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火花塞基本结构、类型、参数
2013-02-01 11:01:57 来源: 作者: 【 】 浏览:1589次 评论:0
自1860年法国人路纳依尔发明世界第一只火花塞以来,火花塞在结构、外观、材料、工艺等各方面都经历了巨大变化,但其工作原理始终如一,即将点火线圈的高压电输入发动机燃烧室,击穿电极之间的间隙,产生火花,引发混合气燃烧。

如今火花塞市场品牌、型号繁多,发火端形状各异,但其基本结构没有大的差异。只是由于材料、工艺、性能要求不同,各厂家采用了不同的结构设计,因此,在传统结构基础上又派生出各种变型,于是市场出现了形形色色的火花塞。

火花塞的基本结构

火花塞的主要零件是绝缘体、壳体、接线螺杆和电极。绝缘体必须具有良好的绝缘性和导热性、较高的机械强度,能耐受高温热冲击和化学腐蚀,材料通常是95%的氧化铝瓷。壳体是钢制件,功能是将火花塞固定在汽缸盖上。壳体六角螺纹的尺寸已纳入ISO国际标准。火花塞电极包括中心电极和侧电极,两者之间为火花间隙。间隙的大小直接影响着发动机的启动、功率、工作稳定性和经济性。合理的间隙与点火电压有关。电极材料必须具有良好的抗电蚀(火花烧蚀)和腐蚀(化学—热腐蚀)能力,并应具有良好的导热性。中心电极与接线螺杆之间是导体玻璃密封剂,既要能够导电,也要能承受混合气燃烧的高压,同时保证其密封性。

火花塞的结构变形

由于火花塞与发动机之间的相互关系,使日新月异的发动机技术必然要促进火花塞的不断创新。让我们通过历史的发展与进步,看看火花塞结构的演化与变迁。

1. 标准型与突出型火花塞

标准型火花塞是绝缘体裙部端略低于壳体螺纹端面的单侧电极火花塞,它采用了侧置气门式发动机应用最广泛的传统发火端结构。为区别于后来出现的“突出型”,此结构被称为“标准型”。

突出型火花塞最初是为顶置气门式发动机配套设计的,它的绝缘体裙部突出壳体螺纹端面伸入燃烧室内。在燃烧的混合气中吸收较多热量,怠速时有较高的工作温度,避免污损;高速时由于气门顶置,吸入的气流对准绝缘体裙部,将其冷却,使最高温度提高不多,因而热范围较大。突出型火花塞不适用于侧置气门式发动机,因其进气道拐弯多,气流对绝缘体裙部冷却作用不大。

从点火效果考虑,电火花应该在混合气流动最好的地方跳过。发动机燃烧室不同的结构设计要求不同的最佳点火位置。点火位置可以理解为火花间隙在燃烧室内的位置,即火花塞中心电极端面至壳体端面的距离。

普通突出型火花塞的点火位置为3mm,越野赛车和大排量摩托车使用的“超突出型”火花塞,点火位置可达7~10mm。点火靠近燃烧室中心部位,火焰传播距离缩短,从而将缩短燃烧周期并减小压力变化的幅度,有利于提高发动机的动力性。

在BOSCH火花塞型号中,不同字母代表着不同的点火位置。例如,FR7DC、FR7KC、FR7LTC、FR7HC中的D、K、L、H分别代表的点火位置为3mm、4mm、5mm、7mm。其他品牌(如DENSO、NGK)火花塞也有类似的规定。国产火花塞过去用T代表突出型,如E6TC、F7RTC等。根据最新行业标准QC/T430-2005《火花塞产品型号编制方法》,用E、L、K、Z分别代表点火位置3mm、4mm、5mm、7mm,而T代表绝缘体突出型点火位置3 mm以下的突出型火花塞。若没有采用行业标准,可查阅各生产厂家的具体型号说明。

2. 单侧极与多侧极火花塞

传统单侧极火花塞有一个明显的缺陷,即侧电极盖住了中心电极。当两极间高压放电时,火花间隙处的混合气将吸收火花热量并因电离被激活而形成“火核”。火核形成的场所一般在接近侧电极处,热量将较多地被侧电极吸收,即电极的“消焰作用”,它减少了火花能量,降低了跳火性能。

