高级工理论试题分析(火花塞穿透电压及击穿电压).doc

1、高级工理论试题分析（多选 95 与 97 题）火花塞两极击穿电压与穿透电压？在火花塞电极间加上高电压后，电极间的气体便发生电离现象，所加电压愈高，气体电离的程度愈高。当电压增高到一定值时，火花塞两极间的间隙被击穿而产生电火花。使火花塞两电极之间产生电火花所需要的最低电压，称为击穿电压。当火花塞间隙为 0.51.0mm 时，发动机冷起动时所需击穿电压约 70008000V，实际工作电压一般在 1000015000V。臧良运教授 回答齐齐哈尔大学应用技术学院简介齐齐哈尔大学管理学教授，理学士，管理学硕士编著著作 20 部，发表国家、省级科研论文 20 篇，主持多项国家、省、市科研项目。结合下文，可

2、以判定，火花塞两极击穿电压与穿透电压最直接联系因素是点火正时所对应的缸压和火花塞电极的两极间隙。其次与空燃比有关系，与初级电流上升、气缸温度基本没有关系。次级电压上升率就没有提及。但是，答案还记死记硬背吧！汽油机点火系统混合气击穿电压的实验研究东方汽车网 2012-09-05 11:37:46 作者:撰文/联合汽车电子有限公司 任江 邓文谦 刁蔚然 习纲 李君 来源:汽车与配件12 年 NO.36 点火线圈是汽油机点火系统中的核心零部件之一，其性能直接影响发动机的各项参数指标。长期以来，国内一直缺乏对点火线圈性能的实车评估手段。研究击穿电压的影响因素，拟定实车不同转速下的极限击穿电压获取方法，

3、对评估点火线圈输出电压是否满足点火系统要求是非常必要的，对点后续火线圈的选型和开发有十分重要的意义。 一、火花点火过程的不同阶段及击穿电压的定义 整个火花点火过程分为：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和辉光放电阶段。 预击穿阶段可以通过汤森放电理论进行解释，预击穿阶段如图2 红色框图所示。当线圈充电结束断开初级回路后，次级感应电动势增大，至火花塞电极之间的电场呈逐渐增加的态势。中心电极(阴极)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(阳极)，形成电流并达到接近饱和的状态。随着电场强度的增加，更多的阴极电子开始飞向阳极，并在电场的作用下获得足够的动

4、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(二次电子发射)。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。 击穿阶段如图 2 蓝色椭圆框图所示。当混合气被击穿时，间隙阻抗迅速下降，电压迅速衰减，电流达到峰值，一个很窄的圆柱状等离子体通道建立起来，电能几乎可以无损失地通过等离子体通道，使它的温度达到 60000K，压力上升到几十个 MPa，从而产生一个强烈的基波向四周传播，使等离子体的体积迅速膨胀。击穿阶段的时间很短，约 10ns。 电

5、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，间隙阻抗迅速下降。因此，此阶段的放电特征是两极总压降很低，只有 50-100V。电流强度却很高，大于 100mA。随着电流的逐步衰减，放电过程进入到了辉光放电阶段。辉光放电最主要特征是两极压降高，电流强度较小(气体离子化能力变弱)。 二、击穿电压 击穿阶段最主要的参数就是击穿电压，它的大小直接决定了点火系统的性能；理论上讲，击穿电压越低对点火越有利，不但可以降低点火线圈的负担(线圈的输出电压无法达到击穿电压，失火频繁发生)，而且防止了火花塞被击穿的风险(击穿电压过高甚至达到火花塞陶瓷体的击穿电压值，火花塞被打穿至点火系统失效)。

6、击穿电压主要和点火缸压、火花塞间隙相关；此模型没有考虑电极几何外形(空气间隙型、半沿面型、沿面型等)、材料和次级电压上升率对击穿电压的影响。以下将给出击穿电压影响因素的试验研究。 三、混合气击穿电压影响因素的试验研究 在以上的理论分析中提到，混合气的击穿电压主要和点火正时所对应的缸压和火花塞电极的两极间隙有关；为了验证理论模型的正确性并考核其它因素对击穿电压的影响，对相关影响因素进行了实车验证，试验包括： 1.不同负荷(点火正时所对应的缸压)下混合气击穿电压对比试验。 2.不同火花塞两极间隙下混合气击穿电压对比试验。 3.不同次级电压上升时间混合气击穿电压对比试验。 4.不同空燃比下混合气击穿

