شمع خودرو چیست؟ و چگونه کار میکند؟

یکی از قطعات اصلی موتور هر خودرو، شمع های آن می باشد که وظیفه جرقه زنی و به نوعی روشن نمودن خودرو را دارد. شمع خودرو یک قطعه مهم در موتور خودروهای سوختی محسوب می گردد و بدون کارکرد صحیح شمع ها، خودرو ها قادر به حرکت نخواهند بود. در این مطلب قصد داریم در رابطه با شمع خودرو مطالبی را ارائه کرده و به بررسی این قطعه حیاتی در موتور خودرو بپردازیم.

شمع ماشین چیست و چه نقشی دارد؟

خودروهای احتراق داخلی برای سوزاندن سوخت درون سیلندرهای موتور خود نیاز به محرکی اولیه دارند. این محرک اولیه جرقه‌ای است که شمع تولید می‌کند. در واقع این قطعه‌ کوچک از اصلی‌ترین بخش‌های موتور است و موجب روشن شدن و شروع به کار آن می‌شود. اهمیت این قطعه در حدی است که در صورت نقص در عملکرد آن به هر دلیل، موتور روشن نشده و خودرو قادر به حرکت نخواهد بود.

برای ایجاد احتراق مورد نیاز درون موتور سه عامل اصلی وجود دارند که مانند سه راس مثلث یکدیگر را تکمیل می‌کنند؛ سوخت، اکسیژن و حرارت. حرارت بخشی است که توسط شمع با عمل جرقه‌زنی تامین می‌شود.

این جرقه مانند فندکی که شعله‌ گاز را روشن می‌کند آتش اولیه‌ درون سیلندر را فراهم می‌نماید. به طور قطع هرچه این جرقه قوی‌تر باشد احتراق مورد نیاز موتور بهتر و قوی‌تر صورت می‌گیرد. اما شمع انرژی خود را برای جرقه زدن از باتری خودرو تامین می‌کند.

به بیان دقیق‌تر شمع انرژی الکتریکی باتری ماشین را به محفظه‌ احتراق رسانده و با مشتعل کردن مخلوط سوخت و گاز درون این محفظه، انرژی گرمایی مورد نیاز خودرو را تولید می‌کند. شمع برای ایجاد جرقه در محفظه‌ احتراق بالای سیلندر و روی سرسیلندر قرار می‌گیرد. برای هر سیلندر یک یا دو شمع استفاده می‌شود.

شمع باید متناسب با موتور و نیاز خودرو انتخاب شود در غیر این صورت به دلیل جرقه‌زنی بیش از حد دچار فرسایش شده و کارایی خود را به زودی از دست می‌دهد. همچنین خوب کار نکردن شمع موجب احتراق ناقص درون موتور و استهلاک دیگر قطعات خودرو می‌شود.

اجزای شمع ماشین

شمع ماشین قطعه‌ای کوچک با اهمیتی بالا و وظیفه‌ای بزرگ است. این قطعه‌ در عین کوچک بودن ساده و عاری از پیچیدگی‌های دیگر قطعات خودرو‌ است. البته با این وجود اجزای کوچک اما متعددی دارد. این اجزا عبارتند از؛

• عایق چینی

این عایق از جنس اکسید آلومینیوم یا آلومین است با یک لایه‌ لعاب شیشه‌ای به عنوان پوشش خارجی. این لایه‌ خارجی که به رنگ سفید روی شمع دیده می‌شود از جذب آلودگی توسط عایق جلوگیری کرده و منافذ آن را کامل می‌پوشاند.

عایق به شمع در برابر فشارها و حرارت بالایی که با آن مواجه است استحکام لازم را می‌دهد. عایق در برخی از شمع‌ها قابلیت جدا کردن دارد که به این نوع شمع‌های دو تکه می‌گویند.

• بدنه‌ شمع

بدنه‌ی شمع که از جنس فولاد است شمع را روی سیلندر محکم نگه می‌دارد. بالای آن آچارخور و پایینش رزوه یا پایه‌ شمع وجود دارد. بین بدنه و سرسیلندر از واشری جهت عایق‌بندی و جلوگیری از نفوذ مخلوط سوخت و هوا به بیرون از سیلندرها استفاده می‌شود.

