《火花塞金屬殼體的設(shè)計及虛擬裝配探究》12000字【論文】

第1章緒論PAGE9PAGE10火花塞金屬殼體的設(shè)計及虛擬裝配研究目錄TOC\o"1-2"\h\u31022摘要 13131第1章緒論 2269631.1選題意義 2246371.2高能多級火花塞的技術(shù)現(xiàn)狀 277071.3可行性分析 3217911.4技術(shù)要求與性能指標(biāo) 45352第2章方案設(shè)計與分析 6171472.1總體方案設(shè)計 6237242.2總體方案對比分析 680162.3關(guān)鍵部件方案設(shè)計 730190第3章關(guān)于火花塞金屬殼體的設(shè)計 9280093.1火花塞金屬殼體功能分析 9205193.2火花塞金屬殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計 9232423.3高能多級火花塞電路設(shè)計與對比 1114075第4章火花塞絕緣體部分設(shè)計 13123054.1火花塞絕緣體部分功能分析 13220204.2火花塞絕緣體部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 14168904.3火花塞絕緣體部分可用材料 1528762第5章整機三維建模與虛擬裝配 16111085.1零部件的三維建模 1643485.2整機虛擬裝配 1883215.3裝配性能分析 1825531參考文獻(xiàn) 23摘要汽車發(fā)動機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)動機內(nèi)燃機的火花塞大多是單個有效電極，因此火花塞會出現(xiàn)跳火焰核，影響內(nèi)部混合氣體的燃燒，單點點火的效率較低，也會對發(fā)動機輸出能力產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著科技的進步，越來越多的學(xué)者投身于點火裝置的研發(fā)，提高點火的效率。電子點火系統(tǒng)技術(shù)有了巨大的提升，多級火花塞應(yīng)運而生。已有實踐證明，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)動機內(nèi)部的混合氣體比較稀薄時，其也能使發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)。本文對多級火花塞結(jié)構(gòu)進行分析，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)計出滿足需求的火花塞，實現(xiàn)火花塞的高能點火。在進行高能多級火花塞設(shè)計時，以市面上的主流產(chǎn)品作為參考，改變側(cè)電極的形狀，設(shè)置為盤龍柱狀，依據(jù)點火間隙設(shè)置三個斷點，在金屬殼下側(cè)設(shè)置陶瓷圈，由此能夠確保側(cè)電極的點火間隙依據(jù)規(guī)則設(shè)置于陶瓷內(nèi)，能夠滿足多次跳火的設(shè)計要求。本文在開展研究時選擇matlab，結(jié)合multisim對點火能量電路進行模擬，并將實踐和理論結(jié)合開展比對研究，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中的錯漏并糾正。關(guān)鍵詞：火花塞;點火能量;multisim;第1章緒論1.1選題意義汽車火花塞是汽車發(fā)動機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。這類設(shè)備的工作條件非常惡劣，在正常運轉(zhuǎn)時需要承受較大的機械磨損和電負(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)濟性、機械壽命都會產(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，通過對火花塞的檢查和維護能夠延長發(fā)動機的使用壽命，也能使汽車動力性和經(jīng)濟性得以提升，在這樣的背景下，多級火花塞應(yīng)運而生。這類設(shè)備能使汽車發(fā)動機的工作效率進一步提高。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)動機的工作性能，促動汽車行業(yè)的快速發(fā)展。火花塞是汽車發(fā)動機點火系統(tǒng)中尤為重要的組成部分。目前在汽車制造業(yè)中火花塞形成了一套規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)計了高級火花塞，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，實現(xiàn)盤龍柱狀，并依據(jù)側(cè)電極的點火間隙設(shè)置三個斷點，在設(shè)備的金屬殼下端設(shè)置陶瓷圈。