火花塞积炭的影响因素及对策

杜德魁，张建军，杨辉睦，陈小双

(株洲湘火炬火花塞有限责任公司，湖南株洲 412001)

0 引言

自主品牌的新车型在冬季普遍遇到冷起动和火花塞积炭问题，尤其是配备增压发动机或增压直喷发动机的车辆，冷起动和火花塞积炭问题更加突出。造成冷起动困难或火花塞积炭的因素非常多，驾驶习惯、发动机与车辆的匹配、车辆冷起动发动机ECU(Electronic Control Unit)数据标定、点火能量供给、火花塞结构是五大主要因素。良好的驾驶习惯、合理的车辆与发动机匹配、优化的冷起动发动机ECU数据标定、足够的点火能量、采用抗积炭设计特征的火花塞，都可以改善车辆的冷起动和积炭问题。

1 车辆的冬季冷起动和积炭问题

每到冬季，在寒冷的北方，尤其是东北地区，车辆的冷起动和积炭问题经常困扰着各大汽车厂商的售后技术服务团队，这种问题尤其以自主品牌的新车为重。为了应对国家对排放和油耗的严苛标准，在保证足够动力的前提下，各大汽车厂家基本上都是采用装配小排量增压发动机或增压直喷发动机的策略来减少排放和油耗。这种配备小排量增压发动机的车辆在日常的行驶过程中，虽然动力充沛，但车辆在低温条件下的冷起动和积炭问题普遍比较突出。外资品牌的整车和发动机开发周期一般比较长，整车的发动机ECU数据标定做得比较细致，尤其是整车在低温条件下的冷起动和低速大负荷ECU数据标定做得比较扎实，冬季的冷起动和积炭问题不是很突出。自主品牌的车辆开发周期比较短，也没有足够的低温转毂实验室资源来精细地对ECU数据标定进行优化，新车上市后，普遍遇到冬季的低温冷起动和火花塞积炭问题。

一般来说，要让火花塞间隙处可靠地跳火，火花塞陶瓷体裙部不能有严重的积炭，因为碳是导电的，当火花塞陶瓷体裙部的积炭层绝缘电阻小于10 MΩ时，陶瓷体绝缘作用大大减弱，火花塞将不能在间隙处可靠地跳火。图1示出的分别是状态完好、严重积炭和积炭后被打湿的火花塞点火端形貌。正常工作的火花塞，点火端陶瓷体裙部表面应该是灰白色的，如图1(a)所示。当火花塞点火端出现图1(b)所示的形貌时，说明火花塞已经严重积炭了，此时，火花塞工作可能就不可靠了。如果车辆反复尝试起动仍不能着车时，估计是火花塞严重积炭被喷油打湿了，即出现了淹缸现象，拆出火花塞观察，会发现火花塞点火端不但有乌黑的积炭，而且表面潮湿明亮，如图1(c)所示。

图1 火花塞点火端形貌对比

2 积炭的影响因素

火花塞积炭是一个复杂的系统问题。即便是热值匹配合适的火花塞，在车辆低速大负荷运行时，也有可能会有大量的积炭。积炭的形成需具备两个必要条件：(1)燃烧室内的燃油未能充分燃烧;(2)火花塞陶瓷体裙部表面温度低于自净温度。积炭的形成机制可以用图2解释。

图2 积炭的形成机制

具体来说，火花塞积炭的影响因素可以从以下几个方面进行分析与探讨。

2.1 整车冷起动ECU数据标定

一般情况下，低速大负荷混合气过浓是火花塞积炭的主要原因。混合气过浓首先的可能原因是车辆的冷起动标定没有做好做细，即发动机的ECU数据标定比较粗糙，比如低温低速大负荷工况下发动机喷油相位、喷油量、点火正时没有做到最优匹配。

2.2 发动机排量与车质量的匹配

混合气过浓的另外一种可能的原因是小马拉大车，即发动机排量偏小，与车质量不匹配。当车质量超过1.3 t时，如果装配的是排量小于1.4T的小排量增压发动机，因这种小排量发动机在转速低于1 500 r/min时，涡轮增压器不能有效介入工作，发动机动力不足，一般采用加浓措施来提升发动机的动力。如果这种工况是在气温低于0 ℃的地区，因汽油在低温条件下的雾化差，燃烧很不充分，此时，要想把车辆行驶起来，对于装配类似1.3T或1.4T这种小排量增压机的车辆来说，势必要通过多喷油来爆发足够的动力，这种多喷的燃油燃烧很不充分，势必产生大量的积炭，污损火花塞点火端。当车辆排量越小、负载越大(乘客较多和爬坡)、气温越低时，燃烧越不充分，积炭也会越严重。当积炭严重到一定程度时，在冷车起动时，过量的喷油会打湿火花塞陶瓷体裙部(即陶瓷小头)上的积炭层，使陶瓷体裙部的绝缘电阻瞬间下降，造成裙部爬电，甚至裙部积炭层短路，火花塞不能正常点火。

