電暈放電高頻點火系統(tǒng)

【德】 S.Bohne G.Rixecker V.Brichzin M.Becker

1 空間點火是最主要的途徑

可靠點燃稀薄混合氣對點火系統(tǒng)提出極高要求，傳統(tǒng)的晶體管線圈點火裝置無法產(chǎn)生足夠的點火能量，以限制這種運(yùn)行狀況下的循環(huán)波動。而且，對于均質(zhì)和分層混合氣運(yùn)行方式而言，稀薄混合氣的低燃燒速度降低了效率方面的優(yōu)勢，但分層混合氣運(yùn)行方式能從延長的燃燒持續(xù)期中獲益，在每個燃燒循環(huán)中，都能使空燃混合氣著火燃燒。

在這方面，處于開發(fā)階段的新型高廢氣再循環(huán)（EGR）率和稀薄混合氣運(yùn)行方案都能從擴(kuò)大點火空間方面獲得明顯優(yōu)勢，不僅能確?；旌蠚饪煽奎c燃，而且形成空間的火焰核心具有較高的燃燒速度，從而有助于能量高效釋放。基于電暈放電現(xiàn)象的高頻點火已被證實是一種可供選用的技術(shù)（圖1），能滿足轎車領(lǐng)域的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因而在2020年的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)生效前具有可供市場應(yīng)用的潛力。BorgWarner Beru系統(tǒng)公司開發(fā)的EcoFlasch電暈放電高頻點火系統(tǒng)現(xiàn)已進(jìn)入量產(chǎn)階段。

2 系統(tǒng)概況及開發(fā)狀況

當(dāng)前，電暈放電均采用相同方案，即借助于量產(chǎn)的諧振電路，通過諧振變壓產(chǎn)生氣體放電所需的電壓，根據(jù)運(yùn)行工況點確定高電壓，避免出現(xiàn)意外的火花中斷。借助于電場模擬，通過燃燒室設(shè)計能較為理想地達(dá)到控制目的，從而確保燃燒室金屬表面上方的電場強(qiáng)度在任何時刻都不會超過一定閾值。如能正確控制電暈放電，那么，氣體放電所產(chǎn)生的能量幾乎只釋放給氣缸充量，從而在所釋放的能量與傳遞給工作介質(zhì)的能量之間獲得比火花點火更為有利的狀況。

圖2示出了轎車發(fā)動機(jī)用的EcoFlasch電暈放電高頻點火系統(tǒng)方案，包括由電控單元和高頻控制器組成的控制器單元，以及根據(jù)發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)確定的3～6個點火塞，而高頻控制器與點火塞之間的高頻電纜則采用同軸電纜。因電壓變換的末級是通過集成在點火塞上的諧振電路進(jìn)行的，因此要變換的電壓被限制在1kV以下。在6缸機(jī)上，EcoFlasch電暈放電高頻點火系統(tǒng)（A樣機(jī)狀態(tài)）的有效功率消耗最大為350W。在A樣機(jī)狀態(tài)下，點火系統(tǒng)用于4缸2.0L進(jìn)氣道噴射增壓發(fā)動機(jī)時，50mJ的點火能量足以使大部分發(fā)動機(jī)特性曲線場范圍內(nèi)的平均指示壓力變化系數(shù)小于2.6%，而在批量檢測較多的情況下，對于1臺排量為92mL的小型二沖程化油器汽油機(jī)而言，在怠速至10 000r／min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行，小于25mJ的點火能量已經(jīng)足夠了。

在試驗臺運(yùn)行和用戶使用中應(yīng)用的A樣機(jī)將逐漸被目前內(nèi)部使用的B樣機(jī)替代，后者的電效率高1倍，并具有1套完整的通訊接口。

3 增大部分負(fù)荷的EGR公差

在1臺目前使用的4缸1.4L增壓直噴汽油機(jī)上，對EcoFlasch-A型電暈放電高頻點火系統(tǒng)和具有90mJ點火能量的傳統(tǒng)晶體管線圈點火裝置進(jìn)行詳細(xì)的比較。為了在試驗臺上運(yùn)行，還附加裝備了冷卻低壓EGR系統(tǒng)。其點火裝置位于燃燒室中央，噴油器布置在側(cè)面。對于為混合氣噴束和壁面組合導(dǎo)向設(shè)計的活塞頂燃燒室淺凹坑，無須為采用電暈放電高頻點火系統(tǒng)而進(jìn)行修改，但是，若在此基礎(chǔ)上對燃燒室?guī)缀涡螤钸M(jìn)行附加匹配，還能獲得比試驗結(jié)果更為明顯的優(yōu)勢。