因此能夠讓側(cè)電極的點火間隙直接鑲嵌在陶瓷里。火花塞在正常運轉(zhuǎn)時，火花會逐次實現(xiàn)電極的穿刺，由此能夠滿足多級跳火的設(shè)計要求，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高能多級火花塞的技術(shù)現(xiàn)狀近年來，我國科技飛速發(fā)展，火花塞對汽車的性能會產(chǎn)生重要影響，為了提高火花塞的點火性，各國學(xué)者投身于該領(lǐng)域開展大量試驗，電子類點火系統(tǒng)應(yīng)運而生。信息技術(shù)水平快速提高，信息系統(tǒng)應(yīng)用到火花塞中可以提高點火間隙，也能使其具有更多的能量，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)，多級火花塞能夠提高火花塞和點火的限度，其與單間隙擊穿相比，在滿足低穿電壓要求時產(chǎn)生的電壓更低，當(dāng)汽車內(nèi)部的發(fā)動機氣缸的混合氣體比較稀薄時，也能維持正常運轉(zhuǎn)，并且具有較高的工作效率。早在21世紀(jì)初期，國外學(xué)者就對雙火花塞點火技術(shù)開展的研究，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，火花塞會同時點火，并同時燃燒和爆炸，由此能夠縮短工作距離，也能使火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓嵘?，但是設(shè)置兩個完全相同的火花塞會增加更多的成本，不具有經(jīng)濟性，因此還具有較多的不足之處。目前國內(nèi)外學(xué)者對多極火花塞的研究文獻(xiàn)資料較少，因此該領(lǐng)域存在部分空白，例如博世公司開發(fā)的FR78X火花塞，結(jié)合了間接放電的模式，利用4個側(cè)電極實現(xiàn)中心電極的點火，并進行放電。而點火擊穿間隙為1.1毫米，該設(shè)備集成的先進技術(shù)，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行全面包裹，因此在設(shè)備正常運轉(zhuǎn)且放電的過程中，電流會順著陶瓷直接流向負(fù)極，由此能夠提高火花塞使用壽命。除此以外，因為側(cè)電極和中心電極的陶瓷點火間隙的設(shè)置，能夠使其滿足各種工況下發(fā)動機的要求。這個火花塞的缺點非常明顯，比如這類設(shè)備的中心電極到陶瓷再到側(cè)電極點火的點火方式會使點火能量損失較多，因此需要采用更多的放電量使火花塞正常運轉(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)動機在正常運轉(zhuǎn)時耗油量太大。而5V的發(fā)動機的耗油量正常，雖然在剛開始運轉(zhuǎn)時候反應(yīng)的速度比較緩慢，但是在后期的高速運轉(zhuǎn)和降檔時發(fā)動機的轉(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，就理論而言可以結(jié)合傳統(tǒng)火花塞獲取實現(xiàn)多級火花塞，能使其性能提高。1.3可行性分析就成本而言，高能多級火花塞設(shè)計目的是使側(cè)電極形狀和結(jié)構(gòu)發(fā)送變化，盡量增加點火總數(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)濟性，能使車輛的運行節(jié)能環(huán)保，能實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。就技術(shù)而言，本文設(shè)計的方案在金屬殼下端設(shè)置陶瓷圈，多間隙側(cè)電極中鑲嵌陶瓷，因此能夠盡量使成本降低，改造的工藝非常簡單，能實現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，通過大量的研究，并查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，理論而言多次擊穿能實現(xiàn)多級點火，因此在操作上具有可行性。就難度而言，在具體操作層面難度較低，如果點火的效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，因此本文設(shè)計的火花塞具有較高的性價比。就成本而言，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，如果要實現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，則需進行大批量材料的采購，因此也會使總成本進一步降低。