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摘要：本文针对北方寒冷冬季某型号发动机出现无法起动故障，着重从压缩气体的高压击穿能量与火花塞之间的关系入手，通过电学知识，找到解决低温冷起动故障的方法。
关键词：冷起动 高压 火花塞 击穿
1、前言
在汽油发动机中，气缸内的混合气是由高压电火花点燃的，而产生电火花的功能是由点火系来完成的。点火系产生的次级电压必须高于击穿电压，才能使火花塞跳火。低温下所需的点火能量，能否形成必要的击穿电压，是发动机顺利起动的必要条件。
2015年年末，由于北方冬季环境温度降低，造成F**量产车型冷起动困难。有部分车辆无法起动，出现“淹缸”现象。并出现客户抱怨现象。通过分析研究，进行大量实验，找出主要影响要素，换装不同形式结构的火花塞对比试验，选出合适的火花塞，改善整车低温起动性能。
2、故障调查情况
通过走访，发现出现“淹缸”现象有以下几个特点：
◆ 天气寒冷，最低气温大约为零下-21℃以下；
◆ 故障车型为F**，配置发动机型号B系列发动机，发动机压缩比由原来的8.1：1增大到10：1，压比增大，压缩比增大后起动时的点火能量消耗必然增大，如表1所示。
◆淹缸照片如图1所示，火花塞上积碳较多。积碳的火花塞火花呈白色，出现白火，在其他位置放电，火花不集中。正常火花塞火花均为蓝白色，火焰相对集中。
4、高电压放电的基本知识
4.1.发动机点火系统简介
汽车发动机的工作循环是由吸气，压缩，做工与排气四个冲程组成；气缸内的汽油混合气是用高压电火花点着而燃烧。电火花由点火系统产生，点火系统的功用就是把汽车电源系统10～15V的低压电转变15～20KV的高压电，并按发动机气缸工作顺序适时地引入气缸形成电火花点着混合气，从而使发动机正常工作。
点火系统按结构型式分为触电点火系统，电子点火系统和微机控制点火系统三种类型。自从发明汽车以来，汽车上一直采用触电点火系统，
因此又称为传统点火系统或蓄电池点火系统。触电点火系统目前已被淘汰，现代汽车普遍采用电子点火系统或微机控制点火系统。
4.2.高压击穿
——汽车发动机气缸中的可燃混合气是由高压电击穿火花塞电极间隙而产生的，击穿火花塞电极间隙时的电压，称为击穿电压。
4.3.燃烧室内气体击穿的理论基础
如图4所示：在曲线OA段，电流I随电压U升高而增大，这是由于（1）电场升高，更多的带电质点参与定向运动；（2）电极间的带电粒子向电极运动速度加大而导致因复合而消失的带电质子数目减少而致。
当电压接近Ua时，电流趋向于饱和值，因为外界电离子所产生的带电粒子几乎全部抵达电极，所以，电流值仅取决于电离因素的强弱而与所加电压无关。
当电压提高到Ub时，电流又开始随电压的升高而增大，这是由于气隙中出现碰撞电离，并随着电场的增加而加强。
当电压提高到U0时，电流急剧增大，这说明气隙中出现了强烈的碰撞电离，带电质点数目剧增、放电通道阻抗骤降。
U0以前的放电形式称为非自持放电，其后称为自持放电。
4.4.点火系工作原理
点火器的工作由ECU直接发出指令进行控制。控制依据为各传感器的信号，如曲轴位置、凸轮轴位置、温度、氧传感器等。这样致使各类工况下对点火系的要求，如：温度、电池电压、负荷、加速、减速、怠速、尾气排放等可以综合考虑进行各类修正。
◆工作过程：当发动机控制系统电源接通、起动机带动发动机转动后，ECU便在接收到位置传感器的适合角度发出点火指令，指令信号控制点火晶体管开启，使点火线圈初级通电，电流经电源、初级线圈、晶体管流入电池负极。由于线圈为感性负载，电流上升遵循幂指数规律
5.高压击穿的影响因素
5.1、火花塞电极间隙与形状
实验证明：电极间隙越大，击穿电压越高。这是因为电极间隙增大时，电极之间气体中的正负离子和电子的运动行程增大，受电场力的作用减小，运动速度降低，动能减小，中性分子不易产生撞破电离，所以需要较高的电压才能击穿电极间隙。
