火花塞

火花塞，俗稱火嘴，它的作用是把高壓導線(火嘴線)送來的脈衝高壓電放出，擊穿火花塞兩電極間空氣，產生電火花以引燃汽缸內的混合氣體。主要類型有：準型火花塞、緣體突出型火花塞、電極型火花塞、座型火花塞、極型火花塞、面跳火型火花塞等 ^[2]  。

火花塞安裝在發動機的側面或頂部，早期的火花塞靠缸線與分電器連接，最近十多年來，小汽車上的發動機基本上都改成了點火線圈與火花塞直接相連。火花塞的工作電壓至少為10000V，高壓電靠點火線圈由12V電生成，然後傳遞給火花塞 ^[2]  。

1、鋼殼：鋼殼下部是細螺紋，用於與缸蓋火花塞孔配裝，上部有外六方螺母，用於裝火花塞套筒，以擰緊或擰出火花塞 ^[3]  。

2、金屬桿是中心電極。金屬桿下端與中心電極上端通過導體玻璃體接觸，金屬桿上端裝有接線螺母 ^[3]  。

3、在鋼製殼體與中心電極之間有高氧化鋁陶瓷絕緣體，使中心電極在通電時絕緣 ^[3]  。

4、鋼殼體最下部裝有彎曲的側電極 ^[3]  。

5、鋼殼外部的中部有銅製墊圈 ^[3]  。

火花塞(1張)

在高電壓的作用下，火花塞中心電極與側電極間的空氣將迅速發生電離作用，形成帶正電的離子和帶負電的自由電子。當電極間的電壓達到一定值時，氣體中的離子、電子數目像雪崩一樣增加，從而使空氣失去絕緣性，間隙便形成放電通道，發生“擊穿”現象。此時，氣體形成發光體，即“火花”。伴隨其受熱膨脹，還發生“啪啪”聲響。這種電火花的温度可高達2000～3000℃，足以點燃氣缸燃燒室內的混合氣 ^[4]  。

按照熱值高低來分，有冷型和熱型；按照電極材料來分，有鎳合金、銀合金和鉑合金等；如果更專業一些，火花塞的類型大體上有如下幾種：

1、準型火花塞：其絕緣體裙部略縮入殼體端面，側電極在殼體端面以外，是使用最廣泛的一種 ^[5]  。

2、緣體突出型火花塞：絕緣體裙部較長，突出於殼體端面以外。它具有吸熱量大、抗污能力好等優點，且能直接受到進氣的冷卻而降低温度，因而也不易引起熾熱點火，故熱適應範圍寬 ^[5]  。

3、電極型火花塞：其電極很細，特點是火花強烈，點火能力好，在嚴寒季節也能保證發動機迅速可靠地起動，熱範圍較寬，能滿足多種用途 ^[5]  。

4、座型火花塞：其殼體和旋入螺紋製成錐形，因此不用墊圈即可保持良好密封，從而縮小了火花塞體積，對發動機的設計更為有利 ^[5]  。

5、極型火花塞：側電極一般為兩個或兩個以上，優點是點火可靠，間隙不需經常調整，故在電極容易燒蝕和火花塞間隙不能經常調節的一些汽油機上常常採用 ^[5]  。

6、面跳火型火花塞：即沿面間隙型，它是一種最冷型的火花塞，其中心電極與殼體端面之間的間隙是同心的 ^[5]  。

7、標準型與突出型火花塞

標準型火花塞是絕緣體裙部端略低於殼體螺紋端面的單側電極火花塞，它採用側置氣門式發動機應用最廣泛的傳統發火端結構。為區別於後來出現的”突出型”，此結構被稱為”標準型” ^[6]  。

突出型火花塞最初是為頂置氣門式發動機配套設計的。它的絕緣體裙部突出殼體螺紋端面而伸入燃燒室內。在燃燒的混合氣中吸收較多熱量，息速時有較高的工作温度，避免污損；高速時由於氣門頂置，吸入的氣流對準絕緣體裙部，將其冷卻，使最高温度提高不多，因而熱範圍較大。突出型火花塞由於進氣道拐彎多，氣流對絕緣體裙部冷卻作用不大，因此不適用於側置氣門式發動機 ^[6]  。

8、單側極與多側極火花塞

傳統單側極火花塞有一個明顯的缺陷，即側電極蓋住了中心電極。當兩極間高壓放電時，火花間隙處的混合氣將吸收火花熱量並因電離被激活而形成“火核”。火核形成的場所一般在接近側電極處，熱量將較多地被側電極吸收，即電極的“消焰作用”，它減少了火花能量，降低了跳火性能 ^[6]  。

於是，在上世紀20年代，出現了三側極火花塞。與單側極相比，多側極的火花間隙由多個側電極的斷面（衝成圓孔）和中心電極的圓柱面構成，這種旁置式的火花間隙消除了側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，較容易深入汽缸內部，有助於改善混合氣燃燒狀況並減少廢氣排放。由於多側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。這裏必須指出，放電的瞬間只能是一條通道跳火，不可能多側極同時跳火。高速攝影的放電過程證明了這一點 ^[6]  。

國產火花塞型號中的後綴字母（熱值數後面的字母）D、J、Q分別表示雙側極、三側極、四側極 ^[6]  。

9、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（電蝕和化學腐蝕）和良好的導熱性。隨着材料科學和工藝技術的發展，電極材料經歷了鐵、鎳、鎳基合金、鎳-銅複合材料、貴金屬的演化過程。現在用得最普遍的是鎳基合金。通常，純金屬的導熱性優於合金，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腐蝕反應比合金靈敏。因此電極材料採用鎳基加入鉻、錳、硅等元素，鉻提高抗電蝕能力，錳和硅提高耐化學腐蝕能力，特別是對危害性很大的氧化硫的抗腐蝕能力 ^[6]  。

