《汽車火花塞的設(shè)計(jì)及仿真探究》11000字（論文）

第1章緒論P(yáng)AGE9PAGE10汽車火花塞的設(shè)計(jì)及仿真研究TOC\o"1-2"\h\u7251摘要 122041第1章緒論 26331.1選題意義 2324381.2高能多級火花塞的發(fā)展現(xiàn)狀 268061.3設(shè)計(jì)的可行性 359201.4技術(shù)與功能要求 427446第2章設(shè)計(jì)方案的分析 590262.1現(xiàn)今火花塞分析 5271062.2方案的整體設(shè)計(jì) 5262822.2方案對比分析 526504第3章火花塞選材與設(shè)計(jì) 79563.1金屬殼體的設(shè)計(jì) 713853.2中心電極功能分析與選材 795913.3絕緣體功能分析 877443.4絕緣體部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 942193.5絕緣體部分選用材料 1011700第4章火花塞間隙的設(shè)計(jì) 1127731第5章火花塞整體建模組裝 1222705.1火花塞零件建模 12286535.2火花塞整體三維模型 14摘要汽車發(fā)動機(jī)中火花塞是尤為重要的組成部分，其對汽車性能會產(chǎn)生重要影響。發(fā)動機(jī)內(nèi)燃機(jī)的火花塞大多是單個有效電極，因此火花塞會出現(xiàn)一個跳火焰核，影響發(fā)動機(jī)內(nèi)部混合氣體的燃燒，這樣的單點(diǎn)點(diǎn)火的效率較低，也會對發(fā)動機(jī)輸出能力產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著科技的進(jìn)步，越來越多的學(xué)者投身于點(diǎn)火裝置的研發(fā)，提高點(diǎn)火的效率。電子點(diǎn)火系統(tǒng)技術(shù)有了巨大的提升，多級火花塞應(yīng)運(yùn)而生。已有實(shí)踐證明，多級火花塞和單極火花塞相比，前者擊穿電壓更低，因此當(dāng)發(fā)動機(jī)內(nèi)部的混合氣體比較稀薄時，其也能使發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文對多級火花塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并查閱了大量的資料，了解火花塞的制造技術(shù)，把控制造成本，設(shè)計(jì)出滿足需求的火花塞，實(shí)現(xiàn)火花塞的高能點(diǎn)火。在進(jìn)行高能多級火花塞設(shè)計(jì)時，以市面上的主流火花塞作為參考，改變側(cè)電極的形狀，設(shè)置為盤龍柱狀，依據(jù)點(diǎn)火間隙設(shè)置三個斷點(diǎn)，并將多間隙的側(cè)電極鑲嵌在絕緣體里，使其能夠滿足多次跳火的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：火花塞;側(cè)電極；點(diǎn)火間隙；第1章緒論1.1選題意義汽車火花塞是汽車發(fā)動機(jī)尤為重要的組成部分，對汽車的性能會產(chǎn)生重要影響，汽車火花塞甚至?xí)绊懻麄€行業(yè)的發(fā)展。這類零件的工作條件非常惡劣，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時需要承受較大的機(jī)械磨損和電負(fù)荷，因此其工作狀態(tài)和新舊程度對汽車動力、燃油的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)械壽命都會產(chǎn)生較大的影響。因此針對火花塞工作狀態(tài)的檢查和維修是汽車領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，通過對火花塞的檢查和維護(hù)能夠延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，也能使汽車動力性和經(jīng)濟(jì)性得以提升，在這樣的背景下，多級火花塞應(yīng)運(yùn)而生。這類設(shè)備能使汽車發(fā)動機(jī)的工作效率進(jìn)一步提高。目前，多級火花塞的應(yīng)用范圍較窄，沒有得到廣泛的推廣，但是相信在未來高能這類設(shè)備必然是該領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。高級火花塞能夠提高汽車發(fā)動機(jī)的工作性能，促進(jìn)汽車行業(yè)的快速發(fā)展?；鸹ㄈ彩瞧嚢l(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中尤為重要的組成部分，所以火花塞需要滿足汽車行業(yè)的制造和使用規(guī)范等等本文設(shè)計(jì)了高級火花塞，這類火花塞將普通火花塞作為主體。改變了側(cè)電極的形狀，將設(shè)置為盤龍柱狀，依據(jù)點(diǎn)火間隙設(shè)置三個斷點(diǎn)，并將多間隙的側(cè)電極鑲嵌在絕緣體里?