碳化硅火花塞在各種環境下失效的研究

?

碳化硅火花塞在各種環境下失效的研究

研究了基于碳化硅陶瓷的火花塞在天然氣發動機上老化失效的原因。試驗采用日本Kyocera公司市售的12個火花塞，陶瓷加熱器的直徑為4.2mm，在一臺5.2L 4缸五十鈴柴油機（壓縮比18:1）上進行。對4個火花塞進行了歐洲瞬態循環測試，此時發動機的轉速和扭矩均比較低（轉速平均為1635r/min，扭矩平均為165Nm）；對另外8個火花塞在發動機穩態循環下進行測試，此時發動機的轉速平均為2000r/min，扭矩為450Nm。穩態時火花塞經歷更高的溫度和更高的發動機轉速、負荷，變化的參數為施加的電壓和持續時間，火花塞控制單元可以記錄火花塞電壓和電流的特征。試驗時，采用單色光學高溫計進行溫度測定，包括整體平均溫度和局部最高溫度。在發動機上，火花塞失效意味著無法進一步維持燃料著火，所以可以不考慮陶瓷加熱器內降解的程度。

試驗結果顯示，由于發動機缸內環境的復雜性，因此至少有4種不同的模式影響火花塞的失效。①化學降解：將碳化硅氧化成二氧化硅；燒結添加劑的離子向表面遷移，降低了陶瓷發熱體的機械和電氣性能；在燃燒氣體中形成雜質反應。②機械降解：高壓、高速和具有侵蝕性燃燒氣體導致陶瓷加熱部分的質量損失；熱循環和相關的熱應力，以及表面氧化物和基體材料熱膨脹差異導致的裂紋。③熱降解：溫度升高后化學反應的速率以指數增長，導電相的電降解加速。④電氣退化：在電場作用下，燒結添加劑離子遷移，導致電阻周圍的氮化硅介質擊穿；高電壓加速這一退化過程。

網址：http://onlinelibrary. wiley.com

作者：Carmen Oprea et al

編譯：羅濤