定向火花塞侧电极角度对侧电极温度与耐久性及混合气燃烧延迟的影响研究

孙亚东 王明明 肖 翔 刘玉铭 熊小建 王瑞平，2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

随着国内汽车购买者对汽车的动力性和燃油经济性诉求的不断增加以及国家对节能减排的严格要求，缸内直喷技术应运而生。目前，缸内直喷技术广泛应用于汽车发动机上，为提高升功率、降低油耗（稀薄燃烧）、提高压缩比提供了保证与支持[1-3]，但是由于喷油器喷嘴与火花塞在空间结构布置上的局限性，在发动机做功行程，喷嘴喷出的油束区域会覆盖火花塞的中心电极与外围的侧电极，导致油液分子不断累积在侧电极上。由于油束与燃烧室高温冷热交替的冲击，侧电极工作一段时间便被吹蚀而造成破损，影响火花塞的耐久性及使用寿命，进而影响动力总成的使用寿命。目前，对此问题的合理解决方案为开发定向火花塞技术，即精确定位火花塞在缸内的位置，从而定位侧电极的角度，避免油液分子直接接触与覆盖侧电极，提高火花塞的耐久性，保证点火能量的最大释放。本文分析了侧电极穴蚀的原因，侧电极不同角度对侧电极温度与耐久性、混合气燃烧延迟的影响，阐述了定向火花塞的实现方案，为定向火花塞的研究与应用提供了支持。

1 火花塞侧电极穴蚀问题

目前，缸内直喷发动机分为中置与侧置。由于普通火花塞安装后，侧电极在缸内的角度是随机的，导致喷油器喷嘴与侧电极相对位置的差异性较大。因此，当喷油器喷嘴产生的油束覆盖侧电极时，油液分子随着发动机做功不断浸湿侧电极表面，在油束与燃烧室高温不断的冷热冲击下，最终导致侧电极被吹蚀，严重情况下发生脱落[4-6]，从而使发动机整体寿命降低，维修成本增加。将侧电极角度定向，使侧电极在缸内处于油束区域外时，可增加侧电极与油束的间隙，避免油液分子直接接触侧电极，使侧电极在缸内不会遭受冷热冲击。试验结果表明，这种配合的侧电极具备优良的耐久性，表面状态较为完整。图1为侧电极位置及穴蚀示意图，其中，图1a 与图1b 分别为油束区域内侧电极与油束区域外侧电极示意图，图1c 与图1d 分别为状态良好侧电极与已经穴蚀的侧电极示意图。

图1 侧电极位置及穴蚀示意图

2 侧电极角度对侧电极温度与耐久性及混合气燃烧延迟的影响

2.1 侧电极角度对侧电极表面温度的影响

图2 为侧电极不同角度示意图。

图2 侧电极不同角度示意图

表1 为不同侧电极角度与转速下侧电极的表面温度。

表1 不同侧电极角度与转速下侧电极表面温度 ℃

从表1 可以看出，相同侧电极角度下，随着转速的增加，侧电极的表面温度不断增加。这是由于高转速下，喷嘴喷油频次增加，缸内燃烧加剧，导致温度升高。相同转速下，当侧电极角度分别为0°和180°时，侧电极表面温度分别为最低和最高，在转速为5 000 r/min 和5 500 r/min 时，2 者的表面温度差均为35 ℃；在转速为6 000 r/min 时，2 者的表面温度差为40 ℃。同时，相同转速下，侧电极角度为-90°与90°时的表面温度差异较小，基本接近，在转速为5 000 r/min 时，2 者的表面温度差为0 ℃；在转速为5 500 r/min 时，2 者的表面温度差为10 ℃；在转速为6 000 r/min 时，2 者的表面温度差为5℃。当侧电极角度分别为-90°和90°时，相比于侧电极角度为0°时，在转速为5 000 r/min 时，表面温度均增加25 ℃；在转速为5 500 r/min 时，表面温度分别增加30 ℃和20 ℃；在转速为6 000 r/min 时，表面温度分别增加25 ℃和20 ℃。这是由于侧电极角度为0°时，侧电极处于油束喷雾区域外，侧电极表面遭受油液分子浸湿的风险较小，火花塞点火时，基本处于同一温度环境，侧电极表面无附加燃烧，因此温度最低，这与图1b 所示的侧电极处于油束区域外的情况基本相符。当侧电极角度为180°时，侧电极与中心喷嘴之间的间隙相对减小，侧电极完全被喷嘴喷出的油束覆盖，侧电极表面直接遭受油液分子的冲击，当火花塞点火时，缸内除了均质混合气的燃烧，侧电极表面的油滴会跟着被点燃，因此温度最高。当侧电极角度分别为-90°与90°时，侧电极处于油束区域的边缘，但是仍未摆脱油液的束缚，这种条件下，侧电极的温度相对较高，介于侧电极角度为0°与180°之间。

2.2 侧电极角度对侧电极耐久性的影响

分别对11 台4 缸发动机各缸不同侧电极角度（侧电极角度样本量为44 个不同角度）进行额定功率下的耐久试验（＞80 h），结果如图3 所示。

图3 侧电极损伤数量雷达分布示意图

从图3 可以看出，从顺时针方向，当侧电极角度处于-45°～45°时，侧电极无损伤案例，整体耐久性好；当侧电极角度分别处于45°～90°与-90°～-45°时，侧电极在一定程度上存在被吹蚀的风险，但风险相对较小；当侧电极角度处于90°～-90°时，侧电极均存在损伤案例，耐久性较差。此结果与侧电极角度对侧电极表面温度的影响结果相对应，因此，如果要提高火花塞的耐久性，合适的侧电极角度至关重要。

