渦輪增壓型汽油機(jī)火花塞燒蝕的試驗(yàn)探究

宋太安，胡志剛，王劍鋒，潘圣臨，張霖

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 引言

為避免越來越嚴(yán)苛的油耗法規(guī)沖擊，在提高經(jīng)濟(jì)性又不失動(dòng)力性的前提下，多數(shù)車企采用了小排量發(fā)動(dòng)機(jī)加渦輪增壓的組合方案來應(yīng)對(duì)，很多車企首次開發(fā)增壓機(jī)型時(shí)，在試驗(yàn)驗(yàn)證階段常會(huì)出現(xiàn)一些不可預(yù)知的問題。本文針對(duì)某1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)加渦輪增壓方案在臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)中連續(xù)三次出現(xiàn)火花塞燒蝕，即火花塞金屬電極被高溫熔化（以下均簡(jiǎn)稱燒蝕），其中發(fā)生兩次側(cè)電極燒蝕，一次中心電極燒蝕現(xiàn)象。對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)探究，為小排量汽油機(jī)加入渦輪增壓方案提供了一些數(shù)據(jù)支持。

2 本文的研究內(nèi)容及研究意義

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)信息

在滿足國家法規(guī)的同時(shí)，盡可能的提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性是我們面臨的共同課題。本文介紹了一款渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)之初遇到的一些問題。

發(fā)動(dòng)機(jī)信息說明：1.5升排量，直列4缸，16氣門，進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射，廢氣渦輪增壓器。壓縮比為 9，最大功率110kW@5000rpm，最大扭矩為210N*m@2000-4500rpm，燃油為國標(biāo)93#汽油。ECU為ME1788（UAES），選配中型熱值火花塞。發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架耐久試驗(yàn)中連續(xù)多次燒蝕，故障大約在耐久試驗(yàn)50小時(shí)、70小時(shí)出現(xiàn)。分別在一缸、三缸、四缸出現(xiàn)過，下圖為火花塞燒蝕圖片。

圖1 火花塞燒蝕圖片

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)布置圖

在未產(chǎn)生爆震的情況下，火花塞燒蝕，異常燃燒。

2.2 試驗(yàn)探究

2.2.1 全負(fù)荷工況不同轉(zhuǎn)速下火花塞電極溫度特性

分別測(cè)定各汽缸中心電極及側(cè)電極溫度，如圖2所示。

圖3 節(jié)氣門全開時(shí)電極溫度測(cè)定圖

由于本次試驗(yàn)的目的是探究某 1.5L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞電極燒蝕的原因，在試驗(yàn)初期通過測(cè)定中心電極及側(cè)電極溫度，找出工作溫度最高的汽缸，即找出工況最惡劣的汽缸來進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。上圖為測(cè)定的各缸火花塞電極溫度，測(cè)定條件為以每次 1000rpm間隔提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至 5000 rpm，并以此判斷火花塞工作溫度最高的汽缸，從測(cè)試結(jié)果表明工作溫度最高的為4#汽缸，出現(xiàn)在5000rpm，此時(shí)側(cè)電極最高溫度為785℃，中心電極溫度為640℃，并未達(dá)到各電極熔損臨界點(diǎn)，以此汽缸為基礎(chǔ)，繼續(xù)觀察此汽缸在節(jié)氣門全開時(shí)其他工況條件下是否會(huì)出現(xiàn)過熱。

2.2.2 節(jié)氣門全開時(shí)不同點(diǎn)火提前角條件下的溫度特性

在保持節(jié)氣門全開、5000rpm條件下，關(guān)閉爆震控制系統(tǒng)，并以3°CA（曲軸轉(zhuǎn)角）間隔調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角，如上圖所示，測(cè)量結(jié)果顯示火花塞中心電極溫度有微小降低，且并未發(fā)生提前點(diǎn)火，汽缸內(nèi)無爆震產(chǎn)生，以此可以判斷火花塞并未因點(diǎn)火提前角的改變而發(fā)生過熱。

圖4 不同點(diǎn)火提前角下電極溫度測(cè)定圖

2.2.3 在節(jié)氣門全開下調(diào)節(jié)混合氣空燃比

在試驗(yàn)過程中，保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 5000rpm，節(jié)氣門全開條件不變，調(diào)節(jié)空燃比λ，當(dāng)可燃混合氣變濃0.01，電極溫度降低15℃，當(dāng)可燃混合氣變稀0.05，電極溫度升高20℃，可以觀察到測(cè)定電極溫度曲線在 600-700℃之間變化，如上圖所示，電極溫度并無明顯變化。說明在節(jié)氣門全開的情況下混合氣空燃比對(duì)于電極溫度變化沒有影響。

