高能點火對電弧發展和稀燃影響的可視化研究

耿小雨，吳錫江，王志宇

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

目前的先進汽油機通過高壓縮比、高滾流的設計結合大容量冷卻EGR的快速燃燒概念，加上減摩和熱管理等措施可實現40%的最大熱效率。下一代高效汽油機的熱效率要達到45%左右，引入大量空氣的稀薄燃燒被認為是實現該目標的核心概念。稀薄燃燒目前存在稀燃工況窄、稀燃極限工況下點火和燃燒不穩定等問題[1]。眾多研究表明[2-6]，高能點火可以加強火核形成、加快火焰發展并提高燃燒穩定性，有效擴大稀燃極限，從而成為行業研究熱點。

常規點火系統能量一般小于50 mJ，放電時間一般在2 ms左右，而疊加類高能點火系統基于常規點火系統提高放電電流、延長放電時間或多次擊穿，可提高點火能量到100～400 mJ，奔馳、德爾福、博世、電裝等[3-6]機構均有相關研究。而諸如冷等離子體放電(電暈點火、微波點火等)、預燃室射流點火等新型空間點火技術存在控制難度大、機體改動大以及成本高等諸多問題[7]，目前尚處研究階段。

許多學者基于定容彈研究火花形成和發展，無法得到實際缸內流場環境和燃燒時的結果。而基于常規發動機的研究，通過燃燒參數間接分析結果數據，只能推測高能點火系統對燃燒初期的火核形成和發展的影響機理，無法得到直觀的結果。光學單缸機(Optical Single Cylinder Engine，OSCE)具備與實際發動機一致的進排氣和燃燒系統，且透明缸套結合高速攝像，在觀察缸內實際條件下的火核形成和發展、燃燒狀態等方面具備定容彈和普通發動機難以比擬的優勢[8]。本研究基于光學發動機和高速攝影(High Speed Photography,HSP)，同時結合燃燒分析儀等設備，研究高能點火對放電特性、不同進氣流場下的電弧發展以及稀燃工況燃燒參數的影響。

1 試驗設備和方法

1.1 光學機系統

試驗所用光學單缸機擁有全行程透明缸套，可直接看到燃燒室以及噴油、點火等動作，光學機進氣道、缸蓋及活塞頂采用高滾流設計，主要技術參數見表1。

表1 光學機技術參數

主要臺架試驗設備見圖1。光學機配合彩色高速相機在2 000 r/min的試驗工況下每1°拍攝一張燃燒室內的圖像，使用模擬增壓系統控制進氣溫度和壓力，使用缸壓傳感器和燃燒分析儀采集分析燃燒參數，使用空燃比分析儀和寬域氧傳感器實時反饋空燃比。

圖1 光學機臺架試驗設備

1.2 高能點火系統

目前,汽油機普通點火系統均采用電感式火花放電技術，其基本原理是次級線圈匝數遠高于初級線圈，通過控制初級線圈充放電，在次級線圈產生感應電壓作用于火花塞電極，當電壓高于電極間隙的當地擊穿電壓，產生放電，線圈中的磁能傳遞到電極間混合氣中。

本研究所用高能點火系統基于相同原理，相對普通點火系統提高了放電電流并延長了放電時間(見圖2)，在12 V電壓下可提供約150 mJ點火能量，通過提高供電電壓可以進一步提高點火能量。該高能點火系統和普通點火均采用熱值為8、中心電極間隙約0.8 mm、電極直徑0.6 mm、雙針雙銥金的定制火花塞。

圖2 普通點火和高能點火的放電電流示意

1.3 試驗方法

放電特性和能量對點火性能有直接影響。首先研究不同點火系統的放電特性，參考文獻[9]中的測量方法，采用電壓-電流法，測試12 V供電普通點火和高能點火系統的基本放電特性，然后把高能點火的供電電壓提高到14 V和16 V，檢測不同電壓下的放電特性。檢測系統(見圖3)包括示波器、高壓探頭、電流鉗、電流鉗放大器等。高壓探頭直接測得火花塞上的次級電壓，電流鉗測得火花塞電極電纜上的次級電流，示波器可記錄整個放電過程的電壓U和電流I，通過積分計算可以得到不同點火系統的點火能量。

圖3 放電特性檢測系統

火花塞點火擊穿后在正負極之間形成等離子體放電通道，在進氣流場作用下等離子體被吹走形成彎曲的電弧(見圖4)。研究發現[10-11]，放電電流越大，相同流場下的電弧長度和尺寸越大，等離子通道與混合氣接觸面積越大，能加快燃燒速度。稀燃發動機的進氣流場明顯增強，甚至會吹斷放電通道，實際點火時間明顯小于設計值，可能造成失火等問題。本研究結合光學機和高速攝影，研究不同進氣壓力下實際缸內流場對點火電弧發展的影響并分析影響機理。

