一种高频高能点火系统放电特性及其对早期火焰发展影响的研究

2020-03-20叶昌祝华李雪松郑明许敏

车用发动机 2020年1期

叶昌，祝华，李雪松，郑明，许敏

(1.上海交通大学汽车电子国家工程实验室，上海 200240；2.温莎大学发动机清洁燃烧实验室，温莎加拿大 N9B 3P4)

伴随着日益严格的排放法规，针对汽油机排放和热效率的研究已获得越来越多的关注[1-3]。其中，稀薄燃烧凭借低温燃烧特性、低泵气损失等优点，在提高热效率方面体现出良好的效果[1]。然而，稀薄燃烧热效率与燃油混合物稀释程度有密切的关系，高稀释情况下的燃烧不稳定性限制了稀薄燃烧效果的进一步发挥[4]。其原因在于稀薄燃烧时火焰传播速度缓慢，往往需要加强混合气在缸内的流动来提高燃烧速度，但这种方式往往导致点火困难，甚至出现熄火现象，且高速气流往往加速已燃区域的热量向未燃区扩散，使得初始火核容易破碎形成部分点火现象[5]。因此，为获得可靠的点火，需要对点火系统进行深入的研究。

当前点火系统的研究主要分为两类：一类是全新的点火概念；另一类是在传统火花点火系统的基础上进行研究和优化，提出更高能量的点火方案。针对第一类方案，国内外研究人员提出了电晕放电(Corona)[6-7]，激光点火(Laser ignition)[8-10]，微波点火(Microwave ignition)[11-12]，纳秒脉冲点火(Nanosecond pulsed discharge ignition)[13]等。这些点火技术均通过增加点火空间体积的方式，减少火花放电点火有限点火空间的缺点，以获得更快的点火性能。但是这些点火技术对于空间环境因素具有较高要求，且点火稳定性较差，应用于发动机等工业产品中仍存在诸多问题需要解决。

基于传统火花放电点火系统的改进，主要是针对TCI(Transistor coil ignition)点火系统，诸如多线圈放电点火[14]，电流加强点火[3]，高功率点火[15]等，此类点火可以有效地增加点火能量，且拥有与传统TCI 点火相同的稳定性能。同时，在稀薄燃烧等恶劣的工况下，可以有效地点燃燃油混合气。此类点火技术的特点各有不同，但是核心思想较为相似，都是通过增加火花放电辉光(Glow)阶段的能量来提高点火效果的。

近年来一些学者针对多次放电火花点火系统进行了研究。该点火技术在传统CDI(Capacitor discharge ignition)系统上进行参数优化以获得较短的点火时间内多次放电的效果[16-19]。这种点火可以有效地提升点火能力，适用于冷起动以及稀薄燃烧等工况。Rui Liu等自行设计了高频点火系统并在两冲程重油发动机内进行了测试，结果显示该高能点火系统可以提高发动机在冷起动工况下的稳定性，减少了污染物的排放[19]。C. S. Bae通过改进CDI点火获得5～30 kHz的高频点火能力，并在一款4缸发动机内部测试了该点火系统对稀薄燃烧的影响，发现随着点火频率的增加发动机的燃烧和排放性能有明显提高，同时污染物也在一定程度下有明显下降[18]。Anqi zhang的研究表明，多次放电可以在火花塞附近形成多个初始火核，这些初始火核随着增长会连成更大体积的火焰面积，进而加速火焰发展[20]。Claudio Poggiani 等则通过光学发动机试验测试了多次放电点火对于发动机性能的影响，最终证明多次放点点火有利于发动机在恶劣工况下的燃烧稳定性提升[16-17]。这些研究均促进了研究者对于高频点火的认识。然而，这些高频点火方式的单次放电能量普遍偏低，且单次放电过程持续时间较短，对于更为苛刻的燃烧环境，这种点火方式不能有效地提高点火成功率和燃烧稳定性。此外，对于提高点火频率、增长单次点火持续时间如何提高点火性能和火焰传播速度，以上研究没有进一步解释。

针对以上高频点火研究中存在的问题，本研究设计了一种高频高能点火系统。对该点火系统放电能量进行了计算，并结合定容燃烧室可视化燃烧结果，研究了提高点火能量、增加点火频率以及延长单次放电持续时间对可燃混合气初始火核形成和早期火焰发展的影响，为高频高能点火在稀薄燃烧工况的应用提供理论依据。

