Введение к работе
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.
Похожие диссертации на Обеспечение электромагнитной совместимости автомобильных систем зажигания
