乙醇燃料发动机火花塞烧蚀机理研究

李晓明，俞 京，徐茂生，高继亮

（奇瑞汽车股份有限公司动力总成集成院，安徽 芜湖 241006）

在世界能源供应紧张的大环境下，发展汽车替代燃料的速度在加快，其中乙醇燃料是一种重要的替代燃料。美国、巴西等国家的乙醇燃料应用已趋于成熟，中国的政策导向也加大了对乙醇燃料应用的推进［1］。乙醇燃料和传统汽油燃料之间存在差异，如存在腐蚀性强、气化潜热大、积炭增多等缺点，需要制定相应的对策［2］。针对增压或增压直喷发动机，超级爆震是一种常见的早燃形式，其特征是具有极高的爆发压力和压力波震荡［3］，因此易被爆震传感器捕捉。

本文展示1例乙醇E100燃油增压发动机因早燃引发的火花塞烧蚀案例，其早燃特征与常规超级爆震不同，爆震传感器难以捕捉。

1 火花塞烧蚀问题描述

某1.5 L气道喷射涡轮增压乙醇灵活燃料发动机在E100可靠性台架试验过程中，发动机运行约70 h发现发动机功率扭矩下降，拆解火花塞发现某单缸火花塞中心电极、侧电极烧蚀，发火端部陶瓷体高温剥落，见图1。更换该故障火花塞后，继续运行发动机约20 h，再次发生火花塞烧蚀，此次烧蚀缸号发生转移，火花塞烧蚀表现基本相同。

两次火花塞烧蚀发生工况均为WOT和怠速工况的切换过程中，且未发现明显爆震。

图1 火花塞烧蚀

2 火花塞故障分析

重点从3个方向开展分析：火花塞制造确认、火花塞热值匹配检查、发动机异常燃烧 （早燃）确认。

1.1 火花塞制造确认

火花塞故障件分析结果：未见制造缺陷，金相分析发现故障火花塞侧电极金相晶粒明显长大，而未发生烧蚀的火花塞侧电极则无明显晶粒长大现象。

1.2 火花塞匹配检查

针对故障发动机，重新进行火花塞热值匹配确认，包含火花塞侧电极测温和离子流早燃试验。测温试验确认了火花塞侧电极在各工况下的温度趋势，最高温度为906℃@5500 r／min-70%负荷；离子流早燃试验确认，火花塞在设计状态下及更高热值状态下，均未引发发动机早燃。至此排除火花塞制造及热值匹配过热导致烧蚀的怀疑点，重点怀疑发动机存在异常燃烧 （早燃）。

3 故障再现与早燃问题锁定

为了再现故障、锁定问题点 （早燃），特进行发动机台架专项试验验证，如下。

将故障发动机的缸盖拆解，重新加工，加装了4个预埋式缸压传感器，恢复装机后重新上台架；在某单缸进行火花塞侧电极温度监控；在某两缸进行点火电压监控；试验全程ECU数据监控。监控设备就绪后运行发动机台架可靠性试验工况。

经过一段时间的发动机台架运行，某工况下火花塞侧电极温度监控显示出现异常高温：在约20 s的时间内，火花塞侧电极温度从相对稳态的694℃爬升到1369℃；ECU监控显示火花塞温度爬升过程中发动机转速波动明显，爆震信号未见异常；点火电压监控未见异常；缸压传感器同步捕捉到早燃信号，见图2。停机拆解测温火花塞，发现测温火花塞电极已烧蚀，烧蚀情况和原故障件相似。

图2 乙醇增压机早燃缸压曲线

由于火花塞离子流早燃试验中未见早燃 （火花塞侧电极最高温度906℃的情况下），可以判断在侧电极温度为694℃的情况下不会因火花塞自身电极过热而引发早燃，而缸压传感器捕捉到的缸压信号表明有早燃发生，因此推断早燃由其他原因引发，而非火花塞。

火花塞侧电极温度的爬升原因推断为遭受缸内早燃的烘烤。火花塞温度上升到一定程度无法及时冷却，火花塞电极自身后续也会成为持续早燃的热点。

早燃缸压信号表明：某缸缸压在点火正时之前就有了明显上升，最大爆发压力已超过了110 bar，这会导致火花塞、气门等部件温度的上升。但与普通汽油增压机早燃爆压压力曲线相比，乙醇增压机早燃的爆压曲线比较平滑，没有明显的压力波震荡，因此爆震传感器无法识别。

