【解剖火花塞】火花塞間隙及對燃燒的影響——間隙大好還是小好？

08-09

來自專欄火花塞不為人知的秘密11 人贊了文章

火花塞的間隙是指中心電極到接地電極之間的最小距離，英文spark gap，它是火花塞最重要的參數之一，汽車火花塞常見的間隙值在0.6毫米到1.5毫米之間。根據市面兩千種常見存量汽車車型的火花塞數據統計如下，可以看到絕大多數間隙值是0.8毫米和1.1毫米。（註：全文僅針對汽車火花塞）

1、各品牌火花塞間隙值的表示方式

間隙十分影響火花塞的性能，所以不同的車型須使用廠家推薦的間隙值，不可過大過小。各品牌火花塞都有型號，通常在型號末尾用數字或字母代表間隙值。

博世——在型號末尾使用S、T、U、V、W、X、Y、Z依次表示0.7mm、0.8mm、1.0mm、1.3mm、0.9mm、1.1mm、1.5mm、2.0mm，一般T（0.8mm）直接省略不標，實際看到很多型號不標明間隙值。

NGK——在型號末尾或第2次數字出現的地方，使用6、7、8、9、10、11、13、15依次表示0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm，一般8（0.8mm）直接省略不標。

電裝——在型號末尾或第2次數字出現的地方，使用6、7、8、9、10、11、13、15依次表示0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm，一般8（0.8mm）直接省略不標。銥金款型號不標明間隙值。

火炬——在型號末尾或第2次數字出現的地方，使用6、7、8、9、10、11、13、15依次表示0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm，一般8（0.8mm）直接省略不標。

極燃——極燃是雙間隙火花塞，和傳統間隙值轉化對應，在型號末尾使用330、440、550、770依次表示第二間隙為0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm。

2、間隙與電壓、發動機性能的關係

理論上，間隙越大，擊穿電壓越高，燃燒電壓越高，發動機性能也越好。

例如，某1.8L自吸發動機，使用Hantek 6074BC 數字示波器採集，怠速約700條件下，使用1.1mm火花塞的典型電壓波形圖如下，單次數值僅供理解參考。

將間隙調大至1.3mm，典型電壓波形圖如下，單次數值僅供理解參考。

當間隙大的時候，混合氣中的電子和離子受電場力的作用就越小，運動速度低，不易發生碰撞電離，即相當於擊穿電阻大，需要的擊穿電壓就越高。擊穿電壓取決於火花塞間隙、電極形狀、電極損耗情況、燃燒室條件、混合氣密度。擊穿後，電弧放電、輝光放電形成火焰核，輝光放電放電時的燃燒電壓，主要取決於火花塞間隙以及混合氣的運動使火花偏轉的情況。

由於總的點火能量是一定的，燃燒電壓高的時候，燃燒時間會變短（這裡的燃燒時間是指輝光放電燃燒時間，並非氣缸燃燒時間），著火落後期（滯燃期）也會變短，即更快的形成更大的火焰核區域。使用高速成像技術可以研究火焰核的發展情況，間隙越大，火焰核區域越大，火焰速度越快，區別明顯，如下圖。

間隙越大，火焰核發展速度越快，近似於二次函數。下圖手繪僅為示意，請忽略精確度。

間隙大，燃燒電壓高，火焰速度快，IMEP 指示平均有效壓力大，且循環變動變異係數小，燃燒放熱速率快，燃燒質量分數更大，能實現HC排放的減少，顆粒物濃度（PM）的降低，但由於缸內溫度和壓力較高，會導致較高的NOx排放。下圖手繪大小間隙的缸壓和循環變動情況，僅為示意，請忽略較誇張的數值。

3、間隙大就是好嗎？

既然大間隙對發動機性能改變這麼大，那趕緊把間隙調大吧。這，還真不可以！

每個車型都有一套對應匹配的點火系統，相關參數是對應設計匹配好的，特別是點火線圈（高壓包）所能提供的最大電壓，即點火線圈提供給火花塞的最大擊穿電壓是一定的。如下圖，火花塞的擊穿電壓隨著間隙的增大而增大，超過點火線圈最大提供電壓後，會失火，無擊穿放電，無燃燒。汽車在設計製造的時候，設計人員會在點火線圈最大提供電壓和火花塞需求擊穿電壓之間，留有一定的冗餘空間。

火花塞是耗材，很多車主不知道定期更換，特別是原車是鎳合金火花塞的車型，有個別車主n萬公里都不換火花塞的，而隨著火花塞的耗損，間隙越來越大，擊穿電壓越來越高，失火率也越來越高。如下圖。

