火花塞

背景

火花塞的目的是为电火花提供一个位置，该火花足够热以点燃内燃机燃烧室内的空气/燃料混合物。这是通过高压电流电弧穿过火花塞上的间隙来完成的。

火花塞由中心电极、绝缘体、金属外壳或外壳和侧电极（也称为接地电极）组成。中心电极是一根粗金属线，它纵向位于插头内，将电流从钩在插头一端的点火电缆传导到另一端的电极间隙。绝缘体是一个陶瓷外壳，围绕着中心电极的大部分；中心电极的上部和下部都暴露在外。金属外壳或外壳是带有螺纹的六角形外壳，可以将火花塞安装到发动机气缸盖的螺纹插座中。侧电极是一根由镍合金制成的短而粗的线，它连接到金属壳并朝中心电极延伸。侧电极和中心电极的尖端彼此相距约 0.020 - 0.080 英寸（取决于发动机的类型），从而为火花跨越创造了间隙。

数百种可用的火花塞涵盖了各种内燃机驱动的交通工具、工作和娱乐车辆。火花塞用于汽车， 卡车、公共汽车、拖拉机、船（舷内和舷外）、飞机、摩托车、踏板车、工业和油田发动机、燃油燃烧器、动力割草机和链锯。涡轮点火器，一种火花塞，有助于为喷气发动机提供动力在当今大多数大型商用飞机中，而电热塞则用于柴油发动机应用。

火花塞的热范围或额定值是指其热特性。它是衡量热量从塞子尖端、点火端转移到发动机气缸盖需要多长时间的量度。火花发生时，如果塞尖温度过低，碳、油和燃烧产物会导致塞“结垢”或失效。如果塞尖温度太高，会发生提前点火，中心电极燃烧，活塞可能会损坏。根据发动机类型、发动机负载、燃料类型和其他因素，通过改变绝缘体鼻部的长度来改变加热范围。对于“热”插头，使用带有长锥形鼻子的绝缘体；对于“冷”插头，使用短鼻绝缘体。

火花塞在华氏 4,500 度的腐蚀性气体、每平方英寸 2,000 磅 (PSI) 的压碎压力和高达 18,000 伏的放电压力下持续受到化学、热、物理和电腐蚀。这种在典型汽车引擎盖下的无情攻击每秒发生数十次，在一天的驾驶中发生超过一百万次。

历史

火花塞是随着内燃机发展起来的，但最早使用电火花点燃燃料空气混合物的演示是在 1777 年。那一年，亚历山德罗·沃尔特 (Alessandro Volta) 将沼气和空气的混合物装入玩具手枪，塞住枪口，并用 Ley den 罐中的火花点燃装药。

1860 年，法国工程师让·勒努瓦 (Jean Lenoir) 发明了与火花塞最相似的东西为了制造火花塞，制造商首先将钢挤压或冷成型为适当的中空形状 (1)。此时，钢形成矿石，称为“坯料”。接下来，这些坯料进行进一步的成型操作，例如机加工和滚花 (2)，然后连接侧电极 - 只有部分弯曲 - 连接 (3)。陶瓷绝缘体的中心有一个空心孔，在压力下成型 (4)。今天的。他将绝缘体、电极和火花隙组合在一个单元中。作为他当年申请内燃机专利的一部分，他用了一句话来描述火花塞。他在 1885 年改进了这个火花塞。

1900 年代初期，Robert 和 Frank Stranahan 是汽车零部件进口业务的兄弟和合作伙伴，他们着手生产更高效、更耐用的火花塞。他们在金属外壳和瓷器之间添加了垫圈绝缘体，使制造更容易，并降低了气体通过垫圈泄漏的可能性。 1909 年，罗伯特·斯特拉纳汉 (Robert Stranahan) 将火花塞卖给了一家汽车制造商，并涉足火花塞制造业务，在当时垄断了市场。

随着汽车时代的开启，该行业出现了爆炸式增长。最终，点火系统、燃料和性能要求的变化对火花塞提出了新的要求。尽管插头的基本设计和功能自问世以来几乎没有变化，但已经尝试了种类和数量惊人的电极和绝缘体材料。