7、电压对比性试验。 试验设备布置 本试验在国内批产的某型 1.8L 轿车上进行。 点火线圈采用 11 顶置式线圈，线圈发动机控制器(ECU)驱动接口和电瓶接口通过信号转接器连入匹配用 ECU，地线接口通过耐高温线束连接到发动机壳体上。电流探头夹在点火线圈的地线接口和发动机地之间的线束上，并通过信号放大器将处理后的信号输入给示波器；点火线圈输出端通过三通头连接到火花塞接线螺帽上，三通另一端与 TEK 高压探头相连，测量点火线圈点火过程中点火线圈的输出电压波形；TEK 高压探头将电压信号衰减 1000 倍后输入给示波器信号采集通道；试验过程中，通过示波器观察点火过程中点火线圈输出电压和放电电流随时间

8、的变化。 实验结果及分析 不同负荷(点火正时所对应的缸压)下混合气击穿电压对比试验 发动机负荷影响点火正时所对应的缸压的大小，负荷越大，缸压也越大。本试验采用相对充气量 rl 代表发动机的负荷大小，相对充气量 rl 的定义如下： 其中 P1-当前情况下，进气门 关闭时缸内压力；V1-当前情况下，进气门关闭时缸内体积；T1-当前情况下， 进气门关闭时缸内温度；T0-标准情况下，进气门关闭时缸内温 度(273K) ；P0-标准情况下，进气门关闭时 的缸内压力(1013mbar)。试验条件如下：发动机转速选取：2500r/min；相对充气量 rl代表发动机的负荷大小，分别选取：20%、30%、40%

9、、50%、60%、70%、80%；充电时间选取：2ms；观察不同点火正时缸压对混合气击穿电压的影响，试验结果如图 3 所示。从图 4 中可以看出，随着负荷 rl 的增大，混合气的击穿电压成上升趋势，辉光放电阶段的自持电压也随之升高。其原因在于随着发动机负荷的增加，点火时的缸压升高，在火花塞间隙处的混合气密度增加，两极间的气体分子数量增多，击穿该混合气所需要的能量增加，击穿电压也需要提高。此试验结论也同以上经验公式所描述的规律一致。 四、不同火花塞两极间隙下混合气击穿电压对比试验 取常规间隙火花塞和极限间隙火花塞(200 小时台架耐久后的老化火花塞)进行对比试验，常规间隙为 0.7mm，极限间隙

10、为 1.3mm；转速选取 1500r/min、相对充气量 rl 为 30%、充电时间 2ms；试验结果如图 4 所示。 从图 4 可以看出，随着火花塞间隙的增大，击穿电压成上升趋势，火花持续时间也变短。火花塞间隙增大相当于两极间的气体分子数量增多，也需要更大的能量和击穿电压对混合气进行击穿。同时，对于相同的线圈充电能量，在击穿阶段耗费的能量越大，后续火花的持续能量和时间也越短。 五、不同次级电压上升时间对混合气击穿电压的影响 初级电流越大，次级电流上升的时间越短。初级电流和充电时间成正比，本试验采用充电时间衡量次级电压上升时间的大小；试验工况选择：发动机转速 1500r/min、相对充气量 r

11、l 为 30%、充电时间 1ms、2ms、3ms、4ms；试验结果如图 5 所示。 当充电时间增大时，次级电压上升时间缩短，击穿阶段的时间缩短，但是对击穿电压的大小几乎是没有影响的。这反映出击穿电压主要取决于火花塞特性(间隙、形状等)及其附近的混合气特性(密度、流动特性、空然比等)，而跟点火系统的充电时间无关。 六、混合气空燃比对混合气击穿电压的影响 实际驾驶过程中，在一些特殊工况下，混合气的空燃比与最优空燃比(lambda=1.0)会存在比较大的偏差(加浓保护、过渡工况、冷起动后的暖机阶段等等)；因此，考核不同空燃比对击穿电压的大小是否有影响也是非常必要的。此试验在如下工况下进行：发动机转速为 1500r/min、相对充气量 rl 为 30%、空燃比 lambda 取为0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3；试验结果如图 6 所示： 从图中可以看出，空燃比 lambda=0.7 时，混合气最容易被击穿；随着空燃比的增加，击穿电压随之增加，当 lambda=0.9 时基本达到峰值，之后随着 lambda 的继续增加，击穿电压又有所下降。由此可见，混合气的构成成分对击穿电压有一定影响，这跟混合气不同组分具有不同的击穿电压特性有关。