李佰奇，李仕成，王星，程曉軍，白鴻，李鐵東（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢，430058）

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小排量渦輪增壓汽油機(jī)火花塞燒蝕與斷裂原因分析

李佰奇，李仕成，王星，程曉軍，白鴻，李鐵東
（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢，430058）

摘 要：針對(duì)耐久試驗(yàn)出現(xiàn)火花塞燒蝕與斷裂問題，主要從火花塞溫度及火花塞性能方面進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)降低側(cè)電極高度可顯著降低側(cè)電極溫度，優(yōu)化側(cè)電極材料可提高側(cè)電極性能一致性，提高陶瓷成型壓力可提高陶瓷抗折斷性能。綜合實(shí)施上述措施后，火花塞故障排除并達(dá)到可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓汽油機(jī)；火花塞；燒蝕；斷裂；可靠性

李佰奇畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)；碩士學(xué)位；現(xiàn)任東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心動(dòng)力總成工程部，工程師；主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)電子控制與性能匹配。已發(fā)表多篇論文。

1 前言

隨著對(duì)車用動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性等方面的進(jìn)一步需求, 渦輪增壓技術(shù)逐漸成為車用內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域最主要的發(fā)展方向之一[1]。與同排量自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，缸內(nèi)的熱負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷明顯加劇，對(duì)于火花塞而言，在抗熱沖擊、抗電燒蝕、抗機(jī)械沖擊、抗腐蝕及密封[2]等方面將遭遇更大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致開發(fā)過程中火花塞出現(xiàn)燒蝕或折斷的故障幾率升高。

針對(duì)火花塞燒蝕問題，文獻(xiàn)[3]主要從燃燒循環(huán)變動(dòng)方面入手分析，采取降低最大爆發(fā)壓力后解決該問題。本文針對(duì)某小型渦輪增壓汽油機(jī)火花塞燒蝕與斷裂的問題，主要從火花塞結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝等方面展開分析最終解決該問題。

1.1 性能開發(fā)目標(biāo)

小型渦輪增壓汽油機(jī)性能開發(fā)目標(biāo)如下表1所示：

表1　某小型增壓汽油機(jī)性能開發(fā)目標(biāo)

1.2 試驗(yàn)故障現(xiàn)象

某小型渦輪增壓汽油機(jī)在臺(tái)架可靠性考核試驗(yàn)中，頻繁出現(xiàn)火花塞側(cè)電極燒蝕、斷裂及陶瓷小頭斷裂的故障（如下圖1所示），導(dǎo)致整機(jī)油耗、排放、NVH惡化，亦可造氣門、活塞等損壞，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性能，基于此對(duì)該故障展開分析并提出改進(jìn)措施。

圖1　火花塞燒蝕與斷裂故障

2　火花塞燒蝕斷裂原因分析

根據(jù)火花塞燒蝕與斷裂的故障特征從如下圖2所示三個(gè)項(xiàng)目共七項(xiàng)因素進(jìn)行排查。根據(jù)試驗(yàn)工況的監(jiān)控結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)存在可損壞火花塞的超級(jí)爆震現(xiàn)象[4]，因此僅分析其他兩個(gè)項(xiàng)目對(duì)火花塞故障的影響。

圖2　故障原因分析內(nèi)容

2.1 火花塞溫度偏高

安裝專用火花塞測(cè)量側(cè)電極溫度，下圖3為各負(fù)荷下側(cè)電極溫度分布，測(cè)試結(jié)果表明在高速中大負(fù)荷存在溫度超過安全限值的工況。

圖3　側(cè)電極溫度測(cè)量結(jié)果

2.1.1 火花塞熱值匹配

火花塞熱值代表火花塞本體的散熱能力，熱值越高表明散熱能力越高，火花塞溫度越低。下圖4為熱值匹配所用全負(fù)荷工況下熱值為8及9的火花塞溫度，由測(cè)試結(jié)果可知，原熱值8的火花塞溫度滿足要求，說明熱值匹配合理；熱值提高到9后火花塞溫度未出現(xiàn)下降趨勢(shì)，說明火花塞溫度的主要影響因素不是火花塞熱值，排除熱值這一影響因素。

