火花塞電磁兼容性能的提升對(duì)策

楊輝睦，杜德魁，鄧鈞，李耀，張?zhí)昧?/p>

(株洲湘火炬火花塞有限責(zé)任公司，湖南株洲 412001)

0 引言

隨著車輛產(chǎn)品的升級(jí)，越來(lái)越多的電子設(shè)備搭載在整車上，如影音系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等。另外，越來(lái)越多的智能電子產(chǎn)品也應(yīng)用于人們的日常生活中，如手機(jī)、計(jì)算機(jī)、智能家電等?？梢哉f(shuō)電子產(chǎn)品無(wú)處不在。對(duì)電子產(chǎn)品而言，電磁干擾一直是一個(gè)看不見(jiàn)摸不著的問(wèn)題，常見(jiàn)問(wèn)題有影像顯示閃屏(如圖1所示)、音響噪聲、智能控制失效等。

圖1 影像顯示閃屏

同時(shí)隨著高壓縮比、增壓直噴、稀薄燃燒等發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火電壓、能量成倍增長(zhǎng)，電磁干擾問(wèn)題更加凸顯。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及線路布局上都進(jìn)行電磁兼容的優(yōu)化(如采用深的火花塞安裝井，以增加金屬屏蔽的效果，削弱電磁波發(fā)射；逐步淘汰了點(diǎn)火系統(tǒng)中高壓線的使用，縮短了電磁波傳播的路徑，達(dá)到降低電磁波的干擾)，但仍未能很好或完全解決電磁干擾的問(wèn)題。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛而言，國(guó)內(nèi)、外標(biāo)準(zhǔn)化組織均出臺(tái)了相應(yīng)的電磁兼容性檢驗(yàn)方法和驗(yàn)收評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，如GB 18655、EN 14982、GB 14023、EN 55012等，以此要求并監(jiān)控相關(guān)的產(chǎn)品滿足人們對(duì)電磁兼容的需求。

國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)EMC(Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性)的定義為：系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時(shí)不對(duì)其他系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾。該定義包含了兩個(gè)方面的含義：首先，設(shè)備能夠抵抗所接受到的電磁波的干擾并正常工作，即EMS(Electro Magnetic Sensitivity)；其次，設(shè)備所發(fā)射的電磁干擾不能影響其他設(shè)備的正常工作，即電磁干擾EMI(Electro Magnetic Interference)。EMI分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種：傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)；輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。干擾就需要干擾源，干擾源是指急速變化的電荷或電流產(chǎn)生了電磁波，并傳導(dǎo)或輻射到周圍[2]。

1 火花塞點(diǎn)火及電磁兼容機(jī)制

1.1 火花塞點(diǎn)火原理

發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作循環(huán)中，在壓縮上止點(diǎn)附近時(shí)，點(diǎn)火系統(tǒng)會(huì)向火花塞的接線端施加一個(gè)高達(dá)上萬(wàn)伏的高壓脈沖信號(hào)，脈沖電壓上升速率大于600 V/μs。因火花塞接線端與中心電極是直接導(dǎo)通的，在電壓上升時(shí)，中心電極與接地的側(cè)電極之間就會(huì)形成高壓和強(qiáng)電場(chǎng)。當(dāng)脈沖電壓上升到一定值后，中心電極和側(cè)電極之間的間隙處的油氣混合氣會(huì)被強(qiáng)電場(chǎng)電離擊穿，形成電火花，進(jìn)而點(diǎn)燃混合氣?；鸹ㄈ姆烹娢⒂^上分為3個(gè)階段，即擊穿階段(Breakdown Phase)、電弧形成階段(Arc Phase)、火花維持階段(Glow Phase)，如圖2所示。

圖2 火花塞點(diǎn)火電壓波形

在擊穿階段，中心電極和側(cè)電極之間的電壓會(huì)在瞬間(1～2 ns)由上萬(wàn)伏降低到幾十伏，然后又在極短的時(shí)間內(nèi)(1～10 μs)形成電弧，然后進(jìn)入輝光放電火花維持階段(0.5～2 ms)，火花維持階段的電壓在幾百伏左右。最后，當(dāng)線圈儲(chǔ)存的能量釋放結(jié)束后，電壓衰減震蕩消失。間隙擊穿放電時(shí)電壓瞬間的變化會(huì)形成震蕩電磁波，通過(guò)火花塞接線端子一端和點(diǎn)火高壓線向周圍釋放電磁波信號(hào)，干擾外圍的電子設(shè)備工作。另外，火花塞工作時(shí)所受到外界電磁波的影響微小，所以不作闡述。