1 高频高能点火系统工作原理

1.1 传统CDI点火系统的原理及缺点

图1所示为传统的CDI点火系统示意图，该系统由12 V蓄电池、DC-DC升压电路、逻辑时序控制MOS管驱动、储能电容、电流防反二极管、点火线圈以及火花塞等组件构成。CDI点火的工作原理描述如下：MOSFET_1管导通，MOSFET_2管断开。DC-DC升压电路、MOSFET_1管、储能电容、点火线圈以及二极管形成闭合回路，电源内部的电能迅速向储能电容充电。由于CDI点火电路的储能电容一般为0.5～2 μF，DC-DC升压电路电压为300～400 V，因此，电容在极短时间内即达到饱和电压，完成充电。当系统接收到点火信号后，MOSFET_1管断开，MOSFET_2管导通，此时储能电容、MOSFET_2管以及点火线圈初级侧形成闭合回路。此时，环路电阻非常小，所以储能电容和点火线圈初级侧形成一个近似电容-电感LC放电电路，储能电容(300～400 V，0.5～2 μF)迅速向初级线圈放电[21]，初级线圈内部的电流迅速增加，在点火线圈内部形成大量的磁通，在次级线圈侧产生感应电动势，由于点火线圈初次级的升压比非常高，次级线圈产生的高压最终击穿火花塞间隙产生等离子体通道，实现CDI放电点火[22-23]。

图1 电容放电点火(CDI)系统原理

图2示出了CDI点火系统的控制信号时序和火花塞放电电压、电流的测量结果。测试过程中环境背压为0.4 MPa，环境温度为20 ℃。NGK BP6ES 7811电极形状为传统平电极，火花塞间隙为0.86 mm，热值为 NGK Scale 8。设置CDI点火系统的工作频率为5 kHz。从图中可以看出放电电流峰值在600～800 mA之间，放电电压峰值10 kV左右，每次放电过程时长小于30 μs。虽然CDI点火系统可以产生较高的点火频率和较大的放电电流，但由于放电持续时间的限制，整个点火过程中的放电能量不高。

图2 CDI放电电流、电压曲线

1.2 高频高能点火系统

为了增加CDI系统的点火能量，可以通过增大电流或延长放电持续时间实现。因此，本研究设计了一种高频高能点火系统，用以在高频的点火情况下实现点火能量的提高。图3为高频高能点火系统的示意图，该点火系统在原CDI点火系统上增加了一路带有储能电容的电能管理系统。该系统整体结构可分为三个主要部分：CDI点火系统，次级电路电流防反电路和带有储能电容的电能管理模块。其中CDI点火系统与传统的CDI点火系统设计相同，在高频高能点火系统中负责在点火起始阶段产生瞬时高压，用以击穿火花塞间隙形成等离子体通道。储能电容C2用来在等离子体通道形成后为火花塞间隙进一步提供能量，而电能管理模块用来为储能电容C2提供持续的能量。次级电路电流防反电路则在系统中确保电流的流经方向无误，防止次级电路在放电过程中因为高压放电而发生漏电等现象。在该试验中，点火系统的储能电容C1取值为0.5 μF[18，21]，储能电容C2取值为200 nF，用以实现短时间的充放电过程。

图3 高频高能点火系统

高频高能点火系统的控制较为复杂，其工作原理可以通过如图4和图5所示的开关模态等效电路图进行描述。

T1时间段内，如图5a所示，MOSFET_1管和MOSFET_3管闭合，MOSFET_2管断开。此时点火系统向储能电容C1和储能电容C2快速充电。由于两个储能电容容量较小，所以会在短时间内完成充电，达到目标电压。T2阶段为了使MOSFET管之间没有彼此影响引起短路等现象，每个模态之间的切换都会同时断开MOSFET管5 μs。T3时间段为高频高能点火系统放电阶段，此时断开MOSFET_1, 闭合MOSFET_2和MOSFET_3，完成CDI点火击穿火花塞间隙，该过程同1.1部分CDI点火原理一致。由于火花塞间隙形成等离子体火花通道，储能电容C2进而可以向火花通道放电，进而增强点火能量，这一过程如图5b、图5c所示。T4时间段内，MOSFET_3管断开时间可调，通过调节MOSFET_3管的断开时间，可以最终控制高频高能点火的高电流放电时间，如图5d所示。T4时间段后，MOSFET_3关闭，此时储能电容内部的能量迅速放完，完成一次放电(如图5e和图5f所示)。整个过程中由于储能电容和电能管理系统的作用，使得点火能量显著提高。图5c储能电容C2放电过程中，电能存储装置也同时在为火花通道提供能量，但是由于储能电容C2的作用，点火能量保持稳定，放电电压基本保持不变。

