乙醇燃料發動機火花塞燒蝕機理研究

李曉明，俞 京，徐茂生，高繼亮

（奇瑞汽車股份有限公司動力總成集成院，安徽 蕪湖 241006）

在世界能源供應緊張的大環境下，發展汽車替代燃料的速度在加快，其中乙醇燃料是一種重要的替代燃料。美國、巴西等國家的乙醇燃料應用已趨于成熟，中國的政策導向也加大了對乙醇燃料應用的推進［1］。乙醇燃料和傳統汽油燃料之間存在差異，如存在腐蝕性強、氣化潛熱大、積炭增多等缺點，需要制定相應的對策［2］。針對增壓或增壓直噴發動機，超級爆震是一種常見的早燃形式，其特征是具有極高的爆發壓力和壓力波震蕩［3］，因此易被爆震傳感器捕捉。

本文展示1例乙醇E100燃油增壓發動機因早燃引發的火花塞燒蝕案例，其早燃特征與常規超級爆震不同，爆震傳感器難以捕捉。

1 火花塞燒蝕問題描述

某1.5 L氣道噴射渦輪增壓乙醇靈活燃料發動機在E100可靠性臺架試驗過程中，發動機運行約70 h發現發動機功率扭矩下降，拆解火花塞發現某單缸火花塞中心電極、側電極燒蝕，發火端部陶瓷體高溫剝落，見圖1。更換該故障火花塞后，繼續運行發動機約20 h，再次發生火花塞燒蝕，此次燒蝕缸號發生轉移，火花塞燒蝕表現基本相同。

兩次火花塞燒蝕發生工況均為WOT和怠速工況的切換過程中，且未發現明顯爆震。

圖1 火花塞燒蝕

2 火花塞故障分析

重點從3個方向開展分析：火花塞制造確認、火花塞熱值匹配檢查、發動機異常燃燒 （早燃）確認。

1.1 火花塞制造確認

火花塞故障件分析結果：未見制造缺陷，金相分析發現故障火花塞側電極金相晶粒明顯長大，而未發生燒蝕的火花塞側電極則無明顯晶粒長大現象。

1.2 火花塞匹配檢查

針對故障發動機，重新進行火花塞熱值匹配確認，包含火花塞側電極測溫和離子流早燃試驗。測溫試驗確認了火花塞側電極在各工況下的溫度趨勢，最高溫度為906℃@5500 r／min-70%負荷；離子流早燃試驗確認，火花塞在設計狀態下及更高熱值狀態下，均未引發發動機早燃。至此排除火花塞制造及熱值匹配過熱導致燒蝕的懷疑點，重點懷疑發動機存在異常燃燒 （早燃）。

3 故障再現與早燃問題鎖定

為了再現故障、鎖定問題點 （早燃），特進行發動機臺架專項試驗驗證，如下。

將故障發動機的缸蓋拆解，重新加工，加裝了4個預埋式缸壓傳感器，恢復裝機后重新上臺架；在某單缸進行火花塞側電極溫度監控；在某兩缸進行點火電壓監控；試驗全程ECU數據監控。監控設備就緒后運行發動機臺架可靠性試驗工況。

經過一段時間的發動機臺架運行，某工況下火花塞側電極溫度監控顯示出現異常高溫：在約20 s的時間內，火花塞側電極溫度從相對穩態的694℃爬升到1369℃；ECU監控顯示火花塞溫度爬升過程中發動機轉速波動明顯，爆震信號未見異常；點火電壓監控未見異常；缸壓傳感器同步捕捉到早燃信號，見圖2。停機拆解測溫火花塞，發現測溫火花塞電極已燒蝕，燒蝕情況和原故障件相似。

圖2 乙醇增壓機早燃缸壓曲線

由于火花塞離子流早燃試驗中未見早燃 （火花塞側電極最高溫度906℃的情況下），可以判斷在側電極溫度為694℃的情況下不會因火花塞自身電極過熱而引發早燃，而缸壓傳感器捕捉到的缸壓信號表明有早燃發生，因此推斷早燃由其他原因引發，而非火花塞。

火花塞側電極溫度的爬升原因推斷為遭受缸內早燃的烘烤。火花塞溫度上升到一定程度無法及時冷卻，火花塞電極自身后續也會成為持續早燃的熱點。

早燃缸壓信號表明：某缸缸壓在點火正時之前就有了明顯上升，最大爆發壓力已超過了110 bar，這會導致火花塞、氣門等部件溫度的上升。但與普通汽油增壓機早燃爆壓壓力曲線相比，乙醇增壓機早燃的爆壓曲線比較平滑，沒有明顯的壓力波震蕩，因此爆震傳感器無法識別。

