原裝動(dòng)力，締造火花塞精工品質(zhì)

終端推送|火花塞點(diǎn)火過(guò)程剖析

2023-12-18 16:53

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火花塞位于汽缸的燃燒室內(nèi)，通過(guò)高壓導(dǎo)線與點(diǎn)火線圈相連。當(dāng)點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生高壓電能傳遞到火花塞時(shí)，火花塞會(huì)放電產(chǎn)生電火花，從而點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的空氣燃料混合物，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力輸出所需的能量。

別看火花塞點(diǎn)火就是啪一下，極短，但這火花點(diǎn)火的極短過(guò)程，是挺復(fù)雜的。

火花點(diǎn)火的過(guò)程是一系列的物理加化學(xué)過(guò)程，根據(jù)點(diǎn)火工作時(shí)電流電壓隨著時(shí)間的變化，點(diǎn)火過(guò)程分為：預(yù)擊穿階段、擊穿階段、電弧放電階段、電弧到輝光放電的過(guò)渡階段、輝光放電階段。其中，擊穿階段、電弧放電階段、輝光放電階段更為重要，本篇提出這3個(gè)階段進(jìn)行講解。

圖1 某車(chē)某缸的怠速狀態(tài)下的一次真實(shí)數(shù)值

該數(shù)據(jù)使用Hantek 6074BC 數(shù)字示波器采集，受設(shè)備精度誤差所限，數(shù)值僅供理解參考。

圖2 傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng) 初級(jí)線圈電流波形示意圖

以圖1的同等的時(shí)間坐標(biāo)手繪，手繪有誤差，僅做示意描述。如初級(jí)線圈提前充滿(mǎn)，上圖電流圖會(huì)改變。

圖3 傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng) 次級(jí)線圈電流波形示意圖

以圖1的同等的時(shí)間坐標(biāo)手繪，手繪有誤差，僅做示意描述。

圖4 將圖1時(shí)間坐標(biāo)放大的100倍的電壓波形圖

使用Hantek 6074BC 數(shù)字示波器采集，受設(shè)備精度誤差所限，數(shù)值僅供理解參考。

預(yù)擊穿階段可以通過(guò)湯森放電理論進(jìn)行解釋?zhuān)趥鹘y(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)中，當(dāng)初級(jí)線圈充電結(jié)束斷開(kāi)初級(jí)線圈回路后，次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，火花塞電極之間的電場(chǎng)逐漸增大，中心電極表面的電子在電場(chǎng)作用下加速并逃逸出來(lái)，以最快的速度奔向側(cè)電極，形成電流并達(dá)到接近飽和的狀態(tài)。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，更多的電子開(kāi)始飛向側(cè)電極，并在電場(chǎng)的作用下獲得足夠的動(dòng)能。在飛行路徑上，加速的電子和氣體原子以一定概率發(fā)生碰撞，并產(chǎn)生新的自由電子，自由電子倍增。被撞擊后的氣體原子由于失去了電子而變成正離子，在電場(chǎng)的作用下飛向陰極撞擊出更多的電子。當(dāng)電子數(shù)量呈幾何倍數(shù)增加并達(dá)到極限時(shí)，原本絕緣的氣體被擊穿，變成等離子態(tài)。

在沒(méi)有擊穿之前，高電壓會(huì)以1kV/μs的升高速率（典型數(shù)值）一直提高到點(diǎn)火線圈的空載電壓，如果此時(shí)沒(méi)有擊穿就會(huì)強(qiáng)烈衰減（RLC衰減震蕩）。

RLC衰減震蕩僅供理解參考

擊穿電壓取決于火花塞間隙、電極形狀、電極損耗情況、燃燒室條件、混合氣密度。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得出的點(diǎn)火線圈的最大次級(jí)電壓，需要滿(mǎn)足在使用的發(fā)動(dòng)機(jī)上大于各種工況下的擊穿電壓。預(yù)擊穿階段可見(jiàn)圖1、圖4所示。

混合氣被擊穿的時(shí)候，火花塞電極之間的擊穿電壓（又稱(chēng)峰值電壓）在10kV-35kV之間（高能量點(diǎn)火線圈高于30kV），離子流從一個(gè)電極跑向另一個(gè)電極，電極間隙的電阻迅速下降，電壓迅速衰減，電流達(dá)到峰值，建立了一個(gè)大約40μm直徑的、很窄的圓柱狀等離子體通道，等離子是導(dǎo)體，電能幾乎可以無(wú)損失地通過(guò)等離子體通道，它的溫度達(dá)到60000K，壓力上升到幾十MPa，從而產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的激波向四周傳播，使等離子體的體積迅速膨脹到大約2mm直徑（進(jìn)入電弧放電階段），壓力、溫度迅速下降。擊穿階段的時(shí)間很短，約10ns（10x10^-9秒），峰值電流高達(dá)約200A，能量約1mJ。

