火花塞側電極定向的要求和實現方案

杜德魁，楊輝睦，周志強

(株洲湘火炬火花塞有限責任公司，湖南株洲 412001)

0 引言

隨著我國對節能減排的要求越來越高，國內乘用車內燃機的開發趨勢是越來越多地采用增壓直噴技術。對于一些直噴發動機來說，火花塞安裝到發動機上后，其側電極的位置可能會對火花塞的點火性能以及火花塞側電極本身的穴蝕帶來影響，采用火花塞側電極定向技術可以有效降低這兩個方面的影響。要實現火花塞安裝后側電極定向，需要精確確定缸蓋上火花塞安裝孔的螺紋起始點、精確確定火花塞螺紋起始點相對側電極的角度位置、使用實心的火花塞外墊圈以及使用精確的火花塞安裝力矩安裝火花塞。

1 缸內直噴發動機的火花塞側電極穴蝕問題

一般來說，火花塞安裝到發動機后，其側電極位置在燃燒室內是隨機的。對于非缸內直噴發動機，因燃燒室內的混合氣接近均質，火花塞側電極位置對點火性能基本沒有影響，側電極也不會出現被穴蝕的現象，如圖1(a)所示，耐久試驗后的側電極外表面處于完好狀態。

為提高燃油經濟性，缸內直噴技術被越來越多地采用。缸內直噴噴嘴的布置，有的是側置，有的是中置。如果噴嘴布置在距離火花塞點火端比較近的位置，當火花塞側電極位置處于燃油噴射束覆蓋的范圍內時，高溫的側電極表面頻繁地被燃油束急速冷卻沖擊，會逐漸出現側電極穴蝕現象，如圖1(b)所示。隨著火花塞使用時間的增加，這種吹蝕現象越來越嚴重，甚至會出現側電極從吹蝕處折斷脫落現象，損壞發動機。如果側電極的位置剛好在油束中間，則側電極會擋住噴射的油束，在點火時刻電極間隙處沒有足夠的油氣混合氣，造成著火困難，影響火花塞的點火可靠性。

圖1 火花塞側電極耐久試驗后形貌對比

2 火花塞側電極定向要求

火花塞側電極定向是指火花塞被安裝到發動機上之后，側電極的朝向相對于進氣閥要定位，即側電極在圓周的角度位置要精確定位。如圖2所示，火花塞被安裝到發動機上之后，為了避開缸內直噴油束，側電極的位置不能落到A區域，只能落在A區域以外的位置。

圖2 火花塞安裝后側電極的位置禁區A

這種技術要求早在2005年就已經在歐洲提出并被采用。國內首次采用該技術的是上汽大眾的EA211系列1.4TSI發動機，它匹配的火花塞就采用了側電極定向技術。國內自主品牌發動機技術與歐洲先進技術相比落后10年左右，目前還沒有自主品牌車企的量產發動機采用此技術，只有長安汽車在其最新一代的NE1藍鯨系列發動機上進行了側電極定向式火花塞對點火可靠性的相關試驗和研究。

3 側電極定向的實現方案

要實現火花塞側電極定向，需要發動機廠家和火花塞供應商共同采取4個措施：

(1)發動機廠家要確定側電極定向的位置及公差，并確保缸蓋上火花塞螺紋起始點相對于進氣閥是精確定位的[1]。

(2)火花塞供應商要依據發動機傳遞火花塞側電極定向角度信息，在火花塞的加工過程中確保火花塞側電極相對于螺紋的起始點精確定位[1]。如圖3所示，火花塞殼體上的螺紋起始點相對于側電極中心線的距離α，以及螺紋起始點距離外墊圈密封座的距離h要精確定位。這是實現火花塞側電極定向的關鍵技術。

