汽车发动机点火系统电磁兼容优化技术研究
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Li Xu, Wu Cunxue, He Jugang, Cai Heng, Chen Lidong, Zhai Jianpeng, Guo Dijun
（China Changan Automobile Co., Ltd ） 【Abstract 】Based on the analysis of the mechanism which gives rise to the automotive ignition system EMI, EMI
suppression method is investigated. And we established the test bench to validate the EMI suppression method. The results show that selection of spark plug with bigger resistance and longer damping resistance length, and adding a shielding layer to the primary and secondary winding of ignition coil, and also adopting EMI filter can enhance EMC performance of the automotive ignition system effectively.
1
前言
汽车发动机点火系统 （下称点火系统 ）是汽车电
器系统中最主要的电磁干扰源 ， 其在工作过程中所 形成的高强度和宽频带的电磁干扰以传导和辐射耦 合的方式影响着车内电器设备的正常工作 [1，2]， 它也 是整车不能通过相关电磁兼容法规的最主要因素 。 本文对点火系统电磁干扰形成机理和电磁干扰优化
觹 基金项目 ： 中国兵器装备集团公司 “097 ” 计划项目 （10111613 ）。
图4
点火系统电容放电等效电路模型示意
图 4 中 ， Z R 为 高 压 点 火 导 线 的 特 性 阻 抗 ； Cs 为 火花塞绝缘裙部对发动机机壳的电容 ；Cq 为火花塞 电阻前端的中心电极与火花塞金属壳体之间的分布 电 容 ； Cr 为 火 花 塞 电 阻 与 壳 体 之 间 的 分 布 电 容 ； Cd 为电阻型火花塞的并联电容 ；Cp 为火花塞电阻后端 的中心电极与火花塞金属壳体之间的同轴分布电 容 ； Rr 为 火 花 塞 电 阻 ； r g 为 火 花 塞 间 隙 间 的 火 花 电 阻 ；I 为火花塞接线柱处噪声电流 ；Zr 和 Zp 分别为高 — 23 —
2
（b ） 有屏蔽层
×
图5
点火线圈噪声电流传播路径示意
ω ω ω ω q+ q 1+ q q 1+ ω q ω 姨 2ω 姨q 姨 2ω qq Ig （ j ω ） （4 ） Cp+Cr 式中 ，Ig（jω ） 为火花塞击穿过程中其中心电极与侧电 极间的火花放电噪声电流 ；ωd=1/Cd · · Rr；ωR=C/Cs2 R；
（6 ）
Ig （ x ） =
1 （Cp+Cr）Vs（2α/p ）（Vs /lg）2e 4 x=（2α/p ）（Vs /lg）2t
x-x0 2
· · f· L s 1.257×10-6IC （7 ） r 式中 ，I 为线缆上的噪声电流 ；f 为频率 ；L 为线缆的 长度 ；s 为线缆两导体间的距离 ； 由单根导线引起的 共模辐射电场强度为 EC max /2 。 由式 （6 ） 和式 （7 ） 可知 ， 减小点火线圈高压导线 和初级线缆上的噪声电流 ， 并缩短高压导线和初级 线缆的长度 ， 将会降低点火系统形成的辐射电磁干 扰 。 因高压导线的长度和布置受制于发动机的设计 要求 ， 所以较难更改 ， 但可对 EMS 和蓄电池的布置 位置进行优化以减小初级连接电缆的长度 ， 进而降 低由初级线缆辐射的电磁干扰 。 图 6 为用于抑制点火线圈初级电源线上电磁干 扰的滤波器 ， 其中 Lc 为共模抑制电感 ，CD 为差模抑 制电容 。 通过对点火线圈初级电缆上共模和差模电 磁干扰的抑制来减少由初级电缆辐射的电磁干扰 。
设计 计算 研究 · · · ·
汽车发动机点火系统电磁兼容优化技术研究 *
李 旭 吴存学 何举刚 蔡 恒 陈立东 翟建鹏 郭迪军
（中国长安汽车股份有限公司 ）
