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《吉林大学》 2011年
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轿车发动机点火系统电磁辐射研究

樊宽刚  
【摘要】:随着轿车中电子设备的增加,轿车的安全性正在接受越来越大的考验,轿车电磁兼容技术的出现适应了当前轿车发展的需要,为解决轿车电子设备之间的相互兼容提供了有效的手段。由于轿车中的电磁辐射源很多,例如电机、继电器、开关、以及各个电子系统(空调系统、GPS、娱乐系统、点火系统等等),其中辐射强度最大、影响最为广泛的是点火系统,因此研究点火系统的电磁兼容性具有代表性意义。对点火系统的研究,需要在部件的设计之前通过仿真图像来预测设计中可能出现的不兼容问题,以便从根本上提高轿车的电磁兼容性。现在很多学者都是从建立等效电路模型来分析和解决每个器件和系统的电磁辐射,或者通过一种途径来抑制电磁辐射,由于电磁辐射不是一个单纯的问题,解决问题的数值计算方法比较单一,所以导致效果不是很明显。本文针对点火系统,通过对部件的电磁辐射仿真以及电磁辐射抑制和实验问题展开分析研究,旨在寻找一种解决抑制点火系统电磁辐射的有效方法,来提高轿车电磁兼容性,增强轿车的安全性。 本文以轿车点火系统的电磁辐射仿真、抑制和实验验证为技术主线,分别对点火系统的主要电磁辐射部件点火开关、火花塞、点火线圈、高压导线等进行电磁辐射仿真分析并提出相应的解决途径和改进措施。在此基础上,运用FDTD方法建立点火系统的电磁辐射场源,通过确定部件的边界条件对每个部件进行电磁辐射仿真,得到每个部件工作时的电磁辐射场分布图像。通过理论推导、数学建模和实验验证进行了系统地、深入地分析和研究,证明了通过建立器件的内部结构进行电磁辐射仿真来提出抑制措施的方法的可行性和优越性。本文完成的主要研究工作如下: 根据电磁仿真预测理论,分析点火系统主要辐射器件电磁辐射机理,推导出点火系统部件不同场源的数值表达方式,从而更有利于分析实际部件的边界条件和对实际部件做出更加贴近实际的电磁辐射仿真,采取的措施也更有针对性。 针对点火系统电磁辐射部件建立数学模型,推导出部件的电磁辐射公式,按照实际器件,根据工作环境,确立边界条件,运用Matlab和EMCstudio仿真软件,做出每个部件的仿真图像,通过仿真图像,分析出电磁辐射产生的原因,确立了高压导线和普通导线之间的相互干扰模型,以及仿真出两者之间的串扰数值图像,给出轿车天线对点火系统部件的接收模型,仿真出天线对电磁波的接收图像,从而可以判断出哪一个方向天线的接收能力强,那个方向接收能力弱,以便来调整器件的位置,使点火系统对天线的影响降低到最小;建立火花塞的模型,仿真出轿车中间剖面的火花塞的电磁辐射图像,也建立螺线管的仿真模型,仿真出螺线管的空间图像和剖面图像。 根据部件的电磁仿真图像,确定主要的电磁场源,提出抑制措施。根据开关的电磁辐射图像,得出在150KHz左右时开关辐射强度较强的频率点,采用电路设计的方式来滤除干扰较严重的频段。同时对其他几种器件也作出内部结构上的调整。由于轿车本身就是半封闭型的屏蔽体,车身及其内部有很多的缝隙,所以电磁泄漏问题在轿车中普遍存在。对轿车电磁辐射的抑制可以用以下途径来实现:通过抑制孔缝的电磁泄漏,改进辐射源的结构来实现降低电磁辐射,建立相应的数学模型采取电路手段抑制。利用衍射理论推导出通过孔缝的衍射场公式,仿真出通过矩形缝隙的衍射场,另外,分析比较了几种规则孔缝的电磁屏蔽效能,并得出宽长比越小的矩形缝隙屏蔽效能越好,因此,对于轿车上一些必需的孔缝,需要开宽长比较小的矩形形状,对电磁泄漏有很好的抑制效果。另外,还仿真了不同频率下,通过带有矩形缝隙的屏蔽体的电磁场分布,随着频率变高,屏蔽效能有逐渐降低的趋势。 通过实验来验证采取的抑制方法的正确性和可行性。根据实验和研究中所需要的各种硬件和软件装置,设计出了所有实验的技术路线和实验系统。发动机舱缝隙设计成矩形,使电磁泄漏问题降低;对整个点火系统的各个部件进行相应的电磁辐射抑制,电磁辐射有很大的降低,平均比以前降低了9.8dB。由此可知,对点火系统采取多种措施相结合的方式,对电磁辐射的抑制效果比单一的抑制措施更为明显,从而验证了采取措施的有效性。 创新之处在于通过仿真点火系统各个器件内部结构的电磁辐射和轿车缝隙电磁泄漏问题,综合考虑各种造成器件或者系统电磁辐射的因素,来全面的把握电磁辐射抑制措施,避免了通过单一途径来解决问题;在火系统对外电磁辐射原理的基础上,给出点火系统各个部件的电磁辐射公式,提出运用FDTD算法,简化PML吸收边界条件,对空间散度要求放宽为δλ/8。推导出通过缝隙的电磁场强度的公式,仿真了不同缝隙的电磁辐射泄漏,得出在面积相同的情况下,矩形缝隙宽长越小,电磁泄漏越小。还仿真了缝隙阵的电磁辐射强度图像。通过建立点火系统内部结构模型,设定边界条件的方式来仿真器件的电磁辐射,而不是通过建立器件等效电路模型的方式来分析电磁辐射原因,从而能够更好地分析点火系统的电磁辐射。
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