原材料

火花塞中的电极通常由高镍合金制成，而绝缘体通常由氧化铝陶瓷制成，外壳由钢丝制成。

电极和绝缘体材料的选择耗费了大量的研发时间和成本。一家主要的火花塞制造商声称已经测试了 2,000 种电极材料和超过 25,000 种绝缘体组合。随着电极腐蚀，它们之间的间隙变宽，并且需要比点火系统提供的更多电压来点燃它们。高镍合金已得到改进，并使用更厚的电极来减少发动机性能损失。此外，制造商越来越多地使用贵金属和稀有金属。许多现代插头具有银色、 金色、 和电极中的铂，更不用说带有铜芯的中心电极了。银具有优于其他电极金属的导热性，而铂具有优异的耐腐蚀性。

绝缘体材料也会对火花塞性能产生巨大影响。研究继续寻找一种材料，可以更好地减少从插头端子到外壳的闪络或漏电。硅线石这种在自然状态下发现并人工生产的材料的突破性使用，已经通过使用更耐热的氧化铝陶瓷取得了成功，其成分是制造商的秘密。

一个主要制造商的绝缘子制造工艺包括在仔细控制的条件下，在球磨机中湿磨成批的陶瓷颗粒。颗粒的确定尺寸和形状可产生制造优质绝缘体所需的自由流动物质。颗粒是通过严格的喷雾干燥操作获得的，该操作从陶瓷混合物中去除水分，直到准备好倒入模具。

制造
过程

火花塞的每个主要元件——中心电极、侧电极、绝缘体和外壳——都是在连续的在线组装过程中制造的。然后，侧电极连接到外壳，中心电极安装在绝缘体内部。最后，主要部件组装成一个单元。

外壳

1 一体式火花塞外壳可以通过多种方式制造。当使用实心钢丝时，钢可以冷成型，从而在相对较低的温度下形成和模制钢卷。或者，钢可以被挤压，在这个过程中金属被加热，然后被推过一个成形的孔口（称为 模具） 以产生适当的空心形状。外壳也可以由钢条制成，然后送入自动螺丝机。这些机器完全成型外壳，在外壳上钻孔，然后铰孔——这一过程可以提高钻孔的光洁度并使孔的尺寸更加精确。
2 成型或挤压成型的壳——称为坯料直到它们被塑造成最终形状——需要对它们进行二次操作，例如机加工和滚花。滚花壳坯涉及将其通过坚硬的带图案的辊子，这些辊子在坯件的外部形成一系列脊。类似地，机加工——其中机床切入壳坯的外部——在壳的外部产生形状和轮廓。外壳现在处于最终形状，除了螺纹和侧电极外已经完成。

侧电极

3 侧电极由镍合金丝制成，从辊子送入电焊机，拉直，然后焊接到外壳上。然后将其切割成合适的长度。最后对侧电极进行局部弯曲；在插头组件的其余部分就位后，它会进行最后的弯曲。
4 然后将线卷在壳上。现在完成后，外壳通常会通过电解过程获得永久性和保护性的银色饰面。在这个过程中，外壳被放置在酸、盐或碱的溶液中，电流通过溶液。结果是均匀地涂在外壳上的薄金属涂层。

绝缘体

5 绝缘子由库存供应。首先将液体形式的绝缘体陶瓷材料倒入橡胶模具中。特殊压力机自动施加液压以生产未烧制的绝缘子坯料。中心电极将被压入的孔（绝缘体的中空部分）的尺寸受到严格控制。
6 台特殊的轮廓磨床在绝缘体在隧道窑中烧制到超过 2,700 华氏度的温度之前，赋予压制的绝缘体毛坯最终的外部形状。计算机控制的过程生产出均匀坚固、致密且耐潮的绝缘体。绝缘体可以在标识标记和上釉后再次烧制。

中心电极

7 首先将镍合金中心电极电焊到基本钢接线柱上，这是一条从插头中间延伸到下端（电极间隙的另一端）的细金属线。接线柱连接到螺母上，螺母又连接到为插头提供电流的点火电缆上。
8 中心电极/接线柱组件密封在绝缘体中并在极压下夯实。然后在 6,000 磅的压力下将绝缘体组件密封在金属壳中。铰孔以校正深度和角度后，壳的边缘或边缘 - 称为法兰 — 弯曲或卷曲以完成气密密封。库存的火花塞垫圈压在塞体上，这样它们就不会脱落。
9 为了在两个电极之间形成适当的间隙，现在完全组装好的火花塞的中心电极按照规格进行机器修整，接地电极最后弯曲。

接线柱和中心电极电焊在一起，然后插入绝缘体 (5) 内的孔中。然后在极端压力下密封该组件。最后，中心电极被加工成其精确形状，侧电极被赋予其最终弯曲 (6)。