就前景而言，本文希望盡量的降低成本提高汽車的動力性和燃油的經(jīng)濟性，使汽車內(nèi)部的氣缸燃燒更加充分，目前國內(nèi)外學(xué)者對這類火花塞的研究較少，因此這類火花塞的發(fā)展前景值得深討。1.4技術(shù)要求與性能指標(biāo)1.4.1技術(shù)要求 本文設(shè)計了一款多久火花塞，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，本文結(jié)合軟件用模擬對側(cè)電極的形狀進行改良。 （1）本文在進行火花塞設(shè)計時將市面上主流的火花塞作為主體，改變側(cè)電極的形狀，以中心電極為基礎(chǔ)，將其設(shè)置為盤龍柱狀。側(cè)電極的電話間隙為三個斷點。在金屬殼體下端設(shè)置陶瓷圈，并將切斷的側(cè)電極直接鑲嵌在陶瓷里。當(dāng)火花塞正常運轉(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，會依據(jù)下列順序，首先路過主體，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)置了點火間隙?；鸹ㄈ谡＿\轉(zhuǎn)時電流會流到中心電極，并利用點火電系直接流入側(cè)電極，由此能夠?qū)崿F(xiàn)電壓擊穿，也能使內(nèi)部的混合氣體快速燃燒，并實現(xiàn)跳火的設(shè)計要求。 （3）陶瓷體設(shè)置有凹槽，因此火花塞在正常運轉(zhuǎn)時會釋放出大量的熱量，該裝置的散熱良好，還具有一定的潤滑性。1.4.2功能要求（1）本文設(shè)計的這款高能火花塞，在正常運轉(zhuǎn)時單次跳火可以點燃發(fā)動機內(nèi)的可燃?xì)怏w。（2）火花塞在正常運轉(zhuǎn)時能夠擴張火花塞和點火的限度。其與單間隙擊穿相比，擊穿產(chǎn)生的電壓較低，如果汽車在正常運轉(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)動機的正常運轉(zhuǎn)，也還具有較高的工作效率。（3）火花塞是點火系統(tǒng)中尤為重要的組成，部分火花塞的工作條件相對而言比較惡劣，火花塞在正常運轉(zhuǎn)時會承受機械磨損和電負(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)濟性、氣缸的壽命都會產(chǎn)生較大影響，火花塞在設(shè)計時要確保機械強度滿足要求。（4）火花塞的陶瓷體設(shè)置有凹槽，因此能夠確保其在正常運轉(zhuǎn)時釋放大量的熱量，而該設(shè)施具有良好的散熱性，還帶有潤滑作用。（5）就理論而言，火花塞側(cè)電極進行切割會出現(xiàn)數(shù)量較多的間隙，因此能夠?qū)崿F(xiàn)多次的擊穿點火。點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3章關(guān)于火花塞金屬殼體的設(shè)計第2章方案設(shè)計與分析2.1總體方案設(shè)計2.1.1方案一選擇傳統(tǒng)的火花塞設(shè)計的方案，而結(jié)構(gòu)參考的是捷達(dá)汽車火花塞。2.1.2方案二以方案一為基礎(chǔ)，進行適當(dāng)?shù)母牧?，單?cè)電極設(shè)置為四側(cè)電極。2.1.3方案三以方案一為基礎(chǔ)，選擇捷達(dá)汽車的火花塞作為主體并依據(jù)點火間隙將側(cè)電極切出三個斷點，對金屬殼體進行設(shè)置，包圍一圈陶瓷，而切斷的點火間隙直接設(shè)置在陶瓷里。2.1.4方案四以方案一作為基礎(chǔ)，選擇捷達(dá)汽車的火花塞作為設(shè)計的主體，把側(cè)電極形狀改變設(shè)置為盤龍柱狀，并設(shè)置三個斷點和陶瓷圈。2.2總體方案對比分析（1）設(shè)備的制造成本設(shè)計的火花塞改變了側(cè)電極的形狀，能夠使點火的總數(shù)目增加，也能實現(xiàn)多次擊穿點火，除此以外，這樣的設(shè)計形式增加的成本不多，也能進一步提高汽車的動力性，還能提高燃油的經(jīng)濟性，能使汽車在運轉(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)層面就技術(shù)層面而言，方案一和方案二相比兩者的區(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。而方案三和方案二進行比較可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)電極會依據(jù)點火間隙直接設(shè)置在陶瓷上，因此工藝具有一定的難度，但是通過大量的實踐分析后發(fā)現(xiàn)方案三和方案二相比，前者更加的優(yōu)越。