乙醇燃料發(fā)動機(jī)火花塞燒蝕機(jī)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(yīng)緊張的大環(huán)境下，發(fā)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(yīng)用已趨于成熟，中國的政策導(dǎo)向也加大了對乙醇燃料應(yīng)用的推進(jìn)［1］。乙醇燃料和傳統(tǒng)汽油燃料之間存在差異，如存在腐蝕性強(qiáng)、氣化潛熱大、積炭增多等缺點(diǎn)，需要制定相應(yīng)的對策［2］。針對增壓或增壓直噴發(fā)動機(jī)，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(fā)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(fā)動機(jī)因早燃引發(fā)的火花塞燒蝕案例，其早燃特征與常規(guī)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(fā)動機(jī)在E100可靠性臺架試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)運(yùn)行約70 h發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)功率扭矩下降，拆解火花塞發(fā)現(xiàn)某單缸火花塞中心電極、側(cè)電極燒蝕，發(fā)火端部陶瓷體高溫剝落，見圖1。更換該故障火花塞后，繼續(xù)運(yùn)行發(fā)動機(jī)約20 h，再次發(fā)生火花塞燒蝕，此次燒蝕缸號發(fā)生轉(zhuǎn)移，火花塞燒蝕表現(xiàn)基本相同。

兩次火花塞燒蝕發(fā)生工況均為WOT和怠速工況的切換過程中，且未發(fā)現(xiàn)明顯爆震。

圖1 火花塞燒蝕

2 火花塞故障分析

重點(diǎn)從3個方向開展分析：火花塞制造確認(rèn)、火花塞熱值匹配檢查、發(fā)動機(jī)異常燃燒 （早燃）確認(rèn)。

1.1 火花塞制造確認(rèn)

火花塞故障件分析結(jié)果：未見制造缺陷，金相分析發(fā)現(xiàn)故障火花塞側(cè)電極金相晶粒明顯長大，而未發(fā)生燒蝕的火花塞側(cè)電極則無明顯晶粒長大現(xiàn)象。

1.2 火花塞匹配檢查

針對故障發(fā)動機(jī)，重新進(jìn)行火花塞熱值匹配確認(rèn)，包含火花塞側(cè)電極測溫和離子流早燃試驗(yàn)。測溫試驗(yàn)確認(rèn)了火花塞側(cè)電極在各工況下的溫度趨勢，最高溫度為906℃@5500 r／min-70%負(fù)荷；離子流早燃試驗(yàn)確認(rèn)，火花塞在設(shè)計狀態(tài)下及更高熱值狀態(tài)下，均未引發(fā)發(fā)動機(jī)早燃。至此排除火花塞制造及熱值匹配過熱導(dǎo)致燒蝕的懷疑點(diǎn)，重點(diǎn)懷疑發(fā)動機(jī)存在異常燃燒 （早燃）。

3 故障再現(xiàn)與早燃問題鎖定

為了再現(xiàn)故障、鎖定問題點(diǎn) （早燃），特進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，如下。

將故障發(fā)動機(jī)的缸蓋拆解，重新加工，加裝了4個預(yù)埋式缸壓傳感器，恢復(fù)裝機(jī)后重新上臺架；在某單缸進(jìn)行火花塞側(cè)電極溫度監(jiān)控；在某兩缸進(jìn)行點(diǎn)火電壓監(jiān)控；試驗(yàn)全程ECU數(shù)據(jù)監(jiān)控。監(jiān)控設(shè)備就緒后運(yùn)行發(fā)動機(jī)臺架可靠性試驗(yàn)工況。

經(jīng)過一段時間的發(fā)動機(jī)臺架運(yùn)行，某工況下火花塞側(cè)電極溫度監(jiān)控顯示出現(xiàn)異常高溫：在約20 s的時間內(nèi)，火花塞側(cè)電極溫度從相對穩(wěn)態(tài)的694℃爬升到1369℃；ECU監(jiān)控顯示火花塞溫度爬升過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動明顯，爆震信號未見異常；點(diǎn)火電壓監(jiān)控未見異常；缸壓傳感器同步捕捉到早燃信號，見圖2。停機(jī)拆解測溫火花塞，發(fā)現(xiàn)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(jī)早燃缸壓曲線

由于火花塞離子流早燃試驗(yàn)中未見早燃 （火花塞側(cè)電極最高溫度906℃的情況下），可以判斷在側(cè)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(fā)早燃，而缸壓傳感器捕捉到的缸壓信號表明有早燃發(fā)生，因此推斷早燃由其他原因引發(fā)，而非火花塞。

火花塞側(cè)電極溫度的爬升原因推斷為遭受缸內(nèi)早燃的烘烤?；鸹ㄈ麥囟壬仙揭欢ǔ潭葻o法及時冷卻，火花塞電極自身后續(xù)也會成為持續(xù)早燃的熱點(diǎn)。

早燃缸壓信號表明：某缸缸壓在點(diǎn)火正時之前就有了明顯上升，最大爆發(fā)壓力已超過了110 bar，這會導(dǎo)致火花塞、氣門等部件溫度的上升。但與普通汽油增壓機(jī)早燃爆壓壓力曲線相比，乙醇增壓機(jī)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(diǎn)鎖定

