火花塞电磁兼容性能的提升对策

杨辉睦，杜德魁，邓钧，李耀，张堂亮

(株洲湘火炬火花塞有限责任公司，湖南株洲 412001)

0 引言

随着车辆产品的升级，越来越多的电子设备搭载在整车上，如影音系统、导航系统、智能控制系统等。另外，越来越多的智能电子产品也应用于人们的日常生活中，如手机、计算机、智能家电等。可以说电子产品无处不在。对电子产品而言，电磁干扰一直是一个看不见摸不着的问题，常见问题有影像显示闪屏(如图1所示)、音响噪声、智能控制失效等。

图1 影像显示闪屏

同时随着高压缩比、增压直喷、稀薄燃烧等发动机技术的应用，发动机点火电压、能量成倍增长，电磁干扰问题更加凸显。虽然发动机结构设计以及线路布局上都进行电磁兼容的优化(如采用深的火花塞安装井，以增加金属屏蔽的效果，削弱电磁波发射；逐步淘汰了点火系统中高压线的使用，缩短了电磁波传播的路径，达到降低电磁波的干扰)，但仍未能很好或完全解决电磁干扰的问题。

对于发动机或车辆而言，国内、外标准化组织均出台了相应的电磁兼容性检验方法和验收评定标准，如GB 18655、EN 14982、GB 14023、EN 55012等，以此要求并监控相关的产品满足人们对电磁兼容的需求。

国际电工委员会对EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)的定义为：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。该定义包含了两个方面的含义：首先，设备能够抵抗所接受到的电磁波的干扰并正常工作，即EMS(Electro Magnetic Sensitivity)；其次，设备所发射的电磁干扰不能影响其他设备的正常工作，即电磁干扰EMI(Electro Magnetic Interference)。EMI分为传导干扰和辐射干扰两种：传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络；辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合到另一个电网络。干扰就需要干扰源，干扰源是指急速变化的电荷或电流产生了电磁波，并传导或辐射到周围[2]。

1 火花塞点火及电磁兼容机制

1.1 火花塞点火原理

发动机每个工作循环中，在压缩上止点附近时，点火系统会向火花塞的接线端施加一个高达上万伏的高压脉冲信号，脉冲电压上升速率大于600 V/μs。因火花塞接线端与中心电极是直接导通的，在电压上升时，中心电极与接地的侧电极之间就会形成高压和强电场。当脉冲电压上升到一定值后，中心电极和侧电极之间的间隙处的油气混合气会被强电场电离击穿，形成电火花，进而点燃混合气。火花塞的放电微观上分为3个阶段，即击穿阶段(Breakdown Phase)、电弧形成阶段(Arc Phase)、火花维持阶段(Glow Phase)，如图2所示。

图2 火花塞点火电压波形

在击穿阶段，中心电极和侧电极之间的电压会在瞬间(1～2 ns)由上万伏降低到几十伏，然后又在极短的时间内(1～10 μs)形成电弧，然后进入辉光放电火花维持阶段(0.5～2 ms)，火花维持阶段的电压在几百伏左右。最后，当线圈储存的能量释放结束后，电压衰减震荡消失。间隙击穿放电时电压瞬间的变化会形成震荡电磁波，通过火花塞接线端子一端和点火高压线向周围释放电磁波信号，干扰外围的电子设备工作。另外，火花塞工作时所受到外界电磁波的影响微小，所以不作阐述。

1.2 火花塞电磁兼容机制

对火花塞而言，电磁波主要靠辐射传播，电磁波主要集中在火花位置处。而低频率的电磁波不易穿透传播同时也对环境影响细小，所以重点关注的电磁波频段为30 MHz～1 GHz(后面没有特别说明的电磁波就是指该频段的电磁波)。

电磁波传播特性：电磁波只能存在于良导体表层附近，它在良导体内激励的高频电流也只存在于导体表层附近，这种现象称为趋肤效应(电磁波穿入良导体中，当波的振幅下降为表面处振幅的 1/e时，波在良导体中传播的距离，称为趋肤深度δ)[3]；同时电磁波穿透弱导体的能力强。通过计算可得出30 MHz～1 GHz频段的电磁波在σ=5.8×107S/m的金属铜和σ=4×10-2S/m的纯电阻体中的穿透深度分别为：δ1=12.05～2.01 μm和δ2=32.5～5.6 mm；因此金属具有良好的屏蔽效果，电阻体能一定程度上减弱电磁波。此外电磁波传播时，同时伴随着反射和折射。