方案四和方案三相比，方案四會把側(cè)電極的形狀改變設(shè)置為盤龍柱，除此以外也會實現(xiàn)側(cè)電極斷點的設(shè)置,并且將切斷的側(cè)電極設(shè)置在陶瓷中，實現(xiàn)火花塞周圍的循環(huán)點火，這樣的點火分布較為均勻，總體而言，方案四和方案三相比前者更優(yōu)越。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，就如同本次設(shè)計的方案一，但是為了對火花塞點火效果進行改良，要實現(xiàn)多級點火，則方案二設(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，而方案三和方案四僅是理論階段，并沒有進行實踐，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，四類方案中僅方案一和傳統(tǒng)安利火花塞完全相同，因此成本最低。方案二設(shè)置了數(shù)量更多的側(cè)電極，因此成本會小幅度提升。而方案三將單側(cè)電機進行切斷，設(shè)置了多個斷點，材料費并不會增加太多。除此以外，方案四改變了側(cè)電極的形狀。整體而言，方案三、方案四與方案二的成本相當(dāng)，關(guān)鍵是設(shè)置了陶瓷材料，但是陶瓷材料進行大幅度采購也不會使成本大幅提高，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。（3）易維護性方案四在金屬殼體下端設(shè)置了一圈陶瓷，除此以外，將改良的切斷的側(cè)電極直接在陶瓷中鑲嵌，雖然整體制造的成本較低，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非常便利，通過運算并查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，在理論上具有可行性，也能實現(xiàn)多次點火，但是設(shè)計具有很大的難度，在仿真層面能較快實現(xiàn)，如若點火效果明顯，也能在現(xiàn)實生活中批量生產(chǎn)。目前傳統(tǒng)火花塞具有較低的生產(chǎn)成本，但是方案二、三、四都能會對側(cè)電極形狀進行改良，因此首先會舍棄方案一。方案二增加了更多的成本，增加了側(cè)電極的總數(shù)目，但是改善并沒有太明顯，因此會放棄方案二。就方案三而言，方案四能夠使火花在中心電極分布均勻，具有更好的點火效果，因此最終舍棄方案三，選擇的是方案四。2.3關(guān)鍵部件方案設(shè)計2.3.1傳統(tǒng)火花塞電極設(shè)計圖2-SEQ圖\*ARABIC1傳統(tǒng)火花塞電極設(shè)計投影圖本文以傳統(tǒng)火花塞作為主體進行改良，設(shè)計詳細(xì)電極可參考下圖2-1，方案一的實驗步驟如下所示。(1)通過市場調(diào)研選擇市面上的火花塞型號進行比對，選擇適宜的火花塞作為主體，并對結(jié)構(gòu)進行觀測，最終選擇捷達(dá)汽車vs5發(fā)動機的火花塞。(2)對選擇火花塞的結(jié)構(gòu)進行分析，了解基本結(jié)構(gòu)，并觀察火花塞運轉(zhuǎn)時的跳火現(xiàn)象，對點火能量進行測量。(3)對捷達(dá)vs5發(fā)動機的火花塞進行點火能量的計算，并分析點火間隙，在進行操作時要控制誤差，獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。(4)利用仿真軟件開展建模，并構(gòu)建模型，對點火能量進行測量，開展比對研究。該方案的中心電極就直徑是2.5毫米，而內(nèi)部的絕緣體長度為13毫米，厚度為1.5毫米。中心電極和側(cè)電極的材料選擇時要求強度較高，可以選擇鎳合金。除此以外，側(cè)電極要求抗化學(xué)腐蝕，可以在鎳合金中加入硅等元素。隨著科技的發(fā)展，發(fā)動機的性能也在提高，側(cè)電極的材料變得更優(yōu)越，可以在側(cè)電極的頭部利用焊接的形式接入貴金屬，盡量的降低整體生產(chǎn)的成本。2.3.2方案四電極設(shè)計圖2-SEQ圖\*ARABIC2方案四火花塞電極設(shè)計投影圖（未斷開間隙）下圖2-2展示的火花塞的詳細(xì)設(shè)計，而方案四的設(shè)計實驗步驟如下所示。采用走訪調(diào)查對市面上主流的火花塞型號進行分析，選擇適宜的火花塞并對試驗的可行性進行研究，針對結(jié)構(gòu)進行分析。（1）針對火花塞的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和改良，本文選擇的是捷達(dá)vs5發(fā)動機火花塞，針對基本結(jié)構(gòu)進行研究，對跳火現(xiàn)象進行觀測，并針對點火的能量進行測量。（2）對捷達(dá)火花塞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析和推算，點火能量和點火間隙在操作的過程中要控制誤差，要使獲取的結(jié)果精準(zhǔn)。