【解剖火花塞】火花點火過程分解

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汽油機的燃燒是通過火花塞點燃燃料空氣混合氣，別看火花塞點火就是啪一下，極短，但這火花點火的極短過程，是挺複雜的。

火花點火的過程是一系列的物理加化學過程，根據點火工作時電流電壓隨著時間的變化，點火過程分為 預擊穿階段、擊穿階段、電弧放電階段、電弧到輝光放電的過渡階段、輝光放電階段。其中，擊穿階段、電弧放電階段、輝光放電階段更為重要，通常簡略為這3個階段討論。

為某車某缸的怠速狀態下某一次真實數值，使用Hantek 6074BC 數字示波器採集，受設備精度誤差所限，數值僅供理解參考。

以圖1的同等的時間坐標手繪，手繪有誤差，僅做示意描述。如初級線圈提前充滿，上圖電流圖會改變。

以圖1的同等的時間坐標手繪，手繪有誤差，僅做示意描述。

使用Hantek 6074BC 數字示波器採集，受設備精度誤差所限，數值僅供理解參考。

1、預擊穿階段

預擊穿階段可以通過湯森放電理論進行解釋，在傳統點火系統中，當初級線圈充電結束斷開初級線圈迴路後，次級線圈的感應電動勢增大，火花塞電極之間的電場逐漸增大，中心電極表面的電子在電場作用下加速並逃逸出來，以最快的速度奔向側電極，形成電流並達到接近飽和的狀態。隨著電場強度的增加，更多的電子開始飛向側電極，並在電場的作用下獲得足夠的動能。在飛行路徑上，加速的電子和氣體原子以一定概率發生碰撞，併產生新的自由電子，自由電子倍增。被撞擊後的氣體原子由於失去了電子而變成正離子，在電場的作用下飛向陰極撞擊出更多的電子。當電子數量呈幾何倍數增加並達到極限時，原本絕緣的氣體被擊穿，變成等離子態。

在沒有擊穿之前，高電壓會以1kV/μs的升高速率（典型數值）一直提高到點火線圈的空載電壓，如果此時沒有擊穿就會強烈衰減（RLC衰減震蕩）。

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。實驗室測量得出的點火線圈的最大次級電壓 需要滿足在使用的發動機上 大於各種工況下的擊穿電壓。預擊穿階段可見圖1、圖4所示。

2、擊穿階段

混合氣被擊穿的時候，火花塞電極之間的擊穿電壓（又稱峰值電壓）在10kV-35kV之間（高能量點火線圈高於30kV），離子流從一個電極跑向另一個電極，電極間隙的電阻迅速下降，電壓迅速衰減，電流達到峰值，建立了一個大約40μm直徑的、很窄的圓柱狀等離子體通道，等離子是導體，電能幾乎可以無損失地通過等離子體通道，它的溫度達到60000K，壓力上升到幾十MPa，從而產生一個強烈的激波向四周傳播，使等離子體的體積迅速膨脹到大約2mm直徑（進入電弧放電階段），壓力、溫度迅速下降。擊穿階段的時間很短，約10ns（10x10^-9秒），峰值電流高達約200A，能量約1mJ。

擊穿電壓的大小決定了點火系統的性能，理論上來說，擊穿電壓越低，對點火越有利。擊穿電壓較低的話，不但降低了點火線圈的負擔，而且降低了火花塞被擊穿的風險。因為擊穿電壓過高的話，點火線圈的輸出電壓無法達到擊穿電壓，就會造成失火（無火點火），如果頻繁發生，點火線圈有擊穿、發熱燒毀的風險， 而擊穿電壓過高超出了火花塞陶瓷的絕緣擊穿電壓，火花塞陶瓷有被擊穿失效的風險。

電弧放電階段緊隨擊穿階段。擊穿階段末期形成了電極間的等離子體通道後，電極間隙的電阻迅速下降。由於擊穿階段末期等離子體體積膨脹和體外的熱交換和擴散作用增強，電弧中心的溫度下降到6000K。

