這里頭有大學(xué)問 深入剖析火花塞（一）

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】不知道各位有沒有遇到這樣的情況，早上開車上班的時(shí)候發(fā)現(xiàn)車子發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)有些困難，打幾次火才能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；而發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以后，在車內(nèi)能明顯感覺到發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)。上述情況很可能就是車輛火花塞污損或者工作壽命已到，必須更換火花塞。一連幾期《深入剖析火花塞》的系列文章，將從結(jié)構(gòu)到選購(gòu)技巧上全面講述火花塞這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要零部件。

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●火花塞的作用

　　使用內(nèi)燃機(jī)的轎車所使用的燃料一般是汽油和柴油。而在中國(guó)轎車市場(chǎng)，汽油車占據(jù)了一個(gè)很大的比例。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不一樣，由于汽油的燃點(diǎn)較高（約400度左右），因而需要使用強(qiáng)制點(diǎn)火方式點(diǎn)燃混合氣。而用于點(diǎn)燃混合氣的關(guān)鍵就是我們今天要深入探討的火花塞。

　　自1860年法國(guó)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。中國(guó)第一支國(guó)產(chǎn)火花塞于1952年在南京電瓷廠被生產(chǎn)出來。而攻克火花塞制造技術(shù)難關(guān)的是一個(gè)叫做唐永春的人。關(guān)于中國(guó)火花塞發(fā)展史可參看一本叫做《汽車火花塞工業(yè)史》的書。

　　火花塞點(diǎn)火過程可分為四步：1.點(diǎn)火線圈在火花塞電極兩端產(chǎn)生高壓電，高壓擊穿電極間的介質(zhì)產(chǎn)生電火花；2.電弧高溫加熱混合氣后產(chǎn)生火焰核；3.火焰核變大，火花塞電極結(jié)構(gòu)會(huì)影響這個(gè)過程，從而影響火花塞點(diǎn)火性能；4.火焰核溫度上升至混合氣燃點(diǎn)時(shí)混合氣被點(diǎn)燃。

●火花塞的結(jié)構(gòu)

　　火花塞由以下幾部分構(gòu)成：1、接線螺母；2、中央電極；3、接地電極；4、金屬殼體；5、絕緣體?；鸹ㄈ系慕拥仉姌O與金屬殼體連接，通過汽缸蓋螺紋連接連接到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上。絕緣體主要起到隔離金屬殼體及中央電極的作用。接線螺母是火花塞上與高壓線圈接觸的部分，電流通過接線螺母和中央電極后，擊穿中央電極與接地電極間的介質(zhì)產(chǎn)生火花，從而點(diǎn)燃?xì)飧字械幕旌蠚狻?/p>

●火花塞的熱值

　　火花塞的熱值反映了火花塞把熱量從燃燒室傳遞到汽缸蓋的能力。只要是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒室的理想燃燒溫度在500-850℃這個(gè)范圍內(nèi)。把燃燒室溫度控制在上述范圍能夠有效避免火花塞提前跳火及火花塞頭部過熱；同時(shí)也能夠有效清除氣缸燃燒殘留物避免氣缸失火。

　　不同熱值的火花塞我們可以通過火花塞芯部的長(zhǎng)度來大致區(qū)分。火花塞芯部較長(zhǎng)的是熱型火花塞；火花塞芯部較短的是冷型火花塞。當(dāng)然也可以通過改變中央電極的合金成分來改變火花塞的熱值，但一般通過改變火花塞芯部長(zhǎng)度的方法比較常用。我們常見的博世和NGK火花塞的熱值標(biāo)識(shí)方法是不一樣的，NGK越“熱”的火花塞，型號(hào)中的數(shù)字越低；而博世越“熱”的火花塞，型號(hào)中的數(shù)字越大。舉個(gè)例子：NGK的BP5ES和博世的FR8NP熱值是相等的（加粗的數(shù)字表示熱值）。家用轎車上的發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用中等熱值的火花塞。以NGK火花塞為例，其型號(hào)中表示熱值的位上一般會(huì)是“6、7、8”，對(duì)照上圖的表我們就知道相應(yīng)型號(hào)的火花塞所處的熱值范圍了。

