蔣皓波，陸海峰，李理光,

(1.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

2016187

高能點(diǎn)火對火花塞電極腐蝕影響的研究*

蔣皓波1，陸海峰2，李理光1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

基于超高能點(diǎn)火條件，研究了各相關(guān)因素，包括電極腐蝕量化方法、電極間隙、點(diǎn)火能量和電極材料對火花塞電極腐蝕的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高能點(diǎn)火條件下火花塞電極間隙是影響其腐蝕的關(guān)鍵，間隙較大時，側(cè)電極腐蝕嚴(yán)重；間隙較小時，中心電極腐蝕加劇。點(diǎn)火能量存在一定閾值，大于該閾值時，電極將發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。同時驗證了高熔點(diǎn)合金材料可極大提高電極抗腐蝕能力。

超高能點(diǎn)火；火花塞電極腐蝕；圖像處理

前言

由于更加關(guān)注環(huán)境問題，因此人們對發(fā)動機(jī)提出了更嚴(yán)格的排放指標(biāo)和燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。為應(yīng)對這些趨勢要求，汽油機(jī)需要在更稀薄的缸內(nèi)混合氣條件下，更高的缸內(nèi)壓力、更強(qiáng)大的渦流下都能正常工作，同時對燃燒室內(nèi)火花塞也提出了更高要求[1-2]。而高能點(diǎn)火技術(shù)是拓寬混合氣燃燒稀限的手段之一[3-4]。雖然更高的點(diǎn)火能量提高了混合氣點(diǎn)火性，但同時也對火花塞造成腐蝕進(jìn)而影響使用壽命?；鸹ㄈ诎l(fā)展過程中引入了各種的稀有金屬，目前銅芯電極火花塞的覆蓋率已經(jīng)達(dá)到95%。在銅芯外表包裹一層耐腐蝕性能較好的鎳基合金能使火花塞擁有良好的抗腐蝕能力的同時也有更好的散熱性能。隨著發(fā)動機(jī)升功率的提高，近年來火花塞的電極材料也進(jìn)一步升級，出現(xiàn)了使用熔點(diǎn)較高的鉑(熔點(diǎn)為1 772℃)和銥(熔點(diǎn)為2 410±40℃)的趨勢。這類采用貴金屬電極的火花塞在普通量級的點(diǎn)火能量下表現(xiàn)出了極高的抗化學(xué)腐蝕能力，提高了使用壽命，但能否適應(yīng)超高火花能量則尚未得知，探究現(xiàn)有火花塞技術(shù)能否在高能點(diǎn)火條件下防止嚴(yán)重腐蝕并正常工作便是本課題的研究目的。

本文中基于自行開發(fā)的超高能點(diǎn)火系統(tǒng)CAP(capacitor assisted plasma)[5]，在極高的點(diǎn)火能量下探究火花塞出現(xiàn)的腐蝕情況，并分析研究了火花塞電極間隙、點(diǎn)火能量和電極材料對電極腐蝕的影響。 權(quán)衡各項因素最后提出能適用于高能點(diǎn)火條件的火花塞的要求。與早期普通點(diǎn)火條件下的研究不同，文中探究了點(diǎn)火能量高達(dá)焦耳量級時的火花塞腐蝕情況，為今后深入研究高能點(diǎn)火技術(shù)提供參考。

1 試驗設(shè)備與試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

圖1為試驗臺架示意圖。其中A為CAP高能點(diǎn)火系統(tǒng)；B為信號發(fā)生器和總電源，控制點(diǎn)火能量；C為示波器，記錄瞬時點(diǎn)火電壓電流值；D為高壓探頭，監(jiān)測火花塞兩端點(diǎn)火電壓；F為電流探頭和放大器，串聯(lián)并測量流過火花塞的電流。系統(tǒng)實時捕捉各采集瞬時的電流電壓值，進(jìn)而可以計算單次點(diǎn)火的點(diǎn)火能量。高能點(diǎn)火的原理見圖2，火花塞電極間氣體擊穿形成離子溝道,并誘導(dǎo)儲能電容108快速放電，瞬時放出大量能量[5]。

圖1 火花塞電極腐蝕耐久試驗示意圖

圖2 CAP高能放電系統(tǒng)原理

1.2 試驗方案

試驗條件為：每組點(diǎn)火試驗在常溫常壓下進(jìn)行。模擬發(fā)動機(jī)2 000r/min工況，即火花塞點(diǎn)火頻率為16.67Hz。試驗用火花塞阻值為1Ω，使點(diǎn)火能量更多用于電極腐蝕試驗而不損耗在阻值上。