1.2 火花塞電磁兼容機(jī)制

對(duì)火花塞而言，電磁波主要靠輻射傳播，電磁波主要集中在火花位置處。而低頻率的電磁波不易穿透?jìng)鞑ネ瑫r(shí)也對(duì)環(huán)境影響細(xì)小，所以重點(diǎn)關(guān)注的電磁波頻段為30 MHz～1 GHz(后面沒(méi)有特別說(shuō)明的電磁波就是指該頻段的電磁波)。

電磁波傳播特性：電磁波只能存在于良導(dǎo)體表層附近，它在良導(dǎo)體內(nèi)激勵(lì)的高頻電流也只存在于導(dǎo)體表層附近，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)(電磁波穿入良導(dǎo)體中，當(dāng)波的振幅下降為表面處振幅的 1/e時(shí)，波在良導(dǎo)體中傳播的距離，稱為趨膚深度δ)[3]；同時(shí)電磁波穿透弱導(dǎo)體的能力強(qiáng)。通過(guò)計(jì)算可得出30 MHz～1 GHz頻段的電磁波在σ=5.8×107S/m的金屬銅和σ=4×10-2S/m的純電阻體中的穿透深度分別為：δ1=12.05～2.01 μm和δ2=32.5～5.6 mm；因此金屬具有良好的屏蔽效果，電阻體能一定程度上減弱電磁波。此外電磁波傳播時(shí)，同時(shí)伴隨著反射和折射。

1.3 電磁波傳播路徑

電磁波在火花塞中傳播路徑如圖3所示：中心電極和側(cè)電極點(diǎn)火點(diǎn)之間產(chǎn)生的大量電磁波，大部分的電磁波都在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部和火花塞殼體部分傳播且被屏蔽；一部分的電磁波會(huì)隨著火花塞的中心電極表面?zhèn)鬟f到電阻體再到接線端子表面然后散發(fā)出來(lái)，或者再穿透絕緣體傳播出來(lái)；另外一部分電磁波會(huì)直接穿透火花塞的絕緣體，再?gòu)幕鸹ㄈ吙谔巶鞑コ鰜?lái)。另外，從點(diǎn)火線圈到火花塞點(diǎn)火點(diǎn)處，整個(gè)電流通道中伴隨著電流的變化也會(huì)產(chǎn)生一些電磁波，這部分不在火花塞的考慮范疇，文中不做闡述。

圖3 火花塞點(diǎn)火電磁波傳播示意

1.4 電磁兼容性測(cè)試

在滿足電磁兼容性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)地中，對(duì)車輛或汽油機(jī)裝置進(jìn)行30 MHz～1 GHz頻段的掃頻測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中車輛或汽油機(jī)裝置應(yīng)覆蓋使用的全工況，即怠速到全速、無(wú)負(fù)荷到全負(fù)荷。一種電磁兼容性測(cè)試頻譜示例如圖4所示。

圖4 一種電磁兼容性測(cè)試頻譜

2 影響火花塞電磁兼容的因子

火花塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火執(zhí)行單元，單體不具備電磁波輻射的能力。從系統(tǒng)角度考慮，火花塞的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠起到提升系統(tǒng)的電磁兼容性能作用。

2.1 電磁波強(qiáng)度

電磁波的強(qiáng)度絕大部分由發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求以及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所決定，但火花塞仍可以適當(dāng)降低電磁波的強(qiáng)度。在可調(diào)范圍中，跳火間隙越小點(diǎn)火電壓越低，電磁波強(qiáng)度越低；點(diǎn)火結(jié)構(gòu)越尖點(diǎn)火電壓越低，電磁波強(qiáng)度也越低。

2.2 傳播路徑

火花塞接線端子到跳火間隙處為傳播的路徑，路徑的長(zhǎng)度以及路徑的大小決定了火花塞電磁兼容的能力。路徑越短、路徑越小則電磁波發(fā)射越少，電磁兼容性越優(yōu)。

