《汽車點火系統(tǒng)故障問題研究6000字【論文】》

題目汽車點火系統(tǒng)故障與排除形式□論文□報告（在所屬項前打“√”）正文一、電控點火系統(tǒng)工作原理與構(gòu)成電控點火系統(tǒng)工作原理為：蓄電池給初級線圈提供電源，ECM根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、爆震、相位等傳感器采樣得到的發(fā)動機(jī)運行狀態(tài)信息，經(jīng)ECM內(nèi)部的點火控制模塊計算與判斷之后，將點火信號發(fā)送至ECM內(nèi)部的點火驅(qū)動模塊。點火驅(qū)動模塊控制點火線圈初級回路的通斷，初級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)互感和放大后，在次級線圈中產(chǎn)生脈沖高電壓，該電壓將火花塞間隙擊穿產(chǎn)生電火花，以點燃壓縮后的混合氣。電控點火系統(tǒng)由如下部分構(gòu)成：檢測發(fā)動機(jī)運行工況信息的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、爆震、相位等傳感器；計算傳感器信息并控制點火的ECM；執(zhí)行點火指令的點火線圈和火花塞。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示。圖1-1電控點火系統(tǒng)因發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、爆震、相位等傳感器與電控燃油等系統(tǒng)共用，非點火系統(tǒng)專用。故下文主要對點火系統(tǒng)的主要構(gòu)成件：ECM、執(zhí)行點火指令的點火線圈和火花塞進(jìn)行闡述。（一）發(fā)動機(jī)控制模塊(ECM）ECM是點火系統(tǒng)的控制元件，ECM內(nèi)部集成了點火控制模塊和點火驅(qū)動模塊。1.點火控制模塊點火控制模塊最重要的兩個控制參數(shù)為點火正時與點火能量。點火正時控制的目的是優(yōu)化汽車的動力、燃油經(jīng)濟(jì)與排放，同時減少爆震發(fā)生?；军c火正時取決于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，各個工況的數(shù)據(jù)形成脈譜圖，存儲于ECM的存儲器中。點火控制模塊基于基本點火正時，結(jié)合傳感器輸入的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、有無爆震等工況信息對基本點火正時的修正，從而計算出該工況下的最佳點火正時。同時，根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號與相位信號以及氣缸做功順序，進(jìn)行點火氣缸的判斷，然后將點火信號發(fā)送至點火驅(qū)動模塊。發(fā)動機(jī)具體工況不同，對點火能量的需求亦不同。點火能量的控制即點火線圈通電時間長短的控制，通電時間短，初級電流小，感應(yīng)的次級電壓偏低，容易無法產(chǎn)生電火花而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失火；通電時間長，點火能量大，但容易引發(fā)點火線圈過熱或者擊穿故障，因此需要調(diào)整至最佳的通電時間。通電時間還與進(jìn)氣溫度及蓄電池電壓相關(guān)，進(jìn)氣溫度低時，或者蓄電池電壓低時，要進(jìn)行通電時間的補(bǔ)償修正，從而形成通電時間的脈譜圖，亦存儲于ECM的存儲器中。2.點火驅(qū)動模塊從點火控制模塊輸出的點火控制信號的電流是毫安級，而用于驅(qū)動點火線圈的電流必須達(dá)到安培級。故點火驅(qū)動模塊主要功用為放大電流信號。而且，因驅(qū)動點火線圈的電流較大，功率較大，發(fā)熱量也大，故點火驅(qū)動模塊還需具備過載、高溫保護(hù)功能。（二）點火線圈點火線圈是點火系統(tǒng)的能量提供元件。其接收ECM的控制信號，將蓄電池提供的低壓電轉(zhuǎn)化為脈沖高電壓后提供給火花塞形成電火花。點火線圈為電感應(yīng)原理，它由兩個磁藕合的初級線圈與次級線圈組成。能量儲存在初級線圈的磁場中，然后傳遞給次級線圈。