；鸹ㄈ谡＿\(yùn)轉(zhuǎn)時，電火花會逐次實(shí)現(xiàn)電極的擊穿，由此能夠滿足多次跳火的設(shè)計(jì)要求，能夠使混合的氣體燃燒的速度加快，也能盡量節(jié)油，積極的響應(yīng)我國節(jié)能減排的要求。1.2高能多級火花塞的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，我國科技飛速發(fā)展。因?yàn)榛鸹ㄈ麑ζ嚨男阅軙a(chǎn)生重要影響，為了提高火花塞的點(diǎn)火性能，各國學(xué)者投身于該領(lǐng)域開展大量試驗(yàn)，電子類點(diǎn)火系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這種電子點(diǎn)火系統(tǒng)讓火花塞能夠?qū)㈦姌O間的點(diǎn)火間隙擴(kuò)大，也能使火花塞具有更多的能量，因此電子類的多極火花塞受到了市場的推崇。本文通過查閱大量的文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，多極火花塞能夠提高火花塞工作時點(diǎn)火相關(guān)限度，其與單間隙擊穿相比，可以滿足所需求的更低的擊穿電壓，當(dāng)汽車內(nèi)部的發(fā)動機(jī)氣缸的混合氣體比較稀薄時，也能維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并且具有較高的工作效率。早在21世紀(jì)初期，就已經(jīng)有研究人員對雙火花塞點(diǎn)火技術(shù)開展研究，該技術(shù)指的是在半球形燃燒室的兩側(cè)設(shè)置相同的火花塞，當(dāng)設(shè)備在工作時，火花塞會同時點(diǎn)火，并同時爆炸燃燒，由此能夠縮短工作距離，也能使火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓嵘窃O(shè)置兩個完全相同的火花塞會增加更多的成本，會有經(jīng)濟(jì)性的問題，所以還具有較多的不足之處，因此這種技術(shù)還有較大的成長空間，需要研究人員投入更多的時間和精力去研究。目前研究人員對多極火花塞的研究還有很多的不足，所以該領(lǐng)域還有著更大的改進(jìn)空間，例如博世公司開發(fā)的FR78X多級火花塞，使用了間隙放電的模式，利用4個側(cè)電極實(shí)現(xiàn)中心電極的點(diǎn)火，同時點(diǎn)火擊穿間隙為1.1毫米，該火花塞的研究技術(shù)還是比較新穎的，但是在工作時，其與FCOR的火花塞相比，性能并沒有大幅提升。這款火花塞采用了全新技術(shù)，將內(nèi)部的鉑金中心電極利用陶瓷進(jìn)行全面包裹，因此在火花塞正常運(yùn)轉(zhuǎn)且放電的過程中，電流會沿陶瓷的邊緣直接流到負(fù)極，由此能夠提高火花塞使用壽命。除此以外，因?yàn)閭?cè)電極和中心電極的陶瓷點(diǎn)火間隙的設(shè)置，能夠使其滿足各種工況下發(fā)動機(jī)的要求。然而這個火花塞的缺點(diǎn)還是非常明顯的，比如這類火花塞的中心電極到陶瓷再到側(cè)電極點(diǎn)火的點(diǎn)火方式會使點(diǎn)火能量損失較多，因此需要采用更高的放電量使火花塞正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則可能會出現(xiàn)燃燒不充分的問題，甚至出現(xiàn)怠速和抖動的問題。例如2V的發(fā)動機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時耗油量太大。而5V的發(fā)動機(jī)的耗油量正常，雖然在剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)時候反應(yīng)的速度比較緩慢，但是在后期的高速運(yùn)轉(zhuǎn)和降檔時發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速能維持正常。由此可知，多極火花塞仍有一定的缺陷，并亟待改進(jìn)，就理論而言可以結(jié)合傳統(tǒng)火花塞獲取實(shí)現(xiàn)多級火花塞，能使其性能提高。1.3設(shè)計(jì)的可行性對于成本而言，本文對高能多級火花塞設(shè)計(jì)是使側(cè)電極形狀和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，盡量增加點(diǎn)火總數(shù)，縮減制造成本，改善車輛的動力性，使車輛具有燃油的經(jīng)濟(jì)性，能使車輛的運(yùn)行節(jié)能環(huán)保，能實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。對于技術(shù)而言，本文設(shè)計(jì)的方案是將側(cè)電極將設(shè)置為盤龍柱狀，依據(jù)點(diǎn)火間隙設(shè)置三個斷點(diǎn)，并將多間隙的側(cè)電極鑲嵌在絕緣體里，因此能夠盡量使成本降低，改造的工藝非常簡單，能實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)。