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    世界范圍內的創新型火花塞技術研發趨勢

    來源:火花塞品牌實驗室 發布時間:2017-06-08 22:54:25 瀏覽:
    [摘要] 近30年來,火花塞的創新通常就在火花塞電極結構和材質上的創新,創新的目的就是為了使汽車火花塞能夠盡量充分點燃燃料,提高點火效能,提升動力,降低油耗,無論是思沃士達激光燒制的三次點火的沿面火花塞,還是極燃高性能節油銥金火花塞都推動了火花塞不斷的向前發展。
    一、什么是火花塞

    火花塞是發動機的心臟,起著每秒鐘幾次到幾十次的點火的作用,和人的心臟的的功能可以類比,起著“起搏”的作用。
     

    汽車火花塞

     

    通常來說,常見的發動機的每一個缸有一支火花塞,每一支火花塞通過高壓電火花放電的瞬間點著汽油和空氣的混合氣體,由于點火瞬間實在是太短了,燃油的能量無法更多的釋放出來并利用。沒有火花塞,汽油發動機無法工作。

    二、熱機的效率

    初中物理課本上說,汽油機的熱效率是20%-30%。

    汽油機的熱效率是20%-30%

    為什么汽油機的熱效率20%-30%那么低?

    發動機火花塞點燃之后,燃料經燃燒、爆炸開始對外做功,這其中會經歷不完全燃燒的損失、發動機冷卻的損失、活塞上下運動的機械損失、克服進排氣阻力的泵氣損失以及廢氣排出的排氣損失。最后只剩下少部分熱能參與推動活塞、帶動曲軸旋轉,成為有效輸出。
     

    完全燃燒
    火花塞點燃

    當然,初中物理的知識點有點落后。之前號稱世界最高熱效率的豐田2NR-FKE 1.5L引擎有著“高達”38%的熱效率。

    熱效率

    火花塞點火好,也就代表燃燒效率提高,能量的利用率提高,即熱機的效率提高了一點,符合能量守恒定律。

    人類一直在探索各種提高熱機效率的方法。

    三、100年前的雙點火-火花塞

    雙點火火花塞的鼻祖——Twin Fire。

    雙點火火花塞的鼻祖

    1918年,第一次世界大戰期間的雙點火火花塞Twin Fire,100年前的發明者就已經開始從結構上動腦筋,把1個點火火花變成2個了。

    雙點火火花塞Twin Fire

    為什么Twin Fire沒有成功占領市場呢?我推測是這樣的:

    一是當時材料受限,絕緣材質和金屬部件的成分不夠穩定,所以無法使用很久,特別是汽車發動機的壓縮比逐漸提高,無法使用更久;

    二是當時汽車內部沒有行車電腦ECU,不具有自動調節的功能,所以雙火火花塞的效果無法發揮。

    四、雙火花塞方案

    1、早期的汽車雙火花塞方案

    很多年前,國外車企的工程師們就在想,能不能多點1次火,讓燃燒更猛一點呢?如果燃油可以“消化”的更好,那么就可以“吃”的更少一點,也可以排放的更少一點。

    1978年。NISSAN尼桑的Z18 1.8L 雙火花塞四缸發動機,是目前所知的雙火花塞汽車汽油發動機的鼻祖。

    這種每缸兩個火花塞的技術,被稱為NAPS-Z,是來自日立的技術支持,通俗的說,就是電子控制雙點火燃油噴射,它被運用在了NISSAN尼桑Z系列發動機上。之后,雙火花塞方法用在NISSAN的CA系列的發動機上,稱為NAPS-X,取代了NAPS-Z。

    NAPS-Z的特點是:

    燃燒效率非常出色,所以燃料經濟性、駕駛性較好。

    尾氣降低,CO、HC、NOX降低,燃料得到了穩定燃燒。

    解決了快速燃燒時帶來的燃燒噪音的問題。

    進行精簡的排氣系統達到的技術受到了好評獲得了獎項。

    發動機的易啟動性提高了。

    結構上簡單易實現。

    雙火花塞

     

