孫亞東 王明明 肖 翔 劉玉銘 熊小建 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

隨著國內(nèi)汽車購買者對(duì)汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性訴求的不斷增加以及國家對(duì)節(jié)能減排的嚴(yán)格要求，缸內(nèi)直噴技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前，缸內(nèi)直噴技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上，為提高升功率、降低油耗（稀薄燃燒）、提高壓縮比提供了保證與支持[1-3]，但是由于噴油器噴嘴與火花塞在空間結(jié)構(gòu)布置上的局限性，在發(fā)動(dòng)機(jī)做功行程，噴嘴噴出的油束區(qū)域會(huì)覆蓋火花塞的中心電極與外圍的側(cè)電極，導(dǎo)致油液分子不斷累積在側(cè)電極上。由于油束與燃燒室高溫冷熱交替的沖擊，側(cè)電極工作一段時(shí)間便被吹蝕而造成破損，影響火花塞的耐久性及使用壽命，進(jìn)而影響動(dòng)力總成的使用壽命。目前，對(duì)此問題的合理解決方案為開發(fā)定向火花塞技術(shù)，即精確定位火花塞在缸內(nèi)的位置，從而定位側(cè)電極的角度，避免油液分子直接接觸與覆蓋側(cè)電極，提高火花塞的耐久性，保證點(diǎn)火能量的最大釋放。本文分析了側(cè)電極穴蝕的原因，側(cè)電極不同角度對(duì)側(cè)電極溫度與耐久性、混合氣燃燒延遲的影響，闡述了定向火花塞的實(shí)現(xiàn)方案，為定向火花塞的研究與應(yīng)用提供了支持。

1 火花塞側(cè)電極穴蝕問題

目前，缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)分為中置與側(cè)置。由于普通火花塞安裝后，側(cè)電極在缸內(nèi)的角度是隨機(jī)的，導(dǎo)致噴油器噴嘴與側(cè)電極相對(duì)位置的差異性較大。因此，當(dāng)噴油器噴嘴產(chǎn)生的油束覆蓋側(cè)電極時(shí)，油液分子隨著發(fā)動(dòng)機(jī)做功不斷浸濕側(cè)電極表面，在油束與燃燒室高溫不斷的冷熱沖擊下，最終導(dǎo)致側(cè)電極被吹蝕，嚴(yán)重情況下發(fā)生脫落[4-6]，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)整體壽命降低，維修成本增加。將側(cè)電極角度定向，使側(cè)電極在缸內(nèi)處于油束區(qū)域外時(shí)，可增加側(cè)電極與油束的間隙，避免油液分子直接接觸側(cè)電極，使側(cè)電極在缸內(nèi)不會(huì)遭受冷熱沖擊。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種配合的側(cè)電極具備優(yōu)良的耐久性，表面狀態(tài)較為完整。圖1為側(cè)電極位置及穴蝕示意圖，其中，圖1a 與圖1b 分別為油束區(qū)域內(nèi)側(cè)電極與油束區(qū)域外側(cè)電極示意圖，圖1c 與圖1d 分別為狀態(tài)良好側(cè)電極與已經(jīng)穴蝕的側(cè)電極示意圖。