（3）結(jié)合仿真軟件設(shè)置模型，并對數(shù)據(jù)進行測量開展比對研究。（4）該方案和方案一具有許多相似點，因此數(shù)據(jù)基本不變，中心電極的直徑選擇的是2.5毫米，而內(nèi)部的絕緣體長度值為13毫米，厚度是1.5毫米，側(cè)電極的直徑選擇的是2毫米。該方案和方案一具有許多相似點，中心電極、側(cè)電極在進行材料選擇時，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)動機的性能更加的優(yōu)越，因此側(cè)電極的材料選擇需要進行綜合考量，可以在頭部焊接貴金屬，能使整體生產(chǎn)成本進一步縮減。第3章關(guān)于火花塞金屬殼體的設(shè)計3.1火花塞金屬殼體功能分析3.1.1金屬殼體功能分析火花塞外部的基礎(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。其殼體在進行材料選擇時具有較高的要求，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)的實驗，最終選擇我國的鉚螺鋼，其機械性能能滿足設(shè)計需求。200413.1.2火花塞點火功能分析 火花塞是發(fā)動機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，本文在開展實驗時以單點點火火花塞作為主體，選擇市面上流行的火花塞為基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)進行改良，把側(cè)電極形狀設(shè)置為盤龍柱狀，并依據(jù)點火間隙直接設(shè)置三個斷點，在金屬殼體的下端設(shè)置陶瓷圈，并將已切斷的側(cè)電極包裹在陶瓷里面，火花塞在正常運轉(zhuǎn)的過程中電火花會擊穿側(cè)電極，因此能夠滿足多級跳火的設(shè)計要求就理論而言，這類設(shè)計方法的點火時間出現(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。3.2火花塞金屬殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計捷達(dá)vs5是市面上較常見的SUV車型。其與大眾的X設(shè)計元素具有一定的相似點，內(nèi)部的引擎蓋和下柵格呈現(xiàn)雙向延伸的格局，整體的線條比較優(yōu)美，尾燈邊框呈多邊形，設(shè)計較為流暢，造型非常的立體。就配置而言，結(jié)合了ACC自身的平衡等，能滿足車主的要求，下圖展示的是該發(fā)動機的詳細(xì)信息。表1捷達(dá)VS5發(fā)動機發(fā)動機型號ea211?djs發(fā)動機排量1.4L配氣DOHC最大功率110kw最大扭矩250N?m最大馬力150Ps最大扭矩轉(zhuǎn)速2000rpm最大功率轉(zhuǎn)速5000rpm第4章火花塞陶瓷絕緣體部分設(shè)計本文通過查閱大量的文獻(xiàn)選擇vs5發(fā)動機的火花塞作為研究的對象，而點火的能量為100mJ。次極電壓可選1.5萬V或2萬V，次級電流值為0.016A，確保電流不發(fā)生改變，對電壓進行更改電壓的范圍是大于1.5萬V，小于2萬V，并對火花能量進行計算。結(jié)合資料發(fā)現(xiàn)發(fā)動機在正常運轉(zhuǎn)時。放電持續(xù)的時間為650?；鸹芰靠梢酝ㄟ^下列公式進行計算。（3?1）—火花能量(mJ)—電極間放電電壓(V)—電極間放電電流(A)—火花持續(xù)時間(s)火花能量可以用某處電流瞬時值、火花持續(xù)時間、電壓瞬時值相乘進行計算。但是在具體取值的過程中，需要考量不同的系統(tǒng)和條件，詳細(xì)公式如下所示。（3?2）—火花能量(mJ)—電極間放電電壓(V)—電極間放電電流(A)—火花持續(xù)時間(s)可得：或結(jié)合帕邢定律則可知下列公式：（3-3）=擊穿電壓（V）；=氣體壓力（T），1T=13.3Pa；=電極間隙（mm）；當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，內(nèi)部氣壓值是3.5MPa。如果火花塞點火的電壓是20kv，則可以得到下列公式：如果火花塞點火電壓是15kv時，：因此點火間隙的范圍是大于0.57毫米，小于0.76毫米。3.3高能多級火花塞電路設(shè)計與對比（1）串聯(lián)圖3.3-1高能多級火花塞串聯(lián)電路圖3.3-2串聯(lián)電路電壓圖則可通過下列公式求解電容公式：如果電容相等，則可用下列公式計算C：并聯(lián)圖3.3-3高能多級火花塞并聯(lián)電路圖3.3-4并聯(lián)電路電壓圖則可通過下列公式計算電容：如果電容相等，則可利用下列公式求解C：本文在進行多久火花塞設(shè)計時利用模擬電路，將其設(shè)置為串聯(lián)，由此能夠使火花塞的弧長增加，也能使點火圈存儲能量被消耗，因此能夠獲取衰減風(fēng)波，詳細(xì)可參考下圖。