火花塞工作原理

1.红旗H9轿车2023款发布

2023年元旦过后，红旗汽车在人民大会堂举办了红旗H9的新车发布会，一汽红旗全新的H9豪华轿车终于出炉了全套的配置参数，红旗H9的车身长度达到5137mm，宽度1904mm，轴距3060mm，总高则控制在1493mm，扁平的风格凸显了豪华感。

红旗H9发动机是代号为CA4GC20TD-31的V6发动机，它是国内自主研发的为数不多的V6发动机。CA4GC20TD-31拥有252马力和380牛·米的最大扭矩，最大功率转速为5500转/分，最大扭矩转速为1800至4000转/分。这台发动机配备了轻混合动力系统和缸内直喷技术，它使用铝合金气缸盖和缸体。

本文将描述发动机中一个非常不起眼的一个小配件——火花塞

2.火花塞是什么

汽车的动力来自发动机，而发动机的动力则来源于气缸内部，发动机气缸就是一个把燃料的内能转化为动能的场所。汽车燃油发动机分为两类：柴油发动机和汽油发动机。

柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机，而柴油发动机也称为狄塞尔发动机。柴油发动机的特点：热效率和经济性较好，柴油机采用压缩空气的办法来提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧（柴油燃点220摄氏度），因此柴油发动机无需点火系统。
汽油发动机是以汽油作为燃料，将内能转化成动能的发动机。汽油机的特点：转速高、结构简单、质量轻、造价低廉、运转平稳、使用维修方便。汽油粘性小，蒸发快，可以将汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃（汽油的燃点是427℃），使气体膨胀做功。
柴油发动机和汽油发动机有一个重要的区别：汽油发动机有火花塞而柴油发动机没有火花塞。

火花塞是汽油发动机点火系统中的重要元件，它可将高压电导入燃烧室，并利用火花塞上的电极间隙而产生电火花，从而将气缸中的可燃混合气点燃。

3.火花塞结构

火花塞主要组成部分有：接线螺母、中心电极、绝缘体、金属壳体、接地电极（侧电极），其中最重要的是两个电极：中心电极和接地电极（侧电极）。

火花塞最上面的部分叫做接线螺母，它与缸线相连，作用是完成缸线的对接，它还是接收高压电的端口。
接线螺母下面的结构叫绝缘体，它有绝缘、耐热、导热的特性，这些都是陶瓷材质的特性，陶瓷表面有几道沟状的波纹，其作用是防止电飞弧的产生，电飞弧是终端螺丝帽和主体金属之间产生的打火现象，这种结构类似高压线上的绝缘体。

陶瓷部分紧挨着的是主体金属，上面是六角形，这样方便了火花塞的拆装。螺纹是用于与气缸盖相紧固的部分，螺丝直径和螺丝长度也因发动机而分门别类。主体金属通过螺纹和发动机壳体相连，而发动机壳体又和电源地相连，最终火花塞的主体金属和电源地相连。

最末端是火花塞的电极：中心电极和外侧电极。普通火花塞电极为镍锰合金材质，高品质电极采用铱金或者白金等贵金属材。火花塞两个电极间的间隙对火花塞的工作有很大影响，间隙过小，则火花微弱，并且容易因产生积碳而漏电；间隙过大，所需击穿电压增高，发动机不易启动，火花塞间隙通常为0.7～0.8mm。火花塞绝缘体裙部（指火花塞中心电极外面的绝缘体锥形部分）直接与燃烧室内的高温气体接触而吸收大量的热，吸入的热量通过外壳分别传到汽缸盖和大气中。火花塞正常工作的温度在450～870℃之间。这时火花塞呈黄褐色。如果火花塞工作温度长期低于450℃，火花塞周围会有很多积碳，火花塞呈黑色。

火花塞的作用是将点火能量快速引入燃烧室，把高压导线送来的脉冲高压电放电，并用电极间的电火花瞬间点燃经压缩的可燃性混合气，点燃的气体通过做功从而为汽车提供源源不断的动力。火花塞对点燃式发动机的运行具有决定性的影响。

4.火花塞及点火系统

汽车点火系统通常由电源(蓄电池或发电机)、点火开关、点火线圈、分电器、控制电路及火花塞等重要部件组成。

点火系统的工作原理为：

1、电源为点火系统提供能源，点火系统的电源为蓄电池或发电机（发动机工作后点火系统的电源为发电机）。

2、点火开关用来控制仪表电路、点火线圈电路的开与闭。

3、点火线圈是一个自耦变压器，将电源供给的12V低压直流电转变为15～20kV的高压直流电。

4、分电器由断电器、配电器、电容器和点火提前调节装置等组成。它用来在发动机工作时接通与切断点火系统的初级电路，使点火线圈的次级绕组中产生高压电，并按发动机要求的点火时刻与点火顺序，将点火线圈产生的高压电分配到相应气缸的火花塞上。