于是,在上世纪20年代,出现了三侧极火花塞。与单侧极相比,多侧极的火花间隙由多个侧电极的断面(冲成圆孔)和中心电极的圆柱面构成,这种旁置式的火花间隙消除了侧电极盖住中心电极的缺点,增加了火花的“可达性”,火花能量较大,较容易深入汽缸内部,有助于改善混合气燃烧状况并减少废气排放。由于多侧极提供了多个跳火通道,因而延长了使用寿命,提高了点火的可靠性。这里必须指出,放电的瞬间只能是一条通道跳火,不可能多侧极同时跳火。高速摄影的放电过程证明了这一点。

国产火花塞型号中的后缀字母(热值数后面的字母)D、J、Q分别表示双侧极、三侧极、四侧极。例如K7RLDC、K7RLJC和K7RLQC代表不同数量的侧电极火花塞。

3. 镍基合金与铜芯电极火花塞

对伸入燃烧室电极的最基本要求是耐烧蚀(电蚀和化学腐蚀)和良好的导热性。随着材料科学和工艺技术的发展,电极材料经历了铁、镍、镍基合金、镍-铜复合材料、贵金属的演化过程。现在用得最普遍的是镍基合金。通常,纯金属的导热性优于合金,但纯金属(例如镍)对燃烧气体及其形成的固状沉积物的化学腐蚀反应比合金灵敏。因此电极材料采用镍基加入铬、锰、硅等元素,铬提高抗电蚀能力,锰和硅提高耐化学腐蚀能力,特别是对危害性很大的氧化硫的抗腐蚀能力。镍基合金的导热性不如铜,采用铜芯并将其外表裹以镍基合金(或其他贵金属合金)将大大改善电极的导热能力。贝鲁(Beru)公司于1943年首先开发出铜芯电极火花塞,随后世界各大火花塞公司相继开发成功,目前铜芯电极覆盖率已超过95%。由于铜芯电极良好的导热性,发火端吸收的热量将迅速导出,而适当加长绝缘体裙部,将不产生炽热点火,怠速、低负荷时也不易积炭,这就拓宽了火花塞的热范围。侧电极接地,其电腐蚀程度较中心电极低,主要是高温下的化学腐蚀,因此在镍基中加入锰和硅可提高抗化学腐蚀性。为了改善侧电极的导热能力,CHAMPION公司于1988年率先推出铜芯侧电极火花塞,将火花塞技术推进了一大步。实验证明,铜芯侧电极的工作温度可降低100℃左右,由侧电极过热而引起点火提前的可能性将减小。电极的烧蚀量也因温度的降低而减少。火花间隙变化减小,有利于发动机工况的稳定。

国产火花塞型号后缀中的C代表铜芯中心电极,CC代表双铜芯电极,例如:F7RTC、K6RTCC。

4. 普通型与电阻型火花塞

火花塞作为火花放电发生器,是一种宽带连续型的电磁辐射干扰源。为了抑制因跳火产生的电磁辐射对无线电场的强干扰,保护无线电通讯并防止车载电子装置的误动作,世界各国自上世纪60年代以来,加快了电阻型火花塞的开发。我国也于近年发布了一系列强制性电磁兼容的国家标准,对于火花塞点火发动机驱动的车辆装置无线电干扰特性作了严格的限制,因此对电阻型火花塞的需求也大为增加。电阻型火花塞在结构上与普通型没有大的区别,仅仅是将绝缘体内的导体密封剂改为电阻密封剂。CHAMPION公司由于采用滑石粉密封工艺,在绝缘体内增加固态电阻体。电阻体使火花塞放电时电容放电电流受到抑制,因而降低了向外发射的电磁骚扰,同时通过熄灭电容性再发火减少对电极的腐蚀,从而延长了火花塞的使用寿命。

