火花塞基本結(jié)構(gòu)、類型、參數(shù)

自1860年法國人路納依爾發(fā)明世界第一只火花塞以來，火花塞在結(jié)構(gòu)、外觀、材料、工藝等各方面都經(jīng)歷了巨大變化，但其工作原理始終如一，即將點火線圈的高壓電輸入發(fā)動機燃燒室，擊穿電極之間的間隙，產(chǎn)生火花，引發(fā)混合氣燃燒。

如今火花塞市場品牌、型號繁多，發(fā)火端形狀各異，但其基本結(jié)構(gòu)沒有大的差異。只是由于材料、工藝、性能要求不同，各廠家采用了不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又派生出各種變型，于是市場出現(xiàn)了形形色色的火花塞。

火花塞的基本結(jié)構(gòu)

火花塞的主要零件是絕緣體、殼體、接線螺桿和電極。絕緣體必須具有良好的絕緣性和導(dǎo)熱性、較高的機械強度，能耐受高溫?zé)釠_擊和化學(xué)腐蝕，材料通常是95%的氧化鋁瓷。殼體是鋼制件，功能是將火花塞固定在汽缸蓋上。殼體六角螺紋的尺寸已納入ISO國際標(biāo)準(zhǔn)�；鸹ㄈ�電極包括中心電極和側(cè)電極，兩者之間為火花間隙。間隙的大小直接影響著發(fā)動機的啟動、功率、工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。合理的間隙與點火電壓有關(guān)。電極材料必須具有良好的抗電蝕（火花燒蝕）和腐蝕（化學(xué)—熱腐蝕）能力，并應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性。中心電極與接線螺桿之間是導(dǎo)體玻璃密封劑，既要能夠?qū)щ�，也要能承受混合氣燃燒的高壓，同時保證其密封性。

火花塞的結(jié)構(gòu)變形

由于火花塞與發(fā)動機之間的相互關(guān)系，使日新月異的發(fā)動機技術(shù)必然要促進火花塞的不斷創(chuàng)新。讓我們通過歷史的發(fā)展與進步，看看火花塞結(jié)構(gòu)的演化與變遷。

1. 標(biāo)準(zhǔn)型與突出型火花塞

標(biāo)準(zhǔn)型火花塞是絕緣體裙部端略低于殼體螺紋端面的單側(cè)電極火花塞，它采用了側(cè)置氣門式發(fā)動機應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)發(fā)火端結(jié)構(gòu)。為區(qū)別于后來出現(xiàn)的“突出型”，此結(jié)構(gòu)被稱為“標(biāo)準(zhǔn)型”。

突出型火花塞最初是為頂置氣門式發(fā)動機配套設(shè)計的，它的絕緣體裙部突出殼體螺紋端面伸入燃燒室內(nèi)。在燃燒的混合氣中吸收較多熱量，怠速時有較高的工作溫度，避免污損；高速時由于氣門頂置，吸入的氣流對準(zhǔn)絕緣體裙部，將其冷卻，使最高溫度提高不多，因而熱范圍較大。突出型火花塞不適用于側(cè)置氣門式發(fā)動機，因其進氣道拐彎多，氣流對絕緣體裙部冷卻作用不大。

從點火效果考慮，電火花應(yīng)該在混合氣流動最好的地方跳過。發(fā)動機燃燒室不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求不同的最佳點火位置。點火位置可以理解為火花間隙在燃燒室內(nèi)的位置，即火花塞中心電極端面至殼體端面的距離。

普通突出型火花塞的點火位置為3mm，越野賽車和大排量摩托車使用的“超突出型”火花塞，點火位置可達7～10mm。點火靠近燃燒室中心部位，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，從而將縮短燃燒周期并減小壓力變化的幅度，有利于提高發(fā)動機的動力性。

在BOSCH火花塞型號中，不同字母代表著不同的點火位置。例如，F(xiàn)R7DC、FR7KC、FR7LTC、FR7HC中的D、K、L、H分別代表的點火位置為3mm、4mm、5mm、7mm。其他品牌（如DENSO、NGK）火花塞也有類似的規(guī)定。國產(chǎn)火花塞過去用T代表突出型，如E6TC、F7RTC等。根據(jù)最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T430-2005《火花塞產(chǎn)品型號編制方法》，用E、L、K、Z分別代表點火位置3mm、4mm、5mm、7mm，而T代表絕緣體突出型點火位置3 mm以下的突出型火花塞。若沒有采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可查閱各生產(chǎn)廠家的具體型號說明。

