《火花塞的選材與設(shè)計(jì)案例》3800字

火花塞的選材與設(shè)計(jì)案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u588火花塞的選材與設(shè)計(jì)案例綜述 1224821.1金屬殼體的設(shè)計(jì) 1192761.2中心電極功能分析與選材 1162381.3絕緣體功能分析 2141531.4絕緣體部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3212831.5絕緣體部分選用材料 51.1金屬殼體的設(shè)計(jì)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(gè)階梯形狀構(gòu)成，其中還囊括了單個(gè)正六邊形的凸臺(tái)形，而內(nèi)孔設(shè)置有兩個(gè)錐面和多個(gè)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(duì)金屬流通會(huì)產(chǎn)生一定影響。金屬殼體對(duì)材料的要求是很高，因?yàn)槠渲苯优c發(fā)動(dòng)機(jī)相連接，所以金屬殼體就需要由良好的導(dǎo)熱性，由于冷擠壓加工操作難度較大，本文通過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)資料通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，最終選擇我國(guó)的鉚螺鋼，其機(jī)械性能能滿足設(shè)計(jì)需求。200411.2中心電極功能分析與選材火花塞的中心電極被絕緣體包裹著，位于火花塞的最里面，是火花塞的正極。當(dāng)汽車(chē)點(diǎn)火的時(shí)候，行車(chē)電腦就會(huì)通過(guò)高壓包將汽車(chē)的點(diǎn)火電壓提升至大約20000萬(wàn)伏特左右的電壓，而這個(gè)極高的電壓就沿著火花塞到中心電極的端部，因?yàn)閭?cè)電極連接著金屬殼體，即為負(fù)極。這時(shí)電壓在正負(fù)極之間擊穿空氣，形成點(diǎn)火。因?yàn)槌袚?dān)著輸送電力的作用，所以中心電極的材質(zhì)就顯得尤為重要。既需要中心電極具有良好的導(dǎo)電性，有需要中心電極能長(zhǎng)時(shí)間的承受高電壓，從而延長(zhǎng)火花塞的壽命。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的火花塞中心電極有銥金、鉑金、鎳、銅。因?yàn)殂~的良好導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，也是最早用在火花塞的中心電極上，早期的汽車(chē)火花塞中心電極就是銅做的。銅雖然良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，但是材質(zhì)卻是銥金和鉑金那么硬，也沒(méi)由銥金和鉑金的那么高的熔點(diǎn)，所以銅火花塞的中心電極端部再在超高壓長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火下是磨損的最快的。果按照汽車(chē)行駛公里來(lái)算火花塞整體的使用壽命的話，普通的銅芯火花塞在汽車(chē)的正常使用中壽命約為30000公里，而鉑金火花塞的使用壽命最高卻能達(dá)到約為80000公里，銥金火花塞理論上的使用壽命能達(dá)到100000公里以上。銥金火花塞是目前市面上性能最好的火花塞。然而經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)銥合金目前的價(jià)約為1000元每克，鉑合金的市場(chǎng)售價(jià)雖然沒(méi)有銥合金那么高，但也需要約300元每克，所以用銥金或鉑金來(lái)做火花塞，造價(jià)是非常昂貴的，并不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。本次中心電極的設(shè)計(jì)材料選用的是鎳合金。鎳合金火花塞同樣是目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的火花塞。鎳的熔點(diǎn)為1453攝氏度，這比銅的熔點(diǎn)高出了將近400攝氏度，雖然沒(méi)有銥金和鉑金的熔點(diǎn)高，但是勝在價(jià)格便宜，平均每一克鎳只需要0.1元，如果用鎳合金做中心電極的話，那么成本只會(huì)比銥金和鉑金的成本更低，與傳統(tǒng)單極火花塞相差不大，而后期設(shè)計(jì)合理的話，也能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)與銷售。