摩托车及汽油机用火花塞原理、结构、特性及实用技术

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A6A
火花塞工作原理、 结构
工作原理
圆锥状部分称为裙部。 （主体金属结构） D 6 壳体 壳体与绝缘体封固为一体。其上部设有供装卸用 的六角面， 下部设有外螺纹， 以便火花塞能旋入发动机 气缸头上的螺孔中。在缸头与火花塞之间设有铜质密 封垫圈， 以防止气缸内高温高压气体泄漏。
汽油机正常工作的条件是： # 6 良好的混合气， $6 适 当的压缩比， D 6 良好的火花。这三个条件缺一不可。 而火花塞是制造优良火花的直接部件。其工作原理 是： 点火系统主要由断电器、 电容器、 点火线圈、 火花塞 构成， 点火线圈的作用是使低压电变为高压电， 当点火 线圈次级绕阻产生的高压电施加在火花塞的中心电极 与侧电极之间时， 中心电极与侧电极之间的气体被击 ， 适时点 穿， 从而产生电火花 （温度达 $EEEF G $!EEF ） 燃气缸内的可燃混合气。 A6B 结构 火花塞主要是由中心电极、 侧电极 （外侧电极） 、 绝 缘体和壳体 （主体金属结构） 等组成 （图 #） 。 # 6 中心电极和侧电极 中心电极和侧电极均由耐热合金钢制成。中心电 极是嵌在绝缘体中心， 并与密封剂、 接线螺杆和接线螺 母相连。侧电极是焊接在壳体的下端面。工作时， 侧 电极搭铁， 因此又称为搭铁电极或接地电极。 中心电极与侧电极之间的间隙称为电极间隙， 也 称火花间隙。其值一般为 EHI>> G EHJ>>。 $ 6 绝缘体 绝缘体是用来使中心电极与侧电极保持良好的绝 缘性能， 固定中心电极， 传导中心电极的热量。 绝缘体装在壳体内， 为防止漏气， 在绝缘体与壳体 之间设有上下铜质密封垫圈。绝缘体一般是用高铝陶 万方数据 瓷制成。绝缘体的上部多制成多棱状， 绝缘体下部的
（第 $& 卷） 第$期 #&&! 年
摩托车及汽油机用火花塞原理、 结构、 特性及实用技术
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火花塞首先必须产生电火花， 而电火花的产生及 其优劣主要与电极的结构 （电极的极性、 间隙、 形状） 及 工作环境条件 （气体的温度和压力， 电极湿度、 温度， 空 燃比） 密切相关。 ! " 电极的极性 在电压相同的情况下， 中心电极和侧电极形状不 同时， 产生电火花性能也不同， 尤其是针状电极和平板 电极组合。图 # 表示了针状电极和平板电极组合的极 性与电压、 电极间隙的关系。由该图可见， 电极间隙在 针状电极为负极、 平板电极为正极时， 火 $%&’’ 以下， 花塞产生电火花所需电压较低， 容易产生电火花。
!—接线螺母 封剂 *—壳体 中心电极
#—接线螺杆 +—下垫圈
$—绝缘体 ,—密封垫圈
(—上垫圈 -—侧电极
)—密 !&—
图!
