火花塞匹配試驗在發動機設計中的應用

王文群，麻 宜

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545007）

火花塞的作用是把高壓導線或筆式、頂置式點火線圈送過來的脈沖高壓電放電，擊穿火花塞兩電極間空氣，產生電火花，以此引燃氣缸內的混合氣體。除此之外，火花塞還必須保證可靠地冷起動，確保車輛在加速時不出現失火。

車用發動機按照負載、工作原理、壓縮比、轉速、冷卻方式、燃油的不同而具有不同的特性。同一只火花塞可能在一種發動機中形成高熱狀態，而在另一種發動機中僅僅達到較低的工作溫度。熱值過高，即散熱不夠，火花塞溫度過高，會導致爆燃，易使火花塞頭部陶瓷燒損，電極熔解等；而熱值過低，散熱過快，易使火花塞溫度過低，絕緣體尖端會被燃燒的沉積物嚴重淤塞，形成分流回路而使點火失敗。

因此，應在火花塞和發動機之間進行熱值匹配試驗和點火電壓試驗，以確保火花塞的設計與發動機相匹配，保證點火系統的可靠性和耐久性。火花塞的熱值僅與絕緣體裙部的長短有關，與電極材料無關，所以該熱值匹配試驗及點火電壓試驗適用于各種電極材料的火花塞 （普通鎳包銅電極，銥金、鉑金等貴金屬電極）。

1 火花塞熱特性

火花塞熱值是其耐熱負荷容量的指標，包括1～9九個數字， 其中1～3為低熱值， 4～6為中熱值， 7～9為高熱值。具有高熱數值的火花塞有較大的絕緣體面積，吸熱多而散熱少，為熱型火花塞 （圖1a）；具有低熱數值的火花塞有較小的絕緣體面積，吸收很少的熱量，很短的熱傳導路徑非常有利于散熱，為冷型火花塞 （圖1b）。火花塞導熱途徑分布如圖2所示。

2 火花塞設計要求

1）電氣要求 為防止火花塞在高溫高壓下產生電弧，絕緣體的抗擊穿能力必須足夠大，以使火花塞在使用過程中損壞的可能性最小。

2）機械要求 火花塞必須能夠承受燃燒室內周期性變化的壓力，因此必須保持良好的氣密性。此外，為承受機械應力，還必須有較高的機械強度（尤其是陶瓷體），讓火花塞殼體能在不發生永久變形的情況下吸收緊固力矩。

3）溫度要求 伸入燃燒室絕緣體尖端部分的工作溫度不應低于500℃，以確保火花塞的自凈能力，防止積炭，也不應高于900℃，以防止自燃的發生。

4）抗化學應力性 高溫燃燒時，燃油中所含的物質能夠在火花塞上形成侵蝕性的化學沉積，從而影響其工作性能，因此，火花塞伸入燃燒室的部分必須具有抗化學應力。

5）抗熱應力性 工作期間，火花塞從燃燒室的高溫氣體中吸收熱量，又暴露在下一循環導入的冷混合氣中，因此絕緣體必須具有相當的抗熱沖擊能力。

3 熱值匹配試驗原理及數據分析

3.1 熱值匹配概念

火花塞對發動機來說太冷，不能自潔而積炭，新火花塞與過冷積炭火花塞對比示意圖如圖3所示。

火花塞對發動機來說太熱，產生自點火。火花塞過熱示意圖見圖4，過熱導致氣門、活塞損壞見圖5。

3.2 熱值匹配步驟

1）試驗儀器準備1臺待測的可以正常在臺架上運行的發動機，1件切斷爆震控制的ECU（以讓發動機達到最熱工況點），中心電極帶熱電偶和側電極帶熱電偶的特殊試驗用火花塞各1個，不同熱值的火花塞各1個，微機，通信電纜等試驗儀器1套。

2）各缸中心電極溫度測量 確定最熱的氣缸和工況點；驗證火花塞的工作溫度范圍，被測點溫度在正常轉速下應高于500℃，而在所有轉速下應低于900℃。

把帶熱電偶的特殊試驗用火花塞 （圖6）依次裝配到所測試氣缸，在全負荷條件下，測量范圍從2 000~6 000 r／min， 每隔500 r／min測溫一次， 被測點應包含最大轉矩點。在讀取各點溫度的同時，還應記錄同一轉速下的λ值和點火提前角。

3）側電極溫度測量 根據中心電極的溫度，在最熱氣缸做側電極溫度的測量，以驗證火花塞的設計。被測點溫度應低于900℃以確保電極不被熔化，測試條件和方法與中心電極測量相同。側電極溫度測量裝置如圖7所示。

