使用内燃机的轿车所使用的燃料一般是汽油和柴油。而在中国轿车市场,汽油车占据了一个很大的比例。汽油发动机与柴油发动机不一样,由于汽油的燃点较高(约400度左右),因而需要使用强制点火方式点燃混合气。而用于点燃混合气的关键就是我们今天要深入探讨的火花塞。
火花塞点火过程可分为四步:1.点火线圈在火花塞电极两端产生高压电,高压击穿电极间的介质产生电火花;2.电弧高温加热混合气后产生火焰核;3.火焰核变大,火花塞电极结构会影响这个过程,从而影响火花塞点火性能;4.火焰核温度上升至混合气燃点时混合气被点燃。
火花塞由以下几部分构成:1、接线螺母;2、中央电极;3、接地电极;4、金属壳体;5、绝缘体。火花塞上的接地电极与金属壳体连接,通过汽缸盖螺纹连接连接到发动机缸体上。绝缘体主要起到隔离金属壳体及中央电极的作用。接线螺母是火花塞上与高压线圈接触的部分,电流通过接线螺母和中央电极后,击穿中央电极与接地电极间的介质产生火花,从而点燃气缸中的混合气。
突出型单侧极火花塞是为现在被普遍使用的顶置气门发动机而设计的。它的绝缘体裙部突出带螺纹的金属壳体端面伸入燃烧室内。这种火花塞在混合气燃烧室吸收较多的热量,在怠速时有较高的工作温度,避免污损;当发动机转速较高时,进气气流直接对火花塞裙部进行冷却,因而最高温度提升不多,热值范围大。
传统单側极火花塞的火焰核位于中央电极与侧电极之间,热量较多地被侧电极吸收从而抑制了火焰核的增大,即“消焰作用”明显。这就降低了此类型火花塞的跳火性能。
在上世纪20年代,开始出现了三侧极火花塞,三个接地电极位于中央电极四周,消除了单側极火花塞中央电极被侧电极遮挡的缺点,削弱了“消焰作用”,火花能量较大,拥有更好的跳火性能。这里要明确一点,虽然多电极火花塞有多个接地电极,但在火花塞跳火瞬间电流仅通过单一接地电极跳火,不会出现多电极同时跳火的情况。
火花塞在发展的过程中引入了各种的稀有金属,以提供良好的散热能力、抗化学腐蚀能力、抗电腐蚀能力、跳火性能以及工作稳定性等性能。
中央电极的材质经历了铁、镍、镍基合金、镍-铜复合材料以及贵金属几个演化过程。
现在主流的发动机都采用了涡轮增压、缸内直喷等增强动力的技术,升功率、压缩比、最高转速都不断攀升。为适应高转速、高压缩比、高升功率的“三高”汽油发动机的需求,火花塞的电极材料也进一步升级至使用熔点较高的铂(熔点为1772℃)、铱(熔点为2410±40℃)作为火花塞电极材料。这类采用了贵金属电极的火花塞具有极高的抗化学腐蚀能力,在使用寿命上有了长足的进步。
贵金属一般会被制成极细电极(直径0.2mm),通过烧结的方法固定在绝缘体发火端。也有把直径为0.4mm-0.8mm的贵金属圆片使用激光焊接方法焊接于中央电极以及侧电极上的。
贵金属电极火花塞有几个突出优点:
所谓的沿面点火即点火火花总是从中央电极经过绝缘体裙部沿面跳向侧电极。采用沿面点火设计的火花塞的侧电极位于绝缘体一侧,消焰作用较弱,因而此类火花塞火花能量大,点火可靠。多极火花塞一般采用的是沿面点火设计。单极火花塞通过增加采用沿面点火设计的辅助侧电极能够提升单极火花塞的积碳自净能力。
火花塞积碳严重时应检修燃油系统和冷启动系统,更换空气滤和火花塞。火花塞机油沉淀需要对发动机进行大修或中修,更换新的火花塞。火花塞铅沉积应换用无铅汽油并更换火花塞。