汽车点火系统的电磁干扰研究.doc

摘要随着电子技术和汽车经济的快速发展，汽车上的电子设备越来越多，汽车的舒适度、安全性大大提高。与此同时，汽车发射的电磁干扰对周围环境、汽车自身以及车内的人的影响日益严重。汽车点火系统是汽车电气系统中电磁干扰最强的骚扰源，它不仅危害车内、车外的电磁环境，也对汽车行驶时的周围的人和物造成严重的电磁干扰。因此，对汽车点火系统的电磁干扰研究迫在眉睫，有着极为重要的意义和工程价值。本文在研究汽车点火系统的特点、结构和工作原理的基础上，对汽车点火系统产生电磁干扰的机理做了简要分析，并建立了火花塞和次级回路的等效电路模型；在建立了符合实际的仿真模型后，深入研究了不同类型火花塞的幅频特性、不同条件下的火花塞电流以及高压点火线上的电流；讨论了次级回路中高压点火线与火花塞的电阻的大小、在不同位置的火花塞内置电阻、不同阻值的火花塞内置电阻和高压点火线的长短等参数对火花电流的影响。最终，得到了减轻汽车点火系统的电磁干扰的仿真结论，对汽车点火系统的研究与设计具有一定的参考价值。关键词：汽车点火系统；电磁干扰；火花塞IIAbstractAs electronic technology and the rapid development of economy car,more and more electronic equipment on automobiles,automotive comfort,security 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 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 characteristics 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 simulation 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 spark 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 certain reference value.Keywords:automobile ignition system;electromagnetic interference;spark plugII目录摘要IAbstractIII图表清单IV第一章 绪论11.1问题的提出及研究意义11.2国内外研究现状11.3论文结构安排2第二章 汽车点火系统的工作原理及电磁干扰分析32.1汽车点火系统的工作原理32.1.1点火系统的种类和特点32.1.2汽车点火系统的组成及工作原理32.1.3点火系数的定义及汽油机对点火系统的要求42.2汽车点火系统的电磁干扰分析62.2.1汽车电磁干扰源分析62.2.2汽车电磁干扰传播路径分析72.2.3汽车电磁敏感设备分析72.3小结8第三章 汽车点火系统的电磁干扰仿真研究93.1点火系统的工作过程分析93.2点火系统产生电磁干扰的机理研究123.3火花塞电磁干扰研究143.3.1火花塞等效仿真模型143.3.2火花塞仿真分析163.4次级等效电路电磁干扰研究193.4.1次级等效电路仿真模型193.4.2仿真分析213.4.2.1火花塞与高压点火线的电阻对火花电流的影响223.4.2.2不同位置的火花塞内置电阻对火花塞电流的影响233.4.2.3不同阻值的火花塞内置电阻对火花电流的影响233.4.2.4高压点火线长度的不同对火花电流的影响243.5小结25结论26致谢27参考文献28附录30III图表清单图2.1 汽车点火系统电路图4图2.2 点火电压波形图5图3.1 初级电路等效图9图3.2 次级电路等效图9图3.3 初级线圈的电流源输入波形10图3.4 汽车的发动机点火系统的电路示意图13图3.5 火花塞结构原理图14图3.6 a.