Обеспечение электромагнитной совместимости автомобильных систем зажигания
На правах рукописи
НИКОЛАЕВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
АВТОМОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ ЗАЖИГАНИЯ
Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Самара 2012
Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» и в отделе исследования электромагнитной совместимости ОАО «АВТОВАЗ» г. Тольятти.
| Научный консультант: | заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Зимин Лев Сергеевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» ФГБОУ ВПО «СамГТУ» Салтыков Валентин Михайлович доктор технических наук, профессор кафедры «Энергоснабжение» ФГБОУ ВПО «УлГТУ» Кузнецов Анатолий Викторович доктор технических наук, профессор кафедры «Управление качеством и технологии в сервисе» ФГБОУ ВПО «ПВГУС» Козловский Владимир Николаевич |
| Ведущая организация: | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» (ТГУ) г. Тольятти. |
Защита диссертации состоится 5 сентября 2012 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус № 1, ауд. 4а.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04.
Тел. (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.
Автореферат разослан «___» ____________ 2012 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.04 доктор технических наук, доцент | А. А. Базаров |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время автомобиль является преобладающим видом транспорта. В 2010 году количество зарегистрированных автомобилей превысило один миллиард единиц и продолжает расти.
Приносимая автомобилем польза обществу – неоспоримый факт. В то же время его интеграция в жизнедеятельность человека имеет и негативные стороны, одна из которых – генерируемое электромагнитное излучение, основным источником которого является система зажигания. Этот вид излучения практически всегда преобладает над другими помехами в районах интенсивного автомобильного движения в зоне до 60 м от автострад, так как основной парк автотранспорта составляют автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), оснащенные искровой батарейной системой зажигания (ИБСЗ). Их количество в настоящее время превышает 700 миллионов.
Согласно ранним исследованиям, при работе ИБСЗ в момент разряда на свече создается паразитное электромагнитное поле, представляющее собой во временной области последовательность импульсов со случайной амплитудой и длительностью от 200 нс. Помехи данного типа являются широкополосными, их спектр находится в пределах до 1 ГГц. Это нежелательный фактор, он влияет на работу высокочувствительной радиоаппаратуры, внося паразитную составляющую по приемо-передающему каналу, и индуцирует помехи в электронных схемах. Воздействия радиопомех от системы зажигания автотранспортных средств проявляются в нестабильном изображении и появлении полос на экранах телевизоров, в возникновении шумов в выходных каскадах радиоприемников, засветке экранов локаторов авиационных навигационных систем. Зафиксированы случаи, когда данные помехи от системы зажигания влияли на электронные бортовые системы, приводя к сбою в их работе или выходу из строя. Очевидно, что чем сложнее система, тем она более электромагнитно уязвима и требуется больше затрат для обеспечения устойчивой ее работы в условиях помех.
Как показали многочисленные исследования, повышенный электромагнитный фон воздействует на живые организмы, вызывая или усиливая у них различного рода функциональные изменения.
На основании вышеизложенного проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) автомобильной ИБСЗ является важной. В этом направлении непрерывно ведутся научные изыскания. Большой вклад в решение проблемы ЭМС автомобиля внесли отечественные и зарубежные ученые: А. Д. Князев, В. А. Балагуров, М. В. Максимов, В. А. Набоких, Н. А. Володина, А. К. Старостин, В. И. Кириченко, R. E. Taylor, J. S. Hill, R. A. Shepherd, J. C. Gaddie, Hideo Kasuya, Vincent J, Colin Hamer и др. Уже на этапах разработки автомобиля конструкция системы зажигания проектируется с учетом требований обеспечения предельно допустимого уровня по излучаемым помехам. Все шире применяется математическое моделирование.
Большинство ведущих автопроизводителей имеют специализированные ЭМС центры, исследовательские и испытательные рабочие программы которых рассчитаны на длительное время.
С учетом опыта и новых тенденций совершенствуются региональные и международные стандарты. Сейчас любая новая модель автомобиля в обязательном порядке сертифицируется на соответствие требованиям по уровню излучаемых электромагнитных помех и в случае превышения установленных норм не получает одобрения типа транспортного средства.
При разработке новых ИБСЗ автомобилей и модернизации существующих необходимо стремиться к минимизации электромагнитных помех. Помимо этого, следует контролировать и обеспечивать соответствие требований ЭМС по уровню излучаемого электромагнитного поля (ЭМП) от автомобилей, находящихся в эксплуатации. В значительной мере эти цели могут быть достигнуты разработкой математических моделей, описывающих разрядные процессы; методов и алгоритмов уменьшения уровня разрядных помех и комплексной оценки качества заложенных решений; совершенствованием методик проведения испытаний, а также применением новых конструкций подавления помех.
Решение освещенных вопросов позволит повысить конкурентоспособность отечественных автомобилей, что особенно важно в связи с вступлением России в ВТО, и улучшить общую электромагнитную обстановку в стране.
Данная диссертационная работа выполнена в рамках проекта Федерального закона № 261829-5 «Технический регламент «Об электромагнитной совместимости» (ред., принятая ГД ФС РФ в 1-м чтении 02.07.10).
Объект исследования: автомобильная искровая батарейная система зажигания.
Цель работы: комплексное решение научно-технической проблемы ЭМС автомобильных искровых батарейных систем зажигания двигателей внутреннего сгорания на этапах проектирования, производства и эксплуатации.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи.
1. Проведен анализ современного состояния проблемы ЭМС автомобильных ИБСЗ.
2. Предложено и обосновано новое научно-техническое направление, обеспечивающее соответствие ИБСЗ требованиям ЭМС по уровню излучаемого ЭМП в процессе всего периода эксплуатации автомобиля.
3. Разработан комплекс обобщенных математических моделей процесса разрядных помех, создаваемых автомобильными ИБСЗ, учитывающий параметры, влияющие на уровень ЭМП для всех режимов работы ДВС.
4. Исследовано амплитудно-частотное распределение напряженности ЭМП от автомобилей с ИБСЗ в зависимости от электрических характеристик и компоновочных факторов.
5. Получена математическая модель комплексной оценки соответствия требованиям ЭМС по уровню ЭМП модельных рядов автомобилей, оснащенных ИБСЗ.
6. Разработан алгоритм проведения контроля уровня разрядных помех, диагностики неисправностей и обеспечения соответствия требованиям ЭМС ИБСЗ в течение всего периода эксплуатации автомобиля.
7. Разработаны методы, позволяющие обеспечить соответствие параметрам ЭМС по уровню ЭМП ИБСЗ при их неисправностях в процессе эксплуатации автомобиля.
8. Скорректированы методики расчета и проектирования автомобильных ИБСЗ с учетом обеспечения требований ЭМС по уровню излучаемого ЭМП, а также уточнены методы испытаний, позволяющие более полно проводить контроль соответствия предельно допустимым нормам.
9. Разработаны рекомендации по эффективному подавлению разрядных помех с минимизацией влияния на энергетические параметры ИБСЗ.
Обоснованность и достоверность результатов работы определяются корректностью математических моделей, построенных на основе фундаментальных положений общей теории систем зажигания, а также подтверждением теоретических выкладок работы экспериментальными данными, полученными в аттестованной лаборатории электромагнитной совместимости ОАО «АВТОВАЗ».
Методы исследования, представленные в диссертационной работе, основаны на общей теории электрических цепей, электродинамики и распространения радиоволн; на принципах работы систем зажигания и управления двигателем внутреннего сгорания.
При экспериментальных исследованиях и испытаниях использованы стандартизированные методики, а также аттестованные аппаратура и устройства для измерений лаборатории исследования электромагнитной совместимости ОАО «АВТОВАЗ».
Научная новизна выполненных автором работ состоит в следующем.
1. В рамках концепции технической и экологической безопасности автомобилей предложено научно-техническое направление, обеспечивающее соответствие ИБСЗ требованиям ЭМС по уровню излучаемого ЭМП в процессе всего периода эксплуатации.
2. Создан универсальный комплекс обобщенных математических моделей процесса разрядных помех, создаваемых автомобильной ИБСЗ, учитывающий параметры, влияющие на уровень ЭМП для всех режимов работы ДВС, и позволяющий решить проблемы ЭМС с учетом эксплуатационной наработки.
3. Разработана математическая модель комплексной оценки соответствия требованиям ЭМС по уровню ЭМП модельных рядов автомобилей, оснащенных ИБСЗ, позволяющая проанализировать выбранные решения с учетом эксплуатационной наработки для улучшения электромагнитной обстановки.
4. В рамках предложенного научно-технического направления разработан алгоритм проведения контроля уровня ЭМП и диагностики неисправности.
