火花塞用于当代汽车发动机该具备的特性

随着现代汽车发动机升功率的提高，其燃烧室内的温度也趋提高，伴随着高能点火线圈的应用，点燃式发动机对火花塞的技术要求也越来越苛刻。在技术上不仅要求火花塞在-30-40℃的低温条件下可靠点火，使发动机正常启动，还必须在极高的温度下，受发动机控制器的控制能精确点火；然而，由于发动机结构日趋复杂，更换火花塞也变得异常困难。这就要求火花塞不仅须具备更长的使用寿命和保养里程，而且还要有高可靠性。与此同时，由于电火花所产生的电磁干扰，火花塞还应有相应的对电磁干扰的抵御能力。

1　火花塞结构

图1为火花塞的解剖图。图左边是普通裹铜芯电极，右边是电极的发火端，焊有硬质贵金属。

点火线圈提供充足的高电压，通过火花塞的中心电极和侧电极之间的间隙进行放电，所产生的火花将燃烧室内的空气－燃料的混合物点燃，燃料转换成作功的能量。这就是火花塞的电性能。由于尖端放电的特性，要求中心电极直径越细越好。但是电极的直径越细，电腐蚀就越大，其寿命就越短。为提高火花塞的工作寿命，放电处电极直径小于1mm的诸如铂金、铱金等以硬质贵金属材料作为电极的火花塞应运而生。而普通电极材料（如镍合金等）的火花塞，为使其寿命得以保证，电极直径也从原来的2.6mm降至2.1mm的同时，镍钇合金等一些新型材料也在火花塞的电极上广泛运用。为了使中心电极同时具备良好的导电性能和导热性能，中心电极内部一般还包裹铜芯。有些火花塞，为延长侧电极的寿命，使侧电极同样具备良好的导电性能和导热性能，侧电极内部也包裹铜芯。

火花塞在燃烧室内点火完毕后，其温度不能太高，不能因火花塞自身的温度过高而引起早燃。但其温度也不能过低，否则，火花塞就不能自净，容易积碳积垢。火花塞的热性能，可以通过选取火花塞的热值来确定。

火花塞自身不会产生热，但它可以像散热器一样，将燃烧室内多余的热量带走，移至发动机的冷却系统中。火花塞的散热情况，主要是由下列因素决定：绝缘嘴的长度；围绕绝缘嘴的气体量；中心电极的材料、结构和陶瓷绝缘体的结构等。

绝缘嘴长度，就是瓷件从发火端的绝缘体至金属外壳接触的那段距离，如图2 A、B火花塞头部的灰色部分。火花塞A的绝缘嘴比较长，较多的瓷件表面和燃烧气体接触，散热慢，为热型火花塞；而火花塞B正好相反，绝缘嘴比较短，较少的瓷件表面和燃烧气体接触，散热快，属于冷型火花塞。

火花塞的顶端是火花塞的最热部位，该部位的温度是影响火花塞积碳和早期点火的主要因素。任何点燃式发动机，火花塞顶端的温度必须控制在500-850℃之间。如果顶端的温度低于500℃，围绕中心电极的绝缘体部位将因温度过低而不能将在燃烧室内所积的碳和其他沉积物烧掉。火花塞上的这些积垢将直接导致发动机失火。顶端的温度高于850℃，则会造成中心电极融化及早燃，进而引起发动机爆震。由于这种爆震的产生无法控制，更无法避免，因此发动机将会在很短的时间内损坏。

2　电极的温度测量

由于中心电极的温度比侧电极温度高，因此对火花塞中心电极的温度测量尤为重要。又因为点火线圈提供的2-3万V的高电压通过中心电极，又给测量火花塞中心电极温度带来了难度。图3是专门用来测量中心电极温度的火花塞。

