【《汽车发动机多级火花塞的结构设计及建模组装12000字（论文）》】

汽车发动机多级火花塞的结构设计及建模组装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花塞设计时，以市面上的主流火花塞作为参考，改变侧电极的形状，设置为盘龙柱状，关键词：火花塞；侧电极；点火间隙；选材 1 51.1选题意义 5 5 61.4技术与功能要求 71.4.1技术要求 71.4.2功能要求 7 8 82.2方案的整体设计 62.2.1方案对比分析 9 3.1金属壳体的设计 9 93.5绝缘体部分结构设计 3.5.1绝缘体部分选用材料 3.6火花塞间隙的设计 4.2火花塞整体三维模型 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，火花塞的点火性能，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。早在21世纪初期，就已经有研究人员对双火花塞点火技术开展研究，该技术指的极实现中心电极的点火，同时点火击穿间隙为1.1毫米，该火花塞的研究技术还是比较新颖的，但是在工作时，其与FCOR的火运转，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设计的可行性对于成本而言，本文对高能多级火花塞设计是使侧电极形状和结构发生变化，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。对于技术而言，本文设计的方案是将侧电极将设置为盘龙柱状，依据点火间隙设置三个断点，并将多间隙的侧电极镶嵌在绝缘体里，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。对于火花塞而言，查询相关文献资料发现，就理论来说多次击穿是能够实现多点点火的，因此在操作上具有可行性。就难度而言，在具体制造层面难度较低，如果点火的效果明显，是能够实现批量生产，所以本文设计的火花塞从理论上来看是具有较高性价比的。对于成本而言，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。对于前景而言，本文希望能够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，目前研究人员对这类火花塞的研究较少，因此这类火花塞的发展前景还是很大的，值得研究人员投入更多的时间和精力去研究。1.4技术与功能要求本文设计了一款多极火花塞，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。(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，将设置为盘龙柱状，依据点火间隙设置三个断点，并将多间隙的侧电极镶嵌在绝缘体里。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(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，它是由绝缘体包裹着在中间的通道中，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，到达中心电极的尾部后会击穿空气，通过中心电极和侧电极之间的点火间隙，这就是完整的击穿电压产生。这会使得内部的混合气体快速燃烧，并实现跳火的设计要求。(1)本文设计的这款高能多极火花塞，在发动机正常运转时每一次的跳火都能点燃发动机内的可燃气体。(2)多极火花塞在正常运转时能够扩张火花塞和点火的相关限度。其与单间隙击穿相比，击穿要用到的电压较低，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，基本上火花塞的工作条件能说得上非常恶劣，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)就理论而言，对本文设计的火花塞的侧电极进行切割会出现多个间隙，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2章设计方案的分析2.1现今火花塞分析自火花塞出现至今，已经发展出了各种各样的火花塞，首先就是以传统火花塞为原型设计的单极火花塞，它的形状经过如今的发展，已经出现多式多样了，但是总体来说火花塞的电极数并没有改变，大多都是对材料以及火花塞内部结构的设计。其次就是在对于火花塞侧电极数的改造，将单侧电极增加到四侧电极，均匀分布在中心电极周围。本文将结合上火花塞特点，改变了侧电极的形状，将设置为盘龙柱状，依据点火间隙设置三个断点，并将多间隙的侧电极镶嵌在绝缘体里，使其能够满足多次跳火。2.2方案的整体设计经过研究和对市面上主流的火花塞型号进行分析，研究其基本构造，以及对火花塞全部零件的材料分析。(1)针对火花塞的结构进行设计和改良。(2)针对中心电极的设计和选材，(3)针对金属壳体的设计和选材，(4)针对绝缘体的设计和选材，(5)针对火花塞点火间隙的选择计算。该方案和市面上的大多数火花塞具有许多相似点，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。2.2-1火花塞理论图2.2.1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2、产品的可靠性(1)技术层面对于技术层面而言，单极火花塞和四极火花塞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。本文设计方案和传统的火花塞对比，方案把侧电极的形状改变设置为盘龙柱，除此以外还对侧电极进行断点设计，即根据火花塞点火间隙为侧电极切出三个断点，并且将切断的侧电极设置在绝缘体中，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，所设计出来的火花塞是比传统的火花塞更加优越的。(2)市场层面目前市面上主流的火花塞是单侧电极火花塞，但是为了对火花塞点火效果进行改良，要实现多极点火，则在单机火花塞上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.但是未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，而本文所设计的火花塞方案仅是理论阶段，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，传统火花塞在对自身材料的筛选对比后，从而制造出来的普通火花塞成本相对较低。四侧电极火花塞是增加了数量更多的侧电极，因此成本会小幅度提升。而本文方案是将单侧电极进行切断，设置了多个断点，材料费并不会增加太多。除此以外，方案还改变了侧电极的形状。整体而言，本文设计的火花塞的成本和单侧电极的火花塞成本相比并不大，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。(4)易维护性本文设计方案是将改良的切出断点的侧电极直接在绝缘体中镶嵌，这样整体制造的成本是较低的，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，三维建模分析也具有一定的难度，如若设计的火花塞点火效果明显，也能在现实生活中批量生产。