點火線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-2所示：初級線圈通常采用Φ0.5mm左右的漆包線，繞線匝數(shù)為100匝~200匝。次級線圈通常采用Φ0.5mm左右的漆包線，繞線匝數(shù)為10000匝~20000匝。為了增加磁場，采用了增加鐵芯的技術(shù)。鐵芯是由厚度為0.3mm~0.5mm的硅鋼片疊加在一起組成，分為內(nèi)鐵芯和外鐵芯。內(nèi)鐵芯置于初級線圈中心，外鐵芯形成環(huán)形置于次級線圈外圍，這樣可形成閉合的磁場，即閉磁點火線圈。部分點火線圈只有內(nèi)鐵芯，無外鐵芯，即開磁點火線圈，開磁點火線圈因能量轉(zhuǎn)化效率較低，正逐漸淘汰中。圖1-2點火線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)初級線圈正極和車輛蓄電池相連，負(fù)極和ECM相連，ECM控制初級回路導(dǎo)通與斷開。次級線圈除了與初級線圈相連之外，還通過點火線圈自身的接線桿和火花塞相連。當(dāng)ECM控制初級回路導(dǎo)通時，初級電流增長，初級線圈產(chǎn)生磁場。當(dāng)ECM控制初級回路斷開時，初級線圈的磁場快速消失，次級線圈借助互感形成脈沖高電壓。次級線圈的脈沖高電壓與初級回路斷開時的初級電流以及次級線圈與初級線圈的匝數(shù)比相關(guān)。點火線圈按照結(jié)構(gòu)分類分為多頭型、筆形和矩形，如圖1-3所示。圖1-3點火線圈分類（三）火花塞火花塞是點火系統(tǒng)的執(zhí)行元件。其借助點火線圈輸出的脈沖高電壓，在電極間產(chǎn)生電火花，以點燃發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)壓縮后的混合氣?；鸹ㄈ厥獾墓δ芎凸ぷ鳝h(huán)境，使其結(jié)構(gòu)應(yīng)具備一些特殊性。例如，火花塞工作時，承受著交變的電壓，其絕緣性應(yīng)得以確保。發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)交變的壓力，要求火花塞應(yīng)具備較高的機(jī)械強(qiáng)度?；旌蠚馊紵龝r，氣缸內(nèi)溫度很高，進(jìn)氣時又突然冷卻，火花塞不僅需要承受高溫，還需要承受溫度劇變，因此需具備相當(dāng)?shù)哪蜔釠_擊能力?；旌蠚獾娜紵a(chǎn)物很復(fù)雜，含有多種活性物質(zhì)，如臭氧、一氧化碳和氧化硫等，在火花塞上形成侵蝕性的化學(xué)沉積，從而影響其工作性能。因此，火花塞置于發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的部位必須具有抗化學(xué)腐蝕能力。圖1-4火花塞結(jié)構(gòu)現(xiàn)代高壓縮比、高性能發(fā)動機(jī)對火花塞提出了高點火性、低點火電壓和長使用壽命等要求。提高點火性的基本思路是：抑制電極的冷卻損失即消焰作用。各火花塞生產(chǎn)企業(yè)，NGK，BOSCH，TORCH都采用減小中心電極的方案來實現(xiàn)。同時，減小中心電極還可形成尖端放電，亦可降低點火電壓。不足之處為減小中心電極之后，電極燒蝕加快，火花塞使用壽命縮短。為解決此問題，各火花塞生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)出了具備良好耐燒蝕性的鉑合金和銥合金火花塞，即在電極上焊接鉑合金片或者銥合金片，俗稱貴金屬火花塞。鉑合金和銥合金的熔點分別高達(dá)1774℃和2453℃，具有良好的耐燒蝕性，能保持長時間工作火花塞間隙不變。因此，貴金屬火花塞憑借高點火性和長使用壽命等優(yōu)勢，逐漸擴(kuò)大應(yīng)用中。二、點火系統(tǒng)故障描述某自主品牌渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)在研發(fā)過程的臺架耐久試驗中出現(xiàn)功率和轉(zhuǎn)矩下降故障，該發(fā)動機(jī)搭載的車輛在整車耐久試驗中，出現(xiàn)不能保持高車速的故障。對該發(fā)動機(jī)和整車進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)這兩種故障都是由點火系統(tǒng)故障引起。