《火花塞金属壳体的设计及虚拟装配探究》12000字【论文】

第1章绪论PAGE9PAGE10火花塞金属壳体的设计及虚拟装配研究目录TOC\o"1-2"\h\u31022摘要 13131第1章绪论 2269631.1选题意义 2246371.2高能多级火花塞的技术现状 277071.3可行性分析 3217911.4技术要求与性能指标 45352第2章方案设计与分析 6171472.1总体方案设计 6237242.2总体方案对比分析 680162.3关键部件方案设计 730190第3章关于火花塞金属壳体的设计 9280093.1火花塞金属壳体功能分析 9205193.2火花塞金属壳体结构设计 9232423.3高能多级火花塞电路设计与对比 1114075第4章火花塞绝缘体部分设计 13123054.1火花塞绝缘体部分功能分析 13220204.2火花塞绝缘体部分结构设计 14168904.3火花塞绝缘体部分可用材料 1528762第5章整机三维建模与虚拟装配 16111085.1零部件的三维建模 1643485.2整机虚拟装配 1883215.3装配性能分析 1825531参考文献 23摘要汽车发动机中火花塞是尤为重要的组成部分，其对汽车性能会产生重要影响。发动机内燃机的火花塞大多是单个有效电极，因此火花塞会出现跳火焰核，影响内部混合气体的燃烧，单点点火的效率较低，也会对发动机输出能力产生负面影响。随着科技的进步，越来越多的学者投身于点火装置的研发，提高点火的效率。电子点火系统技术有了巨大的提升，多级火花塞应运而生。已有实践证明，多级火花塞和单极火花塞相比，前者击穿电压更低，因此当发动机内部的混合气体比较稀薄时，其也能使发动机正常运转。本文对多级火花塞结构进行分析，并查阅了大量的资料，了解火花塞的制造技术，把控制造成本，设计出满足需求的火花塞，实现火花塞的高能点火。在进行高能多级火花塞设计时，以市面上的主流产品作为参考，改变侧电极的形状，设置为盘龙柱状，依据点火间隙设置三个断点，在金属壳下侧设置陶瓷圈，由此能够确保侧电极的点火间隙依据规则设置于陶瓷内，能够满足多次跳火的设计要求。本文在开展研究时选择matlab，结合multisim对点火能量电路进行模拟，并将实践和理论结合开展比对研究，及时发现设计过程中的错漏并纠正。关键词：火花塞;点火能量;multisim;第1章绪论1.1选题意义汽车火花塞是汽车发动机尤为重要的组成部分，对汽车的性能会产生重要影响，汽车火花塞甚至会影响整个行业的发展。这类设备的工作条件非常恶劣，在正常运转时需要承受较大的机械磨损和电负荷，因此其工作状态和新旧程度对汽车动力、燃油的经济性、机械寿命都会产生较大的影响。因此针对火花塞工作状态的检查和维修是汽车领域研究的重点，通过对火花塞的检查和维护能够延长发动机的使用寿命，也能使汽车动力性和经济性得以提升，在这样的背景下，多级火花塞应运而生。这类设备能使汽车发动机的工作效率进一步提高。目前，多级火花塞的应用范围较窄，没有得到广泛的推广，但是相信在未来高能这类设备必然是该领域发展的趋势。高级火花塞能够提高汽车发动机的工作性能，促动汽车行业的快速发展。火花塞是汽车发动机点火系统中尤为重要的组成部分。目前在汽车制造业中火花塞形成了一套规范和标准。本文设计了高级火花塞，这类火花塞将普通火花塞作为主体。改变了侧电极的形状，实现盘龙柱状，并依据侧电极的点火间隙设置三个断点，在设备的金属壳下端设置陶瓷圈。因此能够让侧电极的点火间隙直接镶嵌在陶瓷里。火花塞在正常运转时，火花会逐次实现电极的穿刺，由此能够满足多级跳火的设计要求，能够使混合的气体燃烧的速度加快，也能尽量节油，积极的响应我国节能减排的要求。1.2高能多级火花塞的技术现状近年来，我国科技飞速发展，火花塞对汽车的性能会产生重要影响，为了提高火花塞的点火性，各国学者投身于该领域开展大量试验，电子类点火系统应运而生。