(3)火花塞要使用安裝過程中厚度幾乎不變的實心外墊圈[2]。

(4)在安裝火花塞時要精確控制安裝力矩。

圖3 火花塞殼體上側電極與螺紋起始點的定位

3.1 精確定位缸蓋上火花塞安裝孔的螺紋起始點

若要實現火花塞安裝后側電極的位置定向，前提是汽缸蓋上的火花塞安裝孔螺紋起始點相對于進氣門要定位。如果缸蓋上的螺紋起始點是隨機分布的，則無論火花塞采用何種技術，都無法做到火花塞安裝后側電極定向。為了便于缸蓋上的螺紋加工，缸蓋上螺紋孔的起始點可以由發動機廠家自主確定。確定了缸蓋上的螺紋起始點在圓周上相對于進氣門的位置后，可以通過一個如圖4所示的帶螺紋的假體火花塞檢具把螺紋起始點信息傳遞給火花塞供應商。

圖4 傳遞角度位置信息的假體火花塞

3.2 精確定位火花塞側電極相對于螺紋的起始點

精確定位火花塞側電極相對于其螺紋的起始點可以有兩種實現方案。方案一是先焊接好側電極，然后再使用特種螺紋滾絲機，待側電極定位后滾壓螺紋。方案二是先滾壓好火花塞殼體上的螺紋，再把滾好螺紋的殼體旋轉到一個帶螺紋套的承座上，然后依據發動機廠家通過假體火花塞傳遞過來的角度位置信息定位側電極焊接位置。圖5為方案二的一種側電極焊接機構示意，該方案類似于把火花塞模擬安裝在發動機上，然后再焊接側電極。采用這種方案生產的火花塞，其側電極定位比方案一更加精準，但生產效率相對于方案一要低一些。

圖5 一種定向式側電極焊接機構

3.3 火花塞使用實心的外墊圈

常規的火花塞外墊圈為層疊式設計，火花塞安裝前的外墊圈厚度一般為1.8 mm左右，當使用一定的安裝力矩安裝后，外墊圈被壓縮至厚度為1.4 mm左右。因為最終的外墊圈厚度與安裝力矩相關性比較大，而隨著這個厚度的變化，火花塞側電極在圓周方向上的位置變化也比較大，所以無法實現側電極精確定位。為了避免因外墊圈厚度變化對側電極位置的影響，側電極定向式火花塞必須使用幾乎不變形的實心外墊圈。圖6是常規火花塞的外墊圈與側電極定向式火花塞的外墊圈對比，從外觀上可以看出明顯的差異。

圖6 不同結構火花塞外墊圈

3.4 精確控制火花塞安裝力矩

一般情況下，火花塞的安裝擰緊力矩都是有規定的。擰緊力矩過小，火花塞會松動，散熱不好；擰緊力矩過大，則會造成螺紋拉伸，輕則陶瓷絕緣體可以在殼體內轉倒，造成火花塞陶瓷體處漏氣，并影響點火端的熱量散失，重則火花塞螺紋被擰斷。對于普通的火花塞，安裝力矩只要不是明顯的偏小或偏大，都不會有太大的問題。但對于定向式側電極火花塞，火花塞的安裝力矩必須精確控制，否則因擰緊力的較大變化會使火花塞轉動角度發生較大變化，進而影響側電極在燃燒室內的位置。主機廠在發動機上安裝火花塞時，應使用定扭矩的氣動或電動扳手；維修市場更換側電極定向式火花塞時，也要使用定扭矩扳手，不能憑感覺安裝火花塞，以免造成火花塞角度偏移過大。

4 結論

(1)對于有些直噴發動機而言，如果使用普通的火花塞，則有火花塞側電極擋住噴油束而降低點火性能的問題，而且會出現火花塞側電極的穴蝕問題。

(2)采用側電極定向技術，在火花塞安裝后讓其側電極位于一個合理的角度范圍，可以有效避免點火性能降低和側電極穴蝕的風險。

(3)要實現火花塞側電極定向，不但要保證發動機上每個缸的火花塞安裝孔螺紋起始點相對確定，而且要保證火花塞的螺紋起始點相對于側電極精確定位，同時要使用幾乎不變形的實心火花塞外墊圈,以精確控制火花塞的安裝力矩。