王文群，麻 宜

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

火花塞的作用是把高壓導(dǎo)線或筆式、頂置式點(diǎn)火線圈送過來的脈沖高壓電放電，擊穿火花塞兩電極間空氣，產(chǎn)生電火花，以此引燃?xì)飧變?nèi)的混合氣體。除此之外，火花塞還必須保證可靠地冷起動(dòng)，確保車輛在加速時(shí)不出現(xiàn)失火。

車用發(fā)動(dòng)機(jī)按照負(fù)載、工作原理、壓縮比、轉(zhuǎn)速、冷卻方式、燃油的不同而具有不同的特性。同一只火花塞可能在一種發(fā)動(dòng)機(jī)中形成高熱狀態(tài)，而在另一種發(fā)動(dòng)機(jī)中僅僅達(dá)到較低的工作溫度。熱值過高，即散熱不夠，火花塞溫度過高，會(huì)導(dǎo)致爆燃，易使火花塞頭部陶瓷燒損，電極熔解等；而熱值過低，散熱過快，易使火花塞溫度過低，絕緣體尖端會(huì)被燃燒的沉積物嚴(yán)重淤塞，形成分流回路而使點(diǎn)火失敗。

因此，應(yīng)在火花塞和發(fā)動(dòng)機(jī)之間進(jìn)行熱值匹配試驗(yàn)和點(diǎn)火電壓試驗(yàn)，以確?；鸹ㄈ脑O(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配，保證點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性和耐久性?；鸹ㄈ臒嶂祪H與絕緣體裙部的長(zhǎng)短有關(guān)，與電極材料無關(guān)，所以該熱值匹配試驗(yàn)及點(diǎn)火電壓試驗(yàn)適用于各種電極材料的火花塞 （普通鎳包銅電極，銥金、鉑金等貴金屬電極）。

1 火花塞熱特性

火花塞熱值是其耐熱負(fù)荷容量的指標(biāo)，包括1～9九個(gè)數(shù)字， 其中1～3為低熱值， 4～6為中熱值， 7～9為高熱值。具有高熱數(shù)值的火花塞有較大的絕緣體面積，吸熱多而散熱少，為熱型火花塞 （圖1a）；具有低熱數(shù)值的火花塞有較小的絕緣體面積，吸收很少的熱量，很短的熱傳導(dǎo)路徑非常有利于散熱，為冷型火花塞 （圖1b）?；鸹ㄈ麑?dǎo)熱途徑分布如圖2所示。

2 火花塞設(shè)計(jì)要求

1）電氣要求 為防止火花塞在高溫高壓下產(chǎn)生電弧，絕緣體的抗擊穿能力必須足夠大，以使火花塞在使用過程中損壞的可能性最小。

2）機(jī)械要求 火花塞必須能夠承受燃燒室內(nèi)周期性變化的壓力，因此必須保持良好的氣密性。此外，為承受機(jī)械應(yīng)力，還必須有較高的機(jī)械強(qiáng)度（尤其是陶瓷體），讓火花塞殼體能在不發(fā)生永久變形的情況下吸收緊固力矩。

3）溫度要求 伸入燃燒室絕緣體尖端部分的工作溫度不應(yīng)低于500℃，以確?；鸹ㄈ淖詢裟芰?，防止積炭，也不應(yīng)高于900℃，以防止自燃的發(fā)生。

4）抗化學(xué)應(yīng)力性 高溫燃燒時(shí)，燃油中所含的物質(zhì)能夠在火花塞上形成侵蝕性的化學(xué)沉積，從而影響其工作性能，因此，火花塞伸入燃燒室的部分必須具有抗化學(xué)應(yīng)力。

5）抗熱應(yīng)力性 工作期間，火花塞從燃燒室的高溫氣體中吸收熱量，又暴露在下一循環(huán)導(dǎo)入的冷混合氣中，因此絕緣體必須具有相當(dāng)?shù)目篃釠_擊能力。

