汽车发动机火花塞详解（可编辑）

汽车发动机火花塞详解（可编辑） 汽车发动机火花塞详解 细说火花塞 作者:杨捷 ―、火花塞的结构 火花塞是强制点火式发动机的一个重要元件，与点火系统和供油系统配合使用， 在很大程度上共同决定着发动机的性能。 了解火花塞的知识和信息，火花塞的演化和发展，火花塞的历史和未来„„ 本栏目从本期开始，连续3期刊登一组系列文章，帮助读者了解火花塞的合理选 配，火花塞和发动机故障的关系，火花塞的安装使用„„ 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 如图1.1所示，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。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。 1 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(图1.2)。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(图1.3)。 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， 2 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》， 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(图1.4)，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 3 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(图1.5)，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。 4 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(图1.6)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” (图1.7)，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。 5 6、平座型与锥座型火花塞 如图1.8所示，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(图1.9)。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。 6 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。 二、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?。 7 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”(图2.1)。 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。 8 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。 9 三、火花塞流派 世界上所有火花塞，因产品装配所采用的密封工艺不同而分成两大流派:一派 是以BOSCH为代表的采用热收缩密封工艺;另一派是以CHAMPION和NGK为代表的 采用滑石粉密封工艺。两大流派各有千秋，瓜分了世界火花塞市场。 由于两种工艺方法迥异，产品结构也因之不同，各火花塞厂家也各有独特的设 计，使市场上的火花塞形形色色，层出不穷。现对几种名牌火花塞的结构特点做简 要的叙述。 BOSCH火花塞 由于采用热收缩密封工艺，壳体六角部位下方有薄壁膨胀槽，铆边时大电流通 过壳体，此部位电流密度最大，因而被加热软化，同时因受压而收缩。在绝缘体与 壳体之间的内密封垫圈也因受压而变形，构成火花塞的“外密封”――壳体与绝缘 体之间的密封。 