5. 空气间隙与沿面间隙火花塞

迄今为止,火花塞跳火主要有两种方式:一种是脉冲高电压作用下,击穿存在于中心电极与侧电极之间的空气间隙产生电火花;另一种是沿面跳火,即放电路线是沿中心电极与侧电极之间的绝缘体表面进行的。前者放电距离短,跳火性能差,传统单侧极火花塞尤甚。因为空气间隙的大小受电源电压的制约,一般为0.6~0.9mm左右。较短的放电距离使火核没有充分的“发育”,热量也较多地被侧电极吸收,降低了火花的能量。若加大空气间隙,则需要提高点火电压,易导致“失火”。沿面放电发生于绝缘体陶瓷表面和空气的交界面,陶瓷表面电场发生畸变会增大局部场强,导致局部先发生放电,由此促使放电的进一步发展,直至电极间隙击穿。这种放电机理使沿面间隙比同宽度空气间隙的击穿电压降低。若在相同击穿电压下,沿面间隙比空气间隙的放电距离长。较长的放电距离能大大提高火花的能量。因为火花放电是由能量密度非常不一样的2部分组成,即电容放电部分和电感放电部分。前者具有高能密度,电压高,能在极短时间内放出;后者能量密度小,但在较长时间起作用。从电火花能量分布可看出电感部分的能量是电容部分的20~30倍,是名副其实的“热焰”,对加热周围混合气而形成火核起主要作用。电感部分持续时间越长,着火性越好。加长放电距离将降低侧电极的“消焰作用”。电火花沿绝缘体表面烧尽油污积炭,避免电极之间的跨连,也避免绝缘体和壳体之间因附着燃烧沉积物导致电流泄漏的现象,保证怠速工况下的点火可靠性。沿面间隙型火花塞的绝缘体没有裙部,不能迅速吸收燃烧室的热量,是一种极冷型火花塞。用途较广的是将“沿面间隙”和“空气间隙”结合在一起的“滑动—空气间隙”,绝缘体裙部与侧电极之间是空气间隙。跳火时火花从绝缘体表面“滑”过再跳向侧电极。由于绝缘体表面电场畸变使击穿电压降低。这种火花塞的绝缘体有正常的裙部,因而能适应不同的热负荷。

6、平座型与锥座型火花塞

所谓平座型,即火花塞安装座(壳体大圆柱端面)为平面,安装时该平面与汽缸之间有弹性密封垫圈。某些发动机为了更紧凑或布置更多的零件(如增加气门),没有给火花塞留下较大的安装空间,这就迫使火花塞缩小径向尺寸,甚至取消外密封垫圈,用“锥座”代替了“平座”。美国GM和Ford汽车公司就是采用这种锥形安装座,即火花塞壳体有锥角为63°的圆锥面,安装时与汽缸盖的锥孔配合,无需密封垫圈。这种圆锥配合要求锥面与螺纹直径具有极高的同轴度,否则密封性能难以保证。

7、贵金属火花塞

采用镍基合金电极的普通火花塞已越来越不适应大功率、高转速、大压缩比的现代发动机的需要。为了使火花塞具有更高的点火性能和使用寿命,人们开始瞄准贵金属(铂、铱、钇等),将其用于电极并相应改进发火端的结构。贵金属具有极高的熔点,铂金熔点2042K、铱金2716K。加进某些元素(如铑、钯)后,具有极高的抗化学腐蚀的能力。将其制成细电极(直径0.2mm),直接烧结于绝缘体发火端中,或以直径为0.4~0.8mm的圆片用激光焊接于中心电极前端和侧电极的工作面。这种电极具有强烈的尖端放电效应,在电压相对较低时也能点火,其火花间隙可加大至1.1~1.5mm。贵金属使火花塞的性能发生了质的变化:一是电极的高抗蚀性能够保持火花间隙长期不变(在16万km试验中,铂电极火花间隙仅增大0.05mm),使点火电压值稳定,发动机工作平稳。火花塞使用过程中无需调整修正火花间隙。二是适宜于冷态启动。由于尖端放电,点火容易,提高了发动机低速工况下的性能。三是减少电极的吸热和消焰作用,增强火花能量。细小的电极使间隙周围的空间扩大,增加了混合气的可达性,使燃烧更充分,排放更低。

火花塞的特性和选型

火花塞的型号有几百种,为什么不能用一种标准的火花塞通用于各种发动机?为什么火花塞要通过“选型”才能与发动机匹配?回答这些问题必须从火花塞的热特性谈起。

众所周知,各种型号的发动机由于工作负荷、压缩比、转速、冷却方式和燃油标号的不同,其特性各异;即便是同一台发动机,在运转的全过程中,转速、负荷也随时变化。这些工作特性和工况上的差异集中体现在燃烧室内的热量和温度的变化。高功率发动机燃烧室的温度高于低功率发动机,高速时的温度高于怠速。火花塞的发火端伸入燃烧室,不同的发动机和发动机工况将导致发火端的工作温度不同。

