曹翰卿，劉偉光，谷祥盛，沈源，王瑞平,2

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某發(fā)動機火花塞淹缸故障診斷及分析

曹翰卿1，劉偉光1，谷祥盛1，沈源1，王瑞平1,2

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江 寧波 315800）

發(fā)動機在低溫條件下的起動能力是衡量發(fā)動機性能指標的重要依據(jù)。為了確定發(fā)動機低溫起動困難的原因，文章從點火能量、火花塞狀態(tài)、標定數(shù)據(jù)、起動機拖動轉(zhuǎn)速等方面逐一分析其失效模式。

發(fā)動機；低溫起動；火花塞；轉(zhuǎn)速

引言

低溫起動困難是目前困擾發(fā)動機較為嚴重的一個現(xiàn)實問題。以我國東北地區(qū)為例，冬季氣溫最低常常在零下三十攝氏度以下。因氣溫較低，發(fā)動機著火困難，加之低溫時潤滑油粘度大，起動阻力大[1]。使得該地域內(nèi)燃機車輛常常會遇到起動困難甚至無法起動等問題，從而導致火花塞淹缸。針對這一現(xiàn)象，本文以某款發(fā)動機為例，分析各種可能導致火花塞淹缸的原因。

低溫起動試驗的主要方法有：高寒試驗、低溫起動試驗（環(huán)境艙）。本文所分析的試驗數(shù)據(jù)皆來自于環(huán)境艙試驗。

1 火花塞淹缸現(xiàn)象綜述

試驗背景：針對某發(fā)動機市場冷啟動困難問題，開展專項調(diào)查工作。

試驗方法：試驗前車輛隨環(huán)境艙靜置8小時，連續(xù)啟動5次，均啟動成功則成功，否則算失敗。收集并分析每次失敗的相關(guān)數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果：起動失敗3次，成功20次。起動失敗的轉(zhuǎn)速曲線如圖1（鋸齒狀轉(zhuǎn)速為典型的失火現(xiàn)象），淹缸后拆下來的火花塞如圖2。

圖1 低溫條件下起動失敗的起動轉(zhuǎn)速曲線

圖2 淹缸后的火花塞

2 火花塞淹缸原因排查

2.1 點火線圈充磁時間短

點火線圈通電時間的原理是：在蓄電池電壓高、點火線圈初級電流上升快時，減小通電時間，避免點火線圈形成過大的初級電流，防止點火線圈溫度過高而損壞；在蓄電池電壓低時，則增加點火線圈初級通電時間，確保形成足夠大的初級電流。

因此在一定時間內(nèi)，通電時間越長，點火能量越有保障。通過對比不同機型12V電壓下點火線圈的充磁時間，可以排除是否因為充磁時間過短而導致初級電流過低。經(jīng)排查，該點火線圈充磁時間合格。不存在充磁時間短的問題。

2.2 點火能量對比

點火線圈的點火能量是火花電流與火花電壓的乘積在整個火花持續(xù)時間內(nèi)的積分，即：

式中：W——點火能量；

t——火花持續(xù)時間；

I——火花電流；

U——火花電壓；

圖3為本次測試中幾款對標發(fā)動機的點火能量對比圖（略去產(chǎn)品信息）。從上圖中分析幾款發(fā)動機點火能量差別不大，不是本次導致啟動困難的原因。

圖3 市面上幾款對標發(fā)動機的點火能量對比圖

2.3 發(fā)動機本體設(shè)計問題及標定數(shù)據(jù)問題

2.3.1 火花塞抗積碳能力排查

圖4 火花塞積碳污損實驗原理圖

測試方法：火花塞積炭污損實驗，原理如圖4

測試條件：環(huán)境溫度：-10℃

水溫=油溫=-10℃

參考標準：日本JISD1606標準

要求：發(fā)動機一次性起動成功且運行平穩(wěn)；

每次測試四個缸火花塞絕緣電阻的平均值≥10MΩ；完成10循環(huán)測試。

測試結(jié)果見表1（以A火花塞為例）：

表1 某火花塞積碳污損實驗10次循環(huán)絕緣電阻值

排查結(jié)論：該火花塞抗積碳能力滿足要求，排除火花塞積碳導致啟動失敗淹缸；反之，若未完成4個循環(huán)，火花塞絕緣阻值低于10MΩ，試驗失敗，不合格。則可以證明該火花塞抗積炭能力較弱，容易導致淹缸。