信息技术水平快速提高，信息系统应用到火花塞中可以提高点火间隙，也能使其具有更多的能量，因此电子类的多极火花塞受到了市场的推崇。本文通过查阅大量的文献资料发现，多级火花塞能够提高火花塞和点火的限度，其与单间隙击穿相比，在满足低穿电压要求时产生的电压更低，当汽车内部的发动机气缸的混合气体比较稀薄时，也能维持正常运转，并且具有较高的工作效率。早在21世纪初期，国外学者就对双火花塞点火技术开展的研究，该技术指的是在半球形燃烧室的两侧设置相同的火花塞，当设备在工作时，火花塞会同时点火，并同时燃烧和爆炸，由此能够缩短工作距离，也能使火焰传播速度大幅提升，但是设置两个完全相同的火花塞会增加更多的成本，不具有经济性，因此还具有较多的不足之处。目前国内外学者对多极火花塞的研究文献资料较少，因此该领域存在部分空白，例如博世公司开发的FR78X火花塞，结合了间接放电的模式，利用4个侧电极实现中心电极的点火，并进行放电。而点火击穿间隙为1.1毫米，该设备集成的先进技术，但是在工作时，其与FCOR的火花塞相比，性能并没有大幅提升。这款火花塞采用了全新技术，将内部的铂金中心电极利用陶瓷进行全面包裹，因此在设备正常运转且放电的过程中，电流会顺着陶瓷直接流向负极，由此能够提高火花塞使用寿命。除此以外，因为侧电极和中心电极的陶瓷点火间隙的设置，能够使其满足各种工况下发动机的要求。这个火花塞的缺点非常明显，比如这类设备的中心电极到陶瓷再到侧电极点火的点火方式会使点火能量损失较多，因此需要采用更多的放电量使火花塞正常运转，则可能会出现燃烧不充分的问题，甚至出现怠速和抖动的问题。例如2V的发动机在正常运转时耗油量太大。而5V的发动机的耗油量正常，虽然在刚开始运转时候反应的速度比较缓慢，但是在后期的高速运转和降档时发动机的转速能维持正常。由此可知，多极火花塞仍有一定的缺陷，并亟待改进，就理论而言可以结合传统火花塞获取实现多级火花塞，能使其性能提高。1.3可行性分析就成本而言，高能多级火花塞设计目的是使侧电极形状和结构发送变化，尽量增加点火总数，缩减制造成本，改善车辆的动力性，使车辆具有燃油的经济性，能使车辆的运行节能环保，能实现汽车产业的绿色发展。就技术而言，本文设计的方案在金属壳下端设置陶瓷圈，多间隙侧电极中镶嵌陶瓷，因此能够尽量使成本降低，改造的工艺非常简单，能实现大批量的生产，通过大量的研究，并查询相关文献资料发现，理论而言多次击穿能实现多级点火，因此在操作上具有可行性。就难度而言，在具体操作层面难度较低，如果点火的效果明显，能够实现批量生产，因此本文设计的火花塞具有较高的性价比。就成本而言，传统火花塞的成本制作并不昂贵。因此只从材料和工艺上进行改良不会对传统火花塞的成本造成较大影响，如果要实现大批量的生产，则需进行大批量材料的采购，因此也会使总成本进一步降低。就前景而言，本文希望尽量的降低成本提高汽车的动力性和燃油的经济性，使汽车内部的气缸燃烧更加充分，目前国内外学者对这类火花塞的研究较少，因此这类火花塞的发展前景值得深讨。1.4技术要求与性能指标1.4.1技术要求 本文设计了一款多久火花塞，其与传统的火花塞相比，内部的结构基本相同，主要是由外部金属壳体、中心电极等构成，本文结合软件用模拟对侧电极的形状进行改良。 （1）本文在进行火花塞设计时将市面上主流的火花塞作为主体，改变侧电极的形状，以中心电极为基础，将其设置为盘龙柱状。侧电极的电话间隙为三个断点。在金属壳体下端设置陶瓷圈，并将切断的侧电极直接镶嵌在陶瓷里。当火花塞正常运转时，电火花会出现逐次击穿侧电极的现象，则能满足多次跳火的设计要求。 （2）金属壳体上设置有螺纹，因此火花塞能够固定在发动机的气缸中，而绝缘体在壳体内均匀分布，能够把壳体和中心电极有效隔离，火花塞的中心电极在火花塞的中间部位，会依据下列顺序，首先路过主体，其顶端设置有接线螺母，能够承接高压电，而侧电极和金属合体直接相连，中心电极和侧电极在一定的距离设置了点火间隙。