《汽车点火系统故障问题研究6000字【论文】》

题目汽车点火系统故障与排除形式□论文□报告（在所属项前打“√”）正文一、电控点火系统工作原理与构成电控点火系统工作原理为：蓄电池给初级线圈提供电源，ECM根据发动机转速、负荷、爆震、相位等传感器采样得到的发动机运行状态信息，经ECM内部的点火控制模块计算与判断之后，将点火信号发送至ECM内部的点火驱动模块。点火驱动模块控制点火线圈初级回路的通断，初级线圈产生感应电动势，经互感和放大后，在次级线圈中产生脉冲高电压，该电压将火花塞间隙击穿产生电火花，以点燃压缩后的混合气。电控点火系统由如下部分构成：检测发动机运行工况信息的转速、负荷、爆震、相位等传感器；计算传感器信息并控制点火的ECM；执行点火指令的点火线圈和火花塞。结构示意图如图1-1所示。图1-1电控点火系统因发动机转速、负荷、爆震、相位等传感器与电控燃油等系统共用，非点火系统专用。故下文主要对点火系统的主要构成件：ECM、执行点火指令的点火线圈和火花塞进行阐述。（一）发动机控制模块(ECM）ECM是点火系统的控制元件，ECM内部集成了点火控制模块和点火驱动模块。1.点火控制模块点火控制模块最重要的两个控制参数为点火正时与点火能量。点火正时控制的目的是优化汽车的动力、燃油经济与排放，同时减少爆震发生。基本点火正时取决于发动机转速和负荷，各个工况的数据形成脉谱图，存储于ECM的存储器中。点火控制模块基于基本点火正时，结合传感器输入的发动机转速、负荷、有无爆震等工况信息对基本点火正时的修正，从而计算出该工况下的最佳点火正时。同时，根据发动机转速信号与相位信号以及气缸做功顺序，进行点火气缸的判断，然后将点火信号发送至点火驱动模块。发动机具体工况不同，对点火能量的需求亦不同。点火能量的控制即点火线圈通电时间长短的控制，通电时间短，初级电流小，感应的次级电压偏低，容易无法产生电火花而导致发动机失火；通电时间长，点火能量大，但容易引发点火线圈过热或者击穿故障，因此需要调整至最佳的通电时间。通电时间还与进气温度及蓄电池电压相关，进气温度低时，或者蓄电池电压低时，要进行通电时间的补偿修正，从而形成通电时间的脉谱图，亦存储于ECM的存储器中。2.点火驱动模块从点火控制模块输出的点火控制信号的电流是毫安级，而用于驱动点火线圈的电流必须达到安培级。故点火驱动模块主要功用为放大电流信号。而且，因驱动点火线圈的电流较大，功率较大，发热量也大，故点火驱动模块还需具备过载、高温保护功能。（二）点火线圈点火线圈是点火系统的能量提供元件。其接收ECM的控制信号，将蓄电池提供的低压电转化为脉冲高电压后提供给火花塞形成电火花。点火线圈为电感应原理，它由两个磁藕合的初级线圈与次级线圈组成。能量储存在初级线圈的磁场中，然后传递给次级线圈。点火线圈内部结构如图1-2所示：初级线圈通常采用Φ0.5mm左右的漆包线，绕线匝数为100匝~200匝。次级线圈通常采用Φ0.5mm左右的漆包线，绕线匝数为10000匝~20000匝。为了增加磁场，采用了增加铁芯的技术。铁芯是由厚度为0.3mm~0.5mm的硅钢片叠加在一起组成，分为内铁芯和外铁芯。内铁芯置于初级线圈中心，外铁芯形成环形置于次级线圈外围，这样可形成闭合的磁场，即闭磁点火线圈。部分点火线圈只有内铁芯，无外铁芯，即开磁点火线圈，开磁点火线圈因能量转化效率较低，正逐渐淘汰中。图1-2点火线圈内部结构初级线圈正极和车辆蓄电池相连，负极和ECM相连，ECM控制初级回路导通与断开。次级线圈除了与初级线圈相连之外，还通过点火线圈自身的接线杆和火花塞相连。