在分析汽车发动机点火系统电磁干扰产生机理的基础上 ， 对干扰抑制措施进行了研究 。 在所搭建的点火 【摘要】 系统电磁兼容试验台架上 ， 对部分抑制措施进行了试验验证 。 结果表明 ， 采用阻值较大及阻尼电阻长度较长的火花 塞 、 在点火线圈的初级和次级绕组间加入屏蔽层 ， 以及采用滤波器等可有效提高汽车发动机点火系统的电磁兼容性 能。
合治理 ， 除采取上述优化设计措施外 ， 还应考虑高压 导线和初级线缆的作用 。 耦合在高压导线和初级线 缆上的噪声电流会向汽车及其周围空间辐射电磁能 量 ， 其差模辐射电场强度 ED max 和共模辐射电场强度
EC max 可表示为 [7]： · · · 1.316×10-14ID f2 L s ED max= r EC max=
帘 青）
— 22 —
设计 计算 研究 · · · · 线圈初级绕组的通断由 EMS 中的功率三极管控制 ， 当点火信号为高电平时 ， 初级线圈与蓄电池之间的 回路被导通 ， 点火线圈内存储的磁场能量不断增加 ； 当点火信号变为低电平时 ， 初级线圈回路被断开 ， 此 时在初级线圈中形成自感电动势 ， 并通过点火线圈 转化为次级线圈的互感电动势 ， 形成高电压将火花 塞间隙击穿产生电火花 ， 从而引燃发动机气缸中的 混合燃气 。 流为 ：
[4]
· · · Rw+jω[Lw（1-ω2 Lw Cw）-Cw Rw2] （2 ） 2 2 2 2 （ 1 -ω · · Lw Cw） +ω· Rw· Cw2 式中 ，ω=2πf 为角频率 ，f 为点火电流频谱 。 考虑到 Cw 很小 ， 点火电流频谱一般满 足 ω ≤
和耦合路径可用图 2 表示 。 火花塞击穿瞬间 ， 其中 心电极和侧电极间快速的电压变化使气缸内部的火 花塞及其连接导体上形成瞬变的电磁噪声 ， 它通过 高压导线和初级线缆的 “ 天线 ” 作用将电磁能量耦合 到车内空间 ， 导致车内电磁环境恶化 。 同时由于初 级线缆的传导干扰导致汽车电源质量的下降 ， 并影 响到 EMS 的正常工作 。 所以 ， 为优化点火系统的电 磁兼容性能 ， 应采取以下措施 ： 减小火花塞击穿过程 中形成的噪声电流 ； 减小由点火线圈耦合到高压导 线和初级线缆上的电磁噪声 ； 缩短初级电缆和高压 导线的长度 。
3.2
火花塞阻尼长度和位置对电磁干扰的影响 利用同轴分布电容器模型对火花塞进行等效
后 ， 可建立起如图 4 所示的点火系统电容放电等效 电路模型 。
图2
点火系统电磁干扰的形成机理和耦合路径示意
Biblioteka Baidu
3
3.1
优化技术的理论分析
高压导线和火花塞阻尼对电磁干扰的影响 采用线绕电阻型高压点火导线的点火系统次级
[5]
7
林逸 ， 姚为民 ， 孙丹丹 . 承受冲击时汽车座椅结构安全性研 究 . 北京理工大学学报 ，2005 ，25 （1 ）：18~21,26. （ 责任编辑 修改稿收到日期为 2010 年 3 月 17 日 。 汽 车 技 术
01-1041. 5 Vikas Gupta, Mick Heckert, Jane Palmieri, et al. All Ther-
2010 年
第5期
设计 计算 研究 · · · · 压导线至火花塞接线处的等效阻抗及高压导线至火 花塞阻尼电阻处的等效阻抗 。 经推导可得 I：
I （ω ）=
Cs × π
2 2 R R
ω ω + 1- ω q q 1+ q qq 2ω q 姨 2ω q 姨q ω
d 2 2 Rq Rq q q
（a ） 无屏蔽层
主题词： 发动机 点火系统 电磁干扰 抑制措施 中图分类号： U464.142+.1 文献标识码： A 文章编号： 1000－3703（2010）05－0022－05
Research on Electromagnetic Compatibility Optimization Technology for Automotive Engine Ignition System
姨 L ·C
w
1
， 当 ω≤
w
1 时 有 ， · Rw Cw · · Zw=Rw+j ω Lw
（3 ）
由式 （1 ） 可知 ， 点火线圈 、 高压导线和火花塞均 对噪声电流的大小有影响 ， 增大火花塞和高压导线 的阻抗将有助于减小点火系统的电磁干扰 。 式 （3 ） 表明 ， 线绕电阻型高压导线在低频段对干扰的抑制 主要由电阻决定 ， 而随着频率的增大 ， 电感的作用将 迅速显现出来 。 另外 ， 由于线绕电阻的趋肤效应 ， 阻 值 Rw 随频率增高而迅速增加 ， 从而使其高频干扰抑 制能力增强 。
