П.А. Николаев ЗАВИСИМОСТЬ РАЗРЯДНЫХ ПОМЕХ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ОТ

П.А. Николаев
ЗАВИСИМОСТЬ РАЗРЯДНЫХ ПОМЕХ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ОТ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ В БОРТОВОЙ СЕТИ АВТОМОБИЛЯ
Ключевые слова: система зажигания, электромагнитные помехи,
электромагнитное излучение, угол зажигания, импульс тока, генераторная
установка.
Аннотация
Статья посвящена вопросам исследования помех, создаваемых системой
зажигания автомобиля. В работе рассматривается фактор электрической
нагрузки и анализируется ее влияние на изменение параметров разрядных помех.
В работе теоретические заключения подтверждены экспериментальными
исследованиями.
В настоящее время основной парк автотранспорта составляют автомобили с
бензиновыми двигателями, оснащаемые системой принудительного воспламенения
топливовоздушной смеси. Особенностью такой системы зажигания является то, что при ее
работе генерируется электромагнитное излучение, которое сосредоточено в полосе частот
с верхней границей 1 ГГц. Электромагнитное поле от системы зажигания автомобиля
преобладает над другими помехами в районах интенсивного движения в зоне до 60 м от
автострад [1]. Поэтому для того чтобы эффективно можно было решать проблемы,
связанные с влиянием электромагнитных помех от систем зажигания на различные
радиотехнические системы, а также более точно оценивать окружающую
электромагнитную обстановку, важно детально изучать влияние различных факторов на
параметры электромагнитных помех.
Ввиду применения на автомобилях современных систем управления ДВС в работе
их отдельных элементов, в частности систем зажигания, есть определенные нерешенные
задачи. Одна из них: изучение электромагнитного излучения системой зажигания при
различной электрической нагрузке в бортовой сети автомобиля.
Важной входной величиной для ДВС является угол опережения зажигания. Его
регулирование
позволяет
оптимально
управлять
процессом
воспламенения
топливовоздушной смесью. Другими словами, расчет текущего угла опережения
зажигания производится с учетом полного сгорания топливного заряда в конце такта
рабочего хода поршня в цилиндре ДВС, а также необходимой мощности Nе на коленчатом
валу.
В расчетный момент времени, определяемый углом зажигания, происходит разряд
на свече. Этот разряд является источником электромагнитного излучения. Параметры
излучаемого сигнала от конкретного автомобиля зависят от многих факторов. Это: ток,
протекающий в емкостной фазе разряда на свече зажигания; компоновка и
геометрические
размеры
подкапотного пространства;
щели,
расположенные
определенным образом по поверхности кузова; параметры подстилающей поверхности;
расстояние от точки измерения до автомобиля; внешняя обстановка (здания,
транспортные средства и прочие объекты). Второй и третий факторы являются
постоянными. Четвертый и шестой могут быть неизменными, а расстояние при
значительном удалении от точки измерения до автомобиля в определенном временном
интервале не играет существенной роли. Поэтому из всех перечисленных факторов,
связывающих электромагнитные помехи от автомобиля с искровой системой зажигания и
регулируемые параметры ДВС, основным является первый.
В рамках работы получено выражение, устанавливающее взаимосвязь мощности
одиночного импульса тока, протекающего в высоковольтной цепи системы зажигания в
емкостной фазе разряда, и угла опережения зажигания:
2
8,6 10 6 U пр2 .н Pнтс
PВВЦ
2
и
2
Т нтс
L2ВВЦ
2
fв
2
8,6 10 6 U пр2 .н Pнтс
2
и
2
Т нтс
L2ВВЦ
2
fв
2
fн
2
fн
1
180
1
180
2 fв
2
и
e
fн
2 fв
sh
t
e
j 2 ft
dt df ;
180; 0 ;
0
(1)
2
и
e
fн
t
t
sh
t
e
j 2 ft
dt df ;
0;
(1)
.
0
где Uпр.н - нормальное напряжение пробоя среды в цилиндре; Рнтс, Тнтс - давление и
температура среды в начале такта сжатия; δ - межэлектродный зазор свечи зажигания; ε степень сжатия в цилиндре; τи - длительность импульса тока, протекающего в емкостной
фазе разряда; LВВЦ - индуктивность высоковольной цепи без учета индуктивности катушки
зажигания; ω - основная частота высоковольтного контура; α - коэффициент затухания,
вносимый высоковольтным контуром; fв и fн - верхняя и нижняя границы диапазона
частот, в котором рассматриваются помехи; Θ - угол опережения зажигания.
Верхняя зависимость соответствует такту сжатия в ДВС, а нижняя - такту рабочего
хода, поэтому
< 180 град, а при Θ=0 помехи будут формироваться в момент
прохождения поршня верхней мертвой точки цилиндра ДВС.
Анализ (1) показывает, что при Θ 0 уровень помех будет увеличиваться.