火花塞在正常运转时电流会流到中心电极，并利用点火电系直接流入侧电极，由此能够实现电压击穿，也能使内部的混合气体快速燃烧，并实现跳火的设计要求。 （3）陶瓷体设置有凹槽，因此火花塞在正常运转时会释放出大量的热量，该装置的散热良好，还具有一定的润滑性。1.4.2功能要求（1）本文设计的这款高能火花塞，在正常运转时单次跳火可以点燃发动机内的可燃气体。（2）火花塞在正常运转时能够扩张火花塞和点火的限度。其与单间隙击穿相比，击穿产生的电压较低，如果汽车在正常运转时内部的气缸混合气体比较稀薄，这类火花塞也能维持发动机的正常运转，也还具有较高的工作效率。（3）火花塞是点火系统中尤为重要的组成，部分火花塞的工作条件相对而言比较恶劣，火花塞在正常运转时会承受机械磨损和电负荷，因此其工作的状态等因素对汽车的动力性、燃油的经济性、气缸的寿命都会产生较大影响，火花塞在设计时要确保机械强度满足要求。（4）火花塞的陶瓷体设置有凹槽，因此能够确保其在正常运转时释放大量的热量，而该设施具有良好的散热性，还带有润滑作用。（5）就理论而言，火花塞侧电极进行切割会出现数量较多的间隙，因此能够实现多次的击穿点火。点火的时间具有一定的延迟，但是延迟较短，因此可以将其直接看作同时击穿，除此以外内部的侧电极电阻值很小，因此能量损失不大。第3章关于火花塞金属壳体的设计第2章方案设计与分析2.1总体方案设计2.1.1方案一选择传统的火花塞设计的方案，而结构参考的是捷达汽车火花塞。2.1.2方案二以方案一为基础，进行适当的改良，单侧电极设置为四侧电极。2.1.3方案三以方案一为基础，选择捷达汽车的火花塞作为主体并依据点火间隙将侧电极切出三个断点，对金属壳体进行设置，包围一圈陶瓷，而切断的点火间隙直接设置在陶瓷里。2.1.4方案四以方案一作为基础，选择捷达汽车的火花塞作为设计的主体，把侧电极形状改变设置为盘龙柱状，并设置三个断点和陶瓷圈。2.2总体方案对比分析（1）设备的制造成本设计的火花塞改变了侧电极的形状，能够使点火的总数目增加，也能实现多次击穿点火，除此以外，这样的设计形式增加的成本不多，也能进一步提高汽车的动力性，还能提高燃油的经济性，能使汽车在运转时节能环保，也能积极的响应我国绿色环保的发展理念。（2）产品的可靠性1、技术层面就技术层面而言，方案一和方案二相比两者的区别不大，仅仅是把单侧电极设置为四侧电极，电极的总数目增加，在实践的过程中可以结合焊接。侧电极和金属壳体可以直接连接，并改变侧电极的形状。除此以外，也可以结合铸造工艺，因此工艺不具有较大的难度。而方案三和方案二进行比较可以发现，侧电极会依据点火间隙直接设置在陶瓷上，因此工艺具有一定的难度，但是通过大量的实践分析后发现方案三和方案二相比，前者更加的优越。方案四和方案三相比，方案四会把侧电极的形状改变设置为盘龙柱，除此以外也会实现侧电极断点的设置,并且将切断的侧电极设置在陶瓷中，实现火花塞周围的循环点火，这样的点火分布较为均匀，总体而言，方案四和方案三相比前者更优越。2、市场层面目前市面上主流的火花塞是单侧电极火花塞，就如同本次设计的方案一，但是为了对火花塞点火效果进行改良，要实现多级点火，则方案二设置了更多的侧电极的数目，但是通过大量的研究发现，虽然侧电极的总数目增加，但是击穿放电还是仅依靠单个侧电极。目前市面上主流的多极火花塞设置了多个侧电极，增加了整体的成本，而方案三和方案四仅是理论阶段，并没有进行实践，相关的文献资料也较少。3、定位和成本限制就成本而言，四类方案中仅方案一和传统安利火花塞完全相同，因此成本最低。方案二设置了数量更多的侧电极，因此成本会小幅度提升。而方案三将单侧电机进行切断，设置了多个断点，材料费并不会增加太多。除此以外，方案四改变了侧电极的形状。整体而言，方案三、方案四与方案二的成本相当，关键是设置了陶瓷材料，但是陶瓷材料进行大幅度采购也不会使成本大幅提高，甚至能够使改良的火花塞成本接近传统的火花塞成本，但是制造的工艺具有较高的难度。