5、火花塞由中心电极和侧电极组成，安装在发动机的燃烧室中，点火线圈产生的高压电传入火花塞的电极，在燃烧室产生电火花，点燃燃烧室内的可燃混合气。

点火系统中的两个重要概念：高压、电花火

高压
点火线圈可产生足以在火花塞电极间引燃火花的高电压。初级线圈和次级线圈都环绕在铁芯上。次级线圈的匝数大约是初级线圈的100倍。
初级线圈的一端连接在点火器上，次级线圈的一端连接在火花塞上。两个线圈各自的另一端则连接在蓄电池上。次级线圈和初级线圈的中心包含一个磁芯。

当发动机ECU输出的点火正时信号，蓄电池的电流通过点火器流到初级线圈，在线圈周围产生磁力线，当发动机继续运转时，点火器按发动机电子控制单元（ECU）输出的点火正时信号（IGT）快速地停止流往初级线圈的电流，其结果是初级线圈的磁通量开始减小，通过初级线圈的自感和次级线圈的互感，在阻止现存磁通量衰减的方向上产生电动势，自感效应产生约为500V的电动势，而其与次级线圈互感效应产生约为30kV高压电动势，这样火花塞就产生火花放电。初级电流切断越迅速，以及初级电流值越大，则相应的次级电压也越高。

电花火
火花塞的中心电极和接地电极之间的高压电产生火花，点燃气缸中的已压缩的可燃混合气。电火花穿过可燃混合气从中心电极到接地电极。可燃混合气沿着火花的路径被触发，产生热量形成火焰中心。火焰中心触发周围的可燃混合气，火焰中心的热量向外扩展，点燃可燃混合气。

如果火花塞电极的温度太低或电极的间隙太小，电极将吸收火花产生的热量，这样火焰中心将被熄灭，导致缺火，这种现象称为“电极猝熄”。如果电极猝熄作用比较明显，则火焰中心将被熄灭。电极越小，猝熄作用越小；电极形状越接近方形，越容易放电。

5.火花塞规格

材质
火花塞按材质可以分为：铜芯电极火花塞、镍合金火花塞、铂金火花塞和铱金火花塞。火花塞使用的材质对于它的更换周期有决定性影响，火花塞根据电极材质不同更换周期如下：

铜芯电极：建议2-3万公里更换一次
镍合金电极：建议4-6万公里更换一次
铂金电极：建议8万公里左右更换一次
铱金电极：建议10万公里左右更换一次

由此可见铂金、铱金等贵金属电极材质火花塞更换周期较长，是因为此类电极材质金属特性比较稳定，抗氧化性能好，所以使用寿命会相对长久一些。

直径
螺纹直径主要有10mm、12mm和14mm三种，其中14mm是最主流的尺寸，不过随着发动机设计的越来越紧凑，未来10mm、12mm等直径更细的火花塞将成为主流。

热值
火花塞热值是衡量火花塞适不适用于车辆的重要指标火花塞热值实际上是指受热和散热能力的一个指标。其自身所受热量的散发量称为热值热值包含1-9九个数字，其中1-3为低热值，4-6为中热值，7-9为高热值。火花塞的原厂热值直接决定了它的工作环境温度，对于火花塞的工作环境温度要求是非常高的，火花塞散热不能太大也不能太小，要确保火花塞有合适的工作温度，就必须与原厂热值匹配。

例如：一辆车的原厂火花塞热值为6，属于中热值火花塞，也就是说这辆车发动机产生热量较中，需要的火花塞是散热能力比较高，如果给它装上热值为3的火花塞，也就是低热值火花塞，这种情况下就会因为环境温度过高且火花塞自身散热性能小而烧毁。如果换上热值为9的火花塞，也就是高热值火花塞，会因为火花塞自身散热能力强，导致缸内温度低，进而降低油气混合物的燃效效率，影响发动机功率。

6.火花塞故障

火花塞是发动机中重要的一个部件，同时它也是一个耗材，在使用过程中也会发生各种故障，常见的故障有：积碳、积油、过热燃烧、绝缘体破损、铅污染等。

正常工作火花塞

火花塞绝缘部分呈浅棕色，这种情况下说明发动机工作正常。

火花塞积碳、积油

这种情况可能是由气缸和活塞过度磨损、气门和气门导管磨损、气门油封失效等引起的。如果气缸压力符合要求，需要检查空空气滤清器和曲轴箱通风装置是否堵塞，混合气是否过浓，发动机润滑油是否过多等。

火花塞过热

火花塞电极绝缘部分为白色，有褐色斑点，这种现象可能是发动机过早燃烧造成的。火花塞发白的原因是发动机过热，不及时处理会导致发动机严重故障。火花塞发白的常见原因有:火花塞热值过高、汽油标号低、冷却系统故障、点火提前角不对、混合蒸汽太稀。

火花塞绝缘破损

绝缘破损的原因可能是：长时间提前点火、气门间隙不足、燃烧室积碳过多、冷却系统工作不良等。

火花塞绝铅积污

铅积污是由持续高速运行而引起的。经常发生铅积污的火花塞在载荷低或中等的情况下，仍能正常工作，但是，当满负荷加上后，将会发生缺火。这是由于较高的温度使铅盐熔化，而熔化提高了铅盐的导电性，因而火花塞发生短路。加到汽油中的铅化合物对有些火花塞的绝缘子具有特别不利的影响

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作者：李巍
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