电极形状越尖，电场发射电子越容易，在较低的电压下就可产生弧光放电，所以击穿电压越低；反之，若电极形状越圆，则击穿电压越高，见图5所示。
（2）气缸内混合气压力与温度——混合气密度越大（即单位体积中气体
火花塞间隙与点火能量的对应关系：分子的数量越多，则离子运动的距离越短，运动速度相对降低动，相对减少，不易产生碰撞电离，所以击穿电压越高。在发动机气缸中，气缸压力越高，混合气密度越大，则击穿电压越高。我们的B型发动机压比由最初的8.8增大到10，也就是说，混合气的密度增大13.6%。气体温度越高时，受热膨胀也越大，气体密度则越小。因此，当气缸温度升高时，可燃混合气密度越小，击穿电压越低。
电极温度与极性——实验证明：当火花塞电极温度超过混合气温度时，其击穿电压将降低30%~50%。这是因为电极温度越高，电极周围气体的密度就越小，容易产生碰撞电离；此外，电极温度越高，在相同电场的作用下，发射电子越容易。击穿电压与火花塞中心极性有关。当受热电极为高压电的负极时 由于热点将容易发射电子，因此击穿电压降低，实验证明，击穿电压比中心电极为正极时要降低20%左右。
发动机的工作情况——发动机工况不同，火花塞的击穿电压也不相同，其值随发动机的转速，负荷，压缩比，点火提前角以及混合气成分的变化而变化。起动发动机时击穿电压最高，当火花间隙为0.7mm时可达19KV。 这是由于起动时气缸壁，活塞，燃烧室和火花塞电极都处于冷态吸入气缸的混合气温度低，雾化不良。压缩终了混合气温升不高因此击穿电压最高汽车加速时，由于大量冷混合气突然吸入气缸使火花塞中心电极的温度降低，因此击穿电压较高。当发动机处于大负荷稳定工况工作时，由于气缸压缩终了温度高，加之火花塞的温度也较高，因此击穿电压较低。发动机高速时，由于气缸内混合气温度和火花塞电极温度都较高，因此击穿电压随转速升高而降低。
综上所诉，为了发动机在各种工况下都能可靠点火，点火系统产生的点火电压必须具有一定的储备电压，具有良好的点火执行器，即火花塞。达到二者的统一。
6 发动机起动能量
◆发动机正常工作时，由于混合气压缩终了的温度接近其自燃温度，仅需要1~5mJ的火花能量。
◆但在混合气过浓或是过稀时，发动机起动、怠速或节气门急剧打开时，则需要较高的火花能量。
◆经济性和排气净化要求提高，提高火花能量。
◆电子点火系一般应具有80～100mJ的火花能量，起动时应产生高于100mJ的能量
7、火花塞的选择
7.1.火花塞的基本要求
火花塞的作用是将高压电引进发动机燃烧室，在电极间形成火花，以点燃可燃混合气。火花塞拧装于气缸盖的火花塞孔内，下端电极伸入燃烧室。上端连接分缸高压线。火花塞是点火系中工作条件最恶劣、要求高和易损坏部件。发动机火花塞要求。
1、混合气燃烧时，火花塞下部将承受高压燃气的冲击，要求火花塞必须有足够的机械强度。
2、火花塞承受着交变的高电压，要求它应有足够的绝缘强度，能承受30kV高压。
3、混合气燃烧时，燃烧室内温度很高，可达1500～2200℃，进气时又突然冷却至50～60℃，因此要求火花塞不但耐高温，而且能承受温度剧变，不出现局部过冷或过热。
4、混合气的燃烧产物很复杂，含有多种活性物质，如臭氧、一氧化碳和氧化硫等，易使电极腐蚀。因此要求火花塞要耐腐蚀。
5、火花塞的电极间隙影响击穿电压，所以要有合适的电极间隙。火花塞安装位置要合适，以保证有合理的着火点。火花塞气密性应当好，以保证燃烧室不漏气。
发动机性能试验小结
从试验数据中可以看出换装S2普通型火花塞的发动机最大净功率与现用S1普通型火花塞相比提升0.81KW、最大净扭矩提升0.54Nm，燃油消耗率减小。
S5型火花塞最大净功率提升0.33KW、最大净扭矩提升1.07Nm，但燃油消耗率增大。
S4型火花塞最大净功率提升0.56KW、最大净扭矩提升0.8Nm，但燃油消耗率增大。
S3型火花塞最大净功率提升0.64KW、最大净扭矩提升0.92Nm，燃油消耗率减小。
