火花塞的热性能及其在结构设计中的应用

刘文渊

（博世汽车部件（南京）有限公司，江苏南京210000）

火花塞的热性能及其在结构设计中的应用

刘文渊

（博世汽车部件（南京）有限公司，江苏南京210000）

介绍火花塞的热性能概念，着重阐述热性能在火花塞结构设计中的应用。

发动机；火花塞；热性能

0 引言

发动机是汽车动力系统的重要部件，火花塞可以说是汽油发动机的心脏元件。依靠汽车的点火系统在火花塞电极的两端施加高电压，可以周期性地击穿火花塞电极间的间隙而产生电火花，从而点燃汽油发动机气缸中的油汽压缩混合气，产生的动能用以推动发动机气缸中的活塞做功，再经曲轴连杆机构转变为汽车的驱动力矩［1］。

火花塞在发动机内工作时将经受高温、高压、热冲击及电、化学腐蚀等的影响。作为发动机的重要工作元件，火花塞必须能够在恶劣的工作环境中可靠而有效地完成点火任务，其热性能必须很好地适应汽油发动机的工况要求。不同的发动机需要配用怎样热性能的火花塞并达到预期的效用是通过一系列的匹配试验得到的，在火花塞的结构设计上应该怎样来满足和实现不同热性能的要求呢？以下将阐述对此进行的一些分析和思考。

1 火花塞的结构与热传导

通常，火花塞由中心电极、瓷绝缘体、接线螺杆、内外密封垫圈、导体玻璃密封剂、壳体及侧电极等组成 （见图1）。使用一定的旋紧力矩将火花塞旋入发动机气缸盖内，使外密封圈受压产生一定的变形量用以防止气缸内炽热的气体向外界泄漏。

火花塞工作于发动机气缸内，发动机工作过程中产生的热量经由火花塞向外部散发，热量散发和传导的路径和流量大小分布示意如图2所示。

由图2可见：发动机工作气缸中的热量经由火花塞散出的有近2／3是通过火花塞的壳体和垫圈传递至气缸盖向外界传出的。为了适应发动机的工况要求，选择合适的耐高温、耐腐蚀材料加工火花塞零部件是必须的，同时良好的散热通道也是火花塞维持热平衡、能够长久正常工作的重要维系因素之一。

2 火花塞的工作温度和热性能概述

火花塞若要正常工作，必须保证其工作在适当的温度范围内。若火花塞的工作温度过低，附着在火花塞上的燃油不能被充分燃烧而形成积碳并沉积在火花塞的绝缘体上，致使火花塞的绝缘性能下降、造成火花塞的点火能量分流和泄漏，降低了点火的可靠性，使发动机不能正常而可靠地工作；若火花塞的工作温度过高 （绝缘体裙部达到900℃左右）［2］，燃油混合气遇上炽热的火花塞易于产生不规则的自点火，也将影响发动机的正常工作，甚至产生爆震，损坏发动机［3］。火花塞正常工作的温度范围如图3所示。

在为发动机选配火花塞时，除了要满足发动机的基本安装尺寸这个基本要求外，火花塞的热性能必须与发动机的工况相适应，才能使得火花塞正常而安全的点火功能得以保障。所谓火花塞的热性能，直白地说就是火花塞维持热平衡 （吸热和散热）的能力，也可以说通过自身结构、材料等的不同设计能够在发动机全工况下维持自身热平衡在适宜的工作温度范围内的能力。正确地认识和理解火花塞的热性能，对火花塞的正确使用具有非常重要的意义。

通常用火花塞的热值来表述火花塞的热性能，也就是通常在火花塞型号中看到的不同的阿拉伯数字。常常说火花塞是低热值和高热值或热型和冷型等等，就是描述火花塞的不同的热性能。发动机的功率越大、负荷越高，需要选配高热值的火花塞或者说冷型火花塞；反之，发动机的功率比较小、负载比较低，则可选用低热值或热型的火花塞［1］。对于BOSCH品牌的火花塞，火花塞型号中的阿拉伯数字越小，则表示该款火花塞具有较高的热性能，能够承受较大的热负荷，是一款较冷型的火花塞，可以匹配较大功率的发动机工作。

