汽車發動機線束的精益設計

張 倩，韓 慧，張 瑩，周在芳

（中國重汽集團技術發展中心汽車電子設計部，山東 濟南 250101）

汽車發動機上的電子控制系統可分為傳感器、控制器和執行器3個部分，傳感器采集各種信號，然后輸入控制器，控制器在接收到信號后，經過分析處理，會及時發出指令給執行器。而發動機線束就是連接發動機各傳感器、執行器、控制器之間的電線路，如果發動機線束出現故障，就會導致控制器無法正常工作，影響發動機運轉，進而影響整車工作。目前，發動機上電器件越來越多，發動機線束隨之也越來越復雜，因此，線束設計在汽車設計、生產和制造中受到越來越多的關注。

1 電源和搭鐵的分配設計

1.1 發動機的供電系統和搭鐵

發動機的供電系統主要包括控制器ECU供電、傳感器供電、起動機供電和蓄電池充電。

1）ECU供電ECU （Engine Control Unit） 是發動機控制單元，其功能是采集各傳感器輸入信息，進行運算、處理、判斷，然后輸出指令控制執行器工作，使發動機處在最佳的工作狀態，被稱為發動機的“大腦”。為保證ECU工作可靠性，ECU的供電線路中應該盡量少的加以控制，確保即使發動機或者整車電路其他部位出現故障時，也能保證ECU不斷電。因此，ECU一般是從蓄電池直接供24 V電 （稱為常電），不受電源總開關和整車其他開關的控制。

2）傳感器供電目前應用的傳感器基本為5 V供電，均為ECU內部產生，供電線路從ECU直接到傳感器相應引腳，不需要外部接入。

3）起動機供電發動機起動的時候，由起動機工作帶動發動機轉動。由于起動機內阻很小，起動電流往往很大，這個電流由蓄電池直接向起動機提供。因此，起動機的供電線路是蓄電池直接連接起動機正極接線柱。

4）蓄電池充電車輛起動時，由蓄電池向起動機供電。車輛正常運行過程中，發動機帶動發電機工作，發電機發出來的電，一部分會對蓄電池充電，一部分提供給整車駕駛室供電。充電線路上，可根據需要，串接熔斷器或者繼電器加以保護。

搭鐵，實際上就是選定整車車身為零電位點。搭鐵線是構成汽車電路回路的一部分，在汽車電路中起著十分重要的作用。由于發動機控制器ECU對整車性能和安全影響很大，且易受其他用電設備的干擾，因此它的搭鐵點一定要單獨設定。同時，為減少導線的電壓降，應選擇就近搭鐵。目前，根據上述要求，在發動機缸體上設置了專門的搭鐵點，發動機線束中ECU搭鐵線通過孔式接頭，直接接到搭鐵點上，并通過底盤相應線束，直接過渡到蓄電池負極。圖1為電源和搭鐵分配圖。

圖1 電源和搭鐵分配圖

1.2 線路保護設計

針對目前應用的發動機線束，線路保護設計主要指導線的合理選擇、線路上防護材料的應用，以及線路上串接熔斷絲的選擇。

1）導線線種的選擇 根據整車應用市場的標準選擇合適的線種，目前，發動機線束大多選擇德標線束，類型為FLR9Y-B單芯無屏蔽薄壁聚丙烯絕緣低壓電線，導體為多股絞合軟裸銅線，絕緣采用無鹵阻燃材料，具有優良的耐油性及可靠性。

2）導線截面積的選擇 在確定線種之后，要根據導線電壓降、負載功率和導線發熱等因素，確定導線的截面積。導線截面積的計算公式為：

式中：A——導線截面積，mm2；I——電流，A；ρ——銅導線電阻率；L——導線長度，m；Ud——導線允許的電壓降，V。

為避免導線過度發熱，應考慮電流密度，計算公式為：

表1為德標FLR9Y-B導線結構及電流密度。

當然，在平時的線束設計中，可以根據經驗直接選擇導線的截面積，一般長時間工作的電器設備可選擇實際載流量60%的導線，短時間工作的電器設備可選擇實際載流量60%~100%的導線。即普通的傳感器信號線，一般選擇截面積0.5mm2的導線；電源線或者搭鐵線，一般選擇截面積2.5mm2的導線。