姨 姨 1+e
x-x0 2
田林 ， 禹慧丽 ， 崔泰松 ， 等 . 后排分体式座椅骨架结构对行 李箱 防 护 的 影 响 . 2009 中 国 汽 车 安 全 技 术 国 际 研 讨 会 论 文集 . 武汉 ： 中国汽车工程学会 ，2009.
3
Stephens Gregory D, Long Timothy J, David M. Blais-dell, Energy Analysis of Automotive Seat Systems.SAE Interna tional, 2000-01-1380.
· ωq=1/（Cr+Cq+Cs）Rr；ωRq=C/Cu2 R ；R 和 C 分别为 单 位 长度高压线的串联电阻和并联电容 。 式 （4） 表明 ， 干扰电流与火花塞的内部结构及火 花塞间隙的击穿特性等有关 。 根据 Rompe-Weizel 火花电阻公式， 可得 Ig[6]为 ：
-1.5
3.4
初级线缆对电磁干扰的影响 为有效降低电磁干扰 ， 需要对点火系统进行综
图3 点火系统次级等效电路示意
由图 3 可得到火花塞击穿过程中形成的噪声电
E Z0+Zw+Zp · · Rw+j ω Lw Zw= = · · · · 1+j ω Cw（Rw+j ω Lw） Ig=
（1 ）
图1
点火系统组成示意
根 据 Ford 汽 车 公 司 Chen Ching-chi 的 研 究 结 论 ，点 火 系 统 在 工 作 过 程 中 形 成 电 磁 干 扰 的 机 理
2
电磁干扰的形成机理
图 1 为点火系统示意图 ，其由蓄电池 、发动机电
子控制系统 （Engine management system，EMS ）、 点火 线圈 、 连接线缆 、 高压导线和火花塞等组成 [3]。 点火
国标准出版社 ，2006.
moplastic Lightweight Structural Rear-Seat-Back. SAE International, 2001-01-0324. 6
等效电路如图 3 所示 。 图 3 中 ，E、Z0 为点火装置次 级电路等效电压源和输出阻抗 ；Zp、Vs 为火花塞的等 效阻抗及放电电压 ；Zw、Rw、Lw 分别为高压导线的等 效阻抗 、 电阻和电感 ；Cw 为高压线等效并联电容 ；Ig 为火花塞击穿过程中其中心电极与侧电极间的火花 放电噪声电流 。
4 Dong Won Shin, Nam Hyeong Kim, Sun Suk Lee, et al. Development of Seating System with GMT for ECE 17.07
（Luggage Retention ） Regulation.SAE International, 2002 -
Key words：Engine, Ignition system, Electromagnetic interference, Suppression method
技术进行了研究 ， 搭建了点火系统的电磁兼容试验 台架 ，并对相应的优化技术进行了试验验证 ，确定了 提升点火系统电磁兼容性能的方法 。
（China Changan Automobile Co., Ltd ） 【Abstract 】Based on the analysis of the mechanism which gives rise to the automotive ignition system EMI, EMI
suppression method is investigated. And we established the test bench to validate the EMI suppression method. The results show that selection of spark plug with bigger resistance and longer damping resistance length, and adding a shielding layer to the primary and secondary winding of ignition coil, and also adopting EMI filter can enhance EMC performance of the automotive ignition system effectively.
