火花塞基本結構、類型、參數

自1860年法國人路納依爾發明世界第一只火花塞以來，火花塞在結構、外觀、材料、工藝等各方面都經歷了巨大變化，但其工作原理始終如一，即將點火線圈的高壓電輸入發動機燃燒室，擊穿電極之間的間隙，產生火花，引發混合氣燃燒。

如今火花塞市場品牌、型號繁多，發火端形狀各異，但其基本結構沒有大的差異。只是由于材料、工藝、性能要求不同，各廠家采用了不同的結構設計，因此，在傳統結構基礎上又派生出各種變型，于是市場出現了形形色色的火花塞。

火花塞的基本結構

火花塞的主要零件是絕緣體、殼體、接線螺桿和電極。絕緣體必須具有良好的絕緣性和導熱性、較高的機械強度，能耐受高溫熱沖擊和化學腐蝕，材料通常是95%的氧化鋁瓷。殼體是鋼制件，功能是將火花塞固定在汽缸蓋上。殼體六角螺紋的尺寸已納入ISO國際標準。火花塞電極包括中心電極和側電極，兩者之間為火花間隙。間隙的大小直接影響著發動機的啟動、功率、工作穩定性和經濟性。合理的間隙與點火電壓有關。電極材料必須具有良好的抗電蝕（火花燒蝕）和腐蝕（化學—熱腐蝕）能力，并應具有良好的導熱性。中心電極與接線螺桿之間是導體玻璃密封劑，既要能夠導電，也要能承受混合氣燃燒的高壓，同時保證其密封性。

火花塞的結構變形

由于火花塞與發動機之間的相互關系，使日新月異的發動機技術必然要促進火花塞的不斷創新。讓我們通過歷史的發展與進步，看看火花塞結構的演化與變遷。

1. 標準型與突出型火花塞

標準型火花塞是絕緣體裙部端略低于殼體螺紋端面的單側電極火花塞，它采用了側置氣門式發動機應用最廣泛的傳統發火端結構。為區別于后來出現的“突出型”，此結構被稱為“標準型”。

突出型火花塞最初是為頂置氣門式發動機配套設計的，它的絕緣體裙部突出殼體螺紋端面伸入燃燒室內。在燃燒的混合氣中吸收較多熱量，怠速時有較高的工作溫度，避免污損；高速時由于氣門頂置，吸入的氣流對準絕緣體裙部，將其冷卻，使最高溫度提高不多，因而熱范圍較大。突出型火花塞不適用于側置氣門式發動機，因其進氣道拐彎多，氣流對絕緣體裙部冷卻作用不大。

從點火效果考慮，電火花應該在混合氣流動最好的地方跳過。發動機燃燒室不同的結構設計要求不同的最佳點火位置。點火位置可以理解為火花間隙在燃燒室內的位置，即火花塞中心電極端面至殼體端面的距離。

普通突出型火花塞的點火位置為3mm，越野賽車和大排量摩托車使用的“超突出型”火花塞，點火位置可達7～10mm。點火靠近燃燒室中心部位，火焰傳播距離縮短，從而將縮短燃燒周期并減小壓力變化的幅度，有利于提高發動機的動力性。

在BOSCH火花塞型號中，不同字母代表著不同的點火位置。例如，FR7DC、FR7KC、FR7LTC、FR7HC中的D、K、L、H分別代表的點火位置為3mm、4mm、5mm、7mm。其他品牌（如DENSO、NGK）火花塞也有類似的規定。國產火花塞過去用T代表突出型，如E6TC、F7RTC等。根據最新行業標準QC/T430-2005《火花塞產品型號編制方法》，用E、L、K、Z分別代表點火位置3mm、4mm、5mm、7mm，而T代表絕緣體突出型點火位置3 mm以下的突出型火花塞。若沒有采用行業標準，可查閱各生產廠家的具體型號說明。

2. 單側極與多側極火花塞

傳統單側極火花塞有一個明顯的缺陷，即側電極蓋住了中心電極。當兩極間高壓放電時，火花間隙處的混合氣將吸收火花熱量并因電離被激活而形成“火核”。火核形成的場所一般在接近側電極處，熱量將較多地被側電極吸收，即電極的“消焰作用”，它減少了火花能量，降低了跳火性能。

于是，在上世紀20年代，出現了三側極火花塞。與單側極相比，多側極的火花間隙由多個側電極的斷面（沖成圓孔）和中心電極的圓柱面構成，這種旁置式的火花間隙消除了側電極蓋住中心電極的缺點，增加了火花的“可達性”，火花能量較大，較容易深入汽缸內部，有助于改善混合氣燃燒狀況并減少廢氣排放。由于多側極提供了多個跳火通道，因而延長了使用壽命，提高了點火的可靠性。這里必須指出，放電的瞬間只能是一條通道跳火，不可能多側極同時跳火。高速攝影的放電過程證明了這一點。

