CC BY
121
П.А. Николаев
ПРИМЕНЕНИЕ ЗАПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ РАЗРЯДНЫХ ПОМЕХ ОТ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ С ЦЕЛЬЮ ЗАЩИТЫ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ АВТОМОБИЛЯ
P.A. Nikolayev
APPLICATION OF BELOW-CUTOFF WAVEGUIDE FOR DECREASING DISCHARGE INTERFERENCES FROM THE IGNITION SYSTEM TO DEFEND AUTOMOBILE ELECTRIC EQUIPMENT
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, волноводная фильтрация, катушки зажигания, запредельный волновод.
Keywords: electromagnetic compatibility, waveguide filtering, ignition coils, below-cutoff waveguide.
Аннотация
В работе рассматриваются методы подавления электромагнитных помех, создаваемых системой зажигания, основанные на применении запредельных волноводов. Материал содержит экспериментальные данные, которые подтверждают эффективность применения волноводной фильтрации.
Abstract
This paper discusses methods of decreasing electric interferences from automobile ignition system based on below-cutoff waveguides. This paper contains the test data to confirm the efficiency of using waveguide filtering.
Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) колесных транспортных средств по мере их непрерывного увеличения становится все более актуальной. Особое внимание уделяется вопросам уменьшения электромагнитных помех, создаваемых системой зажигания, так как они являются наиболее мощными и могут создать сбой в инфокоммуникацион-ных системах автотранспортного средства.
Известно достаточно много методов подавления излучения от системы зажигания [1]. Наибольшее распространение получили полное или частичное экранирование, а также увеличение импеданса высоковольтного контура. Однако следует отметить, что применение указанных методов не обеспечивает оптимального соотношения энергетических и ЭМС характеристик системы зажигания на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания.
Современное развитие автомобилестроения требует новых подходов при решении задач электромагнитной совместимости транспортных средств. Перспективным направлением является волноводная фильтрация. Здесь реализован принцип затухания электромагнитных волн в частотно зависимых структурах. Применяя электродинамический подход к решению задач подавления излучения, наиболее оптимальным является разбиение поверхности области пространства, где находится один или несколько источников ЭМП, на систему круглых или прямоугольных в поперечном сечении волноводных фильтров. Их геометрические размеры выбираются из условия затухания основного колебания этой структуры. Так для прямоугольного волновода, согласно [2] волна Ню распространяется, если длина ее волны
Л = 21, (1)
где l - длина щели.
Отсюда
7 с
1<------, (2)
где /мах - максимальная частота спектра помехи, которая соответствует конкретной модели транспортного средства. В предельном случае /мах = 1 ГГц.
Аналогично, диаметр для круглых волноводов, где наибольшая критическая соответствует волне Н77, определяется из выражения
сі <
17/Л(
(3)
Конкретное применение волноводной фильтрации поля единичных источников применяется, например, на отечественных автомобилях, оснащаемых двигателями серии ВАЗ 2112 с индивидуальными катушками зажигания [3]. На рисунке 1 схематично показана реализация системы зажигания с подавлением помех запредельным волноводом. Катушки зажигания 2 устанавливаются в колодцы головки блока цилиндров 1. В этом случае каналом распространения электромагнитных помех является коаксиальная линия передач 6, образованная 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 волновод.
Рисунок 1 - Подавление помех от системы зажигания с индивидуальными катушками зажигания Волноводная фильтрация в вышеописанных системах эффективна в широком диапазоне частот, а именно от 30 до 1000 МГц. На рисунке 2 представлены сравнительные испытания автомобилей ВАЗ 2170, ВАЗ 1117 и ВАЗ 21104 на излучаемые помехи с индивидуальными катушками зажигания 2112-3705010. Измерения проводились по ГОСТ Р 41.10-99 при удалении антенны от транспортного средства на 3 м.