При прочих равных условиях управление ДВС, при его работе на заданном режиме,
осуществляется посредством регулирования угла опережения зажигания в некотором
диапазоне [Θmin; Θmax]. Качественная характеристика индикаторной мощности ДВС Nе от
Θ представлена на рис.1.
Рисунок 1 - Качественная характеристика индикаторной мощности ДВС
от угла опережения зажигания
Из рис. 1 видно, что до определенного значения Θ мощность растет, а затем
уменьшается. Исходя из этого, на заданном режиме работы ДВС предельное значение
Θmax будет соответствовать точке максимума Nе, а диапазон регулирования угла
опережения зажигания: Θср ΔΘ.
При работающем ДВС электропитание различных систем осуществляется от
генераторной установки, которая в свою очередь вырабатывает электроэнергию за счет
механической связи с вращающимся коленчатым валом ДВС. Если происходит
увеличение энергопотребления, то генераторная установка должна выдавать большую
мощности РЭ в бортовую сеть.
Понятно, что на сколько РЭ генераторная установка будет больше отдавать в
бортовую сеть, то на столько она будет забирать мощности от ДВС.
До некоторого момента - определенной критической мощности энергопотребления
нагрузки РЭ.кр, компенсация потери мощности ДВС будет происходить за счет увеличения
Θ (см. рис.1). В этом случае РЭ.кр соответствует условию Θ=Θmax. После РЭ>РЭ.кр , т.е. при
большом энергопотреблении, если не обеспечить регулирование ДВС по мощности, то его
параметры по мощности будут ухудшаться.
В этом случае регулирование ДВС по мощности осуществляется за счет увеличения
дозирования топлива. Качественно это пояснено на рис. 2, где показана форма кривой Nе в
зависимости от коэффициента избытка воздуха αив.
Современные системы управления ДВС работают, обеспечивая на большинстве
режимов выполнение условия αив=1. При αив<1 получается богатая топливовоздушная
смесь, а при αив>1 - обедненная.
Из графика видно, что максимум мощности, при прочих равных условиях, будет
соответствовать αив=0,8. При РЭ>РЭ.кр компенсация потери Nе будет осуществляться в
диапазоне αив [0,8; 1].
В то же время из газодинамической теории ДВС [2] известно, что скорость сгорания
топлива увеличивается при стремлении αив к 0,8 (меньше этого значения она опять будет
уменьшаться). Тогда для того, чтобы максимум давления сгоревших газов в цилиндре
создавался уже после прохождения поршня верхней мертвой точки, необходимо
уменьшать угол опережения зажигания. В этом случае, согласно (1), уровень помех будет
увеличиваться.
Рисунок 2 - Зависимость индикаторной мощности ДВС от коэффициента избытка воздуха
Таким образом, можно установить взаимосвязь между потреблением электроэнергии
в бортовой сети и электромагнитным излучением.
Сказанное подтверждается исследованиями, проводимыми на автомобиле ВАЗ
21126. Их результаты приведены на рис. 3.
Рисунок 3 - Электромагнитные помехи от системы зажигания автомобиля ВАЗ 21126
Эксперимент был поставлен таким образом, чтобы исключить влияние на прочих
источников электромагнитных помех, т.е. включались те электрические нагрузки, в цепях
которых протекал только постоянный ток. Это ближний и дальний свет головных фар,
габаритные огни, стоп-сигналы и противотуманные фары.
В результате эксперимента было установлено, что при дополнительном увеличении
токоотдачи генераторной установкой в бортовую сеть до 10 А, уровень электромагнитных
помех, создаваемых системой зажигания, уменьшается (кривая 2, рис. 3). При увеличении
дополнительной токоотдачи свыше этого значения уровень электромагнитных помех
начинает возрастать (кривая 3, рис. 3). Уже при токе 20 А характеристика излучаемых
помех в общем выше, чем базовая (характеристика помех только при работающей системе
зажигания - кривая 1, рис. 3).
Следует заметить, что значения РЭ.кр у различных автомобилей (даже одной модели)
будут отличаться друг от друга. Это связано с неидентичностью параметров двигателей.
Выводы
1. Теоретически обосновано влияние электрической нагрузки в бортовой сети на
параметры излучения от системы зажигания.
2. Экспериментально показано, что при увеличении энергопотребления бортовой
сетью автомобиля уровень помех сначала уменьшается, а затем начинает увеличиваться.
При большой токоотдаче генераторной установкой в бортовую сеть, обусловленной
включением
определенного
количества
электрических
нагрузок,
уровень
электромагнитных помех, создаваемых системой зажигания, будет превышать уровень
помех, создаваемых только системой зажигания как единственным потребителем
электроэнергии.
Библиографический список
1. Максимов М.В. Защита от радиопомех. - М.: Советское радио, 1976. - 496 с.
2. Ховах М.С., Маслов Г.С. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение, 1971. 456 с.