（3）易维护性方案四在金属壳体下端设置了一圈陶瓷，除此以外，将改良的切断的侧电极直接在陶瓷中镶嵌，虽然整体制造的成本较低，但是工艺却有一定的难度。除此以外，这类火花塞后期的维护非常便利，通过运算并查阅相关的文献资料，在理论上具有可行性，也能实现多次点火，但是设计具有很大的难度，在仿真层面能较快实现，如若点火效果明显，也能在现实生活中批量生产。目前传统火花塞具有较低的生产成本，但是方案二、三、四都能会对侧电极形状进行改良，因此首先会舍弃方案一。方案二增加了更多的成本，增加了侧电极的总数目，但是改善并没有太明显，因此会放弃方案二。就方案三而言，方案四能够使火花在中心电极分布均匀，具有更好的点火效果，因此最终舍弃方案三，选择的是方案四。2.3关键部件方案设计2.3.1传统火花塞电极设计图2-SEQ图\*ARABIC1传统火花塞电极设计投影图本文以传统火花塞作为主体进行改良，设计详细电极可参考下图2-1，方案一的实验步骤如下所示。(1)通过市场调研选择市面上的火花塞型号进行比对，选择适宜的火花塞作为主体，并对结构进行观测，最终选择捷达汽车vs5发动机的火花塞。(2)对选择火花塞的结构进行分析，了解基本结构，并观察火花塞运转时的跳火现象，对点火能量进行测量。(3)对捷达vs5发动机的火花塞进行点火能量的计算，并分析点火间隙，在进行操作时要控制误差，获取精准的数据。(4)利用仿真软件开展建模，并构建模型，对点火能量进行测量，开展比对研究。该方案的中心电极就直径是2.5毫米，而内部的绝缘体长度为13毫米，厚度为1.5毫米。中心电极和侧电极的材料选择时要求强度较高，可以选择镍合金。除此以外，侧电极要求抗化学腐蚀，可以在镍合金中加入硅等元素。随着科技的发展，发动机的性能也在提高，侧电极的材料变得更优越，可以在侧电极的头部利用焊接的形式接入贵金属，尽量的降低整体生产的成本。2.3.2方案四电极设计图2-SEQ图\*ARABIC2方案四火花塞电极设计投影图（未断开间隙）下图2-2展示的火花塞的详细设计，而方案四的设计实验步骤如下所示。采用走访调查对市面上主流的火花塞型号进行分析，选择适宜的火花塞并对试验的可行性进行研究，针对结构进行分析。（1）针对火花塞的结构进行设计和改良，本文选择的是捷达vs5发动机火花塞，针对基本结构进行研究，对跳火现象进行观测，并针对点火的能量进行测量。（2）对捷达火花塞的内部结构进行分析和推算，点火能量和点火间隙在操作的过程中要控制误差，要使获取的结果精准。（3）结合仿真软件设置模型，并对数据进行测量开展比对研究。（4）该方案和方案一具有许多相似点，因此数据基本不变，中心电极的直径选择的是2.5毫米，而内部的绝缘体长度值为13毫米，厚度是1.5毫米，侧电极的直径选择的是2毫米。该方案和方案一具有许多相似点，中心电极、侧电极在进行材料选择时，可以选择镍合金，除此以外要使侧电极具有一定的抗化学腐蚀性，因此可以在镍合金中加入硅等元素，随着科技的发展，发动机的性能更加的优越，因此侧电极的材料选择需要进行综合考量，可以在头部焊接贵金属，能使整体生产成本进一步缩减。第3章关于火花塞金属壳体的设计3.1火花塞金属壳体功能分析3.1.1金属壳体功能分析火花塞外部的基础壳体的形状比较复杂，可以结合各类需求设置成不同的形状，其外形轮廓由5个阶梯形状构成，其中还囊括了单个正六边形的凸台形，而内孔设置有两个锥面和多个阶梯面，其金属壳体最外缘处出现形变，形变的程度大约为66%，已经接近了形变极限，壳体的外圈圆与内孔锥面设置有金属流通通道，通道非常窄小，其对金属流通会产生一定影响。其壳体在进行材料选择时具有较高的要求，由于冷挤压加工操作难度较大，本文通过查阅大量的文献资料通过反复的实验，最终选择我国的铆螺钢，其机械性能能满足设计需求。