• ترمینال شمع

بالاترین قسمت بدنه‌ شمع و بخشی که از عایق بیرون می‌زند همان ترمینال شمع است. این بخش به وایر متصل می‌شود و ناقل قوی الکتریسیته است. ترمینال در برابر زنگ‌زدگی مقاومت بالایی دارد.

• پایه‌ شمع

این بخش از شمع که رزوه نیز نامید می‌شود به سر سیلندر متصل شده و روی آن بسته می‌شود به طوری که با محفظه‌ احتراق هم سطح باشد. در صورت بلند یا کوتاه بودن بیش از حد این پایه، شمع دچار خودسوزی می‌شود. شمع‌ها از نظر اندازه و قطر پایه به دو دسته‌ پایه بلند و پایه کوتاه تقسیم می‌شوند که با توجه به موتور و سرسیلندر هر خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• الکترود مثبت

این بخش که الکترود مرکزی شمع نیز نامیده می‌شود در وسط چینی واقع شده و از آلیاژ‌های فولادی مانند فولاد-نیکل، فولاد-کروم یا فولاد-منگنز ساخته می‌شود. این الکترود در معرض حرارت بالایی قرار دارد و به همین دلیل از آلیاژی ساخته می‌شود که در برابر حرارت مقاومت لازم را داشته باشد.

گاهی این الکترود دو تکه ساخته می‌شود و در بین این دو تکه از یک مقاومت با جنس شیشه‌ای مخصوص استفاده می‌شود که طول عمر شمع را بالا می‌برد. به تازگی در شمع‌ها از الکترود مرکزی با جنس مس پوشیده شده از نیکل کروم استفاده می‌شود که علاوه بر مقاومت حرارتی بالا، رسانای الکتریسیته‌ خوبی است.

بین الکترود مثبت و عایق چینی یک فاصله‌ هوایی وجود دارد که فضای انبساط الکترود را فراهم می‌کند. الکترود مثبت، الکتریسیته را از ترمینال تا محفظه‌ احتراق منتقل می‌کند.

• الکترود منفی

این الکترود که الکترود کناری نیز نامیده می‌شود به بدنه‌ یا پایه‌ شمع وصل است. جنس آن آلیاژ نیکل-کروم است و به شکل زائده‌ای انتهای پایه و در اطراف الکترود مثبت دیده می‌شود. تعداد الکترود منفی در انواع مختلف شمع متفاوت است.

• گپ

فاصله بین دو الکترود مثبت و الکترود منفی را گپ یا شکاف جرقه می‌گویند که بسیار دقیق اندازه‌گیری و تنظیم می‌شود. این فاصله براساس نیاز‌های موتور متفاوت است و در مناسب بودن شمع برای موتور نقش مهمی دارد. اما به طور کلی، هرچه فاصله‌ گپ بیشتر باشد جرقه‌زنی بهتر صورت می‌گیرد.

شمع ماشین چگونه کار میکند؟

شمع وظیفه‌ انتقال انرژی الکتریکی باتری ماشین به سیلندرها و ایجاد جرقه برای احتراق درون آن‌ها را در سه مرحله‌ی اصلی انجام می‌دهد. به این ترتیب:

1- انتقال جریان برق به شمع

شمع در قسمت ترمینال به کوئل که یک سیم‌پیچ الکتریکی برای ایجاد جریان برق با ولتاژ بالا است متصل شده و این اتصال از طریق سیمی با عایق الکتریسیته‌ قوی برقرار می‌شود. برق تولید شده در کوئل از طریق ترمینال به الکترود مثبت یا میانی انتقال یافته و تا پایه‌ شمع می‌رود.

الکتریسیته هنگام رسیدن به شکاف جرقه یا گپ، تمایل به انتقال به قطب منفی یا الکترود بدنه دارد، اما خاصیت عایق الکتریسیته بودن مخلوط سوخت و هوا مانع از این انتقال می‌شود.

