Współczesne silniki o zapłonie samoczynnym wyposażone w zasobnikowe układy zasilania pod względem czasu rozruchu nie różnią się w zasadniczy sposób od silników o zapłonie iskrowym. Jest to zasługą nowoczesnych świec żarowych.

Uruchomienie współczesnego silnika o zapłonie samoczynnym (ZS) następuje w bardzo krótkim czasie, bez wstępnego oczekiwania na podgrzanie powietrza. Najczęściej stosowanymi świecami żarowymi w układach podgrzewania powietrza silników o ZS są świece takich firm jak: Beru, Bosch, NGK.
Do zalet nowych generacji układów podgrzewania silników o zapłonie samoczynnym można zaliczyć:
a) łatwy rozruch w niskich temperaturach (bezproblemowo do –25°C),
b) bardzo krótki czas rozgrzewania świec żarowych,
c) wysokie temperatury grzania świec 1000°C (1350°C) osiągane w czasie do 2 sekund (wyższe temperatury dotyczą świec ceramicznych),
d) regulację temperatury grzania świec żarowych podczas podgrzewania i dogrzewania,
e) diagnostykę układu podgrzewania, w tym świec za pomocą złącza EOBD.

Układy podgrzewania powietrza zastosowane np. w silniku 2.0 TDI (140 KM) z systemem wtrysku paliwa typu common rail, lub silniku 2.0 TDI (170 KM) z systemem wtrysku paliwa za pomocą pompowtryskiwaczy mogą być wyposażone w ceramiczne lub stalowe świece żarowe. Rodzaj zastosowanych świec zależy od kodu literowego silnika. Dodatkowymi cechami silnika warunkującymi zastosowanie określonych świec żarowych są wprowadzone zmiany konstrukcyjne, np. układu rozrządu z 4 zaworami w cylindrze, które wymuszają zastosowanie świec o małych średnicach. Bez względu na rodzaj (metalowe lub ceramiczne) oraz zewnętrzne cechy konstrukcyjne świece żarowe muszą charakteryzować się wysoką odpornością na działanie czynników mechanicznych, szczególnie podczas montażu i demontażu oraz czynników chemicznych i temperaturowych (tworzenie i proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej). Świece żarowe poprzez sterownik są włączone w układ kontroli pracy silnika.
Praca świec żarowych jest kontrolowana przez dwa urządzenia: moduł sterowania pracą silnika oraz sterownik świec żarowych. Podczas pracy sterownik świec żarowych otrzymuje od modułu sterującego silnika sygnały dotyczące:
a) załączenia świec,
b) czasu podgrzewania,
c) częstotliwości zasilania,
d) współczynnika wypełnienia impulsu.
Sterownik świec żarowych ma za zadanie:
a) bezpośrednio zasilać świece żarowe w sposób sekwencyjny napięciem prostokątnym mierzonym względem bieguna dodatniego „+” o zmiennym (modulowanym) współczynniku wypełnienia (sygnał PWM – Pulse-Width Modulation). Niska wartość napięcia (pomiar względem „+”) oznacza zasilanie świecy, a wysoka wartość napięcia oznacza brak zasilania świecy,
b) wyłączyć zasilanie świec w razie przegrzania lub przepięć w instalacji elektrycznej,
c) realizować funkcje diagnostyczne świec poprzez:

• analizę wartości prądu w obwodzie elektrycznym świec,
• rozłączenie obwodu elektrycznego w chwili wystąpienia zwarcia, przekroczenia dopuszczalnej wartości prądu w obwodzie elektrycznym świec lub uszkodzenia świecy (świec),
• monitorowanie stanu układu elektronicznego.

Zasilanie świec żarowych przez sterownik w sposób sekwencyjny stosowane jest w celu zabezpieczenia przed spadkami napięcia w instalacji elektrycznej podczas działania świec. Poglądowy schemat sekwencyjnego zasilania wskazuje na wyraźne przesunięcie sygnałów sterujących wysyłanych do poszczególnych świec w sposób impulsowy. Kończenie się jednego sygnału sterującego przesłanego do jednej świecy powoduje wyzwolenie sygnału sterującego przesyłanego do świecy następnej.

Stany pracy świec żarowych
Działanie układu podgrzewania powietrza w silniku oparte jest na aktywowaniu poszczególnych stanów pracy świec żarowych:
a) podgrzewania (rozgrzewania wstępnego),
b) dogrzewania,
c) rozgrzewania uzupełniającego,
d) grzania w czasie regeneracji filtra cząstek stałych.
Warunkiem występowania poszczególnych stanów pracy świec żarowych są aktualne warunki temperaturowe otoczenia oraz silnika. Podczas podgrzewania świece żarowe są zasilane z modułu sterującego silnika poprzez sterownik świec w sposób sekwencyjny za pomocą sygnału PWM (sygnał o modulowanym wypełnieniu). Napięcie zasilania, regulowane zmianami częstotliwości, ma wartość maksymalną rzędu 11–11,5 V, po spełnieniu warunku określonej temperatury zewnętrznej, warunkującej uruchomienie układu podgrzewania powietrza. Po uruchomieniu silnika stopniowo wzrasta jego temperatura i nie zachodzi potrzeba zasilania świeć napięciem o wartości maksymalnej. Świece pracują w stanie dogrzewania. Przed przegrzaniem nowoczesnych świec żarowych chroni je tzw. samoregulacja temperaturowa.
Zdolność samoregulacji polega na ograniczaniu napięcia zasilania przy wzroście temperatury silnika. Jednak właściwości tej przeciwstawiają się korekcyjne zmiany napięcia zasilania, którego wartość utrzymywana jest w przedziale od 4 do 7 V (różnice wynikają z rodzaju układu podgrzewania). Wartość napięcia zasilania zmienia się w zależności od zmian prędkości obrotowej silnika i obciążenia. Zwiększony przepływ powietrza chłodziłby świece żarowe, co byłoby zjawiskiem niekorzystnym. W takich przypadkach lepiej sprawdzają się świece żarowe ceramiczne, tym bardziej, że dochodzą dodatkowe obciążenia cieplne podczas regeneracji filtrów cząstek stałych. Zaletą dogrzewania jest zmniejszenie emisji węglowodorów oraz poprawa kultury pracy silnika. Dogrzewanie trwa do czasu osiągnięcia przez silnik określonej temperatury – od 15 do 20°C, ale nie dłużej niż czas ustalony w algorytmie sterowania – od 3 do 5 minut.

Świece żarowe mają maksymalne temperatury grzania od 800 do 1 350°C. Załączenie grzania świec żarowych podczas regeneracji filtrów cząstek stałych ma na celu poprawę warunków spalania mieszanki paliwowo-powietrznej.

Jerzy Kaparuk

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w numerze 8/2015