    隨著NISSAN尼桑的全球銷量擴展,NAPS-Z技術被售賣到全球各大洲,有代表性的雙火花塞車型是1983年NISSAN尼桑的Datsun達特桑720車型,搭載Z24 2.4升雙火花塞四缸發動機,可以產生103馬力(77千瓦 )。

    這時期的雙火花塞點火系統不是智能控制,所以未能得到大面積的推廣應用。

    在點燃式發動機上使用雙點火系統,不僅出現在汽車上,更是出現在摩托車發動機和飛機發動機上。

    2、摩托車雙火花塞方案

    摩托車使用雙點火系統的有寶馬、本田、杜卡迪等品牌。2012年杜卡迪Multistrada摩托車升級了雙火花塞后,帶來更高效的燃燒,這一變化導致扭矩增加了5%,燃油消耗也有5%的改善。

    2003年起,德國寶馬公司在新型R1100S、R1150GS、R1150R、R1150RS和R1150RT等雙缸摩托車上都應用了“雙火花塞點火”新技術。寶馬公司稱:這種“雙火花塞點火”技術可以進一步改善尾氣排放、增強車的穩定性,并且在發動機的大范圍運轉過程中,使燃燒趨于一致。這次改進是為新的排放標準做準備,包括歐Ⅱ、歐Ⅲ標準,同時,這一技術還使提高發動機的效率成為可能,主要表現在燃料消耗量的減少上。

    3、飛機雙火花塞方案

    雙點火系統使用在飛機引擎上,有兩個優點:一是更有效的燃燒燃料空氣混合物,二是更考慮到提供一個重復的點火系統,以減少飛行引擎失敗的事故。所以雙點火系統通常會提供每個汽缸都有雙火花塞以及兩個點火系統(點火線圈等)。雙點火系統可以讓飛機的一套點火系統故障后,飛機繼續飛行以及安全著陸。

    例如, Jabiru 5100是澳洲Jabiru Aircraft制造的一個輕量級的四沖程飛機引擎。

    Jabiru 5100

    雙火花塞最早可追溯到第一次世界大戰期間的一些飛機發動機,例如Hispano-Suiza 8 、 Mercedes D.III等飛行發動機,所以說汽車和摩托車的雙點火系統是學飛機發動機的。

    Mercedes D.III

    采用雙點火系統的發動機,雙個火焰可以促進發動機效率更高,提供更快、更完全的燃燒,從而增加發動機的功率。

    4、現代主流汽車的雙火花塞方案

    由于汽車和摩托車的發動機較小,放置雙火花塞及其點火線圈的氣缸位置空間有限,現代的汽車雙火花塞方案采用的不夠普遍,通常都是較大排量的發動機才有較充足的地方放置。

    國內常見的雙火花塞車型是本田飛度1.3L、思迪1.3L,而其他在國外銷售且進口數量極少的車輛,幾乎都是中高檔車型,也是一般車主不易知道的事實。

    雙火花塞點火系統的優點是:

    1、采用雙火花塞點火后,兩個火花塞同時點火使混合氣爆炸燃燒,急速形成較強烈的渦流,大幅度加快了火焰的傳播速度,同時火焰傳播距離理論上縮短了1/2,燃燒所用的時間也相應縮短,大幅度提高了熱量利用率。

    2、由于燃燒時間縮短,最大扭矩的點火提高角可以推遲。因此,點火時,燃燒室混合氣的溫度和壓力都較高,有利于著火和迅速燃燒。

    3、混合氣在燃燒室內無論在空間和時間上都是不均勻的,因此存在電火花點火的失火率問題(沒點著),而兩個火花塞同時點火,可使失火率降低一倍。在稀燃發動機中,利用雙火花塞的高能點火也是有利的。

    4、兩個火花,可實現更穩定的燃燒,減小氣缸內紊流的吹滅影響。

    現代主流汽車采用雙火花塞方案的汽車型號,不完全統計如下:

    數據

     

    數據

     