3 火花塞的热性能及其在结构设计上的应用

为了适应不同用途发动机工作时的工况要求，需要设计具有不同热性能要求的火花塞来与之相匹配。以下将阐述火花塞不同的热性能要求在结构设计方面的应用。

3.1 绝缘体裙部长度设计

火花塞不同的热性能可以通过不同的结构设计来实现。大多数情况下具有不同热性能的火花塞，其绝缘体裙部尺寸的设计是不同的，绝缘体裙部越长，其暴露在工作气缸内的吸热面积越大，吸收的热量越多，热量散布的速度愈缓慢，导致裙部温度越容易升高［1］，故这类火花塞仅适用于轻载、低功率发动机，被称为热型火花塞。反之，绝缘体裙部的设计尺寸愈短则其吸热面积相对较少，裙部工作温度相对较低，可以承受高负荷、大功率发动机的工况要求，也称为冷型火花塞。火花塞绝缘体裙部长度的合理设计将对火花塞的热性能具有重大影响。图4给出了不同热性能火花塞绝缘体的裙部长度及其具有的不同的热性能示意图。

3.2 绝缘体导热距离设计

除了绝缘体裙部长度尺寸影响火花塞的热性能外，绝缘体的导热距离的不同设计也会对热性能产生影响 （见图5）。导热距离越大，热传导距离越长，热量传递得越慢，火花塞上积聚的热量就越不容易散出，温度就愈高；反之，导热距离越小，则火花塞散热越快，火花塞的温度相对较低。比如，用于某些结构尺寸要求比较小的火花塞，采用了加大的导热距离设计，这是因为这类火花塞的结构尺寸小，为了保证火花塞具有足够的机械、电气等性能要求，通过加大瓷绝缘体的导热距离和调整绝缘体裙部长度设计可以实现火花塞合理的热平衡要求，满足发动机对火花塞热性能及其综合性能的要求。

3.3 中心电极与瓷绝缘体间的间隙设计

改变中心电极和瓷绝缘体小孔间的配合间隙也能够调整火花塞的热性能。缩减中心电极和绝缘体瓷孔间的间隙，有利于热量的快速传递从而可以改善火花塞的热性能；另外，对于有些小汽油机用的火花塞，由于受到小汽油发动机内部空间的限制，火花塞的绝缘体裙部长度受到限制，此时可以考虑调整中心电极与瓷绝缘体小孔间的间隙 （同时适当调整绝缘体的导热距离）来达到缩减绝缘体裙长，并满足发动机对火花塞热性能的要求。

3.4 多电极及大直径电极设计

在火花塞市场上，可以看到具有多地电极的火花塞，如两极、三极甚至四极的火花塞。地电极数量的增多除了增加了点火通道的数量、增加了点火可靠性并延长了使用寿命之外，也增加了热量散布传递的路径。因此，火花塞由单侧极变为多侧极时，散热效率得到了提高，热性能得到了改善，可以承受更大负荷发动机的工作要求，如BOSCH品牌中三地电极火花塞WR7DTC等。

加粗中心电极设计将有利于火花塞热传导效能的提高，并可延长火花塞电极的使用寿命。通常在这类火花塞的型号中增添了数字0来加以识别，如BOSCH品牌中F8DC0R即为加粗中心电极的火花塞。

3.5 复合电极材料设计及其热性能

由于铜的良好的导电和导热性能，因此具有铜芯的复合中心电极很早就是改善火花塞热性能的一种普遍而有效的方法。不仅仅中心电极采用复合铜芯材料，侧电极也可以使用双材料复合铜芯电极。BOSCH还开发出大铜芯复合电极，热性能的改善将更加显著，从而能够更好地适应当今发动机对火花塞性能要求更高的趋势。

