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世界范围内的创新型火花塞技术研发趋势

来源:火花塞品牌实验室 发布时间:2017-06-08 22:54:25 浏览:
[摘要] 近30年来,火花塞的创新通常就在火花塞电极结构和材质上的创新,创新的目的就是为了使汽车火花塞能够尽量充分点燃燃料,提高点火效能,提升动力,降低油耗,无论是思沃士达激光烧制的三次点火的沿面火花塞,还是极燃高性能节油铱金火花塞都推动了火花塞不断的向前发展。
一、什么是火花塞

新葡京投注网址 www.wudiweb.com 火花塞是发动机的心脏,起着每秒钟几次到几十次的点火的作用,和人的心脏的的功能可以类比,起着“起搏”的作用。
 

汽车火花塞

 

通常来说,常见的发动机的每一个缸有一支火花塞,每一支火花塞通过高压电火花放电的瞬间点着汽油和空气的混合气体,由于点火瞬间实在是太短了,燃油的能量无法更多的释放出来并利用。没有火花塞,汽油发动机无法工作。

二、热机的效率

初中物理课本上说,汽油机的热效率是20%-30%。

汽油机的热效率是20%-30%

为什么汽油机的热效率20%-30%那么低?

发动机火花塞点燃之后,燃料经燃烧、爆炸开始对外做功,这其中会经历不完全燃烧的损失、发动机冷却的损失、活塞上下运动的机械损失、克服进排气阻力的泵气损失以及废气排出的排气损失。最后只剩下少部分热能参与推动活塞、带动曲轴旋转,成为有效输出。
 

完全燃烧
火花塞点燃

当然,初中物理的知识点有点落后。之前号称世界最高热效率的丰田2NR-FKE 1.5L引擎有着“高达”38%的热效率。

热效率

火花塞点火好,也就代表燃烧效率提高,能量的利用率提高,即热机的效率提高了一点,符合能量守恒定律。

人类一直在探索各种提高热机效率的方法。

三、100年前的双点火-火花塞

双点火火花塞的鼻祖——Twin Fire。

双点火火花塞的鼻祖

1918年,第一次世界大战期间的双点火火花塞Twin Fire,100年前的发明者就已经开始从结构上动脑筋,把1个点火火花变成2个了。

双点火火花塞Twin Fire

为什么Twin Fire没有成功占领市场呢?我推测是这样的:

一是当时材料受限,绝缘材质和金属部件的成分不够稳定,所以无法使用很久,特别是汽车发动机的压缩比逐渐提高,无法使用更久;

二是当时汽车内部没有行车电脑ECU,不具有自动调节的功能,所以双火火花塞的效果无法发挥。

四、双火花塞方案

1、早期的汽车双火花塞方案

很多年前,国外车企的工程师们就在想,能不能多点1次火,让燃烧更猛一点呢?如果燃油可以“消化”的更好,那么就可以“吃”的更少一点,也可以排放的更少一点。

1978年。NISSAN尼桑的Z18 1.8L 双火花塞四缸发动机,是目前所知的双火花塞汽车汽油发动机的鼻祖。

这种每缸两个火花塞的技术,被称为NAPS-Z,是来自日立的技术支持,通俗的说,就是电子控制双点火燃油喷射,它被运用在了NISSAN尼桑Z系列发动机上。之后,双火花塞方法用在NISSAN的CA系列的发动机上,称为NAPS-X,取代了NAPS-Z。

NAPS-Z的特点是:

燃烧效率非常出色,所以燃料经济性、驾驶性较好。

尾气降低,CO、HC、NOX降低,燃料得到了稳定燃烧。

解决了快速燃烧时带来的燃烧噪音的问题。

进行精简的排气系统达到的技术受到了好评获得了奖项。

发动机的易启动性提高了。

结构上简单易实现。

双火花塞

 

随着NISSAN尼桑的全球销量扩展,NAPS-Z技术被售卖到全球各大洲,有代表性的双火花塞车型是1983年NISSAN尼桑的Datsun达特桑720车型,搭载Z24 2.4升双火花塞四缸发动机,可以产生103马力(77千瓦 )。

这时期的双火花塞点火系统不是智能控制,所以未能得到大面积的推广应用。

在点燃式发动机上使用双点火系统,不仅出现在汽车上,更是出现在摩托车发动机和飞机发动机上。

2、摩托车双火花塞方案

摩托车使用双点火系统的有宝马、本田、杜卡迪等品牌。2012年杜卡迪Multistrada摩托车升级了双火花塞后,带来更高效的燃烧,这一变化导致扭矩增加了5%,燃油消耗也有5%的改善。