1.3 电磁波传播路径

电磁波在火花塞中传播路径如图3所示：中心电极和侧电极点火点之间产生的大量电磁波，大部分的电磁波都在发动机气缸内部和火花塞壳体部分传播且被屏蔽；一部分的电磁波会随着火花塞的中心电极表面传递到电阻体再到接线端子表面然后散发出来，或者再穿透绝缘体传播出来；另外一部分电磁波会直接穿透火花塞的绝缘体，再从火花塞包边口处传播出来。另外，从点火线圈到火花塞点火点处，整个电流通道中伴随着电流的变化也会产生一些电磁波，这部分不在火花塞的考虑范畴，文中不做阐述。

图3 火花塞点火电磁波传播示意

1.4 电磁兼容性测试

在满足电磁兼容性测试标准的场地中，对车辆或汽油机装置进行30 MHz～1 GHz频段的扫频测试。测试过程中车辆或汽油机装置应覆盖使用的全工况，即怠速到全速、无负荷到全负荷。一种电磁兼容性测试频谱示例如图4所示。

图4 一种电磁兼容性测试频谱

2 影响火花塞电磁兼容的因子

火花塞作为发动机点火系统的点火执行单元，单体不具备电磁波辐射的能力。从系统角度考虑，火花塞的结构优化能够起到提升系统的电磁兼容性能作用。

2.1 电磁波强度

电磁波的强度绝大部分由发动机性能需求以及发动机结构设计所决定，但火花塞仍可以适当降低电磁波的强度。在可调范围中，跳火间隙越小点火电压越低，电磁波强度越低；点火结构越尖点火电压越低，电磁波强度也越低。

2.2 传播路径

火花塞接线端子到跳火间隙处为传播的路径，路径的长度以及路径的大小决定了火花塞电磁兼容的能力。路径越短、路径越小则电磁波发射越少，电磁兼容性越优。

2.3 传播阻抗

火花塞电阻体通过控制电流来削减电磁波的强度，所以电阻体的结构以及电阻值大小决定了火花塞电磁兼容能力。电阻值越大电磁波削减越厉害，电磁兼容性越好，但同时也会削减点火能量。

采用电感也可实现减缓电流的突变，从而降低电磁波的强度。电感越大，电磁兼容性能越好。

磁阻体可以通过削减电磁波的传播达到很好的抗电磁干扰的能力。磁阻越大电磁波削减越强，电磁兼容也越好。

3 电磁兼容性能提升对策

火花塞剖面图如图5所示。提升火花塞的电磁兼容的对策如下：

图5 火花塞剖面

3.1 优化跳火间隙

在做发动机性能测试时，应考虑降低火花塞点火需求电压，在满足火花塞点火性能的情况下，跳火间隙越小，点火需求电压越低，电磁兼容性能越好。

3.2 尖点火结构

更尖的火花塞点火端可以降低点火需求电压，以达到较好的电磁兼容性能。比如：V形槽中心电极[如图6(a)所示]、V/U形槽侧电极[如图6(b)所示]、铂金中心电极[如图6(c)所示]、铱金中心电极[如图6(d)所示]，铂金侧电极[如图6(c)所示]、铱金侧电极[如图6(d)所示]等。

图6 火花塞点火端结构

3.3 优化火花塞的电磁波传播路径

可以从以下几个方面优化火花塞电磁波传播的路径，来提升火花塞电磁兼容性能：

(1)优化火花塞包边口尺寸

图7(a)为典型的包边口口径大的结构，在不干涉火花塞圆柱体的情况下，火花塞包边口尺寸越小，电磁波传播的通道越小，火花塞电磁兼容性能越好[如图7(b)所示]。通常来讲外充粉火花塞的包边结构优于热铆火花塞的包边结构，因为外充粉火花塞包边口下设置一个弹性金属圈，可尽可能紧地包裹火花塞圆柱体，减小传播通道[如图7(c)所示]。

