小排量涡轮增压汽油机火花塞烧蚀与断裂原因分析

工作在高温环境下，因此侧电极材料的高温机械性能直接影响侧电极抗烧蚀及抗折断的能力，由下图10所示900 ℃下不同材料的抗拉强度及伸长率对比结果可知，当前选用的B公司镍钇合金材料性能适中。因存在通过可靠性考核的火花塞，推测侧电极材料的性能一致性可能是导致侧电极故障的原因之一，下图11为A及B公司两种材料表面硬度一致性对比可，由此可知B公司镍钇合金材料的一致性偏低，主要原因在于镍钇合金材料的晶相结构一致性偏低（如下图12所示3支火花塞侧电极的晶相结构均不一致）。

因此B公司镍钇合金材料性能一致性偏低是导致侧电极出现故障的原因之一。

（a）1#侧电极圆角部分

（b）2#侧电极圆角部分

（c）3#侧电极圆角部分

2.2.2 火花塞加工工艺

因陶瓷小头出现折断故障，说明陶瓷体的机械强度不足，由下图14所示常温及高温陶瓷小头折断力测试结果可知，当前工艺下陶瓷体强度偏低，分析发现当前陶瓷成型压力偏低，导致陶瓷小头抗折断性能偏低，微观上体现在成型压力偏低时，晶相致密度偏低，导致抗折断性能及性能一致性偏低。提高成型压力后抗折断性能提高约20%（如下图13所示），由于晶相致密度的提高，陶瓷体的导热性能将得到提升，从而降低陶瓷体温度，亦可降低陶瓷体成为炽热点的风险。

因此陶瓷成型压力偏低是陶瓷折断的原因之一。

（a）当前成型压力下的陶瓷晶相

（b）改进后成型压力下的陶瓷晶相

3 改进措施

根据如上分析结果，综合采取如下几条改进措施：

（1）低侧电极高度，增强侧电极散热能力及降低陶瓷小头热负荷

（2）将侧电极材料更换为A公司的镍钇合金，提高侧电极材料的性能及一致性。

（3）改进陶瓷加工工艺，提高陶瓷体成型压力，增强机械强度导热性，防止陶瓷小头断裂；

（4）对非整车运行的高速中大负荷区域进行适度加浓（如下图16所示），降低燃烧室温度从而降低火花塞的热负荷。

4 验证结果

实施上述几项措施后，火花塞的所有可靠性试验均顺利通过，表明火花塞耐久性能满足设计指标。

5 结论及建议

（1）火花塞热值对侧电极温度影响不大，热值匹配时应进行全工况的火花塞测温，以全面描述火花塞工作状态；

（2）火花塞烧蚀与断裂故障与火花塞自身性能及匹配环境紧密相关，需综合考虑进行改善；

（3）综合优化火花塞结构、侧电极材料、陶瓷体加工工艺及ECU标定优化后，提升原火花塞的性能并改善工作环境，提高了火花塞的耐久可靠性，达到耐久可靠性设计指标。

参考文献：

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[5] 中国汽车工程学会. 2013中国汽车工程学会年会论文集[C].北京：北京理工大学出版社，2013.

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