汽車點火系統(tǒng)的電磁干擾研究

1、摘要隨著電子技術(shù)和汽車經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車上的電子設備越來越多，汽車的舒適度、安全性大大提高。與此同時，汽車發(fā)射的電磁干擾對周圍環(huán)境、汽車自身以及車內(nèi)的人的影響日益嚴重。汽車點火系統(tǒng)是汽車電氣系統(tǒng)中電磁干擾最強的騷擾源，它不僅危害車內(nèi)、車外的電磁環(huán)境，也對汽車行駛時的周圍的人和物造成嚴重的電磁干擾。因此，對汽車點火系統(tǒng)的電磁干擾研究迫在眉睫，有著極為重要的意義和工程價值。本文在研究汽車點火系統(tǒng)的特點、結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎上，對汽車點火系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的機理做了簡要分析，并建立了火花塞和次級回路的等效電路模型；在建立了符合實際的仿真模型后，深入研究了不同類型火花塞的幅頻特性、不同條件下的火花塞電

2、流以及高壓點火線上的電流；討論了次級回路中高壓點火線與火花塞的電阻的大小、在不同位置的火花塞內(nèi)置電阻、不同阻值的火花塞內(nèi)置電阻和高壓點火線的長短等參數(shù)對火花電流的影響。最終，得到了減輕汽車點火系統(tǒng)的電磁干擾的仿真結(jié)論，對汽車點火系統(tǒng)的研究與設計具有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：汽車點火系統(tǒng)；電磁干擾；火花塞IIAbstractAs electronic technology and the rapid development of economy car,more and more electronic equipment on automobiles,automotive comfort,secu

3、rity is greatly improved. Meanwhile,the car emits electromagnetic interference on the surrounding environment,as well as inside the cars own growing impact of people.Auto ignition system,automobile electrical system electromagnetic interference strongest source of harassment,it is not only harm the

4、car,outside the electromagnetic environment,but also on cars with the people and things around serious electromagnetic interference.Therefore,the automobile ignition system electromagnetic interference studies imminent,has a very important significance and value of the works.This paper studies the c

5、haracteristics of automotive ignition systems,structure and working principle,based on the car ignition system to produce electromagnetic interference did a brief analysis of the mechanism and the establishment of spark plugs and secondary loop equivalent circuit model;After establishing realistic s

6、imulation model,the in-depth study of the different types of spark amplitude-frequency characteristics,different conditions,and high voltage ignition spark current line current;discusses secondary circuit with high voltage ignition spark plug resistor size,in different locations built-in resistor sp

7、ark plugs,spark plug different resistance and high-voltage ignition internal resistance parameters such as the length of the spark current.Eventually,the car ignition system has been to reduce electromagnetic interference simulation conclusion,the car ignition system research and design has a certai

8、n reference value.Keywords:automobile ignition system;electromagnetic interference;spark plugII目錄摘要IAbstractIII圖表清單IV第一章 緒論11.1問題的提出及研究意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3論文結(jié)構(gòu)安排2第二章 汽車點火系統(tǒng)的工作原理及電磁干擾分析32.1汽車點火系統(tǒng)的工作原理32.1.1點火系統(tǒng)的種類和特點32.1.2汽車點火系統(tǒng)的組成及工作原理32.1.3點火系數(shù)的定義及汽油機對點火系統(tǒng)的要求42.2汽車點火系統(tǒng)的電磁干擾分析62.2.1汽車電磁干擾源分析62.2.2汽車電磁干

9、擾傳播路徑分析72.2.3汽車電磁敏感設備分析72.3小結(jié)8第三章 汽車點火系統(tǒng)的電磁干擾仿真研究93.1點火系統(tǒng)的工作過程分析93.2點火系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的機理研究123.3火花塞電磁干擾研究143.3.1火花塞等效仿真模型143.3.2火花塞仿真分析163.4次級等效電路電磁干擾研究193.4.1次級等效電路仿真模型193.4.2仿真分析213.4.2.1火花塞與高壓點火線的電阻對火花電流的影響223.4.2.2不同位置的火花塞內(nèi)置電阻對火花塞電流的影響233.4.2.3不同阻值的火花塞內(nèi)置電阻對火花電流的影響233.4.2.4高壓點火線長度的不同對火花電流的影響243.5小結(jié)25結(jié)論26

10、致謝27參考文獻28附錄30III圖表清單圖2.1 汽車點火系統(tǒng)電路圖············································&

11、#183;··4圖2.2 點火電壓波形圖·············································

12、······5圖3.1 初級電路等效圖··········································

13、;·········9圖3.2 次級電路等效圖······································

14、3;············9圖3.3 初級線圈的電流源輸入波形··································

15、3;·····10圖3.4 汽車的發(fā)動機點火系統(tǒng)的電路示意圖································13圖3.5 火花塞結(jié)構(gòu)原理圖······&#

16、183;·········································14圖3.6 a.火花塞簡化架構(gòu)模型b.火花塞等效電路模型···

17、83;···················15圖3.7 無電阻火花塞····························&#

18、183;·······················17圖3.8 電阻型火花塞························&

19、#183;···························18圖3.9電阻型火花塞與電感型火花塞比較··················

20、3;················18圖3.10 火花塞等效電路·······························&

21、#183;·················19圖3.11 次級回路等效電路·····························

22、83;·················19圖3.12 高壓點火線與火花塞無電阻時火花電流的計算曲線··················22圖3.13 火花塞和高壓點火線的內(nèi)置電阻對火花電流的影響····

23、83;··············22圖3.14 火花塞內(nèi)置電阻距離放電電極不同位置的影響·······················23圖3.15 火花塞內(nèi)置電阻對火花電流的影響····

