火花塞的熱性能及其在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

劉文淵

（博世汽車部件（南京）有限公司，江蘇南京210000）

火花塞的熱性能及其在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

劉文淵

（博世汽車部件（南京）有限公司，江蘇南京210000）

介紹火花塞的熱性能概念，著重闡述熱性能在火花塞結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。

發(fā)動機(jī)；火花塞；熱性能

0 引言

發(fā)動機(jī)是汽車動力系統(tǒng)的重要部件，火花塞可以說是汽油發(fā)動機(jī)的心臟元件。依靠汽車的點火系統(tǒng)在火花塞電極的兩端施加高電壓，可以周期性地?fù)舸┗鸹ㄈ姌O間的間隙而產(chǎn)生電火花，從而點燃汽油發(fā)動機(jī)氣缸中的油汽壓縮混合氣，產(chǎn)生的動能用以推動發(fā)動機(jī)氣缸中的活塞做功，再經(jīng)曲軸連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槠嚨尿?qū)動力矩［1］。

火花塞在發(fā)動機(jī)內(nèi)工作時將經(jīng)受高溫、高壓、熱沖擊及電、化學(xué)腐蝕等的影響。作為發(fā)動機(jī)的重要工作元件，火花塞必須能夠在惡劣的工作環(huán)境中可靠而有效地完成點火任務(wù)，其熱性能必須很好地適應(yīng)汽油發(fā)動機(jī)的工況要求。不同的發(fā)動機(jī)需要配用怎樣熱性能的火花塞并達(dá)到預(yù)期的效用是通過一系列的匹配試驗得到的，在火花塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)該怎樣來滿足和實現(xiàn)不同熱性能的要求呢？以下將闡述對此進(jìn)行的一些分析和思考。

1 火花塞的結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)

通常，火花塞由中心電極、瓷絕緣體、接線螺桿、內(nèi)外密封墊圈、導(dǎo)體玻璃密封劑、殼體及側(cè)電極等組成 （見圖1）。使用一定的旋緊力矩將火花塞旋入發(fā)動機(jī)氣缸蓋內(nèi)，使外密封圈受壓產(chǎn)生一定的變形量用以防止氣缸內(nèi)熾熱的氣體向外界泄漏。

火花塞工作于發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)，發(fā)動機(jī)工作過程中產(chǎn)生的熱量經(jīng)由火花塞向外部散發(fā)，熱量散發(fā)和傳導(dǎo)的路徑和流量大小分布示意如圖2所示。

由圖2可見：發(fā)動機(jī)工作氣缸中的熱量經(jīng)由火花塞散出的有近2／3是通過火花塞的殼體和墊圈傳遞至氣缸蓋向外界傳出的。為了適應(yīng)發(fā)動機(jī)的工況要求，選擇合適的耐高溫、耐腐蝕材料加工火花塞零部件是必須的，同時良好的散熱通道也是火花塞維持熱平衡、能夠長久正常工作的重要維系因素之一。

2 火花塞的工作溫度和熱性能概述

火花塞若要正常工作，必須保證其工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。若火花塞的工作溫度過低，附著在火花塞上的燃油不能被充分燃燒而形成積碳并沉積在火花塞的絕緣體上，致使火花塞的絕緣性能下降、造成火花塞的點火能量分流和泄漏，降低了點火的可靠性，使發(fā)動機(jī)不能正常而可靠地工作；若火花塞的工作溫度過高 （絕緣體裙部達(dá)到900℃左右）［2］，燃油混合氣遇上熾熱的火花塞易于產(chǎn)生不規(guī)則的自點火，也將影響發(fā)動機(jī)的正常工作，甚至產(chǎn)生爆震，損壞發(fā)動機(jī)［3］?；鸹ㄈ９ぷ鞯臏囟确秶鐖D3所示。

在為發(fā)動機(jī)選配火花塞時，除了要滿足發(fā)動機(jī)的基本安裝尺寸這個基本要求外，火花塞的熱性能必須與發(fā)動機(jī)的工況相適應(yīng)，才能使得火花塞正常而安全的點火功能得以保障。所謂火花塞的熱性能，直白地說就是火花塞維持熱平衡 （吸熱和散熱）的能力，也可以說通過自身結(jié)構(gòu)、材料等的不同設(shè)計能夠在發(fā)動機(jī)全工況下維持自身熱平衡在適宜的工作溫度范圍內(nèi)的能力。正確地認(rèn)識和理解火花塞的熱性能，對火花塞的正確使用具有非常重要的意義。

通常用火花塞的熱值來表述火花塞的熱性能，也就是通常在火花塞型號中看到的不同的阿拉伯?dāng)?shù)字。常常說火花塞是低熱值和高熱值或熱型和冷型等等，就是描述火花塞的不同的熱性能。發(fā)動機(jī)的功率越大、負(fù)荷越高，需要選配高熱值的火花塞或者說冷型火花塞；反之，發(fā)動機(jī)的功率比較小、負(fù)載比較低，則可選用低熱值或熱型的火花塞［1］。對于BOSCH品牌的火花塞，火花塞型號中的阿拉伯?dāng)?shù)字越小，則表示該款火花塞具有較高的熱性能，能夠承受較大的熱負(fù)荷，是一款較冷型的火花塞，可以匹配較大功率的發(fā)動機(jī)工作。