2.3 傳播阻抗

火花塞電阻體通過(guò)控制電流來(lái)削減電磁波的強(qiáng)度，所以電阻體的結(jié)構(gòu)以及電阻值大小決定了火花塞電磁兼容能力。電阻值越大電磁波削減越厲害，電磁兼容性越好，但同時(shí)也會(huì)削減點(diǎn)火能量。

采用電感也可實(shí)現(xiàn)減緩電流的突變，從而降低電磁波的強(qiáng)度。電感越大，電磁兼容性能越好。

磁阻體可以通過(guò)削減電磁波的傳播達(dá)到很好的抗電磁干擾的能力。磁阻越大電磁波削減越強(qiáng)，電磁兼容也越好。

3 電磁兼容性能提升對(duì)策

火花塞剖面圖如圖5所示。提升火花塞的電磁兼容的對(duì)策如下：

圖5 火花塞剖面

3.1 優(yōu)化跳火間隙

在做發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試時(shí)，應(yīng)考慮降低火花塞點(diǎn)火需求電壓，在滿足火花塞點(diǎn)火性能的情況下，跳火間隙越小，點(diǎn)火需求電壓越低，電磁兼容性能越好。

3.2 尖點(diǎn)火結(jié)構(gòu)

更尖的火花塞點(diǎn)火端可以降低點(diǎn)火需求電壓，以達(dá)到較好的電磁兼容性能。比如：V形槽中心電極[如圖6(a)所示]、V/U形槽側(cè)電極[如圖6(b)所示]、鉑金中心電極[如圖6(c)所示]、銥金中心電極[如圖6(d)所示]，鉑金側(cè)電極[如圖6(c)所示]、銥金側(cè)電極[如圖6(d)所示]等。

圖6 火花塞點(diǎn)火端結(jié)構(gòu)

3.3 優(yōu)化火花塞的電磁波傳播路徑

可以從以下幾個(gè)方面優(yōu)化火花塞電磁波傳播的路徑，來(lái)提升火花塞電磁兼容性能：

(1)優(yōu)化火花塞包邊口尺寸

圖7(a)為典型的包邊口口徑大的結(jié)構(gòu)，在不干涉火花塞圓柱體的情況下，火花塞包邊口尺寸越小，電磁波傳播的通道越小，火花塞電磁兼容性能越好[如圖7(b)所示]。通常來(lái)講外充粉火花塞的包邊結(jié)構(gòu)優(yōu)于熱鉚火花塞的包邊結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥獬浞刍鸹ㄈ吙谙略O(shè)置一個(gè)彈性金屬圈，可盡可能緊地包裹火花塞圓柱體，減小傳播通道[如圖7(c)所示]。

圖7 火花塞包邊口形狀

(2)優(yōu)化接線端子位置

將火花塞接線端子的端面設(shè)置與包邊口包裹中，可有效減小電磁波傳播通道的大小?？山茖㈦姶挪ǖ陌l(fā)射通道以圖8所示的發(fā)射角形式表達(dá)，發(fā)射角越小，電磁兼容性能越好。

圖8 火花塞接線端子位置和發(fā)射角

另外，接線端子的橫截面也影響發(fā)射角，橫截面越大，發(fā)射角越小，電磁兼容性能越好；但會(huì)帶來(lái)瓷件壁厚的減薄，降低火花塞耐電壓水平。

(3)屏蔽型結(jié)構(gòu)

圖9所示為常見(jiàn)的屏蔽型火花塞結(jié)構(gòu)。在屏蔽型火花塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將火花塞接線端子全部設(shè)計(jì)在金屬屏蔽套內(nèi)部，可以將火花塞點(diǎn)火端發(fā)出電磁波的絕大部分屏蔽吸收。但該結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大，被現(xiàn)代小型、輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)拋棄。

圖9 屏蔽型火花塞

(4)增大電容

增大火花塞的電容，可以通過(guò)增大外充粉火花塞密封粉圈的介電常數(shù)從而增大電容，以及增大瓷件或釉料的介電常數(shù)達(dá)到增大電容，來(lái)衰減電磁波，從而提升火花塞電磁兼容性能。