對于火花塞而言，查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，就理論來說多次擊穿是能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火的，因此在操作上具有可行性。就難度而言，在具體制造層面難度較低，如果點(diǎn)火的效果明顯，是能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，所以本文設(shè)計(jì)的火花塞從理論上來看是具有較高性價比的。對于成本而言，傳統(tǒng)火花塞的成本制作并不昂貴。因此只從材料和工藝上進(jìn)行改良不會對傳統(tǒng)火花塞的成本造成較大影響，如果要實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，則需進(jìn)行大批量材料的采購，因此也會使總成本進(jìn)一步降低。對于前景而言，本文希望能夠盡量的降低成本提高汽車的動力性和燃油的經(jīng)濟(jì)性，使汽車內(nèi)部的氣缸燃燒更加充分，目前研究人員對這類火花塞的研究較少，因此這類火花塞的發(fā)展前景還是很大的，值得研究人員投入更多的時間和精力去研究。1.4技術(shù)與功能要求1.4.1技術(shù)要求 本文設(shè)計(jì)了一款多極火花塞，其與傳統(tǒng)的火花塞相比，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)基本相同，主要是由外部金屬殼體、中心電極等構(gòu)成。 （1）本文在進(jìn)行火花塞設(shè)計(jì)時將市面上主流的火花塞作為主體，改變側(cè)電極的形狀，將設(shè)置為盤龍柱狀，依據(jù)點(diǎn)火間隙設(shè)置三個斷點(diǎn)，并將多間隙的側(cè)電極鑲嵌在絕緣體里。當(dāng)火花塞正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，電火花會出現(xiàn)逐次擊穿側(cè)電極的現(xiàn)象，則能滿足多次跳火的設(shè)計(jì)要求。 （2）金屬殼體上設(shè)置有螺紋，因此火花塞能夠固定在發(fā)動機(jī)的氣缸中，而絕緣體在殼體內(nèi)均勻分布，能夠把殼體和中心電極有效隔離，火花塞的中心電極在火花塞的中間部位，它是由絕緣體包裹著在中間的通道中，其頂端設(shè)置有接線螺母，能夠承接高壓電，而側(cè)電極和金屬合體直接相連，中心電極和側(cè)電極在一定的距離設(shè)置了點(diǎn)火間隙。火花塞在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時電流會流到中心電極，到達(dá)中心電極的尾部后會擊穿空氣，通過中心電極和側(cè)電極之間的點(diǎn)火間隙，這就是完整的擊穿電壓產(chǎn)生。這會使得內(nèi)部的混合氣體快速燃燒，并實(shí)現(xiàn)跳火的設(shè)計(jì)要求。1.4.2功能要求（1）本文設(shè)計(jì)的這款高能多極火花塞，在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時每一次的跳火都能點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)內(nèi)的可燃?xì)怏w。（2）多極火花塞在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時能夠擴(kuò)張火花塞和點(diǎn)火的相關(guān)限度。其與單間隙擊穿相比，擊穿要用到的電壓較低，如果汽車在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時內(nèi)部的氣缸混合氣體比較稀薄，這類火花塞也能維持發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也還具有較高的工作效率。（3）火花塞是點(diǎn)火系統(tǒng)中尤為重要的組成，基本上火花塞的工作條件能說得上非常惡劣，火花塞在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時會承受機(jī)械磨損和電負(fù)荷，因此其工作的狀態(tài)等因素對汽車的動力性、燃油的經(jīng)濟(jì)性、氣缸的壽命都會產(chǎn)生較大影響，火花塞在設(shè)計(jì)時要確保機(jī)械強(qiáng)度滿足要求。（4）就理論而言，對本文設(shè)計(jì)的火花塞的側(cè)電極進(jìn)行切割會出現(xiàn)多個間隙，因此能夠?qū)崿F(xiàn)多次的擊穿點(diǎn)火。點(diǎn)火的時間具有一定的延遲，但是延遲較短，因此可以將其直接看作同時擊穿，除此以外內(nèi)部的側(cè)電極電阻值很小，因此能量損失不大。