火花塞简化架构模型b.火花塞等效电路模型15图3.7 无电阻火花塞17图3.8 电阻型火花塞18图3.9电阻型火花塞与电感型火花塞比较18图3.10 火花塞等效电路19图3.11 次级回路等效电路19图3.12 高压点火线与火花塞无电阻时火花电流的计算曲线22图3.13 火花塞和高压点火线的内置电阻对火花电流的影响22图3.14 火花塞内置电阻距离放电电极不同位置的影响23图3.15 火花塞内置电阻对火花电流的影响24图3.16 高压点火线的长度对火花电流的影响24表3.1 仿真计算参数表17表3.2 火花塞尺寸和基本常数21V第一章 绪论一直以来，人们对汽车产生的问题诸如汽车尾气、噪声污染等，有着直观而准确的认识，对这些的问题的研究上投入了大量的人力物力，制定很多强有力的标准、措施对其进行限制，并取得了很大的成绩。但是，汽车的电磁干扰问题却迟迟没有引起人们的注意。随着目前的电器与电子技术广泛的应用在汽车上，电子电气设备对汽车来说，越来越多，这使得汽车的电磁干扰问题日益突出。汽车的电磁干扰研究，是确保汽车在正常运行过程中，车上的装备互不干扰，能工作安全可靠。1.1问题的提出及研究意义所谓电磁干扰性可定义为“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力1”，即设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能，不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁干扰的发射而导致或者遭受不允许的降级，也不会使在同一个电磁环境的其他设备，因为受到其电磁干扰的发射而导致或者遭受不允许的降级2。汽车的电磁干扰的研究主要是如何确保汽车在运行中，车上的设备独立、兼容的工作，全车都能承受外来的电磁干扰，但是没有到环境中的其他设备不释放干扰允许的范围内。汽车电系系统中存在着各种形式的电磁干扰，通过辐射和传导的电磁形式对车载设备产生不同程度的干扰。汽车电系中产生电磁波最强的是火花点火系统。从国内外对汽车电磁干扰研究、各个厂商和各个实验测试中心的测试数据中可以看到，汽车点火系统是车内最强的电磁干扰源。目前我国的汽车生产都面临点火系统电磁干扰限值不过关的问题，直接影响了车辆的安全性。因此，对汽车的电磁干扰问题的研究里，讨论分析点火系统的电磁干扰形成机理，降低车内电磁干扰，采取有效措施，提高汽车点火系统的电磁干扰性设计变得更加重要。1.2国内外研究现状直到现在，汽车的电磁干扰研究已经取得了一定的成效，初步形成了较为完整的汽车电磁干扰系统。在国外，发达的国家十分重视控制电磁干扰，很早走上了进行相关领域地研究，成立了一些国家级的以及国际的组织对电磁干扰问题进行世界的、有组织的研究。对汽车电磁干扰的研究一般主要是从实验实测与理论仿真两个方面进行。目前，已经取得了很大的成就。在实验实测的方面取得的成果有：形成了相对完整的汽车电磁干扰标准和测试方法。ISO、IEC、CISPR、SAE等等组织都在他们的文件中规定了抗干扰检测的干扰类型以及严格的等级，在发达国家，大多数的汽车制造商和汽车电子产品的生产厂家都接受这些文件的标准，或者把这些标准加到自己的企业标准。建立了先进的汽车电磁兼容实验室3。德国的EMC实验室、法国PSA公司的电磁干扰实验室有三个暗室用于实验、美国也紧跟建立实验室、欧盟还组织了一个GEMCAR项目组4，致力于开发一套实用的汽车电磁兼容性计算机建模指南。然而，在国内，由于汽车行业长时间处于落后的位置，汽车的电磁干扰问题一直没有认真对待，汽车的电磁干扰方面的工作仅限于汽车电磁干扰与车辆电磁敏感度的测试4。中国在20世纪90年代，开展了一项研究汽车无线电干扰的普查，控制无线电的干扰，各个汽车制造商和检测机构纷纷开始购买EMI接收机系统，用于研究汽车检测无线电干扰水平，并加以控制。当前，国内的电磁干扰多采用“问题解决法”。