分析得出，安装火花塞时，尽量使侧电极角度处于-45°～45°范围内，越接近0°，耐久性越优良。

2.3 侧电极角度对混合气燃烧延迟的影响

不同滚流程度下，侧电极角度分别为0°、90°及-90°、180°时，混合气燃烧延迟情况如图4 所示，纵坐标为燃烧延迟（0%～5%质量燃烧率）/°CA。

图4 不同滚流程度与侧电极角度下的混合气燃烧延迟现象

从图4 可以看出，相同侧电极角度下，缸内滚流程度越高，混合气燃烧延迟程度越低，有利于正常燃烧。这是由于局部空间内，滚流程度高，空气流速提高，压力降低，有利于点火能量的释放（局部压力越高，电离击穿能量越大），使得混合气燃烧延迟程度降低。相同滚流程度下，侧电极角度为90°及-90°时，混合气燃烧延迟程度相对较低；侧电极角度为180°时，混合气燃烧延迟程度最高；但是，侧电极角度对混合气燃烧延迟的整体影响差异性较小。这是因为，相同滚流程度下，当侧电极角度为90°及-90°时，中心电极与侧电极处于进气与排气双向流通的空间内，无任何空气阻碍，空气流速相对较高，压力相对较低，点火能量释放能力较高，所需要的电离能量相对较少。当侧电极角度为180°时，侧电极背对进气门，空气流通受阻。当侧电极角度为0°时，虽然来自进气门的空气流通性较好，但是这种空气流通是单向的，流速比侧电极角度为90°及-90°时偏低，混合气燃烧延迟程度介于侧电极角度为90°及-90°与180°之间。同时，由于缸内局部空间相对较小，侧电极角度对空气流动的影响较小，因此，相同滚流程度下，混合气整体燃烧延迟程度差异性较小。

3 侧电极定向火花塞的实现方案

应用定向火花塞技术，对安装力矩、火花塞外垫圈、缸盖上火花塞安装孔螺纹起始点以及侧电极相对于火花塞螺纹起始点的位置有很高的要求[4]。

1）精确控制安装力矩。普通火花塞的安装，对侧电极在缸内的角度无要求，对安装力矩的控制要求相对较低。对于定向火花塞，由于需要侧电极处于一定角度，普通拧紧方式已经无法满足要求，为了实现安装力矩的精确控制，需要由特定的气动或电动扳手进行操作。

2）火花塞实心外垫圈。目前，普通火花塞采用的外垫圈多为层叠式[4，7]，这种火花塞在安装时，由于自身可压缩的特点，火花塞侧电极角度因垫圈厚度变化而发生变化，存在不确定性。为了保证侧电极的精确定向，定向火花塞的外垫圈应采用实心或不可压缩的垫圈，降低垫圈本身对侧电极的影响。图5 为火花塞外垫圈，其中，图5a 为层叠式，图5b 为实心式。

图5 火花塞外垫圈

3）缸盖上火花塞安装孔螺纹起始点。实现定向火花塞的另一重要因素为缸盖上火花塞安装孔的螺纹起始点，该起始点相对于进气门的位置需要做到精确定位，否则，火花塞安装后，侧电极在缸内的角度仍然不可控[4，8]。可以将带螺纹的假体火花塞提供给供应商进行配合加工，保证螺纹起始点准确。图6为缸盖上火花塞安装孔螺纹起始点示意图，图7 为传递侧电极角度信息的假体火花塞。

图6 缸盖上火花塞安装孔螺纹起始点示意图

图7 带螺纹的假体火花塞

4）火花塞侧电极相对于螺纹起始点的位置。缸盖上火花塞安装孔螺纹起始点确定后，侧电极的相对位置变得尤为重要。为了确保侧电极相对于火花塞螺纹起始点的位置，首先对火花塞侧电极进行焊接，然后采用特种螺纹滚丝机对火花塞进行螺纹加工，达到逆向支持定位要求，确保相对位置[4]。

4 结论

1）发动机缸内直喷技术虽已广泛应用，但是普通火花塞在安装后，侧电极角度在缸内的随机性使得侧电极被吹蚀的风险增加，当侧电极处于油束喷射区域时，侧电极会因油束以及混合气燃烧所产生高温的冷热冲击而产生穴蚀与造成损伤。

2）相同转速下，火花塞侧电极角度分别为0°和180°时，侧电极表面温度分别为最低和最高。侧电极角度为90°及-90°时的侧电极表面温度介于侧电极角度为0°与180°之间，且2 者差异较小。这是由于不同侧电极角度下，侧电极处于油束区域的位置不同。

3）当侧电极角度处于-45°～45°范围时，侧电极发生穴蚀的风险较小，耐久试验后，未发现损伤案例，表明耐久性好，使用寿命长；其余侧电极角度范围，均存在侧电极损伤，耐久性差。但是，由于燃烧室为局部空间，当侧电极角度为90°及-90°时，中心电极与侧电极处于空气双向流通区域，空气流速相对较高，压力相对较低，有利于火花塞点火能量的释放，混合气燃烧延迟程度相对较低，有利于发动机正常燃烧。

4）精确控制安装力矩、采用实心外垫圈、定位缸盖上火花塞安装孔螺纹起始点以及准确控制侧电极相对于螺纹起始点的位置等4 个措施是实现定向火花塞的重要保证。

国家科研机构要以国家战略需求为导向，着力解决影响制约国家发展全局和长远利益的重大科技问题，加快建设原始创新策源地，加快突破关键核心技术。

——习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话