2.3.2 火花塞附近速度場排查

如圖5所示，通過仿真分析得出結(jié)論：A發(fā)動機點火時刻的火花塞中間流場分布如圖，火花塞中間流速最大值10.71m/s，設(shè)計標準：低于25m/s；滿足要求，排除火花塞附近氣流速度場原因?qū)е率Щ饐邮　?/p>

圖5 某火花塞附件速度場仿真分析

2.3.3 標定數(shù)據(jù)排查

當環(huán)境溫度在-25℃以下時，發(fā)動機起動較為困難。同時，發(fā)動機低溫起動后的運行阻力大，維持一定怠速轉(zhuǎn)速時需要的油量相對較大[2]。起動時轉(zhuǎn)速上升曲線也會有所差異。因此本實驗直接采用-35℃下加濃前后起動數(shù)據(jù)對比，可更直觀的得出結(jié)論。

試驗目的：

使用高蒸發(fā)油和低蒸發(fā)油分別對比驗證原數(shù)據(jù)和加濃20%數(shù)據(jù)在低溫下的冷起動表現(xiàn)。

試驗規(guī)范[3]：

車輛冷浸8H以上，分別使用高蒸發(fā)油（80.7kpa）和低蒸發(fā)油在-35℃環(huán)境艙下做以下試驗

車輛冷浸前檢測火花塞確保阻值∞，檢測蓄電池電壓、SOC、CCA

啟動前檢測蓄電池電壓、SOC、CCA，記錄水溫和環(huán)境溫度

連續(xù)啟動5次，每次時間間隔依次是5S、30S、90S、180S

熱車：原地踩油門，轉(zhuǎn)速4000-5000rpm，運行15-20min，熱車后冷浸準備下一次試驗

判定標準：連續(xù)啟動5次，都啟動成功

表2 -35℃，高蒸發(fā)油（81kpa）起動情況對比

分析：表2和圖6為高蒸發(fā)壓油源數(shù)據(jù)和加濃數(shù)據(jù)的起動情況對比，圖6中紅色代表原數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速曲線，綠色代表加濃20%數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速曲線，加濃20%數(shù)據(jù)在啟動時轉(zhuǎn)速上升過程中轉(zhuǎn)速有波動，啟動時間比原數(shù)據(jù)長1s。

分析：表3和圖7為低蒸發(fā)壓油源數(shù)據(jù)和加濃數(shù)據(jù)的起動情況對比，圖7中紅色代表原數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速曲線，綠色代表加濃20%數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速曲線，加濃20%數(shù)據(jù)在啟動時轉(zhuǎn)速上升過程中轉(zhuǎn)速有波動，啟動時間比原數(shù)據(jù)長0.6s。

表3 -35℃，低蒸發(fā)壓油起動情況對比

排查結(jié)論：車輛冷浸8H以上，水溫在-35℃條件下，火花塞阻值∞，蓄電池能滿足啟動的條件下，分別使用高蒸發(fā)油和低蒸發(fā)油，A發(fā)動機原整車冷啟動標定數(shù)據(jù)、加濃20%數(shù)據(jù)均能啟動成功，加濃20%數(shù)據(jù)啟動過程中轉(zhuǎn)速有波動情況，原數(shù)據(jù)更利于低溫冷啟動。

因此，原整車冷啟動標定數(shù)據(jù)在低溫，蓄電池CCA滿足足夠拖動轉(zhuǎn)速的情況下能夠正常啟動，標定數(shù)據(jù)沒有問題。

2.4 起動機排查

結(jié)論：見圖8。該起動機性能不存在問題，排除起動機隱患。

圖8 起動機排查結(jié)論

2.5 拖動轉(zhuǎn)速不足以滿足起動條件

發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速、起動電流是影響發(fā)動機起動性能的主要因素，二者直接相關(guān)。發(fā)動機冷起動時起動機蓄電池工作電流反應了氣缸密封性狀況，是發(fā)動機冷起動測試與診斷的主要參數(shù)[4]。

