[科普中国]-火花塞

火花塞是汽油机点火系的重要元件，它可将高压电引入燃烧室，并使其跳过电极间隙而产生火花，从而点燃气缸中的可燃混合气。主要由接线螺母、绝缘体、接线螺杆、中心电极、侧电极以及外壳组成，侧电极焊接在外壳上1。

简介火花塞，俗称火嘴，它的作用是把高压导线(火嘴线)送来的脉冲高压电放出，击穿火花塞两电极间空气，产生电火花以引燃汽缸内的混合气体。主要类型有：准型火花塞、缘体突出型火花塞、电极型火花塞、座型火花塞、极型火花塞、面跳火型火花塞等2。

火花塞安装在发动机的侧面或顶部，早期的火花塞靠缸线与分电器连接，最近十多年来，小汽车上的发动机基本上都改成了点火线圈与火花塞直接相连。火花塞的工作电压至少为10000V，高压电靠点火线圈由12V电生成，然后传递给火花塞2。

结构介绍1、钢壳：钢壳下部是细螺纹，用于与缸盖火花塞孔配装，上部有外六方螺母，用于装火花塞套筒，以拧紧或拧出火花塞3。

2、金属杆是中心电极。金属杆下端与中心电极上端通过导体玻璃体接触，金属杆上端装有接线螺母3。

3、在钢制壳体与中心电极之间有高氧化铝陶瓷绝缘体，使中心电极在通电时绝缘3。

4、钢壳体最下部装有弯曲的侧电极3。

5、钢壳外部的中部有铜制垫圈3。

工作原理在高电压的作用下，火花塞中心电极与侧电极间的空气将迅速发生电离作用，形成带正电的离子和带负电的自由电子。当电极间的电压达到一定值时，气体中的离子、电子数目像雪一样增，从而使空气失去绝缘性，间隙便形成放电通道，发生“击穿”现象此时，气体形成发光体，即“火花”。伴随其受热膨胀，还将发生“啪啪”声响。这种电火花的温度可高达2000～3000℃，足以点燃气缸燃烧室内的混合气4。

常见种类按照热值高低来分，有冷型和热型；按照电极材料来分，有镍合金、银合金和铂合金等；如果更专业一些，火花塞的类型大体上有如下几种：

1、准型火花塞：其绝缘体裙部略缩入壳体端面，侧电极在壳体端面以外，是使用最广泛的一种5。

2、缘体突出型火花塞：绝缘体裙部较长，突出于壳体端面以外。它具有吸热量大、抗污能力好等优点，且能直接受到进气的冷却而降低温度，因而也不易引起炽热点火，故热适应范围宽5。

3、电极型火花塞：其电极很细，特点是火花强烈，点火能力好，在严寒季节也能保证发动机迅速可靠地起动，热范围较宽，能满足多种用途5。

4、座型火花塞：其壳体和旋入螺纹制成锥形，因此不用垫圈即可保持良好密封，从而缩小了火花塞体积，对发动机的设计更为有利5。

5、极型火花塞：侧电极一般为两个或两个以上，优点是点火可靠，间隙不需经常调整，故在电极容易烧蚀和火花塞间隙不能经常调节的一些汽油机上常常采用5。

6、面跳火型火花塞：即沿面间隙型，它是一种最冷型的火花塞，其中心电极与壳体端面之间的间隙是同心的5。

7、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”6。

突出型火花寒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而伸入燃烧室内。在燃烧的混合气中吸收较多热量，息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。突出型火花塞由于进气道拐弯多，气流对绝缘体裙部冷却作用不大，因此不适用于侧置气门式发动机6。

8、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6。

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，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6。

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6。

9、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6。

10、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6。

特性火花塞的标准中通常用热值来表征火花塞的热特性，火花塞热值表示火花塞绝缘体裙部吸热与散热的平衡能力，热值越高。则吸热与散热平衡能力越强，因而热型火花塞热值低，冷型火花塞热值高。一般功率高、压缩比大的发动机选用热值高的冷型火花塞；相反，功率低、压缩比小的发动机选用热值低的热型火花塞。一般火花塞的选用是工厂通过产品定型实验确定的，不应随意更换7。

