雙線圈點(diǎn)火系統(tǒng)特性仿真與試驗(yàn)研究

馬修真，靖海國(guó)，楊立平，宋恩哲

（哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

雙線圈點(diǎn)火系統(tǒng)特性仿真與試驗(yàn)研究

馬修真，靖海國(guó)，楊立平，宋恩哲

（哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

為了降低稀燃CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種雙線圈點(diǎn)火系統(tǒng)。利用Multisim軟件仿真研究了新點(diǎn)火系統(tǒng)次級(jí)電壓的變化規(guī)律，并在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上研究了此點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性的影響。次級(jí)電壓的仿真結(jié)果表明，在不同放電間隔的條件下，新點(diǎn)火系統(tǒng)分別能夠有效提高次級(jí)電壓，增加火花持續(xù)期并能實(shí)現(xiàn)多次放電。臺(tái)架試驗(yàn)表明，在合適的放電模式下新點(diǎn)火系統(tǒng)能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)，提高稀燃CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性。

循環(huán)變動(dòng)；雙線圈點(diǎn)火系統(tǒng)；次級(jí)電壓；火花持續(xù)期；多次放電；循環(huán)變動(dòng)系數(shù)

采用天然氣作為動(dòng)力機(jī)械的替代燃料，能夠在很大程度上解決環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題，將稀燃技術(shù)應(yīng)用于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，可以進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放能力，但由于天然氣的燃燒速率較慢，易產(chǎn)生燃燒循環(huán)變動(dòng)現(xiàn)象。采用稀燃技術(shù)時(shí)燃燒循環(huán)變動(dòng)更加明顯，并增加了失火的可能性，這種非穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象制約了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展［1］。N.Ozdor等將影響循環(huán)變動(dòng)程度的因素分為4類，其中與點(diǎn)火特性相關(guān)聯(lián)的參數(shù)是影響稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)的一項(xiàng)重要因素［2］。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下火核的形成和熄滅的機(jī)理有所不同，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段，燃燒室溫度較低，高能點(diǎn)火和多次點(diǎn)火有利于初始火核的形成，降低失火概率，從而降低低速排放［3-5］。發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)量比混合氣下運(yùn)行時(shí)較小的點(diǎn)火能量就能夠滿足穩(wěn)定點(diǎn)火要求［6］。發(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃工況下，參加化學(xué)反應(yīng)、準(zhǔn)備進(jìn)行點(diǎn)火燃燒的燃料分子數(shù)量相對(duì)減少，燃燒速度減慢，延長(zhǎng)火花持續(xù)期和增加點(diǎn)火能量有利于增加火焰火核容積，增強(qiáng)稀燃工況運(yùn)行的穩(wěn)定性［7-8］。此外多次點(diǎn)火也可以有效降低稀燃失火概率，提高稀燃工況運(yùn)行的穩(wěn)定性［9］。針對(duì)電容儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)和電感儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)的缺陷［10-11］設(shè)計(jì)了一種雙線圈放電式點(diǎn)火系統(tǒng)，利用Multisim軟件研究了新型點(diǎn)火系統(tǒng)次級(jí)電壓的變化規(guī)律，并在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上研究了雙線圈點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響。

1 點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)儲(chǔ)能方式，電控點(diǎn)火系統(tǒng)分為電感儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)和電容儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)。電感儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)如圖1所示，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電源對(duì)點(diǎn)火線圈充電，能量?jī)?chǔ)存在點(diǎn)火線圈的初級(jí)線圈中；當(dāng)控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在點(diǎn)火線圈的次級(jí)電路中感應(yīng)出高電壓，高電壓擊穿火花塞間隙，形成火花放電。電容儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)如圖2所示，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)和觸點(diǎn)1接通時(shí)，電源對(duì)電容充電，能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能電容中；當(dāng)控制開(kāi)關(guān)和觸點(diǎn)2接通時(shí)，電容對(duì)點(diǎn)火線圈放電，擊穿火花塞間隙，形成點(diǎn)火火花。

圖1 電感儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of inductive energy storage ignition system

圖2 電容儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of capacitor energy storage ignition system