图4 高频高能点火系统MOS管控制时序

图5 高频高能点火系统工作模态

2 试验方案及测试台架

2.1 放电性能测试系统

本研究中试验测试选用NGK BP6ES 7811火花塞，电极形状为传统平电极，火花塞间隙为0.86 mm，热值为NGK Scale 8。测试环境温度为20 ℃，环境压力为0.4 MPa。

为了实现火花塞放电过程中电压、电流信号的精确采集，设计了一套电压-电流法测量系统。如图6所示，该系统由Tektronix P6015A高压探头和Pearson 411高精度电流环组成，数据采集由Picoscope 5442D 60 MHz 示波器完成[24]。测试过程中高压探头的连接尽可能靠近火花塞尾部，电流环则通过非接触测量手段测量通过火花塞中心电极的电流值。此外，为了防止高压漏电，整个环路的导线均采用高压导线，且各点火器件间的连接均进行防漏电密封[3，25]。最终将测量得到的电压和电流进行积分，即可获得点火能量。

图6 放电性能测量装置

2.2 定容室测量系统

混合气初始火弧形成以及发展可以用于直观评价点火系统的性能，因此本研究采用定容室燃烧试验来评价高频高能点火系统的性能。图7示出试验所用的定容室燃烧测试系统。该系统分为两部分，即定容室燃烧测试平台以及光学测试平台。其中定容室燃烧测试平台由定容燃烧室、可燃气预混加压系统、控制系统等部分组成。该平台通过预混箱将可燃气与空气预混到目标空燃比，利用高压气瓶将混合气推进入到燃烧室，在达到目标环境背压后，关闭进气阀门，保持燃烧室内压力恒定。在燃烧过程完成后，开启排气阀门和进气阀门，利用高压空气将定容室内的废气排出，以保证下一次试验的准确性。控制系统由NI-FPGA数据采集控制系统、高速电磁阀、高频高能点火系统组成，通过NI-FPGA系统完成试验的逻辑控制，同时检测记录燃烧过程中的压力信号，控制LED等与高速相机同步等功能[24]。

光学测试系统由直接摄影和纹影系统组成，直接摄影用于记录高频点火过程中火弧的形成和发展。纹影系统则用来评价初始火核的形成和早期火焰的发展。直接摄影采用的是Phantom v 7.3高速黑白相机。纹影系统由LED点光源、两个全反射抛物面镜以及高速相机(Phantom v 7.3)组成。此外，为了实现两种光学测试方法的同步测量，试验中在光路中采用一个半反射镜将两条测试光路分开。

图7 定容燃烧室装置与光学测试系统

3 试验结果与讨论

3.1 放电性能测量结果

图8示出5 kHz，10 kHz以及15 kHz点火频率， 2 ms放电时间下高频高能点火系统的放电特性。图8a的点火频率为5 kHz，其控制信号与1.1节相同，从放电信号可以看出，此时击穿电压与图2相近，但是放电电流的峰值远高于CDI点火，高频高能点火系统的放电峰值电流接近25 A，相比原CDI点火系统，电流增长非常显著。此时高能放电延时T4的取值为0，放电阶段高能量全部来自储能电容。图8b和图8c增加了点火系统的放电频率，通过对比发现，每次点火的放电电流没有明显的变化，均处于15 A以上，这说明点火频率不会影响每次点火的能量释放。因此点火频率的增加可以在相同的放电时间内释放更多的能量，从而加强整个放电过程中的能量。此外，提高点火频率，能在较短的放电间隔内获得更多次数的点火，可以增加点火过程中的初始火核数量，有利于提高点火成功率并增加早期火焰面积。