圖4　熱值提高對(duì)火花塞溫度的影響

2.1.2 火花塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)電極頭部突出缸蓋而深入到燃燒室，突出越高（即側(cè)電極高度越高，下圖5所示f為側(cè)電極高度）則承受的熱沖擊越明顯，側(cè)電極的散熱路徑加長(zhǎng)。降低側(cè)電極高度可以縮短側(cè)電極端部散熱距離，提高側(cè)電極散熱速率從而降低側(cè)電極的溫度；另一方面降低側(cè)電極高度時(shí)，為保證點(diǎn)火位置不變，需增大殼體的高度，可減小陶瓷小頭的吸熱量，降低陶瓷小頭的熱負(fù)荷。降低側(cè)電極高度后，實(shí)測(cè)結(jié)果表明各工況的側(cè)電極溫度降低明顯，如下圖6為全負(fù)荷工況下側(cè)電極高度與溫度的關(guān)系，側(cè)電極溫度最大降幅約80℃。因此側(cè)電極溫度偏高的主要原因在于側(cè)電極高度偏高。

圖5　側(cè)電極高度示意圖

圖6　側(cè)電極高度與側(cè)電極溫度的關(guān)系

2.1.3 燃燒室冷卻質(zhì)量

火花塞的熱量主要通過螺紋、墊圈傳遞至缸蓋再由冷卻水帶走[5]，因此需檢查燃燒室的冷卻質(zhì)量否達(dá)標(biāo)。檢查方法如下：首先選擇合理的缸蓋溫度測(cè)試點(diǎn)（如下圖7所示）；再選擇最苛刻的工況進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試；最后將所測(cè)缸蓋溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入缸蓋溫度仿真計(jì)算模型，對(duì)仿真模型標(biāo)定后，獲得精確的缸蓋溫度分布（如下圖8所示），以此評(píng)價(jià)燃燒室冷卻質(zhì)量。

圖7　缸蓋溫度測(cè)量點(diǎn)

圖8　缸蓋溫度仿真結(jié)果

從圖8中可知，火花塞座孔的溫度由燃燒室表面依次遞減，其中座孔表面最高溫度不超過250℃，符合火花塞使用要求。

由實(shí)測(cè)及仿真結(jié)果可知，燃燒室冷卻質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，排除該項(xiàng)因素。

2.1.4 EMS標(biāo)定匹配

EMS標(biāo)定匹配因素主要指空燃比參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明空燃比每減稀1個(gè)單位時(shí)，火花塞側(cè)電極溫度將提高20~60 ℃（如下圖9所示）。由于該參數(shù)根據(jù)整機(jī)經(jīng)濟(jì)性匹配而來，因此不能歸為火花塞溫度偏高的原因之列，可作為降低火花塞溫度的補(bǔ)救措施。

2.2 火花塞強(qiáng)度偏低

2.2.1 火花塞側(cè)電極材料檢查

火花塞側(cè)電極長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫環(huán)境下，因此側(cè)電極材料的高溫機(jī)械性能直接影響側(cè)電極抗燒蝕及抗折斷的能力，由下圖10所示900 ℃下不同材料的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率對(duì)比結(jié)果可知，當(dāng)前選用的B公司鎳釔合金材料性能適中。因存在通過可靠性考核的火花塞，推測(cè)側(cè)電極材料的性能一致性可能是導(dǎo)致側(cè)電極故障的原因之一，下圖11為A及B公司兩種材料表面硬度一致性對(duì)比可，由此可知B公司鎳釔合金材料的一致性偏低，主要原因在于鎳釔合金材料的晶相結(jié)構(gòu)一致性偏低（如下圖12所示3支火花塞側(cè)電極的晶相結(jié)構(gòu)均不一致）。

