定向火花塞側(cè)電極角度對側(cè)電極溫度與耐久性及混合氣燃燒延遲的影響研究

孫亞東 王明明 肖 翔 劉玉銘 熊小建 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

隨著國內(nèi)汽車購買者對汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性訴求的不斷增加以及國家對節(jié)能減排的嚴格要求，缸內(nèi)直噴技術(shù)應(yīng)運而生。目前，缸內(nèi)直噴技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機上，為提高升功率、降低油耗（稀薄燃燒）、提高壓縮比提供了保證與支持[1-3]，但是由于噴油器噴嘴與火花塞在空間結(jié)構(gòu)布置上的局限性，在發(fā)動機做功行程，噴嘴噴出的油束區(qū)域會覆蓋火花塞的中心電極與外圍的側(cè)電極，導(dǎo)致油液分子不斷累積在側(cè)電極上。由于油束與燃燒室高溫冷熱交替的沖擊，側(cè)電極工作一段時間便被吹蝕而造成破損，影響火花塞的耐久性及使用壽命，進而影響動力總成的使用壽命。目前，對此問題的合理解決方案為開發(fā)定向火花塞技術(shù)，即精確定位火花塞在缸內(nèi)的位置，從而定位側(cè)電極的角度，避免油液分子直接接觸與覆蓋側(cè)電極，提高火花塞的耐久性，保證點火能量的最大釋放。本文分析了側(cè)電極穴蝕的原因，側(cè)電極不同角度對側(cè)電極溫度與耐久性、混合氣燃燒延遲的影響，闡述了定向火花塞的實現(xiàn)方案，為定向火花塞的研究與應(yīng)用提供了支持。

1 火花塞側(cè)電極穴蝕問題

目前，缸內(nèi)直噴發(fā)動機分為中置與側(cè)置。由于普通火花塞安裝后，側(cè)電極在缸內(nèi)的角度是隨機的，導(dǎo)致噴油器噴嘴與側(cè)電極相對位置的差異性較大。因此，當(dāng)噴油器噴嘴產(chǎn)生的油束覆蓋側(cè)電極時，油液分子隨著發(fā)動機做功不斷浸濕側(cè)電極表面，在油束與燃燒室高溫不斷的冷熱沖擊下，最終導(dǎo)致側(cè)電極被吹蝕，嚴重情況下發(fā)生脫落[4-6]，從而使發(fā)動機整體壽命降低，維修成本增加。將側(cè)電極角度定向，使側(cè)電極在缸內(nèi)處于油束區(qū)域外時，可增加側(cè)電極與油束的間隙，避免油液分子直接接觸側(cè)電極，使側(cè)電極在缸內(nèi)不會遭受冷熱沖擊。試驗結(jié)果表明，這種配合的側(cè)電極具備優(yōu)良的耐久性，表面狀態(tài)較為完整。圖1為側(cè)電極位置及穴蝕示意圖，其中，圖1a 與圖1b 分別為油束區(qū)域內(nèi)側(cè)電極與油束區(qū)域外側(cè)電極示意圖，圖1c 與圖1d 分別為狀態(tài)良好側(cè)電極與已經(jīng)穴蝕的側(cè)電極示意圖。