200413.1.2火花塞点火功能分析 火花塞是发动机气缸中尤为重要的组成部分，和燃烧室直接相连，中心电极以自下而上的形式在内部排列，而高压线圈会实现高压电的传导，由中心电极向下不断流通，本文在开展实验时以单点点火火花塞作为主体，选择市面上流行的火花塞为基础，对结构进行改良，把侧电极形状设置为盘龙柱状，并依据点火间隙直接设置三个断点，在金属壳体的下端设置陶瓷圈，并将已切断的侧电极包裹在陶瓷里面，火花塞在正常运转的过程中电火花会击穿侧电极，因此能够满足多级跳火的设计要求就理论而言，这类设计方法的点火时间出现一定的延迟，但是整体的延迟可忽略，可以看作同时击穿。除此以外，由于火花塞的侧电极电阻值很小，因此能量损失不大。3.2火花塞金属壳体结构设计捷达vs5是市面上较常见的SUV车型。其与大众的X设计元素具有一定的相似点，内部的引擎盖和下栅格呈现双向延伸的格局，整体的线条比较优美，尾灯边框呈多边形，设计较为流畅，造型非常的立体。就配置而言，结合了ACC自身的平衡等，能满足车主的要求，下图展示的是该发动机的详细信息。表1捷达VS5发动机发动机型号ea211−djs发动机排量1.4L配气DOHC最大功率110kw最大扭矩250N•m最大马力150Ps最大扭矩转速2000rpm最大功率转速5000rpm第4章火花塞陶瓷绝缘体部分设计本文通过查阅大量的文献选择vs5发动机的火花塞作为研究的对象，而点火的能量为100mJ。次极电压可选1.5万V或2万V，次级电流值为0.016A，确保电流不发生改变，对电压进行更改电压的范围是大于1.5万V，小于2万V，并对火花能量进行计算。结合资料发现发动机在正常运转时。放电持续的时间为650。火花能量可以通过下列公式进行计算。（3−1）—火花能量(mJ)—电极间放电电压(V)—电极间放电电流(A)—火花持续时间(s)火花能量可以用某处电流瞬时值、火花持续时间、电压瞬时值相乘进行计算。但是在具体取值的过程中，需要考量不同的系统和条件，详细公式如下所示。（3−2）—火花能量(mJ)—电极间放电电压(V)—电极间放电电流(A)—火花持续时间(s)可得：或结合帕邢定律则可知下列公式：（3-3）=击穿电压（V）；=气体压力（T），1T=13.3Pa；=电极间隙（mm）；当发动机运转时，内部气压值是3.5MPa。如果火花塞点火的电压是20kv，则可以得到下列公式：如果火花塞点火电压是15kv时，：因此点火间隙的范围是大于0.57毫米，小于0.76毫米。3.3高能多级火花塞电路设计与对比（1）串联图3.3-1高能多级火花塞串联电路图3.3-2串联电路电压图则可通过下列公式求解电容公式：如果电容相等，则可用下列公式计算C：并联图3.3-3高能多级火花塞并联电路图3.3-4并联电路电压图则可通过下列公式计算电容：如果电容相等，则可利用下列公式求解C：本文在进行多久火花塞设计时利用模拟电路，将其设置为串联，由此能够使火花塞的弧长增加，也能使点火圈存储能量被消耗，因此能够获取衰减风波，详细可参考下图。图3.3-5多级火花塞等效电路第4章火花塞绝缘体部分设计4.1火花塞绝缘体部分功能分析火花塞内的重要位置则是其中的绝缘体部分，绝缘体能够有效的避免火花塞在运行过程中出现能量损失的现象，它会进一步影响到火花塞的正常运行，如果在点火过程火花塞绝缘体失去作用，此时容易产生高压的短路现象。如果中心电极和侧电极两者没有直接和地面相连，此时则不能产生电火花。为了进一步提高火花塞运行过程的稳定性，必须要在绝缘材料方面进行严格把控，此部分应具备较强的抗腐蚀能力，同时还要承受较高的电压和温度，机械强度需要达成特定要求。在本文设计时主要选用的是陶瓷材料来开展火花塞绝缘体部分的设计。火花塞应用在各类汽油发动机中其体积尺寸方面会存在着一定的差异，常见的类型包括冷机和热机类别为主，这是两种具有较大差别的类型，它可以对火花塞热特性予以充分反映。发动机火的花塞只有满足特定温度要求的前提条件下才不会产生积炭，也不会对其正常运行造成影响，结合相关实验分析可以发现。