24、·····························24圖3.16 高壓點火線的長度對火花電流的影響·················

25、··············24表3.1 仿真計算參數(shù)表·································

26、3;················17表3.2 火花塞尺寸和基本常數(shù)·······························

27、;·············21V第一章 緒論一直以來，人們對汽車產(chǎn)生的問題諸如汽車尾氣、噪聲污染等，有著直觀而準確的認識，對這些的問題的研究上投入了大量的人力物力，制定很多強有力的標準、措施對其進行限制，并取得了很大的成績。但是，汽車的電磁干擾問題卻遲遲沒有引起人們的注意。隨著目前的電器與電子技術(shù)廣泛的應用在汽車上，電子電氣設備對汽車來說，越來越多，這使得汽車的電磁干擾問題日益突出。汽車的電磁干擾研究，是確保汽車在正常運行過程中，車上的裝備互不干擾，能工作安全可靠

28、。1.1問題的提出及研究意義所謂電磁干擾性可定義為“設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力1”，即設備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能，不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設備的電磁干擾的發(fā)射而導致或者遭受不允許的降級，也不會使在同一個電磁環(huán)境的其他設備，因為受到其電磁干擾的發(fā)射而導致或者遭受不允許的降級2。汽車的電磁干擾的研究主要是如何確保汽車在運行中，車上的設備獨立、兼容的工作，全車都能承受外來的電磁干擾，但是沒有到環(huán)境中的其他設備不釋放干擾允許的范圍內(nèi)。汽車電系系統(tǒng)中存在著各種形式的電磁干擾，通過輻射和傳導的電磁形式對車載設

29、備產(chǎn)生不同程度的干擾。汽車電系中產(chǎn)生電磁波最強的是火花點火系統(tǒng)。從國內(nèi)外對汽車電磁干擾研究、各個廠商和各個實驗測試中心的測試數(shù)據(jù)中可以看到，汽車點火系統(tǒng)是車內(nèi)最強的電磁干擾源。目前我國的汽車生產(chǎn)都面臨點火系統(tǒng)電磁干擾限值不過關(guān)的問題，直接影響了車輛的安全性。因此，對汽車的電磁干擾問題的研究里，討論分析點火系統(tǒng)的電磁干擾形成機理，降低車內(nèi)電磁干擾，采取有效措施，提高汽車點火系統(tǒng)的電磁干擾性設計變得更加重要。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀直到現(xiàn)在，汽車的電磁干擾研究已經(jīng)取得了一定的成效，初步形成了較為完整的汽車電磁干擾系統(tǒng)。在國外，發(fā)達的國家十分重視控制電磁干擾，很早走上了進行相關(guān)領域地研究，成立了一些國家

30、級的以及國際的組織對電磁干擾問題進行世界的、有組織的研究。對汽車電磁干擾的研究一般主要是從實驗實測與理論仿真兩個方面進行。目前，已經(jīng)取得了很大的成就。在實驗實測的方面取得的成果有：形成了相對完整的汽車電磁干擾標準和測試方法。ISO、IEC、CISPR、SAE等等組織都在他們的文件中規(guī)定了抗干擾檢測的干擾類型以及嚴格的等級，在發(fā)達國家，大多數(shù)的汽車制造商和汽車電子產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家都接受這些文件的標準，或者把這些標準加到自己的企業(yè)標準。建立了先進的汽車電磁兼容實驗室3。德國的EMC實驗室、法國PSA公司的電磁干擾實驗室有三個暗室用于實驗、美國也緊跟建立實驗室、歐盟還組織了一個GEMCAR項目組4，致

31、力于開發(fā)一套實用的汽車電磁兼容性計算機建模指南。然而，在國內(nèi)，由于汽車行業(yè)長時間處于落后的位置，汽車的電磁干擾問題一直沒有認真對待，汽車的電磁干擾方面的工作僅限于汽車電磁干擾與車輛電磁敏感度的測試4。中國在20世紀90年代，開展了一項研究汽車無線電干擾的普查，控制無線電的干擾，各個汽車制造商和檢測機構(gòu)紛紛開始購買EMI接收機系統(tǒng)，用于研究汽車檢測無線電干擾水平，并加以控制。當前，國內(nèi)的電磁干擾多采用“問題解決法”。發(fā)現(xiàn)了電磁干擾的問題時，再開始采取“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的方式加以解決，這樣往往會對設備乃至系統(tǒng)進行拆卸、維修，甚至需要重新處理，昂貴費時，同時也不能有效的解決電磁干擾問題。1.3論

32、文結(jié)構(gòu)安排本篇論文主要是圍繞汽車點火系統(tǒng)的電磁干擾研究展開的。通過對汽車點火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作過程等的深入學習，定性的分析汽車點火系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的機理；對汽車點火系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的主要組成：火花塞、次級回路，進行了仿真研究和分析討論，建立其等效電路仿真模型，研究了火花塞的傳輸函數(shù)的幅頻特性，對比不同類型、不同參數(shù)的火花塞傳輸函數(shù)以及電流變化。具體章節(jié)安排如下：緒論主要圍繞問題的提出與意義、國內(nèi)外的發(fā)展的現(xiàn)狀以及論文的結(jié)構(gòu)安排而論述的；第二章在論述汽車點火系統(tǒng)的種類和特點、組成及工作原理、點火系統(tǒng)參數(shù)和汽油機對點火系統(tǒng)的要求的基礎上，深入分析了汽車電磁干擾的干擾源、傳播路徑、敏感設備等；第三章系