1
前言
汽车发动机点火系统 （下称点火系统 ）是汽车电
器系统中最主要的电磁干扰源 ， 其在工作过程中所 形成的高强度和宽频带的电磁干扰以传导和辐射耦 合的方式影响着车内电器设备的正常工作 [1，2]， 它也 是整车不能通过相关电磁兼容法规的最主要因素 。 本文对点火系统电磁干扰形成机理和电磁干扰优化
觹 基金项目 ： 中国兵器装备集团公司 “097 ” 计划项目 （10111613 ）。
图4
点火系统电容放电等效电路模型示意
图 4 中 ， Z R 为 高 压 点 火 导 线 的 特 性 阻 抗 ； Cs 为 火花塞绝缘裙部对发动机机壳的电容 ；Cq 为火花塞 电阻前端的中心电极与火花塞金属壳体之间的分布 电 容 ； Cr 为 火 花 塞 电 阻 与 壳 体 之 间 的 分 布 电 容 ； Cd 为电阻型火花塞的并联电容 ；Cp 为火花塞电阻后端 的中心电极与火花塞金属壳体之间的同轴分布电 容 ； Rr 为 火 花 塞 电 阻 ； r g 为 火 花 塞 间 隙 间 的 火 花 电 阻 ；I 为火花塞接线柱处噪声电流 ；Zr 和 Zp 分别为高 — 23 —
2
（b ） 有屏蔽层
×
图5
点火线圈噪声电流传播路径示意
ω ω ω ω q+ q 1+ q q 1+ ω q ω 姨 2ω 姨q 姨 2ω qq Ig （ j ω ） （4 ） Cp+Cr 式中 ，Ig（jω ） 为火花塞击穿过程中其中心电极与侧电 极间的火花放电噪声电流 ；ωd=1/Cd · · Rr；ωR=C/Cs2 R；
（6 ）
Ig （ x ） =
1 （Cp+Cr）Vs（2α/p ）（Vs /lg）2e 4 x=（2α/p ）（Vs /lg）2t
x-x0 2
· · f· L s 1.257×10-6IC （7 ） r 式中 ，I 为线缆上的噪声电流 ；f 为频率 ；L 为线缆的 长度 ；s 为线缆两导体间的距离 ； 由单根导线引起的 共模辐射电场强度为 EC max /2 。 由式 （6 ） 和式 （7 ） 可知 ， 减小点火线圈高压导线 和初级线缆上的噪声电流 ， 并缩短高压导线和初级 线缆的长度 ， 将会降低点火系统形成的辐射电磁干 扰 。 因高压导线的长度和布置受制于发动机的设计 要求 ， 所以较难更改 ， 但可对 EMS 和蓄电池的布置 位置进行优化以减小初级连接电缆的长度 ， 进而降 低由初级线缆辐射的电磁干扰 。 图 6 为用于抑制点火线圈初级电源线上电磁干 扰的滤波器 ， 其中 Lc 为共模抑制电感 ，CD 为差模抑 制电容 。 通过对点火线圈初级电缆上共模和差模电 磁干扰的抑制来减少由初级电缆辐射的电磁干扰 。
设计 计算 研究 · · · ·
汽车发动机点火系统电磁兼容优化技术研究 *
李 旭 吴存学 何举刚 蔡 恒 陈立东 翟建鹏 郭迪军
（中国长安汽车股份有限公司 ）
在分析汽车发动机点火系统电磁干扰产生机理的基础上 ， 对干扰抑制措施进行了研究 。 在所搭建的点火 【摘要】 系统电磁兼容试验台架上 ， 对部分抑制措施进行了试验验证 。 结果表明 ， 采用阻值较大及阻尼电阻长度较长的火花 塞 、 在点火线圈的初级和次级绕组间加入屏蔽层 ， 以及采用滤波器等可有效提高汽车发动机点火系统的电磁兼容性 能。
合治理 ， 除采取上述优化设计措施外 ， 还应考虑高压 导线和初级线缆的作用 。 耦合在高压导线和初级线 缆上的噪声电流会向汽车及其周围空间辐射电磁能 量 ， 其差模辐射电场强度 ED max 和共模辐射电场强度