图7 火花塞包边口形状

(2)优化接线端子位置

将火花塞接线端子的端面设置与包边口包裹中，可有效减小电磁波传播通道的大小。可近似将电磁波的发射通道以图8所示的发射角形式表达，发射角越小，电磁兼容性能越好。

图8 火花塞接线端子位置和发射角

另外，接线端子的横截面也影响发射角，横截面越大，发射角越小，电磁兼容性能越好；但会带来瓷件壁厚的减薄，降低火花塞耐电压水平。

(3)屏蔽型结构

图9所示为常见的屏蔽型火花塞结构。在屏蔽型火花塞的结构设计中，将火花塞接线端子全部设计在金属屏蔽套内部，可以将火花塞点火端发出电磁波的绝大部分屏蔽吸收。但该结构尺寸大、质量大，被现代小型、轻量化发动机抛弃。

图9 屏蔽型火花塞

(4)增大电容

增大火花塞的电容，可以通过增大外充粉火花塞密封粉圈的介电常数从而增大电容，以及增大瓷件或釉料的介电常数达到增大电容，来衰减电磁波，从而提升火花塞电磁兼容性能。

3.4 优化火花塞电阻体

火花塞电阻体是提升电磁兼容性的重要指标，电阻体的电阻值越大，电磁兼容性能越好，但电阻值过大也会带来点火能量的损耗以及耐久性能的下降，因此根据实际需求，合理设置电阻值尤为关键。本文作者根据电阻公式：R=ρ·L/S来重点介绍提升电阻值的方法。电阻体剖面如图10所示。

图10 电阻体剖面

(1)优化电阻体配方

优化电阻常数ρ。在合适的范围内，通过调整电阻体材料自身单位面积的含碳量来调整电阻值，获取大的电阻值，达到提升电阻体材料电磁兼容性能的目的。当然并非是单位面积的电阻值越大越好，如果单位面积的电阻值越大，其耐久性能会下降，从而影响火花塞寿命。

(2)优化电阻体长度

电阻体长度L与电阻值成正比，长度越长，阻值越大。电阻体的长度设置应考虑到接线端子的位置，以保证综合性能。根据经验通常建议电阻体有效长度为(8±2)mm，具体根据火花塞规格进行选择。

另外，通常电阻体两端设置导电玻璃填料层，用来提升密封性能和平衡温度。因中心电极端两种填料会出现U形结合面，从而会降低电阻体的有效长度。可以通过工艺优化，降低U形高度或改成倒U结构，从而提升电阻体有效长度。

(3)优化电阻体横截面

电阻体的横截面S与电阻值成反比，S=πD2/4，面积越小，阻值越大。但电阻体的横截面和接线端面的横截面带来的效果是相反的，同时电阻体横截面过小，会增大单位面积传输的点火能量，增加发热量，降低电阻体的寿命。

3.5 采用电感

火花塞采用电感结构也是提升火花塞电磁兼容性能的一种方法，甚至可以采用电阻体和电感的结合方式。电感可以起到抑制电流突变的作用，同时也不会衰减点火能量，但会带来点火时间微小的变化。电感越大，电磁兼容性能越好。图11(a)是电感的外形，图(b)则为电感的内部结构。

图11 电感及内部结构

3.6 采用强磁阻体

火花塞采用磁阻体的结构也是提升火花塞电磁兼容性能的一种方法，甚至可以采用电阻体和磁阻体的结合方式。磁阻体由磁性体和导电体组成。磁阻越大，电磁兼容性能越好。如图12所示：图(a)为绕线导电体磁阻体结构图，图(b)为内芯导电体磁阻体结构图[1]。

图12 两种磁阻体及内部结构

4 结论

(1)火花塞作为发动机点火系统的点火执行单元，单体不具备电磁波辐射的能力。

(2)在满足发动机外特性、寿命及成本的前提下，适当地降低点火电压可以提升电磁兼容性能。具体可以采取小间隙、尖点火端等手段实现。

(3)优化包边口尺寸、优化接线端子位置、采用屏蔽型以及增大电容，可以减短、缩小电磁波传播路径，从而实现提升火花塞电磁兼容性能。

(4)增大电阻值可以控制电流强度，从而削减电磁波，但同时会减小点火能量，应该适当选择合适的电阻值。

(5)可以采用电感结构，或者电感+电阻结构，实现电磁兼容性能的提升。

(6)磁阻或者磁阻+电阻的结构，对火花塞电磁兼容性能有很好的改善。