汽车点火系统的电磁干扰研究(3)

2019-08-30 20:57

讯设备的接收正常。

3)静电放电

桌椅和乘客之间的摩擦、汽车行驶时轮胎与地面之间的摩擦以及车身与空气的摩擦都会造成电荷的积累,从而形成静电。静电常常以电晕和火花方式放电,聚集过多的高压静电放电时会在一定程度上影响电子设备的工作正常。

4)车载通讯设备

汽车上的通讯设备也能引起对外界的干扰,例如附近的飞机、加油站等。 ②来自车外的电磁干扰 1)周边其他车辆的电磁干扰;

2)汽车外面的雷达以及无线电台、移动通讯设备等发射的电磁波;

3)高压输电线的电晕放电、路灯弧光放电等;闪电、太阳辐射、宇宙噪声等现象对汽车上的电子设备的电磁干扰。

2.2.2汽车电磁干扰传播路径分析

电磁干扰的传输途径主要分为两种,即导线传导和空间辐射,也就是传导发射和辐射发射。传导干扰是电磁干扰通过电线传输,通过设备的控制线、信号线、电源线和其他直接侵入到敏感设备。由于汽车和外界的电路没有直接联系,所以传导干扰都是汽车自身的电器元件引起的。传导干扰是由于继电器、电机及其他一些感应装置的触点开关引起的瞬态脉冲。

辐射干扰的本质是干扰源的电磁能量以场的形式向四周扩散。场可以分为近场与远场,近场又称为感应场,远场又称为辐射场。汽车上的电磁场既有车载电器辐射场,也包括外界场强。汽车上的辐射耦合途径相当的复杂,电磁辐射可以直接耦合在敏感设备上,也可以耦合到线束上,最后再传导侵入敏感设备。电磁辐射是汽车的电磁干扰中最强的干扰源,它一般发生在电路或者触点在开启和断开的一瞬间,在此期间,电路中会出现各种各样的瞬态电压,也叫做瞬变过电压。汽车的电气系统中,瞬变过电压分为四种:负载突变过电压、电感负载断开过电压、激磁衰减过电压和互耦式过电压。在这其中,电感性和电容性负载,瞬变电压很高,辐射的频率也较快,它们不仅影响了汽车内外的无线电的接收,也会对汽车上的其他的电器设备有一定的影响。

2.2.3汽车电磁敏感设备分析

汽车电磁敏感设备实际上是汽车上的所有干扰对象的一个总称,一切由于电磁干扰信号的存在,而偏离其电子电器元件正常的工作点的都可以称为敏感设备。汽车上的敏感设备非常的多,如显示器、各种电子模块、传感器、控制器、通信和广播设备

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等。敏感设备的分类的方法很多种,常见主要有四种:①根据执行的任务划分;②根据其输入信号或者其容易影响的信号的类型划分;③根据设备的关键的程度来划分;④根据其电磁干扰的机理划分。美国的汽车工程师协会,他们根据其功能进行了不同的分级,确定了汽车设备的电磁干扰的安全裕度。A级表示此功能仅仅是为了方便或者舒适;B级表示此功能在汽车运行的过程中并不是必须的,可以为驾驶员提供一定的帮助;C级表示此功能,对于汽车的操纵与功能是必要地,如安全气囊等。

从上面这些对汽车的电磁环境的分析,我们可以知道,对于汽车电器来说,车内的各种电磁干扰要比车外的各种电磁干扰对汽车正常工作的影响要大得多。汽车内的电磁干扰源主要有:点火系统、供电系、触点放电、静电干扰等。在这其中,点火系统是汽车内最强的电磁干扰源,表现出强烈的电磁辐射干扰以及传导干扰;供电系,是汽车供电系中出现的异常电压,以及开关触点、间隙火花放电等电磁干扰源;触点放电,由于车内的各类的开闭触点瞬间产生的火花放电;静电放电,由于感性体的摩擦而产生静电,再由高压放电,产生电磁干扰。事实上,上述任何一种干扰源对于车辆的车载电子设备来说,都是非常重要的,有的甚至是致命的。

2.3小结

本章对汽车的点火系统做了简要的介绍,给出了汽车发动机对汽车点火系统的要求、点火系统的分类特点以及点火系统中各个重要参数的定义,详细介绍了汽车电系的电磁干扰源、干扰路径,以及对车内的敏感设备进行了简单的分析。为第三章的仿真干扰研究奠定了一定的基础。