國產火花塞型號中的后綴字母（熱值數后面的字母）D、J、Q分別表示雙側極、三側極、四側極。例如K7RLDC、K7RLJC和K7RLQC代表不同數量的側電極火花塞。

3. 鎳基合金與銅芯電極火花塞

對伸入燃燒室電極的最基本要求是耐燒蝕（電蝕和化學腐蝕）和良好的導熱性。隨著材料科學和工藝技術的發展，電極材料經歷了鐵、鎳、鎳基合金、鎳-銅復合材料、貴金屬的演化過程。現在用得最普遍的是鎳基合金。通常，純金屬的導熱性優于合金，但純金屬（例如鎳）對燃燒氣體及其形成的固狀沉積物的化學腐蝕反應比合金靈敏。因此電極材料采用鎳基加入鉻、錳、硅等元素，鉻提高抗電蝕能力，錳和硅提高耐化學腐蝕能力，特別是對危害性很大的氧化硫的抗腐蝕能力。鎳基合金的導熱性不如銅，采用銅芯并將其外表裹以鎳基合金（或其他貴金屬合金）將大大改善電極的導熱能力。貝魯（Beru）公司于1943年首先開發出銅芯電極火花塞，隨后世界各大火花塞公司相繼開發成功，目前銅芯電極覆蓋率已超過95%。由于銅芯電極良好的導熱性，發火端吸收的熱量將迅速導出，而適當加長絕緣體裙部，將不產生熾熱點火，怠速、低負荷時也不易積炭，這就拓寬了火花塞的熱范圍。側電極接地，其電腐蝕程度較中心電極低，主要是高溫下的化學腐蝕，因此在鎳基中加入錳和硅可提高抗化學腐蝕性。為了改善側電極的導熱能力，CHAMPION公司于1988年率先推出銅芯側電極火花塞，將火花塞技術推進了一大步。實驗證明，銅芯側電極的工作溫度可降低100℃左右，由側電極過熱而引起點火提前的可能性將減小。電極的燒蝕量也因溫度的降低而減少。火花間隙變化減小，有利于發動機工況的穩定。

國產火花塞型號后綴中的C代表銅芯中心電極，CC代表雙銅芯電極，例如：F7RTC、K6RTCC。

4. 普通型與電阻型火花塞

火花塞作為火花放電發生器，是一種寬帶連續型的電磁輻射干擾源。為了抑制因跳火產生的電磁輻射對無線電場的強干擾，保護無線電通訊并防止車載電子裝置的誤動作，世界各國自上世紀60年代以來，加快了電阻型火花塞的開發。我國也于近年發布了一系列強制性電磁兼容的國家標準，對于火花塞點火發動機驅動的車輛裝置無線電干擾特性作了嚴格的限制，因此對電阻型火花塞的需求也大為增加。電阻型火花塞在結構上與普通型沒有大的區別，僅僅是將絕緣體內的導體密封劑改為電阻密封劑。CHAMPION公司由于采用滑石粉密封工藝，在絕緣體內增加固態電阻體。電阻體使火花塞放電時電容放電電流受到抑制，因而降低了向外發射的電磁騷擾，同時通過熄滅電容性再發火減少對電極的腐蝕，從而延長了火花塞的使用壽命。

5. 空氣間隙與沿面間隙火花塞

迄今為止，火花塞跳火主要有兩種方式：一種是脈沖高電壓作用下，擊穿存在于中心電極與側電極之間的空氣間隙產生電火花；另一種是沿面跳火，即放電路線是沿中心電極與側電極之間的絕緣體表面進行的。前者放電距離短，跳火性能差，傳統單側極火花塞尤甚。因為空氣間隙的大小受電源電壓的制約，一般為0.6～0.9mm左右。較短的放電距離使火核沒有充分的“發育”，熱量也較多地被側電極吸收，降低了火花的能量。若加大空氣間隙，則需要提高點火電壓，易導致“失火”。沿面放電發生于絕緣體陶瓷表面和空氣的交界面，陶瓷表面電場發生畸變會增大局部場強，導致局部先發生放電，由此促使放電的進一步發展，直至電極間隙擊穿。這種放電機理使沿面間隙比同寬度空氣間隙的擊穿電壓降低。若在相同擊穿電壓下，沿面間隙比空氣間隙的放電距離長。較長的放電距離能大大提高火花的能量。因為火花放電是由能量密度非常不一樣的2部分組成，即電容放電部分和電感放電部分。前者具有高能密度，電壓高，能在極短時間內放出；后者能量密度小，但在較長時間起作用。從電火花能量分布可看出電感部分的能量是電容部分的20～30倍，是名副其實的“熱焰”，對加熱周圍混合氣而形成火核起主要作用。電感部分持續時間越長，著火性越好。加長放電距離將降低側電極的“消焰作用”。電火花沿絕緣體表面燒盡油污積炭，避免電極之間的跨連，也避免絕緣體和殼體之間因附著燃燒沉積物導致電流泄漏的現象，保證怠速工況下的點火可靠性。沿面間隙型火花塞的絕緣體沒有裙部，不能迅速吸收燃燒室的熱量，是一種極冷型火花塞。用途較廣的是將“沿面間隙”和“空氣間隙”結合在一起的“滑動—空氣間隙”，絕緣體裙部與側電極之間是空氣間隙。跳火時火花從絕緣體表面“滑”過再跳向側電極。由于絕緣體表面電場畸變使擊穿電壓降低。這種火花塞的絕緣體有正常的裙部，因而能適應不同的熱負荷。