圖3.3-5多級火花塞等效電路第4章火花塞絕緣體部分設(shè)計4.1火花塞絕緣體部分功能分析火花塞內(nèi)的重要位置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行過程中出現(xiàn)能量損失的現(xiàn)象，它會進一步影響到火花塞的正常運行，如果在點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。如果中心電極和側(cè)電極兩者沒有直接和地面相連，此時則不能產(chǎn)生電火花。為了進一步提高火花塞運行過程的穩(wěn)定性，必須要在絕緣材料方面進行嚴(yán)格把控，此部分應(yīng)具備較強的抗腐蝕能力，同時還要承受較高的電壓和溫度，機械強度需要達(dá)成特定要求。在本文設(shè)計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?；鸹ㄈ麘?yīng)用在各類汽油發(fā)動機中其體積尺寸方面會存在著一定的差異，常見的類型包括冷機和熱機類別為主，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)動機火的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，也不會對其正常運行造成影響，結(jié)合相關(guān)實驗分析可以發(fā)現(xiàn)。只有當(dāng)火花塞其絕緣體溫度滿足五到六百攝氏度區(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，如果溫度比此范圍更高則會發(fā)生早燃現(xiàn)象，另外也要充分認(rèn)識到，在不同發(fā)動機內(nèi)應(yīng)用的火花塞其溫度條件也有較大差別，其中火花塞裙部位置受熱面積相對更小，因此要求它必須要具備較好的散熱能力，在設(shè)計過程中可以適當(dāng)讓其溫度降低，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)用在一些具有較大壓縮度的發(fā)動機當(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具有較大的受熱面積，導(dǎo)致其散熱較差，降低散熱的速度，為此可以在設(shè)計過程適當(dāng)提高裙部的溫度。這類火花塞也被稱為熱型火花塞，它在一些功率比較小的發(fā)動機內(nèi)得到廣泛應(yīng)用?？傮w而言，火花塞的選擇要根據(jù)發(fā)動機實際狀況而定，必須要充分考量多項因素后綜合決定。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)生發(fā)生，產(chǎn)生破裂的常見位置往往是電極上端和絕緣體的裙部位置，一旦絕緣體出現(xiàn)破裂后若溫度不充足則會有積碳產(chǎn)生，導(dǎo)致火花塞運行過程會發(fā)生短路問題。如果其絕緣體的破裂縫隙較為窄小,仍然可以讓其勉強維持運行，但是會降低它的傳熱性能，導(dǎo)致不能快速散熱。如果到達(dá)某個程度下則會讓其內(nèi)部的可燃?xì)怏w并未到達(dá)火花塞時就被點燃，從而進一步影響到發(fā)動機性能，甚至還會損害發(fā)動機。導(dǎo)致火花塞絕緣體破裂的原因較多，例如包括火花塞出現(xiàn)了撞擊，從而使得絕緣體破裂，也可能由于發(fā)動機壓力由于未知原因不斷上升，內(nèi)部元器件運作不正常，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。如果絕緣體破裂，此時必須要及時清理破損的火花塞，清理的過程中要要讓縫隙內(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)象開展充分觀測。若沒有跳火，但出現(xiàn)了火火花聲響，此時則表明火花塞有跑電問題，必須要及時對其進行更換。另外也要針對火花塞的絕緣體部分密封性開展嚴(yán)格檢查，若缺乏相關(guān)專業(yè)設(shè)備可以通過發(fā)動機開展一系列的實驗，比如需要讓火花塞在氣缸蓋上進行固定，在端部位置涂抹機油，點燃發(fā)動機，如果運作過程中發(fā)現(xiàn)汽油層有氣泡，此時則驗證密封有問題存在，此時需要針對火花塞進行更換，如果運行過程中汽油層并沒有氣泡發(fā)生，此時可以表明其密封較好。4.2火花塞絕緣體部分結(jié)構(gòu)設(shè)計火花塞對應(yīng)其溫度條件也有一定的差異，部分火花塞在裙部位置相對較短，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)動機而言，其裙部位置更長，受熱面積比較大。