5. Предложен принцип управления ДВС, заключающийся во введении дополнительного канала обратной связи по разрядным помехам, позволяющий при увеличении уровня ЭМП из-за неисправности ИБСЗ в процессе эксплуатации автомобиля обеспечить соответствие параметрам ЭМС.
6. Предложены методы обеспечения соответствия предельно допустимым нормам разрядных помех, созданных ИБСЗ при эксплуатации автомобиля в аварийных режимах.
Практическая ценность работы заключается в комплексном решении крупной научно-технической проблемы создания эффективных систем ЭМС автомобильных ИБСЗ.
1. Разработано математическое обеспечение прикладных программ САПР для моделирования распределения ЭМП от автомобиля с ИБСЗ и последующего анализа принятия решений по обеспечению соответствия параметрам ЭМС.
2. Определен диапазон частот, в котором сосредоточено до 90% мощности ЭМП, создаваемых автомобилями с ИБСЗ, что позволяет сформулировать требования к частотным характеристикам бортовых измерительных устройств канала управления ДВС по разрядным помехам.
3. Определены режимы работы ДВС, на которых уровни ЭМП от ИБСЗ имеют высокие значения.
4. Даны рекомендации по учету параметров ЭМС на этапе разработки автомобильных ИБСЗ и по проведению измерений уровня излучаемых разрядных помех.
5. Разработаны новые конструкции, обеспечивающие эффективное подавление разрядных помех с минимизацией влияния на энергетические параметры автомобильных ИБСЗ.
6. Предложен принцип комплексной оценки качества выпускаемых автомобилей с ИБСЗ по параметрам ЭМС, на основании которого принимаются решения в условиях действующего производства.
7. Определен диапазон регулирования параметров ДВС, влияющих на уровень ЭМП, для обеспечения соответствия параметрам ЭМС.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Научно-техническое направление обеспечения соответствия ИБСЗ требованиям ЭМС по уровню излучаемого ЭМП в процессе всего периода эксплуатации.
2. Комплекс обобщенных математических моделей процесса разрядных помех, создаваемых автомобильной ИБСЗ, учитывающий параметры, влияющие на уровень ЭМП для всех режимов работы ДВС.
3. Комплексная оценка соответствия требованиям ЭМС по уровню ЭМП модельных рядов автомобилей, оснащенных ИБСЗ, позволяющая определить правильность выбранных решений с учетом эксплуатационной наработки.
4. Алгоритм проведения контроля уровня ЭМП и диагностики неисправности.
5. Методы обеспечения соответствия предельно допустимым нормам разрядных помех, созданных ИБСЗ при эксплуатации автомобиля в аварийных режимах.
6. Уточненные методики расчета, проектирования и испытаний автомобильных ИБСЗ для обеспечения требований ЭМС по уровню излучаемого ЭМП.
7. Технические решения, обеспечивающие эффективное подавление разрядных помех и не влияющие на энергетические параметры автомобильных ИБСЗ.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно докладывались и обсуждались на профильных совещаниях ОАО «АВТОВАЗ».
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:
XIII юбилейной российской конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (Самара, 2006); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2004); международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2006); VII международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2006); VII международной научно-практической конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти, 2010); V международной научно-практической конференции «Наука – промышленности и сервису» (Тольятти, 2010); международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, 2003, 2007 и 2009).
Реализация результатов работы. Разработанные устройства измерения и подавления разрядных помех от системы зажигания внедрены в отделе исследования электромагнитной совместимости и на серийных автомобилях ОАО «АВТОВАЗ», а также на автокомпонентных предприятиях автомобильной отрасли РФ. Акты внедрения прилагаются в приложении диссертации.
Разработки в области исследования, измерения и подавления разрядных помех от автомобильной системы зажигания нашли отражение в учебных пособиях и монографии для вузов.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 40 работ, в том числе 16 статей в журналах, рекомендованных ВАК, а также 9 патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 254 страниц основного текста, 152 рисунка, 9 таблиц, библиографического списка из 171 наименования и приложения на 8 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показаны актуальность проблемы, практическая значимость работы, очерчен круг вопросов, затронутых в диссертационной работе.
В первой главе оценено современное состояние проблемы ЭМС автомобильных ИБСЗ, которая рассматривается как источник электромагнитных помех. Показана ее актуальность из-за негативного влияния электромагнитного излучения на окружающую среду. В рамках концепции технической и экологической безопасности автомобилей с ИБСЗ предлагается комплексный подход к снижению уровня разрядных помех. Даются предпосылки и обоснование для разработки нового научно-практического направления, обеспечивающего соответствие систем зажигания требованиям ЭМС по уровню излучаемого ЭМП в процессе всего периода эксплуатации автомобиля.
Одним из первых вопросы ЭМС автомобильных систем зажигания затронул советский ученый В. А. Балагуров, отметив ее влияние на радиоприем и предложив рекомендации по минимизации излучения.
Американские ученые R.E. Taylor и J.S. Hill в 1979 г. опубликовали исследования, посвященные влиянию излучения от автомобильных систем зажигания на радары самолетов. По их сведениям, разрядные помехи вызывают засветку экрана радара при полетах авиации на высотах до 7 км. В этом случае суммарный эффект помех от потока автотранспортных средств приближался к шумовому фону. При полете на высоте 500–600 м уже четко выделялись конкретные источники излучения.
Из практики известны случаи, когда при работе автомобиля высокий уровень разрядных электромагнитных помех влиял на бортовые электронные системы. В частности, из-за сбоя электронной системы управления ДВС происходило нарушение очередности искрообразования в цилиндрах, что приводило к обратному выхлопу в выпускной коллектор, вследствие чего он разрушался.
Биологический эффект влияния ЭМП от систем зажигания на живые организмы в настоящее время еще полностью не исследован. Однако доказано, что последствия воздействия излучения в радиочастотном диапазоне существуют. Они подразделяются на соматические и генетические.
Несмотря на то что в настоящее время проблемой ЭМС автомобильных ИБСЗ занимаются ведущие автопроизводители, ее актуальность не уменьшается. Важность ее обусловливается тремя моментами. Во-первых, согласно исследованиям, техногенный фон, создаваемый потоком автотранспортных средств, оснащенных ИБСЗ, на автомагистралях и в густонаселенных пунктах в период интенсивного движения значительно преобладает над естественным и над фоном помех других типов. Наиболее высокий уровень напряженности электромагнитного поля (ЭМП) наблюдается в городах и промышленных зонах. Во-вторых, анализ показывает, что электромагнитная обстановка будет ухудшаться, так как число автомобилей с ИБСЗ растет. Ситуация усугубляется тем, что в процессе эксплуатации уровень электромагнитного излучения от системы зажигания автомобиля возрастает вследствие процессов старения различных конструкций и элементов, влияющих на параметры ЭМП. По данным зарубежных исследователей R. A. Shepherd, J. C. Gaddie и отечественного ученого В. И. Кириченко, от 17 до 48% автомобилей имеют уровень электромагнитных помех выше установленных норм. В-третьих, согласно теории случайной апертурной фазированной антенной решетки О Н. Маслова, группа автотранспортных средств может создать совместный направленный излучатель, уровень ЭМП которого на порядок выше, чем от одного автомобиля. Вероятность возникновения такого излучателя повышается с ростом числа автомобилей.
Изменение уровня излучаемых разрядных помех от системы зажигания в процессе эксплуатации обусловлено процессами старения, а также износа конструкций и элементов, такими как электроэрозия электродов свечей зажигания; термические и детонационные разрушения; износ трущихся частей газораспределительного механизма и поршневой группы ДВС; окисление и механическое разрушение помехоподавляющих элементов, контактов и цепей заземления; выход из строя элементов системы зажигания; неоптимальное дозирование топливного заряда, приводящее к загрязнению свечей зажигания, и т. д. Одни из вышеперечисленных факторов уменьшают уровень помех, другие увеличивают. Экспериментальные данные показывают, что превалируют последние (рис. 1).
Современный подход обеспечения ЭМС автомобильных ИБСЗ базируется на пороговой концепции. Предельно допустимый уровень разрядных помех регламентирован внутригосударственными и международными стандартами. Однако единый порядок оценки соответствия автомобиля нормам пока не установлен. Контролирующий орган в зависимости от своих возможностей может самостоятельно определять расстояние и тип детектора для проведения измерений.
Уровень напряженности ЭМП на нормированных расстояниях 3 и 10 м от автомобиля, измеренный квазипиковым детектором, не должен превышать следующих значений:
(1)
(2)
Измеренный пиковым детектором предельный уровень не должен превышать следующих значений:
(3)
(4)
Разность предельных уровней для различных детекторов составляет 20 дБ.
