涡轮增压型汽油机火花塞烧蚀的试验探究

宋太安，胡志刚，王剑锋，潘圣临，张霖

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

1 引言

为避免越来越严苛的油耗法规冲击，在提高经济性又不失动力性的前提下，多数车企采用了小排量发动机加涡轮增压的组合方案来应对，很多车企首次开发增压机型时，在试验验证阶段常会出现一些不可预知的问题。本文针对某1.5L发动机加涡轮增压方案在台架验证试验中连续三次出现火花塞烧蚀，即火花塞金属电极被高温熔化（以下均简称烧蚀），其中发生两次侧电极烧蚀，一次中心电极烧蚀现象。对此现象进行了试验探究，为小排量汽油机加入涡轮增压方案提供了一些数据支持。

2 本文的研究内容及研究意义

2.1 发动机信息

在满足国家法规的同时，尽可能的提高发动机动力性是我们面临的共同课题。本文介绍了一款涡轮增压发动机在开发之初遇到的一些问题。

发动机信息说明：1.5升排量，直列4缸，16气门，进气道多点喷射，废气涡轮增压器。压缩比为 9，最大功率110kW@5000rpm，最大扭矩为210N*m@2000-4500rpm，燃油为国标93#汽油。ECU为ME1788（UAES），选配中型热值火花塞。发动机在台架耐久试验中连续多次烧蚀，故障大约在耐久试验50小时、70小时出现。分别在一缸、三缸、四缸出现过，下图为火花塞烧蚀图片。

图1 火花塞烧蚀图片

图2 发动机布置图

在未产生爆震的情况下，火花塞烧蚀，异常燃烧。

2.2 试验探究

2.2.1 全负荷工况不同转速下火花塞电极温度特性

分别测定各汽缸中心电极及侧电极温度，如图2所示。

图3 节气门全开时电极温度测定图

由于本次试验的目的是探究某 1.5L涡轮增压发动机火花塞电极烧蚀的原因，在试验初期通过测定中心电极及侧电极温度，找出工作温度最高的汽缸，即找出工况最恶劣的汽缸来进行进一步验证。上图为测定的各缸火花塞电极温度，测定条件为以每次 1000rpm间隔提升发动机转速至 5000 rpm，并以此判断火花塞工作温度最高的汽缸，从测试结果表明工作温度最高的为4#汽缸，出现在5000rpm，此时侧电极最高温度为785℃，中心电极温度为640℃，并未达到各电极熔损临界点，以此汽缸为基础，继续观察此汽缸在节气门全开时其他工况条件下是否会出现过热。

2.2.2 节气门全开时不同点火提前角条件下的温度特性

在保持节气门全开、5000rpm条件下，关闭爆震控制系统，并以3°CA（曲轴转角）间隔调节点火提前角，如上图所示，测量结果显示火花塞中心电极温度有微小降低，且并未发生提前点火，汽缸内无爆震产生，以此可以判断火花塞并未因点火提前角的改变而发生过热。

图4 不同点火提前角下电极温度测定图

2.2.3 在节气门全开下调节混合气空燃比

在试验过程中，保持发动机转速 5000rpm，节气门全开条件不变，调节空燃比λ，当可燃混合气变浓0.01，电极温度降低15℃，当可燃混合气变稀0.05，电极温度升高20℃，可以观察到测定电极温度曲线在 600-700℃之间变化，如上图所示，电极温度并无明显变化。说明在节气门全开的情况下混合气空燃比对于电极温度变化没有影响。

图5 节气门全开时空燃比λ对电极温度的影响

2.2.4 供电电压检测

在本轮试验测试数据中我们发现了一些可疑的现象，并由此展开了相关分析。由上表数据表可以看出，火花塞在全负荷工况5000rpm左右出现失火，供电电压小于点火需求电压，即在该点火的时刻出现了未点火的现象，我们称之为失火，进一步分析出在失火的循环中缸内存在未被点燃混合气，此部分气体直接通过排气门进入排气歧管，在此循环中排气歧管中存有10%左右的可燃混合气，而此时排气歧管温度远大于燃油自然温度，在排气门开启的瞬间，汽缸内与排气歧管内的可燃混合气被排气歧管高温引燃，造成原本温度较高的电极再次吸收较多热量，使得火花塞发生了过热，如此经历一段时间，直接将导致火花塞中心电极及侧电极因过热而发生烧蚀。我们在未进行改进前的一轮试验再次验证了这一点：点火线圈所供给的输出电压与火花塞最大需求电压需要控制在合理范围内，本次烧蚀火花塞的匹配根据以往经验将最大需求电压保持在供电电压的95%范围内显然已不能满足高功率发动机的点火电压需求。经过一番试验我们找到原因所在，绘制相关的模型供参考，如下：

表1 供电电压与需求电压记录值

图6 发动机需求电压与供应电压折线图

图7 3种类型的放电电压

2.2.5 经过更换点火线圈及更新点火脉宽后实车测试结果

根据上述分析，我们更换了新型点火线圈，将火花塞的最大需求电压控制在供电电压的85%范围内，对点火系统进行了重新评估和设计，确保缸内混合气具有足够的击穿电压，这也使得搭载的新一轮试验考核顺利完成。

试验测试结果表明，本涡轮增压汽油机火花塞烧蚀产生的主要原因是发动机点火系统击穿电压在某些工况下出现不足，采用提高点火系统供电电压后火花塞烧蚀现象消除。

3 总结

击穿电压是火花塞两电极击穿而产生的电火花所需的电压，称为火花塞击穿电压。火花塞击穿电压的大小与电极之间的距离（火花塞间隙）、气缸内的压力和温度、电极的温度以及发动机的工作状况等因素有关。

电极间隙越大，电极周围气体中的电子和离子距离越大，受电场力的作用越小，越不容易发生碰撞电离，因此要求有更高的击穿电压方能点火。

汽缸内的压力越大或者温度越低，则气缸内可燃混合气的密度越大，单位体积内的气体分子的数量越多，离子自由运动的距离越小，就越不容易发生碰撞电离。只有提高加在电极上的电压，增大作用于离子上的电场力，使离子的运动加速才能发生离子间的碰撞电离，使火花塞电极间隙击穿。因此，汽缸内的压力越大或者温度越低，所要求的火花塞击穿电压越高。

发动机在采用增压后对点火性能要求进一步提高，建议在台架试验时，根据火花塞热值及火花塞的电极间隙，使点火电压在合理范围内，我们推荐最大需求电压保持在供电电压的85%范围内，这样才能保证火花塞在各个工况下顺利点火，确保发动机工作可靠，避免火花塞电极烧蚀问题发生。