点火线圈可靠性研究

点火线圈可靠性研究

1 引言

随着汽车工业现代化进程的加快，电子制造业正处于蓬勃发展的黄金时期。点火线圈作为汽车点火控制系统的重要组成部件，其指标直接影响汽车的动力学性能及环保性能。中国将逐渐成为点火线圈在全球的制造中心，预计未来几年内点火线圈产量将会超过一千万只。与此同时，国产点火线圈制造和测试设备还比较落后，自动化水平低且智能程度不高，难以满足现代化大规模生产的需要。分析和研究点火线圈制造技术及其加工工艺、品质等方面的可靠性工作，具有重要的现实意义。

2 点火线圈的工作原理

在汽车发动机点火系统中，点火线圈是为点燃发动机汽缸内空气和燃油混合物提供点火能量的执行部件。其主要工作是基于电磁感应的原理，通过电子控制器接收ECU的指令关断和打开点火线圈的初级回路，通过初级线圈绕组的电流作为磁场储存。当初级线圈绕组电流突然被切断（通过功率晶体管断开电路接地端）时，磁场衰减，使次级线圈绕组产生感应电动势，该感应电动势的电压足以使火花塞放电，我们称其为电感放电式点火。另外也有电容放电式(CDI)点火系统。点火线圈可以认为是一种特殊的脉冲变压器，它将蓄电池10-14V的低电压转换成30KV甚至更高的电压。

3 国内外点火系统及点火线圈技术现阶段的研究状态

点火系统前后经历了传统触点式点火系统、半导体辅助点火系统、普通电子点火系统和微机控制点火系统的发展过程。其中的电控点火系统经历了从模拟计算机到数字计算机控制的发展过程，并由单项控制到多项内容的发动机集中控制系统，甚至现在某些汽车上采用了集发动机控制与传动系统控制于一体的动力牵引控制系统。作为汽车电子控制系统一部分的电子点火系统将朝着电子化、智能化方向发展，点火器件将走向小型化、轻型化、集成化与低成本化。

国外电子点火系统已经达到了微计算机化和智能化。如德国博世公司1999年生产的ME7发动机管理系统，能在0.03ms内计算出最佳点火提前角，并驱动晶体管。还有为稀薄燃烧设计的高频点火系统，火花塞可以在很短的时间内(1~2ms)产生多个火花，可以保证稳定点火。

目前国内汽油机点火系统中，电子点火系统己占有较大比例，传统点火系统已处于淘汰的状况，在电子点火系统中，又以霍尔式电子点火系统为主，并且生产基本都是按主机厂要求采用相应的国外标准。而在中、高档轿车中已开始采用微计算机控制的点火系统。我国对汽油发动机计算机控制点火系统的研究始于80年代中期，一些研究单位对汽油喷射系统、点火系统、氧传感器反馈系统等电控项目的研究与开发，取得了一些进展，在一些轿车如国产CA7200小红旗等轿车装用了这些系统。但由于我国汽车工业基础还较薄弱，在电子化程度上与国外先进水平相比，还存在较大的差距。国内主机厂需求的计算机控制的点火系统，大多来自于进口德国博世公司及美国德尔福公司等在华办的合资企业。近来很多研究机构也对电控点火系统进行了研究，如上海交通大学研究了一种新型点火装置。该装置改制了现有点火系统电路中的点火线圈部分，利用电磁谐振原理产生2次脉冲静电电压，使得一次点火即将结束时再次点火而达到燃

烧充分，实现了降低排放的目的。

与此同步，汽车点火线圈技术也随之不断发展。当沥青点火线圈的退出历史舞台后，在80年代，我国的汽车点火线圈制造水平还比较低，基本上采用的都是开磁路油浸式结构。现代科学技术的发展以及整个国家机电水平的提高，固体式（干式）点火线圈应运而生，其应用也越来越广泛，逐步取代了油浸式点火线圈。固体式点火线圈的发展至目前为止共经历了三代：

①单点点火线圈(Single-output Coil) 该结构点火线圈较简单，就是一单独的点火线圈，但业内也有人将其与点火电子组件做成一个产品，或与分电器做成一个产品。单头点火线圈产生高压、通过分电器分配给所有的气缸火花塞。目前国内许多车型采用这种线圈。如大众小红旗Audi、奥拓、长安之星等。

②多点点火线圈(Multi-output Coil) 该结构点火线圈主要用于无分电器点火系统中，常见的有4头的、6头的，线圈次级绕组数相应为2组、3组。每个次级绕组上有两个高压头。分别接在火花塞的中央电极上（如四缸机的1，4缸或2，3缸），形成回路，由ECU控制分别向初级绕组供电，在其对应的次级绕组感应出高压电，同时向2个气缸点火。这时，一个气缸活塞处在压缩行程的上止点前火花将压缩气体点燃，点火有效；另一个气缸活塞处在排气行程的上止点前，因气缸内是废气，点火无效。这种点火线圈的优点还有：省略了分电器，消除了分火头与侧电极之间的火花，减少了线圈对外界产生的电磁骚扰；消除了分电器内分火头与侧电极之间的能量损失，可大大提高点火能量。

③笔式点火线圈(Pen-style Coil) 因外形像一只笔，该结构点火线圈因而被称作笔式点火线圈。它直接插在气缸上，每缸一只。这种点火线圈省去了分电器分火头与旁电极之间的能量损耗，省去了高压线的能量损耗，又避免了多头点火线圈一组线圈同时向两个缸点火的弊端，所以点火更为可靠。另外，由于它无需分电器，也无需高压线，因而减少了电磁骚扰。这是时下最流行最先进的点火线圈，代表着点火线圈的最新技术。但这种点火线圈直接装在气缸上，环境温度十分高，因而对材料的要求也非常高。目前国内厂家生产这种产品很少。

4 目前国内汽车两种典型结构形式的点火线圈介绍

4.1 开磁路(油浸式、湿式)点火线圈

开磁路式点火线圈一般为罐状结构。这种线圈内部填充物为变压器油，将变压器油密封在点火线圈内部。油浸式点火线圈由于内部介质为液体，具有流动性，因而散热效果较佳。市场上普遍使用的油浸式点火线圈为单头的，但也有的车型使用双头的。结构上将初级线圈绕组放于次极线圈绕组外侧，次级绕组采用分层平绕工艺，层与层之间用聚脂薄膜或电容器纸进行高压绝缘；铁芯采用柱型开放式；用硅油等绝缘物进行绝缘和散热；铁筒外壳带附加电阻。

(1) 组成部件

开磁路油浸式点火线圈在我国曾经被广泛使用。其结构主要由初级线圈绕组、次级线圈绕组、低压接线柱、高压输出端子和高压绝缘填充材料及外壳等组成。从内部结构上看主要包括三个部件。

a. 初级线圈绕组：初级线圈的线径为0.5~1.0mm，较次级线圈粗，且匝数仅150~300圈而已。绕于次级绕组的外侧。初级绕组的正极、负极与外壳上的正极端、负极端相连接；次级