圖1 側(cè)電極位置及穴蝕示意圖

2 側(cè)電極角度對側(cè)電極溫度與耐久性及混合氣燃燒延遲的影響

2.1 側(cè)電極角度對側(cè)電極表面溫度的影響

圖2 為側(cè)電極不同角度示意圖。

圖2 側(cè)電極不同角度示意圖

表1 為不同側(cè)電極角度與轉(zhuǎn)速下側(cè)電極的表面溫度。

表1 不同側(cè)電極角度與轉(zhuǎn)速下側(cè)電極表面溫度 ℃

從表1 可以看出，相同側(cè)電極角度下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，側(cè)電極的表面溫度不斷增加。這是由于高轉(zhuǎn)速下，噴嘴噴油頻次增加，缸內(nèi)燃燒加劇，導(dǎo)致溫度升高。相同轉(zhuǎn)速下，當(dāng)側(cè)電極角度分別為0°和180°時，側(cè)電極表面溫度分別為最低和最高，在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min 和5 500 r/min 時，2 者的表面溫度差均為35 ℃；在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min 時，2 者的表面溫度差為40 ℃。同時，相同轉(zhuǎn)速下，側(cè)電極角度為-90°與90°時的表面溫度差異較小，基本接近，在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min 時，2 者的表面溫度差為0 ℃；在轉(zhuǎn)速為5 500 r/min 時，2 者的表面溫度差為10 ℃；在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min 時，2 者的表面溫度差為5℃。當(dāng)側(cè)電極角度分別為-90°和90°時，相比于側(cè)電極角度為0°時，在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min 時，表面溫度均增加25 ℃；在轉(zhuǎn)速為5 500 r/min 時，表面溫度分別增加30 ℃和20 ℃；在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min 時，表面溫度分別增加25 ℃和20 ℃。這是由于側(cè)電極角度為0°時，側(cè)電極處于油束噴霧區(qū)域外，側(cè)電極表面遭受油液分子浸濕的風(fēng)險較小，火花塞點火時，基本處于同一溫度環(huán)境，側(cè)電極表面無附加燃燒，因此溫度最低，這與圖1b 所示的側(cè)電極處于油束區(qū)域外的情況基本相符。當(dāng)側(cè)電極角度為180°時，側(cè)電極與中心噴嘴之間的間隙相對減小，側(cè)電極完全被噴嘴噴出的油束覆蓋，側(cè)電極表面直接遭受油液分子的沖擊，當(dāng)火花塞點火時，缸內(nèi)除了均質(zhì)混合氣的燃燒，側(cè)電極表面的油滴會跟著被點燃，因此溫度最高。當(dāng)側(cè)電極角度分別為-90°與90°時，側(cè)電極處于油束區(qū)域的邊緣，但是仍未擺脫油液的束縛，這種條件下，側(cè)電極的溫度相對較高，介于側(cè)電極角度為0°與180°之間。

2.2 側(cè)電極角度對側(cè)電極耐久性的影響

分別對11 臺4 缸發(fā)動機各缸不同側(cè)電極角度（側(cè)電極角度樣本量為44 個不同角度）進行額定功率下的耐久試驗（＞80 h），結(jié)果如圖3 所示。

圖3 側(cè)電極損傷數(shù)量雷達分布示意圖

從圖3 可以看出，從順時針方向，當(dāng)側(cè)電極角度處于-45°～45°時，側(cè)電極無損傷案例，整體耐久性好；當(dāng)側(cè)電極角度分別處于45°～90°與-90°～-45°時，側(cè)電極在一定程度上存在被吹蝕的風(fēng)險，但風(fēng)險相對較?。划?dāng)側(cè)電極角度處于90°～-90°時，側(cè)電極均存在損傷案例，耐久性較差。此結(jié)果與側(cè)電極角度對側(cè)電極表面溫度的影響結(jié)果相對應(yīng)，因此，如果要提高火花塞的耐久性，合適的側(cè)電極角度至關(guān)重要。

分析得出，安裝火花塞時，盡量使側(cè)電極角度處于-45°～45°范圍內(nèi)，越接近0°，耐久性越優(yōu)良。

2.3 側(cè)電極角度對混合氣燃燒延遲的影響

不同滾流程度下，側(cè)電極角度分別為0°、90°及-90°、180°時，混合氣燃燒延遲情況如圖4 所示，縱坐標(biāo)為燃燒延遲（0%～5%質(zhì)量燃燒率）/°CA。

圖4 不同滾流程度與側(cè)電極角度下的混合氣燃燒延遲現(xiàn)象

從圖4 可以看出，相同側(cè)電極角度下，缸內(nèi)滾流程度越高，混合氣燃燒延遲程度越低，有利于正常燃燒。這是由于局部空間內(nèi)，滾流程度高，空氣流速提高，壓力降低，有利于點火能量的釋放（局部壓力越高，電離擊穿能量越大），使得混合氣燃燒延遲程度降低。相同滾流程度下，側(cè)電極角度為90°及-90°時，混合氣燃燒延遲程度相對較低；側(cè)電極角度為180°時，混合氣燃燒延遲程度最高；但是，側(cè)電極角度對混合氣燃燒延遲的整體影響差異性較小。這是因為，相同滾流程度下，當(dāng)側(cè)電極角度為90°及-90°時，中心電極與側(cè)電極處于進氣與排氣雙向流通的空間內(nèi)，無任何空氣阻礙，空氣流速相對較高，壓力相對較低，點火能量釋放能力較高，所需要的電離能量相對較少。當(dāng)側(cè)電極角度為180°時，側(cè)電極背對進氣門，空氣流通受阻。當(dāng)側(cè)電極角度為0°時，雖然來自進氣門的空氣流通性較好，但是這種空氣流通是單向的，流速比側(cè)電極角度為90°及-90°時偏低，混合氣燃燒延遲程度介于側(cè)電極角度為90°及-90°與180°之間。同時，由于缸內(nèi)局部空間相對較小，側(cè)電極角度對空氣流動的影響較小，因此，相同滾流程度下，混合氣整體燃燒延遲程度差異性較小。

