火花塞点火能量一般多大（火花点火过程分解）

汽油机的燃烧是通过火花塞点燃燃料空气混合气，别看火花塞点火就是啪一下，极短，但这火花点火的极短过程，是挺复杂的。

火花点火的过程是一系列的物理加化学过程，根据点火工作时电流电压随着时间的变化，点火过程分为 预击穿阶段、击穿阶段、电弧放电阶段、电弧到辉光放电的过渡阶段、辉光放电阶段。其中，击穿阶段、电弧放电阶段、辉光放电阶段更为重要，通常简略为这3个阶段讨论。

为某车某缸的怠速状态下某一次真实数值，使用Hantek 6074BC 数字示波器采集，受设备精度误差所限，数值仅供理解参考。

图2 传统点火系统 初级线圈电流波形示意图

以图1的同等的时间坐标手绘，手绘有误差，仅做示意描述。如初级线圈提前充满，上图电流图会改变。

图3 传统点火系统 次级线圈电流波形示意图

以图1的同等的时间坐标手绘，手绘有误差，仅做示意描述。

图4 将图1时间坐标放大的100倍的电压波形图

使用Hantek 6074BC 数字示波器采集，受设备精度误差所限，数值仅供理解参考。

1、预击穿阶段

预击穿阶段可以通过汤森放电理论进行解释，在传统点火系统中，当初级线圈充电结束断开初级线圈回路后，次级线圈的感应电动势增大，火花塞电极之间的电场逐渐增大，中心电极表面的电子在电场作用下加速并逃逸出来，以最快的速度奔向侧电极，形成电流并达到接近饱和的状态。随着电场强度的增加，更多的电子开始飞向侧电极，并在电场的作用下获得足够的动能。在飞行路径上，加速的电子和气体原子以一定概率发生碰撞，并产生新的自由电子，自由电子倍增。被撞击后的气体原子由于失去了电子而变成正离子，在电场的作用下飞向阴极撞击出更多的电子。当电子数量呈几何倍数增加并达到极限时，原本绝缘的气体被击穿，变成等离子态。

在没有击穿之前，高电压会以1kV/μs的升高速率（典型数值）一直提高到点火线圈的空载电压，如果此时没有击穿就会强烈衰减（RLC衰减震荡）。

RLC衰减震荡 仅供理解参考

击穿电压取决于火花塞间隙、电极形状、电极损耗情况、燃烧室条件、混合气密度。实验室测量得出的点火线圈的最大次级电压 需要满足在使用的发动机上 大于各种工况下的击穿电压。预击穿阶段可见图1、图4所示。

2、击穿阶段★

混合气被击穿的时候，火花塞电极之间的击穿电压（又称峰值电压）在10kV-35kV之间（高能量点火线圈高于30kV），离子流从一个电极跑向另一个电极，电极间隙的电阻迅速下降，电压迅速衰减，电流达到峰值，建立了一个大约40μm直径的、很窄的圆柱状等离子体通道，等离子是导体，电能几乎可以无损失地通过等离子体通道，它的温度达到60000K，压力上升到几十MPa，从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离子体的体积迅速膨胀到大约2mm直径（进入电弧放电阶段），压力、温度迅速下降。击穿阶段的时间很短，约10ns（10x10^-9秒），峰值电流高达约200A，能量约1mJ。

击穿电压的大小决定了点火系统的性能，理论上来说，击穿电压越低，对点火越有利。击穿电压较低的话，不但降低了点火线圈的负担，而且降低了火花塞被击穿的风险。因为击穿电压过高的话，点火线圈的输出电压无法达到击穿电压，就会造成失火（无火点火），如果频繁发生，点火线圈有击穿、发热烧毁的风险， 而击穿电压过高超出了火花塞陶瓷的绝缘击穿电压，火花塞陶瓷有被击穿失效的风险。

3、电弧放电阶段★

电弧放电阶段紧随击穿阶段。击穿阶段末期形成了电极间的等离子体通道后，电极间隙的电阻迅速下降。由于击穿阶段末期等离子体体积膨胀和体外的热交换和扩散作用增强，电弧中心的温度下降到6000K。