6、平座型與錐座型火花塞

所謂平座型，即火花塞安裝座（殼體大圓柱端面）為平面，安裝時該平面與汽缸之間有彈性密封墊圈。某些發動機為了更緊湊或布置更多的零件（如增加氣門），沒有給火花塞留下較大的安裝空間，這就迫使火花塞縮小徑向尺寸，甚至取消外密封墊圈，用“錐座”代替了“平座”。美國GM和Ford汽車公司就是采用這種錐形安裝座，即火花塞殼體有錐角為63°的圓錐面，安裝時與汽缸蓋的錐孔配合，無需密封墊圈。這種圓錐配合要求錐面與螺紋直徑具有極高的同軸度，否則密封性能難以保證。

7、貴金屬火花塞

采用鎳基合金電極的普通火花塞已越來越不適應大功率、高轉速、大壓縮比的現代發動機的需要。為了使火花塞具有更高的點火性能和使用壽命，人們開始瞄準貴金屬（鉑、銥、釔等），將其用于電極并相應改進發火端的結構。貴金屬具有極高的熔點，鉑金熔點2042K、銥金2716K。加進某些元素（如銠、鈀）后，具有極高的抗化學腐蝕的能力。將其制成細電極（直徑0.2mm），直接燒結于絕緣體發火端中，或以直徑為0.4～0.8mm的圓片用激光焊接于中心電極前端和側電極的工作面。這種電極具有強烈的尖端放電效應，在電壓相對較低時也能點火，其火花間隙可加大至1.1～1.5mm。貴金屬使火花塞的性能發生了質的變化：一是電極的高抗蝕性能夠保持火花間隙長期不變（在16萬km試驗中，鉑電極火花間隙僅增大0.05mm），使點火電壓值穩定，發動機工作平穩。火花塞使用過程中無需調整修正火花間隙。二是適宜于冷態啟動。由于尖端放電，點火容易，提高了發動機低速工況下的性能。三是減少電極的吸熱和消焰作用，增強火花能量。細小的電極使間隙周圍的空間擴大，增加了混合氣的可達性，使燃燒更充分，排放更低。

火花塞的特性和選型

火花塞的型號有幾百種，為什么不能用一種標準的火花塞通用于各種發動機？為什么火花塞要通過“選型”才能與發動機匹配？回答這些問題必須從火花塞的熱特性談起。

眾所周知，各種型號的發動機由于工作負荷、壓縮比、轉速、冷卻方式和燃油標號的不同，其特性各異；即便是同一臺發動機，在運轉的全過程中，轉速、負荷也隨時變化。這些工作特性和工況上的差異集中體現在燃燒室內的熱量和溫度的變化。高功率發動機燃燒室的溫度高于低功率發動機，高速時的溫度高于怠速。火花塞的發火端伸入燃燒室，不同的發動機和發動機工況將導致發火端的工作溫度不同。

熱范圍

發動機在正常運轉的情況下，火花塞應該有一個正常的工作溫度范圍。一方面火花塞應充分受熱，保持一定的溫度，以便將沉積在絕緣體裙部、殼體與電極周圍的油污或炭粒燒掉，此時的溫度稱“自凈溫度”或“下限溫度”。譬如發動機在低功率或怠速工況下運行，絕緣體裙部溫度低，混合氣燃燒殘渣沉積在絕緣體裙部表面，使絕緣性能降低，由此導致中心電極與殼體之間不同程度的導電，造成電流泄漏，使火花能量減小，甚至“失火”。要避免上述現象，絕緣體裙部必須高于500℃（使用無鉛汽油）。另一方面發動機在大功率下運轉時，火花塞發火端溫度隨之上升，如果超過某一溫度，將發生“熾熱點火”，也稱“早期點火”。此時混合氣不是由火花塞的電火花定時強迫點燃，而是由絕緣體或電極的局部過熱在“著火點”之前自點火。這種非正時點火使發動機不能正常工作，嚴重時會產生爆燃，使火花塞和汽缸遭到損壞。火花塞熾熱點火溫度約920℃，因此火花塞絕緣體裙部的上限溫度約為850℃。