擊穿電壓的大小決定了點(diǎn)火系統(tǒng)的性能，理論上來(lái)說(shuō)，擊穿電壓越低，對(duì)點(diǎn)火越有利。擊穿電壓較低的話，不但降低了點(diǎn)火線圈的負(fù)擔(dān)，而且降低了火花塞被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。如果擊穿電壓過(guò)高，點(diǎn)火線圈的輸出電壓無(wú)法達(dá)到擊穿電壓，就會(huì)造成失火（無(wú)火點(diǎn)火），如果頻繁發(fā)生，點(diǎn)火線圈就會(huì)有擊穿、發(fā)熱燒毀的風(fēng)險(xiǎn)，而如果擊穿電壓過(guò)高，超出了火花塞陶瓷的絕緣擊穿電壓，火花塞陶瓷也有被擊穿失效的風(fēng)險(xiǎn)。

電弧放電階段緊隨擊穿階段。擊穿階段末期形成了電極間的等離子體通道后，電極間隙的電阻迅速下降。由于擊穿階段末期等離子體體積膨脹和體外的熱交換和擴(kuò)散作用增強(qiáng)，電弧中心的溫度下降到6000K。

電弧階段的放電特征是兩極總壓降很低，只有50-100V，電流強(qiáng)度很高，在1A-10A數(shù)量級(jí)，時(shí)間在100μs（100x10^-6秒，也有說(shuō)法是1μs），能量約1mJ。

電弧放電階段放電帶的中心部分的離解程度依舊較高，但離子化程度比較低（約1%）。在火花塞陰極和陽(yáng)極上的電壓降是電弧放電產(chǎn)生電壓降的主要原因，電能儲(chǔ)藏在電極的表層區(qū)域并被導(dǎo)走，這是電弧總能量的一個(gè)重要部分，另外由于電弧要求有灼熱的陰極，因而造成了陰極材料的蒸發(fā)蝕損。一般認(rèn)為，在電弧放電階段火焰?zhèn)鞑ラ_(kāi)始發(fā)生。電弧放電階段可見(jiàn)圖1、圖4所示。

隨著電流的逐步衰減，放電過(guò)程進(jìn)入到了輝光放電階段。輝光放電的波形是高頻震蕩，輝光放電時(shí)，火花塞電極兩級(jí)間的電壓叫做燃燒電壓，通常是500V至1kV左右，一些條件下可以超過(guò)1kV，燃燒電壓的大小與火花等離子體的長(zhǎng)度有關(guān)，主要取決于火花塞電極的間距，即間隙，以及混合氣的運(yùn)動(dòng)使火花偏轉(zhuǎn)的情況。

【例】如下圖所示，B為正負(fù)電極之間的直線距離，即間隙，也是等離子體產(chǎn)生的最大可能路徑，A和C為混合氣的運(yùn)動(dòng)使火花偏轉(zhuǎn)的可能情況的例子。

輝光放電階段的電流強(qiáng)度較小，電流低于200mA，氣體離子化能力變?nèi)?，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，通常0.8至2.4ms，放電能量約為30mJ。電流低于一定的數(shù)值時(shí)，火花就熄滅了，電壓也逐漸衰減?；鸹ㄏ绾?，次級(jí)線圈會(huì)有若干次低頻震蕩，消耗掉剩余沒(méi)有利用上的能量，又稱(chēng)余能震蕩。輝光放電階段電極之間氣體的離子化程度很低（低于0.01%），絕大部分的點(diǎn)火能量都在這時(shí)放出，但能量損失比電弧階段更大，溫度下降到3000K。輝光放電階段加熱了混合氣，使其迅速燃燒。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件，最佳點(diǎn)火條件下，對(duì)靜止的混合氣的點(diǎn)火能量只需要0.2mJ，而對(duì)于較稀混合氣、較濃的混合氣、較高流速的混合氣，需要的點(diǎn)火能量是3mJ。為了使得發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下都能可靠點(diǎn)火，通常常規(guī)點(diǎn)火系統(tǒng)可以供給能量為30-50mJ，而高能點(diǎn)火系統(tǒng)提供超過(guò)100mJ的點(diǎn)火能量。

在點(diǎn)火過(guò)程中，如果火花能量不足，等離子通道、電弧、輝光在向外擴(kuò)散的過(guò)程中，由于向周?chē)旌蠚鈱觽鳠釗p失較大，向外加熱的空間（半徑）不夠大的話，就不能使化學(xué)反應(yīng)生成足夠的熱，點(diǎn)火就會(huì)失敗；而火花能量足夠超過(guò)這個(gè)臨界值（即最小點(diǎn)火能量），多余的能量可以補(bǔ)償溫度的下降，這樣就防止了火焰在初始傳播速度的降低，可以用較多的能量引起火核的發(fā)展。這個(gè)點(diǎn)火成功的概率稱(chēng)為點(diǎn)火率。

等離子通道分階段膨脹和向外擴(kuò)散傳播，可以用下圖形象表示。