Рис. 1. Амплитудно-частотная характеристика напряженности ЭМП
от системы зажигания автомобиля ВАЗ 21123: 1 – пробег автомобиля 10000 км;
2 – пробег автомобиля 70000 км; 3 – пробег автомобиля 120000 км;
4 – предельно допустимый уровень (расстояние до антенны 10 м, квазипиковый
детектор)
Несовершенными являются также методы испытаний. Так, при измерении широкополосных помех режим работы двигателя задается исходя из условия количества цилиндров в блоке. При одном цилиндре частота вращения коленчатого вала устанавливается n = 2500 ± 250 мин-1, а при большем числе цилиндров n = 1500 ± 150 мин-1. В этом случае двигатель не работает в режиме, при котором уровень излучаемых помех от системы зажигания максимален.
При измерении напряженности электромагнитного поля от автомобиля ось симметрии измерительной антенны ориентируется перпендикулярно плоскости симметрии транспортного средства. Ее фазовый центр находится на линии, проходящей через середину двигателя. Измеряется вертикальная и горизонтальная электрическая составляющая ЭМП с правого и левого бортов. За результат принимается наибольшее из четырех показаний измерений. Однако в зависимости от компоновки и конструкции автомобиля регламентированные требованиями направления измерений могут не обнаруживать максимумы излучений.
По результатам испытаний партии автомобилей с ИБСЗ на ЭМС выдается заключение на ее соответствие нормам. Существующие методы оценки основаны на биномиальном и t-распределениях. Они позволяют определить соответствие автомобилей с ИБСЗ при текущих условиях. В то же время эти методы не позволяют прогнозировать динамику изменения не соответствующих требованиям ЭМС по уровню ЭМП автомобилей с ИБСЗ, а следовательно, не могут оценить качество заложенных решений по подавлению излучаемых помех.
Из-за указанных недостатков методов испытаний невозможно в полной мере оценить параметры ЭМС по уровню ЭМП и дать соответствующую оценку партии автомобилей.
На этапе проектирования для обеспечения внутригосударственных и международных требований ЭМС под конкретную автомобильную ИБСЗ закладываются определенные решения, снижающие уровень разрядных помех. Выделяют два направления:
1) уменьшение величины разрядного тока за счет увеличения импеданса высоковольтной цепи, используется практически во всех конструкциях систем зажигания;
2) уменьшение создаваемого ЭМП посредством локализации источника в замкнутом пространстве. Конкретные решения основаны на экранировании ЭМП разрядных помех.
Данные методы достаточно успешно позволяют обеспечить соответствие нового автомобиля требованиям ЭМС, но не всегда могут полностью выполнить свою функцию в процессе длительной эксплуатации. Кроме того, после сертификации контроль за соблюдением норм уровня помех законодательно не регулируется и, соответственно, не осуществляется.
С развитием вычислительной техники на этапах проектирования автомобилей, в частности с ИБСЗ, начинают применяться прикладные программы САПР, например системы трехмерного электромагнитного моделирования Microwave Studio, ANSYS, EMC-Engineer, FLO/EMC, EMSight и др. Однако их применение ограничивается рядом факторов. Во-первых, сложно найти полное аналитическое решение для геометрии конкретного автомобиля, что, соответственно, определяет погрешность расчета. Во-вторых, отсутствует математическая модель, адекватно описывающая процессы разрядных помех в зависимости от режимов работы ДВС. В-третьих, необходимы мощные вычислительные ресурсы для увеличения скорости расчетов. Сейчас даже для расчета распределения ЭМП по упрощенной модели требуется больше времени, чем для проведения измерения.
Невозможность полностью решить проблему ЭМС в период всей эксплуатации автомобилей с ИБСЗ снижает техническую и экологическую безопасность. Это и определяет актуальность данной работы. Для большей эффективности решения проблемы следует подойти к ней комплексно.
Работа ведется в четырех направлениях (рис. 2). Первое касается стадии проектирования систем зажигания с учетом обеспечения требований ЭМС по уровню излучаемого ЭМП. Второе направление охватывает область испытаний на стадиях разработки и производства автомобилей. Третье нацелено на повышение качества выпускаемой продукции за счет комплексной оценки соответствия требованиям ЭМС модельных рядов автомобилей с ИБСЗ с учетом их эксплуатационной наработки. Четвертое направление является новым и охватывает проблемы ЭМС автомобилей, находящихся в эксплуатации. Его структура представлена на рис. 3. Суть сводится к тому, что в процессе эксплуатации в автомобиле с ИБСЗ происходит измерение уровня ЭМП. Если фиксируется превышение нормы, то осуществляется диагностирование работы системы и выявляется неисправный элемент. После этого система управления ДВС переходит в аварийный режим, в котором уровень ЭМП поддерживается в установленных пределах. В этом режиме продолжается эксплуатация автомобиля до устранения неисправности в сервисном центре.
Рис. 2. Структура комплексного обеспечения требований
ЭМС автомобильных ИБСЗ
Во второй главе проанализирована математическая модель разрядных процессов, протекающих в системах зажигания. На ее основе получено выражение амплитудно-частотной характеристики разрядного тока, куда входят параметры, характеризующие состояние топливовоздушной смеси в цилиндрах ДВС. Исследовано амплитудно-частотное распределение напряженности Е ЭМП от ИБСЗ в составе автомобиля. Определена его зависимость от электрических характеристик ИБСЗ, компоновки элементов автомобиля и их геометрии.
Первая часть разряда после пробоя искрового промежутка свечи носит емкостной характер, т. е. расходуется энергия, запасенная в полной емкости высоковольтного контура. Эта фаза характеризуется большими разрядными токами.
Следом за емкостной фазой следует индуктивная, в которой происходит процесс воспламенения топливовоздушной смеси. Ток непрерывно замыкается через ранее ионизированный искровой промежуток. Ее продолжительность может достигать нескольких миллисекунд. Искровой канал между электродами свечи зажигания существует до тех пор, пока почти полностью не израсходуется запасенная в катушке энергия. Процесс завершается затухающими колебаниями, при которых отсутствует искровой канал. Здесь запасенная в катушке зажигания энергия полностью расходуется.
Рис. 3. Структура обеспечения соответствия параметрам ЭМС по уровню ЭМП ИБСЗ в процессе эксплуатации
Рассмотренные разрядные процессы описываются математической моделью, базирующейся на следующих допущениях: разрядный процесс происходит при сильно ионизированном межэлектродном промежутке свечи, т. е. при полном пробое его сопротивление составляет доли Ома; индуктивность вторичной обмотки имеет значение порядка единиц Генри и представляет бесконечно большое сопротивление для тока волнового процесса, а значит, в разрядном процессе не участвует; емкость искрового промежутка, присоединяемая параллельно искровому промежутку свечи, вступает в разрядный процесс одновременно с линией и дает свою составляющую тока, однако практически не оказывает влияния на разрядный процесс, происходящий в линии.
Конечное аналитическое выражение имеет вид
, (5)
где LВВЦ – распределенная индуктивность высоковольтной цепи;
– коэффициент затухания; 
;
0 – основная частота высоковольтного контура; 
.
Здесь С2 – емкость высоковольтного контура;
RВВЦ – сумма сопротивления всех активных сопротивлений высоковольтной цепи.
В индуктивной фазе ток описывается выражением
, (6)
где Uи.р – напряжение на зазоре свечи;
w1 и w2 – количество витков в первичной и вторичной обмотках катушки зажигания;
Imax – значение силы тока, протекающего в первичной обмотке катушки зажигания на момент его прерывания;
L2 – индуктивность вторичной обмотки катушки;
2 – коэффициент затухания;
2 – высокая частота связанных контуров катушки зажигания.
Анализ выражений (5) и (6) показал, что спектр частот разрядного тока в емкостной фазе перекрывает область от 30 до 1000 МГц. Верхняя частота тока индуктивной фазы не превышает значения 30 МГц. Отсюда следует, что формирование электромагнитных помех происходит в емкостной фазе разряда.
В выражении (5) членом, зависящим от состояния топливовоздушной смеси, является напряжение пробоя. Значит, параметры среды в камере сгорания цилиндра однозначно определяют уровень электромагнитных помех, создаваемых ИБСЗ.
Аналитическая зависимость пробивного напряжения, учитывающая все случаи, является сложной, вследствие чего для описания математической модели разрядного процесса в зависимости от состояния топливовоздушной смеси введены следующие допущения:
– каждый из параметров смеси до начала искрообразования при поступательном движении поршня в фиксированный момент времени равномерен по всему объему цилиндра;
– изменение давления и температуры во время протекания емкостной фазы разряда пренебрежимо мало;
– искровой зазор свечи в течение цикла работы двигателя постоянен;
– влияние температуры электродов свечей на значение пробивного напряжения незначительно, так как она соизмерима с температурой топливовоздушной смеси;
– зависимость напряжения пробоя от термоэмиссии не учитывается, так как поток горючей смеси сдувает образующееся вокруг отрицательно заряженного электрода электронное облако.