（一）點火系統(tǒng)故障描述對某自主品牌1.8T渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架耐久試驗，按照試驗規(guī)范，發(fā)動機(jī)臺架耐久需運行400小時，運行期間每200小時更換火花塞一次，即火花塞耐久需運行200小時。發(fā)動機(jī)主要參數(shù)見表2-1表2-1發(fā)動機(jī)主要參數(shù)形式排量（ml）額定功率（KW/(r/min)）最大轉(zhuǎn)矩（N.m/(r/min)）排放標(biāo)準(zhǔn)壓縮比直列四缸、16氣門/TC/DCVVT/DOHC1751130/5250230/(1700~5250)國V(帶OBD)9.5發(fā)動機(jī)運行至197小時，發(fā)現(xiàn)功率和轉(zhuǎn)矩下降嚴(yán)重，立即停止運行。檢查點火線圈和ECM未見異常。拆開發(fā)動機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)氣缸第3缸火花塞陶瓷體下移，并且將中心電極包圍，表面較多油污。其它三個氣缸火花塞未見異常。如圖3-1所示。圖3-1發(fā)動機(jī)臺架試驗后火花塞用內(nèi)窺鏡檢查缸套，發(fā)現(xiàn)第3缸缸套被嚴(yán)重磨損，如圖3-2所示。圖2-2第3缸缸套發(fā)動機(jī)臺架試驗后的火花塞檢測結(jié)果見表2-2第3缸火花塞電極間不可以形成電火花，且因故障，無法檢測火花塞間隙、內(nèi)部電阻和氣密性項目。表2-2發(fā)動機(jī)臺架試驗后火花塞檢測結(jié)果項目第1缸第2缸第3缸第4缸火花塞間隙（初始間隙）1.191.15-1.22內(nèi)部電阻3.33.3-3.2電極問電火花形成可以可以不可以可以氣密性(小于1ml/min)0.050.05-0.08“-”表示因火花塞故障，無法檢測該項目。對發(fā)動機(jī)臺架試驗后的火花塞進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)第3缸火花塞陶瓷體發(fā)生斷裂部分已從火花塞主體上剝落，同時斷裂部位附近有多處貫穿小孔，如圖2-3所示圓圈處為貫穿小孔。圖2-3發(fā)動機(jī)臺架試驗后第3缸火花塞拆解結(jié)果依據(jù)發(fā)動機(jī)臺架試驗后的火花塞檢測和拆解結(jié)果分析，第3缸火花塞因陶瓷體發(fā)生小孔貫穿和斷裂，電極間無法產(chǎn)生電火花，造成發(fā)動機(jī)第3缸不能點火燃燒，導(dǎo)致功率和轉(zhuǎn)矩下降嚴(yán)重。同時，進(jìn)入第3缸的汽油無法燃燒，一部分聚集在火花塞頭部，造成頭部油污較多。此外，陶瓷體斷裂產(chǎn)生的碎屑附于缸內(nèi)，并伴隨著活塞上下運動，導(dǎo)致第3缸缸套嚴(yán)重磨損，嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)動機(jī)。分析表明，該發(fā)動機(jī)臺架故障歸結(jié)為點火系統(tǒng)故障。（二）整車耐久故障描述搭載該自主品牌1.8T渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)的自主品牌SUV進(jìn)行整車綜合耐久性試驗，運行至21000km的時候，車速上升至約190km/h，出現(xiàn)車速無法保持并逐漸下降至約160km/h的現(xiàn)象。停止整車試驗，檢查點火線圈和ECM未見異常，更換火花塞后，發(fā)現(xiàn)車輛可以加速至約190km/h且維持穩(wěn)定。換回原車的火花塞時，車輛190km/h車速無法保持現(xiàn)象重現(xiàn)。整車試驗后的火花塞如圖2-4所示，第1缸火花塞有較多油污，其它三個氣缸火花塞未見異常。圖2-4整車試驗后火花塞（從左至右分別為1-4缸）對整車試驗后的火花塞進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)第1缸火花塞陶瓷體已經(jīng)斷裂，同時斷裂部位附近有多處貫穿小孔，如圖2-5所示，其中紅點處為貫穿小孔。