图8 5 kHz，10 kHz，15 kHz放电频率下火花塞电流和电压信号

图9示出3种放电频率下，2 ms放电时间内释放的能量对比。由图中可以发现，高频高能点火系统的放电能量增长呈阶梯状上升，这与传统的CDI点火能量增长类似，但是每个阶梯能量增长量更大，因此整体的放电能量更高。这是由于存储在储能电容内部的能量直接释放到火花塞间隙，使得能量更加有效地传递到火花塞间隙。此外，随着点火频率的增加，点火能量增大，这是因为每次的能量释放主要来自储能电容，所以每次放电能量几乎相同，增加点火频率后使得相同放电时间内能量大幅度增加，且与时间(放电次数)成正比关系。

图9 放电能量随放电频率变化关系

为了验证高频高能点火系统点火能量的一致性，对以上试验进行了多次重复。从图10中可以看到，高频高能点火系统的可重复性较好，且试验结果和图9中结论一致，点火频率越高，高频高能点火的能量越高。

图10 15次高频高能点火能量对比

由1.2节分析可知，通过延长高能放电时间T4，也可以增加高频高能点火系统的放电能量。图11示出点火延时时间分别为0 μs，10 μs，20 μs，30 μs以及40 μs时高频高能点火系统电流、电压放电结果。由图可见，当点火延时增加后，每一次放电的时间延长，同时每次放电在峰值放电电流后，会产生一个5 A左右的高电流放电过程。随着放电电流的提高，高频高能点火系统的能量显著增加。

图12示出了不同放电延时情况下，高频高能点火系统的能量对比。从图中可以看到，随着放电延时增加，点火能量相应增加。但与图9中仅改变放电频率情况下放电能量与放电时间增长趋于线性关系相比，延长高能放电时间后放电能量近似于对数增长，在放电后期单次放电能量略有下降，这与图11中每次放电电流略微下降对应，其原因是电能存储模块的充电频率低于高频高能点火放电频率，因此储能电容C2放电时保持电压未达到之前放电时的保持电压，因此放电能量随着放电次数增加逐次下降。

图11 不同单次放电时间情况下火花塞电压和电流信号

图12 放电能量随单次放电时间变化关系

图13示出了高能放电不同延时情况下点火能量重复性试验结果。其中0 μs延时情况下，高频高能点火能量为60～70 mJ，当高能放电延时增加到40 μs后，高频高能点火系统释放的能量增加到150 mJ，该点火能量已经明显高于没有延长放电时间的情况，可以增加每次点火的能量，使得总的点火能量上升，更加有利于初始火核的形成，并提高单次点火的稳定性。20次重复试验也说明，提高点火延时时间在提高点火能量方面具有较好的可重复性。

图13 20次高频高能点火能量对比

3.2 定容室燃烧结果

为了研究高频高能点火系统对可燃混合气初期燃烧的影响，进行了定容室燃烧试验，该试验以甲烷(CH4)为燃料，环境压力0.4 MPa，环境温度20 ℃，并通过管路的内外压力差控制流经火花塞间隙附近的气流速度。图14示出了定容室燃烧的火弧图像和火焰纹影图像同场测量示例，红色虚线为火花塞位置。可以看到，在25 m/s气流作用下，火弧被气流带离火花塞间隙，并随着时间而拉长。此外，当混合气燃烧时，在已燃区产生大量等离子，等离子体具有导电性，可以增加火弧的体积和鲁棒性，使得火弧长度增长。最后一张火弧图像显示，在火花塞气流下游处，气流速度较小，导致该处已燃气增长快速，使得该处的空间等效电阻小于火花间隙的内阻，火花通道绕过火花间隙，在火花塞中心电极与燃烧室顶部之间形成导电通路。图14下半部分为火焰纹影图像，可以看到火焰已然趋于在气流作用下带离火花间隙，并在下游扩散传播。为了定量研究高频高能点火燃烧，下一部分将对火弧形态发展、初始火核形成和早期火焰发展等进行详细的对比研究。