4 早燃热点锁定

将故障发动机进行拆解，寻找可能存在的早燃热点。重点排查火花塞、气门、燃烧室内部尖点、积碳沉积物等因素；随着排查的深入，我们排除了火花塞、气门、燃烧室内部尖点的影响因素，并逐渐将焦点关注在了乙醇燃料燃烧沉积物上，在发动机的进气门杆部、缸盖燃烧室的排气侧发现了沉积物。气门上的沉积物呈胶状、燃烧室排气侧的沉积物呈颗粒堆积状，见图3。对沉积物的分析发现主要成分为钙、硫、锌、磷的氧化物。

图3 气门和燃烧室的沉积物

回顾火花塞烧蚀故障发生的状态，第一次火花塞烧蚀问题发生的时间约为70 h，在首次问题发生之后，火花塞烧蚀问题频发，间隔时间1～30个小时不等，发生烧蚀的缸号也是随机的。发动机累计运行70 h之后，发动机硬件上最明显的变化就是上述两处的沉积物增多，其他无明显变化。气门上的沉积物为胶状、且分布在杆部，不足以引发缸内的早燃，推断燃烧室内的沉积物是引发早燃的热点。

5 沉积物热点形成机理分析

对于乙醇燃料而言，其气化潜热较大，导致了沉积物的形成。发动机燃烧室温度模拟显示，在额定工况点情况下火焰偏向进气侧，导致了排气侧燃烧不完全、形成冷区，见图4，这个冷区的位置和沉积物堆积的位置是重合的。可以判断发动机长期运行在额定工况点下，沉积物颗粒便在两个排气门对应的燃烧室边缘产生堆积。

图4 缸内燃烧温度计算

发动机台架可靠性工况由于长期停留在额定功率点区域，加剧了排气门侧沉积物的堆积，当转速降低时，燃烧火焰重新回归到燃烧室中间，加热沉积物形成热点。

沉积物从开始堆积到成为引发早燃的热点需要量的积累，需要运行足够长的时间 （本案例约70 h）才能发生。

6 改进方案

首先，在台架运行工况上加以调整，以加强对沉积物堆积的遏制，避免发动机长时间运行在额定点工况，适当增加中低速和变速区域的工况时间，达到清理沉积物的作用。

其次，热点的行成条件除了有沉积物外，还有燃烧加热的作用因素，降低火花塞烧蚀工况点的缸内温度，经验证对早燃有一定的遏制作用。发动机在故障易发工况点为闭阀喷射，在一定范围内采用开阀喷射后，经验证早燃安全区域更宽。

第三，降低火花塞侧电极温度，加强侧电极导热，避免偶发早燃加热侧电极使得火花塞迅速成为持续热点。经验证，在火花塞侧电极增加铜芯可以降低火花塞侧电极温度约100℃。

第四，气道设计可持续优化，避免燃烧过程的冷区形成就避免了燃烧沉积物的大量堆积。

对于终端用户而言，整车驾驶过程中连续70个小时稳定在额定工况点的概率极低，所以在缸盖排气侧产生能诱发早燃的沉积物的风险极低。有选择地实施改进措施可以进一步保证可靠性。

7 方案选择与验证

调整台架发动机运行工况、火花塞侧电极增加铜芯降低温度、特定区域采用开阀喷射方案，经发动机台架验证，改进效果良好，避免了火花塞烧蚀问题再次发生。

发动机搭载整车进行了数轮耐久测试，均未发生火花塞烧蚀故障。整车试验后拆解发动机检查缸盖，未在发动机缸盖排气侧发现沉积物，进一步印证了推断。

8 结论

1）该乙醇增压发动机火花塞烧蚀的根本原因是早燃。

2）该乙醇发动机早燃的爆发压力特征和汽油增压机超级爆震爆发压力特征不同，爆压曲线平滑，没有剧烈震荡的压力波出现。

3）该乙醇燃料发动机早燃的热点是缸盖燃烧室排气侧的沉积物引发。气道和燃烧室的设计、使用乙醇燃料、长时间在额定功率点运行3个因素叠加最终导致了早燃热点的形成。

4）火花塞侧电极增加铜芯可降低电极温度，改善导热能力，可加强对偶发早燃的抵御能力。

5）针对该发动机，部分工况下采用开阀喷射策略可降低早燃发生概率。