因此B公司鎳釔合金材料性能一致性偏低是導(dǎo)致側(cè)電極出現(xiàn)故障的原因之一。

圖10　900 ℃下不同材料性能對(duì)比

圖11　不同材料性能一致性對(duì)比

圖12　B公司3支火花塞側(cè)電極合金晶相分析

2.2.2 火花塞加工工藝

因陶瓷小頭出現(xiàn)折斷故障，說明陶瓷體的機(jī)械強(qiáng)度不足，由下圖14所示常溫及高溫陶瓷小頭折斷力測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)前工藝下陶瓷體強(qiáng)度偏低，分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)前陶瓷成型壓力偏低，導(dǎo)致陶瓷小頭抗折斷性能偏低，微觀上體現(xiàn)在成型壓力偏低時(shí)，晶相致密度偏低，導(dǎo)致抗折斷性能及性能一致性偏低。提高成型壓力后抗折斷性能提高約20%（如下圖13所示），由于晶相致密度的提高，陶瓷體的導(dǎo)熱性能將得到提升，從而降低陶瓷體溫度，亦可降低陶瓷體成為熾熱點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

因此陶瓷成型壓力偏低是陶瓷折斷的原因之一。

圖13　不同成型壓力下折斷性能對(duì)比

圖14　成型壓力對(duì)陶瓷晶相的影響

3 改進(jìn)措施

根據(jù)如上分析結(jié)果，綜合采取如下幾條改進(jìn)措施：

（1）低側(cè)電極高度，增強(qiáng)側(cè)電極散熱能力及降低陶瓷小頭熱負(fù)荷

（2）將側(cè)電極材料更換為A公司的鎳釔合金，提高側(cè)電極材料的性能及一致性。

（3）改進(jìn)陶瓷加工工藝，提高陶瓷體成型壓力，增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度導(dǎo)熱性，防止陶瓷小頭斷裂；

（4）對(duì)非整車運(yùn)行的高速中大負(fù)荷區(qū)域進(jìn)行適度加濃（如下圖16所示），降低燃燒室溫度從而降低火花塞的熱負(fù)荷。

圖15　空燃比優(yōu)化區(qū)域

4　驗(yàn)證結(jié)果

實(shí)施上述幾項(xiàng)措施后，火花塞的所有可靠性試驗(yàn)均順利通過，表明火花塞耐久性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖16　火花塞耐久考核對(duì)比

5　結(jié)論及建議

（1）火花塞熱值對(duì)側(cè)電極溫度影響不大，熱值匹配時(shí)應(yīng)進(jìn)行全工況的火花塞測(cè)溫，以全面描述火花塞工作狀態(tài)；

（2）火花塞燒蝕與斷裂故障與火花塞自身性能及匹配環(huán)境緊密相關(guān)，需綜合考慮進(jìn)行改善；

（3）綜合優(yōu)化火花塞結(jié)構(gòu)、側(cè)電極材料、陶瓷體加工工藝及ECU標(biāo)定優(yōu)化后，提升原火花塞的性能并改善工作環(huán)境，提高了火花塞的耐久可靠性，達(dá)到耐久可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì). 2013中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C].北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.

中圖分類號(hào)：TK417+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2550（2016）02-0037-06

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.006

收稿日期：2015-12-14

Small Dimension TMPI Engine Spark Plug Ablation And Rupture Analysing

LI Bai-qi, LI Shi-cheng, WANG Xing, CHENG Xiao-jun, BAI Hong, LI Tie-dong
( Dongfeng Motor Corparation Technical Center, Wuhan, 430058, China )

Abstract:For sloving the ablation and rupture problem of spark plug appeared in the reliability testing,analyzing the two main aspects of spark plug temperature and spark plug performance . Researching found that reducing side electrode height can significantly reduce the side electrode temperature, optimizing the side electrode materials can improve the side electrode performance consistency, improving the forming pressure can improve the ceramic antiflex performance.After using these methods, the problem is sloved and the reliability performance of spark plug meets the design objective.

Key Words:TMPI engine; sprk plug; ablation; rupture; reliable