发动机点火系统设计.docx
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1、目次1.设计方案说明31.1 本课题争论的背景、目的和意义31.2 设计题目简介及其要求与目标32. 设计方案分析 52.1 设计方案陈述52.2 设计方案分析133.设计计算143.1 点火线圈设计计算与校核143.2 火花塞设计计算与校核18设计总结21致谢22参考资料22121. 设计方案说明1.1 本课题争论的背景、目的和意义桑塔纳 2023 型轿车承受的是带分电器式的电子点火系统,其突出特点是将点火系统与燃油喷射系统复合在一起,由一个电控单元(ECU)来掌握,构造简洁工作牢靠。同时,也存在点火掌握器故障、霍尔传感器损坏分电器盖、分火间裂开漏电、火花塞间隙增大,烧蚀严峻,积油积碳过多等
2、问题,存在肯定的改进空间。学校考虑到机械类本科毕业生完全有力量对汽车点火系统的构造进展设计和验证,故提出了本课题的争论。本课题的争论着重于使机械类本科毕业生以四年来所学的专业理论学问,结合一些课外参考文献,独立设计适用于桑塔纳 2023 型轿车的点火系统,培育学生独立思考、解决问题的力量和思维创力量与实践力量,使其理论结合实际,学以致用, 为以后走上工作岗位打好坚实的根底。1.2 设计题目简介及其要求与目标1.2.1 桑塔纳 2023 型轿车点火系统桑塔纳 2023 型轿车承受的是带分电器式的电子点火系统,主要由点火线圈、分电器、火花塞。带抗干扰元件的链接插座,爆燃传感器,点火导线等组成,构造
3、简洁,工作牢靠,使用和修理比较便利。1.2.2 桑塔纳 2023 型轿车点火系统所要到达的效果及技术要求点火系统的根本功用是在发动机各种工况和使用条件下,在气缸内适时、准确、牢靠地产生电火花,以点燃可燃混合气,使发动机作功。(1) 能产生足以击穿火花塞两电极间隙的电压使火花塞两电极之间的间隙击穿并产生电火花所需要的电压,称为火花塞击穿电压。火花塞击穿电压的大小与电极之间的距离(火花塞间隙)、气缸内的压力和温度、电极的温度、发动机的工作状况等因素有关。火花塞间隙越大,电极四周气体中的电子和离子距离越大,受到电场力的作用越小,越不简洁发生碰撞的电离,一次要求具有较高的击穿电压方能点火;气缸内的压力
4、越大或者温度越低,所要求的火花塞击穿电压越高;电极的温度对火花塞击穿电压也有影响,当火花塞的电极温度超过混合气的温度时,击穿电压可降低 30%50%。试验说明,发动机正常运行时,火花塞的击穿电压为 78kV,发动机冷起动时达 19kV。为了使发动机在各种不同的工况下均能牢靠地点火,要求火花塞击穿电压应在 1520kV。(2) 电火花应具有足够的点火能量为了使混合气牢靠点燃,火花塞产生的火花应具备肯定的能量。发动机工作时, 由于混合气压缩时的温度接近自燃温度,因此所需的火花能量较小(15mJ),传统点火系统的火花能量(1550mJ),足以点燃混合气。但在起动、怠速以及突然加速时需要较高的点火能量
5、。为保证牢靠点火,一般应保证 5080mJ 的点火能量,起动时应能产生大于 100mJ 的点火能量。(3) 点火时刻应与发动机的工作状况相适应首先发动机的点火时刻应满足发动机工作循环的要求;其次可燃混合气在气缸内从开头点火到完全燃烧需要肯定的时间(千分之几秒),所以要使发动机产生最大的功率,就不应在压缩行程终了(上止点)点火,而应适当地提前一个角度。这样当活塞到达上止点时,混合气已经接近充分燃烧,发动机才能发出最大功率。以上是点火系统设计应满足的根本要求,还有一些例如工作牢靠、使用寿命长、便于拆装等要求也是应当在设计中考虑到的。2. 设计方案分析2.1 设计方案陈述2.1.1 总体陈述本方案承
6、受了无触点电子点火系统,主要由点火信号发生器(传感器)、点火掌握器、点火线圈两个、分电器、火花塞等组成。其中分电器主要包括点火信号发生器、配电器和离心提前装置、真空提前装置,它们的作用、构造和工作原理与传统点火系统对应局部完全一样。点火信号发生器承受霍尔效应式点火信号发生器。点火系统总体示意图如下图。2.1.2 各局部零件陈述(1) 点火线圈1- 绝缘座;2-铁芯;3-初级绕组;4-次级绕组;5-导磁钢套;6-外壳;7-“”接线柱8-胶木盖;9 高压线接头;10-“+开关”接线柱;11“+”接线柱;12-附加电阻火线圈是将蓄电池或发电机输出的低压电转变为高压电的升压变压器,它由初级绕组、次级绕