圖4 氣流作用下的放電通道電弧示意

為了研究高能點火對燃燒的影響，本研究選擇轉速2 000 r/min、指示平均有效壓力0.57 MPa的工況進行臺架試驗，通過調整噴油量和進氣壓力等參數，實現不同的稀燃程度，進而研究不同點火能量對燃燒穩定性、燃燒速率以及稀燃極限的影響。

2 試驗結果和分析

2.1 不同點火系統的放電特性

研究表明[12]，放電過程首先是持續數納秒的擊穿階段，隨后經過數微秒的電弧階段迅速過渡到數毫秒的輝光放電階段。擊穿瞬間電壓可達數千伏特，電流可達數十安培。在室內環境測得普通點火系統的電壓與電流放電特性，結果見圖5。點火前4 ms為蓄能階段，期間電壓為-600～-300 V，蓄能結束后進入放電階段。由于時間尺度差異太大，較難捕捉到瞬態最大值。輝光放電階段，2 ms的放電時間內，電壓保持400～800 V，電流從80 mA逐漸降至0 mA。

圖5 普通點火的電壓和電流特性

14 V供電高能點火的電壓和電流特性見圖6。相比普通點火，高能點火的蓄能電壓達-1 000 V，蓄能時間僅1 ms左右。放電階段同樣有較大差異：整個放電階段持續4 ms左右，且前3 ms電壓穩定在800 V左右，電流穩定在70 mA以上，均明顯高于普通點火，3 ms之后電壓和電流才迅速衰減。

圖6 高能點火的電壓和電流特性

從圖6可見，高能點火系統增大了放電電壓和電流并延長了放電時間，且試驗發現提高供電電壓，對應的放電電壓、電流均明顯增大。進一步分析不同電壓下的高能點火與普通點火放電特性。圖7a為放電功率，由低到高4條曲線分別是普通點火，高能點火12 V，14 V以及16 V，對時間積分得到圖7b點火系統能量。

圖7 不同點火系統的功率和點火能量

由圖7a可知，普通點火系統初始放電功率僅30 W左右，并隨時間迅速衰減，12 V高能點火初始放電功率超過60 W，16 V初始放電功率可達120 W以上，并且前3 ms有明顯的功率保持臺階，3 ms后放電功率才快速衰減。放電時間隨供電電壓的增加而小幅增加。由圖7b可知，高能點火能量明顯高于普通點火系統的40 mJ，在12 V，14 V和16 V下的高能點火能量分別為144 mJ，202 mJ和254 mJ，點火能量與供電電壓呈二次方關系。

稀薄燃燒會導致火焰傳播變慢，通常需要提前點火以實現較好的燃燒相位，但點火角過于提前會因缸內溫度太低而失火。研究表明[11]，大電流可以增加對火花塞周圍的能量輸入，延長點火時間可以做到壓縮上止點缸內溫度較高時仍然在點火，改善因缸內溫度低和點火時間短造成的失火問題。該高能點火系統持續3 ms的大功率放電臺階可以基本實現全轉速范圍以較大的點火提前角持續點火到壓縮上止點，最大程度地兼顧燃燒相位和低溫失火問題。但也存在高轉速工況點火時間太長，可能加速火花塞磨損的問題。

2.2 不同點火系統的電弧發展

為了研究進氣流場對點火電弧實際持續時間的影響，本試驗選擇發動機轉速為2 000 r/min的工況，通過模擬增壓系統控制進氣壓力(絕對壓力)從36 kPa分級增加到101 kPa。點火提前角統一設為-15°，進行只點火不噴油試驗。關閉環境燈光，使用高速攝影拍攝點火和氣流作用下的電弧發展，拍攝頻率設為12 000 fps(2 000 r/min工況下1 ms等效12°，即1張/(°))。以高能點火16 V為例，理論點火持續4.25 ms，即持續到36°。實際某循環進氣流場下的火花塞電弧隨曲軸轉角發展見圖8，從第21°之后拍攝不到電弧，放電通道已被進氣流場吹斷。

圖8 實際進氣流場下電弧隨曲軸轉角的發展

不同循環的吹斷角度有一定差異，為了得到更具規律性的結果，對12 V高能點火在每一個進氣壓力下的電弧進行連續500循環拍攝，并用軟件處理500個循環每個曲軸轉角的圖片，統計放電全程電弧拉升和吹滅情況，得到電弧隨曲軸轉角的吹斷概率受進氣壓力的影響(見圖9a)。在66 kPa進氣壓力下對不同能量高能點火的電弧發展進行連續500個循環的拍攝，得到電弧隨曲軸轉角的吹斷概率受點火能量的影響(見圖9b)。

圖9 進氣壓力和點火能量對電弧吹斷的影響

由圖9a可以看出，無氣流吹火花塞時，12 V供電高能點火電弧可從-15°持續到33°。有氣流時，-5°之后隨著曲軸轉角增加，電弧被吹斷的概率逐漸增大，尤其是23°之后電弧被吹斷的概率加速增加。對放電3 ms(等效21°，此時電流最平穩)時的電弧在不同進氣壓力下的吹斷概率進行分析，得到進氣壓力對電弧吹斷概率的影響(見圖10a)。