а)
с
Е,
дБ(мкВ/м)
/, МГц
в)
Рисунок 2 - Напряженность электромагнитного поля от автомобилей:
1 - без волноводного канала; 2 - с волноводным каналом; а) ВАЗ 21104; б) ВАЗ 2170; в) ВАЗ 1117
Наиболее эффективное подавление помех обеспечивается, если длина электрического соединения 5 в пределе равняется наикратчайшему расстоянию между магнитным экраном и внутренней стенкой головки блока цилиндров. Однако создать конструкцию катушки, обеспечивающей наибольший вносимый коэффициент затухания, не всегда технологически возможно, поэтому проводящую перемычку 5 производители располагают так, что она вынесена из колодца за плоскость внешней поверхности головки блока цилиндров. С позиций электродинамики это нарушает условия формирования ступенчатого перехода от коаксиальной линии передач к волноводной.
Сейчас системы зажигания с промышленными катушками, в которых применена волноводная фильтрация, не обеспечивают максимально возможное подавление излучения. Однако вносимый коэффициент затухания обеспечивает полное соответствие транспортных средств ГОСТ Р 41.10-99. Как пример на рисунке 3 показано спектральное распределение ЭМП от автомобиля ВАЗ 2170, укомплектованного катушками зажигания с вынесенной из колодца за плоскость внешней поверхности головки блока цилиндров проводящей перемычкой.
Е,
дБ (м кВ/м)
30
0 —: : : : I----:---: : :—: : : : 1
30 100 1000
У, МГц
Рисунок 3 - Напряженность электромагнитного поля от автомобиля ВАЗ 2170 укомплектованного катушками зажигания со смещенным относительно плоскости поверхности головки блока цилиндров волноводным каналом
Применение волноводного фильтра в рассмотренной системе зажигания незначительно ухудшает ее энергетические характеристики. Как пример, в таблице 1 приведены сравнительные результаты стендовых испытаний катушек зажигания с запредельным волноводом и без него.
Таблица 1- Характеристики систем зажигания с индивидуальными катушками
Катушка зажигания Ток разрыва, А Максимальное развиваемое вторичное напряжение, В Скорость нарастания сигнала йи/йі, В/мкс Длительность разряда, мс Энергия разряда, мДж
Без волноводного фильтра 7,14 26,2 938 1,37 46,1
С волноводным фильтром 7,14 26,1 932 1,37 45,9
Достоинством применения волноводной фильтрация по поверхности области, где сосредоточенна система излучателей, является то, что практически не ухудшаются параметры системы зажигания, так как вносимая в высоковольтный контур емкость пренебрежимо мала, и при этом достигается приемлемое затухание электромагнитного поля в том диапазоне частот, на который рассчитан запредельный волновод. Как пример решения задач электромагнитной совместимости в [4] предложено применение дифракционной решетки, введенной в щель, образованной кузовом автомобиля и капотом. Такая щель в первом приближении является магнитной антенной и одним из основных переизлучателей поля.
Конструктивно решение представляет собой ряд электрических соединений капота и кузова транспортного средства с шагом, определяющимся из (2). Проведенные испытания на макетном образце показали высокую эффективность применения дифракционной решетки (рисунок 4).
01----!-!—! : ! 1 I----------------------!-!-!-!—! : ! 1 I
30 100 1000
/МГц
Рисунок 4 - Напряженность электромагнитного поля от щели макетного образца:
1 - излучение от щели, образованной капотом и кузовом;
2 - излучение при применении дифракционной решетки
Однако для применения такого решения в промышленном варианте транспортного средства необходимо закладывать в конструкцию надежные электрические контакты соединений капота и кузова.
Литература
1. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. - М.: Радио и связь, 1984. - 336 с.
2. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Наука, 1978. 544 с.
3. Свидетельство на полезную модель № 44208 Россия, Энергетическая установка с пониженным уровнем шума / Николаев П.А., Саржин М.А., Сухов В.В. - Опубл. 2005, Бюл. № 6.
4. Патент № 2243622 Россия, Способ подавления радиопомех, излучаемых автомобилем / Николаев П.А. - Опубл. 2004, Бюл. № 36.
5. ГОСТ Р 41.10-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении электромагнитной совместимости. Технические требования, касающиеся широкополосных электромагнитных помех, производимых транспортными средствами, оснащенными искровым зажиганием. - М.: Изд-во стандартов, 1999.