圖5 節(jié)氣門全開時(shí)空燃比λ對(duì)電極溫度的影響

2.2.4 供電電壓檢測(cè)

在本輪試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)了一些可疑的現(xiàn)象，并由此展開了相關(guān)分析。由上表數(shù)據(jù)表可以看出，火花塞在全負(fù)荷工況5000rpm左右出現(xiàn)失火，供電電壓小于點(diǎn)火需求電壓，即在該點(diǎn)火的時(shí)刻出現(xiàn)了未點(diǎn)火的現(xiàn)象，我們稱之為失火，進(jìn)一步分析出在失火的循環(huán)中缸內(nèi)存在未被點(diǎn)燃混合氣，此部分氣體直接通過排氣門進(jìn)入排氣歧管，在此循環(huán)中排氣歧管中存有10%左右的可燃混合氣，而此時(shí)排氣歧管溫度遠(yuǎn)大于燃油自然溫度，在排氣門開啟的瞬間，汽缸內(nèi)與排氣歧管內(nèi)的可燃混合氣被排氣歧管高溫引燃，造成原本溫度較高的電極再次吸收較多熱量，使得火花塞發(fā)生了過熱，如此經(jīng)歷一段時(shí)間，直接將導(dǎo)致火花塞中心電極及側(cè)電極因過熱而發(fā)生燒蝕。我們?cè)谖催M(jìn)行改進(jìn)前的一輪試驗(yàn)再次驗(yàn)證了這一點(diǎn)：點(diǎn)火線圈所供給的輸出電壓與火花塞最大需求電壓需要控制在合理范圍內(nèi)，本次燒蝕火花塞的匹配根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)將最大需求電壓保持在供電電壓的95%范圍內(nèi)顯然已不能滿足高功率發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火電壓需求。經(jīng)過一番試驗(yàn)我們找到原因所在，繪制相關(guān)的模型供參考，如下：

表1 供電電壓與需求電壓記錄值

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)需求電壓與供應(yīng)電壓折線圖

圖7 3種類型的放電電壓

2.2.5 經(jīng)過更換點(diǎn)火線圈及更新點(diǎn)火脈寬后實(shí)車測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述分析，我們更換了新型點(diǎn)火線圈，將火花塞的最大需求電壓控制在供電電壓的85%范圍內(nèi)，對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了重新評(píng)估和設(shè)計(jì)，確保缸內(nèi)混合氣具有足夠的擊穿電壓，這也使得搭載的新一輪試驗(yàn)考核順利完成。

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本渦輪增壓汽油機(jī)火花塞燒蝕產(chǎn)生的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)擊穿電壓在某些工況下出現(xiàn)不足，采用提高點(diǎn)火系統(tǒng)供電電壓后火花塞燒蝕現(xiàn)象消除。

3 總結(jié)

擊穿電壓是火花塞兩電極擊穿而產(chǎn)生的電火花所需的電壓，稱為火花塞擊穿電壓?；鸹ㄈ麚舸╇妷旱拇笮∨c電極之間的距離（火花塞間隙）、氣缸內(nèi)的壓力和溫度、電極的溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況等因素有關(guān)。

電極間隙越大，電極周圍氣體中的電子和離子距離越大，受電場(chǎng)力的作用越小，越不容易發(fā)生碰撞電離，因此要求有更高的擊穿電壓方能點(diǎn)火。

汽缸內(nèi)的壓力越大或者溫度越低，則氣缸內(nèi)可燃混合氣的密度越大，單位體積內(nèi)的氣體分子的數(shù)量越多，離子自由運(yùn)動(dòng)的距離越小，就越不容易發(fā)生碰撞電離。只有提高加在電極上的電壓，增大作用于離子上的電場(chǎng)力，使離子的運(yùn)動(dòng)加速才能發(fā)生離子間的碰撞電離，使火花塞電極間隙擊穿。因此，汽缸內(nèi)的壓力越大或者溫度越低，所要求的火花塞擊穿電壓越高。

發(fā)動(dòng)機(jī)在采用增壓后對(duì)點(diǎn)火性能要求進(jìn)一步提高，建議在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)火花塞熱值及火花塞的電極間隙，使點(diǎn)火電壓在合理范圍內(nèi)，我們推薦最大需求電壓保持在供電電壓的85%范圍內(nèi)，這樣才能保證火花塞在各個(gè)工況下順利點(diǎn)火，確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠，避免火花塞電極燒蝕問題發(fā)生。