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，此項參數(shù)取值范圍是在11~14毫米，本文確定的長度則為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，也決定了火花塞是否能夠正常運行，如果絕緣體在點火階段失去作用，此時則會讓高壓電出現(xiàn)短路，最終讓其不能產(chǎn)生電火花。除此之外，為了進一步提升其使用特性，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，機械強度的要求也比較高，因此本文選擇的材料為陶瓷材料。本次在火花塞設(shè)計時主體材料主要是氧化鋁，它的絕緣體強度能達(dá)到24000V/mm，計算后可以得出其最小厚度則是。通過以上的全面計算后可以發(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)計算，后續(xù)在對絕緣部分厚度進行確定時選擇為1毫米。圖4.2-1高能多級火花塞絕緣體投影圖4.3火花塞絕緣體部分可用材料為了讓火花塞的使用特性得到保障，所以還對絕緣材料方面提出了較高的要求，此類材料應(yīng)具備較強的抗腐蝕能力，要低于高溫，另外機械強度也要充足。本文在進行火花塞絕緣體設(shè)計時主要選擇的材料為陶瓷，它充分具備了以上多個優(yōu)點，而且價格方面也比較低廉，可以實現(xiàn)大批量的生產(chǎn)。第5章整機三維建模與虛擬裝配第5章整機三維建模與虛擬裝配5.1零部件的三維建模圖5.1-1火花塞絕緣體陶瓷以及側(cè)電極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)可以進一步劃分為金屬殼體和中心電極。此設(shè)計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。實驗過程中，側(cè)電極會圍繞中心電極制作為盤龍狀的外形，要根據(jù)特定的點火間隙劃分為三個不同端點，可以讓側(cè)電極能夠在規(guī)定要求的點火間隙下鑲嵌在陶瓷當(dāng)中，火花塞在運行過程中電火花會多次將側(cè)電極擊穿，從而實現(xiàn)多次跳火，不僅有利于高溫燃燒混合氣體，而且也可以幫助實現(xiàn)省油效果，環(huán)保性能更為優(yōu)越。圖5.1-2火花塞中心電極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＿\作，此部分原材料一般具有較高的強度，常用的材料為鎳合金。在火花塞的實際運行過程中，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)電極兩者之間的點火間隙被擊穿，進而可以實現(xiàn)點火。由于當(dāng)前機動性能發(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)鍵機構(gòu)，能夠讓火花在運行過程中形成有效的閉合回路。5.1-4火花塞內(nèi)置彈簧三維建模圖上圖對應(yīng)代表的是該火花塞內(nèi)置彈簧的相應(yīng)模型，該結(jié)構(gòu)所處的位置是在接線螺帽和中心電極兩者之間，它的作用是讓電壓更好的實現(xiàn)傳遞，使得火花塞在點火過程能夠正常進行，除此之外，它也可以幫助火花塞運行過程的振動現(xiàn)象得以降低，提升火花塞的使用壽命。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)，它也可以滿足在機械性能方面的各項要求。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，讓點火過程更為順暢。5.2整機虛擬裝配圖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)點火間隙將其切出了三個不同斷點，金屬殼體下設(shè)置一圈陶瓷，火花塞在運行過程中，可以多次擊穿側(cè)電極，因此就可以實現(xiàn)跳火。5.3裝配性能分析5.3.1火花塞放電時間估算圖5.3-1火花塞內(nèi)部放電通路圖5.3-2多級火花塞等效電路在MATLAB此軟件內(nèi)的具體輸入的程序則為：L=0.5;C=0.02;uc0=1;iL0=0;forR=2:2:10alpha=R/(2?L);w0=sqrt(1/(L?C));dt=0.001;t=0:dt:1;num=[uc0,R/L?uc0+iL0/C];den=[1,2?alpha,w0^2];[r,p,k]=residue(num,den);uc2=r(1)?exp(p(1)?t)+r(2)?exp(p(2)?t);iL2=C?diff(uc2)/dt;figure(1),plot(t,uc2),holdon,figure(2),plot(t(1:end?1),iL2),holdonEnd下載程序，進而可以對時間變化前提條件下的電流、電壓變化曲線圖進行全面統(tǒng)計，詳細(xì)結(jié)果如下圖所示。