3 熱值匹配試驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)分析

3.1 熱值匹配概念

火花塞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來說太冷，不能自潔而積炭，新火花塞與過冷積炭火花塞對(duì)比示意圖如圖3所示。

火花塞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來說太熱，產(chǎn)生自點(diǎn)火?；鸹ㄈ^熱示意圖見圖4，過熱導(dǎo)致氣門、活塞損壞見圖5。

3.2 熱值匹配步驟

1）試驗(yàn)儀器準(zhǔn)備1臺(tái)待測(cè)的可以正常在臺(tái)架上運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)，1件切斷爆震控制的ECU（以讓發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最熱工況點(diǎn)），中心電極帶熱電偶和側(cè)電極帶熱電偶的特殊試驗(yàn)用火花塞各1個(gè)，不同熱值的火花塞各1個(gè)，微機(jī)，通信電纜等試驗(yàn)儀器1套。

2）各缸中心電極溫度測(cè)量 確定最熱的氣缸和工況點(diǎn)；驗(yàn)證火花塞的工作溫度范圍，被測(cè)點(diǎn)溫度在正常轉(zhuǎn)速下應(yīng)高于500℃，而在所有轉(zhuǎn)速下應(yīng)低于900℃。

把帶熱電偶的特殊試驗(yàn)用火花塞 （圖6）依次裝配到所測(cè)試氣缸，在全負(fù)荷條件下，測(cè)量范圍從2 000~6 000 r／min， 每隔500 r／min測(cè)溫一次， 被測(cè)點(diǎn)應(yīng)包含最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)。在讀取各點(diǎn)溫度的同時(shí)，還應(yīng)記錄同一轉(zhuǎn)速下的λ值和點(diǎn)火提前角。

3）側(cè)電極溫度測(cè)量 根據(jù)中心電極的溫度，在最熱氣缸做側(cè)電極溫度的測(cè)量，以驗(yàn)證火花塞的設(shè)計(jì)。被測(cè)點(diǎn)溫度應(yīng)低于900℃以確保電極不被熔化，測(cè)試條件和方法與中心電極測(cè)量相同。側(cè)電極溫度測(cè)量裝置如圖7所示。

4）離子流測(cè)量 通過對(duì)離子流信號(hào)的采集，判斷是否有早火或后火產(chǎn)生，以確定火花塞的熱值，并且該熱值距早火有足夠的安全范圍。

依次在最熱缸裝配不同熱值的火花塞，進(jìn)行離子流測(cè)量。在全負(fù)荷條件下，測(cè)量范圍從2000~6000 r／min，每隔500 r／min采樣。為評(píng)估后火，還應(yīng)每隔1.2s抑制一次正常點(diǎn)火，以評(píng)估在正常點(diǎn)火之前是否有離子流產(chǎn)生 （早火）或在正常點(diǎn)火之后是否有離子流產(chǎn)生 （后火）。離子流監(jiān)控示意圖見圖8。

早火是嚴(yán)格禁止的，如有早火產(chǎn)生，則所推薦的火花塞熱值應(yīng)比測(cè)試火花塞的熱值要低2個(gè)熱值檔 （更冷）。對(duì)于后火，被推薦的火花塞最大只能產(chǎn)生40%的后火率。

離子流測(cè)量裝置如圖9所示。

3.3 熱值匹配試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

以下為某發(fā)動(dòng)機(jī)配BOSCH火花塞的熱值匹配和點(diǎn)火電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于溫度測(cè)量的火花塞熱值為7，4400r／min為最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)。

根據(jù)表1中心電極和表2側(cè)電極的溫度數(shù)據(jù)，確定最熱缸為第1缸。在1缸，中心電極和側(cè)電極的最高溫度均小于900℃，正常轉(zhuǎn)速下溫度均高于500℃，推薦的用于溫度測(cè)量的火花塞熱值符合設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)表3離子流測(cè)量數(shù)據(jù)，確定該發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)匹配熱值為7的火花塞，距早火有足夠安全的范圍，正常轉(zhuǎn)速下火花塞溫度達(dá)到自潔溫度以上。

