橡膠護套與火花塞粘連故障研究

王建波，吳霞

橡膠護套與火花塞粘連故障研究

王建波1，吳霞2

（1.湖北工業大學機械工程學院，湖北武漢 430056；2.神龍汽車有限公司技術中心，湖北武漢 430056）

調查導致橡膠護套與火花塞陶瓷體發生粘連故障現象，探討引發該問題相關原因，針對橡膠護套的環境溫度特征的影響設計了測試方法及規范，驗證固化了解決措施。

橡膠護套；火花塞陶瓷體；粘連

橡膠有良好的密封、絕緣性能，點火線圈上的護套便采用橡膠為材料，與火花塞的陶瓷體緊密貼合，可以有效地絕緣、防潮、防霉、防塵，可以保護高達3萬伏高壓能量集中傳遞給火花塞。但是橡膠材料有易老化、熱穩定性差的缺點。東風標致408、東風雪鐵龍世嘉等車型的1.6L自然吸氣發動機便采用了硅橡膠材料（企業標準NFR99210）作為火花塞護套，該橡膠制品由MECAPLAST GROUP法國工廠提供。在2013年1月的道路認可試驗中，發現橡膠護套橡膠析出、輕微熱熔的故障。1故障描述

火花塞與橡膠護套過盈配合裝配，火花塞電極頭部伸入燃燒室，燃燒室的高溫由電極端向陶瓷端傳導，橡膠護套與陶瓷體直接接觸，如果溫度超過橡膠耐熱能力，則會出現橡膠析出甚至熱熔，導致與火花塞粘連及點火線圈損壞失效。

在車輛運行一段里程以后，檢查點火線圈護套與火花塞結合部位，發現點火線圈難以拆卸，原因是護套橡膠與火花塞陶瓷體發生了粘連。強行拆卸后，發現大量粘連（析出橡膠）的痕跡，甚至殘留撕裂的橡膠塊在火花塞陶瓷體上，如圖1所示。

圖1 橡膠護套與火花塞粘連故障件展示

對該故障現象進行了調查，選擇10輛試驗樣本車輛，經過了1.6萬km道路試驗以后，對4個缸的橡套護套進行分類統計，發現隨著運行里程增加，粘連故障現象就越嚴重，并且3缸粘連發生率最高，1缸粘連發生率最低。

2 故障分析

采用5M分析工具分析，對幾個影響故障發生的因素進行初步分析和排除。分析原因可能為：橡膠耐溫性能不足或者火花塞陶瓷體表面溫度過高；橡膠材料基本性能不合格；橡膠護套裝配尺寸不合格；橡膠護套上滑石粉不充分。

2.1 滑石粉的調查

滑石粉主要成分為硅酸鎂鹽混合物（H2Mg3（SO3）4或Mg3Si4O10（OH2）2），此類鹽吸收水后，可形成含有結晶水的硅酸鎂鹽。因為其吸水性和細膩光滑的特點，將其涂抹在護套內壁與火花塞陶瓷體接觸區域，可以干燥潤滑橡膠表面，減少在裝配時的摩擦力，并延緩橡膠與陶瓷的粘結。對樣件抽檢調查滑石粉的含量，方法是通過微觀放大鏡來檢查滑石粉顆粒分布密度。微觀視圖見圖2，白色點狀顆粒即為滑石粉顆粒。

圖2 護套表面滑石粉的微觀分布圖

滑石粉顆粒分布較為均勻，顆粒數量也符合規范。該項不會是引起此故障的原因。

2.2 橡膠護套材料的基體性能

據文獻［1］研究，橡膠的硫化工藝不同，比如硫化劑配方及過程參數等，對橡膠基本性能產生不同的影響。橡膠護套與火花塞裝配后產生拉伸變形，因此橡膠的基本性能超差可能導致護套與火花塞裝配過緊，使橡膠承受過大內部應力，導致提前失效。對橡膠護套的基本性能進行調查，結果如表1所示。

橡膠護套材料的基本性能均符合材料規范，未發現此項與故障有明顯關聯。

2.3 橡膠護套尺寸分析

裝配的護套尺寸如果超差，則引起過盈量不合理，將導致橡膠多度拉伸，也可能導致粘連故障。涉及3個尺寸項，對其進行抽樣檢查，結果如表2所示。

從檢查結果來看，橡膠護套材料裝配尺寸均穩定合格，未發現此項與故障有明顯關聯。

2.4 火花塞陶瓷體表面溫度調查測量

2.4.1 測量方案設計

火花塞陶瓷體表面的實際工作溫度與很多因素相關，受到熱源和散熱條件的綜合影響。發動機不同轉速、負荷、發動機艙進氣流、環境氣溫、火花塞所處位置等因素，都會影響火花塞表面最終溫度。4個缸情況各異，需要設計測量方法，準確反映各缸火花塞陶瓷體的實際工作溫度特征。

在4個缸橡膠護套內壁嵌入熱電偶，將該信號接入設備的ETAS ES650，信號由INCA軟件讀出。所需要的設備及工具有：熱電偶為ERCIAT公司生產，傳感范圍-100～700℃，直徑1 mm，感溫精度為1℃；ETAS ES650是ETAS公司生產開發的信號采集設備，能收集熱電偶的電壓信號；INCA是由德國ETAS公司開發的發動機控制數據實時監控和標定的工具軟件，可實時讀取4個缸的火花塞表面溫度信息。