发现了电磁干扰的问题时，再开始采取“头痛医头，脚痛医脚”的方式加以解决，这样往往会对设备乃至系统进行拆卸、维修，甚至需要重新处理，昂贵费时，同时也不能有效的解决电磁干扰问题。1.3论文结构安排本篇论文主要是围绕汽车点火系统的电磁干扰研究展开的。通过对汽车点火系统的结构、工作过程等的深入学习，定性的分析汽车点火系统产生电磁干扰的机理；对汽车点火系统产生电磁干扰的主要组成：火花塞、次级回路，进行了仿真研究和分析讨论，建立其等效电路仿真模型，研究了火花塞的传输函数的幅频特性，对比不同类型、不同参数的火花塞传输函数以及电流变化。具体章节安排如下：绪论主要围绕问题的提出与意义、国内外的发展的现状以及论文的结构安排而论述的；第二章在论述汽车点火系统的种类和特点、组成及工作原理、点火系统参数和汽油机对点火系统的要求的基础上，深入分析了汽车电磁干扰的干扰源、传播路径、敏感设备等；第三章系统的分析仿真了汽车点火系统的电磁干扰，对汽车点火系统的工作过程进行简述，在此基础上，进行点火系统产生电磁干扰的机理的研究，分析出火花塞和次级回路是主要影响因素，最后建立等效电路仿真模型。第二章 汽车点火系统的工作原理及电磁干扰分析本章主要研究汽车点火系统的工作原理及电磁干扰的分析，通过对点火系统的种类特征、干扰路径与干扰源等的分析，为后面的仿真分析奠定基础。2.1汽车点火系统的工作原理2.1.1点火系统的种类和特点由于发动机初级线圈电流与点火正时的控制方法不同，产生了不同类型的汽车点火系统。点火系统按发展阶段的不一样可分为：传统机械触点点火系统、无触点点火系统、微机控制式电子点火系统和微机控制式无分电器电子点火系统1213。传统机械式触点点火系统：传统的点火系统其初级线圈、点火正时电流的控制，是由断电器触点的机械转动来完成。为了使点火地提前角跟发动机负荷与转速的改变而调整，在分电器上装有机械离心式、真空式提前装置来检测发动机的转速与负荷的改变。它的缺点是当发动机的转速降低时关闭时间过长，初级线圈电流过大容易损坏。无触点电子点火系统：为了弥补机械触点点火系统触点的缺点，以晶体管代替机械触点作为开关。这种系统的电流值可以由控制电路调整，不足的是此种系统的点火正时还是采用原有的机械离心、真空提前装置，发动机运转的适应能力很差。微机控制式电子点火系统：为补偿点火系统在各种工况的适应能力的不足，于是采用微机控制的电子点火系统。系统的特点是：分电器没有了，在提前角的控制方面也没有离心、真空提前装置。从初级线圈电流的导通时间到点火正时完全由微机来控制。此外，点火系统按初级点火能量储存的不同方式也可以分为两种类型：电感储能式和电容储能式。目前，大多数汽车上使用的是电感储能式点火系统，电容储能式一般用于民用车辆，在一些赛车引擎上也有较多的使用。2.1.2汽车点火系统的组成及工作原理汽车点火系统的基本功能是根据发动机工作的秩序，在正确的时间提供强有力的高压电火花。点火系统的功能体现在在火花点火时地强度与点火时机。点火系统一般由初级线圈的通断控制开关、可以产生高压电的点火线圈和火花塞构成。12V的蓄电池电源系统，通过电源开关打开和关闭初级线圈中的电流。这样，在次级线圈中产生的高压电可达几千伏到上万伏。当电源开关关闭时，电流通过初级线圈，并且电流值随着关闭时间的增长而不断的提高，突然将开关打开时，由于电磁感应，在次级线圈中便产生足够的电压并将电压施加到火花塞使其产生火花点燃混合气，如图2.1。 图2.1 汽车点火系统电路图无论是传统分电器式点火系统，还是无分电器式电子点火系统，其工作原理大同小异，不同的只是发动机点火正时和初级线圈电流使用不同的控制方法，所以这里以传统分电器式点火系统说明点火系的工作原理5。发动机工作时，分电器连同凸轮一起在发动机凸轮轴的驱动下旋转，从而使断电器触点交替地打开与闭合。当点火开关导通，触点处于闭合位置时，点火线圈初级绕组中流过电流，通过绕组流过的电流称为初级电流，电流流过初级绕组时，在铁心中产生磁场。