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任公司，湖南株洲 412001)

0 引言

隨著車輛產(chǎn)品的升級，越來越多的電子設備搭載在整車上，如影音系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等。另外，越來越多的智能電子產(chǎn)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(chǎn)品無處不在。對電子產(chǎn)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(fā)動機技術(shù)的應用，發(fā)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(fā)動機結(jié)構(gòu)設計以及線路布局上都進行電磁兼容的優(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；逐步淘汰了點火系統(tǒng)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(fā)動機或車輛而言，國內(nèi)、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(jiān)控相關(guān)的產(chǎn)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(tǒng)或設備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時不對其他系統(tǒng)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(fā)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(zhì)把一個電網(wǎng)絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)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(wǎng)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(chǎn)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(fā)動機每個工作循環(huán)中，在壓縮上止點附近時，點火系統(tǒng)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(cè)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(cè)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?；鸹ㄈ姆烹娢⒂^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(cè)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(nèi)(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(jié)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(huán)境影響細小，所以重點關(guān)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(nèi)激勵的高頻電流也只存在于導體表層附近，這種現(xiàn)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(cè)電極點火點之間產(chǎn)生的大量電磁波，大部分的電磁波都在發(fā)動機氣缸內(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，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(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(fā)動機點火系統(tǒng)的點火執(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 電磁波強度

電磁波的強度絕大部分由發(fā)動機性能需求以及發(fā)動機結(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)構(gòu)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(fā)射越少，電磁兼容性越優(yōu)。

2.3 傳播阻抗

火花塞電阻體通過控制電流來削減電磁波的強度，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，但同時也會削減點火能量。

采用電感也可實現(xiàn)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(yōu)化跳火間隙

在做發(fā)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(jié)構(gòu)

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(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

可以從以下幾個方面優(yōu)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(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(yōu)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?？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，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；但會帶來瓷件壁厚的減薄，降低火花塞耐電壓水平。

(3)屏蔽型結(jié)構(gòu)

圖9所示為常見的屏蔽型火花塞結(jié)構(gòu)。在屏蔽型火花塞的結(jié)構(gòu)設計中，將火花塞接線端子全部設計在金屬屏蔽套內(nèi)部，可以將火花塞點火端發(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(shù)從而增大電容，以及增大瓷件或釉料的介電常數(shù)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(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，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(jù)實際需求，合理設置電阻值尤為關(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(yōu)化電阻體配方

優(yōu)化電阻常數(shù)ρ。在合適的范圍內(nèi)，通過調(diào)整電阻體材料自身單位面積的含碳量來調(diào)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(yōu)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(jù)經(jīng)驗通常建議電阻體有效長度為(8±2)mm，具體根據(jù)火花塞規(guī)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(xiàn)U形結(jié)合面，從而會降低電阻體的有效長度?？梢酝ㄟ^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?shù)狞c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(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖11 電感及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.6 采用強磁阻體

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(jié)構(gòu)圖，圖(b)為內(nèi)芯導電體磁阻體結(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)動機點火系統(tǒng)的點火執(zhí)行單元，單體不具備電磁波輻射的能力。

(2)在滿足發(fā)動機外特性、壽命及成本的前提下，適當?shù)亟档忘c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(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(jié)構(gòu)，或者電感+電阻結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電磁兼容性能的提升。

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