高能點火對汽油發動機燃燒穩定性的影響分析

顧啟凡，葉昌，李雪松，許敏

(上海交通大學汽車電子控制技術國家工程實驗室，上海 200240)

隨著社會對能源和環境問題的日益重視，更加高效低污染的發動機新技術備受關注[1]。由于發動機在冷起動工況的性能對排放、油耗和舒適性都有很大的影響，所以保證冷起動工況的高性能對于提升發動機的性能至關重要。發動機在冷起動工況性能相對較差的一個重要原因是在冷起動時燃燒不穩定。在冷起動工況下，發動機缸內的殘余廢氣很多，這就導致了發動機內過量空氣系數增加，從而燃燒惡化。要想發動機在冷起動時燃燒穩定，理論上可以適當加濃混合氣，但是這樣可能導致發動機的熱效率下降，與高效運行的初衷相悖。提高點火能量可以獲得穩定的初始火核，在加濃混合氣無法冷起動的情況下，這一燃燒策略逐漸成為了行業內關注的重點。

雖然點火能量的提高可以促進發動機缸內燃燒穩定，但是點火能量的提高幅度受限于發動機中實際搭載的點火系統。目前發動機搭載的點火系統主要分為電容放電式點火裝置(簡稱CDI點火裝置)和晶體管控制方式點火系統[2-6](簡稱TCI點火裝置)。其中CDI點火效率高，能量密度大，擊穿能力強，但持續時間短，不適合稀混合氣；而TCI點火的火花持續時間比CDI點火要大得多，熱量累積效應好，但是點火效率相對較低，多用于中低速發動機。同時受到充電時間的限制，TCI點火能量往往不能大幅提高。

HUA ZHU[7]等用經驗模型來模擬火花塞間隙的等效離子通道電阻與火花放電發光階段的放電電流之間的關系，并使用模型參數來研究改變點火線圈設置帶來的影響。Dongwon Jung[8-9]等使用10個火花線圈的高能感應點火系統增加火花放電能量，并且通過安裝在進氣口中的定制適配器增強缸內湍流水平，將稀薄極限從1.51提高到了1.9。陸海峰[10]等使用自行開發的兩階段點火系統，在稀薄燃燒工況下研究了放電特性和各階段能量分配規律，使相對熱效率提高了10%。然而此前研究多針對單一火花放電模式和稀混合氣燃燒工況，未對發動機排放、油耗和舒適性相對較差的冷起動工況進行研究，而且燃燒情況也只單一利用燃燒分析儀導出的缸壓數據進行分析，對于點火能量對混合氣初始火核形成和燃燒速率的影響并沒有進行深入的研究。

本試驗使用了高速彩色相機來記錄不同點火能量下缸內的燃燒情況，以便對比研究每個曲軸轉角對應的火焰邊界，以此更加直觀地觀察點火能量對缸內燃燒速率的影響。本研究的主要目的是研究提高點火能量對冷起動工況下火花點火燃燒穩定性的影響。研究利用自研高能點火系統提高發動機點火能量，在可視化單缸發動機上通過提高放電電流研究提高點火能量對發動機冷起動工況的影響，利用光學活塞和高速相機等光學儀器，記錄并分析點火能量對火核生成以及火焰傳播的影響。

1 試驗方法及臺架

1.1 發動機試驗臺架

本研究所用發動機是在某量產4缸直噴汽油機的基礎上改造的單缸試驗用發動機，此試驗機配備了獨立的進排氣道，以防止其他3缸對試驗缸的影響。試驗機安裝有玻璃活塞，可以通過高速彩色相機和45度鏡對缸內燃燒情況進行實時拍攝。本研究所用的單缸光學發動機如圖1所示，參數如表1所示。試驗采用AVL交流測功機、Kistler 6125A壓力傳感器和Photron HX-5E高速彩色相機。

圖1 試驗用單缸光學發動機

表1 發動機主要技術參數

1.2 高能量點火系統

本研究所用的高能量點火系統是在常用的晶體管控制方式點火系統(TCI)的基礎上進行改進的。高能量點火系統的電路原理見圖2。電路下半部分是一個傳統的TCI點火電路，上半部分是一個穩壓模塊，穩壓模塊可以使電路輸出電壓在0～2 500 V內任意變化，下文中用點火電壓來表征點火能量，所用的點火電壓就是穩壓模塊的電壓值。在兩個模塊外各增加了一個二極管，以防止這兩個模塊之間發生漏電現象。當穩壓模塊未啟用時整套系統就是一個單純的TCI點火系統，當穩壓模塊內的電容充電保持為某一高壓時，火花塞被擊穿后電壓不會迅速降低，而是因為穩壓模塊的存在而保持在穩壓模塊內的電容電壓值，增加點火的能量。