各組連續(xù)點(diǎn)火10h，最初0～360min內(nèi)每隔10min停止點(diǎn)火拍攝電極圖片；360～540min每隔20min進(jìn)行拍攝；最后540～600min每隔30min拍攝。獲得各時刻電極腐蝕圖片。

試驗?zāi)康氖茄芯炕鸹ㄈ姌O材料、間隙和點(diǎn)火能量對電極腐蝕的影響。表1列出各試驗方案，研究不同電極材料的影響時，中心電極材料為普通鎳鉻和鎳銥合金，并進(jìn)行比較。研究火花塞間隙的影響時，改變間隙為0.5，1.0和1.4mm進(jìn)行試驗。研究點(diǎn)火能量的影響時，取控制電壓分別為600，400和240V下火花塞間隙為1.0和1.4mm的試驗各一組。

表1 火花塞電極腐蝕耐久試驗方案

2 火花塞腐蝕耐久試驗結(jié)果

2.1 試驗圖像處理與腐蝕量化方法

試驗圖片處理見圖3。將原圖放大并截取電極局部后利用MATLAB將截圖轉(zhuǎn)化為灰度圖，以灰度圖上固定一點(diǎn)為基點(diǎn)矩形截取側(cè)電極的局部圖，側(cè)電極截圖轉(zhuǎn)化為二值圖，白色像素值1，黑色為0，對整個圖片矩陣求和，所得sum數(shù)值便是側(cè)電極側(cè)面投影面積。

圖3 試驗圖像處理方法

圖4 火花塞腐蝕量化方法

圖4是所采取的火花塞電極腐蝕量化方法，具體的量化公式為

2.2 試驗結(jié)果分析

觀察發(fā)現(xiàn)，電火花腐蝕在側(cè)電極上產(chǎn)生了兩個作用。

(1)點(diǎn)火試驗初期火花塞側(cè)電極上發(fā)生燒蝕，電極表面在高能電擊下產(chǎn)生毛刺，表現(xiàn)為側(cè)電極側(cè)面投影面積在增加。

(2)電火花腐蝕使側(cè)電極中產(chǎn)生一個不斷變大變深的腐蝕凹坑，見圖5。試驗中后期凹坑擴(kuò)展到側(cè)電極側(cè)面，側(cè)面變脆弱，先前產(chǎn)生的毛刺碎片掉落，側(cè)面積減小。

圖5 側(cè)電極上腐蝕凹坑變化示意

2.2.1 火花塞電極間隙對側(cè)電極腐蝕的影響

圖6為控制電壓600V、中心電極為鎳銥合金、電極間隙0.5，1.0和1.4mm的火花塞耐久腐蝕試驗曲線。從圖中可知，在點(diǎn)火能量和中心電極材料相同的情況下，電極間隙越大，側(cè)電極上腐蝕越明顯。圖7為各電極間隙的側(cè)電極二值圖對比，可直觀看到各時刻電極的腐蝕情況。

圖6 不同間隙的火花塞腐蝕耐久試驗對比

圖7 各時刻側(cè)電極的二值圖對比

圖8為點(diǎn)火電壓600V，中心電極為鎳銥合金的各電極間隙火花塞耐久腐蝕曲線。圖8(a)的腐蝕曲線呈勺形變化趨勢，數(shù)值先減小后增大，表明側(cè)電極投影面積先增大后減小。分3個階段進(jìn)行分析：試驗初期，高能電火花作用下側(cè)電極上不斷產(chǎn)生毛刺邊而變得粗糙，側(cè)電極的側(cè)面投影面積表現(xiàn)為不斷增加；試驗中期，腐蝕凹坑擴(kuò)展變大，使側(cè)電極側(cè)表面變薄變脆弱，先前產(chǎn)生的毛刺開始松動并部分脫落，表現(xiàn)為側(cè)電極的側(cè)面投影面積減??；試驗后期，腐蝕凹坑完全延展到側(cè)電極側(cè)面上使毛刺邊整塊掉落，電極投影面積急劇減小。

圖8(b)的腐蝕曲線同樣呈現(xiàn)勺形變化趨勢，并更快進(jìn)入第2、3階段，最終電極腐蝕程度XWEAR的數(shù)值為12.45%，表明電火花腐蝕作用更為嚴(yán)重。

