[发明专利]一种增强火花塞抗积碳能力的等离子体表面改性方法

说明书

本发明公开了火花塞领域的一种增强火花塞抗积碳能力的等离子体表面改性方法，该方法利用含憎水性成分的等离子体射流改变表面微观结构和化学成分，降低绝缘陶瓷的表面极性和改善表面电学性能，自动位移平台保障处理工艺的均匀性，提高火花塞的抗积碳能力，具体包括以下步骤：S1：启动改性平台，连接主辅气道，固定直流电机，固定射流管，搭建射流气路环节，连接相应电路；S2：通气检查气路运行状况，通电并检查电路状况是否正常，检查电机运转是否正常；S3：启动电机使火花塞发生旋转，利用射流对火花塞进行预处理；S4：切断电源与气路，在原有气路基础上，加入憎水性添加物混合气路，再次按照上述操作对火花塞进行二次处理；S5：再次切断电源与气路，取下火花塞。

技术领域

本发明涉及火花塞技术领域，具体为一种增强火花塞抗积碳能力的等离子体表面改性方法。

背景技术

燃油汽车发动机的核心部件火花塞，其性能的好坏直接关系到整个发动机的启动及输出功率。火花塞在发动机气缸中工作时承受的油气混合物燃烧产生的高温高压及强腐蚀性极端环境，将会造成火花塞电极烧蚀，间距变大以及表面积碳等一系列问题，进而导致火花塞点火失败。电极烧蚀和间距变大问题可通过优化电极材料和间距予以解决，但是表面积碳问题一直没有得到很好的解决。因此，如何提高火花塞抗积碳的能力已经成为研发和工程人员共同关注的难题。

为了提高火花塞抗积碳的能力，研发人员提出了许多优化改进的措施，主要包括1)改进火花塞电极结构、2)调整点火和喷油控制策略、3)离线清洁表面积碳和4)真空离子镀膜。但是采用这些措施不仅无法彻底解决气缸低温燃烧产生积碳的难题，还会增加火花塞上游设计生产和下游安装应用的成本。所以，市场上迫切需要一种高效、经济、兼容性强的增强火花塞抗积碳能力的技术方法。

等离子体表面改性是一种新兴的材料表面活化和改性技术。该技术利用高电压气体放电产生的富含活性粒子(电子、原子、离子、激发态和亚稳态粒子、自由基和光子等)的等离子体作用于目标材料表面，通过氧化、刻蚀、裂解、交联和聚合等物理化学方式改变材料表面特性。等离子体材料表面改性最大的优势在于改性作用的深度在纳米至微米量级，几乎不影响材料的质量、硬度、韧性等体特性，意味着工程人员可以在不改变或损害材料基体性能的前提下，灵活地改变其表面性能，具有较强的工艺兼容性。

利用等离子体对火花塞绝缘陶瓷进行表面改性有望提高其抗积碳的能力。火花塞绝缘陶瓷体、支架圆环面和正负金属电极均会覆盖积碳，研究表面绝缘陶瓷体发生积碳对火花塞点火性能影响最大，极易导致点火异常甚至失火。但是，目前市面上的火花塞绝缘陶瓷是通过将氧化铝颗粒进行挤压和煅烧而成型的，疏松多孔的表面微观结构极易吸附有机物微粒而积碳。因此，如果能利用等离子体改变绝缘陶瓷表面的微观多孔结构，并通过绝缘陶瓷表面镀一层含氟或含硅的憎水薄膜来降低表面能，那么火花塞抗积碳能力将获得极大的提升。

为了增强火花塞抗积碳的能力，研发人员提出了大量的改进措施。这些措施除了包括传统的火花塞电极结构优化、点火和喷油控制策略优化以及表面积碳清洁这三大类，还涉及最新的真空离子镀膜法。

1)改进火花塞电极结构是指通过调整火花塞的结构和尺寸，增强其抗积碳的程度。正如专利CN103259194B、CN201594687U、CN203734136U和CN205282877U等所示，它们通过部分扩大绝缘陶瓷的尺寸、调整绝缘和电极的相对位置、引入悬浮电极以及增强金属电极的传热系数等方式，实现减少电能沿陶瓷表面的耗散、降低电极间击穿放电的难度、以及加快火花塞放电区域的温升，最终削弱积碳对火花塞点火性能的影响。

2)调整点火和喷油控制策略优化是指，优化发动机气缸在极端运行工况下优化点火时序和喷油方式，达到预防或减少火花塞表面积碳量的目的。正如专利CN110206653A和CN202707337U所示，前者采用了分层稀薄燃烧和提前点火的方式，实现油气浓度偏稀时气缸燃烧室快速升温，从而降低火花塞积碳的概率；后者通过高压包的自激振荡产生长达1分钟的火焰，清除表面积碳。