火花塞点火放电过程及影响点火击穿电压的因素

王振平，张晓宇，刘斌，薛亚飞，李金晶，乔艳军，陈静

(重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，重庆 401120)

0 引言

火花塞点火击穿是点燃式发动机稳定运行的前提和基本保证。近年来，随着低压废气再循环(exhaust gas recirculation, EGR)、稀燃、分层燃烧[1-4]等新技术的应用，点火击穿缸内混合气变得越来越困难，而且点火击穿所需电压亦随之升高。对于点火系统开发工程师而言，认识点火放电过程，识别影响点火击穿电压的因素，并在所有工况下实现点火供给电压与需求电压的精准匹配，保证发动机正常工作变得越来越重要。

本文拟在定容燃烧弹上，以标准车用发动机火花塞为研究对象，对火花塞点火放电过程及影响点火击穿电压的因素进行试验和研究，以期找到火花塞点火放电的基本机理及影响点火击穿电压的因素，为发动机点火系统零部件的选型与匹配提供一定的参考。

1 试验设备与试验方案

1.1 试验设备

自行搭建整个火花塞试验系统。试验系统由定容燃烧弹、示波器、信号发生器、直流稳压电源等组成，其试验原理详见图1。试验时，火花塞跳火所需的高压源由点火线圈提供，点火线圈的工作由通过信号发生器产生的0～5 V方波来控制。点火线圈的工作条件为：电源电压14 V(直流)，点火驱动信号频率25 Hz，充磁时间2 ms。采用示波器采集并处理点火击穿电压、次级电流等参数，通过空压机调整燃烧弹内部压力，即背景压力(简称背压)。

1.2 试验方案

以标准车用发动机火花塞(型号：Champion RER6WYPB)为研究对象，选取3个火花塞间隙(0.7 mm、0.8 mm和0.9 mm)、5个背压(0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa和1.0 MPa)，合计15个工况点，在常温下进行点火击穿试验。

2 火花塞点火放电基本过程

火花塞点火放电过程试验结果如图2～3所示。由试验结果可见，火花塞点火放电是一个从电容放电到电感放电过程[5]。

由图3可见，在电容放电阶段，火花塞的点火放电大体可分为3个阶段：OA、AB和BC。在OA段，极间电流随火花塞极间电压升高而增加，电流的量级在mA级别。这是由于火花塞所处空间中存在一定数量的自由带电粒子和电子，在直流电场的作用下，电子的定向迁移运动形成了电流，并且随着电场强度的增加，参与迁移的电子越来越多，所形成的电流就会逐渐增大；但空间中的自由电子数量有限，一定程度后，电流会慢慢饱和。继续升高电压，进入AB阶段，电流基本保持在恒定状态，甚至会略微降低一点，此时电流大小与电场强度无关。这是由于电极空间中除了存在自由带电粒子和电子外，在强电场作用下，气体在一定程度上会被电离，并且火花塞电极本身在电子和带电粒子的碰撞轰击下，也会从电极表面逸出电子，形成表面电离。当火花塞电极表面电离和气体电离所产生的电子释放与电极对电子吸收形成平衡时，宏观表现为火花塞极间电流处于饱和稳定状态，电流不随电压升高而增大。若再提高电压，达到C点后, 电流会迅速地上升，放电达到另外一个阶段，即击穿。此时火花塞极间气体完全丧失绝缘能力，火花塞的正负电极导通，击穿时的峰值电压即为点火击穿电压，量级在kV级别，击穿的峰值电流最大可达A级别。这是由于随着电场强度的增加，电离出来的电子会在电场的作用下加速向火花塞阳极运动。此过程中电子会与气体分子发生再次碰撞，产生更多的电子和正、负离子；并且碰撞次数越多，电子数量越多，会像雪崩一样地增加。当电子的密度达到一定程度，电子雪崩形成后，气体的绝缘能力丧失，最终在火花塞电极间形成放电通道[6-7]。

击穿完成后，火花塞极间电压会迅速降低到800～1 000 V，电流则从A级击穿电流回复到mA级，且低于200 mA。此时点火放电也从电容放电转换到电感放电阶段。由于此阶段的放电能量皆来自于点火线圈次级所储存的电感能量，所以称为电感放电。另外，由于此阶段放电电压几乎维持稳定不变，只是电流会逐渐减小，直至线圈中所储存能量释放完毕，所以也称之为辉光放电阶段[8](见图2)。

将图3中电容放电阶段的电压和电流转化成如图4所示的伏安特性曲线，发现火花塞点火击穿过程的伏安特性曲线与平板电极气体间隙放电的伏安特性曲线基本一致。从火花塞击穿过程的伏安特性曲线来看，火花塞的点火放电击穿也是气体放电一种，且其放电机理可使用汤逊放电理论来解释，即碰撞电离是火花塞点火放电的本质[9-10]。火花塞点火放电过程演示如图5所示。

3 影响点火击穿电压的主要因素

3.1 背压对点火击穿电压的影响

在火花塞间隙一定的情况下，点火击穿电压随背压升高而增大，且基本呈线性关系(见图6)。这是由于随着背压的升高，气体相对密度随之增大，火花塞电极间气体电离难度随之增大；另一面，由于电子的平均自由行程缩短，电子在每个自由行程上从电场获得的动能也相应减少，动能不易积累，使得电离减弱，由此造成了所需击穿电压变大。

为验证上述结论在发动机上的适用性，对一台1.4T发动机的点火击穿电压进行了实测，结果与上述结论一致，如图7所示。在火花塞间隙0.77 mm条件下，点火击穿电压随缸内压力升高而线性单调增加。对数据进行线性拟合，得到如下经验公式：

y=4.964 6x+5.001 7

(1)

式中：x为点火时刻缸内压力，MPa。

3.2 火花塞间隙对点火击穿电压的影响

火花塞电极间隙对点火击穿电压影响较为明显，间隙越大，点火击穿电压越高，如图8所示。

火花塞电极间隙变大后，极间距离的增加导致气体分子所在空间电场强度下降。要使气体分子电离，自然需要更高的电压来提供气体分子电离所需电场强度。宏观表现为火花塞间隙越大，点火击穿所需电压越高。相关结论适用性，赵校伟[11]、刑志海[12]等人在真实发动机上已有验证，此处不再累述。

4 结论

1)火花塞点火放电仍属气体放电一种。从其放电过程和放电伏安曲线来看，其放电机理可以用汤逊理论来解释，即碰撞电离是其本质。

2)在火花塞间隙一定的情况下，点火击穿电压是背压的单值函数，随背压线性增加而单调增大。

3)在背压一定的情况下，点火击穿电压亦随火花塞间隙增加而增大，且背压越高，差异越显著。