深入剖析火花塞

　　前言

　　不知道各位有没有遇到这样的情况，早上开车上班的时候发现车子发动机启动有些困难，打几次火才能启动发动机；而发动机启动以后，在车内能明显感觉到发动机的抖动。上述情况很可能就是车辆火花塞污损或者工作寿命已到，必须更换火花塞。本文将从结构到选购技巧上全面讲述火花塞这个发动机上的重要零部件。

　 

　　●火花塞的作用

　　 

　　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。

　　 

　　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。中国第一支国产火花塞于1952年在南京电瓷厂被生产出来。而攻克火花塞制造技术难关的是一个叫做唐永春的人。关于中国火花塞发展史可参看一本叫做《汽车火花塞工业史》的书。

　 

　　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。

　　●火花塞的结构

　 

　　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。

　　●火花塞的热值

 

　　火花塞的热值反映了火花塞把热量从燃烧室传递到汽缸盖的能力。只要是汽油发动机，燃烧室的理想燃烧温度在500-850℃这个范围内。把燃烧室温度控制在上述范围能够有效避免火花塞提前跳火及火花塞头部过热；同时也能够有效清除气缸燃烧残留物避免气缸失火。

　　 

　　不同热值的火花塞我们可以通过火花塞芯部的长度来大致区分。火花塞芯部较长的是热型火花塞；火花塞芯部较短的是冷型火花塞。当然也可以通过改变中央电极的合金成分来改变火花塞的热值，但一般通过改变火花塞芯部长度的方法比较常用。我们常见的博世和NGK火花塞的热值标识方法是不一样的，NGK越“热”的火花塞，型号中的数字越低；而博世越“热”的火花塞，型号中的数字越大。举个例子：NGK的BP5ES和博世的FR8NP热值是相等的（加粗的数字表示热值）。家用轿车上的发动机一般采用中等热值的火花塞。以NGK火花塞为例，其型号中表示热值的位上一般会是“6、7、8”，对照上图的表我们就知道相应型号的火花塞所处的热值范围了。

　 

　　热型火花塞从燃烧室导出热量的速度低，而冷型火花塞从燃烧室导出热量的速度高。当发动机调整了正时、换用了汽油、进行了动力改装后，必须选用合适热值的火花塞。因而，大功率发动机一般都会使用冷型火花塞。根据经验，发动机输出每增加75-100马力，火花塞热值就要降低一级（使用散热能力更好的型号）。

　　●火花塞的间隙

 

　　不同发动机甚至同一款发动机在不同调教的情况下，所使用的火花塞间隙都不一样。火花塞间隙过小会导致提前点火、死火甚至发动机损坏；火花塞间隙过大会导致失火、火花塞污垢增多、动力下降、油耗增加。在更换非原厂火花塞时，我们除了关注火花塞电极类型、火花塞热值，还要关注的就是火花塞间隙了。

　　●火花塞的电极类型

　　 

　　经过了一百多年的发展，传统的标准火花塞已经发展出多种多样的电极类型。火花塞由传统的标准型单侧极发展到突出型单侧极，由单侧极发展至多側极。

　　 

　　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。而对于老式的侧置气门发动机，由于进气气流对火花塞的冷却作用较弱，则不能使用突出型火花塞。

　　 

　　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。

　　●火花塞电极材料的进化

　　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。

　　 
    

　　首先我们来看看火花塞的中央电极。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。

 

　　贝鲁（Beru）公司于1943年首先开发出铜芯电极火花塞。目前铜芯电极火花塞的覆盖率已经达到95%。铜芯电极具有良好的导热性，不容易产生炽热点火、怠速、低负荷也不容易产生积碳，拥有较好的点火性能。纯金属容易氧化和产生化学腐蚀作用，因而在铜芯外表包裹一层耐腐蚀性能较好的镍基合金能够使火花塞拥有良好的抗腐蚀能力的同时散热性能也更好。

　 

　　侧电极接地，因而电腐蚀作用较低，但化学腐蚀作用依然存在，在镍基中加入锰和硅可提高抗化学腐蚀性。而Champion在1998年推出的铜芯侧电极火花塞可以使侧电极的工作温度降低100℃，减少了因火花塞温度过高的点火提前，温度降低也减少了烧蚀和电极间隙变化，火花塞工作更加稳定。

　　 

　　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：

　　1.电极的高抗腐蚀性使得点火间隙长期不变，点火间隙稳定，发动机运转平稳，无需修正发动机点火间隙。有数据表明，使用铂金火花塞的发动机经过16万公里运转，点火间隙仅增大0.05mm。

　　2.由于贵金属极细电极具有尖端放电效应，因而点火更容易，发动机在低转速工况也能平稳运行。

　　3.极细电极减弱了电极吸热和消焰作用，火焰核更容易形成从而点燃混合气，使燃烧更充分，排放更低。

　　●沿面点火的积碳自洁功能

　　 

　　上文提到了使用铂、铱等贵金属来提升火花塞的跳火性能和使用寿命；也提到了多极火花塞火花能量大跳火性能好的特点。现在我们来说说关于沿面点火的积碳自洁功能。

　　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。由于火花总是从中央电极绝缘体裙部通过，因而能烧掉附着在绝缘体裙部的积碳起到自洁作用。

　　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。

　　●火花塞故障现象分析

　　在网上查询火花塞故障分析，会出现很多图文并茂的介绍。这些介绍里面提到了一些不常见的现象，如绝缘层爆裂、中央电极融化、接地电极融化等。在此我们仅仅介绍一些车主们比较常见的故障现象。

　　 

　　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。

　　总结：本文简要介绍了火花塞的作用、结构、热值、间隙、电极类型、电极材质、沿面点火的特点，并简要介绍了火花塞常见的故障现象。