火花塞側(cè)電極定向的要求和實(shí)現(xiàn)方案

杜德魁，楊輝睦，周志強(qiáng)

(株洲湘火炬火花塞有限責(zé)任公司，湖南株洲 412001)

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)乘用車(chē)內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)是越來(lái)越多地采用增壓直噴技術(shù)。對(duì)于一些直噴發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，火花塞安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上后，其側(cè)電極的位置可能會(huì)對(duì)火花塞的點(diǎn)火性能以及火花塞側(cè)電極本身的穴蝕帶來(lái)影響，采用火花塞側(cè)電極定向技術(shù)可以有效降低這兩個(gè)方面的影響。要實(shí)現(xiàn)火花塞安裝后側(cè)電極定向，需要精確確定缸蓋上火花塞安裝孔的螺紋起始點(diǎn)、精確確定火花塞螺紋起始點(diǎn)相對(duì)側(cè)電極的角度位置、使用實(shí)心的火花塞外墊圈以及使用精確的火花塞安裝力矩安裝火花塞。

1 缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的火花塞側(cè)電極穴蝕問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō)，火花塞安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)后，其側(cè)電極位置在燃燒室內(nèi)是隨機(jī)的。對(duì)于非缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，因燃燒室內(nèi)的混合氣接近均質(zhì)，火花塞側(cè)電極位置對(duì)點(diǎn)火性能基本沒(méi)有影響，側(cè)電極也不會(huì)出現(xiàn)被穴蝕的現(xiàn)象，如圖1(a)所示，耐久試驗(yàn)后的側(cè)電極外表面處于完好狀態(tài)。

為提高燃油經(jīng)濟(jì)性，缸內(nèi)直噴技術(shù)被越來(lái)越多地采用。缸內(nèi)直噴噴嘴的布置，有的是側(cè)置，有的是中置。如果噴嘴布置在距離火花塞點(diǎn)火端比較近的位置，當(dāng)火花塞側(cè)電極位置處于燃油噴射束覆蓋的范圍內(nèi)時(shí)，高溫的側(cè)電極表面頻繁地被燃油束急速冷卻沖擊，會(huì)逐漸出現(xiàn)側(cè)電極穴蝕現(xiàn)象，如圖1(b)所示。隨著火花塞使用時(shí)間的增加，這種吹蝕現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)側(cè)電極從吹蝕處折斷脫落現(xiàn)象，損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。如果側(cè)電極的位置剛好在油束中間，則側(cè)電極會(huì)擋住噴射的油束，在點(diǎn)火時(shí)刻電極間隙處沒(méi)有足夠的油氣混合氣，造成著火困難，影響火花塞的點(diǎn)火可靠性。

圖1 火花塞側(cè)電極耐久試驗(yàn)后形貌對(duì)比

2 火花塞側(cè)電極定向要求

火花塞側(cè)電極定向是指火花塞被安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上之后，側(cè)電極的朝向相對(duì)于進(jìn)氣閥要定位，即側(cè)電極在圓周的角度位置要精確定位。如圖2所示，火花塞被安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上之后，為了避開(kāi)缸內(nèi)直噴油束，側(cè)電極的位置不能落到A區(qū)域，只能落在A區(qū)域以外的位置。

圖2 火花塞安裝后側(cè)電極的位置禁區(qū)A

這種技術(shù)要求早在2005年就已經(jīng)在歐洲提出并被采用。國(guó)內(nèi)首次采用該技術(shù)的是上汽大眾的EA211系列1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)，它匹配的火花塞就采用了側(cè)電極定向技術(shù)。國(guó)內(nèi)自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與歐洲先進(jìn)技術(shù)相比落后10年左右，目前還沒(méi)有自主品牌車(chē)企的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用此技術(shù)，只有長(zhǎng)安汽車(chē)在其最新一代的NE1藍(lán)鯨系列發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了側(cè)電極定向式火花塞對(duì)點(diǎn)火可靠性的相關(guān)試驗(yàn)和研究。

3 側(cè)電極定向的實(shí)現(xiàn)方案

要實(shí)現(xiàn)火花塞側(cè)電極定向，需要發(fā)動(dòng)機(jī)廠家和火花塞供應(yīng)商共同采取4個(gè)措施：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家要確定側(cè)電極定向的位置及公差，并確保缸蓋上火花塞螺紋起始點(diǎn)相對(duì)于進(jìn)氣閥是精確定位的[1]。

(2)火花塞供應(yīng)商要依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞火花塞側(cè)電極定向角度信息，在火花塞的加工過(guò)程中確?；鸹ㄈ麄?cè)電極相對(duì)于螺紋的起始點(diǎn)精確定位[1]。如圖3所示，火花塞殼體上的螺紋起始點(diǎn)相對(duì)于側(cè)電極中心線的距離α，以及螺紋起始點(diǎn)距離外墊圈密封座的距離h要精確定位。這是實(shí)現(xiàn)火花塞側(cè)電極定向的關(guān)鍵技術(shù)。

(3)火花塞要使用安裝過(guò)程中厚度幾乎不變的實(shí)心外墊圈[2]。

(4)在安裝火花塞時(shí)要精確控制安裝力矩。

圖3 火花塞殼體上側(cè)電極與螺紋起始點(diǎn)的定位

3.1 精確定位缸蓋上火花塞安裝孔的螺紋起始點(diǎn)

