火花塞電磁兼容性能的提升對策

楊輝睦，杜德魁，鄧鈞，李耀，張堂亮

(株洲湘火炬火花塞有限責任公司，湖南株洲 412001)

0 引言

隨著車輛產品的升級，越來越多的電子設備搭載在整車上，如影音系統、導航系統、智能控制系統等。另外，越來越多的智能電子產品也應用于人們的日常生活中，如手機、計算機、智能家電等。可以說電子產品無處不在。對電子產品而言，電磁干擾一直是一個看不見摸不著的問題，常見問題有影像顯示閃屏(如圖1所示)、音響噪聲、智能控制失效等。

圖1 影像顯示閃屏

同時隨著高壓縮比、增壓直噴、稀薄燃燒等發動機技術的應用，發動機點火電壓、能量成倍增長，電磁干擾問題更加凸顯。雖然發動機結構設計以及線路布局上都進行電磁兼容的優化(如采用深的火花塞安裝井，以增加金屬屏蔽的效果，削弱電磁波發射；逐步淘汰了點火系統中高壓線的使用，縮短了電磁波傳播的路徑，達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題。

對于發動機或車輛而言，國內、外標準化組織均出臺了相應的電磁兼容性檢驗方法和驗收評定標準，如GB 18655、EN 14982、GB 14023、EN 55012等，以此要求并監控相關的產品滿足人們對電磁兼容的需求。

國際電工委員會對EMC(Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性)的定義為：系統或設備在所處的電磁環境中能正常工作，同時不對其他系統和設備造成干擾。該定義包含了兩個方面的含義：首先，設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，設備所發射的電磁干擾不能影響其他設備的正常工作，即電磁干擾EMI(Electro Magnetic Interference)。EMI分為傳導干擾和輻射干擾兩種：傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡；輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合到另一個電網絡。干擾就需要干擾源，干擾源是指急速變化的電荷或電流產生了電磁波，并傳導或輻射到周圍[2]。

1 火花塞點火及電磁兼容機制

1.1 火花塞點火原理

發動機每個工作循環中，在壓縮上止點附近時，點火系統會向火花塞的接線端施加一個高達上萬伏的高壓脈沖信號，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通的，在電壓上升時，中心電極與接地的側電極之間就會形成高壓和強電場。當脈沖電壓上升到一定值后，中心電極和側電極之間的間隙處的油氣混合氣會被強電場電離擊穿，形成電火花，進而點燃混合氣。火花塞的放電微觀上分為3個階段，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 火花塞點火電壓波形

在擊穿階段，中心電極和側電極之間的電壓會在瞬間(1～2 ns)由上萬伏降低到幾十伏，然后又在極短的時間內(1～10 μs)形成電弧，然后進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，當線圈儲存的能量釋放結束后，電壓衰減震蕩消失。間隙擊穿放電時電壓瞬間的變化會形成震蕩電磁波，通過火花塞接線端子一端和點火高壓線向周圍釋放電磁波信號，干擾外圍的電子設備工作。另外，火花塞工作時所受到外界電磁波的影響微小，所以不作闡述。

1.2 火花塞電磁兼容機制

對火花塞而言，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傳播同時也對環境影響細小，所以重點關注的電磁波頻段為30 MHz～1 GHz(后面沒有特別說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體表層附近，它在良導體內激勵的高頻電流也只存在于導體表層附近，這種現象稱為趨膚效應(電磁波穿入良導體中，當波的振幅下降為表面處振幅的 1/e時，波在良導體中傳播的距離，稱為趨膚深度δ)[3]；同時電磁波穿透弱導體的能力強。通過計算可得出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，同時伴隨著反射和折射。

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：中心電極和側電極點火點之間產生的大量電磁波，大部分的電磁波都在發動機氣缸內部和火花塞殼體部分傳播且被屏蔽；一部分的電磁波會隨著火花塞的中心電極表面傳遞到電阻體再到接線端子表面然后散發出來，或者再穿透絕緣體傳播出來；另外一部分電磁波會直接穿透火花塞的絕緣體，再從火花塞包邊口處傳播出來。另外，從點火線圈到火花塞點火點處，整個電流通道中伴隨著電流的變化也會產生一些電磁波，這部分不在火花塞的考慮范疇，文中不做闡述。

圖3 火花塞點火電磁波傳播示意

1.4 電磁兼容性測試

在滿足電磁兼容性測試標準的場地中，對車輛或汽油機裝置進行30 MHz～1 GHz頻段的掃頻測試。測試過程中車輛或汽油機裝置應覆蓋使用的全工況，即怠速到全速、無負荷到全負荷。一種電磁兼容性測試頻譜示例如圖4所示。

圖4 一種電磁兼容性測試頻譜

2 影響火花塞電磁兼容的因子

火花塞作為發動機點火系統的點火執行單元，單體不具備電磁波輻射的能力。從系統角度考慮，火花塞的結構優化能夠起到提升系統的電磁兼容性能作用。

2.1 電磁波強度

電磁波的強度絕大部分由發動機性能需求以及發動機結構設計所決定，但火花塞仍可以適當降低電磁波的強度。在可調范圍中，跳火間隙越小點火電壓越低，電磁波強度越低；點火結構越尖點火電壓越低，電磁波強度也越低。