3 火花塞的熱性能及其在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的應(yīng)用

為了適應(yīng)不同用途發(fā)動機(jī)工作時的工況要求，需要設(shè)計具有不同熱性能要求的火花塞來與之相匹配。以下將闡述火花塞不同的熱性能要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的應(yīng)用。

3.1 絕緣體裙部長度設(shè)計

火花塞不同的熱性能可以通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)。大多數(shù)情況下具有不同熱性能的火花塞，其絕緣體裙部尺寸的設(shè)計是不同的，絕緣體裙部越長，其暴露在工作氣缸內(nèi)的吸熱面積越大，吸收的熱量越多，熱量散布的速度愈緩慢，導(dǎo)致裙部溫度越容易升高［1］，故這類火花塞僅適用于輕載、低功率發(fā)動機(jī)，被稱為熱型火花塞。反之，絕緣體裙部的設(shè)計尺寸愈短則其吸熱面積相對較少，裙部工作溫度相對較低，可以承受高負(fù)荷、大功率發(fā)動機(jī)的工況要求，也稱為冷型火花塞。火花塞絕緣體裙部長度的合理設(shè)計將對火花塞的熱性能具有重大影響。圖4給出了不同熱性能火花塞絕緣體的裙部長度及其具有的不同的熱性能示意圖。

3.2 絕緣體導(dǎo)熱距離設(shè)計

除了絕緣體裙部長度尺寸影響火花塞的熱性能外，絕緣體的導(dǎo)熱距離的不同設(shè)計也會對熱性能產(chǎn)生影響 （見圖5）。導(dǎo)熱距離越大，熱傳導(dǎo)距離越長，熱量傳遞得越慢，火花塞上積聚的熱量就越不容易散出，溫度就愈高；反之，導(dǎo)熱距離越小，則火花塞散熱越快，火花塞的溫度相對較低。比如，用于某些結(jié)構(gòu)尺寸要求比較小的火花塞，采用了加大的導(dǎo)熱距離設(shè)計，這是因為這類火花塞的結(jié)構(gòu)尺寸小，為了保證火花塞具有足夠的機(jī)械、電氣等性能要求，通過加大瓷絕緣體的導(dǎo)熱距離和調(diào)整絕緣體裙部長度設(shè)計可以實現(xiàn)火花塞合理的熱平衡要求，滿足發(fā)動機(jī)對火花塞熱性能及其綜合性能的要求。

3.3 中心電極與瓷絕緣體間的間隙設(shè)計

改變中心電極和瓷絕緣體小孔間的配合間隙也能夠調(diào)整火花塞的熱性能?？s減中心電極和絕緣體瓷孔間的間隙，有利于熱量的快速傳遞從而可以改善火花塞的熱性能；另外，對于有些小汽油機(jī)用的火花塞，由于受到小汽油發(fā)動機(jī)內(nèi)部空間的限制，火花塞的絕緣體裙部長度受到限制，此時可以考慮調(diào)整中心電極與瓷絕緣體小孔間的間隙 （同時適當(dāng)調(diào)整絕緣體的導(dǎo)熱距離）來達(dá)到縮減絕緣體裙長，并滿足發(fā)動機(jī)對火花塞熱性能的要求。

3.4 多電極及大直徑電極設(shè)計

在火花塞市場上，可以看到具有多地電極的火花塞，如兩極、三極甚至四極的火花塞。地電極數(shù)量的增多除了增加了點火通道的數(shù)量、增加了點火可靠性并延長了使用壽命之外，也增加了熱量散布傳遞的路徑。因此，火花塞由單側(cè)極變?yōu)槎鄠?cè)極時，散熱效率得到了提高，熱性能得到了改善，可以承受更大負(fù)荷發(fā)動機(jī)的工作要求，如BOSCH品牌中三地電極火花塞WR7DTC等。

加粗中心電極設(shè)計將有利于火花塞熱傳導(dǎo)效能的提高，并可延長火花塞電極的使用壽命。通常在這類火花塞的型號中增添了數(shù)字0來加以識別，如BOSCH品牌中F8DC0R即為加粗中心電極的火花塞。

3.5 復(fù)合電極材料設(shè)計及其熱性能

由于銅的良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，因此具有銅芯的復(fù)合中心電極很早就是改善火花塞熱性能的一種普遍而有效的方法。不僅僅中心電極采用復(fù)合銅芯材料，側(cè)電極也可以使用雙材料復(fù)合銅芯電極。BOSCH還開發(fā)出大銅芯復(fù)合電極，熱性能的改善將更加顯著，從而能夠更好地適應(yīng)當(dāng)今發(fā)動機(jī)對火花塞性能要求更高的趨勢。