С учетом допущений пробивное напряжение можно представить как сумму двух составляющих:
, (7)
где Uпр.твс – напряжение, при котором создаются условия пробоя топливовоздушной смеси в случае равномерного электрического поля между электродами свечи и медленного изменения потенциала на разрядниках; Uз – составляющая напряжения, зависящая от времени запаздывания пробоя.
Показано, что Uз функционально зависит от Uпр.твс. На основании закона Пашена каждый член (7) можно выразить через состояние топливовоздушной смеси. С учетом этого из (5) выводится амплитудно-частотная характеристика разрядного тока, протекающего в высоковольтной цепи системы зажигания, которая в функциональном виде записывается как
, (8)
где Рпр.твс и Тпр.твс – соответственно давление и абсолютная температура в момент пробоя топливовоздушной смеси.
Из (8) видно, что на уровень разрядных помех от ИБСЗ влияет состояние топливовоздушной смеси, которое однозначно связано с режимами работы ДВС. Это подтверждается данными численных расчетов, для которых значения давления и температуры получены из результатов математического моделирования процессов в камере сгорания для двигателя с объемом 1,5
10-3 м3 при его работе по внешней скоростной характеристике (рис. 4). Отсюда следует вывод о возможности обеспечения соответствия автомобиля с ИБСЗ посредством изменения параметров режимов работы ДВС.
Экспериментально исследовано распределение напряженности ЭМП от отечественных и зарубежных автомобилей с ИБСЗ. Анализ измерений показал взаимосвязь амплитудно-частотной характеристики разрядных помех с током, протекающим в цепях системы зажигания, конструктивными особенностями системы зажигания, внутренней геометрией и общей компоновкой подкапотного пространства, геометрическими размерами щелей, а также с количеством и размерами отверстий на кузове автомобиля и т. п. Набранная статистика позволила выделить диапазон частот f
[30; 400] МГц, в котором сосредоточено свыше 90% мощности электромагнитных помех (рис. 5). Сделанные выводы позволяют предъявить требования к рабочему диапазону частот измерительных устройств канала управления ДВС по разрядным помехам
Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики разрядного тока:
1 – Pпр.твс / Tпр.твс = 2163 Па / К (n = 1000 мин-1); 2 – Pпр.твс / Tпр.твс = 1385 Па / К (n = 2000 мин-1); 3 – Pпр.твс / Tпр.твс = 1219 Па / К (n = 3000 мин-1);
4 – Pпр.твс / Tпр.твс = 1387 Па / К (n = 4000 мин-1);
5 – Pпр.твс / Tпр.твс = 1329 Па / К (n = 5000 мин-1).
Рис. 5. Распределение мощности ЭМП от автомобильной ИБСЗ
В третьей главе получены математические модели разрядного процесса в автомобильных ИБСЗ, учитывающие параметры, влияющие на уровень ЭМП для всех режимов работы ДВС. На основании их анализа определены условия, при которых амплитуда и мощность помех максимальны. Показана возможность реализации принципа управления ДВС по уровням излучаемых электромагнитных помех при неисправностях ИБСЗ в процессе эксплуатации автомобиля. Определен вероятностный закон изменения амплитуды и мощности разрядных помех, созданных от каждой высоковольтной цепи. Показано, что разрядные помехи от ИБСЗ ДВС, адаптированных под газовоздушную смесь, больше, чем от ИБСЗ бензиновых ДВС.
Параметрами, однозначно определяющими режимы, являются давление и температура топливовоздушной смеси. Можно показать, что
, (9)
где Pнтс, Tнтс – давление и абсолютная температура топливовоздушной смеси в начале такта сжатия;
мз – степень сжатия в момент зажигания.
Выразив мз через угол опережения зажигания (УОЗ)
(10)
где – угол опережения зажигания;
– степень сжатия,
получим выражение амплитудно-частотной характеристики разрядного тока в высоковольтной цепи системы зажигания, учитывающей УОЗ, которое примет следующий вид:
, (11)
где Uпр.н – напряжение пробоя искрового зазора при нормальных условиях;
, – коэффициенты;
G(j) – функция преобразования.
Диапазон оптимальных углов опережения зажигания
(12)
где сг.твс – время сгорания топливовоздушной смеси;
n – обороты ДВС;
– углы после верхней мертвой точки (ВМТ), в которых необходимо формирование максимума давления продуктов сгорания на поршень.
Удобно оперировать оптимальным, подразумевая, что он принадлежит множеству [min; max].
Несложно выразить степень сжатия топливовоздушной смеси в цилиндрах в момент зажигания через режимы работы ДВС:
(13)
Отсюда выражение амплитудно-частотной характеристики разрядного тока в высоковольтной цепи системы зажигания, учитывающее обороты ДВС, имеет вид
. (14)
Выражения (11) и (14) раскрывают взаимосвязь разрядных помех, созданных от автомобильной ИБСЗ, и параметров, влияющих на уровень ЭМП для всех режимов работы ДВС. Их анализ показывает, что можно реализовать принцип управления ДВС по уровню излучаемых электромагнитных помех при неисправностях ИБСЗ в процессе эксплуатации автомобиля.
Кроме того, (11) и (14) можно применять в качестве математического обеспечения прикладных программ САПР для моделирования распределения ЭМП от автомобиля с ИБСЗ и последующего анализа принятия решений по обеспечению соответствия параметрам ЭМС. Также из этих выражений видно, что амплитуда и мощность разрядных помех максимальны на тех режимах, на которых происходит наибольшее наполнение цилиндров воздухом и угол опережения зажигания находится в окрестности ВМТ. Под эти условия подходят динамические режимы быстрого ускорения и пуска ДВС. Однако они являются кратковременными, поэтому их учет для рассматриваемых практических задач обеспечения соответствия параметрам ЭМС автомобилей не является значимым.
Если не принимать во внимание резонансные свойства впускной системы ДВС, то для установившихся режимов можно показать справедливость неравенства
(15)
где РВВЦ – мощность импульса, протекающего в емкостной фазе разряда.
Это значит, что уровень разрядных помех максимален на малых оборотах. Данные режимы подпадают под общий вывод, так как для них характерны малые УОЗ и инерционность наполнения цилиндров воздухом.
Для решаемых практических задач обеспечения соответствия параметрам ЭМС автомобилей с ИБСЗ установившиеся режимы подходят наиболее полным образом, так как на них наблюдается повторяемость реализаций серий разрядных помех.
Достоверность теоретических исследований, для которых исходные численные данные взяты из результатов математического моделирования газодинамических процессов в камере сгорания ДВС ВАЗ 2112, подтверждается экспериментальными измерениями (рис. 6), проводимыми в безэховой камере аттестованной лаборатории ЭМС ОАО «АВТОВАЗ» с помощью разработанного датчика (Свидетельство на ПМ № 42898).
Рис. 6. Мощность разрядного сигнала в высоковольтной
цепи ИБСЗ ДВС ВАЗ 2112 автомобиля ВАЗ 21103
Помехи, создаваемые ИБСЗ, при циклической работе ДВС представляют собой чередующуюся последовательность импульсных сигналов. В любой реализации серии разрядных помех их амплитуда не стабильна. Она зависит от двух факторов: различающихся параметрами высоковольтных контуров и нестабильности параметров двигателя, характеризующих работу конкретного установившегося режима. Если первый фактор является детерминированным, то второй – случайным.
Нестабильность параметров разрядных помех на установившихся оборотах ДВС характеризуется разбросом оборотов, наполняемости цилиндров, дозирования топлива и угла опережения зажигания.
Статистическая обработка экспериментальных данных показывает, что функция плотности распределения амплитуды, а также мощности разрядного сигнала, протекающего в любой отдельно взятой i-й высоковольтной цепи, соответствует Гауссову закону для уровня значимости з = 0,05:
, (16)
где YВВЦ.i – амплитуда или мощность разрядных помех от i-й высоковольтной цепи;
mi – центральный момент, равный среднему значению амплитуды или мощности разрядных помех от i-й высоковольтной цепи, при работе ДВС на заданном установившемся режиме с нулевыми отклонениями;
i – среднеквадратическое отклонение амплитуды или мощности разрядных помех от i-й высоковольтной цепи.
Если ДВС имеет N высоковольтных цепей, то функция плотности распределения случайной величины в общем случае является смешанной. При большом количестве цилиндров согласно центральной предельной теореме плотность распределения амплитуды и мощности помех стремится к Гауссову закону. Такое же распределение будет и в случае, если все соответствующие электрические параметры высоковольтных цепей системы зажигания равны.