当断电器凸轮将触点打开时，初级电路被切断，初级电流迅速下降为零，引起磁通突降，在初级绕组中产生自感电动势，达200300V。因此，次级绕组将在互感的作用下，产生与次级绕组和初级绕组匝比成正比的高压电动势，达1525kV。该电动势击穿火花塞间隙，产生电火花，点燃气缸中的混合气。次级绕组上产生的电压称之为次级电压，次级绕组所在的电路称为次级电路，或者高压电路。2.1.3点火系数的定义及汽油机对点火系统的要求汽车汽油机点火系统的基本参数有点火电压、点火电流、点火能量、上升时间、火花持续时间、点火提前角等，下面分别给出它们的定义5：峰值电压：在规定的火花塞两电极间距和发动机运行速度范围内，点火线圈使放电间隙气体击穿的最大次级输出电压，如图2.2中所示。点火电流：在规定的火花塞电极距离和发动机运行速度范围内，点火线圈使放电间隙气体击穿时流经火花塞电极间的电流。点火能量：点火线圈次级高压放电时，在火花持续时间，电压和电流瞬时值的乘积的积分值。火花持续时间：从开始的高压放电的放电电流衰减到某一定值的时间间隔，如图2.2中，这个参数在一定范围内表明了临界火花点火燃料地能力。上升时间：在规定的条件下，次级电压从某一指定值上升到另一值所需要的时间，用微秒表示，如图2.2中的。充电电压：在CDI点火中，对电容器充电的电压。点火提前角：点火装置对可燃混合气的点火不在膨胀冲程开始的时刻进行，而提前在压缩冲程临近结束时进行，这是因为可燃混合气从点燃到燃烧需要一定时间。点火的提前量通常用点火提前角表示。在压缩冲程中，从火花塞跳火瞬间到活塞行至上止点时曲轴的转角称作点火提前角。图2.2 点火电压波形图为了确保准确并可靠地在汽油机的所有工作条件下点火，点火系统必须要满足以下的要求：提供足够高的次级电压，以击穿火花塞两电极之间的空气间隙。一般情况下启动需要的击穿电压大约为17kV，为了确保点火，通常点火系统的次级电压需要超过这个击穿电压。考虑到各种不利的因素，次级电压应留有一定的电压储备量。因此，次级电压常常限制在17kV25kV左右。电火花要有足够的能量。点火的能量不仅与点火电压是相关的，而且还和火花电流及火花的持续时间有关，点火能量越大，着火性能就越久越好。往往需要火花能量达5080mJ，火花持续时间不低于500。点火系统应按照汽油机的点火顺序并以最佳时刻（点火提前角）进行点火。最佳点火提前角是由汽油机的动力、经济和排放等性能共同要求确定的。点火提前角与发动机负荷与转速有关，转速高或者负荷小时，提前角应该大一些；反之，提前角应该小一些。点火提前角若能自动调节，就可适应发动机的各种工况。2.2汽车点火系统的电磁干扰分析2.2.1汽车电磁干扰源分析汽车的电磁物理环境是指运动中的汽车，车上的电子电气设备承受来自车内、车外各种各样的电磁干扰。它是对汽车电子设备最具威胁的工作环境。汽车的电磁干扰源大致可分为车载干扰源、自然干扰源和人为干扰源。车载干扰源车载干扰源主要是指车上各种电器产生的电磁干扰，它是以传导和辐射的形式向车内外传播。主要的干扰源有：电路网络、静电放电、电感性负载和电容性负载、车载通讯设备等。这些干扰按频谱范围可以分为3组：10kHz1000MHz的频谱由高压点火装置产生的宽带干扰；10kHz500MHz的频谱由DC电机和离散输出级产生的宽带干扰；基频10kHz4000MHz的频谱车载数字计算机（各种ECU和车载办公数字设备）产生的窄带干扰。当这些干扰源没有去干扰的措施时，汽车接收天线上检测到的电压可达50。1）电感性负载和电容性负载汽车上的电感性负载有很多，包括发电机、电磁继电器、电动机等，在电路突然断开时产生自感电动势，感应电动势的方向和源电路的电流方向同向相叠加，形成有规律的或者不定期的过电压加在负载上，产生电磁干扰脉冲，引起电子元器件的损坏，导致基本计算逻辑判断错误。互耦式过电压的产生是由于汽车上太长的电器配线、电器配线没有屏蔽以及搭铁阻抗在汽车电器系统内引起磁感应耦合。