3.6 快热型、增大热室孔直径及绝缘体小头增加倒角设计

改善火花塞的热性能还有一些其他的设计思路，如快热型火花塞的设计与应用。其设计特点是在火花塞瓷绝缘体裙部从小头向上设计成一段薄壁圆柱，而不是通常的圆锥 （图6）。

设计理念是在工作过程中利用绝缘体裙部这段薄壁圆柱的快速升温，改善在发动机反复启动及低负荷工况下的火花塞绝缘体裙部易于积碳的问题，从而更好地满足发动机在各种工况运行下对火花塞热性能的全面要求。但因为绝缘体的薄壁，所以对瓷绝缘体的材料和制造也提出了更高的要求。

适量加大火花塞热室孔的设计直径 （如图7），也可以调整火花塞的热性能。适度增大的火花塞热室孔径可适度增加火花塞的热量吸收，瓷绝缘体裙部的温度得以适度提高，从而减少碳的附着。如某国产品牌的火花塞K7RTC等就采用了增大热室孔直径的结构设计用以改善火花塞的抗积碳性能。

在瓷绝缘体小头孔端部增加倒角设计也有利于火花塞抗积碳性能的改进。

4 总结

热性能是火花塞非常重要的一项性能参数，它必须与发动机的工况相匹配，才能满足发动机的点火要求并达到期望的工作寿命。通过匹配实验可以初步完成火花塞选型的推荐。在火花塞结构设计上需要根据具体的实际情况，综合考虑发动机的相关技术参数、点火系统要求、燃料种类、期望的使用寿命等因素，在火花塞最终的设计定型之前还需要经受一系列的测试和检验，如发动机的台架和道路试验等［3－5］。

【1】王景晟，李春明，冯伟.汽车构造［M］.北京：机械工业出版社，2012.

【2】王建昕，帅石金.汽车发动机原理［M］.北京：清华大学出版社，2011.

【3】张志沛.汽车发动机原理［M］.北京：人民交通出版社，2011.

【4】全国汽车标准化技术委员会.GB／T 7825-1987火花塞［S］，1988.

【5】ISO 11565Road Vehicles：Spark-plugs：Test Methods and Requirements［S］，2006.

奥迪TT offroad concept全球首发支持无线充电

2014 第十三届北京车展上，奥迪首发了TT offroad concept概念车，这款车基于MQB平台打造。奥迪TT offroad concept概念车基于第三代奥迪TT轿跑车的运动基因打造，同时融入了紧凑型SUV的设计和功能，使它既拥有Coupé轿跑车的动感风格，又拥有SUV的强大实用性。这种融合了运动与优雅、前瞻与实用的设计，展现出奥迪对未来高档车用户生活方式的独特理解。

动力总成中包括两台电机与一台TFSI发动机，系统总功率达到300kW，峰值扭矩650N·m。0～100km／h加速耗时5.2s，最高时速达到250km／h。百公里油耗1.9L，碳排放则仅为45g／km。在纯电动模式下，该车最大行驶里程为50km，综合行驶里程则达到880km。

动力总成中的内燃机采用2.0LTFSI发动机，最大功率215kW，峰值扭矩380N·m。在部分载荷工况下，发动机将采用缸内直喷配合歧管喷射的混合喷油模式降低油耗。排气歧管置于汽缸头内部，实现更佳的热管理。

发动机一侧配备了6速e-Stronic变速箱，其中集成了体积小巧的圆盘形发电机，最大功率40kW，峰值扭矩220N· m。车后轴则安装了第二个电机，其最大功率85kW，峰值扭矩270N·m。

（来源：盖世汽车网）

Application of Spark Plug Heat Characteristic in the Structure Design

LIUWenyuan
（BOSCH Auto Parts（Nanjing）Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210000，China）

The concept of heat characteristic for spark plug was introduced briefly.The application of spark plug heat characteristic in the structure design was illustrated.

Engine；Spark plug；Heat characteristic

2014－01－26

刘文渊（1966—），本科，工程师，主要从事火花塞产品设计、批产产品数据的放行和维护工作。E-mail：wzsrfx＠163.com。