10、普通型與電阻型火花塞

火花塞作為火花放電發生器，是一種寬帶連續型的電磁輻射干擾源。為了抑制因跳火產生的電磁輻射對無線電場的強幹擾，保護無線電通訊並防止車載電子裝置的誤動作，世界各國自上世紀60年代以來，加快了電阻型火花塞的開發。我國也發佈了一系列強制性電磁兼容的國家標準，對於火花塞點火發動機驅動的車輛裝置無線電干擾特性作了嚴格的限制，因此對電阻型火花塞的需求也大為增加。電阻型火花塞在結構上與普通型沒有大的區別，僅僅是將絕緣體內的導體密封劑改為電阻密封劑 ^[6]  。

火花塞的標準中通常用熱值來表徵火花塞的熱特性，火花塞熱值表示火花塞絕緣體裙部吸熱與散熱的平衡能力，熱值越高。則吸熱與散熱平衡能力越強，因而熱型火花塞熱值低，冷型火花塞熱值高。一般功率高、壓縮比大的發動機選用熱值高的冷型火花塞；相反，功率低、壓縮比小的發動機選用熱值低的熱型火花塞。一般火花塞的選用是工廠通過產品定型實驗確定的，不應隨意更換 ^[7]  。

選擇火花塞可依據發動機的壓縮比、轉速和空燃比來確定它的熱值 ^[8]  。

市售的火花塞熱值從5～13。數值越大，火花塞就越“冷”，即所謂的冷型，高壓縮比發動機需要使用冷型火花塞。數值越小，火花塞就越“熱”，即是熱型，低壓縮比發動機要使用熱型火花塞 ^[8]  。

較冷的火花塞的製作比一般產品更加精良，所以在發動機高轉時，它能保證點火的準確性和質量，從而保證發動機極限時的最大動力。另外其電阻也被控制得非常小，跳火的次數絲毫不因轉速的升高而有所遺缺。所以使用數值較高的火花塞對習慣拉高發動機轉速是大有好處的 ^[8]  。

火花塞電極間的間隙對火花塞的工作有很大影響，間隙過小，則火花微弱，並且容易因產生積碳而漏電；間隙過大，所需擊穿電壓增高，發動機不易啓動，且在高速時容易發生“缺火”現象，故火花塞間隙應適當，一般蓄電池點火系統使用的火花塞間隙為0.7～0.8mm，個別火花塞間隙可達1.0mm以上 ^[9]  。

火花塞絕緣體裙部（指火花塞中心電極外面的絕緣體錐形部分）直接與燃燒室內的高温氣體接觸而吸收大量的熱，吸入的熱量通過外殼分別傳到汽缸蓋和大氣中。實驗表明，要保證汽車發動機正常工作，火花塞絕緣體裙部應保持500～600℃的温度（這一温度稱火花塞的自潔温度），若温度低於此值，則將會在絕緣體裙部形成積碳而引起電極間漏電，影響火花塞跳火。若絕緣體温度過高（超過900℃），則混合氣與這樣熾熱的絕緣體接觸時，將發生熾熱點火，從而導致發動機早燃。火花塞正常工作的温度在450～870℃之間。這時火花塞呈黃褐色。如果火花塞工作温度長期低於450℃，火花塞周圍會有很多積碳，火花塞呈黑色 ^[9]  。

火花塞主要要求是熱特性、抗拉強度、耐熱性能、導電性能、絕緣強度、密封性、耐腐蝕性 ^[3]  。

火花塞必須是抗熱的，將其旋入部分置入已加熱到温度為700℃的坩堝電爐或馬弗電爐中保温10min以後，隨即在空氣中冷卻，在絕緣體表面上不應有開裂和種裂 ^[10]  。

火花塞密封性能要求：進行抗熱試驗後，在氣壓差為1MPa時，其漏氣量每分鐘不允許超過40cm³(如果中心電極膠裝採用導體密封材料時，其漏氣量每分鐘不允許超過5cm²) ^[10]  。

火花塞絕緣體組件應能耐受工頻(50Hz)電壓2200vV(有效值)，歷時30s的試驗 ^[10]  。

材料：火花塞中心電極和側電極的導電性能取決於電極與混合氣接觸情況，所以，電極對抗腐蝕性的要求極高。同時，燃燒時的温度極高，電極材料對耐熱性要求高。因此，許多火花塞採用鎳錳合金。為提高耐熱性能，也有的火花塞採用鎳包銅的材料。銅製墊圈除起導熱性能外，也起密封作用。絕緣體用高氧化鋁陶瓷製成 ^[3]  。

隨着汽車工業的發展，火花塞的性能也在不斷改進，藉以提高汽油機的工作質量，例如為改善排氣淨化效果，採用了寬間隙火花塞（間隙為1.0~1.2mm）；為限制汽車電波的噪聲，研製了防干擾火花塞等。以往，火花塞的使用壽命很短，汽車廠家規定，汽車在行駛3000km後（或6個月）必須檢查或更換火花塞。隨着火花塞和有關點火裝置的改進，再加上排氣淨化的一些措施，使火花塞的使用壽命大幅度提高。一般規定汽車在行駛10000km之後（或每1年），必須檢查或更換火花塞。白金電極的火花塞使用壽命更長，一般在汽車行駛100000km之內無須檢查更換 ^[7]  。