圖1 側(cè)電極位置及穴蝕示意圖

2 側(cè)電極角度對(duì)側(cè)電極溫度與耐久性及混合氣燃燒延遲的影響

2.1 側(cè)電極角度對(duì)側(cè)電極表面溫度的影響

圖2 為側(cè)電極不同角度示意圖。

圖2 側(cè)電極不同角度示意圖

表1 為不同側(cè)電極角度與轉(zhuǎn)速下側(cè)電極的表面溫度。

表1 不同側(cè)電極角度與轉(zhuǎn)速下側(cè)電極表面溫度 ℃

從表1 可以看出，相同側(cè)電極角度下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，側(cè)電極的表面溫度不斷增加。這是由于高轉(zhuǎn)速下，噴嘴噴油頻次增加，缸內(nèi)燃燒加劇，導(dǎo)致溫度升高。相同轉(zhuǎn)速下，當(dāng)側(cè)電極角度分別為0°和180°時(shí)，側(cè)電極表面溫度分別為最低和最高，在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min 和5 500 r/min 時(shí)，2 者的表面溫度差均為35 ℃；在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min 時(shí)，2 者的表面溫度差為40 ℃。同時(shí)，相同轉(zhuǎn)速下，側(cè)電極角度為-90°與90°時(shí)的表面溫度差異較小，基本接近，在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min 時(shí)，2 者的表面溫度差為0 ℃；在轉(zhuǎn)速為5 500 r/min 時(shí)，2 者的表面溫度差為10 ℃；在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min 時(shí)，2 者的表面溫度差為5℃。當(dāng)側(cè)電極角度分別為-90°和90°時(shí)，相比于側(cè)電極角度為0°時(shí)，在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min 時(shí)，表面溫度均增加25 ℃；在轉(zhuǎn)速為5 500 r/min 時(shí)，表面溫度分別增加30 ℃和20 ℃；在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min 時(shí)，表面溫度分別增加25 ℃和20 ℃。這是由于側(cè)電極角度為0°時(shí)，側(cè)電極處于油束噴霧區(qū)域外，側(cè)電極表面遭受油液分子浸濕的風(fēng)險(xiǎn)較小，火花塞點(diǎn)火時(shí)，基本處于同一溫度環(huán)境，側(cè)電極表面無附加燃燒，因此溫度最低，這與圖1b 所示的側(cè)電極處于油束區(qū)域外的情況基本相符。當(dāng)側(cè)電極角度為180°時(shí)，側(cè)電極與中心噴嘴之間的間隙相對(duì)減小，側(cè)電極完全被噴嘴噴出的油束覆蓋，側(cè)電極表面直接遭受油液分子的沖擊，當(dāng)火花塞點(diǎn)火時(shí)，缸內(nèi)除了均質(zhì)混合氣的燃燒，側(cè)電極表面的油滴會(huì)跟著被點(diǎn)燃，因此溫度最高。當(dāng)側(cè)電極角度分別為-90°與90°時(shí)，側(cè)電極處于油束區(qū)域的邊緣，但是仍未擺脫油液的束縛，這種條件下，側(cè)電極的溫度相對(duì)較高，介于側(cè)電極角度為0°與180°之間。

2.2 側(cè)電極角度對(duì)側(cè)電極耐久性的影響

分別對(duì)11 臺(tái)4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)各缸不同側(cè)電極角度（側(cè)電極角度樣本量為44 個(gè)不同角度）進(jìn)行額定功率下的耐久試驗(yàn)（＞80 h），結(jié)果如圖3 所示。

圖3 側(cè)電極損傷數(shù)量雷達(dá)分布示意圖

從圖3 可以看出，從順時(shí)針方向，當(dāng)側(cè)電極角度處于-45°～45°時(shí)，側(cè)電極無損傷案例，整體耐久性好；當(dāng)側(cè)電極角度分別處于45°～90°與-90°～-45°時(shí)，側(cè)電極在一定程度上存在被吹蝕的風(fēng)險(xiǎn)，但風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較??；當(dāng)側(cè)電極角度處于90°～-90°時(shí)，側(cè)電極均存在損傷案例，耐久性較差。此結(jié)果與側(cè)電極角度對(duì)側(cè)電極表面溫度的影響結(jié)果相對(duì)應(yīng)，因此，如果要提高火花塞的耐久性，合適的側(cè)電極角度至關(guān)重要。

分析得出，安裝火花塞時(shí)，盡量使側(cè)電極角度處于-45°～45°范圍內(nèi)，越接近0°，耐久性越優(yōu)良。

2.3 側(cè)電極角度對(duì)混合氣燃燒延遲的影響

不同滾流程度下，側(cè)電極角度分別為0°、90°及-90°、180°時(shí)，混合氣燃燒延遲情況如圖4 所示，縱坐標(biāo)為燃燒延遲（0%～5%質(zhì)量燃燒率）/°CA。

圖4 不同滾流程度與側(cè)電極角度下的混合氣燃燒延遲現(xiàn)象

從圖4 可以看出，相同側(cè)電極角度下，缸內(nèi)滾流程度越高，混合氣燃燒延遲程度越低，有利于正常燃燒。這是由于局部空間內(nèi)，滾流程度高，空氣流速提高，壓力降低，有利于點(diǎn)火能量的釋放（局部壓力越高，電離擊穿能量越大），使得混合氣燃燒延遲程度降低。相同滾流程度下，側(cè)電極角度為90°及-90°時(shí)，混合氣燃燒延遲程度相對(duì)較低；側(cè)電極角度為180°時(shí)，混合氣燃燒延遲程度最高；但是，側(cè)電極角度對(duì)混合氣燃燒延遲的整體影響差異性較小。這是因?yàn)?，相同滾流程度下，當(dāng)側(cè)電極角度為90°及-90°時(shí)，中心電極與側(cè)電極處于進(jìn)氣與排氣雙向流通的空間內(nèi)，無任何空氣阻礙，空氣流速相對(duì)較高，壓力相對(duì)較低，點(diǎn)火能量釋放能力較高，所需要的電離能量相對(duì)較少。當(dāng)側(cè)電極角度為180°時(shí)，側(cè)電極背對(duì)進(jìn)氣門，空氣流通受阻。當(dāng)側(cè)電極角度為0°時(shí)，雖然來自進(jìn)氣門的空氣流通性較好，但是這種空氣流通是單向的，流速比側(cè)電極角度為90°及-90°時(shí)偏低，混合氣燃燒延遲程度介于側(cè)電極角度為90°及-90°與180°之間。同時(shí)，由于缸內(nèi)局部空間相對(duì)較小，側(cè)電極角度對(duì)空氣流動(dòng)的影響較小，因此，相同滾流程度下，混合氣整體燃燒延遲程度差異性較小。