EC max 可表示为 [7]： · · · 1.316×10-14ID f2 L s ED max= r EC max=
帘 青）
— 22 —
设计 计算 研究 · · · · 线圈初级绕组的通断由 EMS 中的功率三极管控制 ， 当点火信号为高电平时 ， 初级线圈与蓄电池之间的 回路被导通 ， 点火线圈内存储的磁场能量不断增加 ； 当点火信号变为低电平时 ， 初级线圈回路被断开 ， 此 时在初级线圈中形成自感电动势 ， 并通过点火线圈 转化为次级线圈的互感电动势 ， 形成高电压将火花 塞间隙击穿产生电火花 ， 从而引燃发动机气缸中的 混合燃气 。 流为 ：
[4]
· · · Rw+jω[Lw（1-ω2 Lw Cw）-Cw Rw2] （2 ） 2 2 2 2 （ 1 -ω · · Lw Cw） +ω· Rw· Cw2 式中 ，ω=2πf 为角频率 ，f 为点火电流频谱 。 考虑到 Cw 很小 ， 点火电流频谱一般满 足 ω ≤
和耦合路径可用图 2 表示 。 火花塞击穿瞬间 ， 其中 心电极和侧电极间快速的电压变化使气缸内部的火 花塞及其连接导体上形成瞬变的电磁噪声 ， 它通过 高压导线和初级线缆的 “ 天线 ” 作用将电磁能量耦合 到车内空间 ， 导致车内电磁环境恶化 。 同时由于初 级线缆的传导干扰导致汽车电源质量的下降 ， 并影 响到 EMS 的正常工作 。 所以 ， 为优化点火系统的电 磁兼容性能 ， 应采取以下措施 ： 减小火花塞击穿过程 中形成的噪声电流 ； 减小由点火线圈耦合到高压导 线和初级线缆上的电磁噪声 ； 缩短初级电缆和高压 导线的长度 。
3.2
火花塞阻尼长度和位置对电磁干扰的影响 利用同轴分布电容器模型对火花塞进行等效
后 ， 可建立起如图 4 所示的点火系统电容放电等效 电路模型 。
图2
点火系统电磁干扰的形成机理和耦合路径示意
Biblioteka Baidu
3
3.1
优化技术的理论分析
高压导线和火花塞阻尼对电磁干扰的影响 采用线绕电阻型高压点火导线的点火系统次级
[5]
7
林逸 ， 姚为民 ， 孙丹丹 . 承受冲击时汽车座椅结构安全性研 究 . 北京理工大学学报 ，2005 ，25 （1 ）：18~21,26. （ 责任编辑 修改稿收到日期为 2010 年 3 月 17 日 。 汽 车 技 术
01-1041. 5 Vikas Gupta, Mick Heckert, Jane Palmieri, et al. All Ther-
2010 年
第5期
设计 计算 研究 · · · · 压导线至火花塞接线处的等效阻抗及高压导线至火 花塞阻尼电阻处的等效阻抗 。 经推导可得 I：
I （ω ）=
Cs × π
2 2 R R
ω ω + 1- ω q q 1+ q qq 2ω q 姨 2ω q 姨q ω
d 2 2 Rq Rq q q
（a ） 无屏蔽层
主题词： 发动机 点火系统 电磁干扰 抑制措施 中图分类号： U464.142+.1 文献标识码： A 文章编号： 1000－3703（2010）05－0022－05
Research on Electromagnetic Compatibility Optimization Technology for Automotive Engine Ignition System
姨 L ·C
w
1
， 当 ω≤
w
1 时 有 ， · Rw Cw · · Zw=Rw+j ω Lw
（3 ）