2- یونیزه کردن مخلوط سوخت و هوا

در این مرحله، شمع برای انتقال نهایی الکتریسیته از قطب مثبت به قطب منفی، ولتاژ قوی‌تری از برق را به گپ منتقل می‌کند. این ولتاژ بالا ساختار مولکولی مخلوط موجود در شکاف جرقه را تغییر می‌دهد و با بالاتر بردن ولتاژ از قدرت دی‌الکتریک گاز، آن را یونیزه می‌کند. حالا برق از مخلوط یونیزه شده عبور کرده و به قطب منفی منتقل می‌شود.

3- جرقه زنی

عبور برق از الکترون‌ها دمای آن‌ها را تا حد زیادی بالا برده و گازهای یونیزه شده را منبسط می‌کند، این انبساط در نهایت به جرقه‌زدن منتهی می‌شود. چیزی شبیه به آنچه در رعد و برق اتفاق می‌افتد. در پایان جرقه‌زنی واکنش گازها با هم افزایش یافته و ایجاد یک گوی آتش در گپ می‌کند.

به این گوی هسته‌ آتشین می‌گویند که اندازه‌ آن به ترکیب سوخت و گاز موجود در سیلندر و شرایط محفظه‌ احتراق در زمان جرقه‌زنی بستگی دارد.

انواع شمع خودرو

شمع های خودرو دارای انواع گوناگونی می باشند که هر کدام برای نوعی از موتور خودرو ساخته شده اند مانند: شمع سرد، گرم، نیکلی،  پلاتینیومی، ایریدیومی،  چند الکترودی و … که در ادامه تعدادی از آنها را توضیح می دهیم.

1- شمع های چند الکترودی

این گونه از شمع خودرو از چند الکترود منفی برخوردار می باشد که باعث طول عمر بسیار بالاتر می گردد. به علت اینکه هربار جرقه زنی باعث خوردگی قطب منفی می گردد، هر الکترود پس از خورده شدن، جای خود را با الکترود نزدیکتر به قطب مثبت عوش کرده و در نتیجه طول عمر بالاتری برای شمع خودرو ایجاد می نمایند.

2- شمع سرد و گرم

شمع موتور خودرو بر اساس طراحی پیشرانه به دو دسته سرد و گرم تقسیم می شود.

• شمع موتور سرد

شمع های سرد به دلیل کوتاه بودن قسمت پایه حرارت خود را با سرعت بیشتری از دست می دهند. کاهش دمای سریع شمع موتور به بالا رفتن کیفیت عمل احتراق نیز کمک می کند. شمع های پایه بلندی که دمای آنها دیرتر کاهش می یابد به دلیل مجاورت با گرمای پیستون زودتر از حد مجاز جرقه ایجاد می کنند. احتراق زودرس موجب لرزش موتور و آسیب دیدن قطعات آن می شود. بنابراین، از شمع های سرد در موتورهایی که دمای بالایی دارند استفاده می شوند.

• شمع موتور گرم

شمع های گرم حرارت حاصل از احتراق سوخت و هوا را بیشتر در خود نگه می دارند. این ویژگی نیز مزایای خاص خود را دارد که از جمله آنها می توان به سوختن و از بین رفتن روغن و کربن رسوب کرده بر روی شمع اشاره کرد.

در واقع باقی ماندن رسوبات احتراق قبلی بر روی شمع موجب کاهش کیفیت جرقه زنی و پایین آمدن راندمان موتور می شود. از شمع های گرم در پیشرانه هایی که دمای تولیدی کمتری دارند استفاده می شود.

3- شمع های نیکلی

شمع موتور نیکلی مقاومت گرمایی کمتری نسبت به انواع دیگر دارد و در نتیجه طول عمر آن نیز کوتاه تر است. در شمع های نیکلی الکترود مثبت به شکل تخت است. شمع های نیکلی مصرف سوخت بالاتری دارند اما در عین حال از قیمت پایین ترین هم برخوردارند. به طور معمول توصیه می شود که شمع های نیکلی هر 20 هزار کیلومتر تعویض شوند.

