汽車點火能量供需平衡控制與全性能點火

曹楊慶

（中煤科工集團杭州研究院 浙江 杭州 311201）

引言

工況對點火能量及放電特性需求變化很大，常用點火技術(shù)受電路性能限制，均不能適配全部工況，技術(shù)性能不夠完善。點火能量供需平衡控制，開創(chuàng)了點火新技術(shù)[1]。儲能電壓動態(tài)參數(shù)閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)的不僅是能量大小，更包括能量轉(zhuǎn)換速率、放電特性，直至采用高頻點火方式。點火性能適合發(fā)動機全部工況，屬全性能點火。

1 點火能量供需平衡控制技術(shù)

1.1 能量動態(tài)參數(shù)測量

儲能電壓高速變化。調(diào)節(jié)其動態(tài)，需測量反映其運動狀態(tài)的動態(tài)參數(shù)作為控制參數(shù)。升壓速率就是反映能量變化快慢的參數(shù)。定義升壓速率，采用比較器測量儲能電壓分壓的變化，由單片機測量比較器狀態(tài)變化中包含的儲能電壓動態(tài)參數(shù)或升壓速率信息。

現(xiàn)有CDI沒有建立儲能電壓或能量動態(tài)的概念，不能調(diào)節(jié)能量動態(tài)，而只能輸出固定的儲能電壓或任其隨時間升高，獲得有限的變化。

EB-CDI（energy balance-CDI）定義、提取、運用點火能量動態(tài)參數(shù)及測量技術(shù)，并由此形成一系列的創(chuàng)新技術(shù)。

1.2 動態(tài)參數(shù)閉環(huán)控制

測量動態(tài)參數(shù)，按經(jīng)驗需求模型，對該動態(tài)參數(shù)作調(diào)節(jié)，定量控制儲能電壓輸出，就形成儲能電壓動態(tài)參數(shù)閉環(huán)控制。

閉環(huán)控制，是在調(diào)節(jié)周期之間連續(xù)進行的。通過在周期之間測量、調(diào)節(jié)、傳遞動態(tài)參數(shù)，就能實現(xiàn)對輸出能量的動態(tài)調(diào)節(jié)。這種針對點火能量動態(tài)參數(shù)的閉環(huán)控制，既是創(chuàng)新性的概念與技術(shù)，又仍然保持CDI的基本原理，繼承與發(fā)展了原技術(shù)的實用性、可靠性。

具體技術(shù)為：測量升壓速率，根據(jù)輸出目標(biāo)調(diào)節(jié)升壓電路，影響其輸出狀態(tài)，形成點火能量變化。而調(diào)節(jié)引起的儲能電壓動態(tài)參數(shù)的改變，被下一次測量掌握。逐周期形成閉環(huán)控制，保持或跟隨輸出能量目標(biāo)。

電池電壓變化大幅影響儲能電壓的動態(tài)，從而影響輸出能量。這也是CDI技術(shù)突破的一大障礙。與IDI（inductive discharge ignition）調(diào)節(jié)能量的原理不同，閉環(huán)控制不需要測量電池電壓。測量儲能電壓的動態(tài)參數(shù)，已經(jīng)參照、補償了電池電壓，解決了這個復(fù)雜的補償問題。IDI的能量及電池電壓補償不能作能量轉(zhuǎn)換速率的調(diào)節(jié)，因此其技術(shù)與功能簡單而易于理解。

1.3 升壓占空比在線調(diào)節(jié)

實際電路中，影響能量動態(tài)的是電池電壓與升壓電路運行狀態(tài)即升壓占空比。采用脈沖升壓及升壓占空比調(diào)節(jié)，可以準(zhǔn)確、大范圍控制能量轉(zhuǎn)換功率，是理想的調(diào)節(jié)手段。輸出能量從此具備跟隨工況需求大幅變化的可調(diào)節(jié)性。

占空比調(diào)節(jié)也使EB-CDI具備對電源的高度適應(yīng)力。如從3 V到25 V，或更大范圍，都可以準(zhǔn)確地輸出目標(biāo)能量。數(shù)字控制占空比升壓及調(diào)節(jié)的全套技術(shù)，被證實兼具高效與極高的運行可靠性，也保證了能量供需平衡控制點火系統(tǒng)的可靠性。