    數據

    這么品牌的車型采用雙火花塞的方案,無非是為了3點:動力性、燃油經濟性、排放性。

    五、創新中的汽車火花塞

    從博世公司的火花塞歷史上,可以看出,20世紀50年代以前,博世一直在不斷在探索新的火花塞造型和樣式,如下圖。到了70年代以后,隨著汽車的成熟,火花塞的樣式相對就比較固定了。

    80年代以來,汽車汽油發動機的研究和發展趨勢是渦輪增壓,這就會讓火花塞帶來更熱的電極溫度和更多磨損,所以火花塞材質逐漸向貴金屬過度,銥金,鉑金等高熔點金屬變成了電極的材質。

    創新中的汽車火花塞

    而另外一個發展趨勢是分層燃燒、廢氣再循環、稀薄燃燒,這就要求在氣缸蓋內增加冷卻水道和加大氣門孔徑設計,于是更細更長的火花塞就成為方向。

    近30年來,火花塞的創新通常就是針對不同車型,在火花塞電極結構和材質上的創新。

    創新的目的就是為了使火花塞能夠盡量充分點燃燃料燃燒,提高點火效能,提升動力,降低油耗,減少尾氣排放,也要延長使用壽命。

    材質的創新通常有鉑金電極火花塞、銥金電極火花塞、銀電極火花塞等。

    電極結構的創新有雙級火花塞、三極火花塞、四級火花塞、巖面放電火花塞、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獨家的做法。

    E3是一個特殊的不規則形狀的電極。

    思沃士達是四級銀質巖面點火的電極。

    思沃士達還有激光燒制的三次點火的沿面火花塞,也是為了增加點火數量。但它是類似定制產品,激光燒制的速度較慢,無法大規模生產,特別由于車型受限,也無法標準化。

    極燃,高性能節油火花塞,產品通過獨一無二的雙倍火焰設計,提升燃燒線電壓20%-50%,燃燒時間快10%!通過讓每一滴汽油極限燃燒的方式,解決了汽油燃燒不充分的問題,能夠讓汽車發動機燃燒室內幾乎沒有積碳!通常,對比傳統火花塞,能夠使汽車油耗降低約10~30%、動力提升10~30%、尾氣減少50%+

    新型火花塞

    還有有可能取代火花塞的下一代產品——電暈放電點火系統。

    美國輝門集團開發的一種電暈放電點火系統,這是一種高頻點火器,系統通過精確控制放電電場強度來電離周圍介質從而產生電暈放電效果,提供的點火能量可以是傳統火花塞的1000倍,能夠最大化提高燃燒的速率,可點燃性和燃燒穩定性這種電暈放電系統能將燃油效率提高5%~10%。

    但是,電暈點火系統的頻率范圍和功率范圍比較特殊,也給研發帶來了困難。一是可能會干擾車輛通信,二是高能量消耗了一部分的電能,從能量守恒原理,也浪費了一部分汽油,三是每個型號的車輛在安裝之前,都必須做發動機標定,相當于一部分工作需要重新設計,否則與發動機不匹配帶來很多問題,四是市場存量車型無法直接更換使用該產品。該產品方案研發10多年了,目前還未見大量商用,可見難度不小。

    六、火花塞可以節油的科學原理

    火花塞不斷的在發展,每一次的變化,都是性能不一樣的結果,那么,它是如何起作用在節油上的呢?先了解幾個理論知識。

    1、什么是空燃比

    空燃比,是混合氣中空氣與燃料之間的質量的比例。從理論上說,每克燃料完全燃燒所需的最少的空氣克數,叫做理論空燃比。汽油發動機的理論空燃比是14.7:1。

    空燃比

    空燃比大于理論值的混合氣叫做稀混合氣,氣多油少,燃燒完全,油耗低,污染小,但功率較小??杖急刃∮诶碚撝档幕旌蠚饨凶鰸饣旌蠚?,氣少油多,功率較大,但燃燒不完全,油耗高,污染大。