只有当火花塞其绝缘体温度满足五到六百摄氏度区间内，此时当油滴落到绝缘体上才不会有积碳产生，如果温度比此范围更高则会发生早燃现象，另外也要充分认识到，在不同发动机内应用的火花塞其温度条件也有较大差别，其中火花塞裙部位置受热面积相对更小，因此要求它必须要具备较好的散热能力，在设计过程中可以适当让其温度降低，此火花塞类型也可将其称之为冷型火花塞，该类火花塞往往应用在一些具有较大压缩度的发动机当中。结合同样的原理可以发现，部分火花塞裙部位置具有较大的受热面积，导致其散热较差，降低散热的速度，为此可以在设计过程适当提高裙部的温度。这类火花塞也被称为热型火花塞，它在一些功率比较小的发动机内得到广泛应用。总体而言，火花塞的选择要根据发动机实际状况而定，必须要充分考量多项因素后综合决定。在部分情况下，火花塞中的绝缘体部分会有破裂现象产生发生，产生破裂的常见位置往往是电极上端和绝缘体的裙部位置，一旦绝缘体出现破裂后若温度不充足则会有积碳产生，导致火花塞运行过程会发生短路问题。如果其绝缘体的破裂缝隙较为窄小,仍然可以让其勉强维持运行，但是会降低它的传热性能，导致不能快速散热。如果到达某个程度下则会让其内部的可燃气体并未到达火花塞时就被点燃，从而进一步影响到发动机性能，甚至还会损害发动机。导致火花塞绝缘体破裂的原因较多，例如包括火花塞出现了撞击，从而使得绝缘体破裂，也可能由于发动机压力由于未知原因不断上升，内部元器件运作不正常，火花塞在装载过程中绝缘体部分拧得过紧，温度变动较为剧烈等。如果绝缘体破裂，此时必须要及时清理破损的火花塞，清理的过程中要要让缝隙内的积碳被擦拭干净，火花塞需要放置在气缸盖上，将分电器打开，让火花塞高压线与其中心电极相互接触，从而可以对跳火现象开展充分观测。若没有跳火，但出现了火火花声响，此时则表明火花塞有跑电问题，必须要及时对其进行更换。另外也要针对火花塞的绝缘体部分密封性开展严格检查，若缺乏相关专业设备可以通过发动机开展一系列的实验，比如需要让火花塞在气缸盖上进行固定，在端部位置涂抹机油，点燃发动机，如果运作过程中发现汽油层有气泡，此时则验证密封有问题存在，此时需要针对火花塞进行更换，如果运行过程中汽油层并没有气泡发生，此时可以表明其密封较好。4.2火花塞绝缘体部分结构设计火花塞对应其温度条件也有一定的差异，部分火花塞在裙部位置相对较短，吸收的面积更小，因此它的散热散热性能比较好，针对此类火花塞在设计时可以适当降低此部分的温度，这种类型则被称之为冷型火花塞。而针对于那部分功率较高的发动机而言，其裙部位置更长，受热面积比较大。通过查阅相关资料后可以发现，对于冷型火花塞而言，其裙部的长度一般在8毫米以内，而热型火花塞需要将这一参数控制在16~20毫米之间，对于普通类型的火花塞而言，此项参数取值范围是在11~14毫米，本文确定的长度则为13毫米。绝缘体部分是火花塞中的重要组成部分。此部分可以有效阻止火花塞的能量损失，也决定了火花塞是否能够正常运行，如果绝缘体在点火阶段失去作用，此时则会让高压电出现短路，最终让其不能产生电火花。除此之外，为了进一步提升其使用特性，要严格选择绝缘体的材料，绝缘体部分应具备较好的抗腐蚀能力，也要承受高温高压的外界环境，机械强度的要求也比较高，因此本文选择的材料为陶瓷材料。本次在火花塞设计时主体材料主要是氧化铝，它的绝缘体强度能达到24000V/mm，计算后可以得出其最小厚度则是。通过以上的全面计算后可以发现，如果绝缘体最小厚度大于0.833毫米，此时火花塞对应的绝缘性能就能得到有效提升，为了方便后续计算，后续在对绝缘部分厚度进行确定时选择为1毫米。图4.2-1高能多级火花塞绝缘体投影图4.3火花塞绝缘体部分可用材料为了让火花塞的使用特性得到保障，所以还对绝缘材料方面提出了较高的要求，此类材料应具备较强的抗腐蚀能力，要低于高温，另外机械强度也要充足。本文在进行火花塞绝缘体设计时主要选择的材料为陶瓷，它充分具备了以上多个优点，而且价格方面也比较低廉，可以实现大批量的生产。第5章整机三维建模与虚拟装配第5章整机三维建模与虚拟装配5.1零部件的三维建模图5.1-1火花塞绝缘体陶瓷以及侧电极建模图上图具体代表的是火花塞部分的陶瓷体三维的结构，该结构可以进一步划分为金属壳体和中心电极。