4- شمع های معمولی

شمع های معمولی و رایج در بازار از آلیاژ نیکل ساخته شده که تحمل حرارتی معادل ۴۰۰ درجه دارند و به همین دلیل نهایت عمر آن ها ۳۰، ۰۰۰ کیلومتر است و بخاطر تخت بودن الکترود مثبت آن ها جرقه کاملا منظم نیست و همین نکته باعث بالا رفتن مصرف سوخت و خام سوزی می شود.

5- شمع های سوزنی

الکترود مثبت این شمع ها به شکل سوزن  نوک تیز است و این خاصیت باعث می شود که جرقه حاصله از شمع بسیار دقیق، در راستای سیلندر و خیلی قوی تر از یک شمع معمولی باشد.

زمانی که جرقه قوی تر باشد شعله حاصله از انفجار بزرگتر و در نتیجه بنزین داخل سیلندر بطور کامل سوخته، تمامی انرژی آن آزاد می شود.

ساختار و کاربرد شمع های سوزنی

در این مدل شمع اگر بخواهیم در مورد ساختار آن صحبت کنیم متوجه خواهیم شد که در این شمع ها الکترود مثبت آن به صورت یک سوزن خیاطی با نوک تیز می باشد و این ساختار باعث می شود تا دقت جرقه بسیار بالا رفته و آن را در راستای سیلندر قرار دهد.

جالب است بدانید، این شمع ها به قدری قوی هستند که قابل قیاس با شمع های ساده و معمولی نیستند. این خاصیت شمع ها به سیلندر ماشین شما این امکان را می دهد تا بنزین در آن به صورت کامل سوخته شده و تمامی انرژی موجود در ترکیب بنزین به طور تمام و کمال آزاد شود.

مواد سازنده شمع های سوزنی

اغلب افراد از شمع های سوزنی به خاطر کارایی های آن از آن استفاده می کنند و آن ها معمولا از دو نوع آلیاژ ساخته شده اند و هر کدام از آن ها دارای خواص ویژه ای می باشند.

شمع های سوزنی با دو نوع آلیاژ تولید و روانه بازار می شوند:

• شمع های پلاتینیوم (G-Power)

در این مدل شمع های سوزنی آلیاژی که مورد استفاده قرار می گیرد در ترکیب خود دارای فلز پلاتین می باشد و در مقایسه با فلز ایریدیوم مقاومت حرارتی کمتری دارد که مقاومت حرارتی آن حدود 2500 درجه سلسیوس است

. در این شمع پلاتینیومی الکترودها از پلاتینیوم ساخته می شوند و در نتیجه مقاوت گرمایی بالاتری دارند. بنابراین شمع های پلاتینیومی از طول عمر بیشتری نسبت به شمع های نیکلی برخوردارند. البته مقاومت حرارتی بالا باعث می شود تا در سر شمع هیچ گونه افت پتانسیلی رخ ندهد و شدت جرقه مانند قبل یکسان باقی بماند. این شمع ها تقریبا حدود 100000 کیلومتر عمر مفید دارند.

در شمع موتور پلاتینیومی الکترود مثبت به شکل سوزنی است که موجب افزایش کیفیت جرقه زنی می شود. اگرچه قیمت این نوع شمع بالاتر است اما تاثیر محسوسی در افزایش راندمان موتور، کاهش مصرف سوخت و بالا رفتن شتاب خودرو دارد.

• شمع های ایریدیوم (Iridium)

در شمع هایی که به وسیله این نوع آلیاژ ساخته می شوند از فلز ایریدیوم با مقاومت حرارتی نزدیک به 4000 درجه سلسیوس به کار برده می شود. البته نکته مفید دیگر در مورد این شمع ها این است که الکترود منفی آن، از نقطه ای پلاتینی می باشد و باعث می شود بالاترین درجه از جرقه در شمع ها ایجاد شود.

این شمع ها با توجه به میزان سوخت مصرفی خود و ساختار خاص خود، حدود 150000 کیلومتر عمر مفید دارند ولی در اکثر مواقع با استفاده ازمکمل های اکتان می توان این میزان عمر مفید را افزایش داد.

تفاوت آتش جرقه یک شمع با الکترود مسطح معمولی و الکترود سوزنی از جنس ایریدیوم در تصویر زیر (عکس سمت راست) نمایش داده شده است.