2.3 驾驶习惯

在低温条件下，发动机的ECU会因较低的油温和水温而自动地多喷油，以达到快速暖机的目的。在冬季寒冷地区，当车辆刚刚启动后，需要在原地怠速暖机2 min左右再行车，这样可以使发动机的油温和水温升高一些，以利于润滑和提高燃烧效率。如果车辆启动后立即挂挡行驶的话，则发动机势必会多喷油而形成大量的积炭。另外，严重堵车路段和不良的驾驶习惯会加剧火花塞的积炭，尤其是乘员较多时，在红绿灯路口频繁地在低速下猛踩油门，这种运行条件不但会加剧积炭，而且油耗很高。

2.4 点火系统的能量

点火系统的点火能量不足，比如电瓶在低温条件下馈电时，火花塞放电时火花持续时间过短也会影响混合气着火性能，造成燃烧延迟、燃烧不充分,甚至失火，导致积炭。

2.5 燃油品质

使用劣质的燃油，比如烯烃含量高的燃油，会加剧积炭问题。在低温低速条件下，烯烃易形成胶质附着在火花塞点火端，长期积累并碳化，造成火花塞积炭。

2.6 火花塞热值匹配

火花塞热值与发动机不匹配可能有两种极端的后果:(1)过热熔化;(2)过冷积炭。如图3(a)所示:火花塞热值过低，散热能力差，在某些工况下会因点火端温度过高而引发发动机早燃，进而造成点火端过热熔化，甚至发动机损坏。图3(b)显示的是另外一个极端，即火花塞过冷而积炭，这可能是因火花塞热值选型过高，火花塞点火端的工作温度难以达到积炭自净温度，从而在点火端形成大量的积炭，造成点火困难，甚至发动机失火。

图3 火花塞点火端过热熔化和过冷积炭

对于小排量增压或增压直喷发动机，因爆震和超级爆震等先天性技术难题，在火花塞选型时，为了避免陶瓷体裙部因爆震冲击而折断，一般会选配裙部较短的高热值冷型火花塞。这种高热值冷型火花塞可以减轻陶瓷裙部被震断的风险，但在低温低速时的工作温度过低，易形成积炭。如图4所示：热值匹配适中的中等热值火花塞在高速时不会因火花塞点火端温度过高而早燃，虽然在较低的功率输出或低转速工况下温度不能达到自净温度而积炭，但一旦车速提高到一定值时，火花塞点火端的工作温度会升高到500 ℃以上，积炭会自行烧掉。对于高热值的冷型火花塞来说，如果温度低于自净温度的转速范围过宽，低温低速条件下的积炭要到相对较高的转速范围才能烧掉自净，积炭会相对严重一些。

图4 不同热值火花塞工作温度随发动机功率输出的关系

有文献表明：当点火端表面温度为230 ℃时，炭沉积物的形成速度较高；点火端表面温度低于200 ℃和高于350 ℃时，炭的沉积速度显著减小，即积炭形成的主要温度区间为230～350 ℃。基于此，如果匹配的火花塞热值过高，则火花塞散热能力过强，要使火花塞裙部温度达到350 ℃，需要发动机在更高的转速下运行，则在车辆低速运行时发动机转速难以让火花塞陶瓷体裙部达到自净温度，则火花塞易积炭。

2.7 火花塞点火端结构设计

在车辆、发动机排量、发动机ECU数据标定、火花塞热值匹配已经确定的情况下，火花塞点火端的详细结构设计也会对积炭有影响。火花塞点火端结构采用某些抗积炭设计特征可以改善火花塞积炭的问题，具体可以从以下几个方面进行分析：