7、组和铁心等组成。按其磁路的形式,可分为开磁路点火线圈和闭磁路点火线圈两种。开磁路点火线圈依据低压接线柱数目的不同,分为两接线柱式和三接线柱式两种。本设计方案承受的是三接线柱式开磁路点火线圈。其构造及各局部尺寸如下图。(2) 绕组绕组是点火线圈的核心局部,主要由初级绕组、次级绕组以及铁芯组成。绕组的作用是将利用磁通量的变化,对初级绕组产生的低压电进展增压,为火花塞供给足够能量的高压电。其示意图如下图,具体尺寸及数据将在计算局部具体阐述。L :初级线圈;L :次级线圈12(3) 外壳点火线圈外壳是一个圆柱形壳体,作用的容纳并保护铁芯、初级绕组、次级绕组导磁钢套等零部件。外壳应具有良好的导热性,并且
8、具有肯定的刚度与强度。本设计方案点火线圈外壳材料承受 45 号钢。外壳的构造及尺寸如下图。(4) 胶木盖胶木盖的主要作用是对点火线圈密封,并在其上安装高压接线头、低压接线柱等。胶木盖必需具有良好的绝缘性,并具有肯定的强度与刚度。除此之外,胶木盖与点火线圈外壳必需严密结合,以防点火线圈内部填充物泄露或其它杂物进入。为了到达此项要求,胶木盖与点火线圈外壳承受过盈协作,并在结合处承受橡胶密封圈密封橡胶密封圈构造与尺寸详见点火线圈设计图。胶木盖构造及尺寸如下图。(5) 导磁钢套导磁钢套位于绕组与外壳的中间,其作用是削减漏磁,将强密封,防止潮气侵入。导磁钢套的材料为合金铝。导磁钢套构造及尺寸如下图。(5
9、) 附加电阻支架附加电阻支架安装在点火线圈外部,作用是支撑附加电阻,主要由附加电阻、瓷质绝缘体、附加电阻盖、螺钉等组成。附加电阻支架构造及尺寸如下图。(6) 绝缘座绝缘座安装在铁芯下端,材料是陶瓷。绝缘座构造及尺寸如下图。(7) 火花塞火花塞的作用是把点火线圈产生的高压电1 万伏特以上引入发动机气缸, 在火花塞电极的间隙之间产生火花点燃混合气。火花塞的工作环境极为恶劣。桑塔纳 2023 型轿车发动机为四冲程中低速汽油机,在进气冲程时气缸温度只有 60, 压力 90KPa;而在点火燃烧时,温度会瞬间上升至 22002800K,压力到达 4MPa; 这种急冷急热的交替频率很高,不是一般材料所能应付
10、得了,还要保证绝缘性能, 因此火花塞的材料要求很苛刻。火花塞由绝缘体和金属壳体两大组成局部:金属壳体带有螺纹,用于拧入气缸; 在壳体内装有绝缘体,它里面贯穿一根中心电极、中心电极上端有接线螺母,连接从分电盘过来的高压电线;在壳体的下端面焊有接地电极,即侧电极。火花塞中心电极与侧电极之间的间隙,称为火花塞间隙。火花塞间隙对火花塞及发动机的工作性能均有很大影响。间隙过小,火花微弱,并简洁产生积炭而漏电;间隙过大,火花塞击穿电压增高,发动机不易起动,且在高速时简洁发生“缺火”现象。因此, 火花塞间隙的大小应适当。在火花塞间隙一般为 0.61.0mm,火花塞间隙的调整可扳动侧电极来实现。中心电极要求具
11、有良好的耐高温、耐腐蚀性能,所以一般多用镍锰合金制成。为了提高耐热性,本设计方案承受镍包铜作为电极材料。火花塞关键局部是绝缘体,假设绝缘体不起作用,高压电就会“抄小路”而不经两极入地,造成无火花现象。火花塞的绝缘体必需要有良好的机械性能和耐高电压、耐高温冲击,耐化学腐蚀的力量。本设计方案绝缘体承受以氧化铝为根底的陶瓷做成。为了与桑塔纳 2023 型轿车的发动机匹配,火花塞设计规格为M141.25。火花塞间隙和火花塞绝缘体群部长度将在计算局部具体表达。火花塞构造及尺寸如下图。(8) 分电器分电器直接购置,不再单独设计。分电器构造如下图。2.2 设计方案分析以上方案根本上满足了设计题目的要求,其设