第2章方案設(shè)計(jì)與分析第2章設(shè)計(jì)方案的分析2.1現(xiàn)今火花塞分析自火花塞出現(xiàn)至今，已經(jīng)發(fā)展出了各種各樣的火花塞，首先就是以傳統(tǒng)火花塞為原型設(shè)計(jì)的單極火花塞，它的形狀經(jīng)過如今的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)多式多樣了，但是總體來說火花塞的電極數(shù)并沒有改變，大多都是對材料以及火花塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其次就是在對于火花塞側(cè)電極數(shù)的改造，將單側(cè)電極增加到四側(cè)電極，均勻分布在中心電極周圍。2.2方案的整體設(shè)計(jì)經(jīng)過研究和對市面上主流的火花塞型號進(jìn)行分析，研究其基本構(gòu)造，以及對火花塞全部零件的材料分析。（1）針對火花塞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改良。（2）針對中心電極的設(shè)計(jì)和選材，（3）對金屬殼體的設(shè)計(jì)和選材，（4）針對絕緣體的設(shè)計(jì)和選材，（5）針對火花塞點(diǎn)火間隙的選擇計(jì)算。該方案和市面上的大多數(shù)火花塞具有許多相似點(diǎn)，中心電極、側(cè)電極在進(jìn)行材料選擇時，可以選擇鎳合金，除此以外要使側(cè)電極具有一定的抗化學(xué)腐蝕性，因此可以在鎳合金中加入硅等元素，隨著科技的發(fā)展，發(fā)動機(jī)的性能更加的優(yōu)越，因此側(cè)電極的材料選擇需要進(jìn)行綜合考量，可以在頭部焊接貴金屬，能使整體生產(chǎn)成本進(jìn)一步縮減。2.2方案對比分析1、設(shè)備的制造成本設(shè)計(jì)的火花塞改變了側(cè)電極的形狀，能夠使點(diǎn)火的總數(shù)目增加，也能實(shí)現(xiàn)多次擊穿點(diǎn)火，除此以外，這樣的設(shè)計(jì)形式增加的成本不多，也能進(jìn)一步提高汽車的動力性，還能提高燃油的經(jīng)濟(jì)性，能使汽車在運(yùn)轉(zhuǎn)時節(jié)能環(huán)保，也能積極的響應(yīng)我國綠色環(huán)保的發(fā)展理念。2、產(chǎn)品的可靠性（1）技術(shù)層面對于技術(shù)層面而言，單極火花塞和四極火花塞相比兩者的區(qū)別不大，僅僅是把單側(cè)電極設(shè)置為四側(cè)電極，電極的總數(shù)目增加，在實(shí)踐的過程中可以結(jié)合焊接。側(cè)電極和金屬殼體可以直接連接，并改變側(cè)電極的形狀。除此以外，也可以結(jié)合鑄造工藝，因此工藝不具有較大的難度。本文設(shè)計(jì)方案和傳統(tǒng)的火花塞對比，方案把側(cè)電極的形狀改變設(shè)置為盤龍柱，除此以外還對側(cè)電極進(jìn)行斷點(diǎn)設(shè)計(jì)，即根據(jù)火花塞點(diǎn)火間隙為側(cè)電極切出三個斷點(diǎn),并且將切斷的側(cè)電極設(shè)置在絕緣體中，實(shí)現(xiàn)火花塞周圍的循環(huán)點(diǎn)火，這樣的點(diǎn)火分布較為均勻，總體而言，所設(shè)計(jì)出來的火花塞是比傳統(tǒng)的火花塞更加優(yōu)越的。（2）市場層面目前市面上主流的火花塞是單側(cè)電極火花塞，但是為了對火花塞點(diǎn)火效果進(jìn)行改良，要實(shí)現(xiàn)多極點(diǎn)火，則在單機(jī)火花塞上設(shè)置了更多的側(cè)電極的數(shù)目，但是通過大量的研究發(fā)現(xiàn)，雖然側(cè)電極的總數(shù)目增加，但是擊穿放電還是僅依靠單個側(cè)電極。目前市面上主流的多極火花塞設(shè)置了多個側(cè)電極，增加了整體的成本，而本文所設(shè)計(jì)的火花塞方案僅是理論階段，并沒有進(jìn)行實(shí)踐，相關(guān)的文獻(xiàn)資料也較少。（3）定位和成本限制就成本而言，傳統(tǒng)火花塞在對自身材料的篩選對比后，從而制造出來的普通火花塞成本相對較低。四側(cè)電極火花塞是增加了數(shù)量更多的側(cè)電極，因此成本會小幅度提升。而本文方案是將單側(cè)電極進(jìn)行切斷，設(shè)置了多個斷點(diǎn)，材料費(fèi)并不會增加太多。除此以外，方案還改變了側(cè)電極的形狀。整體而言，本文設(shè)計(jì)的火花塞的成本和單側(cè)電極的火花塞成本相比并不大，甚至能夠使改良的火花塞成本接近傳統(tǒng)的火花塞成本，但是制造的工藝具有較高的難度。（4）易維護(hù)性本文設(shè)計(jì)方案是將改良的切出斷點(diǎn)的側(cè)電極直接在絕緣體中鑲嵌，這樣整體制造的成本是較低的，但是工藝卻有一定的難度。除此以外，這類火花塞后期的維護(hù)非常便利，通過運(yùn)算并查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，在理論上具有可行性，也能實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火，但是設(shè)計(jì)具有很大的難度，三維建模分析也具有一定的難度，如若設(shè)計(jì)的火花塞點(diǎn)火效果明顯，也能在現(xiàn)實(shí)生活中批量生產(chǎn)。