3.4 優(yōu)化火花塞電阻體

火花塞電阻體是提升電磁兼容性的重要指標(biāo)，電阻體的電阻值越大，電磁兼容性能越好，但電阻值過(guò)大也會(huì)帶來(lái)點(diǎn)火能量的損耗以及耐久性能的下降，因此根據(jù)實(shí)際需求，合理設(shè)置電阻值尤為關(guān)鍵。本文作者根據(jù)電阻公式：R=ρ·L/S來(lái)重點(diǎn)介紹提升電阻值的方法。電阻體剖面如圖10所示。

圖10 電阻體剖面

(1)優(yōu)化電阻體配方

優(yōu)化電阻常數(shù)ρ。在合適的范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整電阻體材料自身單位面積的含碳量來(lái)調(diào)整電阻值，獲取大的電阻值，達(dá)到提升電阻體材料電磁兼容性能的目的。當(dāng)然并非是單位面積的電阻值越大越好，如果單位面積的電阻值越大，其耐久性能會(huì)下降，從而影響火花塞壽命。

(2)優(yōu)化電阻體長(zhǎng)度

電阻體長(zhǎng)度L與電阻值成正比，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，阻值越大。電阻體的長(zhǎng)度設(shè)置應(yīng)考慮到接線端子的位置，以保證綜合性能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常建議電阻體有效長(zhǎng)度為(8±2)mm，具體根據(jù)火花塞規(guī)格進(jìn)行選擇。

另外，通常電阻體兩端設(shè)置導(dǎo)電玻璃填料層，用來(lái)提升密封性能和平衡溫度。因中心電極端兩種填料會(huì)出現(xiàn)U形結(jié)合面，從而會(huì)降低電阻體的有效長(zhǎng)度?？梢酝ㄟ^(guò)工藝優(yōu)化，降低U形高度或改成倒U結(jié)構(gòu)，從而提升電阻體有效長(zhǎng)度。

(3)優(yōu)化電阻體橫截面

電阻體的橫截面S與電阻值成反比，S=πD2/4，面積越小，阻值越大。但電阻體的橫截面和接線端面的橫截面帶來(lái)的效果是相反的，同時(shí)電阻體橫截面過(guò)小，會(huì)增大單位面積傳輸?shù)狞c(diǎn)火能量，增加發(fā)熱量，降低電阻體的壽命。

3.5 采用電感

火花塞采用電感結(jié)構(gòu)也是提升火花塞電磁兼容性能的一種方法，甚至可以采用電阻體和電感的結(jié)合方式。電感可以起到抑制電流突變的作用，同時(shí)也不會(huì)衰減點(diǎn)火能量，但會(huì)帶來(lái)點(diǎn)火時(shí)間微小的變化。電感越大，電磁兼容性能越好。圖11(a)是電感的外形，圖(b)則為電感的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖11 電感及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.6 采用強(qiáng)磁阻體

火花塞采用磁阻體的結(jié)構(gòu)也是提升火花塞電磁兼容性能的一種方法，甚至可以采用電阻體和磁阻體的結(jié)合方式。磁阻體由磁性體和導(dǎo)電體組成。磁阻越大，電磁兼容性能越好。如圖12所示：圖(a)為繞線導(dǎo)電體磁阻體結(jié)構(gòu)圖，圖(b)為內(nèi)芯導(dǎo)電體磁阻體結(jié)構(gòu)圖[1]。

圖12 兩種磁阻體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

(1)火花塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火執(zhí)行單元，單體不具備電磁波輻射的能力。

(2)在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)外特性、壽命及成本的前提下，適當(dāng)?shù)亟档忘c(diǎn)火電壓可以提升電磁兼容性能。具體可以采取小間隙、尖點(diǎn)火端等手段實(shí)現(xiàn)。

(3)優(yōu)化包邊口尺寸、優(yōu)化接線端子位置、采用屏蔽型以及增大電容，可以減短、縮小電磁波傳播路徑，從而實(shí)現(xiàn)提升火花塞電磁兼容性能。

(4)增大電阻值可以控制電流強(qiáng)度，從而削減電磁波，但同時(shí)會(huì)減小點(diǎn)火能量，應(yīng)該適當(dāng)選擇合適的電阻值。

(5)可以采用電感結(jié)構(gòu)，或者電感+電阻結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁兼容性能的提升。

(6)磁阻或者磁阻+電阻的結(jié)構(gòu)，對(duì)火花塞電磁兼容性能有很好的改善。