选择选择火花塞可依据发动机的压缩比、转速和空燃比来确定它的热值8。

市售的火花塞热值从5～13。数值越大，火花塞就越“冷”，即所谓的冷型，高压缩比发动机需要使用冷型火花塞。数值越小，火花塞就越“热”，即是热型，低压缩比发动机要使用热型火花塞8。

较冷的火花塞的制作比一般产品更加精良，所以在发动机高转时，它能保证点火的准确性和质量，从而保证发动机极限时的最大动力。另外其电阻也被控制得非常小，跳火的次数丝毫不因转速的升高而有所遗缺。所以使用数值较高的火花塞对习惯拉高发动机转速是大有好处的8。

技术要求间隙要求火花塞电极间的间隙对火花塞的工作有很大影响，间隙过小，则火花微弱，并且容易因产生积碳而漏电；间隙过大，所需击穿电压增高，发动机不易启动，且在高速时容易发生“缺火”现象，故火花塞间隙应适当，一般蓄电池点火系统使用的火花塞间隙为0.7～0.8mm，个别火花塞间隙可达1.0mm以上9。

温度要求火花塞绝缘体裙部（指火花塞中心电极外面的绝缘体锥形部分）直接与燃烧室内的高温气体接触而吸收大量的热，吸入的热量通过外壳分别传到汽缸盖和大气中。实验表明，要保证汽车发动机正常工作，火花塞绝缘体裙部应保持500～600℃的温度（这一温度称火花塞的自洁温度），若温度低于此值，则将会在绝缘体裙部形成积碳而引起电极间漏电，影响火花塞跳火。若绝缘体温度过高（超过900℃），则混合气与这样炽热的绝缘体接触时，将发生炽热点火，从而导致发动机早燃。火花塞正常工作的温度在450～870℃之间。这时火花塞呈黄褐色。如果火花塞工作温度长期低于450℃，火花塞周围会有很多积碳，火花塞呈黑色9。

性能要求火花塞主要要求是热特性、抗拉强度、耐热性能、导电性能、绝缘强度、密封性、耐腐蚀性3。

火花塞必须是抗热的，将其旋入部分置入已加热到温度为700℃的坩埚电炉或马弗电炉中保温10min以后，随即在空气中冷却，在绝缘体表面上不应有开裂和种裂10。

火花塞密封性能要求：进行抗热试验后，在气压差为1MPa时，其漏气量每分钟不允许超过40cm3(如果中心电极胶装采用导体密封材料时，其漏气量每分钟不允许超过5cm2)10。

火花寨绝缘体组件应能耐受工频(50Hz)电压2200vV(有效值)，历时30s的试验10。

材料：火花塞中心电极和侧电极的导电性能取决于电极与混合气接触情况，所以，电极对抗腐蚀性的要求极高。同时，燃烧时的温度极高，电极材料对耐热性要求高。因此，许多火花塞采用镍锰合金。为提高耐热性能，也有的火花塞采用镍包铜的材料。铜制垫圈除起导热性能外，也起密封作用。绝缘体用高氧化铝陶瓷制成3。

发展改进随着汽车工业的发展，火花塞的性能也在不断改进，借以提高汽油机的工作质量，例如为改善排气净化效果，采用了宽间隙火花塞（间隙为1.0~1.2mm）；为限制汽车电波的噪声，研制了防干扰火花塞等。以往，火花塞的使用寿命很短，汽车厂家规定，汽车在行驶3000km后（或6个月）必须检查或更换火花塞。随着火花塞和有关点火装置的改进，再加上排气净化的一些措施，使火花塞的使用寿命大幅度提高。一般规定汽车在行驶10000km之后（或每1年），必须检查或更换火花塞。白金电极的火花塞使用寿命更长，一般在汽车行驶100000km之内无须检查更换7。

本词条内容贡献者为:

陈波 - 副教授 - 中央财经大学