当ECM控制初级回路导通时，初级电流增长，初级线圈产生磁场。当ECM控制初级回路断开时，初级线圈的磁场快速消失，次级线圈借助互感形成脉冲高电压。次级线圈的脉冲高电压与初级回路断开时的初级电流以及次级线圈与初级线圈的匝数比相关。点火线圈按照结构分类分为多头型、笔形和矩形，如图1-3所示。图1-3点火线圈分类（三）火花塞火花塞是点火系统的执行元件。其借助点火线圈输出的脉冲高电压，在电极间产生电火花，以点燃发动机气缸内压缩后的混合气。火花塞特殊的功能和工作环境，使其结构应具备一些特殊性。例如，火花塞工作时，承受着交变的电压，其绝缘性应得以确保。发动机气缸内交变的压力，要求火花塞应具备较高的机械强度。混合气燃烧时，气缸内温度很高，进气时又突然冷却，火花塞不仅需要承受高温，还需要承受温度剧变，因此需具备相当的耐热冲击能力。混合气的燃烧产物很复杂，含有多种活性物质，如臭氧、一氧化碳和氧化硫等，在火花塞上形成侵蚀性的化学沉积，从而影响其工作性能。因此，火花塞置于发动机气缸内的部位必须具有抗化学腐蚀能力。图1-4火花塞结构现代高压缩比、高性能发动机对火花塞提出了高点火性、低点火电压和长使用寿命等要求。提高点火性的基本思路是：抑制电极的冷却损失即消焰作用。各火花塞生产企业，NGK，BOSCH，TORCH都采用减小中心电极的方案来实现。同时，减小中心电极还可形成尖端放电，亦可降低点火电压。不足之处为减小中心电极之后，电极烧蚀加快，火花塞使用寿命缩短。为解决此问题，各火花塞生产企业研发出了具备良好耐烧蚀性的铂合金和铱合金火花塞，即在电极上焊接铂合金片或者铱合金片，俗称贵金属火花塞。铂合金和铱合金的熔点分别高达1774℃和2453℃，具有良好的耐烧蚀性，能保持长时间工作火花塞间隙不变。因此，贵金属火花塞凭借高点火性和长使用寿命等优势，逐渐扩大应用中。二、点火系统故障描述某自主品牌涡轮增压汽油发动机在研发过程的台架耐久试验中出现功率和转矩下降故障，该发动机搭载的车辆在整车耐久试验中，出现不能保持高车速的故障。对该发动机和整车进行拆解分析，发现这两种故障都是由点火系统故障引起。（一）点火系统故障描述对某自主品牌1.8T涡轮增压汽油发动机进行发动机台架耐久试验，按照试验规范，发动机台架耐久需运行400小时，运行期间每200小时更换火花塞一次，即火花塞耐久需运行200小时。发动机主要参数见表2-1表2-1发动机主要参数形式排量（ml）额定功率（KW/(r/min)）最大转矩（N.m/(r/min)）排放标准压缩比直列四缸、16气门/TC/DCVVT/DOHC1751130/5250230/(1700~5250)国V(带OBD)9.5发动机运行至197小时，发现功率和转矩下降严重，立即停止运行。检查点火线圈和ECM未见异常。拆开发动机后检查发现气缸第3缸火花塞陶瓷体下移，并且将中心电极包围，表面较多油污。其它三个气缸火花塞未见异常。如图3-1所示。图3-1发动机台架试验后火花塞用内窥镜检查缸套，发现第3缸缸套被严重磨损，如图3-2所示。图2-2第3缸缸套发动机台架试验后的火花塞检测结果见表2-2第3缸火花塞电极间不可以形成电火花，且因故障，无法检测火花塞间隙、内部电阻和气密性项目。表2-2发动机台架试验后火花塞检测结果项目第1缸第2缸第3缸第4缸火花塞间隙（初始间隙）1.191.15-1.22内部电阻3.33.3-3.2电极问电火花形成可以可以不可以可以气密性(小于1ml/min)0.050.05-0.08“-”表示因火花塞故障，无法检测该项目。