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碳化硅火花塞在各種環(huán)境下失效的研究

研究了基于碳化硅陶瓷的火花塞在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上老化失效的原因。試驗(yàn)采用日本Kyocera公司市售的12個(gè)火花塞，陶瓷加熱器的直徑為4.2mm，在一臺(tái)5.2L 4缸五十鈴柴油機(jī)（壓縮比18:1）上進(jìn)行。對(duì)4個(gè)火花塞進(jìn)行了歐洲瞬態(tài)循環(huán)測(cè)試，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩均比較低（轉(zhuǎn)速平均為1635r/min，扭矩平均為165Nm）；對(duì)另外8個(gè)火花塞在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán)下進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速平均為2000r/min，扭矩為450Nm。穩(wěn)態(tài)時(shí)火花塞經(jīng)歷更高的溫度和更高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷，變化的參數(shù)為施加的電壓和持續(xù)時(shí)間，火花塞控制單元可以記錄火花塞電壓和電流的特征。試驗(yàn)時(shí)，采用單色光學(xué)高溫計(jì)進(jìn)行溫度測(cè)定，包括整體平均溫度和局部最高溫度。在發(fā)動(dòng)機(jī)上，火花塞失效意味著無(wú)法進(jìn)一步維持燃料著火，所以可以不考慮陶瓷加熱器內(nèi)降解的程度。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，因此至少有4種不同的模式影響火花塞的失效。①化學(xué)降解：將碳化硅氧化成二氧化硅；燒結(jié)添加劑的離子向表面遷移，降低了陶瓷發(fā)熱體的機(jī)械和電氣性能；在燃燒氣體中形成雜質(zhì)反應(yīng)。②機(jī)械降解：高壓、高速和具有侵蝕性燃燒氣體導(dǎo)致陶瓷加熱部分的質(zhì)量損失；熱循環(huán)和相關(guān)的熱應(yīng)力，以及表面氧化物和基體材料熱膨脹差異導(dǎo)致的裂紋。③熱降解：溫度升高后化學(xué)反應(yīng)的速率以指數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)電相的電降解加速。④電氣退化：在電場(chǎng)作用下，燒結(jié)添加劑離子遷移，導(dǎo)致電阻周?chē)牡杞橘|(zhì)擊穿；高電壓加速這一退化過(guò)程。

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作者：Carmen Oprea et al

編譯：羅濤