汽油發動機點火線圈失效機理分析

俞 京， 徐茂生， 路 兵

（奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術中心， 安徽 蕪湖 241006）

1 引言

隨著汽車電氣化、智能化技術不斷發展，汽車上用電執行器的驅動需求不斷增加，部分驅動模塊由ECU內置演變為用電執行器自帶，點火線圈的驅動模塊也是如此，自帶驅動模塊的點火線圈逐漸成為市場主流。

IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor） 模塊是點火線圈常用的驅動。由于點火線圈的高點火頻率、高點火電壓的工作特性，IGBT的工作環境惡劣。為保障IGBT的可靠工作，為IGBT開發過流保護措施等已成為行業普遍共識［1］。

點火線圈工作在復雜的電磁環境中，其本身也是整車上重要的EMC騷擾源，除了線圈IGBT模塊自身需要做保護之外，從線圈應用的角度考慮也應關注邊界環境的影響。本文通過一例1.6L增壓發動機點火線圈失效開展分析，并闡述此觀點。

2 問題描述

某1.6L增壓發動機在臺架試驗過程中，發動機運行一段時間后發現有失火現象。通過燃燒分析儀確認某單缸失火，再檢查點火系統發現該單缸點火線圈表面有裂紋，更換點火線圈后發動機恢復正常。

3 故障件分析

點火線圈故障件經性能檢測發現無輸出，確認點火線圈已損壞。拆解發現線圈繞組有燒蝕現象、線圈殼體表面有裂紋，分析故障原因為線圈繞組過載。

進一步拆解IGBT模塊，發現模塊也有過載燒蝕現象，內部錫膏融化。如圖1所示。

圖1 點火模塊燒蝕

4 原因分析及驗證

通過線圈的故障件分析，其原因指向為線圈繞組和IGBT模塊過載，未見其他異常。經系統分析，同時導致線圈繞組和IGBT模塊失效的主要排查方向確認為輸入IGBT的控制信號排查，主要分為：ECU充電時間檢查、IGBT模塊耐受邊界檢查、模塊輸入信號檢查。

4.1 ECU充電時間檢查

核查ECU設定的點火充電時間MAP，經確認滿足點火線圈設計要求；通過電流探頭檢測點火線圈初級實際充電電流及充電時間，未見異常。

4.2 IGBT模塊耐受邊界檢查

點火線圈IGBT在實際工作的條件下發熱量較多，需驗證IGBT在設計要求的極限工況下是否會造成過載失效，通過設定專項試驗來驗證，試驗詳情如下：①試驗對象：點火線圈樣品8只；②工作頻率：50Hz （相當于發動機轉速6000r／min）；③充電時間：4ms、6ms、8ms、10ms、12ms、14ms；④供電電壓：12V、13V、14V、15V；⑤單次試驗持續時間：2min；⑥試驗矩陣見表1；⑦溫度監控：試驗過程中，用紅外熱像儀實時監控點火線圈頭部溫度，試驗結果見表2。

表1 試驗矩陣

表2 試驗結果

試驗結果表明，IGBT模塊可以滿足點火線圈的充電時間需求，且有較大安全余量。

4.3 IGBT模塊輸入信號檢查

經驗證，IGBT模塊滿足線圈使用要求，且ECU充電時間也滿足線圈使用要求；但線圈確實存在過載現象，后續的排查方向重點鎖定為IGBT模塊的輸入信號，排查方式為實時數據監控。

在發動機臺架上，用示波器監控故障缸ECU輸入信號和點火線圈的初級電流，運行一段時間后，發現波形異常，如圖2所示，通過示波器余輝可以看到ECU信號在斷電時刻之后，出現幅值較高的電壓波動，該波動幅值已明顯超過了IGBT模塊的開啟電壓，會導致IGBT模塊誤開啟。

與此同時，發動機臺架出現失火現象，停機檢查該缸點火線圈，發現線圈已經損壞。

至此可以確認，導致點火線圈和IGBT模塊過載失效的原因是來自于ECU信號的異常干擾，干擾信號導致IGBT模塊誤開啟，從而導致模塊及線圈過載失效。

圖2 異常波形

5 改進方案驗證

針對ECU信號干擾的影響因素展開分析，發動機臺架線束安裝邊界和整車有一定區別，因此重點排查線束連接的差異區域，并對臺架線束安裝布置做了進一步規范。主要包括：線束長度、線束阻值、線束連接點、線束固定點等方面。線束連接狀態優化后，重新更換點火線圈，后續發動機臺架試驗順利完成。監測ECU信號和初級充電電流信號，波形無異常，如圖3所示。

圖3 正常波形

6 結論

1） 在本故障案例中，臺架線束連接不良導致ECU驅動信號出現干擾，IGBT點火模塊因干擾信號誤開啟導致過載，同時燒蝕線圈繞組。

2） 線束連接狀態會影響IGBT驅動信號傳輸的準確性。臺架試驗過程中需要對線束長度、阻值、連接方式及固定方式等進行規范定義，可以降低IGBT過載失效風險。