2. 單側(cè)極與多側(cè)極火花塞

傳統(tǒng)單側(cè)極火花塞有一個明顯的缺陷，即側(cè)電極蓋住了中心電極。當(dāng)兩極間高壓放電時，火花間隙處的混合氣將吸收火花熱量并因電離被激活而形成“火核”。火核形成的場所一般在接近側(cè)電極處，熱量將較多地被側(cè)電極吸收，即電極的“消焰作用”，它減少了火花能量，降低了跳火性能。

于是，在上世紀(jì)20年代，出現(xiàn)了三側(cè)極火花塞。與單側(cè)極相比，多側(cè)極的火花間隙由多個側(cè)電極的斷面（沖成圓孔）和中心電極的圓柱面構(gòu)成，這種旁置式的火花間隙消除了側(cè)電極蓋住中心電極的缺點，增加了火花的“可達性”，火花能量較大，較容易深入汽缸內(nèi)部，有助于改善混合氣燃燒狀況并減少廢氣排放。由于多側(cè)極提供了多個跳火通道，因而延長了使用壽命，提高了點火的可靠性。這里必須指出，放電的瞬間只能是一條通道跳火，不可能多側(cè)極同時跳火。高速攝影的放電過程證明了這一點。

國產(chǎn)火花塞型號中的后綴字母（熱值數(shù)后面的字母）D、J、Q分別表示雙側(cè)極、三側(cè)極、四側(cè)極。例如K7RLDC、K7RLJC和K7RLQC代表不同數(shù)量的側(cè)電極火花塞。

3. 鎳基合金與銅芯電極火花塞

對伸入燃燒室電極的最基本要求是耐燒蝕（電蝕和化學(xué)腐蝕）和良好的導(dǎo)熱性。隨著材料科學(xué)和工藝技術(shù)的發(fā)展，電極材料經(jīng)歷了鐵、鎳、鎳基合金、鎳-銅復(fù)合材料、貴金屬的演化過程�，F(xiàn)在用得最普遍的是鎳基合金。通常，純金屬的導(dǎo)熱性優(yōu)于合金，但純金屬（例如鎳）對燃燒氣體及其形成的固狀沉積物的化學(xué)腐蝕反應(yīng)比合金靈敏。因此電極材料采用鎳基加入鉻、錳、硅等元素，鉻提高抗電蝕能力，錳和硅提高耐化學(xué)腐蝕能力，特別是對危害性很大的氧化硫的抗腐蝕能力。鎳基合金的導(dǎo)熱性不如銅，采用銅芯并將其外表裹以鎳基合金（或其他貴金屬合金）將大大改善電極的導(dǎo)熱能力。貝魯（Beru）公司于1943年首先開發(fā)出銅芯電極火花塞，隨后世界各大火花塞公司相繼開發(fā)成功，目前銅芯電極覆蓋率已超過95%。由于銅芯電極良好的導(dǎo)熱性，發(fā)火端吸收的熱量將迅速導(dǎo)出，而適當(dāng)加長絕緣體裙部，將不產(chǎn)生熾熱點火，怠速、低負(fù)荷時也不易積炭，這就拓寬了火花塞的熱范圍。側(cè)電極接地，其電腐蝕程度較中心電極低，主要是高溫下的化學(xué)腐蝕，因此在鎳基中加入錳和硅可提高抗化學(xué)腐蝕性。為了改善側(cè)電極的導(dǎo)熱能力，CHAMPION公司于1988年率先推出銅芯側(cè)電極火花塞，將火花塞技術(shù)推進了一大步。實驗證明，銅芯側(cè)電極的工作溫度可降低100℃左右，由側(cè)電極過熱而引起點火提前的可能性將減小。電極的燒蝕量也因溫度的降低而減少。火花間隙變化減小，有利于發(fā)動機工況的穩(wěn)定。