此设计可以有效防范火花塞能量的损失，陶瓷可以包尾侧电极，它是在主体上被固定的。实验过程中，侧电极会围绕中心电极制作为盘龙状的外形，要根据特定的点火间隙划分为三个不同端点，可以让侧电极能够在规定要求的点火间隙下镶嵌在陶瓷当中，火花塞在运行过程中电火花会多次将侧电极击穿，从而实现多次跳火，不仅有利于高温燃烧混合气体，而且也可以帮助实现省油效果，环保性能更为优越。图5.1-2火花塞中心电极建模图上图具体展示的是火花塞的中心电极的三维结构，此部分是火花塞关键的部分，它能够有效确保火花塞的正常运作，此部分原材料一般具有较高的强度，常用的材料为镍合金。在火花塞的实际运行过程中，电压通过中心电极之后可以产生电火花，让中心电极、侧电极两者之间的点火间隙被击穿，进而可以实现点火。由于当前机动性能发展越来越优异，在此部分所选用的材料也越来越好，往往在此部分还会进行贵重金属的焊接，从而可以使得生产对应成本能得到有效控制。图5.1-3火花塞连接中心电极的金属杆建模图上图详细展示的是火花塞的中心电极金属杆，该结构一般采用的原材料为铜，它在整个火花塞内是与接线螺母中心电极相连的关键机构，能够让火花在运行过程中形成有效的闭合回路。5.1-4火花塞内置弹簧三维建模图上图对应代表的是该火花塞内置弹簧的相应模型，该结构所处的位置是在接线螺帽和中心电极两者之间，它的作用是让电压更好的实现传递，使得火花塞在点火过程能够正常进行，除此之外，它也可以帮助火花塞运行过程的振动现象得以降低，提升火花塞的使用寿命。图5.1-5火花塞金属壳体三维建模图上图具体展示的是火花塞金属壳体对应的三维结构，整个壳体的外观形状较为复杂，其轮廓可以划分为5个不同的阶梯形状，另外还有凸台。其中在壳体最外缘部分会有相关变形状况发生，它的变形程度达到66%，与原材料的变形极限比较接近，另外在内孔锥面、外圈圆两者之间也设置了金属通道，该通道比较狭小，为此金属的流动性也很差。火花塞的金属壳体部分具有较高的材料需求，冷挤压加工技术技术当前还比较难实现，原材料要求比较高，目前在火花塞的金属壳体加工方面我国主要采用的是柳螺钢技术，它也可以满足在机械性能方面的各项要求。图5.1-6火花塞接线螺帽三维建模图上图主要主要展示的是火花塞接线螺帽位置的三维图形，其中该螺帽的内置弹簧垫与中心电极相连，它的材质一般选用的则是铜材料，而此结构在整个火花塞运行过程也有重要作用，它能够让元件得到紧密的连接，防范接触不良的现象发生，让点火过程更为顺畅。5.2整机虚拟装配图5.2-1高能多级火花塞三维建模装配上图是本文设计的火花塞详细的三维装配图，通过该图的分析能够看出，此火花塞和常规火花塞之间的差异。它的主要改变点在于其结构方面出现相应变化，主体选择的是目前市面上常见的火花山的主体，而不同之处则是根据点火间隙将其切出了三个不同断点，金属壳体下设置一圈陶瓷，火花塞在运行过程中，可以多次击穿侧电极，因此就可以实现跳火。5.3装配性能分析5.3.1火花塞放电时间估算图5.3-1火花塞内部放电通路图5.3-2多级火花塞等效电路在MATLAB此软件内的具体输入的程序则为：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下载程序，进而可以对时间变化前提条件下的电流、电压变化曲线图进行全面统计，详细结果如下图所示。图3.3-3电压随时间变化曲线图5.3-4电流随时间变化曲线通过对电压电流在时间变动下的曲线图进行全面观察可以看出，火花塞的放电间隔时间大约为650微秒，在后续开展计算时也将其作为计算的时间间隔。5.3.2火花塞电压变化时点火能量变化接下来对火花塞输出电压变动以及点火能量两者关系进行分析，此时可以完成电压范围的设定。和前面的相关计算相同，需要让电流维持不变的前提下使得电压变化。在计算过程中输入电压选择范围是在1.5~2.0千伏之间。