(1)陶瓷体裙部结构

在火花塞热值确定的情况下，陶瓷体裙部的长度越短、外径越大，越容易积炭；反之，陶瓷体裙部长度越长、外径越小，则可以提升抗积炭性能。火花塞陶瓷体是在中心电极和侧电极之间起绝缘作用的。如图5(b)所示:在陶瓷体裙部没有积炭的情况下，当点火系统给火花塞施加点火高压脉冲时，高压脉冲可以在中心电极和侧电极之间形成电火花，点燃混合气。当陶瓷体裙部表面有积炭时，如图5(b)所示，因炭是导电的，陶瓷体的绝缘作用大大降低。当积炭达到一定程度时，点火高压脉冲将会沿陶瓷体裙部表面的积炭层爬电到壳体孔内壁处，形成裙部闪络爬电火花。当陶瓷体裙部外径越大、长度越短，则陶瓷体裙部与壳体内孔的间距就会越小，在陶瓷体裙部有积炭时越容易产生裙部闪络爬电现象。当裙部因积炭产生闪络爬电时，这种闪络爬电火花的点火性能较低，造成点火困难、燃烧延迟，甚至发动机失火，进而加剧积炭的形成，造成燃烧不充分和火花塞积炭的恶性循环。

图5 火花塞正常跳火与裙部闪络爬电示意图

(2)陶瓷体端部与中心电极的配合

陶瓷体端部与中心电极的配合主要是指在陶瓷体端部内孔与中心电极杆部之间的间隙配合。标准的火花塞设计，中心电极的杆部直径上下是一样的，陶瓷体裙部与中心电极杆部之间的配合间隙很小。有一种特殊的设计，把中心电极杆部设计成内粗外细的台阶式，在端部与陶瓷内孔之间形成一个较大的环形间隙。图6显示了用同一台车进行低速大负荷试验时，采用标准设计的火花塞与带环形间隙的火花塞在相同工况下运行一段时间后不同的积炭效果。

图6 不同点火端陶瓷与中心电极配合设计的积炭效果

从图6(b)来看:采用环形间隙设计特征时，可以在中心电极和陶瓷裙部内孔直径形成一个自净区，避免火花塞早期因严重积炭而失效。

(3)电极的材料和形状

电极的材料和形状不但影响火花塞的点火性能和寿命，而且也会影响火花塞的积炭性能。一般来说，标准型的普通镍合金电极结构火花塞的点火性能一般，在低温条件下的整车冷起动性能和抗积炭性能不如V形槽中心电极或侧电极好。采用贵金属细中心电极结构的火花塞，具有最佳的点火性能，车辆的低温冷起动性能和火花塞抗积炭性能要大大优于镍合金火花塞。

图7显示了几种有利于改善冷起动和抗积炭性能的电极结构设计。V形槽中心电极或侧电极，因沟槽棱角易于放电，比普通的平面结构的电极具有更好的点火性能，而且在冷起动中喷射的过量燃油可以存储在V形槽内，延缓燃油在电极间的搭桥现象。采用铱或铂金等贵金属材料做成的细中心电极，不但可以大大提升火花塞的点火性能，而且因铱或铂金的耐烧蚀性强，间隙不易增长，火花塞寿命也比较长。如果成本允许，采用图7(d)所示的这种针对针双铱金电极结构的火花塞具有最好的点火性能。

图7 几种改善冷起动和抗积炭性能的火花塞电极结构

3 应对火花塞积炭的措施

大部分情况下，火花塞积炭并不是说火花塞自身有质量问题，火花塞积炭只是车辆系统问题的表象者，所以，改善火花塞积炭问题，需从系统的角度来考虑并制定对策。以下几个方面的对策或建议可以作为改善车辆低温冷起动和火花塞积炭问题的参考。

3.1 根据车质量配备合理排量的发动机

在整车开发规划时，应根据车辆的整车质量来匹配合适排量的发动机。当车质量超过1.3 t时，为了避免在低速大负荷条件下出现小马拉大车这种动力不足问题，应配备排量不小于1.5 L的自吸发动机，或排量不小于1.4 L的增压发动机。这样才不至于在低速大负荷时需要喷入过量的燃油来获取足够的驱动力。