上述火花塞中热电偶的温度信号，经专门设备，通过光缆对高电压进行隔离，分别对发动机各个缸的中心电极温度进行测量，从中选出其中温度最高的一缸，对其进行热值测量。

3　热值测量

一般可通过测量离子电流，来判断所选定的火花塞是否存在早火或后火及离早火还有多少余量。

在两个带间隙的电极上通一定的电压，同时让带间隙的电极处于炽热的火焰中，该回路就会有电流产生，即离子电流。

正常的点火线圈点火，其点火时刻应在曲轴转角的某一点，这一点通常称为点火角。如果实际的点火点因炽热而早于正常的点火点，就会出现如图4B所示的离子电流现象。由于该点火角因失控而提前，会因为爆震而造成发动机损坏。图4C和D均人为地使点火线圈的点火抑制，图4C是没有炽热点火，图4D虽然有炽热点火，但它的产生要后于正常的点火点，因此，在实际运行中，对发动机而言，是安全的。但一般认为，如果炽热后火的概率大于40%，就会存在早火的危险，也就是说，该火花塞的热值选配不当。由此可见，后火率的测量，其意义要大于早火的测量。

4　火花塞积垢试验

火花塞的积垢，其主要成分是碳和其他燃料中的添加剂和杂质，如锰、铁、铝等，经燃烧而形成的氧化物，积附在火花塞的表面。根据我国车用汽油标准GB 17930－2006，虽然对上述成分的含量有明确规定，但通过对火花塞的检测，在它的绝缘体上发现了相当比例的锰、铁和铝的氧化物。而对锰、铁等的氧化物，即使在高温下，也很难将其烧掉。同时，这些氧化物聚积在火花塞绝缘陶瓷体的表面，在高温下会形成电阻，消耗点火线圈所产生的点火能量，使发动机失火。该现象目前是火花塞的隐形杀手，直接影响火花塞的性能。

对于积碳而言，在温度大于500℃时，能随着燃烧室内燃烧的气流，较容易地带出燃烧室，因此，冷启动积垢试验目前仅对于火花塞积碳的情况进行试验。要求是，在-10--20℃的环境下，对车辆进行冷启动，每启动完毕一次，再按照相应的工况运行。至少启动15次以上才算合格。期间，只要有一次启动失败，或某一缸彻底无法点火，该火花塞的积垢试验就算不合格。同时，还可以测量火花塞电极的绝缘电阻应不小于10MΩ。

5　耐久试验和点火能量检查

耐久试验，包括整车耐久和发动机台架耐久试验。实验必须使用经热值测试后符合其发动机性能的火花塞。经过一定的整车耐久里程数和发动机台架耐久时间，火花塞的电极因电腐蚀会引起电极间隙变大。

（1）最大需求电压：火花塞的电极间隙越大，需要点火线圈提供越高的电压来击穿火花塞的间隙；不同的驾驶工况，对点火线圈输出能量的要求也不一样。因此，在测量最大需求电压时，需要用电极已经磨损的火花塞，并尽可能使车辆在静态、动态等各种工况下运行。记录下点火线圈的初级电流和火花塞电极之间最大电压的关系，即最大需求电压。

（2）最小可利用电压：整车的发动机上，点火线圈空载时，点火线圈的初级电流和点火线圈次级电压的最小值，即为最小可利用电压。

一般认为，经耐久试验的火花塞，其最大需求电压和最小可利用电压之间，至少必须有大于4000 V的电压储备，才能使火花塞的工作处于安全。这也是对选定的火花塞，其电极间隙磨损程度的评判。通常.情况下，发动机台架和整车耐久的火花塞，至少要运行3轮或以上，并分别对各个火花塞进行上述试验。最后，还必须对发动机扭矩和空燃比进行验证，即，新、旧火花塞之间，扭矩偏差应在±2Nm，λ偏差在±2%之内。

6　结　语

综上所述，在发动机的开发过程中，应使火花塞能充分适应发动机，其中包括火花塞热值的选配、电极的结构和选材、中心电极直径、中心电极和侧电极之间的间隙、火花塞在燃烧室内的位置等。