4）離子流測量 通過對離子流信號的采集，判斷是否有早火或后火產生，以確定火花塞的熱值，并且該熱值距早火有足夠的安全范圍。

依次在最熱缸裝配不同熱值的火花塞，進行離子流測量。在全負荷條件下，測量范圍從2000~6000 r／min，每隔500 r／min采樣。為評估后火，還應每隔1.2s抑制一次正常點火，以評估在正常點火之前是否有離子流產生 （早火）或在正常點火之后是否有離子流產生 （后火）。離子流監控示意圖見圖8。

早火是嚴格禁止的，如有早火產生，則所推薦的火花塞熱值應比測試火花塞的熱值要低2個熱值檔 （更冷）。對于后火，被推薦的火花塞最大只能產生40%的后火率。

離子流測量裝置如圖9所示。

3.3 熱值匹配試驗數據及分析

以下為某發動機配BOSCH火花塞的熱值匹配和點火電壓試驗數據，用于溫度測量的火花塞熱值為7，4400r／min為最大轉矩點。

根據表1中心電極和表2側電極的溫度數據，確定最熱缸為第1缸。在1缸，中心電極和側電極的最高溫度均小于900℃，正常轉速下溫度均高于500℃，推薦的用于溫度測量的火花塞熱值符合設計要求。

根據表3離子流測量數據，確定該發動機應匹配熱值為7的火花塞，距早火有足夠安全的范圍，正常轉速下火花塞溫度達到自潔溫度以上。

表1 中心電極溫度數據 ℃

表2 側電極溫度數據 ℃

表3 離子流測量數據%

4 點火電壓匹配試驗原理及數據分析

4.1 空氣間隙概念

空氣間隙為中心電極和側電極的距離，如圖10所示。

4.2 點火電壓匹配步驟

1）試驗儀器準備：1臺待測的可以正常在臺架上運行的發動機，1只經過發動機或整車耐久試驗的火花塞，4只不同空氣間隙的新火花塞，微機，通信電纜等試驗儀器1套。

2）在全負荷條件下，測量范圍從2 000~6 000 r／min，每隔500 r／min取不同空氣間隙和耐久試驗后火花塞的需求電壓值，并進行記錄。

3）在怠速和加速工況下，分別測量不同空氣間隙和耐久試驗后火花塞的最大需求電壓值，并進行記錄。

4）把火花塞放置于空氣中，記錄點火線圈的最小可供電壓。

5）把火花塞在不同工況下的最大需求電壓和點火線圈最小可供電壓進行比較，以確定初始空氣間隙的設計和點火線圈供電電壓的設計是否符合要求。

4.3 點火電壓試驗數據

火花塞最大點火需求電壓見表4。

測量到的點火線圈最小可供電壓是27.8kV。

表4 火花塞最大點火需求電壓kV

4.4 點火電壓試驗數據分析

火花塞在臺架耐久運行100 h后，空氣間隙為0.93mm，在該空氣間隙下最大點火需求電壓為20.8 kV，點火線圈的最小可供電壓為27.8kV。根據匹配試驗規范，評價本試驗的方法是對比最大點火需求電壓和點火線圈的最小可供電壓，如果在所有工況下，線圈的最小可供電壓都比火花塞的最大點火需求電壓高4kV，試驗就可通過。

因此，對于該發動機火花塞的設計，初始空氣間隙設計為0.8~0.9mm是滿足設計要求的，點火線圈的可供電壓也滿足設計要求。

5 結束語

對于熱值高、散熱是快還是慢的定義，不同火花塞供應商定義有所不同，本文是針對BOSCH公司火花塞的標準進行定義的。

匹配完成之后，在發動機后續的開發階段，如果發動機的硬件和發動機管理系統EMS的數據發生變化，均應當再進行一次匹配試驗，來驗證火花塞的熱值和空氣間隙設計是否仍然符合要求。

火花塞的優劣將會影響到整車燃油經濟性、駕駛性等。本文以試驗數據為例，介紹了火花塞的熱特性及與發動機匹配的試驗方法，對火花塞的開發、解決試驗和售后問題，具有一定的指導意義。

［1］Bosch公司.BOSCH汽油機管理系統［M］.吳森，等譯，徐爾強，校.北京：北京理工大學出版社，2002.

［2］陳家瑞.汽車構造 （上冊）［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［3］NHSP公司.火花塞匹配實驗規范［Z］.2008.