2003年起,德国宝马公司在新型R1100S、R1150GS、R1150R、R1150RS和R1150RT等双缸摩托车上都应用了“双火花塞点火”新技术。宝马公司称:这种“双火花塞点火”技术可以进一步改善尾气排放、增强车的稳定性,并且在发动机的大范围运转过程中,使燃烧趋于一致。这次改进是为新的排放标准做准备,包括欧Ⅱ、欧Ⅲ标准,同时,这一技术还使提高发动机的效率成为可能,主要表现在燃料消耗量的减少上。

3、飞机双火花塞方案

双点火系统使用在飞机引擎上,有两个优点:一是更有效的燃烧燃料空气混合物,二是更考虑到提供一个重复的点火系统,以减少飞行引擎失败的事故。所以双点火系统通?;崽峁┟扛銎锥加兴鸹ㄈ约傲礁龅慊鹣低常ǖ慊鹣呷Φ龋?。双点火系统可以让飞机的一套点火系统故障后,飞机继续飞行以及安全着陆。

例如, Jabiru 5100是澳洲Jabiru Aircraft制造的一个轻量级的四冲程飞机引擎。

Jabiru 5100

双火花塞最早可追溯到第一次世界大战期间的一些飞机发动机,例如Hispano-Suiza 8 、 Mercedes D.III等飞行发动机,所以说汽车和摩托车的双点火系统是学飞机发动机的。

Mercedes D.III

采用双点火系统的发动机,双个火焰可以促进发动机效率更高,提供更快、更完全的燃烧,从而增加发动机的功率。

4、现代主流汽车的双火花塞方案

由于汽车和摩托车的发动机较小,放置双火花塞及其点火线圈的气缸位置空间有限,现代的汽车双火花塞方案采用的不够普遍,通常都是较大排量的发动机才有较充足的地方放置。

国内常见的双火花塞车型是本田飞度1.3L、思迪1.3L,而其他在国外销售且进口数量极少的车辆,几乎都是中高档车型,也是一般车主不易知道的事实。

双火花塞点火系统的优点是:

1、采用双火花塞点火后,两个火花塞同时点火使混合气爆炸燃烧,急速形成较强烈的涡流,大幅度加快了火焰的传播速度,同时火焰传播距离理论上缩短了1/2,燃烧所用的时间也相应缩短,大幅度提高了热量利用率。

2、由于燃烧时间缩短,最大扭矩的点火提高角可以推迟。因此,点火时,燃烧室混合气的温度和压力都较高,有利于着火和迅速燃烧。

3、混合气在燃烧室内无论在空间和时间上都是不均匀的,因此存在电火花点火的失火率问题(没点着),而两个火花塞同时点火,可使失火率降低一倍。在稀燃发动机中,利用双火花塞的高能点火也是有利的。

4、两个火花,可实现更稳定的燃烧,减小气缸内紊流的吹灭影响。

现代主流汽车采用双火花塞方案的汽车型号,不完全统计如下:

数据

 

数据

 

数据

这么品牌的车型采用双火花塞的方案,无非是为了3点:动力性、燃油经济性、排放性。

五、创新中的汽车火花塞

从博世公司的火花塞历史上,可以看出,20世纪50年代以前,博世一直在不断在探索新的火花塞造型和样式,如下图。到了70年代以后,随着汽车的成熟,火花塞的样式相对就比较固定了。

80年代以来,汽车汽油发动机的研究和发展趋势是涡轮增压,这就会让火花塞带来更热的电极温度和更多磨损,所以火花塞材质逐渐向贵金属过度,铱金,铂金等高熔点金属变成了电极的材质。

创新中的汽车火花塞

而另外一个发展趋势是分层燃烧、废气再循环、稀薄燃烧,这就要求在气缸盖内增加冷却水道和加大气门孔径设计,于是更细更长的火花塞就成为方向。

近30年来,火花塞的创新通常就是针对不同车型,在火花塞电极结构和材质上的创新。

创新的目的就是为了使火花塞能够尽量充分点燃燃料燃烧,提高点火效能,提升动力,降低油耗,减少尾气排放,也要延长使用寿命。

材质的创新通常有铂金电极火花塞、铱金电极火花塞、银电极火花塞等。

电极结构的创新有双级火花塞、三极火花塞、四级火花塞、岩面放电火花塞、U型槽火花塞、V字形切口火花塞等等。

更有一些火花塞公司采取了独家的做法。

E3是一个特殊的不规则形状的电极。

思沃士达是四级银质岩面点火的电极。

思沃士达还有激光烧制的三次点火的沿面火花塞,也是为了增加点火数量。但它是类似定制产品,激光烧制的速度较慢,无法大规模生产,特别由于车型受限,也无法标准化。

极燃,高性能节油火花塞,产品通过独一无二的双倍火焰设计,提升燃烧线电压20%-50%,燃烧时间快10%!通过让每一滴汽油极限燃烧的方式,解决了汽油燃烧不充分的问题,能够让汽车发动机燃烧室内几乎没有积碳!通常,对比传统火花塞,能够使汽车油耗降低约10~30%、动力提升10~30%、尾气减少50%+