33、統(tǒng)的分析仿真了汽車點火系統(tǒng)的電磁干擾，對汽車點火系統(tǒng)的工作過程進行簡述，在此基礎上，進行點火系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的機理的研究，分析出火花塞和次級回路是主要影響因素，最后建立等效電路仿真模型。第二章 汽車點火系統(tǒng)的工作原理及電磁干擾分析本章主要研究汽車點火系統(tǒng)的工作原理及電磁干擾的分析，通過對點火系統(tǒng)的種類特征、干擾路徑與干擾源等的分析，為后面的仿真分析奠定基礎。2.1汽車點火系統(tǒng)的工作原理2.1.1點火系統(tǒng)的種類和特點由于發(fā)動機初級線圈電流與點火正時的控制方法不同，產(chǎn)生了不同類型的汽車點火系統(tǒng)。點火系統(tǒng)按發(fā)展階段的不一樣可分為：傳統(tǒng)機械觸點點火系統(tǒng)、無觸點點火系統(tǒng)、微機控制式電子點火系統(tǒng)和微機控制

34、式無分電器電子點火系統(tǒng)1213。傳統(tǒng)機械式觸點點火系統(tǒng)：傳統(tǒng)的點火系統(tǒng)其初級線圈、點火正時電流的控制，是由斷電器觸點的機械轉(zhuǎn)動來完成。為了使點火地提前角跟發(fā)動機負荷與轉(zhuǎn)速的改變而調(diào)整，在分電器上裝有機械離心式、真空式提前裝置來檢測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與負荷的改變。它的缺點是當發(fā)動機的轉(zhuǎn)速降低時關(guān)閉時間過長，初級線圈電流過大容易損壞。無觸點電子點火系統(tǒng)：為了彌補機械觸點點火系統(tǒng)觸點的缺點，以晶體管代替機械觸點作為開關(guān)。這種系統(tǒng)的電流值可以由控制電路調(diào)整，不足的是此種系統(tǒng)的點火正時還是采用原有的機械離心、真空提前裝置，發(fā)動機運轉(zhuǎn)的適應能力很差。微機控制式電子點火系統(tǒng)：為補償點火系統(tǒng)在各種工況的適應能力的不

35、足，于是采用微機控制的電子點火系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點是：分電器沒有了，在提前角的控制方面也沒有離心、真空提前裝置。從初級線圈電流的導通時間到點火正時完全由微機來控制。此外，點火系統(tǒng)按初級點火能量儲存的不同方式也可以分為兩種類型：電感儲能式和電容儲能式。目前，大多數(shù)汽車上使用的是電感儲能式點火系統(tǒng)，電容儲能式一般用于民用車輛，在一些賽車引擎上也有較多的使用。2.1.2汽車點火系統(tǒng)的組成及工作原理汽車點火系統(tǒng)的基本功能是根據(jù)發(fā)動機工作的秩序，在正確的時間提供強有力的高壓電火花。點火系統(tǒng)的功能體現(xiàn)在在火花點火時地強度與點火時機。點火系統(tǒng)一般由初級線圈的通斷控制開關(guān)、可以產(chǎn)生高壓電的點火線圈和火花塞構(gòu)成。1

36、2V的蓄電池電源系統(tǒng)，通過電源開關(guān)打開和關(guān)閉初級線圈中的電流。這樣，在次級線圈中產(chǎn)生的高壓電可達幾千伏到上萬伏。當電源開關(guān)關(guān)閉時，電流通過初級線圈，并且電流值隨著關(guān)閉時間的增長而不斷的提高，突然將開關(guān)打開時，由于電磁感應，在次級線圈中便產(chǎn)生足夠的電壓并將電壓施加到火花塞使其產(chǎn)生火花點燃混合氣，如圖2.1。 圖2.1 汽車點火系統(tǒng)電路圖無論是傳統(tǒng)分電器式點火系統(tǒng)，還是無分電器式電子點火系統(tǒng)，其工作原理大同小異，不同的只是發(fā)動機點火正時和初級線圈電流使用不同的控制方法，所以這里以傳統(tǒng)分電器式點火系統(tǒng)說明點火系的工作原理5。發(fā)動機工作時，分電器連同凸輪一起在發(fā)動機凸輪軸的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，從而使斷電器觸點

37、交替地打開與閉合。當點火開關(guān)導通，觸點處于閉合位置時，點火線圈初級繞組中流過電流，通過繞組流過的電流稱為初級電流，電流流過初級繞組時，在鐵心中產(chǎn)生磁場。當斷電器凸輪將觸點打開時，初級電路被切斷，初級電流迅速下降為零，引起磁通突降，在初級繞組中產(chǎn)生自感電動勢，達200300V。因此，次級繞組將在互感的作用下，產(chǎn)生與次級繞組和初級繞組匝比成正比的高壓電動勢，達1525kV。該電動勢擊穿火花塞間隙，產(chǎn)生電火花，點燃氣缸中的混合氣。次級繞組上產(chǎn)生的電壓稱之為次級電壓，次級繞組所在的電路稱為次級電路，或者高壓電路。2.1.3點火系數(shù)的定義及汽油機對點火系統(tǒng)的要求汽車汽油機點火系統(tǒng)的基本參數(shù)有點火電壓、點