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射越少，電磁兼容性越優。

2.3 傳播阻抗

火花塞電阻體通過控制電流來削減電磁波的強度，所以電阻體的結構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，但同時也會削減點火能量。

采用電感也可實現減緩電流的突變，從而降低電磁波的強度。電感越大，電磁兼容性能越好。

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

3 電磁兼容性能提升對策

火花塞剖面圖如圖5所示。提升火花塞的電磁兼容的對策如下：

圖5 火花塞剖面

3.1 優化跳火間隙

在做發動機性能測試時，應考慮降低火花塞點火需求電壓，在滿足火花塞點火性能的情況下，跳火間隙越小，點火需求電壓越低，電磁兼容性能越好。

3.2 尖點火結構

更尖的火花塞點火端可以降低點火需求電壓，以達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]，鉑金側電極[如圖6(c)所示]、銥金側電極[如圖6(d)所示]等。

圖6 火花塞點火端結構

3.3 優化火花塞的電磁波傳播路徑

可以從以下幾個方面優化火花塞電磁波傳播的路徑，來提升火花塞電磁兼容性能：

(1)優化火花塞包邊口尺寸

圖7(a)為典型的包邊口口徑大的結構，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]。通常來講外充粉火花塞的包邊結構優于熱鉚火花塞的包邊結構，因為外充粉火花塞包邊口下設置一個彈性金屬圈，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)優化接線端子位置

將火花塞接線端子的端面設置與包邊口包裹中，可有效減小電磁波傳播通道的大小。可近似將電磁波的發射通道以圖8所示的發射角形式表達，發射角越小，電磁兼容性能越好。

圖8 火花塞接線端子位置和發射角

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

(3)屏蔽型結構

圖9所示為常見的屏蔽型火花塞結構。在屏蔽型火花塞的結構設計中，將火花塞接線端子全部設計在金屬屏蔽套內部，可以將火花塞點火端發出電磁波的絕大部分屏蔽吸收。但該結構尺寸大、質量大，被現代小型、輕量化發動機拋棄。

圖9 屏蔽型火花塞

(4)增大電容

增大火花塞的電容，可以通過增大外充粉火花塞密封粉圈的介電常數從而增大電容，以及增大瓷件或釉料的介電常數達到增大電容，來衰減電磁波，從而提升火花塞電磁兼容性能。

3.4 優化火花塞電阻體

火花塞電阻體是提升電磁兼容性的重要指標，電阻體的電阻值越大，電磁兼容性能越好，但電阻值過大也會帶來點火能量的損耗以及耐久性能的下降，因此根據實際需求，合理設置電阻值尤為關鍵。本文作者根據電阻公式：R=ρ·L/S來重點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)優化電阻體配方

優化電阻常數ρ。在合適的范圍內，通過調整電阻體材料自身單位面積的含碳量來調整電阻值，獲取大的電阻值，達到提升電阻體材料電磁兼容性能的目的。當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，其耐久性能會下降，從而影響火花塞壽命。

(2)優化電阻體長度

電阻體長度L與電阻值成正比，長度越長，阻值越大。電阻體的長度設置應考慮到接線端子的位置，以保證綜合性能。根據經驗通常建議電阻體有效長度為(8±2)mm，具體根據火花塞規格進行選擇。

另外，通常電阻體兩端設置導電玻璃填料層，用來提升密封性能和平衡溫度。因中心電極端兩種填料會出現U形結合面，從而會降低電阻體的有效長度。可以通過工藝優化，降低U形高度或改成倒U結構，從而提升電阻體有效長度。

(3)優化電阻體橫截面

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的效果是相反的，同時電阻體橫截面過小，會增大單位面積傳輸的點火能量，增加發熱量，降低電阻體的壽命。

3.5 采用電感

火花塞采用電感結構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合方式。電感可以起到抑制電流突變的作用，同時也不會衰減點火能量，但會帶來點火時間微小的變化。電感越大，電磁兼容性能越好。圖11(a)是電感的外形，圖(b)則為電感的內部結構。

圖11 電感及內部結構

3.6 采用強磁阻體

火花塞采用磁阻體的結構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合方式。磁阻體由磁性體和導電體組成。磁阻越大，電磁兼容性能越好。如圖12所示：圖(a)為繞線導電體磁阻體結構圖，圖(b)為內芯導電體磁阻體結構圖[1]。

圖12 兩種磁阻體及內部結構

4 結論

(1)火花塞作為發動機點火系統的點火執行單元，單體不具備電磁波輻射的能力。

(2)在滿足發動機外特性、壽命及成本的前提下，適當地降低點火電壓可以提升電磁兼容性能。具體可以采取小間隙、尖點火端等手段實現。

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

(4)增大電阻值可以控制電流強度，從而削減電磁波，但同時會減小點火能量，應該適當選擇合適的電阻值。

(5)可以采用電感結構，或者電感+電阻結構，實現電磁兼容性能的提升。

(6)磁阻或者磁阻+電阻的結構，對火花塞電磁兼容性能有很好的改善。