点火线圈树脂击穿故障分析

阮鹏

（神龙汽车有限公司采购部，湖北 武汉 430056）

点火线圈树脂击穿故障分析

阮鹏

（神龙汽车有限公司采购部，湖北 武汉 430056）

点火线圈是汽车发动机点火系统中的一个重要执行器，其故障会导致发动机怠速抖动。介绍了神龙汽车有限公司使用的几种类型的点火线圈。详细解析了初级线圈骨架原材料的差异使树脂在温度降低的过程中热形变产生裂纹，从而造成点火线圈次级电压偏低、发动机怠速抖动的故障。并提供了改善措施和经验反馈，这对后续点火线圈的设计验证和品质管理具有较强的指导意义。

点火线圈；抖动；初级线圈骨架；树脂裂纹

点火线圈是汽车发动机点火系统中的一个重要执行器。它的功能是将整车12V低压通过线圈内部的磁场感应，变成35 kV以上的高压电输出给火花塞，由火花塞在气缸内点燃油气混合气，从而实现发动机的做功过程［1］。点火时间是通过发动机电控单元ECU来控制的。

当初级线圈接通电源后，随着电流的增长线圈四周产生一个很强的磁场，铁心储存了磁场能；当ECU控制初级线圈电路断开后，初级线圈的磁场迅速衰减，次级线圈就会感应出很高的电压。初级线圈的磁场消失速度越快，电流断开瞬间的电流越大，两个线圈的匝比越大，则次级线圈感应出来的电压越高。

1 点火线圈类型

目前汽车上使用的点火线圈按其外形设计，一般分为紧凑式（Compact）、轨道式（Rail）、笔式（Pencil）、顶置式（Top Plug）4种类型。在神龙汽车有限公司开发的发动机中，TU5JPK（1.6L自然吸气）是紧凑式结构；EC（1.6L／1.8L自然吸气）／EW（2.0L／2.3L自然吸气）系列是轨道式结构；EB（1.2 L涡轮增压）和EP（1.6 L／1.8 L涡轮增压）系列是笔式结构；正在开发的EB6.2（1.2L涡轮增压、欧Ⅵ排放标准）是顶置式结构。具体外观参考图1点火线圈外形结构。

图1 点火线圈外形结构

全球比较著名的点火线圈供应商有法雷奥（Valeo）、德尔福（Delphi）、艾尔多（Eldor）、博格华纳（Borg Warner）等。

2 点火线圈树脂击穿故障分析

针对EC5轨道式点火线圈出现的树脂击穿故障进行分析。

法雷奥生产的EC5轨道式点火线圈的内部结构主要由线圈模块、金属导轨、EMC电容、壳体、导线、树脂、橡胶护套等零部件组装而成。图2为EC5点火线圈爆炸图。其中线圈模块主要由初次级骨架、初次级绕线、高低压端子、T磁芯和C磁芯等零部件装配而成。图3为EC5线圈模块爆炸图。

图2 EC5点火线圈爆炸图

图3 EC5线圈模块爆炸图

2.1 故障现象描述

2016年1 月在神龙汽车有限公司武汉一厂总装车间出现3起零公里故障。整车装配完毕下线检测时发现，发动机在怠速状态下抖动。更换点火线圈后，故障消失。

2.2 故障原因判定

2015年7 月，法雷奥提出的新增初级线圈二级供应商Autowin（原供应商Microspire）和新增树脂二级供应商南通住友原供应商日本住友）的申请获得批准，变更后的零件在2015年12月中下旬开始大批量使用。

此次零公里故障点火线圈经供应商检测后发现其内部的树脂有裂纹，造成绝缘泄露，次级电压偏低。经过排查，我们发现故障点火线圈的生产批次集中在2015年12月中下旬。故障件使用的树脂既有南通住友生产的，也有日本住友生产的，但所有故障件使用的初级线圈全部是Autowin生产的。因此，故障原因锁定在Autowin初级线圈上。

2.3 故障原因初步分析

从故障件的解剖结果发现，使用Autowin初级线圈的点火线圈内部铁心上有树脂粘连的现象，但使用Microspire初级线圈的点火线圈却没有。解剖结果对比见图4。得出结论：Autowin初级线圈的使用改变了点火线圈树脂的表现。