38、火電流、點火能量、上升時間、火花持續(xù)時間、點火提前角等，下面分別給出它們的定義5：峰值電壓：在規(guī)定的火花塞兩電極間距和發(fā)動機運行速度范圍內(nèi)，點火線圈使放電間隙氣體擊穿的最大次級輸出電壓，如圖2.2中所示。點火電流：在規(guī)定的火花塞電極距離和發(fā)動機運行速度范圍內(nèi)，點火線圈使放電間隙氣體擊穿時流經(jīng)火花塞電極間的電流。點火能量：點火線圈次級高壓放電時，在火花持續(xù)時間，電壓和電流瞬時值的乘積的積分值?；鸹ǔ掷m(xù)時間：從開始的高壓放電的放電電流衰減到某一定值的時間間隔，如圖2.2中，這個參數(shù)在一定范圍內(nèi)表明了臨界火花點火燃料地能力。上升時間：在規(guī)定的條件下，次級電壓從某一指定值上升到另一值所需要的時間，用微

39、秒表示，如圖2.2中的。充電電壓：在CDI點火中，對電容器充電的電壓。點火提前角：點火裝置對可燃混合氣的點火不在膨脹沖程開始的時刻進行，而提前在壓縮沖程臨近結(jié)束時進行，這是因為可燃混合氣從點燃到燃燒需要一定時間。點火的提前量通常用點火提前角表示。在壓縮沖程中，從火花塞跳火瞬間到活塞行至上止點時曲軸的轉(zhuǎn)角稱作點火提前角。圖2.2 點火電壓波形圖為了確保準確并可靠地在汽油機的所有工作條件下點火，點火系統(tǒng)必須要滿足以下的要求：提供足夠高的次級電壓，以擊穿火花塞兩電極之間的空氣間隙。一般情況下啟動需要的擊穿電壓大約為17kV，為了確保點火，通常點火系統(tǒng)的次級電壓需要超過這個擊穿電壓?？紤]到各種不利的因

40、素，次級電壓應留有一定的電壓儲備量。因此，次級電壓常常限制在17kV25kV左右。電火花要有足夠的能量。點火的能量不僅與點火電壓是相關(guān)的，而且還和火花電流及火花的持續(xù)時間有關(guān)，點火能量越大，著火性能就越久越好。往往需要火花能量達5080mJ，火花持續(xù)時間不低于500。點火系統(tǒng)應按照汽油機的點火順序并以最佳時刻（點火提前角）進行點火。最佳點火提前角是由汽油機的動力、經(jīng)濟和排放等性能共同要求確定的。點火提前角與發(fā)動機負荷與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速高或者負荷小時，提前角應該大一些；反之，提前角應該小一些。點火提前角若能自動調(diào)節(jié)，就可適應發(fā)動機的各種工況。2.2汽車點火系統(tǒng)的電磁干擾分析2.2.1汽車電磁干擾源

41、分析汽車的電磁物理環(huán)境是指運動中的汽車，車上的電子電氣設備承受來自車內(nèi)、車外各種各樣的電磁干擾。它是對汽車電子設備最具威脅的工作環(huán)境。汽車的電磁干擾源大致可分為車載干擾源、自然干擾源和人為干擾源。車載干擾源車載干擾源主要是指車上各種電器產(chǎn)生的電磁干擾，它是以傳導和輻射的形式向車內(nèi)外傳播。主要的干擾源有：電路網(wǎng)絡、靜電放電、電感性負載和電容性負載、車載通訊設備等。這些干擾按頻譜范圍可以分為3組：10kHz1000MHz的頻譜由高壓點火裝置產(chǎn)生的寬帶干擾；10kHz500MHz的頻譜由DC電機和離散輸出級產(chǎn)生的寬帶干擾；基頻10kHz4000MHz的頻譜車載數(shù)字計算機（各種ECU和車載辦公數(shù)字設備

42、）產(chǎn)生的窄帶干擾。當這些干擾源沒有去干擾的措施時，汽車接收天線上檢測到的電壓可達50。1）電感性負載和電容性負載汽車上的電感性負載有很多，包括發(fā)電機、電磁繼電器、電動機等，在電路突然斷開時產(chǎn)生自感電動勢，感應電動勢的方向和源電路的電流方向同向相疊加，形成有規(guī)律的或者不定期的過電壓加在負載上，產(chǎn)生電磁干擾脈沖，引起電子元器件的損壞，導致基本計算邏輯判斷錯誤?；ヱ钍竭^電壓的產(chǎn)生是由于汽車上太長的電器配線、電器配線沒有屏蔽以及搭鐵阻抗在汽車電器系統(tǒng)內(nèi)引起磁感應耦合。電感式電容耦合，所產(chǎn)生的瞬變電壓最高可達200V以上，其結(jié)果將會帶來與電感負載過電壓同樣的危害。此外，在汽車中使用的各種電子電氣設備中，

43、有許多的導線、連接器、線圈及其他零部件，它們有著不同的電感和電容，這些電感、電容一旦構(gòu)成閉合回路，就構(gòu)成了一個振蕩回路。當電器設備工作時，就會產(chǎn)生電磁干擾，影響其他電子設備的正常工作。這樣的干擾主要表現(xiàn)為0.15150MHz的電磁輻射干擾。這種干擾的放電瞬間的能量密度通?？蛇_到引發(fā)危害的程度。2）電路網(wǎng)絡電路網(wǎng)絡的干擾主要是來自汽車本身的電器設備，主要是影響汽車的通訊設備的正常接收。汽車電路導線通常被扎成線束，由于各種高低電壓、電流大小和方向不同的線路綁在一起，以及一些敏感電器元件安裝的位置不當、低質(zhì)量等原因，都會產(chǎn)生電磁干擾信號，這些信號在周圍的以網(wǎng)絡形式將電磁波傳播，干擾附近和汽車內(nèi)的通訊