电感式电容耦合，所产生的瞬变电压最高可达200V以上，其结果将会带来与电感负载过电压同样的危害。此外，在汽车中使用的各种电子电气设备中，有许多的导线、连接器、线圈及其他零部件，它们有着不同的电感和电容，这些电感、电容一旦构成闭合回路，就构成了一个振荡回路。当电器设备工作时，就会产生电磁干扰，影响其他电子设备的正常工作。这样的干扰主要表现为0.15150MHz的电磁辐射干扰。这种干扰的放电瞬间的能量密度通常可达到引发危害的程度。2）电路网络电路网络的干扰主要是来自汽车本身的电器设备，主要是影响汽车的通讯设备的正常接收。汽车电路导线通常被扎成线束，由于各种高低电压、电流大小和方向不同的线路绑在一起，以及一些敏感电器元件安装的位置不当、低质量等原因，都会产生电磁干扰信号，这些信号在周围的以网络形式将电磁波传播，干扰附近和汽车内的通讯设备的接收正常。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。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、通信和广播设备等。敏感设备的分类的方法很多种，常见主要有四种：根据执行的任务划分；根据其输入信号或者其容易影响的信号的类型划分；根据设备的关键的程度来划分；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。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3.26。图3.1 初级电路等效图 图3.2 次级电路等效图其中为一个周期性的脉冲电流，称为初级输入电流；是初级线圈的电压、电流；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；是初级线圈的分布电容；为次级负载电容和分布电容的和；为次级线圈的电压、电流；为火花塞的负载电阻；、为初级和次级线圈地电感；此为流经过电容的电流；此为流经过电阻的电流；此为初级线圈的电流下降时间；此为初级线圈的电流闭合时间；此为初级线圈的电流上升时间；此为初级电路的恒流值；此为点火的频率。初级线圈的输入电流则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，也可以这样表示，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）。就汽车点火系统来说，大概经过20ms，初级电流就可以增大到稳态电流。在初级电流增加的过程中，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1.5kV2kV，此时还没有达到击穿电压，使火花塞电极击穿。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，初级电流增长，当闭合开关长时间后，增大到时，初级电流切断。初级电流会迅速的由减小到零，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200V300V，而次级绕组的匝数比较多，产生高达15kV20kV的自感电动势。初级电流断开后，初级电路由、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。最大次级电压的值将会在的振荡中发生第一个周期波。次级电压的最大值，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。初级电流被关断，初级电流消失，磁场也随之迅速不见，初级绕组中，会产生自感电动势；在次级绕组中，产生互感电动势。在初级绕组中，向电容器充电，充电的最大电压是，所以中储存的电场能大小为： （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（次级分布电容）。