汽油发动机点火系统电磁干扰的建模与仿真方法研究

摘要

汽车内的干扰电磁场，主要来自发动机点火系统、发电机系统以及电动机和各种继电器触点的开闭等，而其中最强的电磁干扰源是点火系统。一方面，由于点火系统工作过程中所产生的电磁干扰的强度高，频率范围广。另一方面，随着汽车电子技术的不断发展，车载电子设备不断增多，其工作电平不断降低。这使得点火系统对车载设备的电磁危害大幅增加。所以，对汽油发动机点火系统的电磁兼容性进行研究就具有极为重要的理论意义和工程价值。本论文在重庆市自然科学基金重点项目“汽车电气系统电磁兼容性研究”（NO. CSTC,2006BA6015）的支持下，重点对汽油发动机点火系统在火花塞击穿过程中形成的电磁干扰进行了研究。主要研究内容如下：
　　①对汽油发动机点火系统形成电磁干扰的机理进行了深入分析，并对点火系统初级电路中的传导干扰进行了仿真。
　　②基于Rompe-Weizel火花电阻公式和火花塞的同轴分布电容参数，建立了发动机点火系统电容放电的等效模型，对火花塞间隙击穿过程中高压导线上的瞬态干扰电流进行了计算。仿真分析了火花塞的击穿电压、火花塞间隙的宽度以及火花塞电阻的位置对干扰电流的影响。并将仿真结果和试验结果进行了比较，验证了建模和仿真方法的正确性。最后，提出了抑制发动机点火系统电磁骚扰的措施。
　　③以高压导线上的瞬态干扰电流所产生的辐射场为主要干扰源，通过建立适于电磁仿真的点火系统和汽车整车的三维CAD实体模型，应用FDTD法仿真计算了点火系统在自由空间、在车体引擎室和在驾驶室内辐射电磁场的分布情况。将距发动机中心3m远处辐射场的仿真结果和测试结果进行了比较，验证了仿真方法的正确性。
　　④应用人工神经网络对车内设备互连线缆间的串扰问题进行了预测研究。选择对串扰响应有影响的相关电磁骚扰参数作为输入预测因子，用基于误差反向传播的BP网络构造输入预测因子与串扰响应输出之间的映射关系，并用FDTD法计算获得的训练样本集对构造好的BP网络进行训练，建立了基于BP神经网络的车内设备互连线缆串扰问题的预测模型。将串扰的BP预测结果和测试样本进行了比较，表明了该方法的有效性。最后，在此基础之上，提出了相应的布线原则以抑制点火系统的线缆与车载设备线缆间的串扰。
　　⑤研究了点火系统辐射场通过设备的孔缝和线缆对设备形成耦合干扰的仿真方法。首先，应用孔缝衍射、场对线激励、含分布源传输线理论，描述了辐射场通过孔缝耦合形成对设备干扰的数学预测模型。然后，提出了一种求解辐射场通过场线耦合形成对设备干扰的等效替代模型。最后，仿真分析了辐射场的入射角度、设备孔缝的大小及连接线缆的长度对耦合干扰电压的影响。

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目录

1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 汽车电磁兼容的研究现状

1.3 论文的主要研究工作

1.4 论文的章节和结构

2 汽油发动机点火系统电磁干扰的形成机理

2.1 点火系统的组成及工作原理

2.2初级电路中的传导干扰

2.3次级电路中的火花放电及其辐射干扰

2.4 本章小结

3 汽油发动机点火系统电容放电的建模与计算

3.1 引言

3.2 火花塞电容放电的电路模型

3.3 干扰电流的推导

3.4 仿真结果及分析

3.5 实验验证及抑制干扰的措施分析

3.6 本章小结

4 汽油发动机点火系统辐射电磁场的建模与计算

4.1 引言

4.2 干扰源的模拟及施加方法

4.3 汽车点火系统及整车的实体建模

4.4 仿真模拟

4.5 实验验证及分析

4.6 本章小结

5 点火系统与车内设备互连线缆间串扰问题的研究

5.1 引言

5.2 互连线缆串扰模型的建立

5.3仿真结果与分析

5.4 抑制线缆间串扰的布线原则

5.5 本章小结

6 点火系统辐射场对车内设备耦合干扰的仿真

6.1 引 言

6.2 辐射场通过孔缝对设备的干扰

6.3 辐射场通过线缆对设备的干扰

6.4 仿真结果与分析

6.5 本章小结

7 论文总结

7.1 论文的主要工作及成果

7.2 需进一步研究的问题

致谢

参考文献

附录