第5章整機(jī)三維建模與虛擬裝配第3章火花塞選材與設(shè)計(jì)3.1金屬殼體的設(shè)計(jì)火花塞外部的基礎(chǔ)殼體的形狀比較復(fù)雜，可以結(jié)合各類需求設(shè)置成不同的形狀，其外形輪廓由5個階梯形狀構(gòu)成，其中還囊括了單個正六邊形的凸臺形，而內(nèi)孔設(shè)置有兩個錐面和多個階梯面，其金屬殼體最外緣處出現(xiàn)形變，形變的程度大約為66%，已經(jīng)接近了形變極限，殼體的外圈圓與內(nèi)孔錐面設(shè)置有金屬流通通道，通道非常窄小，其對金屬流通會產(chǎn)生一定影響。金屬殼體對材料的要求是很高，因?yàn)槠渲苯优c發(fā)動機(jī)相連接，所以金屬殼體就需要由良好的導(dǎo)熱性，由于冷擠壓加工操作難度較大，本文通過查閱大量的文獻(xiàn)資料通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，最終選擇我國的鉚螺鋼，其機(jī)械性能能滿足設(shè)計(jì)需求。200413.2中心電極功能分析與選材火花塞的中心電極被絕緣體包裹著，位于火花塞的最里面，是火花塞的正極。當(dāng)汽車點(diǎn)火的時候，行車電腦就會通過高壓包將汽車的點(diǎn)火電壓提升至大約20000萬伏特左右的電壓，而這個極高的電壓就沿著火花塞到中心電極的端部，因?yàn)閭?cè)電極連接著金屬殼體，即為負(fù)極。這時電壓在正負(fù)極之間擊穿空氣，形成點(diǎn)火。因?yàn)槌袚?dān)著輸送電力的作用，所以中心電極的材質(zhì)就顯得尤為重要。既需要中心電極具有良好的導(dǎo)電性，有需要中心電極能長時間的承受高電壓，從而延長火花塞的壽命。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場上常見的火花塞中心電極有銥金、鉑金、鎳、銅。因?yàn)殂~的良好導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，也是最早用在火花塞的中心電極上，早期的汽車火花塞中心電極就是銅做的。銅雖然良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，但是材質(zhì)卻是銥金和鉑金那么硬，也沒由銥金和鉑金的那么高的熔點(diǎn)，所以銅火花塞的中心電極端部再在超高壓長時間點(diǎn)火下是磨損的最快的。果按照汽車行駛公里來算火花塞整體的使用壽命的話，普通的銅芯火花塞在汽車的正常使用中壽命約為30000公里，而鉑金火花塞的使用壽命最高卻能達(dá)到約為80000公里，銥金火花塞理論上的使用壽命能達(dá)到100000公里以上。銥金火花塞是目前市面上性能最好的火花塞。然而經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)銥合金目前的價約為1000元每克，鉑合金的市場售價雖然沒有銥合金那么高，但也需要約300元每克，所以用銥金或鉑金來做火花塞，造價是非常昂貴的，并不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。本次中心電極的設(shè)計(jì)材料選用的是鎳合金。鎳合金火花塞同樣是目前市場上常見的火花塞。鎳的熔點(diǎn)為1453攝氏度，這比銅的熔點(diǎn)高出了將近400攝氏度，雖然沒有銥金和鉑金的熔點(diǎn)高，但是勝在價格便宜，平均每一克鎳只需要0.1元，如果用鎳合金做中心電極的話，那么成本只會比銥金和鉑金的成本更低，與傳統(tǒng)單極火花塞相差不大，而后期設(shè)計(jì)合理的話，也能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)與銷售。200413.1.2點(diǎn)火功能分析 火花塞是發(fā)動機(jī)氣缸中尤為重要的組成部分，和燃燒室直接相連，中心電極以自下而上的形式在內(nèi)部排列，而高壓線圈會實(shí)現(xiàn)高壓電的傳導(dǎo)，由中心電極向下不斷流通，本文在開展實(shí)驗(yàn)時以單點(diǎn)點(diǎn)火火花塞作為主體，選擇傳統(tǒng)火花塞為基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)和改良，把側(cè)電極形狀設(shè)置為盤龍柱狀，依據(jù)點(diǎn)火間隙設(shè)置三個斷點(diǎn)，并將多間隙的側(cè)電極鑲嵌在絕緣體里，火花塞在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中電火花會擊穿側(cè)電極，因此能夠滿足多點(diǎn)跳火的設(shè)計(jì)要求就理論而言，這類設(shè)計(jì)方法的點(diǎn)火時間出現(xiàn)一定的延遲，但是整體的延遲可忽略，可以看作同時擊穿。除此以外，由于火花塞的側(cè)電極電阻值很小，因此能量損失不大。3.3絕緣體功能分析火花塞內(nèi)的重要位置之一則是其中的絕緣體部分，絕緣體能夠有效的避免火花塞在運(yùn)行過程中出現(xiàn)能量損失的現(xiàn)象，它會進(jìn)一步影響到火花塞的正常運(yùn)行，如果在點(diǎn)火過程火花塞絕緣體失去作用，此時容易產(chǎn)生高壓的短路現(xiàn)象。