圖8(c)的腐蝕曲線與之前不同，曲線直接進(jìn)入第3階段，表明側(cè)電極中心的腐蝕凹坑迅速擴(kuò)展到側(cè)電極側(cè)表面上使側(cè)面不斷脫落，側(cè)面投影面積不斷減小，電極腐蝕很嚴(yán)重，最終電極腐蝕程度XWEAR的數(shù)值為21.84%。

圖8 各電極間隙火花塞的耐久腐蝕曲線

提供給火花塞的總能量相同，但電極間能量因為間隙不同而不同。根據(jù)帕邢定律[6-8]，點(diǎn)火時的氣體擊穿階段，電極間隙越大，擊穿電壓就越大，此時電極間電場能量高，電極表面融化并伴隨強(qiáng)烈的陰極濺射，所以側(cè)電極的腐蝕非常嚴(yán)重。這里的擊穿電壓不同于試驗中的控制電壓。因此可以解釋電極間隙越大，腐蝕越嚴(yán)重。

圖9為控制電壓600V、中心電極為鎳銥合金、電極間隙為0.5和1.0mm時的點(diǎn)火試驗過程中在第0，300和600min時中心電極的對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，電極間隙為0.5mm時，雖然中心電極材料是抗火花腐蝕效果顯著的鎳銥合金，但仍然發(fā)生了嚴(yán)重的燒蝕，腐蝕明顯。這是因為電極間隙太小所造成的。由于間隙只有0.5mm，在高能點(diǎn)火過程中，電極間產(chǎn)生的高能量電火核(電極間隙的空氣被強(qiáng)電場電離并加速運(yùn)動形成的等離子高溫區(qū)域)將整個中心電極浸沒，所以中心電極在試驗過程中被過度加熱從而發(fā)生了嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象。

圖9 兩種電極間隙的火花塞中心電極對比

2.2.2 不同點(diǎn)火能量對側(cè)電極腐蝕的影響

根據(jù)試驗中記錄的電壓、電流值計算點(diǎn)火系統(tǒng)提供給火花塞的總點(diǎn)火能量和在電阻上消耗的能量，兩者之差就是實際用于點(diǎn)燃混合氣的能量，即

Espa=Ecum-Eres

(1)

Eres=I2·Rspa·t

(2)

Ecum=U·I·t

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1)，就可得實際的點(diǎn)火能量為

Espa=I·t·(U-Rspa·I)

(4)

式中：Ecum為總能量；Eres為電阻消耗能量；Espa為實際點(diǎn)火能量；t為點(diǎn)火持續(xù)時間；U為火花塞兩端電壓；I為流過電流，Rspa為火花塞內(nèi)阻。將式(4)在整個單次點(diǎn)火時間上積分獲得此次點(diǎn)火能量為

Espa=∫[I·(U-Rspa·I)]dt

(5)

以火花塞旁路電容上儲存的能量作為高能點(diǎn)火能量的理論數(shù)值，即

E=(C·U2)/2

(6)

式中C為火花塞旁路的電容量。

表2為各控制電壓下點(diǎn)火能量理論值與計算值對比，數(shù)量級一致，計算可信。

表2 各組試驗點(diǎn)火能量理論值與計算值對比

圖10為電極間隙為1.0mm、中心電極為鎳銥合金、點(diǎn)火控制電壓為600，400和240V時的火花塞耐久腐蝕試驗曲線。由圖可見，控制電壓為400V的腐蝕曲線整體形狀和趨勢與240V試驗的曲線完全相同，同樣沒有進(jìn)入第3階段。總體來說，兩組試驗側(cè)電極上的腐蝕程度都很小，并沒有因為提供的總能量不同而造成很大差別。圖11為各點(diǎn)火能量下的側(cè)電極二值圖對比。

圖10 不同點(diǎn)火能量下火花塞腐蝕耐久試驗對比

圖11 各時刻側(cè)電極二值圖對比

圖12為控制電壓240V的腐蝕曲線。腐蝕量化數(shù)值均在零以下且只有第1、2階段，表明此時電火花腐蝕效果不顯著；同時耐久試驗的時間不夠長，試驗還未進(jìn)入第3階段。其中第1、2階段過渡時刻的腐蝕量化值不連續(xù)，是因為火花產(chǎn)生的毛刺在腐蝕凹坑作用下隨機(jī)掉落，產(chǎn)生了圖中從A跳躍到B又到C點(diǎn)的變化。

