汽車點火系統(tǒng)故障分析報告摘要：本文從汽油發(fā)動機點火系統(tǒng)的故障入手，評估了點火系統(tǒng)故障的研究現(xiàn)狀，重點研究了電控點火系統(tǒng)的工作原理，并對重要部件的結(jié)構(gòu)，功能及相關(guān)性能進行了系統(tǒng)的分析。鑒于火花塞陶瓷體斷裂引起的點火系統(tǒng)故障，通過測試對應(yīng)于火花塞不同火花位置的發(fā)動機功率，消除了火花塞的火花位置與系統(tǒng)故障之間的相關(guān)性；檢查不同工作條件下的火花塞溫度，發(fā)現(xiàn)火花塞溫度；此外，通過對發(fā)動機提前點火趨勢的研究，可以排除發(fā)動機熱量的主要來源導(dǎo)致點火系統(tǒng)故障的可能性。關(guān)鍵詞：發(fā)動機，點火系統(tǒng)，點火線圈，火花塞一、引言（一）研究背景汽油發(fā)動機點火系統(tǒng)故障關(guān)聯(lián)因素較多，特別是在引入發(fā)動機電控點火系統(tǒng)之后結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障類型增多。例如，零部件損壞引起的故障，一般在點火線圈的主要系統(tǒng)內(nèi)零部件上出現(xiàn)短路、斷路引起的故障，一般在連接線束上體現(xiàn)；火花塞這最為突出的部件性能指標(biāo)未互相匹配引起的故障，由于性能指標(biāo)之間互相影響，情況復(fù)雜，使其成為了點火系統(tǒng)故障分析的難點和重點。最常見的故障表現(xiàn)為發(fā)動機單缸或者多缸失火，導(dǎo)致車輛啟動困難，怠速不穩(wěn)或者不能保持高車速等現(xiàn)象。點火故障對車輛的動力性、燃油經(jīng)濟性、廢氣排放和振動噪聲等均產(chǎn)生影響，同時嚴(yán)重影響車輛的駕駛感受和安全性。此外，點火系統(tǒng)還是故障的高頻系統(tǒng)，在車輛常見故障中，點火系統(tǒng)的故障占據(jù)了發(fā)動機所有故障的45%以上。（二）研究意義對汽油發(fā)動機點火系統(tǒng)故障的關(guān)聯(lián)因素以及各因素之間相互關(guān)系的研究，首先可以全面地研究發(fā)動機點火系統(tǒng)的工作過程，充分發(fā)揮渦輪增壓汽油發(fā)動機功效，具有現(xiàn)實意義與實用價值；其次可以在發(fā)動機的研發(fā)階段就對故障進行有效對策，防止搭載該發(fā)動機的車輛銷售后面臨的重大品質(zhì)不良和維修問題，避免企業(yè)聲譽受損；最后本文分析問題的方法、對策方案以及試驗數(shù)據(jù)，對行業(yè)內(nèi)指導(dǎo)渦輪增壓汽油發(fā)動機的點火系統(tǒng)研發(fā)提供了一定的參考。二、點火系統(tǒng)原理與構(gòu)成（一）點火系統(tǒng)的類型發(fā)動機點火系統(tǒng)，按照產(chǎn)生電火花的方式分類，可分為有分電器式電控點火系統(tǒng)和無分電器式電控點火系統(tǒng)電子控制的點火系統(tǒng)使用發(fā)動機控制模塊（ECM）來控制點火正時。由于采用了電子控制技術(shù)，因此可以代替機械點火角調(diào)節(jié)裝置，在各種工況下精確調(diào)節(jié)點火正時，發(fā)動機功率，燃油消耗和廢氣排放得到了改善。無分電器式電控點火系統(tǒng)的優(yōu)點是：消除了分配器，大大減少了無線電干擾，延長了使用壽命。每個氣缸的單獨和靈活的點火控制提高了可靠性，并增加了發(fā)動機設(shè)計的自由度。此點火系統(tǒng)自誕生以來就已被廣泛使用，因此下面研究的電子控制點火系統(tǒng)為無分器式。（二）電控點火系統(tǒng)工作原理與構(gòu)成電控點火系統(tǒng)由如下部分構(gòu)成：檢測發(fā)動機運行工況信息的轉(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所示。圖1電控點火系統(tǒng)因發(fā)動機轉(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行闡述。1.發(fā)動機控制模塊(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)濟與排放，同時減少爆震發(fā)生?；军c火正時取決于發(fā)動機轉(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。（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、高溫保護功能。2.點火線圈點火線圈為電感應(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2所示,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2點火線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)點火線圈按照結(jié)構(gòu)分類分為多頭型、筆形和矩形，如圖3所示。圖3點火線圈分類3.火花塞火花塞特殊的功能和工作環(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)動機氣缸內(nèi)交變的壓力，要求火花塞應(yīng)具備較高的機械強度?；旌蠚馊紵龝r，氣缸內(nèi)溫度很高，進氣時又突然冷卻，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。圖4火花塞結(jié)構(gòu)三點火系統(tǒng)故障描述（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)動機進行發(fā)動機臺架耐久試驗，按照試驗規(guī)范，發(fā)動機臺架耐久需運行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)動機主要參數(shù)見表1。表1發(fā)動機主要參數(shù)表形式排量（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5所示。圖5發(fā)動機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6所示。圖6第3缸缸套發(fā)動機臺架試驗后的火花塞檢測結(jié)果見表3-2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發(fā)動機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“一”表示因火花塞故障，無法檢測該項目。對發(fā)動機臺架試驗后的火花塞進行拆解，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7所示圓圈處為貫穿小孔。圖7發(fā)動機臺架試驗后第3缸火花塞拆解結(jié)果依據(jù)發(fā)動機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。分析表明，該發(fā)動機臺架故障歸結(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)動機的自主品牌SUV進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8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8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9所示，其中紅點處為貫穿小孔。圖9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。四、點火系統(tǒng)故障的檢測與維修依據(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行。（一）提高火花塞陶瓷體耐電壓能力汽油發(fā)動機，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)動機擴大缸蓋冷卻水道，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)酰欢鴾u輪增壓汽油發(fā)動機特有的增強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10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。另一方面未擴大火花塞整體結(jié)構(gòu)，不會對發(fā)動機冷卻水道產(chǎn)生影響。圖10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。因為不僅需要更換火花塞，還需要維修發(fā)動機，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。

五、結(jié)論針對點火系統(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間的點火電壓的組合對策。并通過發(fā)動機臺架耐久試驗和整車耐久試驗，對措施的有效性進行了充分的驗證，從而解決了該款發(fā)動機點火系統(tǒng)故障的問題。本文不是將點火系統(tǒng)內(nèi)部零部件隔斷起來進行單獨研究，而是把整個點火系統(tǒng)結(jié)合起來，研究了系統(tǒng)內(nèi)零部件性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)與匹配關(guān)系，為行業(yè)內(nèi)汽油發(fā)動機的開發(fā)提供了工程借鑒。

參考文獻[1]