44、設備的接收正常。3）靜電放電桌椅和乘客之間的摩擦、汽車行駛時輪胎與地面之間的摩擦以及車身與空氣的摩擦都會造成電荷的積累，從而形成靜電。靜電常常以電暈和火花方式放電，聚集過多的高壓靜電放電時會在一定程度上影響電子設備的工作正常。4）車載通訊設備汽車上的通訊設備也能引起對外界的干擾，例如附近的飛機、加油站等。來自車外的電磁干擾1）周邊其他車輛的電磁干擾；2）汽車外面的雷達以及無線電臺、移動通訊設備等發(fā)射的電磁波；3）高壓輸電線的電暈放電、路燈弧光放電等；閃電、太陽輻射、宇宙噪聲等現(xiàn)象對汽車上的電子設備的電磁干擾。2.2.2汽車電磁干擾傳播路徑分析電磁干擾的傳輸途徑主要分為兩種，即導線傳導和空間輻射

45、，也就是傳導發(fā)射和輻射發(fā)射。傳導干擾是電磁干擾通過電線傳輸，通過設備的控制線、信號線、電源線和其他直接侵入到敏感設備。由于汽車和外界的電路沒有直接聯(lián)系，所以傳導干擾都是汽車自身的電器元件引起的。傳導干擾是由于繼電器、電機及其他一些感應裝置的觸點開關(guān)引起的瞬態(tài)脈沖。輻射干擾的本質(zhì)是干擾源的電磁能量以場的形式向四周擴散。場可以分為近場與遠場，近場又稱為感應場，遠場又稱為輻射場。汽車上的電磁場既有車載電器輻射場，也包括外界場強。汽車上的輻射耦合途徑相當?shù)膹碗s，電磁輻射可以直接耦合在敏感設備上，也可以耦合到線束上，最后再傳導侵入敏感設備。電磁輻射是汽車的電磁干擾中最強的干擾源，它一般發(fā)生在電路或者觸點

46、在開啟和斷開的一瞬間，在此期間，電路中會出現(xiàn)各種各樣的瞬態(tài)電壓，也叫做瞬變過電壓。汽車的電氣系統(tǒng)中，瞬變過電壓分為四種：負載突變過電壓、電感負載斷開過電壓、激磁衰減過電壓和互耦式過電壓。在這其中，電感性和電容性負載，瞬變電壓很高，輻射的頻率也較快，它們不僅影響了汽車內(nèi)外的無線電的接收，也會對汽車上的其他的電器設備有一定的影響。2.2.3汽車電磁敏感設備分析汽車電磁敏感設備實際上是汽車上的所有干擾對象的一個總稱，一切由于電磁干擾信號的存在，而偏離其電子電器元件正常的工作點的都可以稱為敏感設備。汽車上的敏感設備非常的多，如顯示器、各種電子模塊、傳感器、控制器、通信和廣播設備等。敏感設備的分類的方法

47、很多種，常見主要有四種：根據(jù)執(zhí)行的任務劃分；根據(jù)其輸入信號或者其容易影響的信號的類型劃分；根據(jù)設備的關(guān)鍵的程度來劃分；根據(jù)其電磁干擾的機理劃分。美國的汽車工程師協(xié)會，他們根據(jù)其功能進行了不同的分級，確定了汽車設備的電磁干擾的安全裕度。A級表示此功能僅僅是為了方便或者舒適；B級表示此功能在汽車運行的過程中并不是必須的，可以為駕駛員提供一定的幫助；C級表示此功能，對于汽車的操縱與功能是必要地，如安全氣囊等。從上面這些對汽車的電磁環(huán)境的分析，我們可以知道，對于汽車電器來說，車內(nèi)的各種電磁干擾要比車外的各種電磁干擾對汽車正常工作的影響要大得多。汽車內(nèi)的電磁干擾源主要有：點火系統(tǒng)、供電系、觸點放電、靜電

48、干擾等。在這其中，點火系統(tǒng)是汽車內(nèi)最強的電磁干擾源，表現(xiàn)出強烈的電磁輻射干擾以及傳導干擾；供電系，是汽車供電系中出現(xiàn)的異常電壓，以及開關(guān)觸點、間隙火花放電等電磁干擾源；觸點放電，由于車內(nèi)的各類的開閉觸點瞬間產(chǎn)生的火花放電；靜電放電，由于感性體的摩擦而產(chǎn)生靜電，再由高壓放電，產(chǎn)生電磁干擾。事實上，上述任何一種干擾源對于車輛的車載電子設備來說，都是非常重要的，有的甚至是致命的。2.3小結(jié)本章對汽車的點火系統(tǒng)做了簡要的介紹，給出了汽車發(fā)動機對汽車點火系統(tǒng)的要求、點火系統(tǒng)的分類特點以及點火系統(tǒng)中各個重要參數(shù)的定義，詳細介紹了汽車電系的電磁干擾源、干擾路徑，以及對車內(nèi)的敏感設備進行了簡單的分析。為第三章

49、的仿真干擾研究奠定了一定的基礎。第三章 汽車點火系統(tǒng)的電磁干擾仿真研究3.1點火系統(tǒng)的工作過程分析本文的研究對象是目前在汽車中大量使用的電感儲能式的電子點火系統(tǒng)。對于電感儲能式的點火系統(tǒng)而言，無論是傳統(tǒng)點火系統(tǒng)，還是現(xiàn)在的電子點火系統(tǒng)，它們的工作過程是一樣的，接下來以電感儲能式點火系統(tǒng)為例子分析工作過程。思考火花塞在內(nèi)的汽車點火系統(tǒng)的等效電路圖，如圖3.1和3.26。圖3.1 初級電路等效圖 圖3.2 次級電路等效圖其中為一個周期性的脈沖電流，稱為初級輸入電流；是初級線圈的電壓、電流；是初、次級電路的電阻，包括了點火線圈的初、次級線圈的電阻以及附加電阻；是初級線圈的分布電容；為次級負載電容和分