对发动机台架试验后的火花塞进行拆解，发现第3缸火花塞陶瓷体发生断裂部分已从火花塞主体上剥落，同时断裂部位附近有多处贯穿小孔，如图2-3所示圆圈处为贯穿小孔。图2-3发动机台架试验后第3缸火花塞拆解结果依据发动机台架试验后的火花塞检测和拆解结果分析，第3缸火花塞因陶瓷体发生小孔贯穿和断裂，电极间无法产生电火花，造成发动机第3缸不能点火燃烧，导致功率和转矩下降严重。同时，进入第3缸的汽油无法燃烧，一部分聚集在火花塞头部，造成头部油污较多。此外，陶瓷体断裂产生的碎屑附于缸内，并伴随着活塞上下运动，导致第3缸缸套严重磨损，严重损坏发动机。分析表明，该发动机台架故障归结为点火系统故障。（二）整车耐久故障描述搭载该自主品牌1.8T涡轮增压汽油发动机的自主品牌SUV进行整车综合耐久性试验，运行至21000km的时候，车速上升至约190km/h，出现车速无法保持并逐渐下降至约160km/h的现象。停止整车试验，检查点火线圈和ECM未见异常，更换火花塞后，发现车辆可以加速至约190km/h且维持稳定。换回原车的火花塞时，车辆190km/h车速无法保持现象重现。整车试验后的火花塞如图2-4所示，第1缸火花塞有较多油污，其它三个气缸火花塞未见异常。图2-4整车试验后火花塞（从左至右分别为1-4缸）对整车试验后的火花塞进行拆解，发现第1缸火花塞陶瓷体已经断裂，同时断裂部位附近有多处贯穿小孔，如图2-5所示，其中红点处为贯穿小孔。图2-5整车试验后第1缸火花塞拆解结果依据整车试验后的火花塞检测和拆解结果分析，第1缸火花塞因陶瓷体发生小孔贯穿和断裂，电极间无法产生电火花，造成第1缸不能点火燃烧，导致车速无法保持在约190km/h，并逐渐下降至约160km/h，同时，因无法完成燃烧任务，第1缸缸内的汽油一部分聚集在火花塞头部，产生较多油污。整车试验故障可归结为点火系统故障。尽管发动机台架试验故障表现为功率和转矩下降，整车试验故障表现为不能保持高车速，故障所在的气缸也不一致，但是都是因为点火系统故障引起的故障，故将这两种情况合并一起分析研究。四、点火系统故障的检测与排除依据故障原因，对策从提高火花塞陶瓷体的耐电压能力、调整点火线圈可供电压、降低火花塞点火电压三个方面进行。（一）提高火花塞陶瓷体耐电压能力提高火花塞陶瓷体的耐电压能力，有两个方向，一是提升陶瓷体品质，二是优化火花塞结构设计。1.提升陶瓷体品质提升陶瓷体品质可通过增加陶瓷密度和优化陶瓷内部的微观结构来实现。二者相辅相成又相互独立，当陶瓷密度增加时，内部的微观结构通常会有改善；但微观结构的改善不一定能够获得陶瓷密度的增加。火花塞陶瓷体的主要成分是氧化铝，提高氧化铝的纯度是提高陶瓷密度的重要措施。例如从传统的含量93%提纯至95%。微观结构的优化主要通过提高氧化铝粉料的压实压力来实现，从传统的35MPa~40MPa提高至75MPa~80MPa，可以使得陶瓷体的毛坯压得更加致密。另外，使用更少的粘结剂也可以实现陶瓷内部的微观结构优化。2.优化火花塞结构设计涡轮增压汽油发动机，由于其小型化和升功率的提高，需要更优的冷却效果，要求发动机扩大缸盖冷却水道，从而挤压了火花塞的安装空间。火花塞安装螺纹从传统的M14x1.25变为M12x1.25，甚至于安装螺纹为M10x1的火花塞也有少量应用。火花塞安装螺纹直径变小，使得陶瓷体的外径也相应变小，即陶瓷体变薄，会使其本身耐电压能力变弱；而涡轮增压汽油发动机特有的增强工况又要求火花塞陶瓷体承受更高的点火电压，这二者的矛盾，只能通过优化火花塞结构设计来克服。