某汽油发动机点火线圈开裂问题解析

冯永超 刘新宇 陈 浩 李金鸽 单龙江

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315300）

引言

现代汽油发动机中，点火控制系统的核心部件为ECU、点火线圈、火花塞。

汽油发动机利用点火线圈将低压电转变为高压电，传递给火花塞产生电火花点燃缸内混合气[1]，从而实现电能到热能的转换。点火线圈表面开裂、内部击穿为点火线圈常见故障现象[2]。

本文因某发动机台架试验过程中出现点火线圈开裂问题，引申出不同ECU 平台的不同信号类型及点火线圈接地线连接情况对点火信号的影响研究。通过对故障信号进行测量，根据点火线圈工作原理及其特性，从失效机理进行分析，并佐以试验验证，确认点火线圈内部电路、ECU 信号状态、ECU 接地位置差异均会影响点火线圈内部信号能量释放，单一因素过强或多个微弱因素累加均会导致点火线圈信号振荡幅值超过IGBT 开启电压限值，导致IGBT 短时间多次开启，造成点火线圈开裂直至烧蚀。

1 汽油发动机点火控制系统原理

汽油发动机点火控制系统原理[3]如图1 所示。

图1 汽油发动机点火控制系统原理图

确定第1 缸的上止点位置，经过台架标定，得出满足各工况动力性、经济性的最佳点火提前角，同步标定点火线圈充磁时间（即ECU 点火信号充电时间），实现在发动机各工况下点火线圈在气缸内适时、准确、可靠地产生满足需求的火花能量，以点燃可燃混合气。

2 失效信息及边界测量

对某发动机进行台架耐久试验及机油消耗试验，运行至全速全负荷工况，发动机出现转速与转矩波动异常，紧急停机后，发现点火线圈冒烟。经检查，发现3 个气缸的点火线圈均开裂。如图2 所示。

图2 失效点火线圈

因为3 个气缸的点火线圈同时出现故障，排除单一零部件质量问题。对边界进行排查，测试A台架（发生故障台架）点火线圈工作信号波形如图3所示。

图3 失效点火线圈工作信号波形

正常点火线圈工作信号波形如图4 所示。

图4 正常点火线圈工作信号波形

两相对比发现，失效点火线圈的ECU 信号在一次点火后有多次振荡且振荡幅值超过IGBT 开启电压限值。

3 失效机理

点火线圈接线示意图如图5 所示，初级电流与充电时间的关系如图6 所示。

图5 点火线圈接线示意图

图6 初级电流与充电时间的关系

ECU 信号关闭，初级电流关断瞬间，因为线圈本身有自感存在，电源线上会有能量储存，电源和地线之间有电容存在，因此储存的能量会以振荡形式从地释放；地线与信号线之间有寄生电容存在，信号会随着电源和地同步振荡；如果电源线上能量很高，无法直接通过对地电容快速释放，就会以耦合传导方式通过信号线对地释放，间接增大信号振荡幅值（即寄生电容增大）。信号振荡的频率和幅值过大，会达到IGBT 开启电压，使IGBT 出现多次开关。IGBT 频繁开关，导致发热，时间累积，烧蚀开裂。

寄生电容的大小，受很多因素影响，包括布线方式、线长、接地位置、信号状态等。因此，减少地线长度，会降低回路线上电感，即减小回路上的能量，使电源线上能量能快速从地释放，即可降低信号电压的振荡幅值，从而达到保护IGBT 的作用。不同的ECU 信号状态，同样会影响能量释放快慢，高阻抗信号状态能量释放相对较慢。

4 试验验证

选取工作正常但接地线位置不同的B 台架，测量点火线圈工作信号。

台架接地线位置对点火线圈工作信号的影响如图7 所示。

图7 台架接地线位置对点火线圈工作信号的影响对比

相比于A 台架，B 台架信号电压振荡幅值小于IGBT 开启电压限值（各工况表现一致）。

按照B 台架来更改A 台架的线接地方式，更改后，信号电压振荡幅值小于IGBT 开启电压限值。

按照图8 测量整车点火线圈信号，信号电压振荡幅值小于IGBT 开启电压限值。

图8 整车接线情况

选取单体滤波能力强于故障线圈的a 线圈，分别在A、B 台架上进行测量，并在测量结束后按照B台架状态调整A 台架接线，统计结果见表1。

表1 不同点火线圈在不同台架上的测量结果

点火线圈差异表现在内部滤波电路有差异，差异影响对比见表2。

表2 点火线圈差异

不同ECU 平台与点火相关的信号状态差异见表3。

表3 不同ECU 平台与点火相关的信号状态差异

使用不同ECU 平台在整车上测试点火线圈信号，电压振荡幅值小于IGBT 开启电压限值，测试情况见表4。

表4 不同点火线圈、ECU 组合整车测量结果

综上所述，点火线圈内部电路、ECU 信号状态、ECU 接地位置差异累加导致点火线圈信号振荡幅值超过IGBT 开启电压限值，导致IGBT 短时间多次开启，造成烧蚀开裂。

5 结论

点火线圈开裂失效问题并不是因为某一个体零件出现异常导致，属于系统性问题。不同ECU 信号形态及点火线圈接地线连接情况对点火信号均有影响。

在项目开发过程中，不能单纯考虑硬件单体质量问题，在电路及软件应用层面也要保证应用过程中的可使用性。

在点火线圈开发过程中，不仅需要识别单体零件差异，还需要系统性考虑，单体零件应用边界要分清。