通過測量程序查明部分負(fù)荷時轉(zhuǎn)速2 000r／min和4 000r／min、平均有效壓力0.14～0.20MPa之間負(fù)荷工況點的EGR公差，而關(guān)于全負(fù)荷時混合氣稀薄的可能性、爆震狀況和EGR公差等試驗結(jié)果已在之前的報告中發(fā)表過。如圖3所示，在轉(zhuǎn)速2 000r／min、平均有效壓力0.6MPa的運(yùn)行工況點，與傳統(tǒng)的晶體管線圈點火裝置相比，EcoFlasch電暈放電高頻點火系統(tǒng)允許EGR率顯著提高，在運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性系數(shù)不大于5%的情況下，外部EGR率可達(dá)到29.7%，比傳統(tǒng)晶體管線圈點火裝置提高了13%。

其他運(yùn)行工況點的EGR公差改善狀況與此相似。對質(zhì)量轉(zhuǎn)換點的精確分析表明，除了著火滯后明顯縮短之外，采用電暈放電高頻點火的燃燒持續(xù)期也較短。一般著火滯后縮短5～20°CA，而且，隨著充量的進(jìn)一步稀薄，還呈現(xiàn)出增大趨勢。即使在混合氣被強(qiáng)烈稀釋的情況下，相比傳統(tǒng)晶體管線圈點火，其燃燒持續(xù)期（5%～90%轉(zhuǎn)換期）也有約5%～10%（2.0～3.5°CA）的優(yōu)勢，從而具有提高效率的效果。

4 高點火壓力和全負(fù)荷時的性能

據(jù)文獻(xiàn)所載，電暈放電的空間伸展長度與氣缸點火壓力大小相反，當(dāng)然，相對于反比要少得多。因此，即使在高點火壓力情況下，也要具有足夠的電暈放電量，才能在高負(fù)荷工況點仍保持電暈放電高頻點火的空間點火特性。目前，EcoFlasch電暈放電高頻點火系統(tǒng)的開發(fā)性能完全能滿足這樣的前提條件（圖4），因此，空間點火的獨(dú)特優(yōu)勢即使在點火時的高氣缸壓力下也不會受限。

在采用EcoFlasch電暈放電高頻點火系統(tǒng)的1.4L增壓發(fā)動機(jī)上，與傳統(tǒng)的晶體管線圈點火相比，在全負(fù)荷時保持相同爆震強(qiáng)度的情況下，燃燒重心位置最多能夠提早4°CA，因此，無須采取其他設(shè)計措施，就能將平均有效壓力提高0.05MPa，或者在保持90mJ晶體管線圈點火裝置所能達(dá)到的最大扭矩情況下，在全負(fù)荷時最多摻入4%的外部EGR，從而使廢氣溫度降低10K，比油耗降低2%。

基于上述試驗結(jié)果，有可能減少全負(fù)荷工況的加濃量，以及基于更迅速的著火燃燒和更高的抗爆性，提高低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩。與開發(fā)伙伴和用戶合作進(jìn)行的試驗證實了上述可能性。

5 發(fā)動機(jī)耐久運(yùn)行試驗

在1.4L增壓發(fā)動機(jī)上進(jìn)行超過500h的高負(fù)荷耐久運(yùn)行試驗，查明電暈放電高頻點火系統(tǒng)的電流消耗和點火塞中心頻率等主要運(yùn)行參數(shù)隨時間的變化情況。在規(guī)定的時間間隔中，點火電極的斷火和燒損狀況證實了其耐久運(yùn)行性能。點火系統(tǒng)的特性參數(shù)在運(yùn)行過程中并無明顯的變化（圖5），即使點火電極頂端有輕微燒損，仍有可能在汽車上獲得明顯超過10萬km的使用壽命。

6 結(jié)語

介紹了電暈放電高頻點火系統(tǒng)的概況和基本工作原理，并以試驗臺試驗結(jié)果證實了其優(yōu)點。試驗證實，該系統(tǒng)能提高EGR兼容性，改善抗爆性，并能降低比油耗，而且，無須為此修改燃燒室的幾何形狀和尺寸。

與用戶和合作伙伴共同對EcoFlasch電暈放電高頻點火系統(tǒng)進(jìn)行多項試驗，獲得了該系統(tǒng)為開發(fā)燃燒過程提供的可能性和自由度。電暈放電高頻點火不僅為高EGR和稀薄燃燒過程奠定了基礎(chǔ)，而且還能借助于較小充量運(yùn)動減少換氣損失，或采用米勒循環(huán)配氣相位提高效率。圖6示出了在發(fā)動機(jī)特性曲線場中應(yīng)用電暈放電高頻點火系統(tǒng)的各種可能性。