BOSCH火花塞有1400余种型号规格，结构形式繁多，但具有代表性并得到广 泛应用的有以下几种: 1(Super-火花塞 Super-火花塞(图3.1)代表了BOSCH公司大部分的火花塞产品。其中心电极 采用镍基合金包铜芯电极，热室容积较小，中心电极与侧电极都较为粗大，具有耐 高温、高压、震动的特性。 10 Super-火花塞有三种火花间隙，因而有不同的三类: ――具有空气间隙，例如传统单侧极和多侧极火花塞。 ――具有滑动空气间隙，电火花在绝缘体裙部表面滑动，再跳过气体间隙到达侧 电极，例如BOSCH公司HGR7KQC型火花塞 (图3.2)。 ――具有沿面间隙，跳火沿陶瓷表面进行(图3.3)，绝缘体没有裙部，是极冷型 火花塞。 2. Super 4 火花塞 Super 4 火花塞(图3.4)有4个对称的侧电极，其断面冲成圆形，与表面镀 银的铜芯电极的圆柱面构成空气间隙。弯曲后的侧电极下平面与绝缘体裙部端面有 0.4mm的间隙，这是一种空气间隙和滑动空气间隙的复合。放电时，要么是 空气跳 火，要么是滑动空气跳火，因此Super 4火花塞有8条放电通道。如图3.5所示， 若绝缘体裙部的某一点受到污染，该点局部场强增大，先发生放电，火花在污染点 上滑动，再跳到侧电极，同时将污染物烧净，因而提高了自净能力，改善冷启动性 能和怠速的工况。 11 3. 铂金+4 火花塞 如图3.6所示，火花塞绝缘体裙部内孔“嵌入”细小的铂金中心电极，其后是 用特殊合金制成的接触杆。裙部周围有4个均匀分布的经过两次弯曲的侧电 极。放 电时火花首先在绝缘体裙部表面滑动，再从裙部跳过空气间隙，达到侧电极。中心 电极与侧电极之间的间隙为1.6mm，具有极佳的点火可靠性和冷启动性能。 4. 钇金火花塞 这是BOSCH公司的最新产品。由于采用钇镍合金代替镍基合金，制成复合铜芯 中心电极和铜芯侧电极，火花塞的使用寿命提高了近2 ~ 3倍。侧电极前端被切成 锥形，与火核的接触面较小，消焰作用也因此降低，增强火花的能量;同时加大电 荷聚集效应，改善点火通路，提高点火成功率和点火效率。 12 Denso火花塞 Denso火花塞的密封工艺与BOSCH相同，其结构十分近似。值得一提的是Denso 于1997年4月率先开发了长寿命的铱合金火花塞。一年之后，第一次采用0.4mm 极细直径铱合金中心电极，使电极的尖端放电效应更强烈，可以降低点火电压，加 大火花间隙，在冷冬也能轻易启动，在高转速、高压缩比的工况下依然有良好的点 火性能。 侧电极开“U”形槽是Denso的另一项原创技术(图3.7)。如前所述，为了提 高火花的能量，必须有足够的空间让火核成长扩大。常用的方法是增大火花间隙， 但却提高了点火电压，会加重点火线圈和分火线的负担。Denso的带U形槽侧电极， 在不改变原有火花间隙的情况下，扩大了空间，让火核长大，同时侧电极切成锥形， 可以使电荷集中在沟槽内，大大提高点火效率。 CHAMPION火花塞 CHAMPION火花塞(图3.8)采用滑石粉密封工艺。外密封是在壳体内孔和绝缘 体圆柱之间填压滑石粉实现的。由于无需加热，壳体不受热氧化、腐蚀的影响，表 面镀层不被破坏，同时也消除由于热或机械引起的应力而造成的绝缘体组件的损 坏。 CHAMPION火花塞绝缘体组件(包括中心电极、接线螺杆)的密封(称“内密封”) 不采用导体玻璃密封剂，仍采用填压滑石粉实现。中心电极尾部很长，直接与接线 螺杆连接，因而具有良好的导电性和导热性。值得提出的是，铜芯侧电极是CHAMPION 的首创。1988年该公司率先开发出工艺难度很高的铜芯侧电极，制造了世界第一 只双铜芯电极火花塞。此项技术使侧电极的导热性大为提高，其工作温度根据发动 机转速不同可降低50 ~150?，这就使火花塞获得两个极为重要的优点: 第一， 减少由于侧电极过热而引起的提前点火的可能性; 第二， 减少电极的烧蚀。因为电极的烧蚀量随温度上升迅速增加，其过程是按 指数方式进行的。电极温度降低，烧蚀减少，将延缓火花间隙的扩大，使发动机工 13 作平稳。 NGK火花塞 NGK火花塞(图3.9)同样采用滑石粉密封工艺。与CHAMPION不同的是，在外 密封的滑石粉圈上下各有一个挡粉的钢丝圈，使滑石粉不易因震动而逸出，确保动 态密封可靠。 插入式铜芯中心电极是NGK火花塞的一大特点。这种电极是NGK火花塞技术部 长森田隆之于1958年提出，1962年应用于生产，至1966年才得以完善。 