50、布電容的和；為次級線圈的電壓、電流；為火花塞的負載電阻；、為初級和次級線圈地電感；此為流經(jīng)過電容的電流；此為流經(jīng)過電阻的電流；此為初級線圈的電流下降時間；此為初級線圈的電流閉合時間；此為初級線圈的電流上升時間；此為初級電路的恒流值；此為點火的頻率。初級線圈的輸入電流則可以用下面的式子表示： 0 （3.1） + + （3.2） （3.3） （3.4）其中，M表示互感，也可以這樣表示，是互感系數(shù)，一般取值為0.9左右。于是由電路可以得到：初級線圈的電流輸入波形如下圖3.3所示。圖3.3 初級線圈的電流源輸入波形初級電路閉合，初級電流增長隨著初級電路的閉合，初級電流也從零開始逐漸增長，并且漸趨于極限

51、值（穩(wěn)態(tài)電流）。就汽車點火系統(tǒng)來說，大概經(jīng)過20ms，初級電流就可以增大到穩(wěn)態(tài)電流。在初級電流增加的過程中，不單單在初級繞組中會有自感電動勢，而且在次級繞組中，感應電動勢由于相互作用將會產(chǎn)生。但是，磁通變化較慢，則該電動勢會很小，大約為1.5kV2kV，此時還沒有達到擊穿電壓，使火花塞電極擊穿。初級電流切斷，次級繞組隨后產(chǎn)生高電壓當初級電路連通后，初級電流增長，當閉合開關(guān)長時間后，增大到時，初級電流切斷。初級電流會迅速的由減小到零，磁通量也相應的快速減少。此時，由于初級繞組的匝數(shù)比較少，會產(chǎn)生一個自感電動勢200V300V，而次級繞組的匝數(shù)比較多，產(chǎn)生高達15kV20kV的自感電動勢。初級電流

52、斷開后，初級電路由、構(gòu)成了振蕩回路，產(chǎn)生振蕩衰減。緊接著次級繞組的感應電動勢會產(chǎn)生阻尼振蕩。最大次級電壓的值將會在的振蕩中發(fā)生第一個周期波。次級電壓的最大值，根據(jù)能量守恒定律，可討論如下：在初級電路連通的過程中，在鐵心中存有的能量為。初級電流被關(guān)斷，初級電流消失，磁場也隨之迅速不見，初級繞組中，會產(chǎn)生自感電動勢；在次級繞組中，產(chǎn)生互感電動勢。在初級繞組中，向電容器充電，充電的最大電壓是，所以中儲存的電場能大小為： （3.5）在次級電路中，在次級繞組每匝線之間、高壓導線與發(fā)動機機身之間、火花塞中心電極和側(cè)電極之間，都有一定大小的電容量（次級分布電容）。則同上，儲存的電場能量為： （3.6）由能量

53、守恒定律的要求，如果將熱損失略去，初級繞組的儲存能量將會使所有能量轉(zhuǎn)變?yōu)椤⒌碾妶瞿芰?。由式?.6）可得： （3.7）假設在初級繞組與次級繞組之間存在著完全的磁路關(guān)聯(lián)，也就是耦合系數(shù)等于1，則： （3.8）由式（3.7）和（3.8）可得： (3.9)由式（3.9）可以得出，當有著一定結(jié)構(gòu)的點火線圈時，次級電路的電壓最大值和初級電路的穩(wěn)態(tài)電流成正比，并且隨著、的減小而增大。能影響火花塞工作的最大因素的是次級電壓的上升時間，上升時間越長，則損失的就越大，而用在點火的能量就會越少?；鸹ㄈ陔姌O間的火花放電一般情況下，次級電壓的最大值總是高于火花塞的擊穿電壓。當次級電壓增大到火花塞的擊穿電壓時，火花塞

54、就會擊穿電極間隙從而形成火花，次級電路中同時產(chǎn)生電流，與此同時，次級電壓也會突然下降。在汽車點火系統(tǒng)中，次級能量的產(chǎn)生還可以分成三個階段：初級電路閉合，此為初級儲存能量階段，電流的輸入是從到為止。初級電流切斷，次級電壓上升，在火花塞間隙擊穿電壓沒有達到之前，仍然是初級儲存能量階段，從到為止?；鸹ㄈ姌O間隙擊穿，次級電壓升到最大值，這階段是次級能量對火花塞電極間隙放電的過程。通過分析可以知道，初級電路連接的時間越短，初級電路的電流就越小，汽車點火系統(tǒng)中，所能達到的次級電路電壓就會越低，點火能量也同樣就越低；相反，初級電路的連通時間越長，初級電流越大，次級電壓越高，點火的能量液將會越高。所以，就電

55、感儲能式的點火系統(tǒng)，線圈一定的情況下，它的點火能量只決定與初級電流的大小?；鸹ǚ烹?，一般分為電感放電和電容放電兩部分。電容放電即火花塞的電極間隙被擊穿后，電容快速釋放儲存的能量，特點：放電時間短，放電電流大，可以達到幾十安培。跳火之后，火花塞的電阻變小，磁場線圈將剩余的能量沿著電離火花一點點的放電，形成“電感放電”，又程火花放電，特點：放電時間長，幾毫秒，放電電流小，放電電壓低。實驗證明，電感放電時，持續(xù)時間越長，點火性能就越好。電容放電時伴有高頻振蕩，是產(chǎn)生無線電的干擾的主要原因。3.2點火系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的機理研究汽車的電氣系統(tǒng)內(nèi)，電磁干擾最強的是點火系統(tǒng)。汽車發(fā)動機點火成功時，點火線圈的