2.4.2 測量工況設計及實施

車輛選取東風標致408車型，配置1.6L發動機和手動變，該車發動機艙布置、空間尺寸、機艙進風散熱通道具備代表性。考慮環境氣溫和風力的影響，選擇比較苛刻的夏季天氣，測量時環境溫度33℃以上，環境風力3級以內。

根據用戶使用特征，測試了3種道路工況：城市和市郊道路工況；高速道路工況模擬；低擋低速工況。

根據工況需求，除了檢測4個缸火花塞陶瓷體溫度，并監測了發動機機油溫度和冷卻水溫度，INCA工具的實時采集界面見圖3。

城市、市郊路段工況測試，路段選取武漢往返創業路→318國道→蔡甸侏儒。時速≤70 km／h、全程70km；熱機行駛時間120min；穩定工況水溫86～96℃、機油溫度94～103℃。測得火花塞陶瓷表面最大溫度點3缸118℃，對應車速70km／h。

圖3 INCA實時采集數據顯示界面

高速路段工況測試，路段選取往返武監高速沌口→漢南。時速110～125 km／h保持30 min以上，全程160 km；熱機行駛時間100 min；穩定工況水溫89～98℃、機油溫度99～110℃。測得火花塞陶瓷表面最大溫度點3缸112℃，對應車速121km／h。

低擋低速工況測試，路段選取武漢天鵝湖大道→知音湖大道→白蓮大橋。1擋低速，車速≤40 km／h、發動機轉速≥5000r／min，保持30min以上；熱機行駛時間60min；穩定工況水溫110～121℃、機油溫度118～122℃。測得火花塞陶瓷表面最大溫度點3缸134℃，對應車速34km／h。

根據實際測量結果，在低擋低速的苛刻工況中，3缸出現的最高極限溫度為134℃，根據該類產品設計規范，該橡膠護套的工作溫度低于150℃，實測火花塞陶瓷體溫度并未出現異常，符合該產品功能規范。因此，確認橡膠護套的耐溫能力不足。

3 解決方案

解決硅橡膠的耐熱性，選擇二次硫化工藝，這樣橡膠其它性能變化較小，成本和周期最優。經過二次硫化的樣件，通過3輛車2萬km實車道路耐久驗證后，確認二次硫化的主要工藝參數，二次硫化溫度200℃，對應的持續時間是4h。

要確認該方案長期穩定，產品交付前，護套的耐熱性能應經過驗證測試。實車測試效率低、成本高，耐熱臺架測試能比較快速、便捷地驗證橡膠的耐熱性。耐熱臺架如圖4所示，用電加熱吹風機對火花塞電極部位進行持續加熱，監測熱風源出口溫度和火花塞陶瓷體表面與橡膠貼合處溫度，模仿實際用戶的使用特征。

圖4 橡膠護套耐熱測試臺架圖

按火花塞表面溫度和持續時間測試參數，進行逐步分組測試，目的是尋找合理耐熱臺架測試參數。耐熱參數按梯度分為6組：135℃持續5h；145℃持續5h；155℃持續7h；165℃持續7h；165℃持續9 h；175℃持續7h。臺架測試結果表明：出現故障的樣品批次在溫度165℃、持續7h的耐熱測試時，出現100%的失敗率；而經過二次硫化橡膠護套樣品在175℃、持續7 h耐熱測試中全部通過，并且該批次護套樣品也通過實車測試。因此參數175℃持續7h是適合該產品的臺架檢測參數。在產品經過硫化處理后，可以采用該檢測參數對耐熱性進行快速抽檢。

4 結論

通過對故障調查和分析，針對橡膠護套與火花塞陶瓷粘連的問題，針對性地提出解決方案并進行驗證。建立一個能夠精確測量發動機各個缸的橡膠護套工作溫度的方法，為國外零件制造商提供了精確的中國用戶使用環境特征，促使其產品設計品質提升。同時也找到臺架檢測橡膠耐熱能力適合該產品的測試參數，保證海外進口零件交付前，其橡膠耐熱能力得到保證，從而保證該缺陷不傳遞給最終用戶。

［1］武衛莉，劉偉.提高硅橡膠硫化膠耐熱性能的研究［J］.橡膠工業，2001，48（8）：471-473.

（編輯心翔）

Troubleshooting on Spark Plug Sticking with Rubber Case

WANG Jian-bo1，WU Xia2

（1.School of mechanical engineering，Hubei University of Technology；

2.Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Corporation Technology Centre，Wuhan 430056，China）

This article analyzes the issue of spark plug ceramic body sticking with rubber case，and discusses its causing factors.Based on environment temperature characteristics of rubber case，the design of testing method and standards are proposed and verified to be effective.

rubber case；spark plug ceramic body；stick

U463.643

A

1003－8639（2017）01－0046－03

2016-04-08；

2016-04-21

王建波（1979-），男，湖北十堰人，在讀碩士，研究方向是動力總成項目開發及管理；吳霞（1989-），女，湖北武漢人，研究方向為汽車電子電器。