200411.1.2點(diǎn)火功能分析 火花塞是發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)實(shí)現(xiàn)高壓電的傳導(dǎo)，由中心電極向下不斷流通，本文在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)以單點(diǎn)點(diǎn)火火花塞作為主體，選擇傳統(tǒng)火花塞為基礎(chǔ)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)和改良，把側(cè)電極形狀設(shè)置為盤(pán)龍柱狀，依據(jù)點(diǎn)火間隙設(shè)置三個(gè)斷點(diǎn)，并將多間隙的側(cè)電極鑲嵌在絕緣體里，火花塞在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中電火花會(huì)擊穿側(cè)電極，因此能夠滿足多點(diǎn)跳火的設(shè)計(jì)要求就理論而言，這類設(shè)計(jì)方法的點(diǎn)火時(shí)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(shí)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。1.3絕緣體功能分析火花塞內(nèi)的重要位置之一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(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)能量損失的現(xiàn)象，它會(huì)進(jìn)一步影響到火花塞的正常運(yùn)行，如果在點(diǎn)火過(guò)程火花塞絕緣體失去作用，此時(shí)容易產(chǎn)生高壓的短路現(xiàn)象。如果沒(méi)有和中心電極與側(cè)電極這兩者接觸，就直接和地面相連的話，此時(shí)則不能產(chǎn)生電火花。為了進(jìn)一步提高火花塞運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性，必須要在絕緣材料方面進(jìn)行嚴(yán)格把控，此絕緣體部分應(yīng)具備較強(qiáng)的抗腐蝕能力，同時(shí)還要能夠承受較高的電壓和溫度，機(jī)械強(qiáng)度需要達(dá)成特定要求。在本文設(shè)計(jì)時(shí)主要選用的是陶瓷材料來(lái)開(kāi)展火花塞絕緣體部分的設(shè)計(jì)?；鸹ㄈ麘?yīng)用在各類汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中其體積尺寸方面會(huì)存在著一定的差異，常見(jiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)類型大致有冷機(jī)和熱機(jī)類別為主，這是兩種具有較大差別的類型，它可以對(duì)火花塞熱特性予以充分反映。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的火花塞只有滿足特定溫度要求的前提條件下才不會(huì)產(chǎn)生積炭，也不會(huì)對(duì)其正常運(yùn)行造成影響，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析可以發(fā)現(xiàn)。只有當(dāng)火花塞其絕緣體溫度滿足500攝氏度到800攝氏度區(qū)間內(nèi)，此時(shí)當(dāng)油滴落到絕緣體上才不會(huì)有積碳產(chǎn)生，而是能得到充分燃燒。如果溫度比此范圍更高則會(huì)容易發(fā)生早燃現(xiàn)象，另外也要充分認(rèn)識(shí)到，在不同發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的火花塞所需要的溫度條件也有較大差別。如果要求火花塞必須要具備較好的散熱能力，那么在設(shè)計(jì)過(guò)程中就可以適當(dāng)讓火花塞裙部短一些，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)用在一些大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)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較長(zhǎng)就會(huì)具有較大的受熱面積，導(dǎo)致其散熱性能較差，從而降低散熱的速度。這類火花塞也被稱為熱型火花塞，該類火花塞往往應(yīng)用在一些小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中?？傮w而言，火花塞的選擇要根據(jù)實(shí)際狀況而定，必須要充分考量多項(xiàng)因素后綜合決定。在部分情況下，火花塞中的絕緣體部分會(huì)有破裂現(xiàn)象產(chǎn)生，產(chǎn)生破裂的常見(jiàn)位置往往是在電極上端和絕緣體的裙部位置，一旦絕緣體出現(xiàn)破裂后，若是溫度不充足的話則會(huì)有積碳就會(huì)從火花塞破裂的地方進(jìn)到火花塞的內(nèi)部，導(dǎo)致火花塞運(yùn)行過(guò)程會(huì)發(fā)生短路問(wèn)題。如果火花塞絕緣體的破裂縫隙較為窄小,仍然可以讓火花塞勉強(qiáng)維持運(yùn)行，但是會(huì)降低它的傳熱性能，導(dǎo)致不能快速散熱。