電感儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)有放電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但初級(jí)儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)單循環(huán)多次放電；電容儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)初級(jí)儲(chǔ)能快，但電容放電火花持續(xù)時(shí)間較短，一般為5～50 μs，遠(yuǎn)低于電感儲(chǔ)能系統(tǒng)1～2 ms左右的火花持續(xù)時(shí)間，稀燃條件下初始火核的穩(wěn)定性差，理論上多電容儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)放電時(shí)間的疊加，但影響疊加因素變化明顯，控制難度較大。為了優(yōu)化電感儲(chǔ)能點(diǎn)火系統(tǒng)的性能，根據(jù)疊加原理，本文選用兩個(gè)點(diǎn)火線圈設(shè)計(jì)了一種雙線圈放電式點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，此系統(tǒng)包括點(diǎn)火控制器、直流電源、點(diǎn)火線圈、高壓二極管、高壓點(diǎn)火線和火花塞，具體參數(shù)型號(hào)如表1所示。點(diǎn)火控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和上止點(diǎn)信號(hào)等控制兩線圈的初級(jí)線圈充電時(shí)間和放電開(kāi)始時(shí)間間隔，從而控制火花塞的放電規(guī)律。高壓二極管用于消除放電過(guò)程兩線圈間的干擾。雙線圈點(diǎn)火系統(tǒng)可以調(diào)整放電特性，使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況均能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)點(diǎn)火方式。

圖3 雙線圈放電式點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of dual-coil discharge ignition system

表1 點(diǎn)火系統(tǒng)組件Table 1 Components of ignition system

2 仿真及試驗(yàn)條件

2.1 次級(jí)電壓仿真

次級(jí)電壓波形包含了最高電壓、電壓升高率、火花持續(xù)時(shí)間和火花穩(wěn)定性等眾多信息，可做為點(diǎn)火系統(tǒng)性能的觀測(cè)參數(shù)，本文采用電路仿真方法研究點(diǎn)火系統(tǒng)次級(jí)電壓的變化規(guī)律，仿真模型如圖4。

圖4 雙線圈點(diǎn)火系統(tǒng)電壓仿真模型Fig.4 Secondary voltage simulation model of dual-coil ignition

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)是用來(lái)驗(yàn)證雙線圈點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響。評(píng)價(jià)燃燒循環(huán)變動(dòng)的指標(biāo)有平均指示有效壓力、最大爆發(fā)壓力、最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)時(shí)刻等多種方法，其中平均指示有效壓力（IMEP）是由缸內(nèi)壓力及對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算得出，綜合考慮了缸內(nèi)燃燒壓力及壓力值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)燃燒過(guò)程的影響，可以更全面展示缸內(nèi)的燃燒特征，因此，大多數(shù)研究中采用平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)COVIMEP來(lái)表征發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)：

式中：SD（IMEP）為IMEP樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差，IMPE為IMEP樣本的平均值。其中

式中：n為IMEP樣本的數(shù)量，IMEP（j）為IMEP樣本的第j個(gè)值。

臺(tái)架試驗(yàn)是在由一臺(tái)2135G柴油機(jī)改裝成的歧管多點(diǎn)噴射式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)過(guò)程中采用電渦流測(cè)功機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的加載，但為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒本身產(chǎn)生的非線性特征，取消了除轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制外的其它反饋控制；缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)由壓電式缸壓傳感器、電荷放大器、燃燒分析儀和計(jì)算機(jī)等組成的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)獲得；為了消除冷卻水溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響，試驗(yàn)臺(tái)安裝了一套發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫調(diào)節(jié)裝置，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫固定在80°C。在轉(zhuǎn)速為1 000 r／min，節(jié)氣門全開(kāi)，空燃比λ分別為1（理論空燃比）、1.31（中等稀燃）和1.53（稀燃極限）條件下，采集了不同點(diǎn)火模式下缸內(nèi)燃燒壓力時(shí)間序列。試驗(yàn)過(guò)程選用的發(fā)動(dòng)機(jī)是由2 135 G柴油機(jī)改裝的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比由原機(jī)的16.5降低到11。單線圈、雙線圈同時(shí)放電模式點(diǎn)火提前角為20BTDC，雙線圈連續(xù)放電模式放電間隔為100 μs，雙線圈間隔放電模式點(diǎn)火提前角分別為20BTDC和15BTDC.臺(tái)架試驗(yàn)儀器如表2所示。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)儀器及設(shè)備Table 2 Experimental apparatus