國產(chǎn)火花塞型號后綴中的C代表銅芯中心電極，CC代表雙銅芯電極，例如：F7RTC、K6RTCC。

4. 普通型與電阻型火花塞

火花塞作為火花放電發(fā)生器，是一種寬帶連續(xù)型的電磁輻射干擾源。為了抑制因跳火產(chǎn)生的電磁輻射對無線電場的強干擾，保護無線電通訊并防止車載電子裝置的誤動作，世界各國自上世紀(jì)60年代以來，加快了電阻型火花塞的開發(fā)。我國也于近年發(fā)布了一系列強制性電磁兼容的國家標(biāo)準(zhǔn)，對于火花塞點火發(fā)動機驅(qū)動的車輛裝置無線電干擾特性作了嚴(yán)格的限制，因此對電阻型火花塞的需求也大為增加。電阻型火花塞在結(jié)構(gòu)上與普通型沒有大的區(qū)別，僅僅是將絕緣體內(nèi)的導(dǎo)體密封劑改為電阻密封劑。CHAMPION公司由于采用滑石粉密封工藝，在絕緣體內(nèi)增加固態(tài)電阻體。電阻體使火花塞放電時電容放電電流受到抑制，因而降低了向外發(fā)射的電磁騷擾，同時通過熄滅電容性再發(fā)火減少對電極的腐蝕，從而延長了火花塞的使用壽命。

5. 空氣間隙與沿面間隙火花塞

迄今為止，火花塞跳火主要有兩種方式：一種是脈沖高電壓作用下，擊穿存在于中心電極與側(cè)電極之間的空氣間隙產(chǎn)生電火花；另一種是沿面跳火，即放電路線是沿中心電極與側(cè)電極之間的絕緣體表面進行的。前者放電距離短，跳火性能差，傳統(tǒng)單側(cè)極火花塞尤甚。因為空氣間隙的大小受電源電壓的制約，一般為0.6～0.9mm左右。較短的放電距離使火核沒有充分的“發(fā)育”，熱量也較多地被側(cè)電極吸收，降低了火花的能量。若加大空氣間隙，則需要提高點火電壓，易導(dǎo)致“失火”。沿面放電發(fā)生于絕緣體陶瓷表面和空氣的交界面，陶瓷表面電場發(fā)生畸變會增大局部場強，導(dǎo)致局部先發(fā)生放電，由此促使放電的進一步發(fā)展，直至電極間隙擊穿。這種放電機理使沿面間隙比同寬度空氣間隙的擊穿電壓降低。若在相同擊穿電壓下，沿面間隙比空氣間隙的放電距離長。較長的放電距離能大大提高火花的能量。因為火花放電是由能量密度非常不一樣的2部分組成，即電容放電部分和電感放電部分。前者具有高能密度，電壓高，能在極短時間內(nèi)放出；后者能量密度小，但在較長時間起作用。從電火花能量分布可看出電感部分的能量是電容部分的20～30倍，是名副其實的“熱焰”，對加熱周圍混合氣而形成火核起主要作用。電感部分持續(xù)時間越長，著火性越好。加長放電距離將降低側(cè)電極的“消焰作用”。電火花沿絕緣體表面燒盡油污積炭，避免電極之間的跨連，也避免絕緣體和殼體之間因附著燃燒沉積物導(dǎo)致電流泄漏的現(xiàn)象，保證怠速工況下的點火可靠性。沿面間隙型火花塞的絕緣體沒有裙部，不能迅速吸收燃燒室的熱量，是一種極冷型火花塞。用途較廣的是將“沿面間隙”和“空氣間隙”結(jié)合在一起的“滑動—空氣間隙”，絕緣體裙部與側(cè)電極之間是空氣間隙。跳火時火花從絕緣體表面“滑”過再跳向側(cè)電極。由于絕緣體表面電場畸變使擊穿電壓降低。這種火花塞的絕緣體有正常的裙部，因而能適應(yīng)不同的熱負(fù)荷。

6、平座型與錐座型火花塞

所謂平座型，即火花塞安裝座（殼體大圓柱端面）為平面，安裝時該平面與汽缸之間有彈性密封墊圈。某些發(fā)動機為了更緊湊或布置更多的零件（如增加氣門），沒有給火花塞留下較大的安裝空間，這就迫使火花塞縮小徑向尺寸，甚至取消外密封墊圈，用“錐座”代替了“平座”。美國GM和Ford汽車公司就是采用這種錐形安裝座，即火花塞殼體有錐角為63°的圓錐面，安裝時與汽缸蓋的錐孔配合，無需密封墊圈。這種圓錐配合要求錐面與螺紋直徑具有極高的同軸度，否則密封性能難以保證。