С учетом корректирующих коэффициентов по пробивному напряжению, степени сжатия и скорости сгорания топливовоздушной смеси полученную математическую модель можно применить для оценки уровня разрядных помех и к автомобилям с ИБСЗ, работающим на газовом топливе. Основные выводы при этом остаются неизменными.
Сравнительный анализ разрядных помех, создаваемых системами зажигания топливного заряда в ДВС, адаптированных конкретно под бензовоздушную или газовоздушную смеси, показывает, что в последнем случае их уровень выше (рис. 7). Отсюда следует, что для обеспечения параметров ЭМС по уровню излучаемых помех к ДВС, работающим только на газообразном топливе, необходимо применять более эффективные меры помехоподавления.
Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика напряженности ЭМП
от системы зажигания автомобиля: 1 – природный газ; 2 – бензин;
3 – предельно допустимый уровень (расстояние до антенны
3 м, квазипиковый детектор)
Четвертая глава посвящена вопросам обеспечения ЭМС в процессе разработки автомобилей с ИБСЗ. Даны рекомендации по учету параметров ЭМС на этапе проектирования автомобильных ИБСЗ и по проведению измерений уровня излучаемых разрядных помех. Разработаны новые конструкции, обеспечивающие эффективное подавление разрядных помех и не влияющие на энергетические параметры автомобильных ИБСЗ.
В процессе исследований показано, что уровень ЭМП, создаваемого ИБСЗ, зависит от скорости нарастания вторичного напряжения u2(t). Из рассматриваемого условия
, (17)
где du2(t)/dt – скорость нарастания напряжения в высоковольтном контуре каждой из систем зажигания,
следует неравенство
, (18)
которое означает, что при прочих равных условиях уровень разрядных помех будет выше от той системы зажигания, у которой скорость нарастания сигнала du2(t) больше (рис. 8).
С учетом условия обеспечения ЭМС произведена коррекция общей методологии расчета систем зажигания. Максимальное развиваемое напряжение функции u2(t), учитывающее требуемый запас по пробою, определяется как
, (19)
где Uпр.ст.max – максимальное стабилизированное напряжение пробоя искрового зазора свечи зажигания;
. (20)
Выбор электрических параметров системы зажигания осуществляется с учетом
. (21)
Предложенный подход по выбору и расчету систем зажигания позволяет произвести минимизацию уровня разрядных помех.
В настоящее время в ИБСЗ применяются два типа катушек. Первый тип – двухвыводные. Во вторичной цепи формируются две искры в цилиндрах ДВС, работающих в противоположных фазах сжатия и выпуска. Второй тип – индивидуальные катушки. Они устанавливаются каждая на свою свечу.
Основное отличие по электрическим параметрам между этими типами катушек состоит в том, что если сделать расчет системы зажигания для конкретного ДВС, то двухвыводная катушка формирует большее напряжение пробоя. Оно состоит из двух членов:
, (22)
где Uпр.тс – напряжение пробоя топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС, где в данный момент происходит такт сжатия;
Uпр.тв – напряжение пробоя сгоревшей топливовоздушной смеси, где в данный момент происходит такт выпуска.
В системах зажигания с индивидуальными катушками отсутствует член Uпр.тв.
Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика напряженности
ЭМП от ИБСЗ автомобиля: 1 – du2(t)/dt =1350 В/мкс;
2 – du2(t)/dt =1110 В/мкс
На основании полученной математической модели разрядных процессов, протекающих в ИБСЗ, для установившихся режимов работы ДВС теоретически показано и экспериментально подтверждено, что при прочих равных условиях справедливо неравенство
, (23)
где Рсз.ик и Рсз.дв – соответственно мощности разрядных помех, созданных системами зажигания с индивидуальными и двухвыводными катушками.
Отсюда вытекает вывод о том, что разрядные помехи, генерируемые системой зажигания с двухвыводными катушками, при прочих равных условиях по уровню больше, чем создает система зажигания с индивидуальными катушками. Поэтому с позиции ЭМС практическое применение индивидуальных катушек зажигания, при условии возможности компоновки на ДВС, более целесообразно.
Очень важно, чтобы решения, обеспечивающие соответствие автомобиля ЭМС, не должны оказывать существенного влияния на энергетические характеристики ИБСЗ.
Согласно теории электромагнитных волн наилучшие условия для излучения ЭМП создаются в линиях с наименьшим сопротивлением. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что элементом, создающим наиболее мощное ЭМП, является контактный стержень свечи зажигания (рис. 9). Для уменьшения излучаемых разрядных помех от него возможны два пути: ухудшение его характеристик как антенны и локализация излучения.
Рис. 9. Затухание ЭМП при укорочении длины контактного стержня
с 75 до 35 мм: 1 – расчет; 2 – эксперимент
Предложено решение (Пат. № 2322743), ухудшающее характеристики контактного стержня как антенны, основанное на введении поверхностного слоя с высоким омическим сопротивлением. Суть его заключается в том, что за счет поверхностного эффекта высокочастотные составляющие разрядного тока протекают в проводящем слое с высоким сопротивлением. Испытания опытных образцов показали, что энергетические характеристики ИБСЗ с предложенным решением уменьшаются не более чем на 0,4%, тогда как уменьшение уровня ЭМП достигает 6 дБ.
Для локализации излучения от контактного стержня свечи зажигания также предложен ряд решений. Одно основано на поглощении (Пат. № 2321932), другое – на экранировании с уменьшением вносимой емкости (Пат. № 2295185), а третьи – на волноводной фильтрации ЭМП (Пат. № 2243622, ПМ № 40767 и 44208).
Решение (ПМ № 44208) внедрено на автомобилях производства ОАО «АВТОВАЗ» с ДВС, на которые устанавливаются индивидуальные катушки зажигания, устройство подавления разрядных помех. Схематично данное решение показано на рис. 10, где в колодцы головки блока цилиндров (1) на свечи (7) устанавливаются катушки зажигания (2). Каналом распространения ЭМП (6) является пространство, образованное внутренними стенками колодца (4) и магнитным экраном катушки (3). В плоскости внешней поверхности головки блока цилиндров между катушкой зажигания, а именно магнитным экраном и стенками колодца, осуществляется по меньшей мере одно электрическое соединение при помощи проводящей перемычки (5), образующее в этом сечении запредельный волновод. Предложенное решение позволяет уменьшить уровень разрядных помех до 20 дБ (рис. 11).
Рис. 10. Катушка зажигания с волноводным фильтром
Рис. 11. Амплитудно-частотная характеристика напряженности ЭМП
от автомобиля ВАЗ 21104 с индивидуальными катушками зажигания:
1 – без волноводного фильтра; 2 – с волноводным фильтром;
3 – предельно допустимый уровень (расстояние до антенны 3 м,
квазипиковый детектор)
Обобщение результатов измерений электрических параметров ИБСЗ показало, что применение волноводной фильтрации не приводит к существенному их уменьшению (табл. 1).
Таблица 1
Изменение электрических параметров систем зажигания
| Вторичное напряжение, кВ | Скорость нарастания сигнала, В/мкс | Энергия разряда, мДж | |
| Катушка без волноводного фильтра | 26,2 | 938 | 46,1 |
| Катушка с волноводным фильтром | 26,1 | 932 | 45,9 |
| Ухудшение параметра, % | 0,38 | 0,64 | 0,43 |
Контрольным этапом, определяющим правильность выбранных подходов обеспечения ЭМС автомобилей с ИБСЗ, являются их испытания на уровень излучаемых помех.
Результаты диссертационного исследования позволяют внести коррективы в действующие нормы и методы испытаний.
- Уточнение режима работы ДВС.
Для адекватной оценки соответствия требованиям автомобилей с ИБСЗ необходимо проведение измерений уровня ЭМП на таком установившемся режиме работы ДВС, который соответствует максимуму электромагнитного излучения
. (24)
Установившиеся режимные области работы ДВС ограничиваются кривыми холостого хода и внешней скоростной характеристикой. Между ними существует поле, которое имеет линии равных мощностей. Нахождение требуемого режима определяется из градиента этого поля
. (25)
Решение (25) показывает, что
, (26)
т.е. мощность разрядных помех от системы зажигания максимальна при работе ДВС при минимальных оборотах холостого хода. Это является решающим условием выбора режима испытаний систем зажигания на ЭМС.
2. Уточнение условий измерения электромагнитных помех.