若要實(shí)現(xiàn)火花塞安裝后側(cè)電極的位置定向，前提是汽缸蓋上的火花塞安裝孔螺紋起始點(diǎn)相對(duì)于進(jìn)氣門(mén)要定位。如果缸蓋上的螺紋起始點(diǎn)是隨機(jī)分布的，則無(wú)論火花塞采用何種技術(shù)，都無(wú)法做到火花塞安裝后側(cè)電極定向。為了便于缸蓋上的螺紋加工，缸蓋上螺紋孔的起始點(diǎn)可以由發(fā)動(dòng)機(jī)廠家自主確定。確定了缸蓋上的螺紋起始點(diǎn)在圓周上相對(duì)于進(jìn)氣門(mén)的位置后，可以通過(guò)一個(gè)如圖4所示的帶螺紋的假體火花塞檢具把螺紋起始點(diǎn)信息傳遞給火花塞供應(yīng)商。

圖4 傳遞角度位置信息的假體火花塞

3.2 精確定位火花塞側(cè)電極相對(duì)于螺紋的起始點(diǎn)

精確定位火花塞側(cè)電極相對(duì)于其螺紋的起始點(diǎn)可以有兩種實(shí)現(xiàn)方案。方案一是先焊接好側(cè)電極，然后再使用特種螺紋滾絲機(jī)，待側(cè)電極定位后滾壓螺紋。方案二是先滾壓好火花塞殼體上的螺紋，再把滾好螺紋的殼體旋轉(zhuǎn)到一個(gè)帶螺紋套的承座上，然后依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家通過(guò)假體火花塞傳遞過(guò)來(lái)的角度位置信息定位側(cè)電極焊接位置。圖5為方案二的一種側(cè)電極焊接機(jī)構(gòu)示意，該方案類(lèi)似于把火花塞模擬安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，然后再焊接側(cè)電極。采用這種方案生產(chǎn)的火花塞，其側(cè)電極定位比方案一更加精準(zhǔn)，但生產(chǎn)效率相對(duì)于方案一要低一些。

圖5 一種定向式側(cè)電極焊接機(jī)構(gòu)

3.3 火花塞使用實(shí)心的外墊圈

常規(guī)的火花塞外墊圈為層疊式設(shè)計(jì)，火花塞安裝前的外墊圈厚度一般為1.8 mm左右，當(dāng)使用一定的安裝力矩安裝后，外墊圈被壓縮至厚度為1.4 mm左右。因?yàn)樽罱K的外墊圈厚度與安裝力矩相關(guān)性比較大，而隨著這個(gè)厚度的變化，火花塞側(cè)電極在圓周方向上的位置變化也比較大，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)側(cè)電極精確定位。為了避免因外墊圈厚度變化對(duì)側(cè)電極位置的影響，側(cè)電極定向式火花塞必須使用幾乎不變形的實(shí)心外墊圈。圖6是常規(guī)火花塞的外墊圈與側(cè)電極定向式火花塞的外墊圈對(duì)比，從外觀上可以看出明顯的差異。

圖6 不同結(jié)構(gòu)火花塞外墊圈

3.4 精確控制火花塞安裝力矩

一般情況下，火花塞的安裝擰緊力矩都是有規(guī)定的。擰緊力矩過(guò)小，火花塞會(huì)松動(dòng)，散熱不好；擰緊力矩過(guò)大，則會(huì)造成螺紋拉伸，輕則陶瓷絕緣體可以在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)倒，造成火花塞陶瓷體處漏氣，并影響點(diǎn)火端的熱量散失，重則火花塞螺紋被擰斷。對(duì)于普通的火花塞，安裝力矩只要不是明顯的偏小或偏大，都不會(huì)有太大的問(wèn)題。但對(duì)于定向式側(cè)電極火花塞，火花塞的安裝力矩必須精確控制，否則因擰緊力的較大變化會(huì)使火花塞轉(zhuǎn)動(dòng)角度發(fā)生較大變化，進(jìn)而影響側(cè)電極在燃燒室內(nèi)的位置。主機(jī)廠在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝火花塞時(shí)，應(yīng)使用定扭矩的氣動(dòng)或電動(dòng)扳手；維修市場(chǎng)更換側(cè)電極定向式火花塞時(shí)，也要使用定扭矩扳手，不能憑感覺(jué)安裝火花塞，以免造成火花塞角度偏移過(guò)大。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于有些直噴發(fā)動(dòng)機(jī)而言，如果使用普通的火花塞，則有火花塞側(cè)電極擋住噴油束而降低點(diǎn)火性能的問(wèn)題，而且會(huì)出現(xiàn)火花塞側(cè)電極的穴蝕問(wèn)題。

(2)采用側(cè)電極定向技術(shù)，在火花塞安裝后讓其側(cè)電極位于一個(gè)合理的角度范圍，可以有效避免點(diǎn)火性能降低和側(cè)電極穴蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)要實(shí)現(xiàn)火花塞側(cè)電極定向，不但要保證發(fā)動(dòng)機(jī)上每個(gè)缸的火花塞安裝孔螺紋起始點(diǎn)相對(duì)確定，而且要保證火花塞的螺紋起始點(diǎn)相對(duì)于側(cè)電極精確定位，同時(shí)要使用幾乎不變形的實(shí)心火花塞外墊圈,以精確控制火花塞的安裝力矩。