汽车火花塞电流方向分析

王圣涵，王鹏



汽车火花塞电流方向分析

王圣涵1，王鹏2

（1.东营市第一中学，山东 东营 257091；2.东营职业学院，山东 东营 257091）

汽车点火系统中，高压缸线中的电流方向，是一个有争议的问题。文章从高中物理的角度出发，根据右手螺旋定则、法拉第电磁感应定律、带点离子在电场中的运动原理，对火花塞电流进行了分析，得出电流从接地电极到中心电极流动的结论。

火花塞；电磁；电场

1 问题的提出

汽车传统点火系统中，火花塞放电击穿空气，产生电火花，电火花点燃可燃混合气，可燃混合气爆炸做功，推动发动机的活塞运动，从而带动曲轴转动，实现车辆的运行。对于这个过程，几乎没有人提出疑问。但是，既然产生了电火花，那么火花是从接地电极（旁电极）到中心电极（主电极）的，还是从中心电极到接地电极的？对于这个问题，许多资料都没有给出明确的解释，网友也众说纷纭，各执己见。由此也带来一个问题，火花塞的中心电极和接地电极相比较谁的电压高呢？电压的高低，决定了两者之间形成的电场的方向，而电场的方向又决定了离子或电子的移动方向，也就决定着电流的方向。下面将从最基础的物理理论出发，对这些问题进行合理的解释。

图1 典型火花塞结构

2 火花塞电极方向分析

传统点火系统工作过程分析时，经常用到图2所示电路图。

图2

这是一个无触点点火系统的分析图，图中明确的标出了电流的方向，特别是虚线箭头方向指的是点火线圈到分电器、火花塞的电流方向，可以清楚的看出电流是从接地点到火花塞主电极，再到配电器的。可以得出结论：经过火花塞的电流是从接地电极（旁电极）到中心电极的。下面对上图进行分析。

2.1 开磁路式点火线圈的结构

上图所示是开磁路式点火线圈，它有两组线圈组成，分别称为初级线圈和次级线圈，都是采用漆包线绕制而成，其中初级线圈相对较粗，截面积大概在0.5-1.0平方毫米之间，一般设计为200-500匝；次级线圈采用截面积为0.1平方毫米的漆包线，在15000-25000匝左右，它们缠绕在同一个铁心上，初级线圈和次级线圈内磁通量变化是相同的。

2.2 电磁规律对电流方向的判断

从上图我们可以看到，当接通点火开关S以后，电流会依次通过点火线圈的正极、负极、点火控制器、搭铁回到电源负极，从而完成初级线圈电路的闭合。点火控制器控制着初级线圈的通断，当初级线圈通电的时候，根据右手螺旋定则，我们可以很简单的判断出磁通的方向是向上的，而由于线圈匝数较多，在200-500匝之间，形成的磁通也较大。当初级线圈断电的瞬间，磁通会从一个较大的值降到零，从而引起次级线圈内的磁通量变化。根据楞次定律：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化[1]。我们可以很简单的用右手螺旋定则判断电流的方向。因为向上的磁通在减少，感应电流的磁场方向向上，右手环绕方向就是电流的方向，判断的结果恰好与图中所示方向相同。由于次级线圈的匝数在15000-25000之间，磁通量变化引起的感应电动势较大，达到了18000伏左右，满足了击穿空气，形成电流的条件。

2.3 感应电动势分析

感应电流的产生，离不开感应电动势，从我们判断出的次级线圈环绕方向和电流走向来看，次级线圈的下端为正极，上端为负极（我们把环绕的次级线圈看成是电源内部，在电源内部，电流是从负极流向正极的次级线圈的），而负极是与高压钢线、配电器、火花塞中心电机相连接的，由此可以判断出火花塞的主电极是负电极。

2.4 电荷在电场的移动

要说明感应电流的产生，我们首先需要了解正负离子和正负电荷在电场中的移动问题，如下图所示，如果在A点放置一个正电荷或者正离子，在电场力作用下，它将沿着电场线向B端移动。如果在B端放一个负离子或者负电荷的话，在电场力作用下它将逆着电场线向A端移动。当然，如果我们在电场线左右两端放置正负极板的话，根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引[2]的理论更容易得出结论。

图3

我们上面已经分析出火花塞的中心电极（主电极）是负极，那么接地电极（侧电机）是什么呢？它肯定不是正电极，因为它是与火花塞金属外壳相连的，最终与电源的负极相连，这里我们可以把接地电极的电位看成0V。在汽车上，接地电极是搭铁的，电位是0。接地电极电位是0，中心电极电位在负的18KV左右，这里需要注意的0>-18KV，也就是说，电场方向是从接地电极指向中心电极的。

2.5 电火花的形成

汽车火花塞点燃的是可燃混合气，可燃混合气随着发动机压缩行程的进行，会生成大量的正负离子。这些正负离子在火花塞中心电极和侧电极形成的电压为18KV的电场中，受到电场力作用，正离子或正电荷会迅速向中心电极移动，形成电流；负离子或负电荷会向接地电极移动，也形成一个电流，负电荷形成的电流与负电荷移动方向相反，因此两个电流形成的方向一致，这个电流就是我们所说的电火花。电火花接通了侧电极和中心电极，从而形成了图2所示的电流方向。

3 结论

通过以上分析，我们可以清晰的认识到，图2所画的电流方向，并没有错。我们之所以难以理解，是我们对负高压缺乏正确的认识。电流的方向是从高电势流向低电势的，我们习惯接受电流从正极流向负极，对电流从0流向负极这种高电势流向低电势缺乏清醒的认识，是造成这个问题讨论不休的主要原因。

[1] 人民教育出版社编著.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2,2017年7月（8）,11.

[2] 人民教育出版社编著.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1,2017年7月（8）,11.

Analysis of current direction of automobile spark plug

Wang Shenghan1, Wang Peng2

( 1.Dongying No.1 Middle School, Shandong Dongying 257091; 2.Dongying Vocational College, Shandong Dongying 257091)

The direction of the current in the high-pressure cylinder line is a controversial issue in the automotive ignition system. From the point of view of high school physics, according to the right-handed spiral rule, Faraday's law of electromagnetic induction, and the principle of motion of point ion in electric field, this paper analyzes the spark plug current, and draws the conclusion that the current flows from the ground electrode to the center electrode.

Keywords: Spark plug; electromagnetic; field

G302

B

1671-7988(2018)20-126-02

G302

B

1671-7988(2018)20-126-02

王鹏，男，（1974-），汉族，山东省广饶县人，讲师，教育硕士，主要研究方向为物理教学论、汽车理论分析、新能源汽车教育等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.046