汽油机点火系统混合气击穿电压的实验研究

汽油机点火系统混合气击穿电压的实验研究

来源：《汽车与配件》发布时间：2012-09-06

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点火线圈是汽油机点火系统中的核心零部件之一，其性能直接影响发动机的各项参数指标。长期以来，国内一直缺乏对点火线圈性能的实车评估手段。研究击穿电压的影响因素，拟定实车不同转速下的极限击穿电压获取方法，对评估点火线圈输出电压是否满足点火系统要求是非常必要的，对点后续火线圈的选型和开发有十分重要的意义。

火花点火过程的不同阶段及击穿电压的定义

整个火花点火过程分为：预击穿阶段、击穿阶段、电弧放电阶段、电弧到辉光放电的过渡阶段和辉光放电阶段。

预击穿

阶段可以通

过汤森放电

理论进行解

释，预击穿

阶段如图2

红色框图所

示。当线圈

充电结束断

开初级回路

后，次级感

应电动势增

大，至火花

塞电极之间

的电场呈逐

渐增加的态

势。中心电

极(阴极)表

面的电子在

电场作用下

加速并逃逸

出来，以最

快的速度奔

向侧电极

(阳极)，形成电流并达到接近饱和的状态。随着电场强度的增加，更多的阴极电子开始飞向阳极，并在电场的作用下获得足够的动能。在飞行路径上，加速的电子和气体原子以一定概率发生碰撞，并产生新的自由电子，自由电子倍增。被撞击后的气体原子由于失去了电子而变成正离子，在电场的作用下飞向阴极撞击出更多的电子(二次电子发射)。当电子数量呈几何倍数增加并达到极限时，原本绝缘的气体被击穿，变成等离子态。

击穿阶段如图2蓝色椭圆框图所示。当混合气被击穿时，间隙阻抗迅速下降，电压迅速衰减，电流达到峰值，一个很窄的圆柱状等离子体通道建立起来，电能几乎可以无损失地通过等离子体通道，使它的温度达到60000K，压力上升到几十个MPa，从而产生一个强烈的基波向四周传播，使等离子体的体积迅速膨胀。击穿阶段的时间很短，约10ns。

电弧放电阶段紧随击穿阶段。击穿阶段末期形成了电极间的等离子体通道，间隙阻抗迅速下降。因此，此阶段的放电特征是两极总压降很低，只有50~100V。电流强度却很高，大于100mA。随着电流的逐步衰减，放电过程进入到了辉光放电阶段。辉光放电最主要特征是两极压降高，电流强度较小(气体离子化能力变弱)。

击穿电压

击穿阶段最主要的参数就是击穿电压，它的大小直接决定了点火系统的性能；理论上讲，

击穿电压越

低对点火越

有利，不但

可以降低点

火线圈的负

担(线圈的

输出电压无

法达到击穿

电压，失火

频繁发生)，

而且防止了

火花塞被击

穿的风险

(击穿电压

过高甚至达

到火花塞陶

瓷体的击穿

电压值，火

花塞被打穿

至点火系统

失效)。

击穿电

压主要和点

火缸压、火花塞间隙相关；此模型没有考虑电极几何外形(空气间隙型、半沿面型、沿面型等)、材料和次级电压上升率对击穿电压的影响。以下将给出击穿电压影响因素的试验研究。

混合气击穿电压影响因素的试验研究

在以上的理论分析中提到，混合气的击穿电压主要和点火正时所对应的缸压和火花塞电极的两极间隙有关；为了验证理论模型的正确性并考核其它因素对击穿电压的影响，对相关影响因素进行了实车验证，试验包括：

1.不同负荷(点火正时所对应的缸压)下混合气击穿电压对比试验。

2.不同火花塞两极间隙下混合气击穿电压对比试验。

3.不同次级电压上升时间混合气击穿电压对比试验。

4.不同空燃比下混合气击穿电压对比性试验。

试验设备布置

本试验在国内批产的某型1.8L轿车上进行。

点火线圈采用1×1顶置式线圈，线圈发动机控制器(ECU)驱动接口和电瓶接口通过信号转接器连入匹配用ECU，地线接口通过耐高温线束连接到发动机壳体上。电流探头夹在点火线圈的地线接口和发动机地之间的线束上，并通过信号放大器将处理后的信号输入给示波器；点火线圈输出端通过三通头连接到火花塞接线螺帽上，三通另一端与TEK高压探头相连，测量点火线圈点火过程中点火线圈的输出电压波形；TEK高压探头将电压信号衰减1000倍后输入给示波器信号采集通道；试验过程中，通过示波器观察点火过程中点火线圈输出电压和放电电流随时间的变化。

实验结果及分析

不同负荷(点火

正时所对应的缸压)

下混合气击穿电压

对比试验

发动机负荷影

响点火正时所对应

的缸压的大小，负

荷越大，缸压也越

大。本试验采用相

对充气量rl代表发

动机的负荷大小，

相对充气量rl的定

义如下：

其中P1-当前情况下，进气门关闭时缸内压力；

V1-当前情况下，进气门关闭时缸内体积；T1-当前情

况下，进气门关闭时缸内温度；T0-标准情况下，进气门关闭时缸内温度(273K)；P0-标准情况下，进气门关闭时的缸内压力(1013mbar)。

试验条件如下：发动机转速选取：2500r/min；相对充气量rl代表发动机的负荷大小，分别选取：20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%；充电时间选取：2ms；观察不同点火正时缸压对混合气击穿电压的影响，试验结果如图3所示。

从图4中可以看出，随着负荷rl的增大，混合气的击穿电压成上升趋势，辉光放电阶段的自持电压也随之升高。其原因在于随着发动机负荷的增加，点火时的缸压升高，在火花塞间隙处的混合气密度增加，两极间的气体分子数量增多，击穿该混合气所需要的能量增加，击穿电压也需要提高。此试验结论也同以上经验公式所描述的规律一致。

不同火花塞两极间隙下混合气击穿电压对比试验

取常规间隙火花

塞和极限间隙火花塞

(200小时台架耐久后

的老化火花塞)进行对

比试验，常规间隙为

0.7mm，极限间隙为

1.3mm；转速选取

1500r/min、相对充气

量rl为30%、充电时

间2ms；试验结果如

图4所示。

从图4可以看出，

随着火花塞间隙的增大，击穿电压成上升趋势，火花持续时间也变短。火花塞间隙增大相当于两极间的气体分子数量增多，也需要更大的能量和击穿电压对混合气进行击穿。同时，对于相同的线圈充电能量，在击穿阶段耗费的能量越大，后续火花的持续能量和时间也越短。

不同次级电压上升时间对混合气击穿电压的影响

初级电流越大，次级电流上升的时间越短。初级电流和充电时间成正比，本试验采用充电时间衡量次级电压上升时间的大小；试验工况选择：发动机转速1500r/min、相对充气量rl为30%、充电时间1ms、2ms、3ms、4ms；试验结果如图5所示。