3.6 快熱型、增大熱室孔直徑及絕緣體小頭增加倒角設(shè)計

改善火花塞的熱性能還有一些其他的設(shè)計思路，如快熱型火花塞的設(shè)計與應(yīng)用。其設(shè)計特點是在火花塞瓷絕緣體裙部從小頭向上設(shè)計成一段薄壁圓柱，而不是通常的圓錐 （圖6）。

設(shè)計理念是在工作過程中利用絕緣體裙部這段薄壁圓柱的快速升溫，改善在發(fā)動機(jī)反復(fù)啟動及低負(fù)荷工況下的火花塞絕緣體裙部易于積碳的問題，從而更好地滿足發(fā)動機(jī)在各種工況運行下對火花塞熱性能的全面要求。但因為絕緣體的薄壁，所以對瓷絕緣體的材料和制造也提出了更高的要求。

適量加大火花塞熱室孔的設(shè)計直徑 （如圖7），也可以調(diào)整火花塞的熱性能。適度增大的火花塞熱室孔徑可適度增加火花塞的熱量吸收，瓷絕緣體裙部的溫度得以適度提高，從而減少碳的附著。如某國產(chǎn)品牌的火花塞K7RTC等就采用了增大熱室孔直徑的結(jié)構(gòu)設(shè)計用以改善火花塞的抗積碳性能。

在瓷絕緣體小頭孔端部增加倒角設(shè)計也有利于火花塞抗積碳性能的改進(jìn)。

4 總結(jié)

熱性能是火花塞非常重要的一項性能參數(shù)，它必須與發(fā)動機(jī)的工況相匹配，才能滿足發(fā)動機(jī)的點火要求并達(dá)到期望的工作壽命。通過匹配實驗可以初步完成火花塞選型的推薦。在火花塞結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要根據(jù)具體的實際情況，綜合考慮發(fā)動機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)、點火系統(tǒng)要求、燃料種類、期望的使用壽命等因素，在火花塞最終的設(shè)計定型之前還需要經(jīng)受一系列的測試和檢驗，如發(fā)動機(jī)的臺架和道路試驗等［3－5］。

【1】王景晟，李春明，馮偉.汽車構(gòu)造［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

【2】王建昕，帥石金.汽車發(fā)動機(jī)原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

【3】張志沛.汽車發(fā)動機(jī)原理［M］.北京：人民交通出版社，2011.

【4】全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB／T 7825-1987火花塞［S］，1988.

【5】ISO 11565Road Vehicles：Spark-plugs：Test Methods and Requirements［S］，2006.

奧迪TT offroad concept全球首發(fā)支持無線充電

2014 第十三屆北京車展上，奧迪首發(fā)了TT offroad concept概念車，這款車基于MQB平臺打造。奧迪TT offroad concept概念車基于第三代奧迪TT轎跑車的運動基因打造，同時融入了緊湊型SUV的設(shè)計和功能，使它既擁有Coupé轎跑車的動感風(fēng)格，又擁有SUV的強(qiáng)大實用性。這種融合了運動與優(yōu)雅、前瞻與實用的設(shè)計，展現(xiàn)出奧迪對未來高檔車用戶生活方式的獨特理解。

動力總成中包括兩臺電機(jī)與一臺TFSI發(fā)動機(jī)，系統(tǒng)總功率達(dá)到300kW，峰值扭矩650N·m。0～100km／h加速耗時5.2s，最高時速達(dá)到250km／h。百公里油耗1.9L，碳排放則僅為45g／km。在純電動模式下，該車最大行駛里程為50km，綜合行駛里程則達(dá)到880km。

動力總成中的內(nèi)燃機(jī)采用2.0LTFSI發(fā)動機(jī)，最大功率215kW，峰值扭矩380N·m。在部分載荷工況下，發(fā)動機(jī)將采用缸內(nèi)直噴配合歧管噴射的混合噴油模式降低油耗。排氣歧管置于汽缸頭內(nèi)部，實現(xiàn)更佳的熱管理。

發(fā)動機(jī)一側(cè)配備了6速e-Stronic變速箱，其中集成了體積小巧的圓盤形發(fā)電機(jī)，最大功率40kW，峰值扭矩220N· m。車后軸則安裝了第二個電機(jī)，其最大功率85kW，峰值扭矩270N·m。

（來源：蓋世汽車網(wǎng)）

Application of Spark Plug Heat Characteristic in the Structure Design

LIUWenyuan
（BOSCH Auto Parts（Nanjing）Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210000，China）

The concept of heat characteristic for spark plug was introduced briefly.The application of spark plug heat characteristic in the structure design was illustrated.

Engine；Spark plug；Heat characteristic

2014－01－26

劉文淵（1966—），本科，工程師，主要從事火花塞產(chǎn)品設(shè)計、批產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的放行和維護(hù)工作。E-mail：wzsrfx＠163.com。