7、貴金屬火花塞

采用鎳基合金電極的普通火花塞已越來越不適應(yīng)大功率、高轉(zhuǎn)速、大壓縮比的現(xiàn)代發(fā)動機的需要。為了使火花塞具有更高的點火性能和使用壽命，人們開始瞄準(zhǔn)貴金屬（鉑、銥、釔等），將其用于電極并相應(yīng)改進發(fā)火端的結(jié)構(gòu)。貴金屬具有極高的熔點，鉑金熔點2042K、銥金2716K。加進某些元素（如銠、鈀）后，具有極高的抗化學(xué)腐蝕的能力。將其制成細(xì)電極（直徑0.2mm），直接燒結(jié)于絕緣體發(fā)火端中，或以直徑為0.4～0.8mm的圓片用激光焊接于中心電極前端和側(cè)電極的工作面。這種電極具有強烈的尖端放電效應(yīng)，在電壓相對較低時也能點火，其火花間隙可加大至1.1～1.5mm。貴金屬使火花塞的性能發(fā)生了質(zhì)的變化：一是電極的高抗蝕性能夠保持火花間隙長期不變（在16萬km試驗中，鉑電極火花間隙僅增大0.05mm），使點火電壓值穩(wěn)定，發(fā)動機工作平穩(wěn)�；鸹ㄈ�使用過程中無需調(diào)整修正火花間隙。二是適宜于冷態(tài)啟動。由于尖端放電，點火容易，提高了發(fā)動機低速工況下的性能。三是減少電極的吸熱和消焰作用，增強火花能量。細(xì)小的電極使間隙周圍的空間擴大，增加了混合氣的可達性，使燃燒更充分，排放更低。

火花塞的特性和選型

火花塞的型號有幾百種，為什么不能用一種標(biāo)準(zhǔn)的火花塞通用于各種發(fā)動機？為什么火花塞要通過“選型”才能與發(fā)動機匹配？回答這些問題必須從火花塞的熱特性談起。

眾所周知，各種型號的發(fā)動機由于工作負(fù)荷、壓縮比、轉(zhuǎn)速、冷卻方式和燃油標(biāo)號的不同，其特性各異；即便是同一臺發(fā)動機，在運轉(zhuǎn)的全過程中，轉(zhuǎn)速、負(fù)荷也隨時變化。這些工作特性和工況上的差異集中體現(xiàn)在燃燒室內(nèi)的熱量和溫度的變化。高功率發(fā)動機燃燒室的溫度高于低功率發(fā)動機，高速時的溫度高于怠速�；鸹ㄈ�的發(fā)火端伸入燃燒室，不同的發(fā)動機和發(fā)動機工況將導(dǎo)致發(fā)火端的工作溫度不同。

熱范圍

發(fā)動機在正常運轉(zhuǎn)的情況下，火花塞應(yīng)該有一個正常的工作溫度范圍。一方面火花塞應(yīng)充分受熱，保持一定的溫度，以便將沉積在絕緣體裙部、殼體與電極周圍的油污或炭粒燒掉，此時的溫度稱“自凈溫度”或“下限溫度”。譬如發(fā)動機在低功率或怠速工況下運行，絕緣體裙部溫度低，混合氣燃燒殘渣沉積在絕緣體裙部表面，使絕緣性能降低，由此導(dǎo)致中心電極與殼體之間不同程度的導(dǎo)電，造成電流泄漏，使火花能量減小，甚至“失火”。要避免上述現(xiàn)象，絕緣體裙部必須高于500℃（使用無鉛汽油）。另一方面發(fā)動機在大功率下運轉(zhuǎn)時，火花塞發(fā)火端溫度隨之上升，如果超過某一溫度，將發(fā)生“熾熱點火”，也稱“早期點火”。此時混合氣不是由火花塞的電火花定時強迫點燃，而是由絕緣體或電極的局部過熱在“著火點”之前自點火。這種非正時點火使發(fā)動機不能正常工作，嚴(yán)重時會產(chǎn)生爆燃，使火花塞和汽缸遭到損壞�；鸹ㄈ麩霟狳c火溫度約920℃，因此火花塞絕緣體裙部的上限溫度約為850℃。

在某一種發(fā)動機運轉(zhuǎn)的全工況中，若火花塞絕緣體裙部能保持在自凈溫度和上限溫度之間，則火花塞對該發(fā)動機是適應(yīng)的，超過此溫度范圍，火花塞將失去功能。這種性能稱為火花塞的“熱特性”�；鸹ㄈ�的適應(yīng)溫度范圍稱為“熱范圍”。