如果沒有和中心電極與側(cè)電極這兩者接觸，就直接和地面相連的話，此時則不能產(chǎn)生電火花。為了進(jìn)一步提高火花塞運(yùn)行過程的穩(wěn)定性，必須要在絕緣材料方面進(jìn)行嚴(yán)格把控，此絕緣體部分應(yīng)具備較強(qiáng)的抗腐蝕能力，同時還要能夠承受較高的電壓和溫度，機(jī)械強(qiáng)度需要達(dá)成特定要求。在本文設(shè)計(jì)時主要選用的是陶瓷材料來開展火花塞絕緣體部分的設(shè)計(jì)?；鸹ㄈ麘?yīng)用在各類汽油發(fā)動機(jī)中其體積尺寸方面會存在著一定的差異，常見的發(fā)動機(jī)類型大致有冷機(jī)和熱機(jī)類別為主，這是兩種具有較大差別的類型，它可以對火花塞熱特性予以充分反映。發(fā)動機(jī)內(nèi)的火花塞只有滿足特定溫度要求的前提條件下才不會產(chǎn)生積炭，也不會對其正常運(yùn)行造成影響，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析可以發(fā)現(xiàn)。只有當(dāng)火花塞其絕緣體溫度滿足500攝氏度到800攝氏度區(qū)間內(nèi)，此時當(dāng)油滴落到絕緣體上才不會有積碳產(chǎn)生，而是能得到充分燃燒。如果溫度比此范圍更高則會容易發(fā)生早燃現(xiàn)象，另外也要充分認(rèn)識到，在不同發(fā)動機(jī)內(nèi)的火花塞所需要的溫度條件也有較大差別。如果要求火花塞必須要具備較好的散熱能力，那么在設(shè)計(jì)過程中就可以適當(dāng)讓火花塞裙部短一些，此火花塞類型也可將其稱之為冷型火花塞，該類火花塞往往應(yīng)用在一些大功率的發(fā)動機(jī)當(dāng)中。結(jié)合同樣的原理可以發(fā)現(xiàn)，部分火花塞裙部位置較長就會具有較大的受熱面積，導(dǎo)致其散熱性能較差，從而降低散熱的速度。這類火花塞也被稱為熱型火花塞，該類火花塞往往應(yīng)用在一些小功率的發(fā)動機(jī)當(dāng)中?？傮w而言，火花塞的選擇要根據(jù)實(shí)際狀況而定，必須要充分考量多項(xiàng)因素后綜合決定。在部分情況下，火花塞中的絕緣體部分會有破裂現(xiàn)象產(chǎn)生，產(chǎn)生破裂的常見位置往往是在電極上端和絕緣體的裙部位置，一旦絕緣體出現(xiàn)破裂后，若是溫度不充足的話則會有積碳就會從火花塞破裂的地方進(jìn)到火花塞的內(nèi)部，導(dǎo)致火花塞運(yùn)行過程會發(fā)生短路問題。如果火花塞絕緣體的破裂縫隙較為窄小,仍然可以讓火花塞勉強(qiáng)維持運(yùn)行，但是會降低它的傳熱性能，導(dǎo)致不能快速散熱。如果熱量到達(dá)一定程度則會讓發(fā)動機(jī)內(nèi)部的混合氣體還沒有被電火花點(diǎn)燃就會因?yàn)樽陨頍崃坷塾?jì)而自燃，從而進(jìn)一步影響到發(fā)動機(jī)性能，甚至還會損害發(fā)動機(jī)。導(dǎo)致火花塞絕緣體破裂的原因較多，例如火花塞被撞擊，從而使得絕緣體破裂，也可能由于發(fā)動機(jī)壓力由于未知原因不斷上升，內(nèi)部元器件運(yùn)作不正常；火花塞在裝載過程中絕緣體部分?jǐn)Q得過緊；溫度變動較為劇烈等等。如果絕緣體破裂，此時必須要及時清理破損的火花塞，清理的過程中要讓裂縫內(nèi)的積碳被擦拭干凈，火花塞需要放置在氣缸蓋上，將分電器打開，讓火花塞高壓線與其中心電極相互接觸，從而可以對跳火現(xiàn)象進(jìn)行充分觀察。若是沒有跳火，但出現(xiàn)了火花聲響，此時則表明火花塞有跑電問題，必須要及時對火花塞進(jìn)行更換。另外也要針對火花塞的絕緣體部分密封性展開仔細(xì)的檢查。若是缺乏相關(guān)專業(yè)設(shè)備，可以利用發(fā)動機(jī)開展一系列的實(shí)驗(yàn)。首先可以讓火花塞固定在氣缸蓋上，在端部位置涂抹機(jī)油，點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)，如果運(yùn)作過程中發(fā)現(xiàn)汽油層有氣泡，此時則可以證明密封有問題存在，這就需要把火花塞更換。如果運(yùn)行過程中汽油層并沒有氣泡發(fā)生，此時則可以證明其密封性良好，火花塞能夠正常使用。3.4絕緣體部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于火花塞溫度而言，一般是指絕緣體裙部的溫度，在火花塞正常工作的情況下，絕緣體裙部的工作溫度需要保持在500攝氏度到800攝氏度之間。如果火花塞的工作溫度高過500攝氏度至800攝氏度之間，那么沉積在絕緣體裙部的一些機(jī)油、炭顆粒等，就可以通過燃燒變成其他物質(zhì)。在這個溫度下的火花塞是擁有自我清潔能力的。如果火花塞的溫度低于這個溫度區(qū)間的話，那么就會使得火花塞的跳火以電路短路的方式泄漏出去，這就會使得火花塞出現(xiàn)無點(diǎn)火現(xiàn)象。