3 仿真和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

3.1 次級(jí)電壓仿真結(jié)果

圖5是單線圈放電次級(jí)電壓仿真波形圖，圖6是雙線圈放電次級(jí)電壓仿真波形圖。

圖5 單線圈放電次級(jí)電壓仿真波形Fig.5 Simulation wave of secondary voltage in single-coil mode

圖6 雙線圈放電次級(jí)電壓仿真波形Fig.6 Simulation wave of secondary voltage in dual-coil mode

由圖5可知，單線圈放電時(shí)次級(jí)最高電壓約30.3 kV，電壓持續(xù)約120 μs時(shí)火花熄滅，次級(jí)電壓發(fā)生震蕩，當(dāng)火花塞擊穿電壓為10 kV時(shí)，火花持續(xù)期約110 μs由圖6可知，與單線圈放電相比，雙線圈同時(shí)對(duì)一火花塞放電時(shí)，次級(jí)最高電壓由30.3 kV上升到38.5 kV，火花擊穿能力增強(qiáng)，但放電持續(xù)時(shí)間變化不明顯；間隔50 μs和100 μs依次放電時(shí)，次級(jí)電壓出現(xiàn)2個(gè)波峰，但最高電壓變化不大，放電持續(xù)時(shí)間明顯增加，增加的時(shí)間和間隔放電時(shí)間相同；雙線圈間隔200 μs依次放電時(shí)，次級(jí)電壓出現(xiàn)明顯的2個(gè)波峰，其中較早放電的線圈產(chǎn)生的次級(jí)高壓進(jìn)入震蕩期，火花熄滅，整個(gè)放電過(guò)程相當(dāng)于二次點(diǎn)火。

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

在理論空燃比工況（λ＝1）和中等稀燃工況（λ＝1.31）時(shí)采集了1 000循環(huán)壓力數(shù)據(jù)，在稀燃極限工況（λ＝1.53）采集了2 000循環(huán)壓力數(shù)據(jù)，圖中在理論空燃比工況和中等稀燃工況列出100循環(huán)的數(shù)據(jù)，在稀燃極限工況列出200循環(huán)的數(shù)據(jù)。

3.2.1 理論空燃比工況

圖7表明，在理論空燃比工況時(shí)，不同放電模式的IMEP波動(dòng)幅度都比較小，最大為0.051 MPa。

圖7 理論空燃比工況不同放電模式下IMEP循環(huán)變動(dòng)Fig.7 Cyclic variation in different discharge mode under theoretical air-fuel ratio condition

在理論空燃比工況時(shí)，點(diǎn)火裝置在單線圈放電模式、雙線圈同時(shí)放電模式、雙線圈連續(xù)放電模式和雙線圈多次放電模式下IMEP的燃燒循環(huán)變動(dòng)系COVIMEP分別為1.06%、0.88%、0.89%和1.09%，與單線圈放電模式相比，雙線圈同時(shí)放電模式和雙線圈連續(xù)放電模式下COVIMEP有所降低，降低值分別為0.18%和0.17%，效果不明顯；雙線圈多次放電模式下COVIMEP沒(méi)有改善。這是因?yàn)樵诋?dāng)量比混合氣下，單線圈放電模式能夠滿足穩(wěn)定點(diǎn)火的要求，在雙線圈同時(shí)放電模式和雙線圈連續(xù)放電模式下雖然分別能夠增加初始火核的強(qiáng)度和火花持續(xù)期，但效果并不明顯；在雙線圈間隔放電模式下，第2次放電時(shí)缸內(nèi)的燃燒火焰已經(jīng)形成，因此二次點(diǎn)火沒(méi)有意義。3.2.2 中等稀燃工況