新型火花塞

还有有可能取代火花塞的下一代产品——电晕放电点火系统。

美国辉门集团开发的一种电晕放电点火系统,这是一种高频点火器,系统通过精确控制放电电场强度来电离周围介质从而产生电晕放电效果,提供的点火能量可以是传统火花塞的1000倍,能够最大化提高燃烧的速率,可点燃性和燃烧稳定性这种电晕放电系统能将燃油效率提高5%~10%。

但是,电晕点火系统的频率范围和功率范围比较特殊,也给研发带来了困难。一是可能会干扰车辆通信,二是高能量消耗了一部分的电能,从能量守恒原理,也浪费了一部分汽油,三是每个型号的车辆在安装之前,都必须做发动机标定,相当于一部分工作需要重新设计,否则与发动机不匹配带来很多问题,四是市场存量车型无法直接更换使用该产品。该产品方案研发10多年了,目前还未见大量商用,可见难度不小。

六、火花塞可以节油的科学原理

火花塞不断的在发展,每一次的变化,都是性能不一样的结果,那么,它是如何起作用在节油上的呢?先了解几个理论知识。

1、什么是空燃比

空燃比,是混合气中空气与燃料之间的质量的比例。从理论上说,每克燃料完全燃烧所需的最少的空气克数,叫做理论空燃比。汽油发动机的理论空燃比是14.7:1。

空燃比

空燃比大于理论值的混合气叫做稀混合气,气多油少,燃烧完全,油耗低,污染小,但功率较小??杖急刃∮诶砺壑档幕旌掀凶雠ɑ旌掀?,气少油多,功率较大,但燃烧不完全,油耗高,污染大。

汽油机的空燃比在12~13时功率最大,在16时油耗最低,在18左右污染物浓度最低。因此,为了降低油耗和减少污染,应当尽量使用空燃比大的稀混合气,只在需要时才提供浓混合气。

也就是说,空燃比越大越省油,空燃比越小越费油,理论空燃比14.7:1最环保。

2、什么是开环与闭环

汽车发动机有两种运作模式:闭环控制和开环控制。

为了满足发动机各种工况的要求,混合气的空燃比不能都采用闭环控制,而是采用闭环和开环相结合的策略。

开环控制是喷油量直接读取ECU内的基本供油曲线MAP,而不看氧传感器的信号。在冷车、启动、水温过低、大脚油门、急加速、跛脚模式(氧传感器损坏)、换挡、爬坡、重负荷等情况下,进入开环控制。

开环控制时,根据油门深度、进气压力、转速等数据找基本供油曲线MAP计算喷油量,也就是说ECU不修正喷油量,此时油耗高,废气较不干净,汽车较有力。

闭环控制是氧传感器、计算机ECU和燃油量控制装置三者之间闭合的三角关系。氧传感器告诉计算机混合气的空燃比情况,计算机发出命令给燃油量控制装置,向14.7:1的理论值的方向调整空燃比。

闭环调整极快并连续不断,保证汽车不仅具有较好的动力性能,还可以省油。此时ECU根据氧传感器的数据修正喷油量,尽可能使空燃比能维持在14.7,以减低油耗,使废气能更干净,不过车子相对没力。

氧传感器会送给ECU一个电压信号,来表示排放出的废气含氧量是多还是少, 来表示发动机供油过稀或过浓,修正空燃比到14.7:1。另外,由于三元催化的工作条件是在空燃比接近14.7:1的时候才能达到最佳净化率, 所以当引擎负荷不重时, ECU就会拼命修正供油量来达到14.7:1的空燃比值, 来让触媒能有效地净化废气。

也就是说,闭环省油,开环费油。

3、燃烧的更好的火花塞什么样?

下图是示波器看到的火花塞在点火工作时候的图形,主要由点火线圈充电、点火击穿、击穿后的燃烧,这三部分组成。

举例:

这个示波器的对比图像上可以看出,同样一辆车,同一个缸,不同火花塞的击穿电压、燃烧电压、燃烧时间不一样。

上图第二个图是我司的极燃火花塞在工作时的燃烧线电压相较于第一个图传统火花塞高20%-40%,初始燃烧时间缩短10%左右,说直白点就是燃烧的更旺、更快,让汽油更容易点燃,更快燃烧,从而使汽油能够更充分燃烧,减少尾气排放的同时,能够用更少的油耗提供更多的动力。

燃烧好,燃烧速度快,缸压变大,ECU控制点火提前角变小。

打个近似的比方,成龙和李小龙各自打出一拳,李小龙出拳快,力量更大。

燃烧好,燃烧速度快,缸压变大,发动机扭矩变大,司机如果依旧以原先的脚力去踩油门,因为扭矩变大的原因,车速及加速度就会适当超过原来,也就是说,车辆更有力了,油门不需要踩那么多了,也就是油门变轻变灵敏了。

燃烧的更好的火花塞什么样?