雖然火花塞的溫度低于500攝氏度會造成失火現(xiàn)象，但是火花塞高于800攝氏度卻也是屬于火花塞工作的安全溫度區(qū)間，既800攝氏度到1000攝氏度之間，但是在這個溫度區(qū)間里也并不意味著火花塞絕對安全是，因?yàn)檫^高的溫度會加劇火花塞電極的氧化和腐蝕。所以根據(jù)火花塞工作的溫度不同以及散熱不同，就有了冷型火花塞和熱型火花塞。在多種發(fā)動機(jī)中火花塞對應(yīng)的工作溫度條件也有一定的差異，部分火花塞的裙部位置相對較短，吸收的面積更小，因此它的散熱散熱性能比較好，針對此類火花塞在設(shè)計(jì)時可以適當(dāng)降低此部分的溫度，這種類型則被稱之為冷型火花塞。而針對于那部分功率較高的發(fā)動機(jī)而言，其裙部位置更長，受熱面積比較大。圖3.4-1火花塞冷熱型的具體圖通過查閱相關(guān)資料后可以發(fā)現(xiàn)，對于冷型火花塞而言，其裙部的長度一般在8毫米以內(nèi)，而熱型火花塞需要將這一參數(shù)控制在16~20毫米之間，對于普通類型的火花塞而言，此項(xiàng)參數(shù)取值范圍是在11~14毫米，所以本文設(shè)計(jì)的火花塞裙部確定的長度則為13毫米。絕緣體部分是火花塞中的重要組成部分。此部分可以有效阻止火花塞的能量損失，同時也決定了火花塞是否能夠正常運(yùn)行，如果絕緣體在點(diǎn)火階段失去了作用，此時則會讓高壓電出現(xiàn)短路現(xiàn)象，最終讓其不能產(chǎn)生電火花。除此之外，為了進(jìn)一步提升火花塞的使用特性，要嚴(yán)格選擇絕緣體的材料，絕緣體部分應(yīng)具備較好的抗腐蝕能力，也要承受高溫高壓的外界環(huán)境，機(jī)械強(qiáng)度的要求也比較高，因此本文設(shè)計(jì)的火花塞絕緣體選擇的材料為陶瓷材料。本次在火花塞設(shè)計(jì)時主體材料主要是氧化鋁，它的絕緣體強(qiáng)度能達(dá)到24000V/mm，計(jì)算后可以得出其最小厚度則是。通過以上的公式計(jì)算后可以發(fā)現(xiàn)，如果絕緣體最小厚度大于0.833毫米，此時火花塞對應(yīng)的絕緣性能就能得到有效提升，為了方便后續(xù)計(jì)算，后續(xù)在對絕緣部分厚度進(jìn)行確定時選擇為1毫米。圖4.2-1高能多級火花塞絕緣體投影圖3.5絕緣體部分選用材料為了讓火花塞的使用特性得到良好的保障，所以還對絕緣材料方面提出了較高的要求，此類材料應(yīng)具備較強(qiáng)的抗腐蝕能力，要低于高溫，另外機(jī)械強(qiáng)度也要充足。本文在進(jìn)行火花塞絕緣體設(shè)計(jì)時主要選擇的材料為陶瓷，它充分具備了以上多個優(yōu)點(diǎn)，而且價格方面也比較低廉，可以實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)。第4章火花塞間隙的設(shè)計(jì)4.1火花塞間隙計(jì)算火花塞的間隙，說的是中心電極和側(cè)電極之間的最小距離，這個是設(shè)計(jì)火花塞所需要的一個重要參數(shù)，對于汽車發(fā)動機(jī)的影響是很重要的?；鸹ㄈg隙的設(shè)定是由多方面因素影響著，有火花塞點(diǎn)火時的擊穿電壓，汽車發(fā)動機(jī)的內(nèi)部氣壓等因素。雖然影響著火花塞間隙的因素有很多，但是經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)日常生活中比較常見的火花塞間隙為0.6毫米至1.5毫米之間。就理論而言，火花塞之間的間隙大小，可以決定中心電極和側(cè)電極之間點(diǎn)火時所產(chǎn)生的電火花溫度。當(dāng)火花塞間隙較小時，中心電極所釋放的擊穿電壓就較低，雖然容易讓電火花產(chǎn)生，但是所生成的電火花溫度卻不夠高，這樣間隙小的火花塞汽車點(diǎn)火時，發(fā)動機(jī)會更快的響應(yīng)，同時也能在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時更好的提速，不過這時候的火花塞更加容易產(chǎn)生積炭，而且發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速時因?yàn)殡娀鸹囟炔粔虻降脑蚨鴮?dǎo)致斷火。當(dāng)火花塞的間隙較大時，汽車點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火就需要更高的電壓，但是火花塞中心電極所釋放的電火花溫度就會更高。這樣間隙大的火花塞，可以在高轉(zhuǎn)速下讓發(fā)動機(jī)內(nèi)的混合氣體得到更加充分的燃燒，因?yàn)辄c(diǎn)火所需要的高電壓，所以在高電壓下點(diǎn)火線圈的負(fù)荷就會增加，從使得點(diǎn)火線圈的壽命更短。因?yàn)榛鸹ㄈ拈g隙有著不同的因素影響，需要參考發(fā)動機(jī)的具體參數(shù)，所以通過查閱文獻(xiàn)后選擇大眾旗下的捷達(dá)vs5汽車的發(fā)動機(jī)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。