Решение электродинамической задачи для испытательной площадки показало, чтобы наиболее адекватно оценить параметры излучаемых помех и выдать заключение о соответствии автотранспортного средства с искровой батарейной системой зажигания, необходимо применение пикового детектора и расположение измерительной антенны на расстоянии 10 м от автомобиля, так как данные условия являются наиболее жесткими.
3. Уточнение условий позиционирования автомобиля по отношению к измерительной антенне.
Регламентированные расположения измерительных антенн по отношению к автомобилю во время испытаний на ЭМС являются частными условиями. При этом не учитываются специфические особенности конструкции автомобиля, который является сложным излучателем. Его характеристика направленности зависит от внутренней компоновки подкапотного пространства; геометрических размеров щелей и отверстий на кузове и их совокупной ориентации; общей конфигурации поверхности автомобиля; высоты дорожного просвета; параметров подстилающей поверхности.
Наиболее целесообразным с точки зрения контроля уровня разрядных помех от автомобиля является проведение измерений в направлениях, при которых напряженность ЭМП максимальна. Определение координат, отвечающих указанному условию, является сложной задачей, так как характеристика направленности – многопараметрическая функция:
. (27)
где хн и хн – соответственно азимутальный и зенитный углы характеристики направленности.
Эта характеристика для каждой модели автомобиля имеет свои особенности. Расчеты по (27) дают погрешности до 50%. Поэтому задача полной оценки соответствия автомобиля с ИБСЗ по уровню ЭМП решается только экспериментально.
Изначально автомобиль не проектируется как антенная система, поэтому его характеристика направленности в азимутальной плоскости на любой фиксированной частоте и зенитном угле имеет сложную многолучевую конфигурацию. Исходя из теории антенн азимутальный шаг позиционирования автомобиля по отношению к приемной антенне А выбирается из выражения
(град), (28)
где minхн – ширина самого узкого лепестка характеристики направленности.
С этим шагом проводятся измерения помех во всей азимутальной плоскости.
На основании экспериментальных исследований показано, что наибольшая мощность ЭМП наблюдается при зенитном угле хн=70 – 900 (рис. 12). С целью сокращения количества измерений исследования необходимо проводить в указанном диапазоне зенитных углов.
Рис. 12. Распределение мощности ЭМП от ИБСЗ в зенитном угле
Расчеты амплитудно-частотного распределения напряженности Е ЭМП при различных углах позиционирования п автомобиля по отношению к измерительной антенне при ХН=750, а также экспериментальные исследования (рис. 13) показали, что азимутальный шаг А = 150.
а) б)
Рис. 13. Амплитудно-частотное распределение напряженности ЭМП
от автомобиля с ИБСЗ при различных азимутальных углах:
а) расчет (ВАЗ 11183); б) эксперимент (ВАЗ 21214)
В пятой главе рассмотрены вопросы комплексной оценки соответствия требованиям ЭМС эксплуатируемых автомобилей с ИБСЗ.
В рамках предложенного нового научно-технического направления обеспечения соответствия параметрам ЭМС по уровню ЭМП при неисправностях ИБСЗ в процессе эксплуатации автомобиля предложен алгоритм проведения контроля уровня разрядных помех и определения неисправности. Разработаны методы уменьшения уровня ЭПМ при неисправных ИБСЗ.
Получена математическая модель, позволяющая дать комплексную оценку соответствия требованиям ЭМС по уровню ЭМП модельных рядов автомобилей, оснащенных ИБСЗ. Она базируется на статистическом анализе результатов экспериментальных исследований амплитудно-частотных характеристик напряженности ЭМП. В основу модели положено разбиение исследуемого диапазона частот fmin – fmax на D областей fi. Выбор диапазона F производится по результатам экспериментальных исследований выборки автомобилей, где уровень ЭМП имеет наибольшие значения.
Статистический анализ результатов экспериментальных исследований амплитудно-частотных характеристик напряженности ЭМП проведен по четырем модельным рядам, в каждом из которых количество автомобилей не превышало 50. Поэтому для нахождения числовых характеристик применен критерий Колмогорова – Смирнова для уровня значимости з = 0,05.
Показано, что для автомобилей с одинаковым ресурсом разброс амплитуд напряженности ЭМП в каждой области fi соответствует Гауссову распределению. Для каждой области fi выдвигается гипотеза превышения в ней предельно допустимого уровня излучаемых помех. Вероятность несоответствия отдельно взятого автомобиля по уровню излучаемых электромагнитных помех
, (29)
где S – пробег автомобиля.
По результатам ресурсных испытаний ограниченной выборки автомобилей набирается статистика при различных фиксированных значениях пробега Si. При каждом Si вычисляется P(EпрЕ) = P(Si). Затем определяется аналитическая функция P(S), которая дает возможность прогнозировать динамику изменения количества Х автомобилей с ИБСЗ, не соответствующих по уровню напряженности ЭМП. Регрессионный анализ экспериментальных данных показывает, что функция Р(S) имеет следующий вид:
, (30)
где а, b и c – коэффициенты.
Из Р(S) находится пробег Sj, при котором
Р(Sj)=max. (31)
Так как (30) является возрастающей функцией, а значит, Sj, то для практических целей можно допустить
Sj = Sп.пр, (32)
где Sп.пр – предельное значение пробега, которое больше, чем гарантированный ресурс автомобиля.
Для всех Si, а также Sj вычисляется максимальное количество не соответствующих нормам автомобилей Х в партии Н, которое отбирается по определенному критерию, например выпуск одной модели за год:
. (33)
Соответствие требованиям ЭМС по уровню ЭМП описывается неравенством
, (34)
где (S) – критерий приемлемого риска, определяемый заводом-изготовителем.
Его максимальное значение max(S) = 0,143.
Математическая модель соответствия автомобилей предельно допустимым нормам позволяет оценить по ограниченной выборке правильность выбранных применительно к подавлению разрядных помех от ИБСЗ решений, а также соблюдения заложенных в производство технологий. Данный подход есть оценка качества выпускаемой продукции, на основании которого принимаются решения в условиях действующего производства.
В рамках предложенного направления предлагается алгоритм проведения контроля уровня разрядных помех и диагностики неисправности в течение всего периода эксплуатации автомобиля. Он сводится к обработке статистических данных, измеренных на установившемся режиме работы ДВС. Его исходной основополагающей базой являются следующие положения, вытекающие из проведенных ранее исследований:
- установившийся режим холостого хода при n = nmin.хх соответствует максимальному уровню разрядных помех от ИБСЗ;
- вероятностный закон плотности распределения разрядных помех от каждой высоковольтной цепи на установившихся оборотах подчиняется Гауссову закону;
- разрядные помехи не перекрываются во временной области.
После запуска и прогрева автомобиля запускается процесс накопления данных. При выходе на режим холостого хода с n = nmin.хх в период времени Т формируется матрица измеренных значений
, (35)
где К – количество измерений по каждой высоковольтной цепи;
N – количество высоковольтных цепей;
Y – измеряемая величина (разрядный ток или напряженность ЭМП).
По каждому столбцу вычисляется внутрисерийное среднее значение МnВС[Y]. Полученная матрица-строка отображает внутрисерийную обработку данных по каждой высоковольтной цепи
. (36)
При следующем выходе ДВС на режим холостого хода с n = nmin.хх в период времени Т формируется следующая строка матрицы (36). Ее наполнение производится до получения L строк:
. (37)
По каждому столбцу вычисляется межсерийное среднее значение:
. (38)
Этим повышается точность за счет уменьшения неисключенной случайной погрешности, которая присутствует в каждом внутрисерийном результате измерений из-за влияния сторонних факторов.
Контроль соответствия предельно допустимому уровню осуществляется сравнением каждого элемента матрицы (40) с Yпр. Критерием является неравенство:
. (39)
При его выполнении строка 
исключается. Последующим матрицам присваивается индекс l-1, и производится измерение с вычислением матрицы c индексом L. Процесс повторяется циклически до окончания работы автомобиля или до момента принятия решения о несоответствии автомобиля с ИБСЗ требованиям ЭМС по уровню ЭМП. В последнем случае микропроцессорная система управления переводит ДВС в такую режимную область, где уровень разрядных помех от ИБСЗ соответствует предельно допустимому. Дополнительно в автомобиле данная неисправность отображается на сигнальной лампе, информирующей водителя о текущем состоянии. Рассмотренный алгоритм представлен на рис. 14.
Техническая реализация предложенного подхода осуществляется на базе современной специализированной автомобильной микропроцессорной техники, позволяющей обрабатывать большие массивы данных. Практическая реализация результатов работы может быть представлена в виде системы с обратной связью по уровню разрядных помех (рис. 15).