表4 蓄電池能正常拖動發(fā)動機A啟動的CCA臨界值

表5 蓄電池能正常拖動發(fā)動機B啟動的CCA臨界值

排查結(jié)果：分析表4和表5中的數(shù)據(jù)可知，蓄電池CCA低于臨界值會導致發(fā)動機啟動失敗。

3 優(yōu)化措施

針對發(fā)動機冬季啟動失敗的現(xiàn)象，有如下幾種方案：

1）提高怠速，發(fā)動機不至于因失火而熄火。

2）增加多次點火，提高點火成功率。

馮建寧充分認識到科學技術(shù)的重要性，自2014年起連續(xù)2年參加了縣農(nóng)廣校舉辦的新型職業(yè)農(nóng)民培訓，并于2015年參加了現(xiàn)代青年農(nóng)場主培訓，同年11月，馮建寧作為全省新型職業(yè)農(nóng)民代表帶著自己發(fā)明的專利產(chǎn)品“核桃樹防護貼”，參加了第四屆中國國際現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽會。

3）使用0W型號的機油，降低起動阻力。

加大蓄電池容量，提高蓄電池低溫放電能力?；蛟诘蜏丨h(huán)境中，將蓄電池放在有夾層的保溫箱中進行保溫，可使蓄電池的工作指標有很大改善[5]。

4 結(jié)論

發(fā)動機低溫起動困難的原因雖然并不復雜，故障的診斷與檢修也并不需要太多的人力物力成本。但是在實際分析中往往涉及到過多的變量。

本次排查本著科學嚴謹?shù)膽B(tài)度逐一排查。排查發(fā)現(xiàn)：盡管發(fā)動機低溫起動困難與點火能量、火花塞狀態(tài)、標定數(shù)據(jù)等有直接或間接的關(guān)系，但實際上蓄電池低溫環(huán)境下放電能力的不足才是導致發(fā)動機無法起動的關(guān)鍵因素。因此，適度的提高蓄電池的容量，保證蓄電池在低溫環(huán)境下有足夠的放電能力，可以解決該發(fā)動機低溫起動困難的問題。

參考文獻

[1] 李美華.發(fā)動機起動技術(shù)的研究[J].科技創(chuàng)新導報. 2008(17).

[2] 曲興年,王兆前.淺析電控發(fā)動機的整車標定方法[J]. 內(nèi)燃機與配件. 2014(03).

[3] 李毅,高廣新,劉圣華,魏衍舉,李廣樂,遲磊.環(huán)境溫度對甲醇/汽油發(fā)動機冷起動排放影響的研究[J].西安交通大學學報. 2011 (11).

[4] 張建華.發(fā)動機冷起動測試系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J].大眾科技.2014 (10).

[5] 趙琦,鄂衛(wèi)波,楊新宇. 低溫對發(fā)動機起動的影響[J].內(nèi)燃機.2003 (02).

Diagnose and analyze of the engine spark plugs failing to start

Cao Hanqing1, Liu Weiguang1, Gu Xiangsheng1,Shen Yuan1, Wang Ruiping1,2

( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336;2.Zhejiang Geely Royal Engine Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800 )

Abstract:The cold-start capability is one of the most important properties of internal combustion engine to characterize engine’s performance. To find the real reason of the cold-start difficulty, We analyze the ignition energy,sparking plug,rating data and the rotate speed of the starter.

Keywords: engine; cold-start; sparking-plug; rating data

CLC NO.: U472.9

Document Code: B

Article ID: 1671-7988(2018)21-277-04

中圖分類號：U472.9

文獻標識碼：B

文章編號：1671-7988(2018)21-277-04

作者簡介：曹翰卿（1994-），男，山東濟寧，吉林大學本科，現(xiàn)從事發(fā)動機設(shè)計開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.096