通过对其火花能量范围进行统计，借助于Multisim该款软件可以得到所需要的方波函数。在该图当中XSC1代表的是示波器，另外XMM1代表的是万用表。它可以对次级输入电压按照实际需求灵活变更。图5.2-1测量火花能量的电路图将电路开关闭合，此时电路能正常运行，可以得到所需要的次级电压，详细情况如5.2-2所示。其中对于示波器线路而言，对其颜色进行了调整，得到的输出方波划分为了红色和绿色两条，因此可以便于后续进一步的观察。在进行点火能量的运算时常见的公式则是：在查阅相应资料后发现，捷达这款车型使用到的火花塞等效电阻大小为1MΩ，初级和次级点火线圈的电感大小分别是2mH和20H。图5.2-2输入电压20kv时电压变化图上图对应展示了在20千伏输入电压下其输出电压的变化，该图是比较均匀的光波。在20KV的输入电压前提下，计算得出的输出电压大小结果则是：，在该状态下对应可计算得出点火能量者是：图5.2-3输入电压15kv时电压变化图上图具体展示的是在15千伏的输入电压下对应得到的电压变化图，该图为均匀的方波形状，通过计算可以得出，在15千伏的输入电压下对应其输出电压大小则是：，进而可以计算得知点火能量为在查阅相应资料后可以发现，大部分的普通火花塞在点火过程中其能量往往是在40mJ上下，通过两次计算可以看出，其结果都是在40mJ以上，所以本文设计的该方案能够有效满足相应需求，方案较为合理。参考文献[1]费德罗-莫格尔公司.具有多级中心导线组件的火花塞:CN200480032792.5[P].2006-12-1王国臣.双环多级火花塞:CN89208598.3[P].1990-01-24.鲁林.火花放电能量的实验与研究[D].辽宁:东北大学,2011.付子义,王晨旭,长谷川弘治.基于COMSOL的光子晶体能带结构仿真计算[J].传感器与微系统,2019,38(8):111-113,117.DOI:10.13873/J.1000-9787(2019)08-0111-03.费德罗-莫格尔公司.具有多级中心导线组件的火花塞:CN200480032792.5[P].2006-12-13.王国臣.双环多级火花塞:CN89208598.3[P].1990-01-24.窦斌.一种周向分布多点点火火花塞:CN201920560600.1[P].2019-10-29.米亚马株式会社.多点火花塞和多点点火发动机:CN201710071477.2[P].2017-08-15.谢汝跃.多点点火火花塞:CN201520648779.8[P].2015-12-23.张志东.放电式火花塞:CN94218163.8[P].1995-12-06.荣成县供销合作社进口车修配厂.内燃机多点点火分电器:CN87217040[P].1988-11-02.李国田.多火花塞点火实现快速燃烧的实验研究[D].天津:天津大学,2015.刘其勇.多点点火火花塞:CN02239946.1[P].2004-02-11.李伟晔.火花放电能量的测量控制与数据处理[D].辽宁:东北大学,2012.DOI:10.7666/d.J0124188.张博,白春华.高电压点火有效能量的测量及相关问题[J].爆炸与冲击,2013,33(1):85-90.DOI:10.3969/j.issn.1001-1455.2013.01.012.刘庆明,汪建平,李磊,等.电火花放电能量及其损耗的计算[J].高电压技术,2014,40(4):1255-1260.DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2014.04.044.吴也文.火花放电能量之测量[J].宜春师专学报,1995:33-36.杜占军,凌雷,汤志华.火花塞点火能量的测定[J].工程机械,2001,32(5):12-14.DOI:10.3969/j.issn.1000-1212.2001.05.007.嘉兴德科发动机部件有限公司.一种具有爆震传感器的点