图4 解剖结果对比图

通过DOE交叉试验结果，我们排除了点火线圈生产工厂、初级线圈供应商装配工艺和初级线圈骨架注塑等差异因素，发现Autowin初级线圈使用的骨架原材料（Dupont Crastin LW9320）与Microspire初级线圈（DSM Arnite TV4）不同。虽然这2种材料的牌号都是PBT-GF20，均符合图纸要求，但由于原材料厂家采用的配方不同，生产出来的产品存在差异，导致该故障的产生。

2.4 故障原因深入分析

1）Dupont Crastin LW9320原材料导致点火线圈内部T磁芯处有树脂粘连的原因是：DupontCrastin LW9320是一款含有SAN（苯乙烯／丙烯腈共聚物）树脂添加剂的PBT-GF20塑料，但DSM Arnite TV4原材料中不含该添加剂。SAN添加剂的作用是降低注塑过程中的翘曲量，并增加环氧树脂的粘附性，从而增加了树脂与T磁芯的粘连性。

2）树脂和T磁芯粘连导致其开裂的原因是：T磁芯的热膨胀系数与树脂、初级线圈塑料骨架的热膨胀系数差异较大。当外部温度从高温到低温的冲击过程中，线圈内部的T磁芯因为其材质的关系温度变化较小，收缩量不大；而初级线圈塑料骨架和树脂的收缩量相对较大。如果有粘连则会导致初级线圈无法在T磁芯处滑动，粘连部位的初级线圈塑料骨架和树脂无法正常收缩，只能和T磁芯收缩量保持相同。这种收缩量使得树脂内部有约束力，一旦该约束力超过了应力极限，树脂就会产生裂纹，造成绝缘泄漏，次级电压偏低。原因推导可参考树脂裂纹原理分析，见图5。

图5 树脂裂纹原理分析

3）只有少数零件失效的原因：根据以上原理的分析，可以看出所有使用Autowin初级线圈的零件，树脂与T磁芯的粘连性都会增加，同时树脂温度变化时内部承受的机械强度会增加。但由于机械应力的产生是呈正态分布的，绝大多数零件内部的机械应力都不超过极限应力值，这些零件是不会失效的；而少数零件内部的机械应力会超过应力极限值，从而产生裂纹。

2.5 改善措施

将初级线圈和树脂切换成变更前的供应商，即使用Microspire初级线圈和日本住友树脂来生产零件。自从切换后在零公里和售后均未再出现同样故障。

2.6 经验反馈

1）对于点火线圈所有产品变更，在认可前需要增加零件解剖以进行变更前后的对比。

2）在每班进行的产品审核基础上实施加强型产品审核，增加5个循环的热冲击试验，以增加树脂击穿问题的探测度。试验条件为：140℃温度下运行2h，然后降低至-40℃温度下运行2h构成一个循环，共运行5个循环。

3）所有原材料变更，要求二级供应商提供足够多的技术规范，并解释变更前后差异点。针对那些差异点寻找适当的验证方法，同时关键的零部件不能同时做变更［2］。

3 结束语

以上详细说明了点火线圈树脂击穿这个典型故障的原因以及解决措施，此案例对从事点火线圈开发和品质管理工作的工程师具有很强的借鉴和参考作用。特别是均符合图纸要求、相同牌号的原材料，因为不同厂家采用的配方不同，生产的产品有如此大的差异，值得所有塑料零件在选材时考虑。

［1］叶建国.点火线圈绝缘技术的发展［J］.汽车科技，1999（3）：59-62.

［2］黄涛，宋仲康.点火线圈初级电感和初级储能动态测试方法［J］.武汉汽车工业大学学报，1997，19（6）：8-10.

（编辑 张每文）

Ignition Coil Resin Breakdown Issue Analysis

RUAN Peng

（Purchasing department，Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Corporation，Wuhan 430056，China）

Ignition coil is an important component in the engine ignition system，whose issue may cause engine idling shaking.This article introduces some types of ignition coils used in DPCA，and analyzes the engine idling shaking and coil lower secondary voltage issues caused by the difference in primary coil frame raw material，which lead to hot deformation crack when the temperature decreasing.Relevant solutions and experience feedback are then provided，which are valuable guidance for the ignition coils design validation and quality management.

ignition coil；shake；primary coil frame；resin crack

U463.642

A

1003－8639（2017）02－0053－03

2016-07-29；

2016-12-05

阮鹏（1982-），男，湖北武汉人，工程师，主要从事发动机火花塞、点火线圈、电机、电控单元和电磁阀等零件的供应商品质管理工作。