　　熱型火花塞從燃燒室導(dǎo)出熱量的速度低，而冷型火花塞從燃燒室導(dǎo)出熱量的速度高。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整了正時(shí)、換用了汽油、進(jìn)行了動(dòng)力改裝后，必須選用合適熱值的火花塞。因而，大功率發(fā)動(dòng)機(jī)一般都會(huì)使用冷型火花塞。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出每增加75-100馬力，火花塞熱值就要降低一級(jí)（使用散熱能力更好的型號(hào)）。

●火花塞的間隙

　　不同發(fā)動(dòng)機(jī)甚至同一款發(fā)動(dòng)機(jī)在不同調(diào)教的情況下，所使用的火花塞間隙都不一樣。火花塞間隙過小會(huì)導(dǎo)致提前點(diǎn)火、死火甚至發(fā)動(dòng)機(jī)損壞；火花塞間隙過大會(huì)導(dǎo)致失火、火花塞污垢增多、動(dòng)力下降、油耗增加。在更換非原廠火花塞時(shí)，我們除了關(guān)注火花塞電極類型、火花塞熱值，還要關(guān)注的就是火花塞間隙了。

　　點(diǎn)擊此處查詢NGK火花塞的間隙

　　點(diǎn)擊此處查詢博世火花塞的間隙

●火花塞的電極類型

　　經(jīng)過了一百多年的發(fā)展，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)火花塞已經(jīng)發(fā)展出多種多樣的電極類型?；鸹ㄈ蓚鹘y(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型單側(cè)極發(fā)展到突出型單側(cè)極，由單側(cè)極發(fā)展至多側(cè)極。

　　突出型單側(cè)極火花塞是為現(xiàn)在被普遍使用的頂置氣門發(fā)動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的。它的絕緣體裙部突出帶螺紋的金屬殼體端面伸入燃燒室內(nèi)。這種火花塞在混合氣燃燒室吸收較多的熱量，在怠速時(shí)有較高的工作溫度，避免污損；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，進(jìn)氣氣流直接對(duì)火花塞裙部進(jìn)行冷卻，因而最高溫度提升不多，熱值范圍大。而對(duì)于老式的側(cè)置氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，由于進(jìn)氣氣流對(duì)火花塞的冷卻作用較弱，則不能使用突出型火花塞。

　　傳統(tǒng)單側(cè)極火花塞的火焰核位于中央電極與側(cè)電極之間，熱量較多地被側(cè)電極吸收從而抑制了火焰核的增大，即“消焰作用”明顯。這就降低了此類型火花塞的跳火性能。

　　在上世紀(jì)20年代，開始出現(xiàn)了三側(cè)極火花塞，三個(gè)接地電極位于中央電極四周，消除了單側(cè)極火花塞中央電極被側(cè)電極遮擋的缺點(diǎn)，削弱了“消焰作用”，火花能量較大，擁有更好的跳火性能。這里要明確一點(diǎn)，雖然多電極火花塞有多個(gè)接地電極，但在火花塞跳火瞬間電流僅通過單一接地電極跳火，不會(huì)出現(xiàn)多電極同時(shí)跳火的情況。

●火花塞電極材料的進(jìn)化

　　火花塞在發(fā)展的過程中引入了各種的稀有金屬，以提供良好的散熱能力、抗化學(xué)腐蝕能力、抗電腐蝕能力、跳火性能以及工作穩(wěn)定性等性能。

　　首先我們來看看火花塞的中央電極。中央電極的材質(zhì)經(jīng)歷了鐵、鎳、鎳基合金、鎳-銅復(fù)合材料以及貴金屬幾個(gè)演化過程。

　　貝魯（Beru）公司于1943年首先開發(fā)出銅芯電極火花塞。目前銅芯電極火花塞的覆蓋率已經(jīng)達(dá)到95%。銅芯電極具有良好的導(dǎo)熱性，不容易產(chǎn)生熾熱點(diǎn)火、怠速、低負(fù)荷也不容易產(chǎn)生積碳，擁有較好的點(diǎn)火性能。純金屬容易氧化和產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，因而在銅芯外表包裹一層耐腐蝕性能較好的鎳基合金能夠使火花塞擁有良好的抗腐蝕能力的同時(shí)散熱性能也更好。