圖12 點(diǎn)火控制電壓240V、電極間隙1.0mm、中心電極材料為鎳銥合金的火花塞腐蝕曲線

圖13為第600min點(diǎn)火時刻電極間隙為1.4和1.0mm在3個點(diǎn)火能量下的腐蝕程度對比。可以看出，電極間隙為1.0mm時，控制電壓為240和400V的兩組試驗中側(cè)電極腐蝕程度都非常小，而電壓為600V時側(cè)電極上的腐蝕情況則非常嚴(yán)重。電極間隙為1.4mm時的火花塞電極腐蝕程度隨著點(diǎn)火能量的提高而愈加嚴(yán)重。

圖13 第600min電極間隙為1.0和1.4mm的各組腐蝕試驗對比

所以并不是簡單的點(diǎn)火能量越高，火花塞側(cè)電極的腐蝕越嚴(yán)重，還受到電極間隙的較大影響。電極間隙越大，點(diǎn)火能量越高，火花塞側(cè)電極上的腐蝕情況越明顯。

2.2.3 不同電極材料對側(cè)電極腐蝕的影響

圖14 不同電極材料的抗電火花腐蝕對比

研究不同電極材料在點(diǎn)火過程中抗電火花腐蝕的效果，選用中心電極材料為鎳銥合金和普通鎳鉻合金的火花塞進(jìn)行試驗，控制電壓均為600V，電極間隙均為1.0mm，由于兩組火花塞中心電極形狀不同，所以沒有做出腐蝕曲線分析，而是將第0，200，400和600min點(diǎn)火時刻的中心電極截圖進(jìn)行對比，見圖14。

從圖14中可知，中心電極為鎳銥合金時，總體腐蝕程度并不明顯；而中心電極為普通鎳鉻合金時，最終中心電極的長度縮短，表面上發(fā)生了嚴(yán)重的燒蝕，總體腐蝕程度要嚴(yán)重得多。

文獻(xiàn)[9]中提到，銥作為一種熔點(diǎn)高達(dá)2 450℃的金屬，在對抗電火花腐蝕時有很好的潛力與效果。本文中的試驗表明，鎳銥中心電極在點(diǎn)火能量接近1J時，依然具有較好的抗電火花腐蝕效果。

3 結(jié)論

(1)電極間隙越大，點(diǎn)火時要求的擊穿電壓增高，釋放并投入到電火核中的能量也越高，造成對側(cè)電極的腐蝕越嚴(yán)重。

(2)并不是簡單的點(diǎn)火能量越高，側(cè)電極上的腐蝕越嚴(yán)重?；鸹ㄈ姌O間隙較大時，腐蝕隨著點(diǎn)火能量的增加而增大；間隙較小時，存在點(diǎn)火能量的閾值(控制電壓400V對應(yīng)的600mJ)，點(diǎn)火能量在閾值以下時，電極腐蝕并不明顯。

(3)鎳銥合金的火花塞中心電極展現(xiàn)出了較好的抗腐蝕性，但電極間隙較小時會導(dǎo)致中心電極靠近點(diǎn)火過程中產(chǎn)生的火核而加劇電極上的腐蝕。

極高的點(diǎn)火能量保證混合氣點(diǎn)火性能的同時造成了火花塞電極的嚴(yán)重腐蝕，所以在研發(fā)適用于超高能點(diǎn)火條件下的火花塞時，應(yīng)綜合考慮火花塞制造成本、工作環(huán)境與條件、點(diǎn)火能量等因素。

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A Study on the Influence of High Energy Ignition on Spark Plug Electrode Erosion

Jiang Haobo1， Lu Haifeng2& Li Liguang1,2

1．CDHK,TongjiUniversity,Shanghai201804;2.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804

The influences of related factors, including the quantitative evaluation method of electrode erosion, ignition energy and the material and gap of electrode, on electrode erosions are studied under ultra-high energy ignition condition. The results show that in high energy ignition condition, the electrode gap of spark plug has the most significant effect on electrode erosion. The erosion of side electrode is more serious when the gap is too big, while the erosion on central electrode is aggravated when it is too small. There is a threshold for ignition energy, above which the electrode will seriously erode. In addition, using alloy materials with a high melting point is verified to be able to greatly improve the erosion resistance of electrodes.

ultra-high energy ignition; spark plug electrode erosion; image processing

*國家自然科學(xué)基金(51376139)和同濟(jì)大學(xué)KSPG教席基金資助。

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月4日。