圖3.3-3電壓隨時間變化曲線圖5.3-4電流隨時間變化曲線通過對電壓電流在時間變動下的曲線圖進行全面觀察可以看出，火花塞的放電間隔時間大約為650微秒，在后續(xù)開展計算時也將其作為計算的時間間隔。5.3.2火花塞電壓變化時點火能量變化接下來對火花塞輸出電壓變動以及點火能量兩者關(guān)系進行分析，此時可以完成電壓范圍的設(shè)定。和前面的相關(guān)計算相同，需要讓電流維持不變的前提下使得電壓變化。在計算過程中輸入電壓選擇范圍是在1.5~2.0千伏之間。通過對其火花能量范圍進行統(tǒng)計，借助于Multisim該款軟件可以得到所需要的方波函數(shù)。在該圖當(dāng)中XSC1代表的是示波器，另外XMM1代表的是萬用表。它可以對次級輸入電壓按照實際需求靈活變更。圖5.2-1測量火花能量的電路圖將電路開關(guān)閉合，此時電路能正常運行，可以得到所需要的次級電壓，詳細(xì)情況如5.2-2所示。其中對于示波器線路而言，對其顏色進行了調(diào)整，得到的輸出方波劃分為了紅色和綠色兩條，因此可以便于后續(xù)進一步的觀察。在進行點火能量的運算時常見的公式則是：在查閱相應(yīng)資料后發(fā)現(xiàn)，捷達(dá)這款車型使用到的火花塞等效電阻大小為1MΩ，初級和次級點火線圈的電感大小分別是2mH和20H。圖5.2-2輸入電壓20kv時電壓變化圖上圖對應(yīng)展示了在20千伏輸入電壓下其輸出電壓的變化，該圖是比較均勻的光波。在20KV的輸入電壓前提下，計算得出的輸出電壓大小結(jié)果則是：，在該狀態(tài)下對應(yīng)可計算得出點火能量者是：圖5.2-3輸入電壓15kv時電壓變化圖上圖具體展示的是在15千伏的輸入電壓下對應(yīng)得到的電壓變化圖，該圖為均勻的方波形狀，通過計算可以得出，在15千伏的輸入電壓下對應(yīng)其輸出電壓大小則是：，進而可以計算得知點火能量為在查閱相應(yīng)資料后可以發(fā)現(xiàn)，大部分的普通火花塞在點火過程中其能量往往是在40mJ上下，通過兩次計算可以看出，其結(jié)果都是在40mJ以上，所以本文設(shè)計的該方案能夠有效滿足相應(yīng)需求，方案較為合理。參考文獻(xiàn)[1]費德羅-莫格爾公司.具有多級中心導(dǎo)線組件的火花塞:CN200480032792.5[P].2006-12-1王國臣.雙環(huán)多級火花塞:CN89208598.3[P].1990-01-24.魯林.火花放電能量的實驗與研究[D].遼寧:東北大學(xué),2011.付子義,王晨旭,長谷川弘治.基于COMSOL的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)仿真計算[J].傳感器與微系統(tǒng),2019,38(8):111-113,117.DOI:10.13873/J.1000-9787(2019)08-0111-03.費德羅-莫格爾公司.具有多級中心導(dǎo)線組件的火花塞:CN200480032792.5[P].2006-12-13.王國臣.雙環(huán)多級火花塞:CN89208598.3[P].1990-01-24.竇斌.一種周向分布多點點火火花塞:CN201920560600.1[P].2019-10-29.米亞馬株式會社.多點火花塞和多點點火發(fā)動機:CN201710071477.2[P].2017-08-15.謝汝躍.多點點火火花塞:CN201520648779.8[P].2015-12-23.張志東.放電式火花塞:CN94218163.8[P].1995-12-06.榮成縣供銷合作社進口車修配廠.內(nèi)燃機多點點火分電器:CN87217040[P].1988-11-02.李國田.多火花塞點火實現(xiàn)快速燃燒的實驗研究[D].天津:天津大學(xué),2015.劉其勇.多點點火火花塞:CN02239946.1[P].2004-02-11.李偉曄.火花放電能量的測量控制與數(shù)據(jù)處理[D].遼寧:東北大學(xué),2012.DOI:10.7666/d.J0124188.張博,白春華.高電壓點火有效能量的測量及相關(guān)問題[J].爆炸與沖擊,2013,33(1):85-90.DOI:10.3969/j.issn.1001-1455.2013.01.012.劉慶明,汪建平,李磊,等.電火花放電能量及其損耗的計算[J].高電壓技術(shù),2014,40(4):1255-1260.DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2014.04.044.吳也文.火花放電能量之測量[J].宜春師專學(xué)報,1995:33-36.杜占軍,凌雷,湯志華.火花塞點火能量的測定[J].工程機械,2001,32(5):12-14.DOI:10.3969/j.issn.1000-1212.2001.05.007.嘉興德科發(fā)動機部件有限公司.一種具有爆震傳感器的點