电弧阶段的放电特征是两极总压降很低，只有50-100V，电流强度很高，在1A-10A数量级，时间在100μs（100x10^-6秒，也有说法是1μs），能量约1mJ。

电弧放电阶段放电带的中心部分的离解程度依旧较高，但离子化程度比较低（约1%）。在火花塞阴极和阳极上的电压降是电弧放电产生电压降的主要原因，电能储藏在电极的表层区域并被导走，这是电弧总能量的一个重要部分，另外由于电弧要求有灼热的阴极，因而造成了阴极材料的蒸发蚀损。一般认为，在电弧放电阶段火焰传播开始发生。

电弧放电阶段可见图1、图4所示。

4、电弧到辉光放电的过渡阶段

5、辉光放电阶段★

随着电流的逐步衰减，放电过程进入到了辉光放电阶段。辉光放电的波形是高频震荡，辉光放电时，火花塞电极两级间的电压叫做燃烧电压，通常是500V至1kV左右，一些条件下可以超过1kV，燃烧电压的大小与火花等离子体的长度有关，主要取决于火花塞电极的间距，即间隙，以及混合气的运动使火花偏转的情况。

举例：如下图所示，B为正负电极之间的直线距离，即间隙，也是等离子体产生的最大可能路径，A和C为混合气的运动使火花偏转的可能情况的举例。

手绘图 仅供理解参考

辉光放电阶段的电流强度较小，电流低于200mA，气体离子化能力变弱，持续时间最长，通常0.8至2.4ms，放电能量约为30mJ。电流低于一定的数值时，火花就熄灭了，电压也逐渐衰减。火花熄灭后，次级线圈会有若干次低频震荡，消耗掉剩余没有利用上的能量，又称余能震荡。辉光放电阶段电极之间气体的离子化程度很低（低于0.01%），绝大部分的点火能量都在这时放出，但能量损失比电弧阶段更大，温度下降到3000K。辉光放电阶段加热了混合气，使其迅速燃烧。

在发动机运行条件，最佳点火条件下，对静止的混合气的点火能量只需要0.2mJ，而对于较稀混合气、较浓的混合气、较高流速的混合气，需要的点火能量是3mJ。为了使得发动机在各种工况下都能可靠点火，通常常规点火系统可以供给能量为30-50mJ，而高能点火系统提供超过100mJ的点火能量。

在点火过程中，如果火花能量不足，等离子通道、电弧、辉光在向外扩散的过程中，由于向周围混合气层传热损失较大，向外加热的空间（半径）不够大的话，就不能使化学反应生成足够的热，点火就会失败；而火花能量足够超过这个临界值（即最小点火能量），多余的能量可以补偿温度的下降，这样就防止了火焰在初始传播速度的降低，可以用较多的能量引起火核的发展。这个点火成功的概率称为点火率。

等离子通道分阶段膨胀和向外扩散传播，可以用下图形象表示。

手绘图 仅供理解参考

辉光放电后，火焰核形成并发展。

以上点火的5个阶段一共加起来的时间是大约1ms-3ms，这个时间有多长呢？给大家一个参照物，就能一目了然的理解了。做功冲程时间大约是3.75-37.5ms（理论值）。

注：

毫秒 1ms=0.001秒=1x10^-3秒

微秒 1μs=0.000001秒 =1x10^-6秒

纳秒 1ns=0.000000001秒=1x10^-9秒

参考资料：

《内燃机学》 第4版 主编刘圣华周龙保 机械工业出版社 2017

《内燃机燃烧科学与技术》李向荣等编著 北京航空航天大学出版社 2012

《汽车发动机原理》王建昕 帅石金 主编 2011 清华大学出版社

《汽油机管理系统——控制、调节和检测》第4版 康拉德·赖夫 著 机械工业出版社 2017

《汽车点火系统原理与故障检修示例》麻友良 主编 2010 机械工业出版社

《内燃机原理教程》 主编许锋 隆武强 大连理工大学出版社 2015

《大能量电点火系统设计与火花放电特性实验研究 》张云明 刘庆明 宇 灿 汪建平

等

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