由式 （1 ） 可知 ， 点火线圈 、 高压导线和火花塞均 对噪声电流的大小有影响 ， 增大火花塞和高压导线 的阻抗将有助于减小点火系统的电磁干扰 。 式 （3 ） 表明 ， 线绕电阻型高压导线在低频段对干扰的抑制 主要由电阻决定 ， 而随着频率的增大 ， 电感的作用将 迅速显现出来 。 另外 ， 由于线绕电阻的趋肤效应 ， 阻 值 Rw 随频率增高而迅速增加 ， 从而使其高频干扰抑 制能力增强 。
姨 姨 1+e
x-x0 2
田林 ， 禹慧丽 ， 崔泰松 ， 等 . 后排分体式座椅骨架结构对行 李箱 防 护 的 影 响 . 2009 中 国 汽 车 安 全 技 术 国 际 研 讨 会 论 文集 . 武汉 ： 中国汽车工程学会 ，2009.
3
Stephens Gregory D, Long Timothy J, David M. Blais-dell, Energy Analysis of Automotive Seat Systems.SAE Interna tional, 2000-01-1380.
· ωq=1/（Cr+Cq+Cs）Rr；ωRq=C/Cu2 R ；R 和 C 分别为 单 位 长度高压线的串联电阻和并联电容 。 式 （4） 表明 ， 干扰电流与火花塞的内部结构及火 花塞间隙的击穿特性等有关 。 根据 Rompe-Weizel 火花电阻公式， 可得 Ig[6]为 ：
-1.5
3.4
初级线缆对电磁干扰的影响 为有效降低电磁干扰 ， 需要对点火系统进行综
图3 点火系统次级等效电路示意
由图 3 可得到火花塞击穿过程中形成的噪声电
E Z0+Zw+Zp · · Rw+j ω Lw Zw= = · · · · 1+j ω Cw（Rw+j ω Lw） Ig=
（1 ）
图1
点火系统组成示意
根 据 Ford 汽 车 公 司 Chen Ching-chi 的 研 究 结 论 ，点 火 系 统 在 工 作 过 程 中 形 成 电 磁 干 扰 的 机 理
2
电磁干扰的形成机理
图 1 为点火系统示意图 ，其由蓄电池 、发动机电
子控制系统 （Engine management system，EMS ）、 点火 线圈 、 连接线缆 、 高压导线和火花塞等组成 [3]。 点火
国标准出版社 ，2006.
moplastic Lightweight Structural Rear-Seat-Back. SAE International, 2001-01-0324. 6
等效电路如图 3 所示 。 图 3 中 ，E、Z0 为点火装置次 级电路等效电压源和输出阻抗 ；Zp、Vs 为火花塞的等 效阻抗及放电电压 ；Zw、Rw、Lw 分别为高压导线的等 效阻抗 、 电阻和电感 ；Cw 为高压线等效并联电容 ；Ig 为火花塞击穿过程中其中心电极与侧电极间的火花 放电噪声电流 。
4 Dong Won Shin, Nam Hyeong Kim, Sun Suk Lee, et al. Development of Seating System with GMT for ECE 17.07
（Luggage Retention ） Regulation.SAE International, 2002 -
Key words：Engine, Ignition system, Electromagnetic interference, Suppression method
技术进行了研究 ， 搭建了点火系统的电磁兼容试验 台架 ，并对相应的优化技术进行了试验验证 ，确定了 提升点火系统电磁兼容性能的方法 。