馮永超 劉新宇 陳 浩 李金鴿 單龍江

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315300）

引言

現(xiàn)代汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，點(diǎn)火控制系統(tǒng)的核心部件為ECU、點(diǎn)火線圈、火花塞。

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)利用點(diǎn)火線圈將低壓電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏弘?，傳遞給火花塞產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃缸內(nèi)混合氣[1]，從而實(shí)現(xiàn)電能到熱能的轉(zhuǎn)換。點(diǎn)火線圈表面開裂、內(nèi)部擊穿為點(diǎn)火線圈常見故障現(xiàn)象[2]。

本文因某發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過程中出現(xiàn)點(diǎn)火線圈開裂問題，引申出不同ECU 平臺(tái)的不同信號(hào)類型及點(diǎn)火線圈接地線連接情況對(duì)點(diǎn)火信號(hào)的影響研究。通過對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)點(diǎn)火線圈工作原理及其特性，從失效機(jī)理進(jìn)行分析，并佐以試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)點(diǎn)火線圈內(nèi)部電路、ECU 信號(hào)狀態(tài)、ECU 接地位置差異均會(huì)影響點(diǎn)火線圈內(nèi)部信號(hào)能量釋放，單一因素過強(qiáng)或多個(gè)微弱因素累加均會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火線圈信號(hào)振蕩幅值超過IGBT 開啟電壓限值，導(dǎo)致IGBT 短時(shí)間多次開啟，造成點(diǎn)火線圈開裂直至燒蝕。

1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制系統(tǒng)原理

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制系統(tǒng)原理[3]如圖1 所示。

圖1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制系統(tǒng)原理圖

確定第1 缸的上止點(diǎn)位置，經(jīng)過臺(tái)架標(biāo)定，得出滿足各工況動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的最佳點(diǎn)火提前角，同步標(biāo)定點(diǎn)火線圈充磁時(shí)間（即ECU 點(diǎn)火信號(hào)充電時(shí)間），實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下點(diǎn)火線圈在氣缸內(nèi)適時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地產(chǎn)生滿足需求的火花能量，以點(diǎn)燃可燃混合氣。

2 失效信息及邊界測(cè)量

對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架耐久試驗(yàn)及機(jī)油消耗試驗(yàn)，運(yùn)行至全速全負(fù)荷工況，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)異常，緊急停機(jī)后，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火線圈冒煙。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)3 個(gè)氣缸的點(diǎn)火線圈均開裂。如圖2 所示。

圖2 失效點(diǎn)火線圈

因?yàn)? 個(gè)氣缸的點(diǎn)火線圈同時(shí)出現(xiàn)故障，排除單一零部件質(zhì)量問題。對(duì)邊界進(jìn)行排查，測(cè)試A臺(tái)架（發(fā)生故障臺(tái)架）點(diǎn)火線圈工作信號(hào)波形如圖3所示。

圖3 失效點(diǎn)火線圈工作信號(hào)波形

正常點(diǎn)火線圈工作信號(hào)波形如圖4 所示。

圖4 正常點(diǎn)火線圈工作信號(hào)波形

兩相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，失效點(diǎn)火線圈的ECU 信號(hào)在一次點(diǎn)火后有多次振蕩且振蕩幅值超過IGBT 開啟電壓限值。

3 失效機(jī)理

點(diǎn)火線圈接線示意圖如圖5 所示，初級(jí)電流與充電時(shí)間的關(guān)系如圖6 所示。

圖5 點(diǎn)火線圈接線示意圖

圖6 初級(jí)電流與充電時(shí)間的關(guān)系

ECU 信號(hào)關(guān)閉，初級(jí)電流關(guān)斷瞬間，因?yàn)榫€圈本身有自感存在，電源線上會(huì)有能量儲(chǔ)存，電源和地線之間有電容存在，因此儲(chǔ)存的能量會(huì)以振蕩形式從地釋放；地線與信號(hào)線之間有寄生電容存在，信號(hào)會(huì)隨著電源和地同步振蕩；如果電源線上能量很高，無法直接通過對(duì)地電容快速釋放，就會(huì)以耦合傳導(dǎo)方式通過信號(hào)線對(duì)地釋放，間接增大信號(hào)振蕩幅值（即寄生電容增大）。信號(hào)振蕩的頻率和幅值過大，會(huì)達(dá)到IGBT 開啟電壓，使IGBT 出現(xiàn)多次開關(guān)。IGBT 頻繁開關(guān)，導(dǎo)致發(fā)熱，時(shí)間累積，燒蝕開裂。