圖8和圖7相比，在單線圈放電模式下，中等稀燃工況IMEP的波動(dòng)比理論空燃比工況更為明顯，波動(dòng)的范圍由0.051 MP增加到0.115 MPa，COVIMEP由1.06%增加到1.62%。中等稀燃工況時(shí)雙線圈同時(shí)放電模式、雙線圈連續(xù)放電模式和雙線圈多次放電模式下COVIMEP分別為1.11%、1.21%和1.39%。和單線圈放電模式相比，不同方式的雙線圈放電模式均可降低COVIMEP，其中雙線圈同時(shí)放電模式優(yōu)化效果最明顯，COVIMEP降低了0.51%，雙線圈連續(xù)放電模式效果次之，COVIMEP降低幅度為0.41%，雙線圈間隔放電模式優(yōu)化效果最差，COVIMEP降低幅度為0.23%。這說(shuō)明，初始火核對(duì)稀燃工況的燃燒循環(huán)變動(dòng)有較大的影響，雙線圈同時(shí)放電和雙線圈連續(xù)放電時(shí)有利于初始火核的形成，因此較大幅度地降低了燃燒循環(huán)變動(dòng)，雙線圈多次放電對(duì)燃燒過(guò)程也有影響，在一定程度上降低了燃燒循環(huán)變動(dòng)。

圖8 中等稀燃工況不同放電模式下IMEP循環(huán)變動(dòng)Fig.8 Cyclic variation in different discharge mode under medium lean burn condition

3.2.3 稀燃極限工況

圖9表明，稀燃極限工況時(shí)在單線圈放電模式下，IMEP在0.02～0.81 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍較大，單線圈放電模式下COVIMEP為11.38%，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性較差。線圈同時(shí)放電模式、雙線圈連續(xù)放電模式和雙線圈多次放電模式下 COVIMEP分別為9.33%、9.72%和6.51%，分別降了2.05%、1.66%和4.87%，雙線圈多次點(diǎn)火效果最明顯。稀燃極限工況下發(fā)動(dòng)機(jī)已發(fā)生失火現(xiàn)象，此時(shí)缸內(nèi)燃燒條件較惡劣，多次放電模式下第2次放電時(shí)點(diǎn)火提前角變化了5TDC，缸內(nèi)的燃燒條件已發(fā)生變化，因此多次點(diǎn)火模式有效降低了失火概率，從而提高稀燃極限下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖9 稀燃極限工況不同放電模式下IMEP循環(huán)變動(dòng)Fig.9 Cyclic variation in different discharge modes under combustion limit condition

4 結(jié)論

1）和單線圈點(diǎn)火系統(tǒng)相比，雙線圈同時(shí)放電模式下，雙線圈點(diǎn)火系統(tǒng)次級(jí)電壓峰值提高27%，火花持續(xù)期不變；間隔放電模式下，間隔時(shí)間小于單線圈火花持續(xù)期時(shí)，火花持續(xù)期增加，增加值和間隔時(shí)間相同，次級(jí)電壓峰值不變；間隔時(shí)間大于單線圈火花持續(xù)期時(shí)，出現(xiàn)多次點(diǎn)火現(xiàn)象。

2）在合適的放電模式下，雙線圈點(diǎn)火系統(tǒng)能夠降低燃燒循環(huán)變動(dòng)。在理論空燃比工況時(shí)效果不明顯，在稀燃工況采用雙線圈同時(shí)放電模式，在稀燃極限工況采用多次放電模式可以最大限度地降低循環(huán)變動(dòng)。

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Simulation and experimental research on a dual-coil ignition system

MA Xiuzhen，JING Haiguo，YANG Liping，SONG Enzhe
（College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to reduce cyclic variation，a dual-coil ignition system for a CNG engine was proposed in this paper.Using Multisim software，the change rule of secondary voltage of the new ignition system was studied.The impact of this ignition system on combustion stability of the CNG engine was studied on the engine test bench.Experimental results of secondary voltage show that compared with single-coil ignition，the new ignition system can effectively increase secondary voltage，extend spark duration and achieve multiple discharges under different discharge interval conditions.Bench test shows that，in a suitable discharging mode，this system can reduce the probability of misfire and the cyclic variation coefficient of CNG engine，consequently it improves the combustion stability of lean burn CNG engine.

cyclic variation；dual-coil ignition system；secondary voltage；spark duration；multiple discharge；cyclic variation coefficient

10.3969／j.issn.1006-7043.201306076

TK413.9

A

1006-7043（2014）09-1124-05

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201306076.html

2013-06-26. 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-08-29.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51306041）；中央高校基本科研基金資助項(xiàng)目（002030020803，HEUCFR1008）；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（QC2013C057）.

馬修真（1957-），男，教授，博士生導(dǎo)師；楊立平（1978-），男，講師，博士.

楊立平，E-mail：yangliping302＠tom.com.