熱值

熱值是火花塞在正常工作條件下，不因其自身的熱點而發(fā)生自點火能力的表征值。熱值的定性描述分為“熱型”和“冷型”。如果將不同型號的火花塞分別裝在某一發(fā)動機上，在一定運行條件下，由于火花塞本身結(jié)構(gòu)不同，各自溫度場的分布是不一樣的，主要表現(xiàn)在裙部溫度上。有的火花塞吸熱多，而傳熱慢、散熱少，絕緣體裙部溫度高，這種火花塞稱為“熱型”；反之，吸熱少，傳熱快，散熱好，絕緣體裙部溫度低，稱為“冷型”火花塞。熱值的定量描述純系一種分類法，旨在通過測定比較，依照火花塞的冷、熱性能差異按順序用一組數(shù)字人為確定的，本身無定量的概念。但是，火花塞的熱值綜合反映了火花塞吸熱、導(dǎo)熱、散熱的性能，表達了火花塞所能承受發(fā)動機最大熱負(fù)荷的能力。

影響熱值的因素

既然熱值綜合反映了火花塞吸熱、導(dǎo)熱、散熱的性能，火花塞的結(jié)構(gòu)中所有影響熱平衡過程的參數(shù)都是影響熱值的因素。最主要的因素是絕緣體裙部的長度。裙部越長，吸熱的面積越大，吸收的熱量越多，火花塞將越“熱”；反之，裙部越短，火花塞將越“冷”。例如國產(chǎn)K7TC火花塞絕緣體裙部長度比K6TC短，比K8TC長。其次，導(dǎo)熱線路越長，熱量不易傳出，裙部溫度越高，火花塞越“熱” ；反之，導(dǎo)熱線路越短，火花塞越“冷”。圖2.2顯示不同熱值火花塞在同一臺發(fā)動機滿負(fù)荷時的溫度曲線�？梢钥闯�，裙部越長，吸熱面積越大，屬熱型火花塞，反之屬冷型火花塞。此外，中心電極直徑和材料、中心電極和絕緣體孔壁之間的間隙、熱室容積的大小等，均將影響火花塞的熱值。

火花塞的選型

由于各種發(fā)動機工作特性不同，沒有一種標(biāo)準(zhǔn)的火花塞能夠適應(yīng)所有的發(fā)動機。因此必須要根據(jù)發(fā)動機的特性來選擇相適應(yīng)的火花塞，這就是火花塞的選型。選型的基本原則是：“熱型”發(fā)動機（大功率、大壓縮比、高轉(zhuǎn)速）應(yīng)選配“冷型”火花塞（裙部長度短、導(dǎo)熱長度短）；“冷型”發(fā)動機（小功率、小壓縮比、低轉(zhuǎn)速）應(yīng)選配“熱型”火花塞（裙部長度長、導(dǎo)熱長度長），以維持火花塞的熱平衡，使其工作溫度保持在500～850℃工作范圍。

以上原則在實際應(yīng)用時，還需結(jié)合地域路況、燃油成份等具體情況加以修正。如果車輛經(jīng)常在地勢平坦、路況較佳的地段（如高速公路）行駛，車輛常處于高速狀態(tài)，發(fā)動機高負(fù)荷運轉(zhuǎn)，根據(jù)選型原則應(yīng)當(dāng)選熱值較高的冷型火花塞。如果同一車輛經(jīng)常行駛在地形復(fù)雜、路況較差的地段，不得不低速行駛，發(fā)動機負(fù)荷降低，火花塞達不到自凈溫度，就可能因油污積炭造成發(fā)動機熄火，此種情況應(yīng)選用低熱值火花塞。前者如果采用F7TC型火花塞，那么后者就改用F6TC型火花塞。汽油的成份對選型也有影響。通常為了提高汽油的辛烷值，常加入少量四乙鉛作為抗爆添加劑。這種“有鉛汽油”燃燒后產(chǎn)生的鉛化物熔點較低，自凈溫度為450℃。如果用無鉛汽油，則為500～520℃，這就要求火花塞的下限溫度必須提高，此時應(yīng)選用熱值較低的熱型火花塞。

此外，氣候、溫度、啟動點火方式等因素也對火花塞的選型有影響。因此火花塞選型應(yīng)該“具體情況，具體分析。”選型一般在發(fā)動機試驗臺架上進行。要經(jīng)過積炭試驗、自凈試驗和熾熱試驗，所有試驗合格后，才能確定火花塞能否與發(fā)動機匹配。