捷達(dá)發(fā)動機(jī)結(jié)合帕邢定律則可知下列公式：同時調(diào)查發(fā)現(xiàn)該發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，內(nèi)部氣壓值是3.5Mpa。次極電壓選20000伏特，所以可以得到下列公式：所以本次火花塞設(shè)計(jì)的間隙，既選用0.76毫米的大小。第5章火花塞整體建模組裝5.1火花塞零件建?；鸹ㄈ^緣體和側(cè)電極的三維建模圖上圖具體代表的是火花塞部分的陶瓷體三維的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步劃分為金屬殼體和中心電極。此設(shè)計(jì)可以有效防范火花塞能量的損失，陶瓷可以包尾側(cè)電極，它是在主體上被固定的。實(shí)驗(yàn)過程中，側(cè)電極會圍繞中心電極制作為盤龍狀的外形，要根據(jù)特定的點(diǎn)火間隙劃分為三個不同端點(diǎn)，可以讓側(cè)電極能夠在規(guī)定要求的點(diǎn)火間隙下鑲嵌在陶瓷當(dāng)中，火花塞在運(yùn)行過程中電火花會多次將側(cè)電極擊穿，從而實(shí)現(xiàn)多次跳火，不僅有利于高溫燃燒混合氣體，而且也可以幫助實(shí)現(xiàn)省油效果，環(huán)保性能更為優(yōu)越?；鸹ㄈ行碾姌O三維建模圖上圖具體展示的是火花塞的中心電極的三維結(jié)構(gòu)，此部分是火花塞關(guān)鍵的部分，它能夠有效確?；鸹ㄈ恼＿\(yùn)作，此部分原材料一般具有較高的強(qiáng)度，常用的材料為鎳合金。在火花塞的實(shí)際運(yùn)行過程中，電壓通過中心電極之后可以產(chǎn)生電火花，讓中心電極、側(cè)電極兩者之間的點(diǎn)火間隙被擊穿，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。由于當(dāng)前機(jī)動性能發(fā)展越來越優(yōu)異，在此部分所選用的材料也越來越好，往往在此部分還會進(jìn)行貴重金屬的焊接，從而可以使得生產(chǎn)對應(yīng)成本能得到有效控制。圖5.1-3火花塞連接中心電極的金屬桿建模圖上圖詳細(xì)展示的是火花塞的中心電極金屬桿，該結(jié)構(gòu)一般采用的原材料為銅，它在整個火花塞內(nèi)是與接線螺母中心電極相連的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，能夠讓火花在運(yùn)行過程中形成有效的閉合回路。圖5.1-5火花塞金屬殼體三維建模圖上圖具體展示的是火花塞金屬殼體對應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)，整個殼體的外觀形狀較為復(fù)雜，其輪廓可以劃分為5個不同的階梯形狀，另外還有凸臺。其中在殼體最外緣部分會有相關(guān)變形狀況發(fā)生，它的變形程度達(dá)到66%，與原材料的變形極限比較接近，另外在內(nèi)孔錐面、外圈圓兩者之間也設(shè)置了金屬通道，該通道比較狹小，為此金屬的流動性也很差?；鸹ㄈ慕饘贇んw部分具有較高的材料需求，冷擠壓加工技術(shù)技術(shù)當(dāng)前還比較難實(shí)現(xiàn)，原材料要求比較高，目前在火花塞的金屬殼體加工方面我國主要采用的是柳螺鋼技術(shù)，它也可以滿足在機(jī)械性能方面的各項(xiàng)要求。圖5.1-6火花塞接線螺帽三維建模圖上圖主要主要展示的是火花塞接線螺帽位置的三維圖形，其中該螺帽的內(nèi)置彈簧墊與中心電極相連，它的材質(zhì)一般選用的則是銅材料，而此結(jié)構(gòu)在整個火花塞運(yùn)行過程也有重要作用，它能夠讓元件得到緊密的連接，防范接觸不良的現(xiàn)象發(fā)生，讓點(diǎn)火過程更為順暢。5.2火花塞整體三維模型圖5.2-1高能多級火花塞三維建模裝配上圖是本文設(shè)計(jì)的火花塞詳細(xì)的三維裝配圖，通過該圖的分析能夠看出，此火花塞和常規(guī)火花塞之間的差異。它的主要改變點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)方面出現(xiàn)相應(yīng)變化，主體選擇的是目前市面上常見的火花山的主體，而不同之處則是根據(jù)點(diǎn)火間隙將其切出了三個不同斷點(diǎn)，金屬殼體下設(shè)置一圈陶瓷，火花塞在運(yùn)行過程中，可以多次擊穿側(cè)電極，因此就可以實(shí)現(xiàn)跳火。在汽車的發(fā)動機(jī)當(dāng)中火花塞是一個重要部件，此部件能夠有效改進(jìn)汽車多方面性能。當(dāng)前現(xiàn)有的各類火花塞大多數(shù)的有效電極都是一個，因此在火花塞能夠正常運(yùn)作的前提下會出現(xiàn)一個跳火火焰核，也就是說電火花在點(diǎn)火時只有一次擊穿，這種方式對于發(fā)動機(jī)的混合氣體的高效燃燒不利。如果發(fā)動機(jī)內(nèi)的可燃性氣體濃度較低時可能會導(dǎo)致其停止運(yùn)行，單點(diǎn)點(diǎn)火火花塞只可以實(shí)現(xiàn)一次跳火，它的頻率比較低，會對發(fā)動機(jī)輸出功率造成一定影響。最近幾年為了使得點(diǎn)火性能進(jìn)一步得以改善，