    汽油機的空燃比在12~13時功率最大,在16時油耗最低,在18左右污染物濃度最低。因此,為了降低油耗和減少污染,應當盡量使用空燃比大的稀混合氣,只在需要時才提供濃混合氣。

    也就是說,空燃比越大越省油,空燃比越小越費油,理論空燃比14.7:1最環保。

    2、什么是開環與閉環

    汽車發動機有兩種運作模式:閉環控制和開環控制。

    為了滿足發動機各種工況的要求,混合氣的空燃比不能都采用閉環控制,而是采用閉環和開環相結合的策略。

    開環控制是噴油量直接讀取ECU內的基本供油曲線MAP,而不看氧傳感器的信號。在冷車、啟動、水溫過低、大腳油門、急加速、跛腳模式(氧傳感器損壞)、換擋、爬坡、重負荷等情況下,進入開環控制。

    開環控制時,根據油門深度、進氣壓力、轉速等數據找基本供油曲線MAP計算噴油量,也就是說ECU不修正噴油量,此時油耗高,廢氣較不干凈,汽車較有力。

    閉環控制是氧傳感器、計算機ECU和燃油量控制裝置三者之間閉合的三角關系。氧傳感器告訴計算機混合氣的空燃比情況,計算機發出命令給燃油量控制裝置,向14.7:1的理論值的方向調整空燃比。

    閉環調整極快并連續不斷,保證汽車不僅具有較好的動力性能,還可以省油。此時ECU根據氧傳感器的數據修正噴油量,盡可能使空燃比能維持在14.7,以減低油耗,使廢氣能更干凈,不過車子相對沒力。

    氧傳感器會送給ECU一個電壓信號,來表示排放出的廢氣含氧量是多還是少, 來表示發動機供油過稀或過濃,修正空燃比到14.7:1。另外,由于三元催化的工作條件是在空燃比接近14.7:1的時候才能達到最佳凈化率, 所以當引擎負荷不重時, ECU就會拼命修正供油量來達到14.7:1的空燃比值, 來讓觸媒能有效地凈化廢氣。

    也就是說,閉環省油,開環費油。

    3、燃燒的更好的火花塞什么樣?

    下圖是示波器看到的火花塞在點火工作時候的圖形,主要由點火線圈充電、點火擊穿、擊穿后的燃燒,這三部分組成。

    舉例:

    這個示波器的對比圖像上可以看出,同樣一輛車,同一個缸,不同火花塞的擊穿電壓、燃燒電壓、燃燒時間不一樣。

    上圖第二個圖是我司的極燃火花塞在工作時的燃燒線電壓相較于第一個圖傳統火花塞高20%-40%,初始燃燒時間縮短10%左右,說直白點就是燃燒的更旺、更快,讓汽油更容易點燃,更快燃燒,從而使汽油能夠更充分燃燒,減少尾氣排放的同時,能夠用更少的油耗提供更多的動力。

    燃燒好,燃燒速度快,缸壓變大,ECU控制點火提前角變小。

    打個近似的比方,成龍和李小龍各自打出一拳,李小龍出拳快,力量更大。

    燃燒好,燃燒速度快,缸壓變大,發動機扭矩變大,司機如果依舊以原先的腳力去踩油門,因為扭矩變大的原因,車速及加速度就會適當超過原來,也就是說,車輛更有力了,油門不需要踩那么多了,也就是油門變輕變靈敏了。

    燃燒的更好的火花塞什么樣?

    油門其實應該叫做“氣門”才對。

    在目前常見的電控燃油噴射系統中,閉環狀態時,ECU根據發動機轉速信號和空氣流量計信號,查表確定基本噴油時間,這個基本噴油時間是根據理論空燃比 14 .7∶1來計算噴射的。