火花塞结构
图#
针状电极和平板电极组合的极性与电压、 电极间隙的关系
花电压的关系如图 (。 ) " 电极温度和气体湿度 电极温度的升高， 使电极表面分子运动加剧， 另一 方面， 热能使电极周围气体分子运动加剧， 容易产生电 火花。气体湿度增加， 会导致电极温度下降， 同时两电 极间气体分子数也增加， 因而所需击穿电极间隙间气
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# $ 空燃比 汽油和空气的混合气的绝缘程度比空气略低。同 时在实际工作中， 空燃比越大， 电极温度越容易下降， 越不易产生电火花， 因此， 冷启动时关闭或关小阻风 门。 !$! 影响点火性能 （着火性能） 的因素 火花塞的点火性能， 即着火性能是指由火花塞产 生电火花进而点燃混合气， 使其燃烧的能力。 从电极间隙间产生火花， 到混合气燃烧的过程， 分 以下四个阶段： 第一阶段： 电极间隙间产生火花； 第二阶段： 形成火种 （火焰核或火焰中心） ； 第三阶段： 火种成长扩展， 火焰扩展； 第四阶段： 点燃混合气， 使其燃烧。 在这个过程的第三阶段， 由火花塞电极的消焰作 用 （即电极夺走火种热量的作用） ， 也有火种消灭着火 失败的事情发生。尽量缩小消焰作用， 让火种成长扩 大， 直接关系到着火性能的提高。 另一方面， 同产生火花的情况类似， 电极结构形状 也对着火性能有着重要的影响。下面分别叙述消焰作 用和电极结构形状对着火性能的影响。 % $ 消焰作用 电极间隙间产生火花， 电能转变为热能， 一小部分 万方数据 混合气分子被热量活化， 形成火种 （火焰中心） ， 使火种
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火花塞的特性
火花塞的作用是在高压电的作用下产生火花点燃
混合气， 由燃烧混合气的膨胀压力推动活塞连杆曲柄， 使发动机产生动力； 又因它紧固在发动机气缸头上， 所 以由其作用、 工作条件， 它必须具备以下特性： 要耐住反复多次从常温 （吸入空 !强耐温差性， 气） （$EEEF G $!EEF ） ； ! "燃烧混合气 要耐住反复多次 $E1K G DE1K 的高 "耐高电压性， 电压； 要耐住反复多次接近 !LC& # 耐瞬间爆发压力， 的高气压； 要耐住汽油、 汽油混合气和燃烧 $耐化学腐蚀性， 混合气的长时间化学腐蚀作用。 反复多次地产生火花， %产生电火花和点火特性， 并能点燃混合气。 尽管有以上如此多的特性， 但作为火花塞最根本 的特性， 也是作为火花塞本身能够存在的必要条件， 则 应是产生电火花、 点火特性和耐久性， 即产生电火花性 能 （发火性能） 、 点火性能 （着火性能） 、 耐久性能。因 此， 本文主要介绍影响这三大性能的因素。 B6A 影响产生电火花性能 （发火性能） 的因素
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摩托车及汽油机用火花塞原理、 结构、 特性及实用技术
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极间隙的原理。 缩短型： 将侧电极相对中心电极缩短些。火焰中 心产生后， 侧电极不易吸收热量， 消焰作用减小， 点火 性提高。 锥型： 将侧电极两侧面切成斜面， 降低了产生电火 花电压， 提高了着火界限空燃比。所谓着火界限空燃 比是指在不致发生失火的情况下可以着火的空燃比中 最稀的混合比界限。点火性能提高。
图!
气体压力和温度与产生电火花电压的关系
作用。之所以产生这种现象， 是由于电极间隙过小， 因 为在此狭窄电极间隙间形成火焰中心时， 火焰中心很 小， 热量不多， 火焰中心附近的冷电极吸走了火焰中心 的热量， 使火焰中心不能发展， 导致消焰。因此， 我们 把当电极间隙小于某一数值， 不管火花能量多大， 混合 气均不能着火的电极间隙长度称为消焰距离。 由以上内容可以知道， 电极的最小间隙不能小于 消焰距离， 最大间隙取决于点火线圈的电压和火花塞
图"
电极温度、 气体湿度和产生电火花电压的关系