12、计上存在着肯定的优缺点。以下将从其各个零件及其安装协作进展分析。2.2.1 点火线圈三接线柱式点火线圈的主要优点是工作牢靠,构造简洁,本钱较低,修理与拆装便利。主要缺点是铁芯的上部和下部的磁力线从空气中穿过,泄露的磁通量多, 转换效率较低。2.2.2 火花塞本设计方案承受的是单极火花塞。对于单极火花塞而言,中心电极与侧电极之间的间隙,对于火花塞的性能是有影响的。在升压线圈不变的状况下,火花塞之间电极之间的间隙越大,电极之间的空气就越不简洁被击穿。但一旦击穿产生的电弧能量也更大。在发动机低速运转的时候,气缸内的空气流速慢,电极之间的空气比较简洁被击穿,因此产生的较大的电弧适合发动机低速扭矩输出。
13、但较大的间隙在高速时会遇到麻烦。由于高速时气缸内的混合气流流速快,电极之间的空气被击穿产生电弧的概率会降低。这种没有成功产生电弧的概率被称作失火率,间隙较大的火花塞失火率较高,会影响发动机高速动力输出。那么反之,较小的电极间隙性能刚好相反,低速时点火能量相对较小,但高速时失火率低。2.2.3 分电器本设计方案承受的是霍尔效应式点火信号发生器。霍尔效应式点火信号发生器与磁脉冲式点火信号发生器相比,优点是性能稳定,耐久性好,寿命长,点火精度高,且不受温度、灰尘、油污等的影响,特别是输出的电压信号不受发动机转速的影响,使发动机低速点火性能良好,简洁启动。缺点是本钱较高。3. 设计计算本局部主要涉及点
14、火线圈绕组与火花塞间隙的计算与校核,通过计算进而确定各零部件的尺寸大小,使之满足设计需要。这局部的计算主要进展在设计方案确定后的进一步准确的设计,下面就对各零部件分别进展设计计算。3.1 点火线圈设计计算与校核3.1.1 发动机工作特性分析桑塔纳 2023 型轿车承受的是中低速发动机,最大功率为 74kw,最大扭矩 155NM, 最高转速为 5200 rpm。磨合期转速一般在 2023 rpm,磨合期过后转速一般在 2500 rpm左右,这样既能保证动力学,又不简洁有积碳,因此可知汽车正常行驶时,发动机转速 n=2500 rpm。3.1.2 点火线圈工作特性分析点火线圈是将蓄电池或发电机输出的
15、低压电转变为高压电的升压变压器,它是通过磁耦合来传输能量的。(1) 点火线圈原理分析点火线圈利用电磁感应原理,从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的u一种电器。由变压器原理可知: u12ll1 ,2uu1、 2 分别为初级线圈电压、次级线圈电压,l1、l2 分别为初级线圈匝数、次级线圈匝数。原理图如下图。L :初级线圈;L :次级线圈12(2) 确定点火线圈的工作频率点火线圈工作频率与曲轴转速有关,本设计方案中承受 1 个点火线圈,故曲轴每旋转 1 圈,点火线圈工作 2 次,故点火线圈工作频率为:n 22500 2f =60=60= 83.3Hz ,式中 n 为发动机转速。因此该点火线圈属
16、于低频变压器。3确定初级电压与次级电压点火线圈初级线圈输入电压是脉冲信号,因此次级线圈输出电压理论上也是脉冲信号。图中a为加在脉冲变压器输入端的矩形脉冲波,图 1b为输出端得到的输出波形,可以看出脉冲变压器带来的波形失真主要有以特点:脉冲电压输入、输出波形a输入波形b输出波形上升和下降变得倾斜,即存在上升时间和下降时间;上升过程的末了时刻,有上冲,甚至消灭振荡现象;下降过程的末了时刻,有下冲,也可能消灭振荡波形; 平顶局部是渐渐降落的。由于点火线圈工作频率 f = 83.3Hz,因此初级线圈电流与磁场产生时间格外短暂。当时级线圈接通电源时,随着电流的增长四周产生一个很强的磁场,铁芯储存了磁场能
17、;当开关装置使初级线圈电路断开时,初级线圈的磁场快速衰减,因此初级线圈中电流及磁场产生时间格外短暂。由于磁通量的快速衰减,能在初级线圈中产生 200300V 的电压。初级电压 U1= - df = 280V 。dt发动机正常运行时,火花塞的击穿电压为78kV,发动机冷起动时达 19kV。为了使发动机在各种不同的工况下均能牢靠地点火,要求火花塞击穿电压应在 15 20kV,因此选定次级线圈设计电压 U2=20kV。3.1.3 点火线圈计算(1) 计算次级线圈功率 P2由公式 P =U I =202300.018=360w,式中 U 次级电压,I 为次级电流。22 222(2) 计算变压器功率 P
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