圖2 高能量點火系統電路示意

1.3 試驗工況

本研究通過AVL交流測功機以怠速轉速887 r/min驅動發動機，AVL冷卻液和潤滑油供應調節裝置將發動機冷卻液和油溫控制在30 ℃(不確定度±0.2 ℃)。這是為了模擬基于測功機的冷起動測試，以表征催化劑預熱階段發動機燃燒的性能。此時發動機運轉速度為887 r/min，進氣壓力為55 kPa。噴油壓力為22 MPa，噴油時刻為302.9°BTDC，噴油脈寬為1.16 ms，點火時刻為20°BTDC，點火持續2 ms，依次采用常規點火能量、900 V、1 200 V、1 500 V和1 800 V高能量進行點火試驗，具體試驗工況如表2所示。表中配氣相位指的是當進(排)氣門升程為0.1 mm時對應的曲軸轉角。

表2 試驗工況參數

2 試驗結果與分析

2.1 提高點火能量對缸內點火火弧的影響

本研究的目的之一是探索在不同點火能量下缸內點火火弧延伸發展的情況。由于汽油機的燃燒速度與初始火核的形成和火核的成長速度密切相關，而初始火核的形成又與受氣流影響延伸發展的發動機點火火弧長度密切相關[11-13]，所以有必要對缸內點火火弧的形成發展進行探究。本研究使用高速彩色相機通過45度鏡對缸內點火電弧進行觀察，不同點火能量下火花塞發出點火火弧受氣流影響延伸發展情況如圖3所示。

圖3 不同點火能量下點火火弧對比

從圖3中可以清楚地看出，隨著點火能量的增加，受氣流影響延伸發展的點火火弧長度明顯變長，同時火焰顏色也逐漸變亮，從最初的淡紅色變成了亮白色。由于點火火弧的增長，燃燒時初始火核面積會有顯著增加，理論上火焰燃燒速度更快[14]。

對比各個點火能量下的火弧情況，可以看到在常規點火能量下火弧不是很明顯，在圖片中比較難觀察到，而900 V、1 200 V和1 500 V點火能量下火弧可以清晰地觀察到，只是這三種情況差別不是很大，而當高能量點火提高到1 800 V時，火弧面積較之前有了明顯的增大。

2.2 提高點火能量對缸內燃燒速度的影響

為驗證不同點火能量下缸內燃燒速度的變化，使用高速彩色相機通過活塞下部安裝的45度鏡對缸內燃燒情況進行觀察。圖4示出在常規點火、1 200 V高能量點火和1 800 V高能量點火情況下的燃燒情況，其中框內為缸內可視區域。在部分初始圖片中，尤其是在火焰燃燒初始情況下的圖片中，火焰面積無法很明顯地分辨，為了更明顯地看出不同點火能量下火焰燃燒的速度，將初始圖片通過Matlab進行處理，繪制每個時刻的燃燒邊界(見圖4)。從圖4中對比相同曲軸轉角下的燃燒邊界，可以明顯地發現，隨著點火能量的增加，燃燒速度有了明顯提高，尤其是從常規點火變成1 200 V高能點火，燃燒速度提高十分明顯。

圖4 不同點火能量，相同曲軸轉角下燃燒情況對比

從燃燒圖像中可以定性地判斷，隨著點火能量的提升，燃燒速度有所提升。為了確定燃燒速度提升的程度，對燃燒分析儀得到的缸壓數據進行分析，結果如圖5所示。圖5示出了不同點火能量下火焰發展期(點火時刻到燃油消耗10%時的持續期)的變化，其中常規點火反映在橫坐標中為400 V。從圖中可以看出，隨著點火能量的增大，火焰發展期逐漸縮短，這說明在此工況下初始燃燒速度增加，這是由于初始火核的面積隨著點火能量的提升而增加。在分析點火火弧時發現，1 800 V高能量點火下點火火弧面積有明顯的增加，而在圖5中，1 800 V點火情況下火焰發展期縮短的幅度也非常大，在主燃期(燃油消耗10%時到燃油消耗90%時的持續期)和燃燒循環變動也出現了同樣的趨勢。

