهم سيم‌پيچ ثانويه است. حقيقت مهم ديگر آن است كه وقتی كه جريان برق از شكاف و فاصله بين دو الكترود انتهای شمع ‌مي گذرد، يك جرقه ايجاد می‌شود و اين آخرين كاری است كه مدار جرقه‌زنی انجام می‌دهد.

شمع سرد و شمع گرم و محدوده حرارتی

به طور كلی شمع‌ها به دو نوع گرم و سرد تقسيم می‌شوند. شمع گرم به گونه‌ای طراحی شده است كه دما به اندازه كافي در دماغه سراميك نگه‌داری شود تا رسوبات روغن و كربن بسوزند. در اين حالت، حرارت روی دماغه عايق پخش می‌شود.

 نوع سرد به منظور جلوگيری از احتراق زودرس طراحی شده است. در اين حالت حرارت، سريع‌تر انتقال می‌يابد و به همين دليل است كه اين نوع شمع‌ها در زمانی كه موتورها بايد بار زيادی تحمل كنند، مورد استفاده قرار می‌گيرند. در نوع گرم، به دليل جريان بيش‌تر، سطح دماغه بيش از نوع سرد در معرض گازهای احتراقی قرار دارد و در مقايسه با شمع سرد، به درجه حرارت بيشتری می‌رسد، اما در محدوده حرارتی، مهم‌ترين شاخص عملياتی شمع موتور خودرو به شمار می‌رود (توصيه می‌شود كه شمع‌ها در محدودهای حرارتی گوناگون طراحی شوند.) دليل در نظر گرفتن محدوده حرارتی آن است كه سر شمع‌ها بايد در دماهای بالا عمل كنند تا از جرم‌گيری يا كثيف شدن جلوگيری شده و به اندازه كافی خنك بمانند تا «پيش اشتغال» نيز پيش نيايد سرعت انتقال حرارت - چه سريع، چه آهسته - به طراحی شمع مربوط می‌شود و تفاوت بين شمع گرم و سرد را نشان می‌دهد.

انواع شمع از نظر ساختار جدید و کاربرد

شمع‌ها از نظر ساختار و كاربرد به چند دسته تقسيم مي‌شوند: شمع سوپر (C)، شمع مقاومتی يا رزيستور (R)، شمع‌های (سه الكترود) مسابقه‌ای يا سه‌پلاتينه (D) و شمع با الكترود پلاتين (P).

ويژگي‌های فنی شمع سوپر (C): ١( كاهش مصرف، 2) جرقه دقيق و مطمئن به محض استارت زدن، به ويژه در هوای سرد، ٣) عملكرد مناسب موتور به دليل داشتن الكترود مياني مسی بسيار رسانا در وضعيت‌های آب و هوايی بسيار متفاوت، 4) برخورداری از طراحی مخصوص برای سوزاندن ذرات پس‌مانده و جلوگيری از جرم گرفتن دهانه شمع، ٥) احتراق كامل سوخت، ٦) صرفه‌جويی ارزی، ٧) طول عمر بيش‌تر، ٨) حذف سيستم پارازيت گيری و 9) مهم‌تر از همه كاهش آلودگی هوا.

 شمع سوپر يا ترموالاستيك

شمع ترموالاستيك يا سوپر CU-Electrode، شمع‌هايی با تكنولوژی برتر با الكترودهاي آلياژی يا مغزي مسي هستند. اين شمع‌ها رسانایی حرارتی بهتر، دسترسی سريع‌تر به دمای خود، پاك‌سازی (Self-Cleaning) و حذف لايه نرم ته‌نشين‌شده كربن را باعث می شوند كه به نوبه خود احتراق مناسب‌تر، جرقه قوی‌تر و كارآیی بهتر موتور را تضمين می کند. شمع سوپر دارای نشانه C بعد از شماره مشخصه است.

 شمع‌هايی با الكترود مغز مسی برای بهبودبخشی به بخش حرارتی و مقاومت در برابر رسوب‌گيری طراحی شده است. اين موضوع خصوصا در موتورهای كوچك تر و مدرن مهم است و اجازه می دهدكه در محدوده دمايي وسيع تری كارایی را داشته باشد. در بقيه خواص، شمع‌های سوپر مطابق با شمع‌های استاندارد (معمولی) هستند.

شمع رزیستور يا شمع ضد تداخل

با افزايش استفاده از باندهای VHF و UHF برای ارسال برنامه های راديویی و تلويزيونی، بسياری از كشورهای جهان قواعدی را برای كنترل تداخل امواج صادره از شمع خودرو در امواج مذكور وضع كرده اند، زيرا ممكن است از از باندهای فوق كه راديو و يا تلويزيون استفاده می كنند در خودرو استفاده شود.

روش‌هایی كه سازندگان خودرو برای جلوگيری از اين تداخل انجام می دهند متفاوت است، اما راه‌حل اساسی، استفاده از شمع‌های مقاومتی است. عمل جلوگيری از تداخل عبارت از كاهش سقف جريان در توليد جرقه و در نتيجه حذف تداخل صوتی و برفك‌های تلويزيونی ايجاد شده است. شمع های سوپر مقاومتی يا رزيستور، با يك نشانه R بعد از مشخصه، متمايز می شوند (FE65CPR).

شمع سه‌الكترود مسابقه‌ای يا سه‌پلاتينه

توسعه صنعت خودرو، اخيرا نيازهای سرويس كردن و مونتاژ قطعات را بهبود بخشيده و قسمت های مصرفی را كاهش داده اند و به اين منظور عمر شمع‌ها را افزايش داده اند. سطوح جانبی الكترودها افزايش يافته كه اين امر به طور قابل توجهی مقدار سايش را كاهش می دهد و به همين خاطر فاصله بين الكترودها ثابت مانده و در نتيجه ولتاژ مورد نياز برای احتراق مخلوط سوخت و هوا تقريبا ثابت می ماند.همچنین اين موضوع باعث افزايش قابليت روشن شدن خودرو خصوصا در هوای سرد مي‌شود. شمع‌های ذكر شده، در كدگذاری با پسوند (D) مشخص می شوند.

شمع با الكترود پلاتين

الكترود مركزی اين گونه شمع‌ها از آلياژهای پلاتینی مقاوم به سايش است كه تحت عمليات خاصی توليد شده اند. آلياژ پلاتين هادی حرارتی و برقي خوبی است. سرعت سايش الكترود مركزی در اثر خوردگی، سايش و سوختن، در نتيجه جرقه‌زدن شديدا كاهش يافته است، در اين روش فاصله بين الكترودها و ولتاژ مورد نياز برای احتراق تقريبا ثابت می ماند.

 مشخصات قدرتی و دور ثانويه موتورها بهبود يافته است. از آن‌جا كه الكترودها می توانند نسبتا كوچك تر و نازك تر با شند، در نتيجه جرقه راحت تر می تواند از مخلوط سوخت و هوا عبور كند.  با توسعه دماغه عايق و جا زدن الكترودهای پلاتینی، دماغه عايق می تواند به آسانی گرم شود. در فشارهای بالاي موتور، پراكندگی حرارت افزايش می يابد، شمع‌های فوق روشن شدن موتور را آسان تر می كنند و اغلب با قدرت انباشتگی پايين تر كه عرضه می كند، داراي مصرف سوخت پايين تر و بهره‌وری بالاتر است. شمع‌هاي با الكترود پلاتینی، با پسوند P در كدگذاری مشخص می شوند.