某發動機火花塞淹缸故障診斷及分析

曹翰卿，劉偉光，谷祥盛，沈源，王瑞平,2

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

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

發動機；低溫起動；火花塞；轉速

引言

低溫起動困難是目前困擾發動機較為嚴重的一個現實問題。以我國東北地區為例，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。針對這一現象，本文以某款發動機為例，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（環境艙）。本文所分析的試驗數據皆來自于環境艙試驗。

1 火花塞淹缸現象綜述

試驗背景：針對某發動機市場冷啟動困難問題，開展專項調查工作。

試驗方法：試驗前車輛隨環境艙靜置8小時，連續啟動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數據

試驗結果：起動失敗3次，成功20次。起動失敗的轉速曲線如圖1（鋸齒狀轉速為典型的失火現象），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，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時間內的積分，即：

式中：W——點火能量；

t——火花持續時間；

I——火花電流；

U——火花電壓；

圖3為本次測試中幾款對標發動機的點火能量對比圖（略去產品信息）。從上圖中分析幾款發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 市面上幾款對標發動機的點火能量對比圖

2.3 發動機本體設計問題及標定數據問題

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：環境溫度：-10℃

水溫=油溫=-10℃

參考標準：日本JISD1606標準

要求：發動機一次性起動成功且運行平穩；

每次測試四個缸火花塞絕緣電阻的平均值≥10MΩ；完成10循環測試。

測試結果見表1（以A火花塞為例）：

表1 某火花塞積碳污損實驗10次循環絕緣電阻值

排查結論：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，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論：A發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導致失火啟動失敗。

圖5 某火花塞附件速度場仿真分析

2.3.3 標定數據排查

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

試驗目的：

使用高蒸發油和低蒸發油分別對比驗證原數據和加濃20%數據在低溫下的冷起動表現。

試驗規范[3]：

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

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，記錄水溫和環境溫度

連續啟動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：連續啟動5次，都啟動成功

表2 -35℃，高蒸發油（81kpa）起動情況對比

分析：表2和圖6為高蒸發壓油源數據和加濃數據的起動情況對比，圖6中紅色代表原數據轉速曲線，綠色代表加濃20%數據轉速曲線，加濃20%數據在啟動時轉速上升過程中轉速有波動，啟動時間比原數據長1s。

分析：表3和圖7為低蒸發壓油源數據和加濃數據的起動情況對比，圖7中紅色代表原數據轉速曲線，綠色代表加濃20%數據轉速曲線，加濃20%數據在啟動時轉速上升過程中轉速有波動，啟動時間比原數據長0.6s。

表3 -35℃，低蒸發壓油起動情況對比

排查結論：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，分別使用高蒸發油和低蒸發油，A發動機原整車冷啟動標定數據、加濃20%數據均能啟動成功，加濃20%數據啟動過程中轉速有波動情況，原數據更利于低溫冷啟動。

因此，原整車冷啟動標定數據在低溫，蓄電池CCA滿足足夠拖動轉速的情況下能夠正常啟動，標定數據沒有問題。

2.4 起動機排查

結論：見圖8。該起動機性能不存在問題，排除起動機隱患。

圖8 起動機排查結論

2.5 拖動轉速不足以滿足起動條件

發動機起動轉速、起動電流是影響發動機起動性能的主要因素，二者直接相關。發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，是發動機冷起動測試與診斷的主要參數[4]。

表4 蓄電池能正常拖動發動機A啟動的CCA臨界值

表5 蓄電池能正常拖動發動機B啟動的CCA臨界值

排查結果：分析表4和表5中的數據可知，蓄電池CCA低于臨界值會導致發動機啟動失敗。

3 優化措施

針對發動機冬季啟動失敗的現象，有如下幾種方案：

1）提高怠速，發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的重要性，自2014年起連續2年參加了縣農廣校舉辦的新型職業農民培訓，并于2015年參加了現代青年農場主培訓，同年11月，馮建寧作為全省新型職業農民代表帶著自己發明的專利產品“核桃樹防護貼”，參加了第四屆中國國際現代農業博覽會。

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。或在低溫環境中，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 結論

發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的態度逐一排查。排查發現：盡管發動機低溫起動困難與點火能量、火花塞狀態、標定數據等有直接或間接的關系，但實際上蓄電池低溫環境下放電能力的不足才是導致發動機無法起動的關鍵因素。因此，適度的提高蓄電池的容量，保證蓄電池在低溫環境下有足夠的放電能力，可以解決該發動機低溫起動困難的問題。

參考文獻

[1] 李美華.發動機起動技術的研究[J].科技創新導報. 2008(17).

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

[3] 李毅,高廣新,劉圣華,魏衍舉,李廣樂,遲磊.環境溫度對甲醇/汽油發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.發動機冷起動測試系統設計與開發[J].大眾科技.2014 (10).

[5] 趙琦,鄂衛波,楊新宇. 低溫對發動機起動的影響[J].內燃機.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，現從事發動機設計開發工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.096