如图3.10 所示，这种铜芯电极的尾端有一个小孔，插入一段铜线材，并与接线螺杆连接。发 火端所吸收的一部分热量将迅速由铜线材传出，有助于拓宽火花塞的热值。 14 NGK火花塞的另一个结构特点是中心电极开V形槽。V形槽改变了电极的点火 特性。有实验表明，如果给予相同的点火能量，V形槽电极比平电极的击穿电压低， 即火花能量中的电容成分比例减少，电感成分比例增加。如前所述，火花的电感部 分是热量的主要来源，火花的热量增加了，点火性能就提高了。另外，V形槽使放 电发生在中心电极外围，温度场的分布(图3.11)有利于增强点火和提高火焰的 传播速度，这就是V形槽电极的点火性能优于普通平电极的原因。 四、重视火花塞的正确安装 火花塞如何装上发动机汽缸盖,这个问题看似简单，也常被人们忽视，殊不知 安装方法正确与否与火花塞能否正常使用关系重大。 有些人在安装火花塞时常常不用扭矩扳手，因而火花塞常被拧得过紧，造成铁 壳在螺纹根部或膨胀槽部位横向断裂;有些则将火花塞拧得过松，甚至用手拧紧就 算了，使火花塞外密封垫圈变形不够或根本没有变形，导致发动机工作时漏气、功 率下降，更严重的是阻断了散热通道，使火花塞从燃烧室吸收的热量不能传 出。热 量的积聚使火花塞内部温度剧增，将发火端(包括绝缘体裙部、中心电极、侧电极) 烧毁，有时甚至将绝缘体内孔连接中心电极和接线螺杆的导体玻璃密封剂融化，接 线螺杆被燃烧室的高压气体喷射而出，十分危险。 最近，我们接到客户投诉。某用户使用K7RTC型火花塞，中心电极全部烧毁， 侧电极也熔成焊渣。但仔细观察该火花塞可以看出，外密封垫圈一点也没变形，厚 度仍保持在出厂时的1.8mm左右，垫圈的密封弧面完好如新，没有受压的痕迹，可 见该火花塞安装扭矩严重不足。另一个用户使用T5RTC型锥座火花塞，其绝缘体裙 部、中心电极均被烧毁，侧电极也被烧熔，只剩下根部。铁壳的镀镍表面全被熏黑。 仔细观察该火花塞，可以看到安装座(锥面)没有任何擦痕，说明火花塞没有被旋 紧，燃烧室内的混合气沿螺纹泄出，整个铁壳表面被熏黑。这两起投诉都是没有正 确安装火花塞，安装扭矩严重不足，外密封垫圈没有变形或锥座面没有紧密接触， 致使火花塞热量传导受阻，发火端温度太高，导致烧损(图4.1)。 15 图 4.1 图4.2表明火花塞散热通道和散热量。火花塞从发动机燃烧室吸收的热量大部 分通过热传导散发，一小部分(约20%)被汽缸吸入的新鲜混合气冷却。最主要的散 热通道是:由中心电极?绝缘体密封面?内密封垫圈?铁壳，再从铁壳的螺纹传入 汽缸盖;另一部分从铁壳的大圆柱端面经外密封垫圈传入汽缸盖，此通道散发的两 部分热量加起来约占72%。热值越低的火花塞，裙部长度越长，经由铁壳大圆柱端面、 外密封垫圈传入汽缸盖的热量越多。前述的T5RTC锥座火花塞，其裙部长度已超过 螺纹长度，从燃烧室吸收的热量大部分从锥座面传至汽缸盖(图 4.3)，若火花塞安 装扭矩不足，锥座表面不能紧密接触，则极易产生过热烧损。 图 4.2 16 图 4.3 火花塞发火端烧损也可能由于热值不匹配、裙部过热、发生早期点火而引起的， 但与上述由于安装扭矩不足、热传导受阻引起发火端烧损的情况是不同的。如果是 后者，判断的依据有两点:其一是外密封垫圈没有变形或变形明显不足，密封面未 被压平;其二是火花塞铁壳镀镍层从螺纹部位开始至铆边口被泄漏的混合气熏黑。 前者一般没有这种情况发生。 应该怎样正确安装火花塞呢,请注意以下几个方面。 a. 安装之前，必先检查火花塞及发动机的支承面，应将其擦拭干净。 b. 安装时，先用手将火花塞旋入汽缸盖，直到手拧不动为止，然后再使用扭矩扳 c. 安装扭矩的大小与火花塞螺纹直径、安装座型式(平座或锥座)、汽缸盖材料(铝 合金或铸铁)等因素有关，见表1。 d. 使用扭矩扳手(先按表1调整好扭矩)，旋紧达到相应的扭矩值后，再继续旋转 一定的角度: 17 ―― 新的平座型火花塞，旋紧达到相应的扭矩值后，再继续旋转约90?; ―― 旧的平座型火花塞，旋紧达到相应的扭矩值后，再继续旋转约30?; ―― 锥座型火花塞，旋紧达到相应的扭矩值后，再继续旋转约15?。 e. 无论是拧紧还是旋松火花塞，套筒扳手都不能倾斜，否则绝缘体受损或被压歪， 火花塞无法使用。 f. 若使用带有活动芯杆的套筒扳手，芯杆的孔必须置于火花塞的上方，以便芯杆完 全插入套筒扳手内，孔太深或芯杆插入太浅，都会损坏火花塞。 