热范围

发动机在正常运转的情况下,火花塞应该有一个正常的工作温度范围。一方面火花塞应充分受热,保持一定的温度,以便将沉积在绝缘体裙部、壳体与电极周围的油污或炭粒烧掉,此时的温度称“自净温度”或“下限温度”。譬如发动机在低功率或怠速工况下运行,绝缘体裙部温度低,混合气燃烧残渣沉积在绝缘体裙部表面,使绝缘性能降低,由此导致中心电极与壳体之间不同程度的导电,造成电流泄漏,使火花能量减小,甚至“失火”。要避免上述现象,绝缘体裙部必须高于500℃(使用无铅汽油)。另一方面发动机在大功率下运转时,火花塞发火端温度随之上升,如果超过某一温度,将发生“炽热点火”,也称“早期点火”。此时混合气不是由火花塞的电火花定时强迫点燃,而是由绝缘体或电极的局部过热在“着火点”之前自点火。这种非正时点火使发动机不能正常工作,严重时会产生爆燃,使火花塞和汽缸遭到损坏。火花塞炽热点火温度约920℃,因此火花塞绝缘体裙部的上限温度约为850℃。

在某一种发动机运转的全工况中,若火花塞绝缘体裙部能保持在自净温度和上限温度之间,则火花塞对该发动机是适应的,超过此温度范围,火花塞将失去功能。这种性能称为火花塞的“热特性”。火花塞的适应温度范围称为“热范围”。

热值

热值是火花塞在正常工作条件下,不因其自身的热点而发生自点火能力的表征值。热值的定性描述分为“热型”和“冷型”。如果将不同型号的火花塞分别装在某一发动机上,在一定运行条件下,由于火花塞本身结构不同,各自温度场的分布是不一样的,主要表现在裙部温度上。有的火花塞吸热多,而传热慢、散热少,绝缘体裙部温度高,这种火花塞称为“热型”;反之,吸热少,传热快,散热好,绝缘体裙部温度低,称为“冷型”火花塞。热值的定量描述纯系一种分类法,旨在通过测定比较,依照火花塞的冷、热性能差异按顺序用一组数字人为确定的,本身无定量的概念。但是,火花塞的热值综合反映了火花塞吸热、导热、散热的性能,表达了火花塞所能承受发动机最大热负荷的能力。

影响热值的因素

既然热值综合反映了火花塞吸热、导热、散热的性能,火花塞的结构中所有影响热平衡过程的参数都是影响热值的因素。最主要的因素是绝缘体裙部的长度。裙部越长,吸热的面积越大,吸收的热量越多,火花塞将越“热”;反之,裙部越短,火花塞将越“冷”。例如国产K7TC火花塞绝缘体裙部长度比K6TC短,比K8TC长。其次,导热线路越长,热量不易传出,裙部温度越高,火花塞越“热” ;反之,导热线路越短,火花塞越“冷”。图2.2显示不同热值火花塞在同一台发动机满负荷时的温度曲线。可以看出,裙部越长,吸热面积越大,属热型火花塞,反之属冷型火花塞。此外,中心电极直径和材料、中心电极和绝缘体孔壁之间的间隙、热室容积的大小等,均将影响火花塞的热值。

火花塞的选型

由于各种发动机工作特性不同,没有一种标准的火花塞能够适应所有的发动机。因此必须要根据发动机的特性来选择相适应的火花塞,这就是火花塞的选型。选型的基本原则是:“热型”发动机(大功率、大压缩比、高转速)应选配“冷型”火花塞(裙部长度短、导热长度短);“冷型”发动机(小功率、小压缩比、低转速)应选配“热型”火花塞(裙部长度长、导热长度长),以维持火花塞的热平衡,使其工作温度保持在500~850℃工作范围。

以上原则在实际应用时,还需结合地域路况、燃油成份等具体情况加以修正。如果车辆经常在地势平坦、路况较佳的地段(如高速公路)行驶,车辆常处于高速状态,发动机高负荷运转,根据选型原则应当选热值较高的冷型火花塞。如果同一车辆经常行驶在地形复杂、路况较差的地段,不得不低速行驶,发动机负荷降低,火花塞达不到自净温度,就可能因油污积炭造成发动机熄火,此种情况应选用低热值火花塞。前者如果采用F7TC型火花塞,那么后者就改用F6TC型火花塞。汽油的成份对选型也有影响。通常为了提高汽油的辛烷值,常加入少量四乙铅作为抗爆添加剂。这种“有铅汽油”燃烧后产生的铅化物熔点较低,自净温度为450℃。如果用无铅汽油,则为500~520℃,这就要求火花塞的下限温度必须提高,此时应选用热值较低的热型火花塞。

此外,气候、温度、启动点火方式等因素也对火花塞的选型有影响。因此火花塞选型应该“具体情况,具体分析。”选型一般在发动机试验台架上进行。要经过积炭试验、自净试验和炽热试验,所有试验合格后,才能确定火花塞能否与发动机匹配。 

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