小排量渦輪增壓汽油機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（東風汽車公司技術中心，武漢，430058）

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小排量渦輪增壓汽油機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
（東風汽車公司技術中心，武漢，430058）

摘 要：針對耐久試驗出現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行分析。研究發現降低側電極高度可顯著降低側電極溫度，優化側電極材料可提高側電極性能一致性，提高陶瓷成型壓力可提高陶瓷抗折斷性能。綜合實施上述措施后，火花塞故障排除并達到可靠性設計指標。

關鍵詞：渦輪增壓汽油機；火花塞；燒蝕；斷裂；可靠性

李佰奇畢業于北京航空航天大學；碩士學位；現任東風汽車公司技術中心動力總成工程部，工程師；主要研究方向為發動機電子控制與性能匹配。已發表多篇論文。

1 前言

隨著對車用動力經濟性、動力性和排放性等方面的進一步需求, 渦輪增壓技術逐漸成為車用內燃機領域最主要的發展方向之一[1]。與同排量自然吸氣發動機相比，缸內的熱負荷及機械負荷明顯加劇，對于火花塞而言，在抗熱沖擊、抗電燒蝕、抗機械沖擊、抗腐蝕及密封[2]等方面將遭遇更大的挑戰，導致開發過程中火花塞出現燒蝕或折斷的故障幾率升高。

針對火花塞燒蝕問題，文獻[3]主要從燃燒循環變動方面入手分析，采取降低最大爆發壓力后解決該問題。本文針對某小型渦輪增壓汽油機火花塞燒蝕與斷裂的問題，主要從火花塞結構、材料、加工工藝等方面展開分析最終解決該問題。

1.1 性能開發目標

小型渦輪增壓汽油機性能開發目標如下表1所示：

表1　某小型增壓汽油機性能開發目標

1.2 試驗故障現象

某小型渦輪增壓汽油機在臺架可靠性考核試驗中，頻繁出現火花塞側電極燒蝕、斷裂及陶瓷小頭斷裂的故障（如下圖1所示），導致整機油耗、排放、NVH惡化，亦可造氣門、活塞等損壞，降低發動機的可靠性能，基于此對該故障展開分析并提出改進措施。

圖1　火花塞燒蝕與斷裂故障

2　火花塞燒蝕斷裂原因分析

根據火花塞燒蝕與斷裂的故障特征從如下圖2所示三個項目共七項因素進行排查。根據試驗工況的監控結果，未發現存在可損壞火花塞的超級爆震現象[4]，因此僅分析其他兩個項目對火花塞故障的影響。

圖2　故障原因分析內容

2.1 火花塞溫度偏高

安裝專用火花塞測量側電極溫度，下圖3為各負荷下側電極溫度分布，測試結果表明在高速中大負荷存在溫度超過安全限值的工況。

圖3　側電極溫度測量結果

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荷工況下熱值為8及9的火花塞溫度，由測試結果可知，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下降趨勢，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　熱值提高對火花塞溫度的影響

2.1.2 火花塞結構設計

側電極頭部突出缸蓋而深入到燃燒室，突出越高（即側電極高度越高，下圖5所示f為側電極高度）則承受的熱沖擊越明顯，側電極的散熱路徑加長。降低側電極高度可以縮短側電極端部散熱距離，提高側電極散熱速率從而降低側電極的溫度；另一方面降低側電極高度時，為保證點火位置不變，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荷。降低側電極高度后，實測結果表明各工況的側電極溫度降低明顯，如下圖6為全負荷工況下側電極高度與溫度的關系，側電極溫度最大降幅約80℃。因此側電極溫度偏高的主要原因在于側電極高度偏高。

圖5　側電極高度示意圖

圖6　側電極高度與側電極溫度的關系

2.1.3 燃燒室冷卻質量

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量否達標。檢查方法如下：首先選擇合理的缸蓋溫度測試點（如下圖7所示）；再選擇最苛刻的工況進行臺架測試；最后將所測缸蓋溫度數據導入缸蓋溫度仿真計算模型，對仿真模型標定后，獲得精確的缸蓋溫度分布（如下圖8所示），以此評價燃燒室冷卻質量。

圖7　缸蓋溫度測量點

圖8　缸蓋溫度仿真結果

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。

由實測及仿真結果可知，燃燒室冷卻質量達到設計要求，排除該項因素。

2.1.4 EMS標定匹配

EMS標定匹配因素主要指空燃比參數，試驗結果表明空燃比每減稀1個單位時，火花塞側電極溫度將提高20~60 ℃（如下圖9所示）。由于該參數根據整機經濟性匹配而來，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救措施。

2.2 火花塞強度偏低

2.2.1 火花塞側電極材料檢查

火花塞側電極長時間工作在高溫環境下，因此側電極材料的高溫機械性能直接影響側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度及伸長率對比結果可知，當前選用的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，推測側電極材料的性能一致性可能是導致側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構一致性偏低（如下圖12所示3支火花塞側電極的晶相結構均不一致）。

因此B公司鎳釔合金材料性能一致性偏低是導致側電極出現故障的原因之一。

圖10　900 ℃下不同材料性能對比

圖11　不同材料性能一致性對比

圖12　B公司3支火花塞側電極合金晶相分析

2.2.2 火花塞加工工藝

因陶瓷小頭出現折斷故障，說明陶瓷體的機械強度不足，由下圖14所示常溫及高溫陶瓷小頭折斷力測試結果可知，當前工藝下陶瓷體強度偏低，分析發現當前陶瓷成型壓力偏低，導致陶瓷小頭抗折斷性能偏低，微觀上體現在成型壓力偏低時，晶相致密度偏低，導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的風險。

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比

圖14　成型壓力對陶瓷晶相的影響

3 改進措施

根據如上分析結果，綜合采取如下幾條改進措施：

（1）低側電極高度，增強側電極散熱能力及降低陶瓷小頭熱負荷

（2）將側電極材料更換為A公司的鎳釔合金，提高側電極材料的性能及一致性。

（3）改進陶瓷加工工藝，提高陶瓷體成型壓力，增強機械強度導熱性，防止陶瓷小頭斷裂；

（4）對非整車運行的高速中大負荷區域進行適度加濃（如下圖16所示），降低燃燒室溫度從而降低火花塞的熱負荷。

圖15　空燃比優化區域

4　驗證結果

實施上述幾項措施后，火花塞的所有可靠性試驗均順利通過，表明火花塞耐久性能滿足設計指標。

圖16　火花塞耐久考核對比

5　結論及建議

（1）火花塞熱值對側電極溫度影響不大，熱值匹配時應進行全工況的火花塞測溫，以全面描述火花塞工作狀態；

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

（3）綜合優化火花塞結構、側電極材料、陶瓷體加工工藝及ECU標定優化后，提升原火花塞的性能并改善工作環境，提高了火花塞的耐久可靠性，達到耐久可靠性設計指標。

參考文獻：

[1]胡必謙.渦輪增壓汽油發動機的匹配研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2007,12(30):100.

[2]趙校偉，李健.渦輪增壓汽油火花塞的性能試驗研究[J].車用發動機,2012,6(3):46.

[3]吳森.BOSCH汽油機管理系統[M].北京理工大學出版社,2002,9：340.

[4]Zhi Wang, Hui Liu, Tao Song, et al.Relationship between super-knock and pre-ignition[C]. International Journal of Engine Research published online 16 April 2014.

[5] 中國汽車工程學會. 2013中國汽車工程學會年會論文集[C].北京：北京理工大學出版社，2013.

中圖分類號：TK417+.1

文獻標識碼：A

文章編號：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