表1 中心電極溫度數(shù)據(jù) ℃

表2 側(cè)電極溫度數(shù)據(jù) ℃

表3 離子流測(cè)量數(shù)據(jù)%

4 點(diǎn)火電壓匹配試驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)分析

4.1 空氣間隙概念

空氣間隙為中心電極和側(cè)電極的距離，如圖10所示。

4.2 點(diǎn)火電壓匹配步驟

1）試驗(yàn)儀器準(zhǔn)備：1臺(tái)待測(cè)的可以正常在臺(tái)架上運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)，1只經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)或整車耐久試驗(yàn)的火花塞，4只不同空氣間隙的新火花塞，微機(jī)，通信電纜等試驗(yàn)儀器1套。

2）在全負(fù)荷條件下，測(cè)量范圍從2 000~6 000 r／min，每隔500 r／min取不同空氣間隙和耐久試驗(yàn)后火花塞的需求電壓值，并進(jìn)行記錄。

3）在怠速和加速工況下，分別測(cè)量不同空氣間隙和耐久試驗(yàn)后火花塞的最大需求電壓值，并進(jìn)行記錄。

4）把火花塞放置于空氣中，記錄點(diǎn)火線圈的最小可供電壓。

5）把火花塞在不同工況下的最大需求電壓和點(diǎn)火線圈最小可供電壓進(jìn)行比較，以確定初始空氣間隙的設(shè)計(jì)和點(diǎn)火線圈供電電壓的設(shè)計(jì)是否符合要求。

4.3 點(diǎn)火電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

火花塞最大點(diǎn)火需求電壓見表4。

測(cè)量到的點(diǎn)火線圈最小可供電壓是27.8kV。

表4 火花塞最大點(diǎn)火需求電壓kV

4.4 點(diǎn)火電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

火花塞在臺(tái)架耐久運(yùn)行100 h后，空氣間隙為0.93mm，在該空氣間隙下最大點(diǎn)火需求電壓為20.8 kV，點(diǎn)火線圈的最小可供電壓為27.8kV。根據(jù)匹配試驗(yàn)規(guī)范，評(píng)價(jià)本試驗(yàn)的方法是對(duì)比最大點(diǎn)火需求電壓和點(diǎn)火線圈的最小可供電壓，如果在所有工況下，線圈的最小可供電壓都比火花塞的最大點(diǎn)火需求電壓高4kV，試驗(yàn)就可通過。

因此，對(duì)于該發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞的設(shè)計(jì)，初始空氣間隙設(shè)計(jì)為0.8~0.9mm是滿足設(shè)計(jì)要求的，點(diǎn)火線圈的可供電壓也滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于熱值高、散熱是快還是慢的定義，不同火花塞供應(yīng)商定義有所不同，本文是針對(duì)BOSCH公司火花塞的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義的。

匹配完成之后，在發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)的開發(fā)階段，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的硬件和發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)EMS的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，均應(yīng)當(dāng)再進(jìn)行一次匹配試驗(yàn)，來驗(yàn)證火花塞的熱值和空氣間隙設(shè)計(jì)是否仍然符合要求。

火花塞的優(yōu)劣將會(huì)影響到整車燃油經(jīng)濟(jì)性、駕駛性等。本文以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，介紹了火花塞的熱特性及與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的試驗(yàn)方法，對(duì)火花塞的開發(fā)、解決試驗(yàn)和售后問題，具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］Bosch公司.BOSCH汽油機(jī)管理系統(tǒng)［M］.吳森，等譯，徐爾強(qiáng)，校.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［2］陳家瑞.汽車構(gòu)造 （上冊(cè)）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］NHSP公司.火花塞匹配實(shí)驗(yàn)規(guī)范［Z］.2008.