本身的结构、 材料及工作环境。点火性能随电极间隙 不同而发生变化。加大电极间隙， 可以相对减轻消焰 作用。但是， 实际上， 一方面点火线圈产生的电压和火 花能量是有限度的， 点火性能不能随电极间隙的增大 而无限制的提高； 另一方面受燃烧室结构和点火系统 线路耐压及火花塞耐压、 本身散热等方面的限制， 电极 间隙也不能无限制地增大。 图 # 是在点火性能实验中电极间隙和空燃比的关 系， 随着火花塞间隙的增大， 空燃比也增大， 当电极间 隙大于 %&%’’ 时， 空燃比不随电极间隙而变化。另 外， 怠速时空燃比较低。 ( $ 电极的结构形状 （%） 中心电极的形状 锥型： 中心电极直径越小， 电荷越容易集中在尖 端， 使电荷密度大， 击穿绝缘气体的能力越强， 点火性 能越好。同时锥型中心电极使火焰中心成长扩展空间 扩大， 易于火焰传播， 点燃混合气。 另一方面， 由于中心电极变细， 故消焰作用减小。 图 ) 是中心电极直径为 (&"’’ 和 %&*’’ 时点火性能 的示例。由图可见， 火花塞间隙大时， 几乎没有差别， 但间隙小时， 差别很大。火花塞间隙为 %&*’’ 时点火 性好。 火花塞中心电极直径越细， 消焰作用越小， 点火性 越强， 但火花塞的耐久性降低。 中心电极直径减小， 散热能力变差， 温度升高， 氧
图$
放电难易程度与电极结构形状的关系
体的电压也要增大， 不易产生电火花。图 ) 表示了电 极温度、 气体湿度和产生电火花电压的关系。 在急加速的时候， 节气门突然全开， 吸入的空气量 增加， 火花塞电极温度降低， 不易产生电火花； 当节气
摩托车及小型汽油机用火花塞受发动机燃烧室结 构、 工作条件及点火系统的影响， 电极间隙一般都在 万方数据 所以其所用火花塞电极的基本结构为针 $%&’’ 以内，
状电极和平板电极组合， 以中心电极为负极， 并决定了 点火线圈的绕向和蓄电池的正极接地。 # " 电极间隙和结构形状 由于电极间隙间充满气体， 电极间隙越大， 所需击 穿电极间隙间气体的电压越高， 气体越不易被击穿， 即 不易产生电火花。电极间隙与产生电火花的电压成正 比关系。 另外， 电极结构形状不同， 产生电火花的情况也不 一样， 如图 $ 所示， 电极头部越有尖端和棱角， 越容易 产生电火花， 反之电极头部越没有尖端和棱角， 越趋于 圆滑， 越不容易产生电火花。因此电极设计成有尖端 和棱角形状。 使用了很长时间的火花塞， 其棱角因高温而被氧 化或被恶劣的工作环境所腐蚀， 变成了圆角， 导致产生 电火花困难， 特别是难以启动， 或发动机运转不稳， 此 时应更换同型号新的火花塞。 $ " 波纹绝缘体 为产生电火花， 火花塞端部和主体金属结构之间 不断地接受高电压， 而高电压有沿着绝缘体表面泄漏 的 趋 势，当 绝 缘 情 况 不 好 时，就 可 能 产 生 跳 火 （./0123456 或称飞弧） ， 此时电极间不能产生电火花， 引 起失火。 为了防止跳火和失火， 在绝缘体上设置波纹， 因此 而加长绝缘距离， 确保绝缘性， 维持正常产生电火花。 设置 ) 段波纹的绝缘体可耐压 789 的 资 料 显 示， 而没有波纹的绝缘体只能耐压 #&:;。 $&:;， 温度 ( " 气体压力、 如果电极间隙间气体压力增加， 则两电极间气体 分子密度增加， 施加在每个分子上的电压下降， 气体不 易被击穿， 则所需击穿电极间隙间气体的电压也要增 大。因此， 气体压力越大， 越不易产生电火花。气体的 温度升高后， 热能使分子运动加剧， 施加电压后束缚电 子变成自由电子游离出来， 形成可传播输电能的物质， 从而容易产生放电现象， 气体压力和温度与产生电火
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摩托车及汽油机用火花塞原理、 结构、 特性及实用技术
海南新大洲川崎发动机有限公司
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摘要 关键词
本文比较系统地介绍了摩托车及汽油机用火花塞的工作原理、 结构、 特性及实用技术， 供参考。 火花塞 原理 结构 特性 实用技术
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门持续全开时， 气缸很热， 吸入混合气的温度迅速升 高， 火花塞电极温度升高， 容易产生电火花。
成长扩展， 形成火焰传播， 混合气爆发燃烧。 因此电火花能否点燃混合气， 由两个因素决定： 首 先是火焰中心的形成， 其次是火焰中心的成长扩展。 要想形成火焰中心， 必须满足两个条件： 一是电火 花的能量充足， 这一点主要由火花塞自身来保证； 二是 空燃比范围适当， 且混合气混合充分， 这主要由空滤器 和化油器等来保证。在此条件下电极间隙间产生火花 后， 火焰中心即可形成。 但是， 要想使火焰中心成长扩展， 还要克服消焰作 用， 即火焰中心附近的冷电极吸走了火焰中心的热量， 火焰中心不能成长扩展， 导致火焰中心 （火种） 消灭的