则同上，储存的电场能量为： （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将会使所有能量转变为、的电场能量。由式（3.6）可得： （3.7）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，则： （3.8）由式（3.7）和（3.8）可得： (3.9)由式（3.9）可以得出，当有着一定结构的点火线圈时，次级电路的电压最大值和初级电路的稳态电流成正比，并且随着、的减小而增大。能影响火花塞工作的最大因素的是次级电压的上升时间，上升时间越长，则损失的就越大，而用在点火的能量就会越少。火花塞在电极间的火花放电一般情况下，次级电压的最大值总是高于火花塞的击穿电压。当次级电压增大到火花塞的击穿电压时，火花塞就会击穿电极间隙从而形成火花，次级电路中同时产生电流，与此同时，次级电压也会突然下降。在汽车点火系统中，次级能量的产生还可以分成三个阶段：初级电路闭合，此为初级储存能量阶段，电流的输入是从到为止。初级电流切断，次级电压上升，在火花塞间隙击穿电压没有达到之前，仍然是初级储存能量阶段，从到为止。火花塞电极间隙击穿，次级电压升到最大值，这阶段是次级能量对火花塞电极间隙放电的过程。通过分析可以知道，初级电路连接的时间越短，初级电路的电流就越小，汽车点火系统中，所能达到的次级电路电压就会越低，点火能量也同样就越低；相反，初级电路的连通时间越长，初级电流越大，次级电压越高，点火的能量液将会越高。所以，就电感储能式的点火系统，线圈一定的情况下，它的点火能量只决定与初级电流的大小。火花放电，一般分为电感放电和电容放电两部分。电容放电即火花塞的电极间隙被击穿后，电容快速释放储存的能量，特点：放电时间短，放电电流大，可以达到几十安培。跳火之后，火花塞的电阻变小，磁场线圈将剩余的能量沿着电离火花一点点的放电，形成“电感放电”，又程火花放电，特点：放电时间长，几毫秒，放电电流小，放电电压低。实验证明，电感放电时，持续时间越长，点火性能就越好。电容放电时伴有高频振荡，是产生无线电的干扰的主要原因。3.2点火系统产生电磁干扰的机理研究汽车的电气系统内，电磁干扰最强的是点火系统。汽车发动机点火成功时，点火线圈的初级、次级瞬态电压很高，对车载的电子设备具有非常强的传导干扰；同时，由于火花塞的电极间隙放电很强烈，向周围空间也会造成很强的电磁辐射。图3.4是某个汽车发动机的点火系统的简单电路原理图。 图3.4 汽车的发动机点火系统的电路原理示意图汽车点火系统的工作状态通常是在脉冲点火。应用傅里叶级数，将点火脉冲分解成多个频率分量，点火线圈在这样比较高的频率成分的作用下，将会产生高频率的电磁辐射；相对于高频点火脉冲，火花塞的中心电极可以等效为具有一定量的电感线圈，它和其壳体之间又可以等效为一个电容器，由此形成一个LC并联回路，因此它将对点火脉冲中的某一谐波形成高频振荡，向外辐射电磁波。此外，发动机ECU从点火脉冲输出端到点火线圈、火花塞到点火线圈之间的高压电线辐射电磁波，导线越短火花持续时间也越短，发动机气缸越少，转速越低则火花数就越少，产生的电磁干扰也就越弱。点火系统的电磁干扰主要是来源于火花塞、高压点火线及点火线圈等几个部件。当初级电路电压到达火花塞间隙的击穿电压时，火花塞间隙被击穿，火花塞分布电容中的储存能量迅速释放，这一阶段使次级电路的电压和电流形成陡脉冲，这种宽带脉冲通过暴露的高压点火线向外辐射电磁波，对周围环境造成电磁干扰。随后，在次级线圈电感中储存的另一部分能量将维持放电，该放电电流使气缸内的燃料完全燃烧，以确保点火可靠。需要抑制的是第一阶段的电容放电电流，为宽带脉冲电流，带宽在0.151000MHz范围，是30300MHz甚至更高频无线电的主要干扰源。由于火花塞高压放电而产生的电磁干扰主要向外辐射是通过高压点火线，所以，高压点火线成为干扰源的发射天线。