寄生電容的大小，受很多因素影響，包括布線方式、線長、接地位置、信號(hào)狀態(tài)等。因此，減少地線長度，會(huì)降低回路線上電感，即減小回路上的能量，使電源線上能量能快速從地釋放，即可降低信號(hào)電壓的振蕩幅值，從而達(dá)到保護(hù)IGBT 的作用。不同的ECU 信號(hào)狀態(tài)，同樣會(huì)影響能量釋放快慢，高阻抗信號(hào)狀態(tài)能量釋放相對(duì)較慢。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取工作正常但接地線位置不同的B 臺(tái)架，測(cè)量點(diǎn)火線圈工作信號(hào)。

臺(tái)架接地線位置對(duì)點(diǎn)火線圈工作信號(hào)的影響如圖7 所示。

圖7 臺(tái)架接地線位置對(duì)點(diǎn)火線圈工作信號(hào)的影響對(duì)比

相比于A 臺(tái)架，B 臺(tái)架信號(hào)電壓振蕩幅值小于IGBT 開啟電壓限值（各工況表現(xiàn)一致）。

按照B 臺(tái)架來更改A 臺(tái)架的線接地方式，更改后，信號(hào)電壓振蕩幅值小于IGBT 開啟電壓限值。

按照?qǐng)D8 測(cè)量整車點(diǎn)火線圈信號(hào)，信號(hào)電壓振蕩幅值小于IGBT 開啟電壓限值。

圖8 整車接線情況

選取單體濾波能力強(qiáng)于故障線圈的a 線圈，分別在A、B 臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)量，并在測(cè)量結(jié)束后按照B臺(tái)架狀態(tài)調(diào)整A 臺(tái)架接線，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 不同點(diǎn)火線圈在不同臺(tái)架上的測(cè)量結(jié)果

點(diǎn)火線圈差異表現(xiàn)在內(nèi)部濾波電路有差異，差異影響對(duì)比見表2。

表2 點(diǎn)火線圈差異

不同ECU 平臺(tái)與點(diǎn)火相關(guān)的信號(hào)狀態(tài)差異見表3。

表3 不同ECU 平臺(tái)與點(diǎn)火相關(guān)的信號(hào)狀態(tài)差異

使用不同ECU 平臺(tái)在整車上測(cè)試點(diǎn)火線圈信號(hào)，電壓振蕩幅值小于IGBT 開啟電壓限值，測(cè)試情況見表4。

表4 不同點(diǎn)火線圈、ECU 組合整車測(cè)量結(jié)果

綜上所述，點(diǎn)火線圈內(nèi)部電路、ECU 信號(hào)狀態(tài)、ECU 接地位置差異累加導(dǎo)致點(diǎn)火線圈信號(hào)振蕩幅值超過IGBT 開啟電壓限值，導(dǎo)致IGBT 短時(shí)間多次開啟，造成燒蝕開裂。

5 結(jié)論

點(diǎn)火線圈開裂失效問題并不是因?yàn)槟骋粋€(gè)體零件出現(xiàn)異常導(dǎo)致，屬于系統(tǒng)性問題。不同ECU 信號(hào)形態(tài)及點(diǎn)火線圈接地線連接情況對(duì)點(diǎn)火信號(hào)均有影響。

在項(xiàng)目開發(fā)過程中，不能單純考慮硬件單體質(zhì)量問題，在電路及軟件應(yīng)用層面也要保證應(yīng)用過程中的可使用性。

在點(diǎn)火線圈開發(fā)過程中，不僅需要識(shí)別單體零件差異，還需要系統(tǒng)性考慮，單體零件應(yīng)用邊界要分清。