表1 德標FLR9Y-B導線結構及電流密度

3）導線耐溫等級的選擇 根據發動機線束的工作環境溫度，并結合商用車汽車級標準，要求普通導線長期工作溫度-40~125℃。如果有特殊使用環境的要求，就需要選擇特殊類型的導線，比如在加熱裝置工作的時候，靠近發動機進氣加熱側周圍輻射溫度達到200℃以上，可選擇耐高溫導線。

4）防護材料 汽車發動機線束外部一般由波紋管 （圖2）、PVC管 （圖3）、熱縮管 （圖4）、膠帶等防護材料做基本包扎防護，應用卡扣、扎帶、支架等作為固定線束防護材料。每種防護材料都具備自身特性功能，要實現線路保護設計，需要結合實際線束應用環境，了解并正確應用各種防護材料。

圖2 波紋管

圖3 PVC管

圖4 熱縮管

發動機線束防護材料應用最多的是波紋管，套在線束外側保護線束不受劃斷，其特點是耐磨性好、柔韌性好，并有一定的防撞擊作用和彎曲性，且安裝方便。波紋管中，線束填充率應該保持在60%左右，線束過密會導致線束在波紋管內部產生磨損。普通波紋管一般長期工作溫度為-40~120℃，短期最高可達到150℃，阻燃等級UL94-HB，可耐受發動機上高溫、高震動的惡劣環境。當線束必須從熱輻射溫度較高的位置走線時，波紋管外部可裹纏隔熱材料（圖5），防止波紋管被烤壞。目前使用的閉口波紋管，防護效果更佳，且外觀更美觀。

圖5 隔熱材料

目前汽車發動機向緊湊型發展，波紋管的彎曲性畢竟有限，在發動機某些狹小的空間無法實現走線要求，因此，這些部位需要用PVC管來代替。PVC管主要成分為聚氯乙烯，基本防護功能跟波紋管差不多，只是因為本身質地比較軟，因此柔韌性和彎曲行更好，耐高溫性能卻不及波紋管，適用于一些狹小空間布線，線束彎折要求高的位置。

熱縮管也是一種常用的防護材料，它是一種特制的聚烯烴材質的熱收縮套管，外層采用優質柔軟的交聯聚烯烴材料及內層熱熔膠復合加工而成，外層材料有絕緣防蝕、耐磨等特點，內層有低熔點、防水密封和高粘接性等優點，目前應用較多的是雙臂熱縮管，主要應用在線束中卯連接點，側重于密封防水。同時，膠帶是最基本、應用范圍最廣的線束防護材料，具備耐溫、耐磨、耐油污、絕緣等特點；根據線束的防護要求不同，可以進行全纏、點纏。

發動機線束裝配時，波紋管之間通過卡扣連接，線束分支的固定通過扎帶來完成，扎帶的作用是緊固線束，并使其牢固可靠地固定在缸體或者支架上，防止線束振動、移位或者干涉而損壞線束。

5）線路熔斷絲的匹配選擇 熔斷絲或者熔斷片通常會串接在線路中，目的就是對線束和用電設備加以保護，此種保護一般指的是過電流保護，當有不允許的大電流通過時，可使線路及時斷開，保護其他部件不會被燒壞。對于發動機線束，在選擇熔斷絲或者熔斷片的時候，像發動機ECU、駕駛室電器系統，對整車性能影響很大，必須單獨串接熔斷絲，而且熔斷絲盡量靠近電源器件，比如發電機、蓄電池等；易受其他設備干擾的電器件，必須單獨設置熔斷絲；在熔斷絲或者熔斷片熔斷之前，線束絕緣層不能被熔化或者燃燒。