圖2-5整車試驗后第1缸火花塞拆解結(jié)果依據(jù)整車試驗后的火花塞檢測和拆解結(jié)果分析，第1缸火花塞因陶瓷體發(fā)生小孔貫穿和斷裂，電極間無法產(chǎn)生電火花，造成第1缸不能點火燃燒，導(dǎo)致車速無法保持在約190km/h，并逐漸下降至約160km/h，同時，因無法完成燃燒任務(wù)，第1缸缸內(nèi)的汽油一部分聚集在火花塞頭部，產(chǎn)生較多油污。整車試驗故障可歸結(jié)為點火系統(tǒng)故障。盡管發(fā)動機(jī)臺架試驗故障表現(xiàn)為功率和轉(zhuǎn)矩下降，整車試驗故障表現(xiàn)為不能保持高車速，故障所在的氣缸也不一致，但是都是因為點火系統(tǒng)故障引起的故障，故將這兩種情況合并一起分析研究。四、點火系統(tǒng)故障的檢測與排除依據(jù)故障原因，對策從提高火花塞陶瓷體的耐電壓能力、調(diào)整點火線圈可供電壓、降低火花塞點火電壓三個方面進(jìn)行。（一）提高火花塞陶瓷體耐電壓能力提高火花塞陶瓷體的耐電壓能力，有兩個方向，一是提升陶瓷體品質(zhì)，二是優(yōu)化火花塞結(jié)構(gòu)設(shè)計。1.提升陶瓷體品質(zhì)提升陶瓷體品質(zhì)可通過增加陶瓷密度和優(yōu)化陶瓷內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。二者相輔相成又相互獨立，當(dāng)陶瓷密度增加時，內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)通常會有改善；但微觀結(jié)構(gòu)的改善不一定能夠獲得陶瓷密度的增加?；鸹ㄈ沾审w的主要成分是氧化鋁，提高氧化鋁的純度是提高陶瓷密度的重要措施。例如從傳統(tǒng)的含量93%提純至95%。微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要通過提高氧化鋁粉料的壓實壓力來實現(xiàn)，從傳統(tǒng)的35MPa~40MPa提高至75MPa~80MPa，可以使得陶瓷體的毛坯壓得更加致密。另外，使用更少的粘結(jié)劑也可以實現(xiàn)陶瓷內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2.優(yōu)化火花塞結(jié)構(gòu)設(shè)計渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)，由于其小型化和升功率的提高，需要更優(yōu)的冷卻效果，要求發(fā)動機(jī)擴(kuò)大缸蓋冷卻水道，從而擠壓了火花塞的安裝空間?；鸹ㄈ惭b螺紋從傳統(tǒng)的M14x1.25變?yōu)镸12x1.25，甚至于安裝螺紋為M10x1的火花塞也有少量應(yīng)用?；鸹ㄈ惭b螺紋直徑變小，使得陶瓷體的外徑也相應(yīng)變小，即陶瓷體變薄，會使其本身耐電壓能力變?nèi)?；而渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)特有的增強(qiáng)工況又要求火花塞陶瓷體承受更高的點火電壓，這二者的矛盾，只能通過優(yōu)化火花塞結(jié)構(gòu)設(shè)計來克服。火花塞陶瓷體包裹住中心電極，如圖3-1所示。減小火花塞中心電極的直徑，一方面可增加火花塞陶瓷體厚度，提高其耐電壓能力。另一方面未擴(kuò)大火花塞整體結(jié)構(gòu)，不會對發(fā)動機(jī)冷卻水道產(chǎn)生影響。圖3-1火花塞中心電極根據(jù)火花塞生產(chǎn)企業(yè)的研究和實驗數(shù)據(jù)，陶瓷體厚度每增加0.1mm，耐電壓能力提高1kV。但因中心電極內(nèi)部嵌有銅芯，該銅芯對火花塞的散熱有重要作用，因此對中心電極直徑的減小有一定的限制。故該款發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)故障的應(yīng)對對策為火花塞中心電極直徑從當(dāng)前的Φ2.3mm減小至Φ2.1mm，火花塞陶瓷體的耐電壓能力可從當(dāng)前的35kV提高至37kV。（二）調(diào)整點火線圈可供電壓地作為汽車生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)考慮用戶正常使用車輛的維護(hù)費用，更應(yīng)充分考慮部分用戶未按照指導(dǎo)手冊要求使用車輛的維修費用。