　　側(cè)電極接地，因而電腐蝕作用較低，但化學(xué)腐蝕作用依然存在，在鎳基中加入錳和硅可提高抗化學(xué)腐蝕性。而Champion在1998年推出的銅芯側(cè)電極火花塞可以使側(cè)電極的工作溫度降低100℃，減少了因火花塞溫度過高的點(diǎn)火提前，溫度降低也減少了燒蝕和電極間隙變化，火花塞工作更加穩(wěn)定。

　　現(xiàn)在主流的發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了渦輪增壓、缸內(nèi)直噴等增強(qiáng)動(dòng)力的技術(shù)，升功率、壓縮比、最高轉(zhuǎn)速都不斷攀升。為適應(yīng)高轉(zhuǎn)速、高壓縮比、高升功率的“三高”汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，火花塞的電極材料也進(jìn)一步升級(jí)至使用熔點(diǎn)較高的鉑（熔點(diǎn)為1772℃）、銥（熔點(diǎn)為2410±40℃）作為火花塞電極材料。這類采用了貴金屬電極的火花塞具有極高的抗化學(xué)腐蝕能力，在使用壽命上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

　　貴金屬一般會(huì)被制成極細(xì)電極（直徑0.2mm），通過燒結(jié)的方法固定在絕緣體發(fā)火端。也有把直徑為0.4mm-0.8mm的貴金屬圓片使用激光焊接方法焊接于中央電極以及側(cè)電極上的。

　　貴金屬電極火花塞有幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：

　　1.電極的高抗腐蝕性使得點(diǎn)火間隙長(zhǎng)期不變，點(diǎn)火間隙穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無需修正發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火間隙。有數(shù)據(jù)表明，使用鉑金火花塞的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過16萬公里運(yùn)轉(zhuǎn)，點(diǎn)火間隙僅增大0.05mm。

　　2.由于貴金屬極細(xì)電極具有尖端放電效應(yīng)，因而點(diǎn)火更容易，發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況也能平穩(wěn)運(yùn)行。

　　3.極細(xì)電極減弱了電極吸熱和消焰作用，火焰核更容易形成從而點(diǎn)燃混合氣，使燃燒更充分，排放更低。

●沿面點(diǎn)火的積碳自潔功能

　　上文提到了使用鉑、銥等貴金屬來提升火花塞的跳火性能和使用壽命；也提到了多極火花塞火花能量大跳火性能好的特點(diǎn)?，F(xiàn)在我們來說說關(guān)于沿面點(diǎn)火的積碳自潔功能。

　　所謂的沿面點(diǎn)火即點(diǎn)火火花總是從中央電極經(jīng)過絕緣體裙部沿面跳向側(cè)電極。采用沿面點(diǎn)火設(shè)計(jì)的火花塞的側(cè)電極位于絕緣體一側(cè)，消焰作用較弱，因而此類火花塞火花能量大，點(diǎn)火可靠。由于火花總是從中央電極絕緣體裙部通過，因而能燒掉附著在絕緣體裙部的積碳起到自潔作用。

　　多極火花塞一般采用的是沿面點(diǎn)火設(shè)計(jì)。單極火花塞通過增加采用沿面點(diǎn)火設(shè)計(jì)的輔助側(cè)電極能夠提升單極火花塞的積碳自凈能力。

●火花塞故障現(xiàn)象分析

　　在網(wǎng)上查詢火花塞故障分析，會(huì)出現(xiàn)很多圖文并茂的介紹。這些介紹里面提到了一些不常見的現(xiàn)象，如絕緣層爆裂、中央電極融化、接地電極融化等。在此我們僅僅介紹一些車主們比較常見的故障現(xiàn)象。

　　火花塞積碳嚴(yán)重時(shí)應(yīng)檢修燃油系統(tǒng)和冷啟動(dòng)系統(tǒng)，更換空氣濾和火花塞?；鸹ㄈ?a target="_blank" class="cmsLink">機(jī)油沉淀需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大修或中修，更換新的火花塞?；鸹ㄈU沉積應(yīng)換用無鉛汽油并更換火花塞。

　　總結(jié)：本文簡(jiǎn)要介紹了火花塞的作用、結(jié)構(gòu)、熱值、間隙、電極類型、電極材質(zhì)、沿面點(diǎn)火的特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹了火花塞常見的故障現(xiàn)象。下一期《深入剖析火花塞》我們將介紹火花塞的拆裝方法、不同電極材質(zhì)火花塞的壽命以及簡(jiǎn)單的選用原則。敬請(qǐng)留意！

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