升壓電路的輸入與轉(zhuǎn)換原理也有相應(yīng)創(chuàng)新，具有高輸入功率，迅速積聚高能。與調(diào)節(jié)技術(shù)結(jié)合后，同等電池電壓下，EB-CDI的能量不小于IDI。

可以應(yīng)對轉(zhuǎn)速、溫度、混合氣濃度等工況對點火能量需求的大幅度變化。從發(fā)動機高溫工況的小能量，到低溫啟動以及各種新技術(shù)需求的超高能量。

1.4 電路技術(shù)

通過電路原理創(chuàng)新，EB-CDI功能強大的占空比可調(diào)升壓電路，僅由小型變壓器加低阻場效應(yīng)管構(gòu)成；能量動態(tài)參數(shù)閉環(huán)控制，包括必須的動態(tài)參數(shù)測量電路在內(nèi)，實際只需要一對分壓電阻，就得以實現(xiàn)。另有一0.1 μF～5 μF的儲能電容。這些就是EB-CDI相比IDI增加的全部硬件開銷，二者都有單片機或ECU作為控制電路。而IDI還另有限流電阻、電池電壓測量電路或還需電感初級電流檢測電路，以及為提高連續(xù)點火的頻度而采用限流電阻切換電路。

具有與IDI一樣簡單或更簡單的電路，而且沒有IDI必不可少的大電感、大電流；沒有隨時面臨的電流超限的風(fēng)險。具備低功耗、低電流、低熱、高能效。運行可靠性從原理上就高于IDI。由于儲能電壓是升壓脈沖輸出的累積，閉環(huán)控制已經(jīng)在每個升壓脈沖后檢測儲能電壓狀態(tài)。能量的累積在整個過程被及時監(jiān)測，而不是在升壓結(jié)束后再檢測。可靠地防止升壓速率或儲能電壓超過限度。

技術(shù)概念、運行原理高度軟件化，得以造就簡單的硬件系統(tǒng)。軟件、算法大量代替硬件，實現(xiàn)復(fù)雜而意義重大的功能。

2 EB-CDI能量形成與釋放

2.1 點火能量的諸多特性

工程應(yīng)用及研究，注重點火輸出的多指標(biāo)、多方式。主要為點火電壓或放電電流、持續(xù)時間、連續(xù)點火及其頻度等。該3類指標(biāo)形成點火能量的主要特性，其中連續(xù)點火及頻度，自身也具有多項指標(biāo)。

各部分參數(shù)及關(guān)系，定性或定量地反映某些重要特性。點火電壓，偏于影響擊穿能力；持續(xù)時間對建立穩(wěn)定燃燒及效果有一定影響；連續(xù)點火，偏于穩(wěn)定燃燒及能效的提高。

能量各項指標(biāo)或特性按工況需求自由調(diào)節(jié)，是理想的點火電路。

2.2 輸出能量可控性

IDI通過控制線圈通電時間調(diào)節(jié)能量。能量范圍大、調(diào)節(jié)方便，仍是合適的點火電路。但能量由電池電壓及線圈電感、電阻、通電時間等決定，各主要參數(shù)互相及與點火性能形成制約。為提高點火能量，其初級電感、電阻、最大電流、充能時間的潛力，一再被發(fā)掘。

CDI的儲能構(gòu)造獨立，可以積儲很大能量。但實用轉(zhuǎn)換電路出力低，更沒有良好的能量調(diào)節(jié)、補償技術(shù)，為兼顧低能量需求及可靠性，高能輸出受到制約，實際能量一般小于IDI。沒有能量調(diào)節(jié)技術(shù)，使CDI的點火能量偏小且不便于跟隨工況。

EB-CDI儲能機構(gòu)獨立，轉(zhuǎn)換功率可以大幅調(diào)節(jié)。具有高功率、高效率。且電容與電感參數(shù)作配合設(shè)計，保持放電效率的同時，無需為獲得大能量而持續(xù)保持大電流、付出過長的儲能時間。其他各項參數(shù)的設(shè)計也比較獨立。