3.2 优化整车冷起动ECU数据标定

在车辆的开发过程策划时，需要制定详细的车辆冷起动和低温低速大负荷条件下的ECU数据标定和试验计划。为了实施这些标定和试验，低温转毂实验室资源必须要有，不能只在冬季到东北黑河地区进行一些简单的野外试验。整车的冷起动标定，一般要求从0～30 ℃区间，依据发动机油温、水温、进气温度、负载、转速等外界条件的各种变化组合，精细地在低温转毂实验室内按不同的外界条件组合对发动机喷油相位、喷油量和点火正时等数据进行标定和优化，在保证发动机输出足够动力的同时，使点火和燃烧达到最优化，避免过量的喷油和浪费。这种整车的冷起动标定不但需要低温转毂实验室，而且需要经验丰富的冷起动标定工程师和足够长的时间和耐心，尽可能多地对不同的外界条件组合进行采点标定和优化ECU数据。有些自主品牌厂商的整车开发周期过短，开发费用有限，甚至不具备低温转毂实验室，为了争抢上市时间，整车冷起动标定数据采点不细，或根本没有按要求做就草草上市，造成上市后在冬季出现大量的冷起动和积炭问题，给车企和售后技术工程师带来大量售后技术问题。

以往各校的数学教研活动普遍缺乏自主性与深入性，海淀区东片数学区域教研组利用区域教研的优势，充分利用各种教研资源，对片区内各校的教研组起到了示范、引领的作用，弥补了各校单一教研活动的不足。调查显示，80.2%的教师认为区域教研活动对自己有较大帮助，非常认可教研活动对其专业发展的指导作用。教师们喜欢聚焦课堂教学的教研内容和“公开课”“磨题”等教研活动。

3.3 养成良好的驾驶习惯

当气温比较低时，车辆启动后，尽量原地怠速暖机几分钟，使油温和水温都上升一些，这样可以大大减轻车辆刚起步时的过量喷油和积炭问题。在红绿灯比较多的拥堵路段，尽量不要低速急加速，尤其是乘员较多和爬坡这种高负载时，更应尽量避免频繁地低速急加速，养成良好的驾驶习惯。

3.4 定期维护点火系统

发动机的点火系统有3个易损件，即电瓶、点火线圈和火花塞。这些零部件都有规定的寿命和更换周期，需要定期维护或更换。定期地更换电瓶可以避免馈电工作，尤其是冬季气温低时，电瓶电压不足时，点火线圈充电能量不足，会造成点火困难和火花塞积炭。参照车辆使用手册规定的周期定期检查点火线圈和更换火花塞，避免线圈老化和火花塞电极间隙过大，可以保证可靠地点火和避免积炭问题。

3.5 使用符合国家规范的燃油

虽然燃油有国家标准，但不能保证市场上所有的加油站，尤其是有些民营或私人小加油站都供应符合国家标准规定的燃油。到正规的中石油或中石化加油站加油，燃油的品质基本符合国家标准，从而避免使用烯烃含量过高的燃油而造成积炭问题。

3.6 做好火花塞热值匹配和低温重复冷起动积炭试验工作

在新的发动机开发过程中，一般需要进行火花塞热值匹配试验和低温重复冷起动试验工作，来验证和确认火花塞是否会因工作温度过高而引发早燃，以及在低温低速大负荷条件下是否会过早地严重积炭。首先是在发动机的开发阶段，在ECU数据基本定型之后，需要通过火花塞电极温度测试和离子流测试，来监测在发动机所有工况条件下，是否会出现因火花塞点火端工作温度过高而引起的早燃风险；其次，在整车冷起动标定后，需要通过低温重复冷起动试验，来验证系统的积炭性能和低温冷起动性能。

针对火花塞的低温冷起动和抗积炭性能，目前还没有国际或国家标准对此进行规定，大部分厂商，包括大众和奥迪这样的德国汽车厂商，一般都参照日本工业标准JIS D 1606-1987规定的试验方法进行低温重复冷起动和抗积炭试验。国内的主流主机厂家，如长安、奇瑞和吉利等，也都逐步参照JIS D 1606-1987规定的试验方法制定了相应的试验规范，只不过是各个厂家规定的试验温度和循环次数有所不同。日本JIS D 1606-1987规定的试验温度为-10 ℃，要求整车通过10个循环的试验，每个循环包括图8所示的A部分和B部分两个阶段试验工况。在做A部分和B部分试验前，发动机的油温和水温都必须冷却到-10 ℃。这种-10 ℃条件下的10个循环是行业较低要求，一般的整车比较容易通过该试验。为了让自己的整车冷起动和抗积炭性能更优，有的主机厂规定要在-15 ℃条件下通过10个循环，或在-20 ℃条件下通过15个循环的试验才算通过试验，这对整车的冷起动和低温标定以及火花塞设计和匹配提出了更加严苛的挑战。