56、初級、次級瞬態(tài)電壓很高，對車載的電子設備具有非常強的傳導干擾；同時，由于火花塞的電極間隙放電很強烈，向周圍空間也會造成很強的電磁輻射。圖3.4是某個汽車發(fā)動機的點火系統(tǒng)的簡單電路原理圖。 圖3.4 汽車的發(fā)動機點火系統(tǒng)的電路原理示意圖汽車點火系統(tǒng)的工作狀態(tài)通常是在脈沖點火。應用傅里葉級數(shù)，將點火脈沖分解成多個頻率分量，點火線圈在這樣比較高的頻率成分的作用下，將會產(chǎn)生高頻率的電磁輻射；相對于高頻點火脈沖，火花塞的中心電極可以等效為具有一定量的電感線圈，它和其殼體之間又可以等效為一個電容器，由此形成一個LC并聯(lián)回路，因此它將對點火脈沖中的某一諧波形成高頻振蕩，向外輻射電磁波。此外，發(fā)動機ECU從點

57、火脈沖輸出端到點火線圈、火花塞到點火線圈之間的高壓電線輻射電磁波，導線越短火花持續(xù)時間也越短，發(fā)動機氣缸越少，轉(zhuǎn)速越低則火花數(shù)就越少，產(chǎn)生的電磁干擾也就越弱。點火系統(tǒng)的電磁干擾主要是來源于火花塞、高壓點火線及點火線圈等幾個部件。當初級電路電壓到達火花塞間隙的擊穿電壓時，火花塞間隙被擊穿，火花塞分布電容中的儲存能量迅速釋放，這一階段使次級電路的電壓和電流形成陡脈沖，這種寬帶脈沖通過暴露的高壓點火線向外輻射電磁波，對周圍環(huán)境造成電磁干擾。隨后，在次級線圈電感中儲存的另一部分能量將維持放電，該放電電流使氣缸內(nèi)的燃料完全燃燒，以確保點火可靠。需要抑制的是第一階段的電容放電電流，為寬帶脈沖電流，帶寬在0

58、.151000MHz范圍，是30300MHz甚至更高頻無線電的主要干擾源。由于火花塞高壓放電而產(chǎn)生的電磁干擾主要向外輻射是通過高壓點火線，所以，高壓點火線成為干擾源的發(fā)射天線。天線的輻射功率與激勵電流的平方成正比14，也就是說高壓點火線上的電流越大，向外輻射也就越大，造成的電磁干擾越強。因此通過減小高壓線上的點火電流，可以抑制點火系統(tǒng)向外的電磁干擾。點火噪聲在時域里的特性體現(xiàn)為窄脈沖群（ns級），脈沖群地延續(xù)時間可以從微秒到毫秒。脈沖群的重復率取決于每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)、汽車數(shù)和汽車的缸數(shù)。當在臨近路邊測量時，這些脈沖群的幅值和方向跟著交通的流量而改變。在全球，點火噪聲是影響電磁環(huán)境的主要一點。根據(jù)前面

59、對點火系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾機理的分析，次級回路是點火系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的主要部分。而形成在電極之間的火花塞放電電流又是產(chǎn)生電磁干擾最主要的因素，我們針對這一分析結(jié)果，建立了火花塞仿真模型及次級回路的等效模型，對火花放電電流進行了仿真分析。3.3火花塞電磁干擾研究3.3.1火花塞等效仿真模型現(xiàn)在，抑制點火系統(tǒng)的電磁干擾輻射，針對火花塞采取的措施是將電阻體植入火花塞其中，圖3.5就是常用的電阻型火花塞結(jié)構(gòu)圖6。 圖3.5 火花塞結(jié)構(gòu)示意圖簡化火花塞的結(jié)構(gòu)之后，可以得到簡化后的等效電路和結(jié)構(gòu)模型模型，如圖3.6所示。圖3.6（b）中，為高壓點火線特性阻抗，和分別表示單位長度高壓線的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容；、

60、為火花塞電極的同軸分布電容；為阻尼阻抗對地分布電容；為火花塞中心電極對接地外殼的分布電容；為火花塞氣隙的等效電阻；為火花塞植入的等效阻尼阻抗，其復頻域形式為 （3.10） 圖3.6 （a）火花塞簡化架構(gòu)模型 （b）火花塞等效仿真模型由節(jié)點電流法有1516： （3.11） 于是可以得 （3.12）其中，是從等效電路的另一個端口看進去的等效阻抗，如圖3.6（b）所示。 （3.13）令為火花電流與點火電流的傳輸函數(shù)，考慮到在30MHz到1GHz的頻率范圍有117，然后可得簡化后的傳輸函數(shù)： （3.14）所以，式（3.12）可寫成： （3.15）接下來，對電阻型火花塞和電感型火花塞的傳輸函數(shù)分別進行分

61、析討論。（1）電阻型火花塞采用電阻型火花塞時，火花塞的等效阻尼阻抗，則有： （3.16）令；;，于是可以得到傳輸函數(shù)的幅頻特性： （3.17）（2）電感型火花塞采用電感型火花塞時，火花塞的等效阻尼阻抗見（3.10）式，其傳輸函數(shù)的幅頻特性為： （3.18）其中有： （3.19）由式（4.15）看出，而火花電流是由火花塞地間隙特性確定，所以，可以通過研究傳輸函數(shù)的幅頻特性，明白如何改變火花塞等效電路中的參數(shù)，來觀察高壓線上的點火電流的變化。3.3.2火花塞仿真分析為了使電容放電時的沖擊電流變小，火花塞中阻尼阻抗的位置離氣隙很接近，這里的同軸分布電容很小，所以在仿真的過程中可以忽略不計。在本文的仿