3 側(cè)電極定向火花塞的實現(xiàn)方案

應(yīng)用定向火花塞技術(shù)，對安裝力矩、火花塞外墊圈、缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點以及側(cè)電極相對于火花塞螺紋起始點的位置有很高的要求[4]。

1）精確控制安裝力矩。普通火花塞的安裝，對側(cè)電極在缸內(nèi)的角度無要求，對安裝力矩的控制要求相對較低。對于定向火花塞，由于需要側(cè)電極處于一定角度，普通擰緊方式已經(jīng)無法滿足要求，為了實現(xiàn)安裝力矩的精確控制，需要由特定的氣動或電動扳手進行操作。

2）火花塞實心外墊圈。目前，普通火花塞采用的外墊圈多為層疊式[4，7]，這種火花塞在安裝時，由于自身可壓縮的特點，火花塞側(cè)電極角度因墊圈厚度變化而發(fā)生變化，存在不確定性。為了保證側(cè)電極的精確定向，定向火花塞的外墊圈應(yīng)采用實心或不可壓縮的墊圈，降低墊圈本身對側(cè)電極的影響。圖5 為火花塞外墊圈，其中，圖5a 為層疊式，圖5b 為實心式。

圖5 火花塞外墊圈

3）缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點。實現(xiàn)定向火花塞的另一重要因素為缸蓋上火花塞安裝孔的螺紋起始點，該起始點相對于進氣門的位置需要做到精確定位，否則，火花塞安裝后，側(cè)電極在缸內(nèi)的角度仍然不可控[4，8]?？梢詫菁y的假體火花塞提供給供應(yīng)商進行配合加工，保證螺紋起始點準確。圖6為缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點示意圖，圖7 為傳遞側(cè)電極角度信息的假體火花塞。

圖6 缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點示意圖

圖7 帶螺紋的假體火花塞

4）火花塞側(cè)電極相對于螺紋起始點的位置。缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點確定后，側(cè)電極的相對位置變得尤為重要。為了確保側(cè)電極相對于火花塞螺紋起始點的位置，首先對火花塞側(cè)電極進行焊接，然后采用特種螺紋滾絲機對火花塞進行螺紋加工，達到逆向支持定位要求，確保相對位置[4]。

4 結(jié)論

1）發(fā)動機缸內(nèi)直噴技術(shù)雖已廣泛應(yīng)用，但是普通火花塞在安裝后，側(cè)電極角度在缸內(nèi)的隨機性使得側(cè)電極被吹蝕的風(fēng)險增加，當(dāng)側(cè)電極處于油束噴射區(qū)域時，側(cè)電極會因油束以及混合氣燃燒所產(chǎn)生高溫的冷熱沖擊而產(chǎn)生穴蝕與造成損傷。

2）相同轉(zhuǎn)速下，火花塞側(cè)電極角度分別為0°和180°時，側(cè)電極表面溫度分別為最低和最高。側(cè)電極角度為90°及-90°時的側(cè)電極表面溫度介于側(cè)電極角度為0°與180°之間，且2 者差異較小。這是由于不同側(cè)電極角度下，側(cè)電極處于油束區(qū)域的位置不同。

3）當(dāng)側(cè)電極角度處于-45°～45°范圍時，側(cè)電極發(fā)生穴蝕的風(fēng)險較小，耐久試驗后，未發(fā)現(xiàn)損傷案例，表明耐久性好，使用壽命長；其余側(cè)電極角度范圍，均存在側(cè)電極損傷，耐久性差。但是，由于燃燒室為局部空間，當(dāng)側(cè)電極角度為90°及-90°時，中心電極與側(cè)電極處于空氣雙向流通區(qū)域，空氣流速相對較高，壓力相對較低，有利于火花塞點火能量的釋放，混合氣燃燒延遲程度相對較低，有利于發(fā)動機正常燃燒。

4）精確控制安裝力矩、采用實心外墊圈、定位缸蓋上火花塞安裝孔螺紋起始點以及準確控制側(cè)電極相對于螺紋起始點的位置等4 個措施是實現(xiàn)定向火花塞的重要保證。

國家科研機構(gòu)要以國家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，著力解決影響制約國家發(fā)展全局和長遠利益的重大科技問題，加快建設(shè)原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)。

——習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協(xié)第十次全國代表大會上的講話