汽车点火系统电磁干扰的仿真研究
汽车点火系统电磁干扰的仿真研究 姓名：刘爽
班级：勘查
学号：
老师：吕少珍 1302班 3130604225
伴随着现代电子技术的进步以及汽车电子技术的发展, 汽车上使用越来越多的电子产品, 这些电子产品在增加汽车的经济性、 安全性和舒适性的同时, 也使汽车的电磁兼容问题变得更为复杂, 从而使得汽车电磁兼容成为现代汽车设计中必须考虑的问题。
点火系统是汽车内最主要的电磁干扰源。早在 1906年, 人们就发现道路上行驶的汽车发动机对周围的无线电收音机产生干扰, 从而提出对汽车点火系统产生的电磁干扰加以限制。但此项工作是汽车电磁干扰抑制、 实现电磁兼容的难点之一。点火系统涉及到点火电路性能、 点火能量控制、点火时刻控制、 汽缸工况等诸多技术问题。点火过程中产生大量的电磁骚扰, 主要分为点火线圈一次回路瞬变电压引起的传导干扰、 高压导线和火花放电的高频辐射干扰等。传导干扰不仅对蓄电池电压造成冲击, 同时还可通过电源线传到车内其他电子设备。高频电磁辐射对车内电子控制单元( ECU)也可能产生较大影响, 从而对汽车的监控等安全性方面产生严重的危害。点火系统电磁兼容性研究是目前众多汽车生产商和研究单位关注的重点。国外已经对点火噪声进行了系统的测试并开始了电磁兼容性预测研究。我国起步较晚, 目前主要还集中于对电磁噪声的测试, 因此对点火系统的干扰特性进行仿真研究能有效改进汽车整体的电磁兼容性设计。
现代汽车点火系统主要由蓄电池、 点火开关、 点火线圈、高压点火导线、 分电器和火花塞等组成。
当汽车启动时, 分电器连同凸轮在发动机凸轮轴的驱动下旋转, 凸轮旋转时交替地使断电器触点打开与闭合。在点火开关接通的情况下, 当触点闭合时, 点火线圈一次绕组中有电流流过, 从而在铁芯中产生磁场。当断电器触点打开时, 一次电路被关断, 一次绕组中的电流迅速下降到零, 引起磁通突降, 并在一次绕组中产生幅值达 200~ 300V 的自感电动势 U 1max 。二次绕组在互感的作用下产生与匝比成正比的高达 15~ 20kV的高压电动势 U 2m ax 。该电动势使火花塞间隙击穿, 产生电火花, 点燃发动机气缸中的混和气体。
点火过程中, 线圈的瞬变电压对汽车蓄电池的冲击是造成传导干扰的干扰源, 蓄电池电压较高的时候电流电压波形上升速度加快, 开关闭合以后的震荡加剧。 线圈电压波形受到 C 1 反复充放电影响是一个振荡衰减曲线, 最大值可达到 4V , 这个波动的电压将通过导线直接耦合到 ECU 、 车载娱乐系统、 ABS 等电子设备, 对其形成干扰。 为避免这种影响, 现代汽车多采用 IGBT (绝缘栅双极晶体管 ) 控制点火时序, 并采用 TVS(瞬变电压抑制二极管 ) 保护控制电路, 以保证点火时刻更加精确, 同时要求蓄电池搭铁与电容器可靠连接, 以减少触点放电产生电磁干扰。
由于点火系统的辐射电磁干扰是由具有高频的脉冲点
火电流引起的, 所以我们先研究火花塞间隙击穿时的点火电流。
将火花塞作为一植入电阻的同轴电容器。当火花塞的电极间隙被击穿时, 根据模型建立的次级回路等效电路。
其中, C q 、 C p 为火花塞电极的同轴分布电容; C r 为火花塞阻尼阻抗对地分布电容; R r 为火花塞内置电阻; r g 为火花电阻; R w 、 C w 分别为高压点火线的电阻和分布电容; R L 、 L 2 和 C L分别为次级点火线圈的电阻、 电感和寄生电容。
本文在深入分析汽车点火系统工作机理的基础上对点火电路一次侧点火线圈瞬变电压引起的传导干扰和二次侧火花放电产生的辐射干扰进行了分析与仿真, 得到了点火过 程中对汽车蓄电池电压造成冲击的瞬变电压和火花放电电流, 建立了火花塞放电等效电路模型, 并将点火系统高压导线等效为单极天线进行了车内辐射场的仿真分析, 得到加大火花塞电阻和导线电阻都可以有效抑制点火系统的辐射噪声的结论, 为抑制火花噪声提供了理论依据。比较系统地分析了汽车点火系统的电磁干扰产生根源及对车内电磁环境的影响。并对车内敏感电子设备的安装提出了建议。从而对汽车电磁兼容性设计具有一定的指导意义。