天线的辐射功率与激励电流的平方成正比14，也就是说高压点火线上的电流越大，向外辐射也就越大，造成的电磁干扰越强。因此通过减小高压线上的点火电流，可以抑制点火系统向外的电磁干扰。点火噪声在时域里的特性体现为窄脉冲群（ns级），脉冲群地延续时间可以从微秒到毫秒。脉冲群的重复率取决于每分钟转数、汽车数和汽车的缸数。当在临近路边测量时，这些脉冲群的幅值和方向跟着交通的流量而改变。在全球，点火噪声是影响电磁环境的主要一点。根据前面对点火系统产生的电磁干扰机理的分析，次级回路是点火系统产生电磁干扰的主要部分。而形成在电极之间的火花塞放电电流又是产生电磁干扰最主要的因素，我们针对这一分析结果，建立了火花塞仿真模型及次级回路的等效模型，对火花放电电流进行了仿真分析。3.3火花塞电磁干扰研究3.3.1火花塞等效仿真模型现在，抑制点火系统的电磁干扰辐射，针对火花塞采取的措施是将电阻体植入火花塞其中，图3.5就是常用的电阻型火花塞结构图6。 图3.5 火花塞结构示意图简化火花塞的结构之后，可以得到简化后的等效电路和结构模型模型，如图3.6所示。图3.6（b）中，为高压点火线特性阻抗，和分别表示单位长度高压线的串联电阻和并联电容；、为火花塞电极的同轴分布电容；为阻尼阻抗对地分布电容；为火花塞中心电极对接地外壳的分布电容；为火花塞气隙的等效电阻；为火花塞植入的等效阻尼阻抗，其复频域形式为 （3.10） 图3.6 （a）火花塞简化架构模型 （b）火花塞等效仿真模型由节点电流法有1516： （3.11） 于是可以得 （3.12）其中，是从等效电路的另一个端口看进去的等效阻抗，如图3.6（b）所示。 （3.13）令为火花电流与点火电流的传输函数，考虑到在30MHz到1GHz的频率范围有117，然后可得简化后的传输函数： （3.14）所以，式（3.12）可写成： （3.15）接下来，对电阻型火花塞和电感型火花塞的传输函数分别进行分析讨论。（1）电阻型火花塞采用电阻型火花塞时，火花塞的等效阻尼阻抗，则有： （3.16）令；;，于是可以得到传输函数的幅频特性： （3.17）（2）电感型火花塞采用电感型火花塞时，火花塞的等效阻尼阻抗见（3.10）式，其传输函数的幅频特性为： （3.18）其中有： （3.19）由式（4.15）看出，而火花电流是由火花塞地间隙特性确定，所以，可以通过研究传输函数的幅频特性，明白如何改变火花塞等效电路中的参数，来观察高压线上的点火电流的变化。3.3.2火花塞仿真分析为了使电容放电时的冲击电流变小，火花塞中阻尼阻抗的位置离气隙很接近，这里的同轴分布电容很小，所以在仿真的过程中可以忽略不计。在本文的仿真计算中，高压点火线和火花塞的有关参数的取值见下表3.117：表3.1 仿真计算参数表参数设置R20kL60HC0.7 pF1.8pF3.5pF0.7pF190/cm0.1pF/cm高压点火线长度25cm电阻型火花塞与无电阻火花塞比较分别仿真计算了无电阻火花塞与取值为、的电阻型火花塞的传输函数，结果如图3.7所示。 图3.7 无电阻火花塞 图3.8 电阻型火花塞比较图3.7与图3.8，可以看出将火花塞植入电阻之后，传输函数的幅值变小，在高频段特别明显，所以高压点火线的电磁波辐射将被很好的阻挡，这与其它文献的实验结果是一致的14。从图3.8中还能看到，电阻阻值越大地电阻型火花塞，抑制效果就越好。然而，由于电阻的存在，点火能量将被衰减，为了确保点火系统工作的可靠性，电阻阻值也不宜过高，一般不超过。电阻型火花塞与电感型火花塞比较从前面的仿真结果还可以看出，当频率大于600MHz后，传输函数不被阻值的大小所影响。为了进一步研究的特点，本文对电感型火花塞和电阻型火花塞的传输函数也进行对比，仿真结果如下图3.9。 图3.9 电阻型火花塞与电感型火花塞比较从图3.9中可以看出，火花塞中的电感可以使传输函数的幅值降低，这是因为电流在电感上不能突变，电感对脉冲放电电流有着扼流的效果，表明在其他条件相同的情况下，电感型火花塞抑制电磁干扰更有效。