拆卸火花塞应注意以下2点。 a. 先将火花塞旋出几个螺牙，用压缩空气或毛刷清洁火花塞周围凹槽，以防污垢 落入汽缸盖螺纹孔中或燃烧室内，然后再将火花塞拆下。 b. 如若火花塞难以旋动，先旋一、两牙，以免因螺牙“咬死”而损坏汽缸盖，然 后在螺纹处滴入油或含油溶剂，再将火花塞重新旋入，等几分钟后再试着将火花塞 旋下来。 五、火花塞外貌与故障诊断 每当发动机工作不正常或发生故障，驾驶或机修人员总是先拆下火花塞，仔细 观察发火端的外貌，借此判断故障的性质和原因。 为什么要对火花塞“观颜察色”,这是因为，火花塞的外貌反映出发动机和火 花塞的工作状况，储存着发动机内部的许多信息。因此，评判火花塞外貌是诊断发 动机运转是否正常的一个重要内容。 如果排除火花塞本身的质量缺陷，导致火花塞发生故障的因素主要有以 下三个 方面: ――火花塞选型不当，其热值与发动机工作特性不匹配。火花塞的实际工作温度超 出正常的热范围。 ――发动机系统不正常。某些元件调整不当，燃油质量、空燃比等不符合要求。 ――火花塞安装、调整、使用不当。 应当指出，火花塞只是发动机点火系统的一个元件，与整个系统紧密相连。因 此，出了故障不要单纯从火花塞的质量上找原因，应该仔细观察火花塞外貌，考虑 各方面的因素，才能找到排除故障的正确方法。 * 火花塞的正常工作外貌 如果发动机正常运转，燃油质量和空燃比符合要求，火花塞使用一段较长时间 后，绝缘体裙部为灰白色、灰黄至灰褐色(图5.1)。有的呈铁锈色或红色(图5.2)， 是无铅汽油的添加剂造成的。两电极呈现褐灰色至微黑色，有轻微损耗。这是正常 的工作外貌，说明火花塞热值与发动机匹配良好，整个系统工况正常。 18 * 过热 如果火花塞热值偏低(绝缘体裙部相对较长)，工作时吸收热量多，温度过高， 绝缘体裙部被灼烧至“白炽”状态。严重时会出现早期电火，产生很高的温 度将电 极熔化(图5.3)。空燃比太大(混合气太稀)也可能产生此种现象。 如果过热太严重，点火提前角太大或使用低辛烷值燃料，则可能产生“爆燃”， 导致中心电极熔化，绝缘体裙部损坏或端面被“烧酥”(图5.4)，其后果是点火中 断，汽缸损坏。 如果使用含铅量过高的汽油，绝缘体局部会出现一层灰黄色釉。这种釉层是铅 的氧化物，在高速运行产生过热时出现(图5.5)，称为“釉化”或“铅污损”。在 急加速或高负荷行驶时易断火。 若发现火花塞过热，必须更换热值较高(绝缘体裙部相对较短)的火花塞，例 如将K6TC换成K7TC。 * 过冷 如果火花塞热值偏高(绝缘体裙部相对较短)，发动机在低速和低负荷工况下 连续运行，火花塞发火端吸收热量少，温度若低于自净温度(含铅汽油为450?，无 铅汽油为 500?)则不能将混合气燃烧产生的沉积物烧掉，于是出现 “过冷”的工作 19 外貌。按沉积物的不同，可分为“积炭”和“油污”。 积炭(图5.6)为绝缘体裙部、电极和壳体表面上覆盖一层毛茸茸的黑色无光泽 炭灰。如果空燃比太小，进入汽缸的混合气太稠，或空气过滤器严重污染，混合气 不完全燃烧所发生的炭粒便附着于发火端表面，在裙部表面温度低于自净温度、不 能将炭粒烧净的情况下，产生“积炭”。 油污(图5.7)为火花塞发火端被油光发亮的炭灰或油炭覆盖。这是由于活塞环 磨损窜油，使润滑油进入燃烧室所致。若是两冲程发动机，则是混合气中含油量过 多。富油燃烧后的沉积物，因火花塞太冷不能“自净”，形成“油污”。 积炭和油污都会降低裙部表面电阻，导致电流泄漏，不跳火或间断跳火;发动 机功率下降，工况不稳，甚至不工作。此时应更换热值较低的火花塞，例如将K7TC 更换为K6TC。 * 火花塞不正确安装、使用产生的故障 中心电极非正常烧蚀(图 5.8) 在工作过程中，火花间隙因电极蚀耗而扩大，如未及时调整，将提高点火电压， 并反过来加剧电极的烧蚀。如此反复循环，造成中心电极严重烧蚀，火花塞必须更 换。 导热不良引发烧损(图 5.9) 由于安装力矩不足，外密封垫圈变形不充分，火花塞安装座与汽缸盖不密合， 阻断导热通道，热量不能及时排出，使温度异常升高，引起炽热点火，导致电极和 裙部烧损。必须正确使用力矩扳手，按规定的安装扭矩旋紧火花塞。 绝缘体裙部断裂(图 5.10) 产生原因是机械损伤，如敲击、跌落或操作不当的时候中心电极受压。 20