各种新技术对点火系统的影响及改进措施
摘要：为适应稀混合气燃烧，应加大点火能量、延长火花放电时间，所以点火系统采用电感放电模式较好。配合摩托车发动机技术的提升，应在改进火花塞上下功夫。
随着摩托车排放法规的不断加严，摩托车发动机需要采用一些新技术（如电喷系统、稀燃、废气再循环、代用燃料技术等）来应对，这对点火系统提出了更高要求。
1、摩托车发动机点火理论
根据日本学者中原吉男提出的点火理论，火花塞通过电极放电点火，点火后能否在混合气中形成火源，火源能否爆发燃烧是两个不同概念。火花塞产生放电火花由点火系统决定，爆发燃烧除了点火系统，还与燃料性质、混合气浓度、气缸内压力、气缸内温度、气缸内气体流速等因素有关。
火花塞能在气缸内高温、高压和混合气包围中形成火花，除需要一定的高电压和点火能量外，还受火花持续时间和点火系释放模式影响。一般情况下，试验室测试的摩托车火花持续时间≥200ms，而实际上火花持续时间要求比200ms大2～3倍。
学术界对于火花塞电极放电理论一直争论不休，热过程理论主张高温作用下油分子燃烧；化学过程理论主张火花热量使燃油分子活化后燃烧；电离论主张气体分子受电离冲击产生雪崩反应而产生火花放电；中原吉男认为产生火花放电分为2个过程，即电容放电和电感放电，电容放电即高压线圈使火花塞电极间产生放电，这时电路可简化为如图1所示电路。
把高压线圈一次侧回路看成一个分布大电容，从电容放电开始，线圈一次侧电压急剧下降，此时在线圈二次侧产生感应高电压，使火花塞放电，这种现象称为电感放电。电感放电波形如图2所示，t1～t2为升压过程，t2～t3为电容放电过程，t3～t4为电感放电过程，所测得的电容与电感放电数据如表1所示。
2、火花塞点火三要素
摩托车火花塞点火包括电极间高电压、适当的点火能量和火花放电持续时间3个要素。
2.1火花塞电极间高电压
在《内燃机电气设备》一书中指出，使火花塞电极产生火花高电压与电极间的距离有关，如用击穿电压梯度表示，大约为3000V/cm。实际上这个击穿电压梯度不是恒定的，在常压、常温下，电极间隙为3mm时，所需击穿电压为11000V；电极间隙为0.5mm时，所需击穿电压为2900V；这2种情况的击穿电压梯度分别为37000V/cm和58000V/cm。
中原吉男认为，电极间所需击穿电压在火花塞电极温度、燃料种类、气缸内压力等因素一定的情况下，可由下式计算。Vs=KPδ
式中：Vs——所需击穿电压，kV
K——常数
P——混合气密度
δ——电极间隙，mm
在一定条件下，击穿电压与电极间隙呈正比。在国内小型汽油机行业习惯采用以下经验数据，当火花塞间隙为0.6～0.7mm时，各种因素都考虑在内，火花塞电极间击穿电压应＞7000V。
2.2火花塞的点火能量
火花塞点火、燃烧所需能量受空燃比、气缸压力（压缩比）、点火提前角、冷机、热机及气缸内气流流速等影响较大。一般空燃比小、气缸压力大、点火提前角大、冷机或火花塞电极温度过低等都需要加大点火能量。经分析，一般汽油机点火所需能量在20～30mJ以上为好，能量小火花弱，能量大火花强，燃烧好。
2.3火花塞放电持续时间
火花塞放电持续时间是指从火花塞电极产生火花开始，到火花完全熄灭所经过的时间，如图2中t2～t4段。它对发动机的稀薄燃烧、废气再循环、乙醇燃料或液化石油气等都有重要影响，对发动机的完全燃烧、尾气排放也起着不可低估的作用。
点火系统的放电模式直接影响火花持续时间。图3所示为日本泽藤电机株式会社高野正美所做的3种点火放电模式火花塞持续时间试验曲线，图中tc为电容放电点火系统的火花持续时间（CDI）；tm为白金触点点火系统的火花持续时间；tt为电感点火系统的火花持续时间。这是个无量纲曲线，电感式点火系统比电容放电点火系统的火花持续时间长1倍。为增大摩托车发动机中低转速的点火能量，笔者曾在CDI中增加了稳压电路、倍压电路和加速电路，确实有些效果，不过为了适应稀薄燃烧等技术，建议采用电感式点火系统为好。