圖5 點火能量對火焰發展期的影響

圖6示出不同點火能量下主燃期的變化，與常規點火相比，采用高能量點火裝置使得主燃期縮短，且隨著點火能量的增大，主燃期也持續縮短。

圖6 點火能量對主燃期的影響

圖7示出了在冷起動測試中，不同點火能量下火焰發展期和主燃期的相位變化。顯然，較高的點火能量下，在相同點火正時的情況下，無論是CA10、CA50還是CA90對應的曲軸轉角都在提前。在常規點火情況下，火焰發展期結束時刻(CA10)為8.1°曲軸轉角，燃燒中段時刻(CA50)為27.1°曲軸轉角，主燃期結束時刻(CA90)為40°曲軸轉角；而當點火電壓提高到1 800 V時，火焰發展期在6.3°曲軸轉角就已經結束，在20.3°曲軸轉角時火焰發展已到中期，在29.8°曲軸轉角時刻主燃期就已經基本結束了。由此可以發現，當點火能量增加時，無論是主燃期開始時刻和結束時刻都在前移，且火焰發展期和主燃期的持續時間也都在縮短，這是由于高點火能量導致了受氣流影響延伸發展的點火火弧長度更長，初始的點火火核的面積增加引起的。

圖7 點火能量對ST、CA10、CA50、CA90持續時間的影響

從圖8中可以看出，火焰發展期和主燃期的持續時間近乎線性關系。當點火能量逐級提升，初始火核面積增加導致缸內火焰早期燃燒得到了改善，即火焰發展期的時間縮短；火焰早期燃燒優化必定使得缸內火焰整體燃燒提前且燃燒速度更快，這也就導致了主燃期的持續時間縮短。

圖8 火焰發展期與主燃期之間的關系

2.3 提高點火能量對缸內燃燒穩定性的影響

為保證試驗的可重復性，本研究在各組點火能量下選取100個循環的累計放熱情況與其平均累計放熱進行比較，結果如圖9a所示。圖中灰色曲線為100個循環的累計放熱曲線，而黑色曲線則是各工況下的平均累計放熱曲線。缸壓對比如圖9b所示。

圖9 100個循環缸壓和累計放熱曲線與平均值曲線比較

從圖中可以看出，隨著點火能量的增加，在該工況下累計放熱量曲線的循環變化逐漸減小。在常規點火下，存在部分燃燒和失火循環，對應于比平均值明顯低的總熱量釋放或者接近于零的累計放熱量曲線；另一方面，還觀察到許多比平均值高的累計放熱量曲線，其前面是低于平均值的累計放熱量曲線。發生這種情況是因為燃料在前一個循環并未完全燃燒，這部分未燃燒的燃料進入了下一個循環，殘余燃料使得這個循環的燃燒量更大，所以累計放熱量遠遠高于平均值。當采用900 V電壓的高能量點火時，與常規點火相比，部分燃燒和失火循環的數量有所減少，循環累計放熱量的最大值也略有下降。縱向對比各個點火能量下累計放熱曲線，可以清楚地看出，隨著點火能量的提高，部分燃燒和失火循環的數量顯著減少，循環放熱量逐漸接近于平均值。當使用1 800 V高能量點火時，100個循環的累計放熱量曲線都已經很逼近于平均值，基本不存在部分燃燒和失火循環了。

如圖9b所示，在常規點火的冷起動測試中，可以觀察到雙峰壓力曲線，說明在冷起動條件的典型穩定階段，早期燃燒發展不良。圖10示出不同點火能量下的平均缸壓曲線，點火能量提高后，雙峰現象逐漸消失，且峰值壓力升高，說明隨著點火能量的提高，平均燃燒性能會有所提高，峰值壓力也會逐漸變高。

圖10 點火能量對缸壓平均值的影響

從累計放熱量曲線和缸壓曲線可以定性判斷出提高點火能量可以減少燃燒的循環變動，提高燃燒的穩定性[16-19]。為定量分析點火能量對燃燒穩定性的影響，計算每個點火能量下平均有效壓力的循環變動值(IMEP_COV)，結果如圖11所示。對于怠速冷起動工況，IMEP_COV<10%可以認為燃燒穩定。從圖11可以看出，常規點火情況下IMEP_COV=14.85%，燃燒并不穩定，但是隨著點火能量提高，IMEP_COV的數值逐漸減小，當點火能量提高到1 200 V時，IMEP_COV=9.41%，燃燒趨于穩定，將點火能量提高到1 800 V時，IMEP_COV下降到4.22%，燃燒相當穩定。由圖11可知，提高點火能量可以顯著地提高燃燒的穩定性。

圖11 點火能量對燃燒循環變動的影響

3 結論

a)火焰發展期的燃燒速度與初始火核的形成有著密切的關系，而初始火核的面積受點火能量影響很大；隨著點火能量的增加，受氣流影響延伸發展的火弧長度大幅增加，初始火核面積也大幅增加；

b)火焰發展期和主燃期之間有相對良好的相關性，點火能量增加會使火焰發展期和主燃期都縮短，顯著提高燃燒速度；

c)提高點火能量可以顯著地提升燃燒的穩定性，隨著點火能量的提高，未燃燒循環和失火循環的數量會明顯減少，燃燒循環變動從14.85%減少到4.22%。