火花塞的工作原理和连接方法

不管何种发动机，都必须借助强度适当、时机恰当的火花将混合气引燃，在发动机上，产生这种火花的装置，就是点火系。由于点火系工作时离不开电流，所以，通常把点火系和电气系结合起来讲解。 点火系一般由点火线圈、高压线、火花塞帽和火花塞组成。点火线圈的作用是产生足够电压的高压电流，通过高压线，高压电流到达火花塞，进而在火花塞的中心电极和侧电极之间跳火，产生强烈的电火花。 点火线圈由铁芯和两个线圈组成。附图表示了点火线圈的工作原理。电流在初级线圈A上流过时，在铁芯上将产生磁力线。当初级线圈的电流被切断之后，将使铁芯的磁力线发生变化，变化的磁力线在次级线圈B上产生感应电压。这个感应电压和A、B两线圈的匝数有关。一般来讲，初级线圈的漆包线较粗，只有几百匝，而次级线圈匝数则高达数万。 在四冲直列4缸发动机上，大都使用两个点火线圈，其中一个点火线圈给1缸和4缸供电，另一个点火线圈给2缸和3缸供电。原因是1缸和4缸的曲轴相位相同，2缸和3缸的曲轴相位相同。当然，在相位相同的二个气缸上，即使同时跳火也只能一个气缸燃烧，因为另一个气缸正处于排气上死点之前，火花塞跳火也不能燃烧。为了使点火线圈同时给二个火花塞供电，点火线圈的供电容量应较大，但总比装用4个点火线圈轻，成本也较低。2缸发动机也可以利用这种方法，但二个气缸的曲轴相位角必须相同。 点火时，点火线圈将产生20000V左右的高压电。高压线把高压电输送给火花塞。为了避免过大的电压损失，要求高压线要有良好的绝缘性和较高的传输效率。摩托车高压线普遍采用铜线做芯，外部包覆合成橡胶。 高压线的另一端就是火花塞。一般使用火花塞帽把高压线和火花塞连接在一起。火花塞布置在气缸盖上，其前端伸向燃烧室。火花塞的结构如图所示。中心电极是一个金属芯，从高压线端子一直延伸到中心电极前端。由高压线圈来的高压电接在中心电极上。侧电极焊接在螺纹部下沿上，和气缸盖的地线连接在一起。火花塞的中心电极和侧电极之间有一定的间隙，该间隙叫火花塞间隙，它是跳火点燃混合气的位置。火花塞跳火的时刻，称为点火正时。 火花塞间隙越大,跳出的火花越大，混合气越容易点燃。但过大的火花塞间隙要求的放电电压也很高，电极消耗过快，电能消耗也大。所以火花塞必须有一个适当的间隙。一般火花塞间隙约为0.8mm左右。 由于火花塞工作时中心电极的电压会高达20000V左右，为了防止高压电流短路，中心电极采用陶瓷做绝缘材料。在陶瓷外侧是波纹状绝缘体，该绝缘体的作用是进一步加强火花塞的绝缘性能。利用上述绝缘办法，能使高压电顺利地从高压线端子流到中心电极前端，不会在中途产生弧光放电现象。 电流通过时，火花塞中心电极温度高达800℃。在燃烧时，火花接触瞬时温度高达2000-3000℃高温燃气。在进气行程时，火花塞又接触低温混合气，混合气温度大都低于60℃。火花塞除了承受反复的热冲击之外，又承受着强烈的振动。火花塞工作的环境是非常严荷的，所以绝缘材料的性能十分重要，要求在高温时尽可能少地接受热量，以避免温度上升过高，同时又能把热量顺利地传导出去。一般火花塞的绝缘材料大都是氧化铝。 中心电极和侧电极的材料性能同样也很高：必须具有良好的热传导性和较高的强度，在反复放电过程中烧损少。现在普遍采用的是镍合金。为了进一步提高耐烧蚀性能，也有使用白金及其它贵重金属制造的。有些火花塞为了提高散热性，在中心电极根部封入了一个铜芯。火花塞的螺纹材料是普通碳素钢。 在某些单缸机和2缸发动机上，由于缸径大、排量大、燃烧速度过慢。为了迅速点燃混合气，大都装用了双火花塞。此外，为了防止异常燃烧，有些风冷发动机也装用了双火花塞。这种每个气缸装有两个火花塞的叫双火花塞方式。双火花塞能在气缸内形成两个火源，使混合气快速燃烧。