 شمع ماشین کی باید عوض شود؟

گاهی در حین رانندگی با دیدن یک سری از موارد مانند کم شدن توانایی موتور و حتی خام سوزی در هنگام شتاب گرفتن، متوجه می شوید که باید برای خودروی خود یک شمع مناسب تهیه کرده و این شمع قدیمی را تعویض کنید.

در ضمن با دیدن تغییرات فیزیکی روی این قطعه هم می توان به زمان تعویض آن پی برد. در واقع این چینی روی شمع است که دارای حالتی نامطلوب می شود و خبر از تعویض شمع می دهد زیرا این چینی ها به طور معمول و در حالت طبیعی دارای رنگی خاکستری یا قهوه ای و یا زرد می باشد و روی آن ها هیچ اثری از آلودگی و لکه های ناخوشایندی را مشاهده نمی کنید. به طور کلی اگر بخواهید شمعی را که دچار عیب هایی شده است بشناسید، باید به نکات زیر به خوبی توجه کنید:

• لعاب روی چینی

اگر شما به رانندگی با سرعت بسیار بالا علاقه دارید باید به این نکته هم توجه کنید که در اثر این سرعت بالای شما یک لایه سربی از بنزین بر روی چینی تشکیل می شود و در آخر باعث ایجاد یک لایه لعابی به رنگ زرد یا حتی سبز بر روی قطعه شده تا تنها راه حل آن تعویض قطعه موردنظر باشد.

• ترک خوردگی چینی

یکی از عواملی که می تواند باعث ترک خوردگی چینی شود، کاهش میزان اکتان موجود در سوخت است تا فرایند جرقه زدن را در سیلندر به شدت مختل کند. اگر صدایی نامطلوب از موتور ماشین خود شنیدید باید به ترک خوردگی چینی شک کنید.

• تغییر رنگ چینی

در بنزینی که شما برای ماشین خود استفاده می کنید یک سری از مواد افزودنی وجود دارد و معمولا آن ها برای افزایش میزان اکتان سوخت کاربرد دارند ولی در اثر آن روی سطح خارجی چینی شما قرمز یا صورتی می شود.

• فرسودگی الکترود

در مواقعی هم ممکن است که شمع شما دچار آسیب شده باشد و شما نسبت به تعویض آن بی توجهی بورزید ولی جالب است بدانید که در اثر آن ممکن است که الکترود مرکزی آن دچار سوختگی شده باشد.

• وجود بنزین بر روی شمع

در اثر بروز عوامل مختلفی ممکن است که سر شمع خودروی شما به وسیله مقداری از بنزین آلوده شود و باعث ایجاد تغییر رنگ در چینی آن شده و رنگ آن را به سمت سیاهی میل دهد.

• ذوب شدن الکترود مرکزی

در برخی مواقع شمع شما بسیار داغ شده و حرارت آن از حد مشخص شده بالاتر می رود که در این صورت ممکن است که الکترود مرکزی آن دچار ذوب شدگی شده و باعث ایجاد مشکلی جدی برای چینی آن بشود.

اهمیت تعویض شمع ماشین

وقتی رانندگی می کنید شمع موتور خودروی شما دچار ایجاد چندین جرقه می شود که با این جرقه ها مقداری از الکترود شمع شما از بین می رود و این روند به طور مکرر ادامه پیدا کرده تا الکترود به طور کامل فرسوده و متلاشی شود. در واقع با این اتفاقات به طور کلی قدرت موتور شما کاهش پیدا کرده و باعث افزایش مصرف سوخت شما می شود.

 عمر شمع خودرو

هر کدام از شمع هایی که از آن ها برای موتور خودروی خود استفاده می کنید دارای یک طول عمر مفید هستند که زمان تعویض این شمع ها هم به این بازه زمانی بستگی دارد. به عنوان نمونه شمع هایی که پلاتینیومی هستند حدود 100000 کیلومتر عمر مفید دارند و شمع های مسی هم در نهایت 30000 کیلومتر را می توانند به طور مفید کار کنند و در مورد سایرین شمع هایی که در بازار به فروش می رسند تقریبا می توان عمر مفید 150000 کیلومتری را برای آن ها در نظر گرفت.