在某一種發動機運轉的全工況中，若火花塞絕緣體裙部能保持在自凈溫度和上限溫度之間，則火花塞對該發動機是適應的，超過此溫度范圍，火花塞將失去功能。這種性能稱為火花塞的“熱特性”。火花塞的適應溫度范圍稱為“熱范圍”。

熱值

熱值是火花塞在正常工作條件下，不因其自身的熱點而發生自點火能力的表征值。熱值的定性描述分為“熱型”和“冷型”。如果將不同型號的火花塞分別裝在某一發動機上，在一定運行條件下，由于火花塞本身結構不同，各自溫度場的分布是不一樣的，主要表現在裙部溫度上。有的火花塞吸熱多，而傳熱慢、散熱少，絕緣體裙部溫度高，這種火花塞稱為“熱型”；反之，吸熱少，傳熱快，散熱好，絕緣體裙部溫度低，稱為“冷型”火花塞。熱值的定量描述純系一種分類法，旨在通過測定比較，依照火花塞的冷、熱性能差異按順序用一組數字人為確定的，本身無定量的概念。但是，火花塞的熱值綜合反映了火花塞吸熱、導熱、散熱的性能，表達了火花塞所能承受發動機最大熱負荷的能力。

影響熱值的因素

既然熱值綜合反映了火花塞吸熱、導熱、散熱的性能，火花塞的結構中所有影響熱平衡過程的參數都是影響熱值的因素。最主要的因素是絕緣體裙部的長度。裙部越長，吸熱的面積越大，吸收的熱量越多，火花塞將越“熱”；反之，裙部越短，火花塞將越“冷”。例如國產K7TC火花塞絕緣體裙部長度比K6TC短，比K8TC長。其次，導熱線路越長，熱量不易傳出，裙部溫度越高，火花塞越“熱” ；反之，導熱線路越短，火花塞越“冷”。圖2.2顯示不同熱值火花塞在同一臺發動機滿負荷時的溫度曲線。可以看出，裙部越長，吸熱面積越大，屬熱型火花塞，反之屬冷型火花塞。此外，中心電極直徑和材料、中心電極和絕緣體孔壁之間的間隙、熱室容積的大小等，均將影響火花塞的熱值。

火花塞的選型

由于各種發動機工作特性不同，沒有一種標準的火花塞能夠適應所有的發動機。因此必須要根據發動機的特性來選擇相適應的火花塞，這就是火花塞的選型。選型的基本原則是：“熱型”發動機（大功率、大壓縮比、高轉速）應選配“冷型”火花塞（裙部長度短、導熱長度短）；“冷型”發動機（小功率、小壓縮比、低轉速）應選配“熱型”火花塞（裙部長度長、導熱長度長），以維持火花塞的熱平衡，使其工作溫度保持在500～850℃工作范圍。

以上原則在實際應用時，還需結合地域路況、燃油成份等具體情況加以修正。如果車輛經常在地勢平坦、路況較佳的地段（如高速公路）行駛，車輛常處于高速狀態，發動機高負荷運轉，根據選型原則應當選熱值較高的冷型火花塞。如果同一車輛經常行駛在地形復雜、路況較差的地段，不得不低速行駛，發動機負荷降低，火花塞達不到自凈溫度，就可能因油污積炭造成發動機熄火，此種情況應選用低熱值火花塞。前者如果采用F7TC型火花塞，那么后者就改用F6TC型火花塞。汽油的成份對選型也有影響。通常為了提高汽油的辛烷值，常加入少量四乙鉛作為抗爆添加劑。這種“有鉛汽油”燃燒后產生的鉛化物熔點較低，自凈溫度為450℃。如果用無鉛汽油，則為500～520℃，這就要求火花塞的下限溫度必須提高，此時應選用熱值較低的熱型火花塞。

此外，氣候、溫度、啟動點火方式等因素也對火花塞的選型有影響。因此火花塞選型應該“具體情況，具體分析。”選型一般在發動機試驗臺架上進行。要經過積炭試驗、自凈試驗和熾熱試驗，所有試驗合格后，才能確定火花塞能否與發動機匹配。