62、真計算中，高壓點火線和火花塞的有關(guān)參數(shù)的取值見下表3.117：表3.1 仿真計算參數(shù)表參數(shù)設置R<20kL60HC0.7× pF1.8pF3.5pF0.7pF190/cm0.1pF/cm高壓點火線長度25cm電阻型火花塞與無電阻火花塞比較分別仿真計算了無電阻火花塞與取值為、的電阻型火花塞的傳輸函數(shù)，結(jié)果如圖3.7所示。 圖3.7 無電阻火花塞 圖3.8 電阻型火花塞比較圖3.7與圖3.8，可以看出將火花塞植入電阻之后，傳輸函數(shù)的幅值變小，在高頻段特別明顯，所以高壓點火線的電磁波輻射將被很好的阻擋，這與其它文獻的實驗結(jié)果是一致的14。從圖3.8中還能看到，電阻阻值越大地電阻型火花

63、塞，抑制效果就越好。然而，由于電阻的存在，點火能量將被衰減，為了確保點火系統(tǒng)工作的可靠性，電阻阻值也不宜過高，一般不超過。電阻型火花塞與電感型火花塞比較從前面的仿真結(jié)果還可以看出，當頻率大于600MHz后，傳輸函數(shù)不被阻值的大小所影響。為了進一步研究的特點，本文對電感型火花塞和電阻型火花塞的傳輸函數(shù)也進行對比，仿真結(jié)果如下圖3.9。 圖3.9 電阻型火花塞與電感型火花塞比較從圖3.9中可以看出，火花塞中的電感可以使傳輸函數(shù)的幅值降低，這是因為電流在電感上不能突變，電感對脈沖放電電流有著扼流的效果，表明在其他條件相同的情況下，電感型火花塞抑制電磁干擾更有效。3.4次級等效電路電磁干擾研究上面建立

64、的火花塞電路模型只是唯一的考慮了火花塞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究了在火花塞氣隙流過的高壓點火線上的電流和點火脈沖電流之間的傳輸函數(shù)，分析仿真、對比了不同類型的電感型火花塞和電阻型火花塞的傳輸函數(shù)的幅頻特性。在這個模型中沒有考慮到次級電路的點火線圈和高壓點火線對火花電流的影響。下面將對包括點火線圈和高壓點火線在內(nèi)的次級回路進行等效仿真模型，并詳細的分析討論。3.4.1次級等效電路仿真模型在這個模型中，火花塞可以被等效為一個同軸分布電容，如圖3.10所示78。這個同軸分布電容的大小是由火花塞本身的長度和它內(nèi)電極尺寸以及絕緣物質(zhì)的電介質(zhì)特性確定的。當火花塞的電極間隙被擊穿時，次級回路的等效電路如下圖3.11所

65、示。 圖3.10 火花塞等效模型尺寸示意圖圖3.11 次級回路等效電路 其中，、為火花塞電極的同軸分布電容；為火花電阻；為火花阻尼阻抗對地分布電容；為火花塞內(nèi)置電阻；、為高壓點火線的電阻和分布電容；、為次級點火線圈的電阻、電感和寄生電容。點火系統(tǒng)的電磁干擾主要由脈沖點火電流引起。所以這里我們的研究對象為干擾源的點火電流。由Rompe和Weizel的理論可以知道，火花電阻是一個跟著時間而變化的量。當火花塞的把間隙擊穿后，它的值跟時間改變的關(guān)系為910： （3.20）式中，為間隙寬度；為混合燃氣壓力；為火花系數(shù)；為流過間隙的火花電流。在實際中，火花電阻，火花塞內(nèi)加的電阻，我們可以假設。高壓點火線的

66、電阻，其中為高壓點火線的單位長度電阻，為高壓點火線的長度。根據(jù)電路原理可以得： （3.21） （3.22） (3.23) (3.24)式中，為電容和的放電電流；為時刻火花間隙地兩端電壓；為電容、和通過火花塞植入電阻的放電電流；為次級線圈的寄生電容、高壓點火線分布電容通過火花塞內(nèi)置電阻與高壓點火線的電阻的放電電流；為間隙擊穿電壓。考慮，可以得到： （3.25）式（4.21）和（4.25）的一開始條件為時，、，于是解得（4.21）和（4.25）可以得到： (3.26)式中，是一個積分常數(shù)，將（4.22）、（4.23）和式（4.26）一同帶入式（4.24）可以得到火花電流?；鸹ㄈ姌O間隙的電場強度E可如下表示： （3.27）對火花電流進行拉普拉斯變換就可以得到： （3.28）在復頻域的范圍內(nèi)考慮 （3.29） （3.30） （3.31）當火花間隙擊穿電壓為時，可以認為點火電流與火花電流之間的關(guān)系為，于是計算得到： （3.32）從以上可以分析看出，點火電流與火花電流可以通過火花塞間隙擊穿電壓、火花塞的尺寸近似計算得到。同時，從式（3.32）可以看出，點火電流跟著阻抗和的增大而增大，與火花電流成正比關(guān)系。3.4.2仿真分析在仿真分析計算中，用來計算點火電流的有關(guān)參數(shù)如表3.2： 表3.2 火花塞