圖10 進氣壓力和放電功率對電弧吹斷概率的影響

由圖9b可以看出，隨著高能點火等級的提高，相同曲軸轉角下電弧被吹斷的概率明顯降低。同樣地，23°之后不同等級高能點火的電弧被吹斷的概率均加速增加。結合圖7a的放電功率曲線可知，前3 ms有功率保持臺階，3 ms后放電功率迅速衰減，造成電弧容易被吹斷。圖9b不同曲軸轉角對應的電弧吹斷概率結合圖7a不同曲軸轉角對應的放電功率，可以得到電弧吹斷概率隨瞬態放電功率的散點圖(見圖10b)。

由圖10a看出，在3 ms(21°)時，36 kPa的進氣壓力下僅有14%的循環電弧被吹斷，隨著進氣壓力增加，電弧被吹斷的概率迅速增加，101 kPa時有73%的循環電弧被吹斷，這是氣流增強帶來的結果。由圖10b可以看出，66 kPa進氣壓力下，在放電功率小于40 W時，電弧吹斷概率隨著放電功率的增加迅速降低，且基本呈線性。在放電功率大于60 W時，不同供電壓力下都能實現電弧基本不會被吹斷。豐田和電裝[6,13]通過試驗結合建模對電弧吹斷模型進行了深入研究，發現隨著火花塞周圍流速的增加，為了維持穩定點火，放電電流也要隨之增加，但增幅逐漸減小。以流速30 m/s為例，為了保證電弧不被吹斷，放電電流需要穩定在80 mA以上。結合上述結果，得出如下推論：對于每一個氣流流速v，存在一個維持穩定點火的最低放電功率P，高于該放電功率則電弧不會被吹斷，低于該放電功率越多則電弧被吹斷的概率越大。氣流流速v越大，穩定點火的最低放電功率P也越大，推測是因為火花塞輸入放電通道的能量需要大于氣流吹走的能量才能保持穩定，否則放電等離子體通道會被吹斷。

2.3 高能點火對燃燒的影響

研究表明[14]，過量空氣系數大于1.36時，高能點火對指示平均有效壓力(IMEP)循環變動(COVIMEP)、燃燒相位等參數影響很小，這是因為普通點火也能形成穩定的火核，火焰傳播也較快。高能點火對過量空氣系數大于1.5的工況燃燒影響較大，因此對稀燃具有重要的現實意義。燃燒試驗工況控制轉速為2 000 r/min，調整進氣和噴油使得指示平均有效壓力為0.57 MPa、過量空氣系數φ=1.6，點火角固定為-17°，研究該稀燃工況下不同點火能量對燃燒的影響。取連續的50個循環進行平均，以主燃燒持續期(5%～90% MFB)作為燃燒速率指標，持續期越小則燃燒越快。以平均指示壓力波動COVIMEP作為燃燒穩定性指標，越小則燃燒越穩定。試驗結果見圖11。

圖11 高能點火對燃燒參數的影響

由圖11可知，相同稀燃工況下，隨著點火能量等級的提高，燃燒持續期逐漸減小，IMEP循環變動整體較小，且隨著點火能量的增加進一步降低，即高能點火改善了該工況下的燃燒速率和燃燒穩定性。

為了進一步研究點火能量對稀燃極限的影響，調整噴油、進氣壓力、點火提前角等參數從而增加稀燃程度直至COVIMEP達到臨界值。以3%為燃燒穩定性臨界值，試驗得到不同點火能量的稀燃極限過量空氣系數及對應點火角(見圖12)。

圖12 高能點火對稀燃極限的影響

由圖12可知，普通點火的稀燃極限過量空氣系數為1.70，16 V高能點火(254 mJ)的稀燃極限可達1.82。在相同的IMEP循環差異限值下，隨著點火能量的增加，稀燃極限不斷增加，由于稀釋程度增加，對應的點火角也不斷提前。

3 結論

a) 試驗所用高能點火系統通過增大放電功率和維持高功率放電臺階的設計，使得點火能量明顯高于普通點火系統的40 mJ，在12 V，14 V和16 V供電下的高能點火能量分別為144 mJ，202 mJ和254 mJ，點火持續時間從2.6 ms增至4 ms以上；

b) 光學機臺架試驗結合高速攝影發現：點火系統輸入的能量需要大于氣流吹走的能量才能保持穩定點火， 144 mJ點火能量下，隨著進氣壓力從35 kPa逐漸增至101 kPa，電弧被吹斷的概率從14%增至73%；66 kPa進氣壓力下，隨著點火能量從144 mJ增加到254 mJ，電弧被吹斷的概率從39%降至5%；放電功率超過一定值就能保證電弧基本不會被吹斷，且火花塞周圍流速越高，該功率越大；

c) 高能點火對稀薄燃燒極限工況有較大影響：相同過量空氣系數(φ=1.6)下，點火能量越高則稀燃燃燒越快，且燃燒穩定性越好；相同燃燒穩定性限值(COVIMEP小于3%)下，點火能量越高，稀燃極限過量空氣系數越大。