來看一下火花塞在使用損耗過程中，點火條件發生了怎麼樣的改變？

最初，火花塞實際需要的擊穿電壓一直小於點火線圈實際能提供的最大電壓，包括怠速、急加速或大負荷的時候，完全沒問題。

以上圖示有幾點說明：①.隨著車速的增加，點火線圈發熱量溫度增加，線圈充電可能不夠，工作效率略降低，導致最大提供電壓隨著車速的增加略有下降。②.怠速及發動車輛時，火花塞電極溫度較低，電子不易發射，混合氣不易發生碰撞電離，而隨著車速的增加，火花塞電極溫度升高，電子易發射，混合氣易發生碰撞電離，導致火花塞擊穿電壓隨著車速的增加而下降。③加速、急加速或大負荷時，進氣變多、噴油變濃，火花塞電極溫度降低，混合氣密度增加，導致火花塞擊穿電壓明顯升高，如上圖紅色尖角。

隨著使用，火花塞受到電火花的蝕損以及高溫高壓下的氧化腐蝕，火花塞間隙變大，在急加速或大負荷的時候，火花塞實際需要的擊穿電壓超出了點火線圈實際能提供的最大電壓，此時火花塞失火缺缸，並伴有發動機抖動等癥狀。

假如該車主依舊不知道更換火花塞，隨著火花塞的繼續磨損，火花塞間隙變得更大，在啟動打著車輛、怠速、急加速或大負荷時候，火花塞實際需要的擊穿電壓超出了點火線圈實際能提供的最大電壓，此時火花塞失火缺缸，並伴有發動機抖動、怠速不穩、轉速不穩等癥狀，甚至在中等負荷、車速較高的時候，車輛提速慢，速度上不去，缺缸等癥狀。另外，如果這時該車輛是渦輪增壓發動機，在所謂「渦輪介入」之後，會因為間隙過大，出現較多次火花塞失火缺缸，並伴有發動機抖動癥狀。

最後，該車主實在忍受不了，去了汽修店，找到問題，更換了火花塞。

間隙過大的時候，點火線圈因多次失火，能量無法通過火花塞放電正常消耗掉，點火線圈發熱量異常變大，燒毀的概率較大，火花塞也因為超過本身正常的絕緣高壓值而存在擊穿的風險。

4、適當的間隙才更好

間隙過小時，擊穿電壓較低，燃燒電壓較低，燃燒線較長，火花微弱，燃燒變慢，發動機動力缺失明顯，爆發力小，發動機運轉聲發悶，容易造成燃料浪費，還可能因為間隙小、火焰核小帶來的消焰作用變大，造成火焰核熄滅，點火失敗。還會因為燃燒慢和失火率高，造成火花塞積碳嚴重。

間隙過大時，擊穿電壓較高，超過點火線圈實際能提供的擊穿電壓後，會因沒有擊穿空氣而沒有放電，火花塞失火，點火失敗。

間隙適當時，在一定範圍內的增大，有利於點火能量的增大，燃燒快，發動機性能好。

5、影響火花塞間隙大小的因素有什麼

進氣形式：自然吸氣發動機間隙通常大於等於0.8mm，渦輪增壓發動機間隙通常小於等於0.8mm。

壓縮比：理論上壓縮比越大，間隙需要越小，具體由發動機整體參數及標定確定。

點火線圈：理論上點火線圈能提供的能量越高，擊穿電壓越高，間隙可以適當放大，渦輪增壓發動機除外，具體由發動機整體參數及標定確定。

電極材質：銥金鉑金材質由於電極細，容易放電，理論上可以適當變大，具體由發動機整體參數及標定確定。

參考資料

《火花塞間隙對發動機點火波形影響的研究》馮兆強

《Impact of spark plug gap on flame kernel propagation and engineperformance》 Tawfik Badawy a, XiuChao Bao b,a, Hongming Xu a,c,

《汽車工程手冊4·動力傳動系統設計篇》北京理工大學出版社

《內燃機結構》李明海徐小林張鐵臣編中國水利水電出版社 2010

《汽油機管理系統——控制、調節和檢測》第4版康拉德·賴夫著機械工業出版社 2017

等

～～～The End～～～

——Spark博士 2018-07-25

技術支持：極燃汽車火花塞研究中心

本文原創，允許全文轉載。如轉載，請勿隨意改動；必須註明作者與出處。謝謝