图14 定容室燃烧火弧直接摄影与火焰纹影图像

3.2.1增加点火频率对燃烧早期的影响

为了对比高频高能点火与传统高频点火的区别，这一部分将比较不同频率下高频点火与高频高能点火的放电特性和点火特性。图15示出了三种不同点火频率的普通高频点火和高频高能点火放电特性，其放电时间为2 ms。从图中可以看出，高频高能点火系统的放电明显更亮，火弧的体积更大，说明高频高能点火在相同点火时间内释放出更多的能量。对于普通高频点火，当放电频率上升时，火弧具有连续放电时的特征，火弧被气流携带着离开火花塞间隙，此时火弧与空间混合气接触面积更大，有利于火核形成。而对于高频高能点火，无论是5 kHz还是15 kHz放电频率，点火过程都可以产生较长的火弧。因此，此时的点火不仅点火能量高于普通高频点火，其与混合气的接触面积也大于普通高频点火。

图15 不同放电频率下普通高频点火与高频高能点火放电对比

图16截取了0.4～0.6 ms放电过程的细节。对于普通高频点火，0.4 ms时刻放电火弧可以清晰地看到，但是很快由于能量不足火弧迅速变弱，直到0.6 ms时才再一次放电，中间过程没有任何点火现象。而随着放电频率增加，10 kHz和15 kHz放电频率下，火弧图像出现的次数明显增多，其中15 kHz每一张图像均存在火弧。因此，提高放电频率，可以有效地增加火弧的存在时间，有利于增长点火时间，提高点火性能。对于高频高能点火，发现当点火频率为5 kHz时，火弧存在时间明显多于高频点火，且火弧也更加明亮。当放电频率提高到15 kHz时，高频高能放电每一帧图像上的火弧都非常明亮，因此，相对于普通高频点火，可以在相同的点火时间内，有效地增加点火能量和放电时间。

图16 两次放电间放电火弧持续时间对比

图17示出了燃烧试验的纹影图像对比。试验中，通过图7所示高压容器与定容室的压差产生一个稳定的流体通过火花塞间隙，通过标定，确定点火期间气体流速为25 m/s，试验气体为甲烷(methane)，可燃气空燃比为1.6。从图17可知，整个燃烧初期，高频高能点火系统的火焰发展明显快于普通高频点火，且随着点火频率的增加，火焰的燃烧速度也更快。在2 ms时，5 kHz频率高频点火的火焰面积依然较小，而同时刻15 kHz高频高能点火的火焰面积已经发展到靠近可视窗口边界附近。3 ms时点火结束，火弧对可燃气的影响已经结束，可燃气依靠自持火焰不断增长。但点火的作用对于火焰发展的影响并没有改变，高频高能点火依靠点火时期的优势，相比普通点火，依然保持更大的火焰面积。

图17 不同放电频率下普通高频点火与高频高能点火的纹影图像

3.2.2延长放电延时时间对燃烧早期的影响

图18示出了增加单次放电时长的火花塞放电火弧图像，可以看出延长单次放电时长对火核亮度没有明显的影响，从0 μs延时到40 μs延时，整个点火过程中火弧体积均比较一致。为此，进一步研究延长单次放电时间对两次放电间火弧的影响。

图18 不同放电延时下高频高能点火放电对比

图19示出了0～0.2 ms放电过程中，不同放电延时火弧存在时间的对比。当放电延时增加后，单次放电的火弧持续时间逐渐增长，当延时达到30 μs后，火弧不再出现断弧现象，此时点火能量最大，有利于初始火核的形成。此外，从放电瞬时火弧的亮度可知，延长单次放电时间并没有明显地增大放电功率，而是通过增长放电时间来增强整个点火过程的能量释放。因此，这种放电策略不同于提高点火能量策略，但最终也可以提高高频高能系统在点火过程中的能量。

图19 两次放电间放电火弧持续时间对比

图20示出了延长高频高能点火单次放电时长对混合气早期燃烧的影响。通过标定，确定点火期间气体流速为15 m/s，试验气体为甲烷(methane)，可燃气空燃比为1.6。从图中对比可以看出，延长单次放电时长，火焰传播速度随之变快。当2 ms点火结束时，40 μs延时的高频高能点火的火焰面积已经明显大于0 μs的高频高能点火。当到达3 ms时，随着气流作用，40 μs延时的高频高能点火火焰边界已经到达可视化窗口的边界。这是因为虽然放电频率相同，但是随着单次放电延时的时长不断增加，单次放电能量也随之增加，最终使得整个点火过程中的能量也大于低放电延时，进而提高了点火性能，增大了初始火核面积。