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第三章 汽车点火系统的电磁干扰仿真研究

3.1点火系统的工作过程分析

本文的研究对象是目前在汽车中大量使用的电感储能式的电子点火系统。对于电感储能式的点火系统而言,无论是传统点火系统,还是现在的电子点火系统,它们的工作过程是一样的,接下来以电感储能式点火系统为例子分析工作过程。思考火花塞在内的汽车点火系统的等效电路图,如图3.1和3.2[6]。

图3.1 初级电路等效图

图3.2 次级电路等效图

其中is(t)——为一个周期性的脉冲电流,称为初级输入电流;

U(t),i(t)——是初级线圈的电压、电流; 11R1,R2——是初、次级电路的电阻,包括了点火线圈的初、次级线圈的电阻以及

附加电阻;

C1——是初级线圈的分布电容;

C——为次级负载电容和分布电容的和; 2U2(t),i2(t)——为次级线圈的电压、电流;

Rg——为火花塞的负载电阻;

L1、L2——为初级和次级线圈地电感; i3(t)——此为流经过电容C2的电流;

i(t)——此为流经过电阻Rg的电流; 4

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?t——此为初级线圈的电流下降时间; ta——此为初级线圈的电流闭合时间; t0——此为初级线圈的电流上升时间; I0——此为初级电路的恒流值;

T——此为点火的频率。

初级线圈的输入电流is(t)则可以用下面的式子表示: is(t)U1(1?eR1?RtL1) 0≤t≤t0

t0≤t≤ta (3.1)

? I0

I I0?(t?ta)0

?t 0

t0?ta≤t≤ta+?t

ta+?t≤t

(3.2) (3.3) (3.4)

L1ln(1?IR1)

0RU11

di1?Mdi2 u1?R1i1?L1dtdtdi2diu2?R2i2?L2?M1

dtdt

其中,M表示互感,也可以这样表示M?kmL1L2,km是互感系数,一般取值为0.9左右。于是由电路可以得到:

初级线圈的电流输入波形如下图3.3所示。

图3.3 初级线圈的电流源输入波形

①初级电路闭合,初级电流增长

随着初级电路的闭合,初级电流也从零开始逐渐增长,并且渐趋于极限值(稳态电流)I0。就汽车点火系统来说,大概经过20ms,初级电流i1(t)就可以增大到稳态电流I0。

在初级电流i1(t)增加的过程中,不单单在初级绕组中会有自感电动势,而且在

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次级绕组中,感应电动势由于相互作用将会产生。但是,磁通变化较慢,则该电动势会很小,大约为1.5kV~2kV,此时还没有达到击穿电压,使火花塞电极击穿。

②初级电流切断,次级绕组随后产生高电压

当初级电路连通后,初级电流i1(t)增长,当闭合开关ta长时间后,i1(t)增大到I0时,初级电流切断。初级电流会迅速的由I0减小到零,磁通量也相应的快速减少。此时,由于初级绕组的匝数比较少,会产生一个自感电动势200V~300V,而次级绕组的匝数比较多,产生高达15kV~20kV的自感电动势。

初级电流断开后,初级电路由R1、L1、C1构成了振荡回路,产生振荡衰减。紧接着次级绕组的感应电动势会产生阻尼振荡。最大次级电压的值U2max将会在U2(t)的振荡中发生第一个周期波。

次级电压的最大值U2max,根据能量守恒定律,可讨论如下:

在初级电路连通的过程中,在铁心中存有的能量为W0?1/2L1L0。初级电流被关断,初级电流消失,磁场也随之迅速不见,初级绕组N1中,会产生自感电动势eL;在次级绕组N2中,产生互感电动势eM。

在初级绕组中,eL向电容器C1充电,C1充电的最大电压是U1max,所以C1中储存的电场能大小为:

12WC?C1U1max 12 (3.5)

在次级电路中,在次级绕组每匝线之间、高压导线与发动机机身之间、火花塞中

心电极和侧电极之间,都有一定大小的电容量C2(次级分布电容)。则同上,C2储存的电场能量为:

WC?212 C2U2max2 (3.6)

由能量守恒定律的要求,如果将热损失略去,初级绕组的储存能量W0将会使所有

(3.7)

能量转变为C1、C2的电场能量。由式(3.6)可得:

11222 1L1I0 ?C1U1?C2U2maxmax222 则:

U1maxN?1

U2maxN2假设在初级绕组与次级绕组之间存在着完全的磁路关联,也就是耦合系数等于1,

(3.8)

由式(3.7)和(3.8)可得:

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