На основе полученной математической модели процесса разрядных помех, создаваемых автомобильными искровыми батарейными системами зажигания, учитывающей режимы работы ДВС с микропроцессорным управлением, разработано два метода уменьшения помех, которые принципиально можно реализовать в микропроцессорных системах управления.
В основе первого метода лежит принцип изменения угла опережения зажигания. Решение в обобщенном виде показывает, что для уменьшения уровня напряженности ЭМП на величину Е нужно увеличить УОЗ на
, (40)
где 
– функция, связывающая разрядный ток и напряженность ЭМП помех;
– функция преобразования, связывающая разрядный ток с параметрами системы зажигания.
Предложенный метод применим при малых превышениях помех предельно допустимого уровня, так как величина / ограничивается условием обязательного попадания в диапазон углов, в которых необходимо формирование максимума давления газов на поршень. Нарушение указанного условия приводит к ухудшению показателей рабочего процесса.
На основании результатов диагностики уменьшение уровня помех от системы зажигания можно осуществлять по отдельным высоковольтным цепям.
Экспериментально подтверждена возможность реализации предлагаемого метода. При его реализации удалось снизить уровень помех на 5 дБ (рис. 16). С позиции практической применимости / целесообразно увеличивать:
/ /2. (41)
Рис. 14. Алгоритм бортового контроля предельно допустимого уровня
разрядных помех и диагностики
Рис. 15. Схема управления ДВС с новым дополнительным каналом местной
обратной связи по разрядным помехам:
МПСУД – микропроцессорная система управления двигателем;
ИБСЗ – искровая батарейная система зажигания;
ИС – измерительная система уровня разрядных помех;
ИУ – исполнительное устройство;
ДВС – двигатель внутреннего сгорания;
Т – трансмиссия;
А – автомобиль
Рис. 16. Амплитудно-частотная характеристика напряженности ЭМП
от автомобиля ВАЗ 21128:
1 – при базовом УОЗ;
2 – при увеличенном УОЗ
В основе второго метода лежит принцип увеличения оборотов ДВС (Пат. № 2331780). Для уменьшения напряженности ЭМП на величину Е следует увеличить обороты на 
:
, (42)
где 
– функция преобразования, связывающая разрядный ток с параметрами системы зажигания.
Выбор диапазона оборотов, в котором используется обратная связь по разрядным помехам, производится с учетом того, что наибольшая мощность ЭМП приходится на область минимальных оборотов холостого хода ДВС. На основании проведенных экспериментов предложено установить данный диапазон от nmin.хх до n = 1500 мин-1.
Предложенный метод не может применяться на установившихся режимах работы ДВС при включенной передаче ввиду вероятного неконтролируемого изменения скорости движения автомобиля. Экспериментальные исследования подтверждают теоретическое обоснование предложенного метода (рис. 17).
Рис. 17. Амплитудно-частотная характеристика напряженности ЭМП
от автомобиля ВАЗ 11193 с ИБСЗ: 1 – n = 850 мин-1; 2 – n = 1500 мин-1
Превышение предельно допустимых норм электромагнитных помех от автомобильных ИБСЗ интерпретируется как неисправность системы, требующая устранения. Поэтому микропроцессорная система управления ДВС индицирует неисправное состояние на контрольной лампе и обеспечивает аварийное уменьшение уровня разрядных помех.
В приложениях приведены акты внедрения результатов диссертационной работы и документы поверки испытательного оборудования лаборатории ЭМС ОАО «АВТОВАЗ».
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Разработаны научные основы создания, исследования и эксплуатации систем ЭМС ИБСЗ в процессе всего периода эксплуатации автомобиля.
2. По результатам исследований определено, что у автомобилей с ИБСЗ в диапазоне частот f
[30; 400] МГц сосредоточено свыше 90% мощности электромагнитных помех. Обосновано, что в данном диапазоне наиболее целесообразно проводить измерения уровня разрядных помех при обеспечении соответствия требованиям ЭМС автомобиля в процессе эксплуатации.
3. Получен комплекс обобщенных математических моделей процесса разрядных помех, создаваемых автомобильными ИБСЗ, учитывающий параметры, влияющие на уровень ЭМП для всех режимов работы ДВС. В качестве параметров рассмотрены УОЗ и обороты коленчатого вала. Из математической модели следует возможность реализации принципа управления ДВС с допустимыми уровнями излучаемых электромагнитных помех при неисправностях ИБСЗ в процессе всего периода эксплуатации автомобиля.
4. Разработано математическое обеспечение прикладных программ САПР для моделирования распределения ЭМП от автомобиля с ИБСЗ и последующего анализа принятия решений по обеспечению соответствия параметрам ЭМС.
5. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что разрядные помехи от ИБСЗ ДВС, адаптированных под газовоздушную смесь, больше, чем от ИБСЗ бензиновых ДВС. Поэтому при проектировании ИБСЗ ДВС, работающих на газообразном топливе, необходимо применять более эффективные меры помехоподавления.
6. Уточнены методики расчета и проектирования автомобильных ИБСЗ для более полного обеспечения требований ЭМС по уровню излучаемого ЭМП.
7. Предложены новые технические решения подавления разрядных помех от ИБСЗ автомобиля, удовлетворяющие требованию эффективности подавления в широком диапазоне частот, при минимальном влиянии элементов подавления ЭМП на энергетические характеристики ИБСЗ. Предложенные решения позволяют уменьшить уровень помех до 20 дБ.
8. Предложены корректировки к действующим нормативным документам, регламентирующим порядок измерения уровня ЭМП, позволяющие более расширенно проводить испытания автомобиля с ИБСЗ на ЭМС.
9. Получена математическая модель, на базе которой предложен алгоритм комплексной оценки соответствия модельных рядов автомобилей с ИБСЗ требованиям ЭМС по уровню ЭМП с учетом их эксплуатационной наработки. Алгоритм позволяет по результатам ресурсных испытаний ограниченной выборки автомобилей принимать решения в условиях действующего производства.
10. В рамках предложенного научно-технического направления разработан алгоритм проведения контроля уровня ЭМП и диагностики неисправности, а также предложены новые методы обеспечения соответствия предельно допустимым нормам разрядных помех, созданных ИБСЗ при эксплуатации автомобиля в аварийных режимах. Экспериментально показано, что предложенные методы позволяют уменьшить уровень разрядных помех в пределах 5–12 дБ.
Основные научные результаты изложены в следующих публикациях
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Николаев П. А. Измерение мощности радиопомех от системы зажигания автомобилей при работе двигателя на холостом ходу [Текст] / П. А. Николаев, Н. Е. Конюхов // Измерительная техника. Приложение «Метрология». – 2004. – № 8. – С. 20–24.
2. Николаев П. А. Подавление радиопомех, излучаемых системой зажигания [Текст] / П. А. Николаев // Автомобильная промышленность. – 2006. – № 4. – С. 11–12.
3. Николаев П. А. Исследование динамики разрядных процессов в системе зажигания ДВС и излучаемых радиопомех [Текст] / П. А. Николаев // Автомобильная промышленность. – 2006. – № 8. – С. 19–21.
4. Николаев П. А. Обзор методов подавления помех от системы зажигания [Текст] / П. А. Николаев, С. А. Червяков // Технологии ЭМС. – 2006. – № 3. – С. 46–54.
5. Николаев П. А. Исследование явления многоискрового разряда, протекающего в высоковольтной цепи системы зажигания поршневого двигателя [Текст] / П. А. Николаев, С. А. Червяков, Д. А. Кузнецов // Технологии ЭМС. – 2006. – № 3. – С. 55–64.
6. Николаев П. А. Исследование разрядных процессов, протекающих в высоковольтной цепи системы зажигания двигателя при повторном искрообразовании [Текст] / П. А. Николаев // Вестник СГАУ. – 2006. – № 2. – С. 387–391.
7. Николаев П. А. Автомобиль – источник электромагнитной опасности [Текст] / П. А. Николаев, Р. Р. Соешев // Экология и жизнь. – 2007. – № 2. – С. 54–57.
8. Николаев П. А. Исследование распределения электромагнитного поля от транспортных средств [Текст] / П. А. Николаев, А. Д. Николаев // Технологии ЭМС. – 2007. – № 4. – С. 46–52.
9. Конюхов Н. Е. Исследование помех, создаваемых двухискровой системой зажигания транспортного средства [Текст] / Н. Е. Конюхов, А. Д. Николаев, П. А. Николаев, С. А. Червяков // Инфокоммуникационные технологии. – 2007. – № 4. – С. 85–90.
10. Николаев П. А. Применение запредельных волноводов для решения задач электромагнитной совместимости транспортных средств [Текст] / П. А. Николаев, А. В. Митрофанов // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2008. – № 1. – С. 23–26.
