现代奥托发动机最新火花塞设计(2)

　　发动机技术杂志2007年2月 年集68

　　2 技术现状

　　通过不同的火花塞设计可以满足诸如安全点火、适合低温起动和重复起动以及运行高功率等主要要求 [5]。至于选择哪种设计，关键是要看燃烧效率、低温起动能力、使用寿命和成本方面的几项指标。

　　2.1 低成本设计

　　低成本之火花塞一般使用的电极是镍合金电极。按照发动机的个别需求，使用单电极或多电极、空气放电火花隙或和滑闪放电火花隙，来改善其低温起动性能。此设计成本低，因而使用寿命也不长。

　　2.2 高端设计

　　高端之火花塞则将各种贵金属合金应用于铂基电极或铱基电极。如同低成本之火花塞一样，此类火花塞亦有不同的电极配置和火花隙。价格虽高，但也比较耐用。

　　3 对新一代火花塞的要求

　　新的直接喷油系统在气缸盖内留给火花塞的空间很小，因此必须加长火花塞的旋入螺纹，或改变火花塞的几何形状。使用 M12 火花塞越来越多，与传统的 M14 火花塞相比，它的陶瓷壁更薄,但必须达到与M14一样的使用要求。

　　再者，小型化的发动机在增压工作时，

　　由于增压密度增加，点火所需电压也相应增高。在绝缘体壁必须更薄和点火所需电压必须更高互相对立的要求之下，开发新的材料、几何和方法是当前急务。

　　3.1 陶瓷的重要性

　　作为轿车火花塞的绝缘材料的是一种以至少含有 94 % Al2O3 (氧化铝) 的矾土为主的陶瓷，因为这种陶瓷材料的耐压强度即使在高温下 (至 1000 °C) 也能达到电力和机械方面的要求。而且，原材料供应充裕以及加工过程安全性高，因而能得到最佳成本效益比。

　　生产这种陶瓷时，要在 Al2O3 添加如高岭土，滑石和白云石等矿物原料。这些原料不仅能提供烧结过程中所必须的氧化物 (SiO2, CaO 和 MgO)，还可改善喷射粉浆的流变性能及压制和打磨工序所需颗粒的可塑性。

　　除了 Al2O3 晶体的形态外，添加的氧化物也能决定绝缘体的介电和机械性能，尤其是绝缘体在高温下的性能。然而，对当今陶瓷来说，剩余空隙率是决定性能的主要参数，而产生空隙的原由是挤压颗粒没有压碎。个别空隙的直径达 50 µm。

　　3.2 陶瓷性能的改善

　　为了显著降低剩余空隙率以改善耐压强度和机械强度，而进行改变添加料的试验。试验时需要在喷雾干燥前在粉浆内加入蜡悬浮液。蜡悬浮液影响粒料原生颗粒的附着力，也影响喷雾时的干燥过程，并且在压制时有助于压实。图2 显示所降低的剩余空隙率。图3 显示使用 V41 陶瓷所达性能的改善程度。需要电压 > 40 kV 的 M12 火花塞将由此种改良陶瓷制造，已经列入了未来计划。

　　此外，减少烧结添加料、应用颗粒更小的原材料，以及改进加工工艺等措施来改善 Al2O3 材料性能，可以达到耐压强度 > 30 kV/mm。

　　3.3火花塞结构的调整

　　旋入 M12 螺纹的火花塞允许三种不同的标准尺寸:

　　– M12 x 1.25 六角对边 16 mm，

　　绝缘体颈部 10.5 mm (ISO 2705)

　　– M12 x 1.25 六角对边 14 mm，

　　绝缘体颈部 9.0 mm (ISO 16 246)

　　– M12 x 1.25 十二角对边 14 mm,

　　绝缘体颈部 10.5 mm (ISO 22 977)。

　　火花塞必须在规定的起动转矩确保达到燃气压力密度。因此研发目标是，构造金属的火花塞体在最大起动转矩为25 Nm 时也能确保达到所要求的密度。图4 显示火花塞的燃气压力密度与起动转矩的相关性。旋入螺纹的变形与燃气压力密度的大小相吻合，要在转矩达到40 Nm 时才能开始测出这种变形(图5)。

图2：改变有机添加料可显著减小空隙直径

图3：改变添加料对陶瓷性能的改善

图4：M12 火花塞与起动转矩相关的漏泄量分布图

图5: M12 火花塞与起动转矩相关的螺纹变形分布图

图6：镍合金在发动机运行时对形成氧化层的影响