3.4次级等效电路电磁干扰研究上面建立的火花塞电路模型只是唯一的考虑了火花塞的内部结构，研究了在火花塞气隙流过的高压点火线上的电流和点火脉冲电流之间的传输函数，分析仿真、对比了不同类型的电感型火花塞和电阻型火花塞的传输函数的幅频特性。在这个模型中没有考虑到次级电路的点火线圈和高压点火线对火花电流的影响。下面将对包括点火线圈和高压点火线在内的次级回路进行等效仿真模型，并详细的分析讨论。3.4.1次级等效电路仿真模型在这个模型中，火花塞可以被等效为一个同轴分布电容，如图3.10所示78。这个同轴分布电容的大小是由火花塞本身的长度和它内电极尺寸以及绝缘物质的电介质特性确定的。当火花塞的电极间隙被击穿时，次级回路的等效电路如下图3.11所示。 图3.10 火花塞等效模型尺寸示意图图3.11 次级回路等效电路 其中，、为火花塞电极的同轴分布电容；为火花电阻；为火花阻尼阻抗对地分布电容；为火花塞内置电阻；、为高压点火线的电阻和分布电容；、为次级点火线圈的电阻、电感和寄生电容。点火系统的电磁干扰主要由脉冲点火电流引起。所以这里我们的研究对象为干扰源的点火电流。由Rompe和Weizel的理论可以知道，火花电阻是一个跟着时间而变化的量。当火花塞的把间隙击穿后，它的值跟时间改变的关系为910： （3.20）式中，为间隙宽度；为混合燃气压力；为火花系数；为流过间隙的火花电流。在实际中，火花电阻，火花塞内加的电阻，我们可以假设。高压点火线的电阻，其中为高压点火线的单位长度电阻，为高压点火线的长度。根据电路原理可以得： （3.21） （3.22） (3.23) (3.24)式中，为电容和的放电电流；为时刻火花间隙地两端电压；为电容、和通过火花塞植入电阻的放电电流；为次级线圈的寄生电容、高压点火线分布电容通过火花塞内置电阻与高压点火线的电阻的放电电流；为间隙击穿电压。考虑，可以得到： （3.25）式（4.21）和（4.25）的一开始条件为时，、，于是解得（4.21）和（4.25）可以得到： (3.26)式中，是一个积分常数，将（4.22）、（4.23）和式（4.26）一同带入式（4.24）可以得到火花电流。火花塞电极间隙的电场强度E可如下表示： （3.27）对火花电流进行拉普拉斯变换就可以得到： （3.28）在复频域的范围内考虑 （3.29） （3.30） （3.31）当火花间隙击穿电压为时，可以认为点火电流与火花电流之间的关系为，于是计算得到： （3.32）从以上可以分析看出，点火电流与火花电流可以通过火花塞间隙击穿电压、火花塞的尺寸近似计算得到。同时，从式（3.32）可以看出，点火电流跟着阻抗和的增大而增大，与火花电流成正比关系。3.4.2仿真分析在仿真分析计算中，用来计算点火电流的有关参数如表3.2： 表3.2 火花塞尺寸和基本常数参数设置0.51.3atm5.0cm8.80.05cm0.2cm0.8cm3.5cm5.0cm0.6cm1.0cm121.01其中，为高压点火线距离地面的等效高度；为火花塞绝缘体的相对介电常数；为高压点火线的半径；为火花塞中心电极的半径；为火花塞后部外部的金属外壳的半径；为火花塞靠前金属外壳的长度；为火花塞植入电阻的根部到中心电极放电端的长度；为火花塞植入电阻的前边的金属外壳的长度；为火花塞植入电阻部分的金属外壳的长度。另外，同轴分布电容的计算公式为，导线电容的计算公式为。在计算中，取火花间隙的击穿电压为，火花间隙的长度为0.1。3.4.2.1火花塞与高压点火线的电阻对火花电流的影响从图3.12中可以看出，当高压点火线与火花塞无电阻的时候，火花电流的幅值大约为，而且这是一个高频电流，是汽车的电磁干扰的主要干扰源。在点火系统的次级电路添加电阻是经常的抑制电磁干扰的方法。在现代汽车中，电阻型高压点火线的点火系统被广泛的使用，通常可以有效抑制电磁干扰。同样的，在火花塞中加电阻也是常用的抑制电磁干扰的方法