试验内容
在低温试验舱将S1普通电阻型火花塞换装为S2普通电阻型火花塞,在环境温度-40℃,机油温度-35℃时进行低温冷起动试验, 起动失败。
S2普通电阻型火花塞，在环境温度-35℃,机油温度-25℃时进行低温冷起动试验,起动失败。
换装现用S1型普通电阻型火花塞，在环境温度-25℃，机油温度-15℃时进行低温冷起动试验,起动成功，起动时间为8秒，怠速转速1700rpm。
换装S2普通电阻型火花塞,在环境温度-25℃,机油温度-14℃时进行低温冷起动试验，起动成功，起动时间为3秒，怠速转速1500rpm。
换装S3型火花塞,在环境温度-25℃,机油温度-16℃时进行低温冷起动试验，起动成功，起动时间为3秒， 怠速转速1500rpm。
换装S5型火花塞,在环境温度-25℃,机油温度-16℃时进行低温冷起动试验，起动30秒，起动不了，再次起动30秒，还是起动不了。
换装S4型火花塞,在环境温度-25℃,机油温度-16℃时进行低温冷起动试验，起动成功，起动时间为3秒， 怠速转速1500rpm。
试验小结
通过试验后对比低温冷起动效果以及火花塞积碳情况可以看出:
◆在环境温度-40℃，机油温度-35℃的情况下，所有类型火花塞都起动不了。
◆在环境温度-35℃，机油温度-25℃的情况下，所有类型火花塞都起动不了。
◆在环境温度-25℃，机油温度-15℃左右的情况下，S2普通电阻型火花塞、S3普通电阻型火花塞、S4普通电阻型火花塞以及现用S1普通电阻型火花塞都能成功起动,而S5型火花塞则不能起动。
◆在能成功起动的火花塞中，可以发现S2普通型火花塞、S3普通型火花塞、S4普通型火花塞起动效果相当，都要比现用S1普通电阻型火花塞要好。
对比试验后不同火花塞积碳效果发现，S2普通型火花塞要优于S3和S4型火花塞，S3型火花塞和S4型火花塞积碳效果相当，效果都要比现用S1普通型火花塞要好。
8、结论
在火花塞积碳方面：S2型火花塞效果最佳，S5型火花塞、S3型火花塞、S4型火花塞效果相当，都要比S1型火花塞（现用）效果好。
对发动机外特性影响方面：S2型火花塞、S5型火花塞、S4型火花塞、S3型火花塞对发动机的功率、扭矩都有所提升，其中S2型火花塞提升功率最大，达到0.81Kw, S5型火花塞提升扭矩最大，达到1.07Nm。
整车低温冷起动效果方面：S2型火花塞、S3型火花塞、S4型火花塞起动效果相当，都要比现用S1型火花塞起动效果要好，而S5型火花塞在相同的试验条件下不能起动。
最终选择S3火花塞在匹配某型号车上。
9 S3型火花塞产品特点
寿命8万公里以上
点火可靠性好
细小的中心电极，其“消焰”作用明显减小，也就是说中心电极吸收的火焰核的热量相对较少，有利于火焰核的成长和扩散，点火能量更高，燃烧更加充分，点火更可靠。
降低了点火电压
由于电极上焊有铂金片，其尺寸为Ø1.1,比普通的Ø2.54镍极的截面积小了18% ,点火电压平均降低了5Kv左右，见图4
不易积碳
铂金电极自身能保持较高的温度，尤其是在低速低负荷下能保持自净温度，不容易产生积碳。
抗氧化性、抗电蚀性、耐烧蚀性能好，使用寿命长
由于铂金的化学性能稳定，抗氧化性能好，铂金的熔点高（熔化温度可达到1700℃），耐氧化性和耐烧蚀性良好，能较好地承受燃气和残渣的化学腐蚀，并能长时间保持初始火花间隙，从而延长了火花塞的使用寿命，是一般普通型火花塞寿命的3～5倍。
参考文献
【1】杨连生 《内燃机设计》 中国农业出版社
【2】内燃机工程 中国内燃机协会
【3】国产汽油车低温冷起动方法 JT/T287-95 中华人民共和国国家标准
论文作者:张云锋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/26
标签：火花塞论文; 电极论文; 电压论文; 温度论文; 发动机论文; 气缸论文; 低温论文; 《基层建设》2017年第10期论文;