周邊拓展|解析火花塞點火關鍵——火焰核的誕生與消焰作用的制衡

火花點火的過程分為：預擊穿階段、擊穿階段、電弧放電階段、電弧到輝光放電的過渡階段、輝光放電階段，之后形成火焰核及火焰?；鹧婧耸腔鸹ㄈ鹧嫘纬蛇^程中一個關鍵的階段產(chǎn)物，后續(xù)的燃燒過程也將圍繞這個核心展開，而與之密切相關的概念就是消焰作用。今天我們就來聊一聊這兩個概念以及兩者之間的關系。

火焰核

當火花塞產(chǎn)生的電火花點燃混合氣時，在電極間隙附近首先形成一個微小的、具有高溫和化學反應活性的區(qū)域，這就是火焰核。

在火焰核形成前，由于電極的溫度為幾十到幾百攝氏度不等，冬季啟動著車時甚至是零下幾十攝氏度，遠遠低于點火擊穿時的等離子體、電弧放電、輝光放電的幾千、幾萬度的溫度。由于電極金屬導熱迅速，電極的“寒冷”會帶走熱量，冷卻放電的溫度。如下示意圖所示，間隙越小，相對帶走的熱量越多，因而火焰核的產(chǎn)生越慢，過小的間隙甚至容易發(fā)生熱量被帶走，冷卻導致熄滅的情況。間隙適當大，有利于火焰核的順利產(chǎn)生。

同時，電極直徑越粗，即接觸面積越大，相對帶走的熱量也越多，火焰核的產(chǎn)生越慢。反之，電極直徑越細、電極越尖越，帶走的熱量越少，冷卻作用越小，有利于火焰核的順利產(chǎn)生。

在火花塞放電的瞬間，電極間隙間的混合氣被電離，形成等離子體通道。這個通道內(nèi)的氣體溫度急劇升高，達到混合氣的著火溫度以上。同時，在高能量的作用下，混合氣中的燃料分子和氧氣分子開始發(fā)生劇烈的化學反應，釋放出大量的熱量。這些熱量使得周圍的混合氣也開始升溫并參與反應，火焰核的尺寸逐漸擴大。例如，在汽油發(fā)動機中，當火花塞產(chǎn)生火花后，汽油蒸氣和空氣的混合氣在火花周圍首先形成火焰核，這個火焰核的初始直徑可能只有零點幾毫米，但隨著燃燒反應的進行會迅速增大。

1、火焰核的生長

火焰核一旦形成，就會像一個不斷擴張的 “能量球” 一樣。由于燃燒反應是放熱反應，火焰核內(nèi)部產(chǎn)生的熱量會通過熱傳導、熱輻射和對流等方式傳遞到周圍的未燃混合氣中。這使得火焰核周圍的混合氣溫度升高，當達到著火溫度后，這些混合氣也開始燃燒，從而使火焰核的體積不斷增大。在理想的情況下，火焰核會以近似球形的方式向外擴展，并且其擴展速度與混合氣的性質(zhì)（如混合氣濃度、溫度、壓力等）、燃燒室內(nèi)的氣流運動等因素密切相關。

2、燃燒傳播

隨著火焰核的生長，燃燒反應從火焰核所在位置向整個燃燒室傳播。在這個過程中，火焰前鋒（火焰核與未燃混合氣之間的邊界）以一定的速度在混合氣中推進。對于不同類型的發(fā)動機，這個燃燒傳播速度有所不同。例如，在一些高性能發(fā)動機中，通過優(yōu)化燃燒室內(nèi)的形狀、進氣和排氣系統(tǒng)以及火花塞的位置等，可以使燃燒傳播速度更快，從而提高發(fā)動機的動力輸出和燃燒效率。燃燒傳播過程是否均勻和快速直接影響發(fā)動機的性能，不均勻的燃燒傳播可能導致發(fā)動機抖動、動力輸出不穩(wěn)定以及燃油經(jīng)濟性下降等問題。

消焰作用

消焰作用是指阻止火焰?zhèn)鞑セ蛘咭种苹鹧婧松L的過程。在發(fā)動機燃燒系統(tǒng)中，消焰作用可能是由于一些不利于燃燒的因素導致的。這些因素會吸收火焰的熱量、干擾火焰?zhèn)鞑ヂ窂交蛘咂茐娜紵磻幕瘜W平衡，從而使火焰無法正常傳播或者火焰核無法正常生長。

1、電極的消焰作用

形成火焰核時，同樣也會遇到電極帶走熱量的問題，這就是電極的消焰作用。如下圖所示，間隙越小，相對帶走的熱量越多，因而火焰發(fā)展越慢。間隙越小消焰作用越大，可能發(fā)生熱量被帶走導致火焰核無法穩(wěn)定產(chǎn)生而熄滅的情況。間隙適當加大，有利于火焰核的順利穩(wěn)定的發(fā)展。

同樣道理，電極直徑越粗，即接觸面積越大，相對帶走的熱量越多，火焰發(fā)展越慢。電極直徑越細、電極越尖，帶走的熱量越少，越有利于火焰核的順利穩(wěn)定的發(fā)展。

因此在火花塞電極的設計上，盡量減少電極的冷卻作用和消焰作用，能讓點火容易且火焰核發(fā)展容易，會帶來更好的燃燒性能。

2、混合氣濃度

當混合氣過稀時，燃料分子的數(shù)量相對較少，火焰?zhèn)鞑ミ^程中缺乏足夠的燃料來維持反應，熱量會被大量未燃混合氣吸收，導致火焰溫度下降，最終使火焰無法繼續(xù)傳播，產(chǎn)生消焰作用。相反，混合氣過濃時，氧氣不足，燃燒反應無法充分進行，產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)物，這些產(chǎn)物會阻礙火焰?zhèn)鞑?，并且會吸附在火焰核表面，抑制火焰核的生長。

3、氣流運動干擾

燃燒室內(nèi)強烈的氣流運動如果設計不當，可能會將火焰前鋒吹散，使火焰核與未燃混合氣分離，從而阻止燃燒傳播。例如，在進氣歧管設計不合理的情況下，進入燃燒室的氣流可能會產(chǎn)生漩渦或者紊流，干擾火焰?zhèn)鞑ヂ窂健?o:p style="-webkit-tap-highlight-color:transparent;margin:0px;padding:0px;outline:0px;max-width:100%;box-sizing:border-box !important;overflow-wrap:break-word !important;">

4、燃燒室壁面的冷卻作用

燃燒室的壁面溫度相對較低，當火焰靠近壁面時，熱量會被壁面吸收，使得火焰溫度降低。如果壁面冷卻效果過強，火焰?zhèn)鞑サ奖诿娓浇鼤r可能會熄滅，這也是一種消焰作用。在一些發(fā)動機中，通過采用特殊的燃燒室材料或者隔熱涂層來減少壁面的冷卻作用，提高燃燒效率。

火焰核與消焰作用在發(fā)動機燃燒過程中猶如一對相互制衡的力量，深刻影響著發(fā)動機的運行表現(xiàn)。無論是追求更高的動力輸出、更低的燃油消耗，還是更清潔的尾氣排放，深入的理解火焰核的形成機制以及消焰作用的產(chǎn)生原理，才能巧妙地調(diào)控這兩種力量間的平衡，進而為發(fā)動機與火花塞技術的優(yōu)化升級開辟更為廣闊的道路，實現(xiàn)更卓越的性能提升與更高效的能源利用。

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