图8 低温重复冷起动试验工况

3.7 优化火花塞点火端结构设计

可以从以下几个方面优化火花塞点火端的结构，来提升火花塞自身的抗积炭能力。

(1)采用速热型陶瓷裙部设计

对于M12螺纹的火花塞来说，普通的陶瓷体裙部结构如图9(a)所示:裙部是一个锥形的结构，陶瓷体端部的外径一般设计为φ4.2 mm。所谓速热型陶瓷裙部结构，是指相比于传统的锥形裙部而言，将陶瓷体裙部靠近点火端一侧设计成一段3～5 mm长的直线段，直线段的外径只有φ3.8 mm左右，如图9(b)所示。

图9 火花塞陶瓷体裙部不同结构设计

这种外径更细的直线段，不但可以增加陶瓷体裙部与壳体内孔之间的间隙，阻碍闪络爬电，而且因更细的外径、更薄的陶瓷壁厚，可以在车辆低速条件下使陶瓷体端部的温度快速上升，降低积炭风险。

(2)采用环形间隙设计特征

如图10(a)所示：标准型的火花塞点火端陶瓷与中心电极之间的间隙一般不超过0.1 mm，间隙内很容易被积炭填满，从而造成中心电极与陶瓷体端部是连通的，当火花塞有积炭时，点火高压脉冲很容易从中心电极沿积炭层向壳体内孔之间产生裙部闪络爬电。如果中心电极端部设计一个长1 mm、直径缩小0.6 mm的一段台阶，即可在其端部与陶瓷体形成一个间距为0.3 mm的环形间隙，如图10(b)所示。低温条件下，当车辆低速运行时陶瓷体裙部会形成积炭，但点火高压脉冲要想从中心电极沿积炭层向壳体内孔之间产生裙部闪络爬电，也必须跨过环形间隙放电，这种跨过环形间隙的放电火花能烧掉环形间隙内的积炭，使环形间隙处一直保持自净的状态。

图10 不同点火端陶瓷与中心电极配合设计的积炭效果

(3)采用铱或铂金等细中心电极

常规的镍合金中心电极端部直径一般在φ2.0 mm以上，但因铱金或铂金的耐烧蚀性非常好，用这种贵金属材料制作的中心电极直径可以减小到φ0.8 mm或φ0.6 mm。相对于普通的镍合金电极来说，因铱或铂金等细中心电极直径更小，放电电压更低，具有更好的点火性能，即便有轻微积炭时，火花塞依然会有出色的点火性能。在低温冷起动时，因中心电极很细，在发动机起动阶段中心电极端部形成的油滴直径很小，而且易被起动阶段发动机的抖动甩掉，很难在电极间隙处发生燃油搭桥现象，基本不会发生淹缸现象。

(4)采用针对针电极结构设计

如果成本允许，可以采用侧电极带铱金针的针对针双铱金火花塞。这种针对针结构的双铱金火花塞是迄今为止点火性能最好的火花塞，尤其是在车辆的冷起动和低温运行工况下，因其极低的点火需求电压和永不发生电极间隙处燃油搭桥问题，成为一些日系车所推崇的终极解决方案。

以上这些设计特征可以单独采用，也可以组合采用。在采用这些抗积炭设计特征时，要综合考虑成本和期望的寿命。只有在万不得已的情况下，才会采用成本最高的针对针双铱金电极火花塞。

4 结论

(1)火花塞积炭问题是一个普遍现象，尤其是某些自主品牌的车辆，因系统匹配和标定不佳，冬季在东北的冷起动和积

炭问题更加突出。

(2)火花塞的积炭需从系统的角度进行分析，大部分情况下，火花塞积炭不是火花塞自身的质量问题，而是系统的问题，比如发动机排量过小、整车冷起动标定粗糙、点火系统的能量不足、不良的驾驶习惯、劣质的燃油、火花塞热值选型过冷、火花塞点火端结构设计不佳等。

(3)改善火花塞积炭问题，核心是做好整车的冷起动ECU数据标定和冷起动试验，尤其是低温大负荷条件下发动机喷油相位、喷油量和点火正时参数之间的合理搭配。需要通过低温重复冷起动试验来验证系统的抗积炭性能。

(4)在系统无法再优化的前提下，优化火花塞点火端的结构可以改善冷起动和积炭问题，比如采用陶瓷体速热型裙部结构、采用陶瓷体与中心电极之间环形间隙的结构、采用铱金或铂金等细中心电极结构，甚至采用针对针双铱金电极结构。

参考文献:

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