火花塞陶瓷体包裹住中心电极，如图3-1所示。减小火花塞中心电极的直径，一方面可增加火花塞陶瓷体厚度，提高其耐电压能力。另一方面未扩大火花塞整体结构，不会对发动机冷却水道产生影响。图3-1火花塞中心电极根据火花塞生产企业的研究和实验数据，陶瓷体厚度每增加0.1mm，耐电压能力提高1kV。但因中心电极内部嵌有铜芯，该铜芯对火花塞的散热有重要作用，因此对中心电极直径的减小有一定的限制。故该款发动机点火系统故障的应对对策为火花塞中心电极直径从当前的Φ2.3mm减小至Φ2.1mm，火花塞陶瓷体的耐电压能力可从当前的35kV提高至37kV。（二）调整点火线圈可供电压地作为汽车生产企业，应考虑用户正常使用车辆的维护费用，更应充分考虑部分用户未按照指导手册要求使用车辆的维修费用。即在火花塞超过使用寿命的时候允许发动机发生失火，若失火率高于闽值，车辆仪表上的故障灯会点亮，提示用户到维修店检测维修，此时维护费用仅仅是更换火花塞所需。火花塞在使用寿命期间，甚至超出使用寿命，也不允许发生与该款发动机台架耐久试验相同的现象，即火花塞陶瓷体因点火线圈高压击穿和断裂，断裂的陶瓷体碎屑掉落于发动机气缸之内，随着活塞的运动，导致缸套严重磨损，从而损坏发动机。因为不仅需要更换火花塞，还需要维修发动机，费用将大大增加。为满足点火系统设计要求，点火线圈可供电压应小于火花塞耐电压能力。（三）控制火花塞点火电压火花塞在车辆运行一定里程之后需更换，更换周期为10000km~100000km不等，通常标注在用户指导手册上增加由电火花引起的烧损。火花塞的使用寿命，通过电极间隙增加量来评估，电极间隙、高温引起的氧化和化学反应引起的腐蚀等消耗引起。随着消耗程度的增加，火花塞电极间隙也在逐渐增加，从而使得火花塞点火电压上升，逐渐接近点火线圈可供电压。结果表现为从电火花持续时间逐渐变短，发展为电火花的产生趋于困难，最后失火率逐渐上升，直到故障灯点亮，提示更换火花塞。正常点火的次级电压曲线分为电容放电和电感放电两部分，表面发动机气缸内的混合气能够成功点着并燃烧，点火系统能量不能全部转化为击穿火花塞电极间隙的点火电压，还需剩余部分使电火花维持一段时间。故在火花塞使用寿命期间，为保证发动机点火稳定性，点火线圈可供电压应大于火花塞点火电压并有一定冗余量；通常要求点火线圈可供电压大于火花塞点火电压4kV以上。贵金属铱合金因其熔点高、耐烧蚀性的特点，将其焊接在火花塞电极上，能保持长时间工作火花间隙不变，目前已经获得广泛应用。该款涡轮增压汽油发动机所采用的火花塞只在中心电极镍合金主体中焊接有铱合金，俗称单贵金属火花塞。为进一步控制火花塞间隙增长，在侧电极镍合金主体中亦焊接铱合金，俗称双贵金属火花塞。该款发动机点火系统的耐久对策为采用双贵金属火花塞。结论点火系统是保证汽油发动机正常点火燃烧的关键，是发动机重要的组成部分。汽油发动机点火系统故障，对发动机的动力性、燃油经济性、可靠性和废气排放均产生影响。论文从某款自主品牌涡轮增压汽油发动机点火系统故障入手，首先总结了发动机点火系统故障分析现状；然后介绍了点火系统的功用和类型，阐述了电控点火系统的工作原理及主要零件的结构与功能。最终得出结论为：涡轮增压发动机点火电压提高和点火线圈可供电压大于火花塞耐电压能力是该款发动机点火系统故障、火花塞陶瓷体断裂的根本原因。本文在明确点火系统故障原因的同时，也研究了点火系统故障的检测与分析方法。针对点火系统故障的维修，采用优化火花塞结构设计提高火花塞耐电压能力，调整点火线圈可供电压以防止火花塞陶瓷体被高压击穿，应用双贵金属火花塞控制使用寿命期