油门其实应该叫做“气门”才对。

在目前常见的电控燃油喷射系统中,闭环状态时,ECU根据发动机转速信号和空气流量计信号,查表确定基本喷油时间,这个基本喷油时间是根据理论空燃比 14 .7∶1来计算喷射的。

油门(加速踏板)的深、浅,直接影响空气流量的信号,空气流量就是控制基本喷油时间的大小的。油门深,基本喷油时间大,油门浅,基本喷油时间小。

更换高性能火花塞后,车主基本上都会觉得油门变轻了,变灵敏了,就是这个道理。

那么,高性能火花塞的点火能量如何来?满足能量守恒定律吗?很多人有此怀疑。

白炽灯和节能灯,同样都是10瓦的型号的话,节能灯更亮,因为白炽灯对于电的利用率低,把一部分电变成了热量,所以白炽灯更烫。

传统火花塞,就像白炽灯一样,也存在同样的电量无法提高利用率的问题,专业上叫做火花的消焰作用,电量浪费变成热量了。高性能火花塞,都是在提高电量的利用率,就像节能灯一样会更亮。

好的火花塞,本质上是放电能力更强,击穿更容易,燃烧更稳定更迅速。

4、火花塞修正空燃比

汽车是一套完整的反馈系统,触动发动机的心脏部件火花塞,一定会造成其他一连串的变化,打破原有的平衡状态。

更换高性能火花塞后,行车电脑ECU一开始按照原先的记忆工作,之后因为燃油燃烧的更干净的原因,氧传感器(也叫空燃比传感器)检测到废气中含氧量变低,反馈信号给行车电脑ECU说,喂,你油给多了!

行车电脑ECU认为此时的空燃比低于14.7,例如14.6,即喷油过浓,进气过少,便立刻指挥说能不能少喷点油??!

行车电脑ECU想修正空燃比到14.7,实际上这样调整就已经到了14.8。(以上数值为举例数值,不是代表确定数字)

行车电脑ECU修正空燃比,实施的方法是让喷油脉宽(喷油时间)向理论14.7:1的方向趋近,所以这里必须说燃油修正这个概念。

短期燃油修正

短期燃油修正的数值用-100%~+100%之间的百分比表示,中间点为0%。

如果短期燃油修正的数值为0%,则表示空燃比为为理想值14.7∶1,混合气既不太浓,也不太稀。如果短期燃油修正显示高于0%的正值,则表示混合气较稀,行车电脑ECU在对供油系统进行增加喷油量的调整。

长期燃油调整值

如果混合气过稀或过浓的程度超过了短期燃油修正的范围,这时就要进行长期燃油调整。

长期燃油调整值又称为学习值,是由短期燃油修正值得到,并代表了燃油偏差的长期修正值。

如果长期燃油调整显示0%表示为了保持ECU所控制的空燃比,供油量正合适;如果长期燃油调整显示的是低于0%的负值,则表明混合气过浓,喷油量正在减少(喷油脉宽减?。?;如果长期燃油调整显示的是高于0%的正值,则表明混合气过稀,ECU正在通过增加供油量(喷油脉宽增大)进行补偿。

长期燃油调整可以在较长时间后将朝所要求的方向明显地改变供油量。

燃油修正数据都会存储在行车电脑ECU中。

发动机ECU控制的实际喷油值(喷油脉宽)

=计算喷油值 ×(1+长期喷油修正+短期喷油修正)+ 电压修正+其他修正。

注:查表基本供油曲线MAP即计算喷油值;此处假定影响喷油脉宽的其他因素(水温修正、气温修正、电压修正)是定量,不然太复杂了。

如果更换了新火花塞,特别是高性能火花塞后,因为燃烧变好,排气中的氧气变少,短期喷油修正倾向负值,长期喷油修正倾向且变成负值。车辆的耗油量就是把千千万万次的喷油数值累加起来的结果,当每一次的喷油脉宽(喷油时间)倾向减少且减少,即车辆进入相比之前更节油的状态。

如何理解喷油的调节修正过程?

就像洗热水澡,冷水和热水,就像汽车的进气和喷油,假设把进气看成冷水管,喷油看成热水管,假如因为某个原因水压变大了,导致混合后的出水速度变快、水温变高,我们为了调回原来的水温和原来的出水速度,就会同时将红色的热水阀调小、绿色的冷水阀调大,经过若干次调节后,恢复原来的温度和速度,进入节约热水的状态。

 

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