熔斷絲的選擇，必須考慮負載的電流特性、熔斷絲的工作環境，如果熔斷值選擇過小，熔斷絲則很容易熔斷，系統沒辦法正常工作；選擇過大，既是一種浪費，也無法起到保護線路的作用。熔斷值的選擇，可參考以下公式：

式中：If——熔斷絲的額定電流理想值；In——正常工作電流值；RR——環境溫度折減系數；0.75——負載特性系數。其中，In=P／Un，可根據負載的功率和額定工作電壓求出，再通過熔斷絲的溫度折減率曲線得到該熔斷絲工作環境溫度下的溫度折減率值，將In、RR帶入公式 （3），就可以算出If，最后在熔斷絲規格表里選擇與If相同或者稍微大一點的額定電流值對應的熔斷值。

1.3 電磁屏蔽設計

隨著電控發動機應用越來越廣，發動機上電器件越來越多，電器件本身的輻射以及相互之間的干擾，導致發動機本身的背景噪聲越來越高，電磁污染越來越嚴重，已經引起了廣泛關注。線束產品用來傳輸電壓和各種電信號，相當于一個大型的“天線”，也為電磁干擾提供了傳播的媒體和通道。如何提高汽車發動機線束抗電磁干擾能力，也成為一個重要課題。

要避免干擾，首先想到的就是“屏蔽”，屏蔽就是利用金屬屏蔽體，隔離電磁場的干擾，既可以防止外來電磁場干擾，又可防止本身電磁場輻射對外界的干擾。對于發動機線束，目前的電磁屏蔽方式大多為靜電屏蔽，多用在線束外部裹纏屏蔽膠帶的方式來實現，并通過屏蔽膠帶搭鐵的方法，把多余的電荷傳送到大地中去。對于屏蔽要求比較高的場合，發動機控制器、傳感器的線束連接器以及線束對接點均會采用金屬外殼，與屏蔽膠帶連接，這樣會保障線束每個分支點的屏蔽效果。

2 汽車發動機線束的布置

2.1 線束走向的注意事項

在有限的發動機空間內，合理布線極為重要，走線混亂既不美觀，也會產生不必要的干擾，影響性能，同時也不便于后期的故障檢查和維護。因此，發動機線束走向需要注意以下幾點：①線束走向應沿著發動機的邊、槽等部位，以避免線束承受壓力；②線束走線時，應避免缸體或部件中過尖或者銳邊部位，防止線束波紋管磨損；③布線時盡量避開或者遠離熱源，布線時應避開燃油管路，無法避開時，可采用高溫導線或者隔熱材料；④傳感器或者執行器接插件避免垂直走向，以防水防塵；⑤線束固定應保證間隔150mm捆扎固定一次；⑥線束走向應與依附件方向一致，主線束盡量避免斜方向布置。

2.2 線束布置的注意事項

1）所有線束的連接器應布置在伸手可及的位置，且連接器末端應預留一定的線束長度，便于插拔。

2）熔斷盒的線束要留有足夠的余量，以方便熔斷盒拆卸。

3）在同一部位的連接器應用顏色、大小、內部定位等方法，防止錯裝。

4）在部分位置為了保持線束與周邊的間隙，使用支架或者夾板，以保證線束不變形。

5）發動機上方線束，如電源線、搭鐵線等，如果太亂，可開發線束分線盒，集中在盒內布置和走線，同時熔斷絲也可以放置在分線盒內，避免放置在外部導致進水短路。

3 結束語

實踐證明，通過上述線束精益設計方案，有效地提高了發動機線束的綜合性能，同時，該方案已在汽車發動機線束的生產和應用中得到驗證，整體工作安全可靠，完全滿足發動機電控系統的要求。