3 側(cè)電極定向火花塞的實(shí)現(xiàn)方案

應(yīng)用定向火花塞技術(shù)，對(duì)安裝力矩、火花塞外墊圈、缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點(diǎn)以及側(cè)電極相對(duì)于火花塞螺紋起始點(diǎn)的位置有很高的要求[4]。

1）精確控制安裝力矩。普通火花塞的安裝，對(duì)側(cè)電極在缸內(nèi)的角度無要求，對(duì)安裝力矩的控制要求相對(duì)較低。對(duì)于定向火花塞，由于需要側(cè)電極處于一定角度，普通擰緊方式已經(jīng)無法滿足要求，為了實(shí)現(xiàn)安裝力矩的精確控制，需要由特定的氣動(dòng)或電動(dòng)扳手進(jìn)行操作。

2）火花塞實(shí)心外墊圈。目前，普通火花塞采用的外墊圈多為層疊式[4，7]，這種火花塞在安裝時(shí)，由于自身可壓縮的特點(diǎn)，火花塞側(cè)電極角度因墊圈厚度變化而發(fā)生變化，存在不確定性。為了保證側(cè)電極的精確定向，定向火花塞的外墊圈應(yīng)采用實(shí)心或不可壓縮的墊圈，降低墊圈本身對(duì)側(cè)電極的影響。圖5 為火花塞外墊圈，其中，圖5a 為層疊式，圖5b 為實(shí)心式。

圖5 火花塞外墊圈

3）缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)定向火花塞的另一重要因素為缸蓋上火花塞安裝孔的螺紋起始點(diǎn)，該起始點(diǎn)相對(duì)于進(jìn)氣門的位置需要做到精確定位，否則，火花塞安裝后，側(cè)電極在缸內(nèi)的角度仍然不可控[4，8]?？梢詫菁y的假體火花塞提供給供應(yīng)商進(jìn)行配合加工，保證螺紋起始點(diǎn)準(zhǔn)確。圖6為缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點(diǎn)示意圖，圖7 為傳遞側(cè)電極角度信息的假體火花塞。

圖6 缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點(diǎn)示意圖

圖7 帶螺紋的假體火花塞

4）火花塞側(cè)電極相對(duì)于螺紋起始點(diǎn)的位置。缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點(diǎn)確定后，側(cè)電極的相對(duì)位置變得尤為重要。為了確保側(cè)電極相對(duì)于火花塞螺紋起始點(diǎn)的位置，首先對(duì)火花塞側(cè)電極進(jìn)行焊接，然后采用特種螺紋滾絲機(jī)對(duì)火花塞進(jìn)行螺紋加工，達(dá)到逆向支持定位要求，確保相對(duì)位置[4]。

4 結(jié)論

1）發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)雖已廣泛應(yīng)用，但是普通火花塞在安裝后，側(cè)電極角度在缸內(nèi)的隨機(jī)性使得側(cè)電極被吹蝕的風(fēng)險(xiǎn)增加，當(dāng)側(cè)電極處于油束噴射區(qū)域時(shí)，側(cè)電極會(huì)因油束以及混合氣燃燒所產(chǎn)生高溫的冷熱沖擊而產(chǎn)生穴蝕與造成損傷。

2）相同轉(zhuǎn)速下，火花塞側(cè)電極角度分別為0°和180°時(shí)，側(cè)電極表面溫度分別為最低和最高。側(cè)電極角度為90°及-90°時(shí)的側(cè)電極表面溫度介于側(cè)電極角度為0°與180°之間，且2 者差異較小。這是由于不同側(cè)電極角度下，側(cè)電極處于油束區(qū)域的位置不同。

3）當(dāng)側(cè)電極角度處于-45°～45°范圍時(shí)，側(cè)電極發(fā)生穴蝕的風(fēng)險(xiǎn)較小，耐久試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)損傷案例，表明耐久性好，使用壽命長(zhǎng)；其余側(cè)電極角度范圍，均存在側(cè)電極損傷，耐久性差。但是，由于燃燒室為局部空間，當(dāng)側(cè)電極角度為90°及-90°時(shí)，中心電極與側(cè)電極處于空氣雙向流通區(qū)域，空氣流速相對(duì)較高，壓力相對(duì)較低，有利于火花塞點(diǎn)火能量的釋放，混合氣燃燒延遲程度相對(duì)較低，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒。

4）精確控制安裝力矩、采用實(shí)心外墊圈、定位缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點(diǎn)以及準(zhǔn)確控制側(cè)電極相對(duì)于螺紋起始點(diǎn)的位置等4 個(gè)措施是實(shí)現(xiàn)定向火花塞的重要保證。

國家科研機(jī)構(gòu)要以國家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，著力解決影響制約國家發(fā)展全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的重大科技問題，加快建設(shè)原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)。

——習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院第二十次院士大會(huì)、中國工程院第十五次院士大會(huì)、中國科協(xié)第十次全國代表大會(huì)上的講話