如果熱量到達(dá)一定程度則會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的混合氣體還沒(méi)有被電火花點(diǎn)燃就會(huì)因?yàn)樽陨頍崃坷塾?jì)而自燃，從而進(jìn)一步影響到發(fā)動(dòng)機(jī)性能，甚至還會(huì)損害發(fā)動(dòng)機(jī)。導(dǎo)致火花塞絕緣體破裂的原因較多，例如火花塞被撞擊，從而使得絕緣體破裂，也可能由于發(fā)動(dòng)機(jī)壓力由于未知原因不斷上升，內(nèi)部元器件運(yùn)作不正常；火花塞在裝載過(guò)程中絕緣體部分?jǐn)Q得過(guò)緊；溫度變動(dòng)較為劇烈等等。如果絕緣體破裂，此時(shí)必須要及時(shí)清理破損的火花塞，清理的過(guò)程中要讓裂縫內(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(kāi)，讓火花塞高壓線與其中心電極相互接觸，從而可以對(duì)跳火現(xiàn)象進(jìn)行充分觀察。若是沒(méi)有跳火，但出現(xiàn)了火花聲響，此時(shí)則表明火花塞有跑電問(wèn)題，必須要及時(shí)對(duì)火花塞進(jìn)行更換。另外也要針對(duì)火花塞的絕緣體部分密封性展開(kāi)仔細(xì)的檢查。若是缺乏相關(guān)專業(yè)設(shè)備，可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展一系列的實(shí)驗(yàn)。首先可以讓火花塞固定在氣缸蓋上，在端部位置涂抹機(jī)油，點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，如果運(yùn)作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)汽油層有氣泡，此時(shí)則可以證明密封有問(wèn)題存在，這就需要把火花塞更換。如果運(yùn)行過(guò)程中汽油層并沒(méi)有氣泡發(fā)生，此時(shí)則可以證明其密封性良好，火花塞能夠正常使用。1.4絕緣體部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于火花塞溫度而言，一般是指絕緣體裙部的溫度，在火花塞正常工作的情況下，絕緣體裙部的工作溫度需要保持在500攝氏度到800攝氏度之間。如果火花塞的工作溫度高過(guò)500攝氏度至800攝氏度之間，那么沉積在絕緣體裙部的一些機(jī)油、炭顆粒等，就可以通過(guò)燃燒變成其他物質(zhì)。在這個(gè)溫度下的火花塞是擁有自我清潔能力的。如果火花塞的溫度低于這個(gè)溫度區(qū)間的話，那么就會(huì)使得火花塞的跳火以電路短路的方式泄漏出去，這就會(huì)使得火花塞出現(xiàn)無(wú)點(diǎn)火現(xiàn)象。雖然火花塞的溫度低于500攝氏度會(huì)造成失火現(xiàn)象，但是火花塞高于800攝氏度卻也是屬于火花塞工作的安全溫度區(qū)間，既800攝氏度到1000攝氏度之間，但是在這個(gè)溫度區(qū)間里也并不意味著火花塞絕對(duì)安全是，因?yàn)檫^(guò)高的溫度會(huì)加劇火花塞電極的氧化和腐蝕。所以根據(jù)火花塞工作的溫度不同以及散熱不同，就有了冷型火花塞和熱型火花塞。在多種發(fā)動(dòng)機(jī)中火花塞對(duì)應(yīng)的工作溫度條件也有一定的差異，部分火花塞的裙部位置相對(duì)較短，吸收的面積更小，因此它的散熱散熱性能比較好，針對(duì)此類火花塞在設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)于那部分功率較高的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其裙部位置更長(zhǎng)，受熱面積比較大。圖1.4-1火花塞冷熱型的具體圖通過(guò)查閱相關(guān)資料后可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于冷型火花塞而言，其裙部的長(zhǎng)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(duì)于普通類型的火花塞而言，此項(xiàng)參數(shù)取值范圍是在11~14毫米，所以本文設(shè)計(jì)的火花塞裙部確定的長(zhǎng)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，同時(shí)也決定了火花塞是否能夠正常運(yùn)行，如果絕緣體在點(diǎn)火階段失去了作用，此時(shí)則會(huì)讓高壓電出現(xiàn)短路現(xiàn)象，最終讓其不能產(chǎn)生電火花。除此之外，為了進(jìn)一步提升火花塞的使用特性，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(jī)械強(qiáng)度的要求也比較高，因此本文設(shè)計(jì)的火花塞絕緣體選擇的材料為陶瓷材料。本次在火花塞設(shè)計(jì)時(shí)主體材料主要是氧化鋁，它的絕緣體強(qiáng)度能達(dá)到24000V/mm，計(jì)算后可以得出其最小厚度則是。通過(guò)以上的公式計(jì)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(shí)火花塞對(duì)應(yīng)的絕緣性能就