    油門(加速踏板)的深、淺,直接影響空氣流量的信號,空氣流量就是控制基本噴油時間的大小的。油門深,基本噴油時間大,油門淺,基本噴油時間小。

    更換高性能火花塞后,車主基本上都會覺得油門變輕了,變靈敏了,就是這個道理。

    那么,高性能火花塞的點火能量如何來?滿足能量守恒定律嗎?很多人有此懷疑。

    白熾燈和節能燈,同樣都是10瓦的型號的話,節能燈更亮,因為白熾燈對于電的利用率低,把一部分電變成了熱量,所以白熾燈更燙。

    傳統火花塞,就像白熾燈一樣,也存在同樣的電量無法提高利用率的問題,專業上叫做火花的消焰作用,電量浪費變成熱量了。高性能火花塞,都是在提高電量的利用率,就像節能燈一樣會更亮。

    好的火花塞,本質上是放電能力更強,擊穿更容易,燃燒更穩定更迅速。

    4、火花塞修正空燃比

    汽車是一套完整的反饋系統,觸動發動機的心臟部件火花塞,一定會造成其他一連串的變化,打破原有的平衡狀態。

    更換高性能火花塞后,行車電腦ECU一開始按照原先的記憶工作,之后因為燃油燃燒的更干凈的原因,氧傳感器(也叫空燃比傳感器)檢測到廢氣中含氧量變低,反饋信號給行車電腦ECU說,喂,你油給多了!

    行車電腦ECU認為此時的空燃比低于14.7,例如14.6,即噴油過濃,進氣過少,便立刻指揮說能不能少噴點油??!

    行車電腦ECU想修正空燃比到14.7,實際上這樣調整就已經到了14.8。(以上數值為舉例數值,不是代表確定數字)

    行車電腦ECU修正空燃比,實施的方法是讓噴油脈寬(噴油時間)向理論14.7:1的方向趨近,所以這里必須說燃油修正這個概念。

    短期燃油修正

    短期燃油修正的數值用-100%~+100%之間的百分比表示,中間點為0%。

    如果短期燃油修正的數值為0%,則表示空燃比為為理想值14.7∶1,混合氣既不太濃,也不太稀。如果短期燃油修正顯示高于0%的正值,則表示混合氣較稀,行車電腦ECU在對供油系統進行增加噴油量的調整。

    長期燃油調整值

    如果混合氣過稀或過濃的程度超過了短期燃油修正的范圍,這時就要進行長期燃油調整。

    長期燃油調整值又稱為學習值,是由短期燃油修正值得到,并代表了燃油偏差的長期修正值。

    如果長期燃油調整顯示0%表示為了保持ECU所控制的空燃比,供油量正合適;如果長期燃油調整顯示的是低于0%的負值,則表明混合氣過濃,噴油量正在減少(噴油脈寬減?。?;如果長期燃油調整顯示的是高于0%的正值,則表明混合氣過稀,ECU正在通過增加供油量(噴油脈寬增大)進行補償。

    長期燃油調整可以在較長時間后將朝所要求的方向明顯地改變供油量。

    燃油修正數據都會存儲在行車電腦ECU中。

    發動機ECU控制的實際噴油值(噴油脈寬)

    =計算噴油值 ×(1+長期噴油修正+短期噴油修正)+ 電壓修正+其他修正。

    注:查表基本供油曲線MAP即計算噴油值;此處假定影響噴油脈寬的其他因素(水溫修正、氣溫修正、電壓修正)是定量,不然太復雜了。

    如果更換了新火花塞,特別是高性能火花塞后,因為燃燒變好,排氣中的氧氣變少,短期噴油修正傾向負值,長期噴油修正傾向且變成負值。車輛的耗油量就是把千千萬萬次的噴油數值累加起來的結果,當每一次的噴油脈寬(噴油時間)傾向減少且減少,即車輛進入相比之前更節油的狀態。

    如何理解噴油的調節修正過程?

    就像洗熱水澡,冷水和熱水,就像汽車的進氣和噴油,假設把進氣看成冷水管,噴油看成熱水管,假如因為某個原因水壓變大了,導致混合后的出水速度變快、水溫變高,我們為了調回原來的水溫和原來的出水速度,就會同時將紅色的熱水閥調小、綠色的冷水閥調大,經過若干次調節后,恢復原來的溫度和速度,進入節約熱水的狀態。

     

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