3、各种新技术对摩托车点火系统的影响
3.1无铅汽油对点火系统的影响
按GB14622-2000附录E的要求，无铅汽油含铅量≤
0.005g/L。这种汽油对减少环境污染、延长催化剂使用寿命都非常有益，但却降低了汽油的抗爆性、易使火花塞产生积碳。中原吉男的试验表明，用含铅汽油时，火花塞电极的自洁温度为420～450℃；用无铅汽油时，火花塞电极的自洁温度为520～550℃。由于自洁温度能烧掉火花塞电极上的积碳，因此使用无铅汽油的发动机在怠速或低速工作时，火花塞电极周围极易积碳或形成电极间跨连失火。
3.2稀混合气燃烧对点火系统的要求
为降低排放，希望实现稀薄燃烧，同时要求点火系统提高点火能量和火花持续时间。但摩托车发动机属高速强化机型，要避免动力性能损失过大或发动机温度太高出现放炮等现象，混合气又不宜过稀，电感式数字高能点火系统就是为满足稀混合气点火要求而研制的，采用废气再循环也需要这种电感式数字高能点火系统。
3.3使用代用燃料对点火系统的要求
a）采用液化石油气作为燃料时：冷机起动困难，低温缺火倾向大，因此必须提高点火电压。通常点火所需电压是以汽油为燃料的130％～150％，点火提前角要加大3°～8°。
b）采用乙醇汽油作为燃料时：世界上用乙醇作为燃料的国家主要有巴西、美国和中国。其中巴西用纯乙醇，中美两国用含乙醇10％的乙醇汽油。乙醇和汽油的物理性能如表2所示。
根据Q/SHR 010-2001企业标准，使用含乙醇10％的乙醇汽油，能使抗爆性能提高3％，因此火花塞热值应提高一级。为了弥补采用乙醇汽油动力下降的问题，往往需提高压缩比，增加点火能量。
3.4电喷技术对点火系统的影响
如果电喷系统是采用进气道内喷射和数字点火模块，就不存在影响问题，如采用缸内直接喷射，要考虑燃油射流对火花塞电极间的火花影响。
4、火花塞的改进
根据前面分析，对火花塞的改进可归纳为：采用突出型并改进瓷裙形状；增大电极间隙、采用半遮盖型电极；采用高合金中心电极材料、减小中心电极直径。
a）采用突出型并改进瓷裙形状：所谓突出型火花塞就是使火花塞绝缘瓷体的裙部突出于铁壳之外，如图4所示。该火花塞中心电极易接触，爆发火焰升温快，跳火容易，自洁能力强。如果与半遮盖型同时使用，非常容易接触燃油分子，适合稀薄混合气和废气再循环等工况燃烧。当发动机吸气循环时，冷混合气又能使中心电极降温，避免发动机高负荷工况时火花塞炽热点火，对发动机热负荷变化适应性很强。改进瓷裙形状是为快速提高中心电极温度，改善自洁能力，适应无铅汽油、乙醇汽油、液化石油气燃料。
b）增大电极间隙、采用半遮盖形电极：在增加点火系统能量的前提下，火花塞电极间隙由原0.6～0.7mm增大到1.1～1.2mm，火花长而粗便于点燃稀薄混合气及废气再循环稀混合气。半遮盖型促进了尖端放电，便于燃油分子通过正负电极空间。
c）采用贵金属电极材料，使中心电极直径变细：目前较高质量的火花塞中心电极前端采用高镍丝，中心电极直径为1.8～2.6mm，日本已有中心电极直径为1.1mm的火花塞。电极变细有利于火花放电，但电极材料要选用贵金属来提高化学和电腐蚀性能，目前尚有一定难度。
d）等离子喷射火花塞：电极间隙约2mm，产生放电时火花为蓝色、直径约为1mm以上。这种等离子喷射火花塞点火耗能约1～2J，而普通火花塞点火耗能仅20～30mJ，目前应用比较困难。
5、结论
为适应稀薄混合气燃烧，应加大点火能量、延长火花放电时间，所以点火系统采用电感放电模式为好。配合摩托车发动机技术的提升，应在改进火花塞上下功夫。