11. Николаев П. А. Зависимость разрядных помех от времени задержки пробоя искрового зазора свечи и электрических параметров системы зажигания [Текст] / П. А. Николаев, Н. А. Суханов // Технологии ЭМС. – 2008. – № 2. – С. 54–62.
12. Николаев П. А. Влияние газодинамических параметров горючей среды и динамики изменения напряжения в высоковольтной цепи системы зажигания автомобиля на характер разрядных помех [Текст] / П. А. Николаев, Н. А. Суханов, В. В. Литвинов // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2008. – № 4. – С. 29–35.
13. Николаев П. А. Зависимость амплитудно-частотного распределения электромагнитного поля от длины проводящего основания свечи зажигания [Текст] / П. А. Николаев // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2008. – № 5. – С. 42–45.
14. Марсов В. И. Математическая модель разрядных помех при работе двигателя внутреннего сгорания на различных режимах [Текст] / В. И. Марсов, В. Е. Ютт, П. А. Николаев // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2009. – № 2–3. – С. 52–54.
15. Конюхов Н. Е. Качественные показатели ДВС при управлении по каналу разрядного тока [Текст] / Н. Е. Конюхов, П. А. Николаев, Р. Р. Соешев // Вестник СГАУ. – 2010. – № 1. – С. 216–220.
16. Николаев П. А. Анализ применения газообразных топлив в автомобильных двигателях внутреннего сгорания с позиции электромагнитной совместимости [Текст] / П. А. Николаев, А. Д. Николаев // Технологии ЭМС. – 2011. – № 1. – С. 30–33.
Монография
17. Николаев П. А. Электромагнитная совместимость современных автомобильных систем зажигания : монография [Текст] / П. А. Николаев. – Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2011. – 224 с.
Статьи и материалы конференций
18. Николаев П. А. Исследование параметров излучаемой помехи от режимов работы двигателя [Текст] / П. А. Николаев, А. С. Фокин // V международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии : сб. науч. докладов. – СПб. : ЛЭТИ, 2003. – С. 61.
19. Николаев П. А. Устройство подавления излучаемых радиопомех от системы зажигания автомобилей ВАЗ новых модификаций [Текст] / П. А. Николаев, А. Д. Николаев // Современные тенденции развития автомобилестроения в России : сб. тр. всероссийской научно-технической конференции с международным участием. – Тольятти : ТГУ, 2004. – Т. 1. – С. 296.
20. Николаев П. А. Датчик тока для измерения высокочастотных составляющих тока в высоковольтной цепи системы зажигания [Текст] / П. А. Николаев, А. Д. Николаев // Современные тенденции развития автомобилестроения в России : сб. тр. всероссийской научно-технической конференции с международным участием. – Тольятти : ТГУ, 2004. – Т. 1. – С. 307.
21. Николаев П. А. Исследование разрядных процессов в высоковольтной цепи системы зажигания в зависимости от параметров и состояния газа в цилиндрах ДВС [Текст] / П. А. Николаев, Н. Е. Конюхов // Материалы XIII юбилейной российской конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. – Самара : ПГАТИ, 2006. – С. 157.
22. Николаев П. А. Анализ разрядных помех от системы зажигания ДВС [Текст] / П. А. Николаев, Н. Е. Конюхов // Материалы XIII юбилейной российской конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. – Самара : ПГАТИ, 2006. – С. 157–158.
23. Николаев П. А. Система управления двигателем внутреннего сгорания [Текст] / П. А. Николаев, Н. Е. Конюхов // Материалы XIII юбилейной российской конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. – Самара : ПГАТИ, 2006. – С. 158–159.
24. Николаев П. А. Исследование разрядных процессов, протекающих в высоковольтной цепи системы зажигания двигателя при повторном искрообразовании [Текст] / П. А. Николаев // Проблемы и перспективы развития двигателестроения : материалы докладов международной научно-технической конференции. – Самара : СГАУ, 2006. – Т. 2. – С. 192–193.
25. Николаев П. А. Активный метод уменьшения электромагнитного поля от системы зажигания автомобиля [Текст] / П. А. Николаев, Н. Е. Конюхов // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций : материалы VII международной научно-технической конференции. – Самара : ПГАТИ, 2006. – С. 288–290.
26. Николаев П. А. Исследование статистических характеристик излучения, созданного системой зажигания, при работе двигателя внутреннего сгорания на статических режимах [Текст] / П. А. Николаев, Н. Е. Конюхов // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций : материалы VII международной научно-технической конференции. – Самара : ПГАТИ, 2006. – С. 291–293.
27. Николаев П. А. Исследование зависимости величины напряженности электромагнитного поля от изменения активной составляющей сопротивления высоковольтных проводов системы зажигания двигателя внутреннего сгорания [Текст] / П. А. Николаев // 7-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии : труды симпозиума. – СПб. : ЛЭТИ, 2007. – С. 51–53.
28. Николаев П. А. Погрешность измерения электромагнитного поля при испытаниях транспортных средств в безэховых камерах [Текст] / П. А. Николаев // 7-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии : труды симпозиума. – СПб. : ЛЭТИ, 2007. – С. 315–317.
29. Николаев П. А. Влияние электрической нагрузки в автомобиле на электромагнитные помехи от системы зажигания [Текст] / П. А. Николаев // 8-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии : труды симпозиума. – СПб. : ЛЭТИ, 2009. – С. 58–60.
30. Николаев П. А. Исследование параметров разрядных помех от автомобильной системы зажигания для учета их влияния на инфокоммуникационные системы [Текст] / П. А. Николаев // Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики : материалы VII международной научно-практической конференции. – Тольятти : ВУиТ, 2010. – С. 50–54.
31. Николаев П. А. Риск ухудшения работоспособности автомобилей в условиях действия электромагнитных помех [Текст] / П. А. Николаев // Наука – промышленности и сервису : сб. ст. Пятой международной научно-практической конференции.– Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2010. – Ч. 2. – С. 190–194.
Патенты
32. Пат. № 2243622 Российская Федерация. Способ подавления радиопомех, излучаемых автомобилем [Текст] / П. А. Николаев ; заявитель и патентообладатель ОАО «АВТОВАЗ». Опубл. 2004, Бюл. № 36.
33. Свидетельство на полезную модель № 40767 Российская Федерация. Энергетическая установка с пониженным уровнем шума [Текст] / П. А. Николаев, М. А. Саржин, В. В. Сухов ; заявитель и патентообладатель ОАО «АВТОВАЗ». Опубл. 2004, Бюл. № 27.
34. Свидетельство на полезную модель № 42898 Российская Федерация. Датчик тока [Текст] / П. А. Николаев ; заявитель и патентообладатель ОАО «АВТОВАЗ». Опубл. 2004, Бюл. № 35.
35. Свидетельство на полезную модель № 44208 Российская Федерация. Энергетическая установка с пониженным уровнем шума [Текст] / П. А. Николаев, М. А. Саржин, В. В. Сухов ; заявитель и патентообладатель ОАО «АВТОВАЗ». Опубл. 2005, Бюл. № 6.
36. Пат. № 2295185 Российская Федерация. Устройство подавления радиопомех [Текст] / П. А. Николаев ; заявитель и патентообладатель ОАО «АВТОВАЗ». Опубл. 2007, Бюл. № 7.
37. Свидетельство на полезную модель № 56646 Российская Федерация. Установка для электромагнитных испытаний электрооборудования автомобилей (Варианты) [Текст] / П. А. Николаев, О. Л. Михеев, П. В. Калашников ; заявитель и патентообладатель ОАО «АВТОВАЗ». Опубл. 2008, Бюл. № 25.
38. Пат. № 2321932 Российская Федерация. Узел стыка элементов оболочки составной капсулы (Варианты) [Текст] / П. А. Николаев ; заявитель и патентообладатель ОАО «АВТОВАЗ». Опубл. 10.04.08, Бюл. № 10.
39. Пат. № 2322743 Российская Федерация. Свеча зажигания (Варианты) [Текст] / П. А. Николаев ; заявитель и патентообладатель ОАО «АВТОВАЗ». Опубл. 20.04.08, Бюл. № 11.
40. Пат. № 2331780 Российская Федерация. Способ управления ДВС [Текст] / П. А. Николаев ; заявитель и патентообладатель ОАО «АВТОВАЗ». Опубл. 20.08.08, Бюл. № 23.
Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04
Протокол № 4 от 24.04.12 г.
Подписано в печать с электронного оригинал-макета 16.05.2012.
Бумага офсетная. Печать трафаретная.
Усл. печ. л. 2,0. Тираж 120 экз. Заказ 82/02.
Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре
Поволжского государственного университета сервиса.
445677, г. Тольятти, ул. Гагарина, 4.
