汽油机点火电路【汽油机点火系电路的分析】

　　 [摘要] 本文针对发动机点火系统电路，分析了电路的开路输出电压以及电压波形，给出了发动机点火系统的实验测试、数学计算和仿真结果。同时求出了该电路的峰值输出电压和峰值电压时间，最后与给出PSPICE软件仿真结果进行了比较。
　　[关键词] 汽车发动机 点火线圈 输出电压波形 仿真分析
　　
　　一、引言
　　汽车发动机点火系电路可在火花塞电极间产生电火花,以点燃气缸内的可燃混气。电火花主要靠点火线圈初级绕组中通过的电流突然被断开时，从而在次级绕组中感应出的较大的电压来产生的。而现在的点火系统利用半导体点火系、电子点火系和微机控制点火系通断电流来产生高压电火花。本文主要研究典型点火系统电路的设计方法，其目的是利用拉普拉斯变换来解释点火系统电路的工作过程。本文用拉普拉斯变换建立了点火系统等效电路模型。最后给出PSPICE软件仿真分析结果。
　　二、点火系统等效电路模型
　　首先，可以通过分析获得了点火线圈模型。图1表示为点火线圈等效电路模型。
　　若以L1和L2表示通过点火线圈初、次级线圈电感，M表示他们之间互感，则期电压特性如下：
　　如果点火线圈的次级绕组短路，则次级绕组电压为零（V2= 0）。故可得出初级线圈等效电感。这样，根据方程式（1）和方程式（2）可以得出：
　　根据这个结果，就可以写出点火线圈的互感、点火线圈初次级线圈电感L1、L2和等效电感L等之间的关系式：
　　图2所示为发动机点火系统的电路图。图中的次级绕组直接连接到火花塞开路电路。因此，次级绕组中没有通过电流。简单地说，穿过次级绕组中的电压等于互感乘以通过初级绕组电流导数的时间函数。这个电路的关键是初级绕组中的电流突然变化时次级绕组中会产生较高的电压。
　　图3所示是经过拉普拉斯变换等效电路模型。其中次级绕组被替换为一个电压源，而这个电压源等于互感乘以通过初级绕组电流导数的拉普拉斯变换。初级绕组被替换为并联于电流源的拉普拉斯等效变换。电容器和附加电阻也被替换为等效的拉普拉斯变换。
　　根据拉普拉斯变换等效电路模型，所得出开路输出电压V0（s），如方程式（5）所示。事实上，当一个系统的数值已知时，通过逆拉普拉斯变换能得到时域解。
　　当电路被接通时，输出电压会穿过火花塞间隙，但是等式（5）不一定任何时候有效。实际上，只有穿过火花塞间隙的电压达到一定数值时，才能产生电火花，之后，电路再将输出电压归零，电火花的产生条件如下：
　　三、仿真分析
　　发动机点火系统电路可采用PSPICE软件进行仿真分析。仿真分析和数学模型分析不同。其被选取元件的数值在电路上进行仿真模拟，同时在实验室进行测量，并试验结果还可用于下一阶段仿真分析和实例计算。这样就简化了比较分析过程。
　　图4所示为本系统的开路输出电压波形。由于将PSPICE仿真软件一般用于无火花塞电路中，所以，在模型中运行的元件是不可用的。当L2=55.8H，L1=6.22mH，C=0.202mF，R系统=1.28W和M=0.538时，其最高输出电压约为-9kV。
　　将仿真分析所采用的元件参数代入式（5）中并进行逆拉普拉斯变换，可以发现，其开路输出电压为时间的函数。
　　四、试验结果对比分析
　　1.试验设置过程
　　通过点火系统模型所得到的输出电压也可以在实验室进行测试。要测试感应出来的较高的电压，必须采用高电压探头，否则，一般的探头会烧坏实验仪器。
　　开路输出电压在点火系统电路中卸掉火花塞的情况下也可以测出来。将半导体开关替换为手动开关，便可通过手动开关的操作来感应出输出电压，并使用示波器观察输出波形。其电路参数L1，L2，C和R一般可使用数字万用表可以测出来。当电感L2短路时可以测出来电感L1和L等。互感M从方程式（4）中可以得出。
　　2.试验结果
　　实验室测试用的电压源的输出电流被限制在1.6A，这就意味着Io并不等于实际系统中向附加电阻输入的电压。当L2=55.8H，L1=6.22mH，C=0.202mF，R系统=1.28W和M=0.538时，所测出来的峰值输出电压V0（max）和峰值电压产生的时间tmax 分别为15.5kV和60μs。
　　3.结果对比分析
　　通过试验得到的输出电压波形符合于计算和仿真得到结果，而仿真波形的振幅是计算值的一半。电路模型与采用PSPICE软件仿真分析有所区别，实验室获得波形的振幅比计算值少30%，这些差异是实验误差引起的。尤其是，瞬间中断电流Io是不可能的。当开关打开时，微小的火花出现在触点上，这就导致了点火能量的损失和输出电压波形振幅的减少。但试验、仿真和计算获得输出电压波形的相位和频率是始终一致的。另外，实验得到的第一个峰值电压时间比计算时间多5μs，误差在10%左右。因此，应当说，其仿真数据和计算数据是相同的。
　　五、结束语
　　通过实验测试结果以及拉普拉斯变换数学模型可以比较准确地表明，发动机点火系统开路输出电压波形是一个通过坐标中心的、负的指数衰减的正弦波形。本文的拉普拉斯变换分析过程非常准确。同时也可通过微分方程式解释了电路的控制过程，但是拉普拉斯变换方法可以简化电路分析。
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　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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