將故障發(fā)動機(jī)進(jìn)行拆解，尋找可能存在的早燃熱點(diǎn)。重點(diǎn)排查火花塞、氣門、燃燒室內(nèi)部尖點(diǎn)、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(nèi)部尖點(diǎn)的影響因素，并逐漸將焦點(diǎn)關(guān)注在了乙醇燃料燃燒沉積物上，在發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣門桿部、缸蓋燃燒室的排氣側(cè)發(fā)現(xiàn)了沉積物。氣門上的沉積物呈膠狀、燃燒室排氣側(cè)的沉積物呈顆粒堆積狀，見圖3。對沉積物的分析發(fā)現(xiàn)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(fā)生的狀態(tài)，第一次火花塞燒蝕問題發(fā)生的時間約為70 h，在首次問題發(fā)生之后，火花塞燒蝕問題頻發(fā)，間隔時間1～30個小時不等，發(fā)生燒蝕的缸號也是隨機(jī)的。發(fā)動機(jī)累計運(yùn)行70 h之后，發(fā)動機(jī)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(fā)缸內(nèi)的早燃，推斷燃燒室內(nèi)的沉積物是引發(fā)早燃的熱點(diǎn)。

5 沉積物熱點(diǎn)形成機(jī)理分析

對于乙醇燃料而言，其氣化潛熱較大，導(dǎo)致了沉積物的形成。發(fā)動機(jī)燃燒室溫度模擬顯示，在額定工況點(diǎn)情況下火焰偏向進(jìn)氣側(cè)，導(dǎo)致了排氣側(cè)燃燒不完全、形成冷區(qū)，見圖4，這個冷區(qū)的位置和沉積物堆積的位置是重合的?？梢耘袛喟l(fā)動機(jī)長期運(yùn)行在額定工況點(diǎn)下，沉積物顆粒便在兩個排氣門對應(yīng)的燃燒室邊緣產(chǎn)生堆積。

圖4 缸內(nèi)燃燒溫度計算

發(fā)動機(jī)臺架可靠性工況由于長期停留在額定功率點(diǎn)區(qū)域，加劇了排氣門側(cè)沉積物的堆積，當(dāng)轉(zhuǎn)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(diǎn)。

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

6 改進(jìn)方案

首先，在臺架運(yùn)行工況上加以調(diào)整，以加強(qiáng)對沉積物堆積的遏制，避免發(fā)動機(jī)長時間運(yùn)行在額定點(diǎn)工況，適當(dāng)增加中低速和變速區(qū)域的工況時間，達(dá)到清理沉積物的作用。

其次，熱點(diǎn)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(diǎn)的缸內(nèi)溫度，經(jīng)驗(yàn)證對早燃有一定的遏制作用。發(fā)動機(jī)在故障易發(fā)工況點(diǎn)為閉閥噴射，在一定范圍內(nèi)采用開閥噴射后，經(jīng)驗(yàn)證早燃安全區(qū)域更寬。

第三，降低火花塞側(cè)電極溫度，加強(qiáng)側(cè)電極導(dǎo)熱，避免偶發(fā)早燃加熱側(cè)電極使得火花塞迅速成為持續(xù)熱點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，在火花塞側(cè)電極增加銅芯可以降低火花塞側(cè)電極溫度約100℃。

第四，氣道設(shè)計可持續(xù)優(yōu)化，避免燃燒過程的冷區(qū)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(xù)70個小時穩(wěn)定在額定工況點(diǎn)的概率極低，所以在缸蓋排氣側(cè)產(chǎn)生能誘發(fā)早燃的沉積物的風(fēng)險極低。有選擇地實(shí)施改進(jìn)措施可以進(jìn)一步保證可靠性。

7 方案選擇與驗(yàn)證

調(diào)整臺架發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況、火花塞側(cè)電極增加銅芯降低溫度、特定區(qū)域采用開閥噴射方案，經(jīng)發(fā)動機(jī)臺架驗(yàn)證，改進(jìn)效果良好，避免了火花塞燒蝕問題再次發(fā)生。

發(fā)動機(jī)搭載整車進(jìn)行了數(shù)輪耐久測試，均未發(fā)生火花塞燒蝕故障。整車試驗(yàn)后拆解發(fā)動機(jī)檢查缸蓋，未在發(fā)動機(jī)缸蓋排氣側(cè)發(fā)現(xiàn)沉積物，進(jìn)一步印證了推斷。

8 結(jié)論

1）該乙醇增壓發(fā)動機(jī)火花塞燒蝕的根本原因是早燃。

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

3）該乙醇燃料發(fā)動機(jī)早燃的熱點(diǎn)是缸蓋燃燒室排氣側(cè)的沉積物引發(fā)。氣道和燃燒室的設(shè)計、使用乙醇燃料、長時間在額定功率點(diǎn)運(yùn)行3個因素疊加最終導(dǎo)致了早燃熱點(diǎn)的形成。

4）火花塞側(cè)電極增加銅芯可降低電極溫度，改善導(dǎo)熱能力，可加強(qiáng)對偶發(fā)早燃的抵御能力。

5）針對該發(fā)動機(jī)，部分工況下采用開閥噴射策略可降低早燃發(fā)生概率。