但是采用4气门或更多气门的高性能发动机不宜采用两个火花塞，因为没有足够的空间布置双火花塞。 点火线圈工作时必须规律性地切断电源，这个过程由断电器来控制。根据其结构和工作特性，可以分为触点式点火和无触点点火。 触点式断电器是一个机械触点形状，结构十分简单，利用弹簧压力使触点接通，在需要点火时利用凸轮使触点断开，从而切断初级电流。在二冲程发动机上，用曲轴驱动断电器凸轮，在四冲程发动机上，用凸轮轴驱动断电器凸轮。触点式断电器存在着很多缺点。例如，触点容易被油污损，导致接触不良。而触点反复开闭，很容易产生损伤和磨损，触点接触面产生麻点将使通电困难，触点磨损严重将使通电时间变短，并使点火正时出现变化。所以必须进行经常的检查和保养，到了使用周期后应该更换新品，十分麻烦。 无触点断电器是一种电流感应装置。这种装置相当于一台超小型发电机，发电机定子线圈的作用相当于断电器的凸轮。在需要火花塞点火时，转子的磁铁部位正好转到定子的线圈部位，使线圈产生脉冲电流，在该脉冲电流的触发下，晶体管发火器动作，从而切断点火线圈的初级电流。这种脉冲电流叫作是点火正时信号。无触点点火方式无需保养，大量生产的发火器价格不贵，现在的摩托车几乎全部使用无触点点火方式。 在无触点点火方式的基础上，又发展出了晶体管点火方式。它利用晶体管的接通和截止，瞬间地切断点火线圈的初级电流，从而产生高压电。一般称之为电流切断式点火方式。 点方线圈工作时，必须有电源向其供给初级电流。根据电源的不同，又可分为蓄电池点火方式和磁电机点火方式两种。 蓄电池点火方式就是由蓄电池直接给初级线圈供电，蓄电池点火方式供电稳定，在低转速时也能使火花塞产生稳定的火花。其缺点是必须装用较重的蓄电池。 磁电机也就是发电机，磁电机点火方式直接使用发电机的电流作用为初级电流。磁电机点火方式也分为二种，一种是直接使用磁电机电流，另一种是把磁电机电压升高再供给点火系。磁电机点火方式低速时电流习，高速时电流强。磁电机点火方式不需要蓄电池，能减轻摩托车重量。由于上述优点，赛车大都采用这种点火方式。部分摩托车也装用了这种点火方式。其中在一部分摩托车上，不装用蓄电池，并把照明用电和点火用电分开，点火系直接由发电机供电。也有的摩托车装用小型蓄电池，以便在怠速或低速时确保照明用电。磁电机点火方式又叫飞轮永磁发电机点火方式。 现在很多摩托车都喜欢在车上标注“CDI”三个英文字母，不少购车者也十分注重CDI，认为标注CDI的车辆才有档次。CDI是什么？它是英文“CondenserDrodeIgnite”的缩写，也就是“电容二极管点火”的意思。它的工作过程是这样的：当发动机运转起来，磁电机也随之转动产生电流，电流通过硅二极管整流向电容器充电，此时可控硅处于截止状态，电流无法通过可控硅。当脉冲转子转到点火位置时，脉冲发生器发出电信号，这个电信号加在可控硅的控制极上，触发可控硅导通，于是电容器的电能通过可控硅进入点火线圈。当脉冲转子转过点火位置时，脉冲发生器停止发出电信号，可控硅立即截止，点火线圈的电流被断开，这时点火线圈就会立即产生自耦高压电，使火花塞迸发火花点火。如此反复循环，就能保证发动机正常工作。 CDI是一种并不复杂的电子电路，它实际上是将磁电机的结构简单化，降低了成本，而且提高了点火工作的可靠性，所以绝大多数摩托车都用CDI。电容放电点火方式可以使用蓄电池做电流，也可以使用发电机做电源。 电容放电点火方式能产生强大的电火花，而且次级电流上升快，对高速发动机十分有利，而且也有利于防止火花塞污损。上述特点和二冲程发动机的特殊要求极其吻合，所以高性能二冲程发动机大都使用这种点火方式。 在大多数摩托车方向把的右侧，装有一个红色的断电开关。它是供紧急情况使用，用来切断点火装置供电电流使发动机熄火的应急开关。它只控制点火装置，对照明电路没有影响。所以正常停车不要使用。