第3章火花塞选材与设计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3.2中心电极功能分析与选材车点火的时候，行车电脑就会通过高压包将汽车的点火电压提升至大约20000万伏特左铜芯火花塞在汽车的正常使用中寿命约为30000公里，而铂金火花塞的使用寿命最高却能达到约为80000公里，铱金火花塞理论上的使用寿命能达到100000公里以上。铱金火花塞是目前市面上性能最好的火花塞。然而经过调研发现铱合金目前的价约为1000元每克，铂合金的市场售价虽然没有铱合金那么高，但也需要约300元每克，所以用铱火花塞。镍的熔点为1453摄氏度，这比铜的熔点高出了将近400摄氏度，虽然没有铱金和铂金的熔点高，但是胜在价格便宜，平均每一克镍只需要0.1元，如果用镍合金做中心电极的话，那么成本只会比铱金和铂金的成本更低，与传统单极火花塞相差不据调查发现目前生产的铱合金火花塞的中心电极直径再0.4毫米到0.6毫米之间，铂金火花塞的中心电极直径为0.8毫米到1.0毫米之间，而镍合金火花塞的中心电极直径是2.5毫米。因为镍合金的熔点只是比铜的熔点高出约400摄氏度，但是却没有铱金3.3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。缘体温度满足500摄氏度到800摄氏度区间内，此时当油滴落到绝缘体上才不会有积碳塞往往应用在一些小功率的发动机当中。总体而言，火花塞的选择要根据实际状况而定，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，产生破裂的常见位置往往是在电极上端和绝缘体的裙部位置，一旦绝缘体出现破裂后，若是温度不充足的话则会有积碳就会从火花塞破裂的地方进到火花塞的内部，导致火花塞运行过程会发生短路问题。如果火花塞绝缘体的破裂缝隙较为窄小，仍然可以让火花塞勉强维持运行，但是会降低它的传热性能，导致不能快速散热。如果热量到达一定程度则会让发动机内部的混合气体还没有被电火花点燃就会因为自身热量累计而自燃，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，例如火花塞被撞击，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，清理的过程中要让裂缝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进行充分观察。若是没有跳火，但出现了火花声响，此时则表明火花塞有跑电问题，必须要及时对火花塞进行更换。另外也要针对火花塞的绝缘体部分密封性展开仔细的检查。若是缺乏相关专业设备，可以利用发动机开展一系列的实验。首先可以让火花塞固定在气缸盖上，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，此时则可以证明密封有问题存在，这就需要把火花塞更换。如果运行过程中汽油层并没有气泡发生，此时则可以证明其密封性良好，火花塞能够正常使用。3.5绝缘体部分结构设计对于火花塞温度而言，一般是指绝缘体裙部的温度，在火花塞正常工作的情况下，绝缘体裙部的工作温度需要保持在500摄氏度到800摄氏度之间。如果火花塞的工作温度高过500摄氏度至800摄氏度之间，那么沉积在绝缘体裙部的一些机油、炭颗粒等，就可以通过燃烧变成其他物质。在这个温度下的火花塞是拥有自我清洁能力的。如果火花塞的温度低于这个温度区间的话，那么就会使得火花塞的跳火以电路短路的方式泄漏出去，这就会使得火花塞出现无点火现象。虽然火花塞的温度低于500摄氏度会造成失火现象，但是火花塞高于800摄氏度却也是属于火花塞工作的安全温度区间，既800摄氏度到1000摄氏度之间，但是在这个)(工作范围自清洁低于自清洁范围积炭0发动机功率早燃范围安全范围在多种发动机中火花塞对应的工作温度条件也有一定的差异，部分火花塞的裙部位置相对较短，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，所以本文设计的火花塞裙部确定的长度则为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，同时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了作用，此时则会让高压电出现短路现象，最终让其不能产生电火花。除此之外，为了进一步提升火花塞的使用特性，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，因此本文设计的火花塞绝缘体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。通过以上的公式计算后可以发现，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。3.5-4高能多级火花塞绝缘体投影图3.5.1绝缘体部分选用材料为了让火花塞的使用特性得到良好的保障，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。3.6火花塞间隙的设计火花塞的间隙，说的是中心电极和侧电极之间的最小距离，这个是设计火花塞所需火花塞间隙的因素有很多，但是经过调研发现日常生活中比较常见的火花塞间隙为0.6毫米至1.5毫米之间。就理论而言，火花塞之间的间隙大小，可以决定中心电极和侧电发动机型号e发动机排量↵配气e最大功率↵最大扭矩↵最大马力↵最大扭矩转速最大功率转速其中U为击穿电压(V);P为气体压力(T),每1T的气体压力等于13.3Pa;d为电次极电压选20000伏特，所以可以得到下列公式：d=U/p=20000V÷3.5×105P考虑到实际设计生产的数值误差问题，所以本次火花塞设计的间隙，既选用0.7毫第4章火花塞整体建模组装4.1-3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。4.1-4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。4.1-5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。4.2火花塞整体三维模型4.2-1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塞的主体，而不同之处则是根据点火间隙将其切出了三个不同断点，火花塞在运行过程中，可以多次击穿侧电极，因此就可以实现多次跳火。(1)体现的创新性和创新意识(2)对非技术因素的考虑成本的则是单一侧电极的火花塞。多侧电极火花塞在制作过程中会导致侧电极位置需要应用的电极数量增加。从维护的便捷性方面来看，本次改变侧电极的形状，设置为盘龙柱状，依据点火间隙设置三个断点，并将多间隙的侧电极镶嵌在绝缘体里，使其能够满足多次跳火的设计要求。此火花塞的生产相对成本增长幅度较低，现有的工艺也能很好的满足实际需求，所以也让它和原来的火花塞之间没有体现过大的差异，可以方便开展后续的维护。另外在查阅相关资料的基础上，站在理论上来分析，此火花塞的多次击穿可以充分实现多点点火的目的，而且从整个设计的难度层面开展分析，若具有较为显著的点火效果，则后期在生产过程中也能方便实现，具有较高的改善性价比。(3)在技术规范或行业标准下开展的工作火花塞是在汽车当中一个重要的组成部分，在此部分开展设计需要满足相关规范要求，汽车零部件要在性能、