即在火花塞超過使用壽命的時候允許發(fā)動機(jī)發(fā)生失火，若失火率高于閩值，車輛儀表上的故障燈會點亮，提示用戶到維修店檢測維修，此時維護(hù)費用僅僅是更換火花塞所需。火花塞在使用壽命期間，甚至超出使用壽命，也不允許發(fā)生與該款發(fā)動機(jī)臺架耐久試驗相同的現(xiàn)象，即火花塞陶瓷體因點火線圈高壓擊穿和斷裂，斷裂的陶瓷體碎屑掉落于發(fā)動機(jī)氣缸之內(nèi)，隨著活塞的運動，導(dǎo)致缸套嚴(yán)重磨損，從而損壞發(fā)動機(jī)。因為不僅需要更換火花塞，還需要維修發(fā)動機(jī)，費用將大大增加。為滿足點火系統(tǒng)設(shè)計要求，點火線圈可供電壓應(yīng)小于火花塞耐電壓能力。（三）控制火花塞點火電壓火花塞在車輛運行一定里程之后需更換，更換周期為10000km~100000km不等，通常標(biāo)注在用戶指導(dǎo)手冊上增加由電火花引起的燒損?；鸹ㄈ氖褂脡勖?，通過電極間隙增加量來評估，電極間隙、高溫引起的氧化和化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕等消耗引起。隨著消耗程度的增加，火花塞電極間隙也在逐漸增加，從而使得火花塞點火電壓上升，逐漸接近點火線圈可供電壓。結(jié)果表現(xiàn)為從電火花持續(xù)時間逐漸變短，發(fā)展為電火花的產(chǎn)生趨于困難，最后失火率逐漸上升，直到故障燈點亮，提示更換火花塞。正常點火的次級電壓曲線分為電容放電和電感放電兩部分，表面發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的混合氣能夠成功點著并燃燒，點火系統(tǒng)能量不能全部轉(zhuǎn)化為擊穿火花塞電極間隙的點火電壓，還需剩余部分使電火花維持一段時間。故在火花塞使用壽命期間，為保證發(fā)動機(jī)點火穩(wěn)定性，點火線圈可供電壓應(yīng)大于火花塞點火電壓并有一定冗余量；通常要求點火線圈可供電壓大于火花塞點火電壓4kV以上。貴金屬銥合金因其熔點高、耐燒蝕性的特點，將其焊接在火花塞電極上，能保持長時間工作火花間隙不變，目前已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。該款渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)所采用的火花塞只在中心電極鎳合金主體中焊接有銥合金，俗稱單貴金屬火花塞。為進(jìn)一步控制火花塞間隙增長，在側(cè)電極鎳合金主體中亦焊接銥合金，俗稱雙貴金屬火花塞。該款發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)的耐久對策為采用雙貴金屬火花塞。結(jié)論點火系統(tǒng)是保證汽油發(fā)動機(jī)正常點火燃燒的關(guān)鍵，是發(fā)動機(jī)重要的組成部分。汽油發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)故障，對發(fā)動機(jī)的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性和廢氣排放均產(chǎn)生影響。論文從某款自主品牌渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)故障入手，首先總結(jié)了發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)故障分析現(xiàn)狀；然后介紹了點火系統(tǒng)的功用和類型，闡述了電控點火系統(tǒng)的工作原理及主要零件的結(jié)構(gòu)與功能。最終得出結(jié)論為：渦輪增壓發(fā)動機(jī)點火電壓提高和點火線圈可供電壓大于火花塞耐電壓能力是該款發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)故障、火花塞陶瓷體斷裂的根本原因。本文在明確點火系統(tǒng)故障原因的同時，也研究了點火系統(tǒng)故障的檢測與分析方法。針對點火系統(tǒng)故障的維修，采用優(yōu)化火花塞結(jié)構(gòu)設(shè)計提高火花塞耐電壓能力，調(diào)整點火線圈可供電壓以防止火花塞陶瓷體被高壓擊穿，應(yīng)用雙貴金屬火花塞控制使用壽命期