4 早燃熱點鎖定

將故障發動機進行拆解，尋找可能存在的早燃熱點。重點排查火花塞、氣門、燃燒室內部尖點、積碳沉積物等因素；隨著排查的深入，我們排除了火花塞、氣門、燃燒室內部尖點的影響因素，并逐漸將焦點關注在了乙醇燃料燃燒沉積物上，在發動機的進氣門桿部、缸蓋燃燒室的排氣側發現了沉積物。氣門上的沉積物呈膠狀、燃燒室排氣側的沉積物呈顆粒堆積狀，見圖3。對沉積物的分析發現主要成分為鈣、硫、鋅、磷的氧化物。

圖3 氣門和燃燒室的沉積物

回顧火花塞燒蝕故障發生的狀態，第一次火花塞燒蝕問題發生的時間約為70 h，在首次問題發生之后，火花塞燒蝕問題頻發，間隔時間1～30個小時不等，發生燒蝕的缸號也是隨機的。發動機累計運行70 h之后，發動機硬件上最明顯的變化就是上述兩處的沉積物增多，其他無明顯變化。氣門上的沉積物為膠狀、且分布在桿部，不足以引發缸內的早燃，推斷燃燒室內的沉積物是引發早燃的熱點。

5 沉積物熱點形成機理分析

對于乙醇燃料而言，其氣化潛熱較大，導致了沉積物的形成。發動機燃燒室溫度模擬顯示，在額定工況點情況下火焰偏向進氣側，導致了排氣側燃燒不完全、形成冷區，見圖4，這個冷區的位置和沉積物堆積的位置是重合的。可以判斷發動機長期運行在額定工況點下，沉積物顆粒便在兩個排氣門對應的燃燒室邊緣產生堆積。

圖4 缸內燃燒溫度計算

發動機臺架可靠性工況由于長期停留在額定功率點區域，加劇了排氣門側沉積物的堆積，當轉速降低時，燃燒火焰重新回歸到燃燒室中間，加熱沉積物形成熱點。

沉積物從開始堆積到成為引發早燃的熱點需要量的積累，需要運行足夠長的時間 （本案例約70 h）才能發生。

6 改進方案

首先，在臺架運行工況上加以調整，以加強對沉積物堆積的遏制，避免發動機長時間運行在額定點工況，適當增加中低速和變速區域的工況時間，達到清理沉積物的作用。

其次，熱點的行成條件除了有沉積物外，還有燃燒加熱的作用因素，降低火花塞燒蝕工況點的缸內溫度，經驗證對早燃有一定的遏制作用。發動機在故障易發工況點為閉閥噴射，在一定范圍內采用開閥噴射后，經驗證早燃安全區域更寬。

第三，降低火花塞側電極溫度，加強側電極導熱，避免偶發早燃加熱側電極使得火花塞迅速成為持續熱點。經驗證，在火花塞側電極增加銅芯可以降低火花塞側電極溫度約100℃。

第四，氣道設計可持續優化，避免燃燒過程的冷區形成就避免了燃燒沉積物的大量堆積。

對于終端用戶而言，整車駕駛過程中連續70個小時穩定在額定工況點的概率極低，所以在缸蓋排氣側產生能誘發早燃的沉積物的風險極低。有選擇地實施改進措施可以進一步保證可靠性。

7 方案選擇與驗證

調整臺架發動機運行工況、火花塞側電極增加銅芯降低溫度、特定區域采用開閥噴射方案，經發動機臺架驗證，改進效果良好，避免了火花塞燒蝕問題再次發生。

發動機搭載整車進行了數輪耐久測試，均未發生火花塞燒蝕故障。整車試驗后拆解發動機檢查缸蓋，未在發動機缸蓋排氣側發現沉積物，進一步印證了推斷。

8 結論

1）該乙醇增壓發動機火花塞燒蝕的根本原因是早燃。

2）該乙醇發動機早燃的爆發壓力特征和汽油增壓機超級爆震爆發壓力特征不同，爆壓曲線平滑，沒有劇烈震蕩的壓力波出現。

3）該乙醇燃料發動機早燃的熱點是缸蓋燃燒室排氣側的沉積物引發。氣道和燃燒室的設計、使用乙醇燃料、長時間在額定功率點運行3個因素疊加最終導致了早燃熱點的形成。

4）火花塞側電極增加銅芯可降低電極溫度，改善導熱能力，可加強對偶發早燃的抵御能力。

5）針對該發動機，部分工況下采用開閥噴射策略可降低早燃發生概率。