[發明專利]一種增強火花塞抗積碳能力的等離子體表面改性方法

在審

• 申請號: 201911405910.7
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111146693A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 崔行磊;方志;張龍龍;王森
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H01T21/02
• 分類號: H01T21/02
• 代理公司: 蘇州慧通知識產權代理事務所(普通合伙) 32239
• 代理人: 丁秀華

本發明公開了火花塞領域的一種增強火花塞抗積碳能力的等離子體表面改性方法，該方法利用含憎水性成分的等離子體射流改變表面微觀結構和化學成分，降低絕緣陶瓷的表面極性和改善表面電學性能，自動位移平臺保障處理工藝的均勻性，提高火花塞的抗積碳能力，具體包括以下步驟：S1：啟動改性平臺，連接主輔氣道，固定直流電機，固定射流管，搭建射流氣路環節，連接相應電路；S2：通氣檢查氣路運行狀況，通電并檢查電路狀況是否正常，檢查電機運轉是否正常；S3：啟動電機使火花塞發生旋轉，利用射流對火花塞進行預處理；S4：切斷電源與氣路，在原有氣路基礎上，加入憎水性添加物混合氣路，再次按照上述操作對火花塞進行二次處理；S5：再次切斷電源與氣路，取下火花塞。

技術領域

本發明涉及火花塞技術領域，具體為一種增強火花塞抗積碳能力的等離子體表面改性方法。

背景技術

燃油汽車發動機的核心部件火花塞，其性能的好壞直接關系到整個發動機的啟動及輸出功率?；鸹ㄈ诎l動機氣缸中工作時承受的油氣混合物燃燒產生的高溫高壓及強腐蝕性極端環境，將會造成火花塞電極燒蝕，間距變大以及表面積碳等一系列問題，進而導致火花塞點火失敗。電極燒蝕和間距變大問題可通過優化電極材料和間距予以解決，但是表面積碳問題一直沒有得到很好的解決。因此，如何提高火花塞抗積碳的能力已經成為研發和工程人員共同關注的難題。

為了提高火花塞抗積碳的能力，研發人員提出了許多優化改進的措施，主要包括1)改進火花塞電極結構、2)調整點火和噴油控制策略、3)離線清潔表面積碳和4)真空離子鍍膜。但是采用這些措施不僅無法徹底解決氣缸低溫燃燒產生積碳的難題，還會增加火花塞上游設計生產和下游安裝應用的成本。所以，市場上迫切需要一種高效、經濟、兼容性強的增強火花塞抗積碳能力的技術方法。

等離子體表面改性是一種新興的材料表面活化和改性技術。該技術利用高電壓氣體放電產生的富含活性粒子(電子、原子、離子、激發態和亞穩態粒子、自由基和光子等)的等離子體作用于目標材料表面，通過氧化、刻蝕、裂解、交聯和聚合等物理化學方式改變材料表面特性。等離子體材料表面改性最大的優勢在于改性作用的深度在納米至微米量級，幾乎不影響材料的質量、硬度、韌性等體特性，意味著工程人員可以在不改變或損害材料基體性能的前提下，靈活地改變其表面性能，具有較強的工藝兼容性。

利用等離子體對火花塞絕緣陶瓷進行表面改性有望提高其抗積碳的能力?；鸹ㄈ^緣陶瓷體、支架圓環面和正負金屬電極均會覆蓋積碳，研究表面絕緣陶瓷體發生積碳對火花塞點火性能影響最大，極易導致點火異常甚至失火。但是，目前市面上的火花塞絕緣陶瓷是通過將氧化鋁顆粒進行擠壓和煅燒而成型的，疏松多孔的表面微觀結構極易吸附有機物微粒而積碳。因此，如果能利用等離子體改變絕緣陶瓷表面的微觀多孔結構，并通過絕緣陶瓷表面鍍一層含氟或含硅的憎水薄膜來降低表面能，那么火花塞抗積碳能力將獲得極大的提升。

為了增強火花塞抗積碳的能力，研發人員提出了大量的改進措施。這些措施除了包括傳統的火花塞電極結構優化、點火和噴油控制策略優化以及表面積碳清潔這三大類，還涉及最新的真空離子鍍膜法。

1)改進火花塞電極結構是指通過調整火花塞的結構和尺寸，增強其抗積碳的程度。正如專利CN103259194B、CN201594687U、CN203734136U和CN205282877U等所示，它們通過部分擴大絕緣陶瓷的尺寸、調整絕緣和電極的相對位置、引入懸浮電極以及增強金屬電極的傳熱系數等方式，實現減少電能沿陶瓷表面的耗散、降低電極間擊穿放電的難度、以及加快火花塞放電區域的溫升，最終削弱積碳對火花塞點火性能的影響。

2)調整點火和噴油控制策略優化是指，優化發動機氣缸在極端運行工況下優化點火時序和噴油方式，達到預防或減少火花塞表面積碳量的目的。正如專利CN110206653A和CN202707337U所示，前者采用了分層稀薄燃燒和提前點火的方式，實現油氣濃度偏稀時氣缸燃燒室快速升溫，從而降低火花塞積碳的概率；后者通過高壓包的自激振蕩產生長達1分鐘的火焰，清除表面積碳。