電弧階段的放電特徵是兩極總壓降很低，只有50-100V，電流強度很高，在1A-10A數量級，時間在100μs（100x10^-6秒，也有說法是1μs），能量約1mJ。

電弧放電階段放電帶的中心部分的離解程度依舊較高，但離子化程度比較低（約1%）。在火花塞陰極和陽極上的電壓降是電弧放電產生電壓降的主要原因，電能儲藏在電極的表層區域並被導走，這是電弧總能量的一個重要部分，另外由於電弧要求有灼熱的陰極，因而造成了陰極材料的蒸發蝕損。一般認為，在電弧放電階段火焰傳播開始發生。

電弧放電階段可見圖1、圖4所示。

4、電弧到輝光放電的過渡階段

5、輝光放電階段

隨著電流的逐步衰減，放電過程進入到了輝光放電階段。輝光放電的波形是高頻震蕩，輝光放電時，火花塞電極兩級間的電壓叫做燃燒電壓，通常是500V至1kV左右，一些條件下可以超過1kV，燃燒電壓的大小與火花等離子體的長度有關，主要取決於火花塞電極的間距，即間隙，以及混合氣的運動使火花偏轉的情況。

舉例：如下圖所示，B為正負電極之間的直線距離，即間隙，也是等離子體產生的最大可能路徑，A和C為混合氣的運動使火花偏轉的可能情況的舉例。

輝光放電階段的電流強度較小，電流低於200mA，氣體離子化能力變弱，持續時間最長，通常0.8至2.4ms，放電能量約為30mJ。電流低於一定的數值時，火花就熄滅了，電壓也逐漸衰減。火花熄滅後，次級線圈會有若干次低頻震蕩，消耗掉剩餘沒有利用上的能量，又稱余能震蕩。輝光放電階段電極之間氣體的離子化程度很低（低於0.01%），絕大部分的點火能量都在這時放出，但能量損失比電弧階段更大，溫度下降到3000K。輝光放電階段加熱了混合氣，使其迅速燃燒。

在發動機運行條件，最佳點火條件下，對靜止的混合氣的點火能量只需要0.2mJ，而對於較稀混合氣、較濃的混合氣、較高流速的混合氣，需要的點火能量是3mJ。為了使得發動機在各種工況下都能可靠點火，通常常規點火系統可以供給能量為30-50mJ，而高能點火系統提供超過100mJ的點火能量。

在點火過程中，如果火花能量不足，等離子通道、電弧、輝光在向外擴散的過程中，由於向周圍混合氣層傳熱損失較大，向外加熱的空間（半徑）不夠大的話，就不能使化學反應生成足夠的熱，點火就會失敗；而火花能量足夠超過這個臨界值（即最小點火能量），多餘的能量可以補償溫度的下降，這樣就防止了火焰在初始傳播速度的降低，可以用較多的能量引起火核的發展。這個點火成功的概率稱為點火率。

等離子通道分階段膨脹和向外擴散傳播，可以用下圖形象表示。

輝光放電後，火焰核形成並發展。

以上點火的5個階段一共加起來的時間是大約1ms-3ms，這個時間有多長呢？給大家一個參照物，就能一目了然的理解了。

註：

毫秒 1ms=0.001秒=1x10^-3秒

參考資料：

《內燃機學》 第4版 主編劉聖華周龍保 機械工業出版社 2017

《內燃機燃燒科學與技術》李向榮等編著 北京航空航天大學出版社 2012

《汽車發動機原理》王建昕 帥石金 主編 2011 清華大學出版社

《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

《汽車點火系統原理與故障檢修示例》麻友良 主編 2010 機械工業出版社

《內燃機原理教程》 主編許鋒 隆武強 大連理工大學出版社 2015

《大能量電點火系統設計與火花放電特性實驗研究 》張雲明 劉慶明 宇 燦 汪建平

等

～～～The End～～～

——Spark博士 2018-07-06

技術支持：極燃汽車火花塞研究中心

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