消除CDI能量形成受電路原理、可靠性過多制約的缺陷，輸出能力獲得釋放。突破傳統(tǒng)CDI實際運行能量偏小的局限，具備理想的輸出能量調(diào)節(jié)功能。

跟隨工況對能量需求的大幅變化。單次點火即可以配合低溫啟動、特別是異型燃料的低溫啟動等特殊工況。提供高能、超高能，建立穩(wěn)定燃燒。即使在電池狀態(tài)已經(jīng)不利的條件下，也可提供工況所需高能量。

2.3 放電特性

點火能量、火花功率、擊穿能力、放電持續(xù)時間、能量重建時間，是點火技術(shù)追求、兼顧的目標(biāo)。EBCDI憑此及綜合性能形成優(yōu)良的技術(shù)。

火花功率是引燃混合氣、建立穩(wěn)定燃燒最重要的因素。放電功率與放電持續(xù)時間在功能上可互補，但又相互對立地存在。以犧牲放電強度來換取單次放電持續(xù)時間，有得有失。能量有限，單次放電的持續(xù)時間既不宜追求，也不能憑此解決更多點火性能問題。

單次放電持續(xù)時間長，有不利于點火的一面。所建立的電離帶變小；空間、時間能量密度降低，處于高速擾動中的混合氣流的燃燒容易變得不穩(wěn)定。特別是對高壓、高速、稀薄、難燃的混合氣。能量更多地在持續(xù)期間擴散及被電極吸收、被高速氣流稀釋。只能在有限條件下獲得有限好處，一般在低速兼輕負荷工況能獲得益處，高速大負荷等工況則無優(yōu)勢[2]。

CDI式放電，除了點燃力強大，混合氣在接受高能后，持續(xù)與逐漸擴散的能量及強大的火核共處高溫氛圍中，火核易于穩(wěn)定生長。是混合氣接受能量的合理過程。傳遞到混合氣的能量不會隨放電結(jié)束而瞬間消失，其存續(xù)就是對維持燃燒的貢獻。而且還較少受火花塞消焰作用的影響。

經(jīng)驗及研究認為，即使對被認為需要較長放電時間的工況，CDI一般也只需適當(dāng)提高放電強度或能量，效果就可獲得彌補或更好。放電功率與持續(xù)時間之間，前者補償后者的效果好，反之則弱。即持續(xù)一定時間的放電功率是更為重要的指標(biāo)[3]。要求放電持續(xù)時間長，部分原因正是出于IDI自身的放電特性：能量釋放過程中耗散太多、不能迅速建立穩(wěn)定火核等，導(dǎo)致對持續(xù)時間的更多依賴[4]。大多數(shù)工況，電容式放電優(yōu)于或不輸IDI。EB-CDI的能量可以遠大于CDI、也可以大于IDI。其單次放電性能，除了本質(zhì)上的優(yōu)勢，必要時又可通過能量調(diào)節(jié)大大增強，足以在必要時補償放電效果；已經(jīng)基本匹配各種工況對放電特性的需求，性能較全面。

EB-CDI屬于所謂擊穿放電或擊穿點火。即主要能量在極短的擊穿階段釋放，使電能得到最大限度的利用，獲得高有效點火能量。文獻4、5詳細論述了擊穿點火的重大意義。能量被大量轉(zhuǎn)換為等離子體能量、產(chǎn)生高能氧，非常有利于燃燒能量轉(zhuǎn)化。文獻6提到：擊穿階段所釋放的能量有助于加大火核的初始尺寸，從而加快火焰的形成和初期發(fā)展，并且可以燃燒更稀薄的混合氣。擊穿放電階段火花功率可達250 kW。各種工況下點燃、助燃效果好。可認為是電容式放電的優(yōu)勢性能之一。

容易將放電持續(xù)時間設(shè)計得偏于IDI式。一般電容式電路，放電持續(xù)時間已可達到0.6 ms，當(dāng)然可以更長[7]。其設(shè)計可以根據(jù)發(fā)動機需求在不同的放電性能之間作出權(quán)衡。CDI的實際有效放電持續(xù)時間，一定條件下還可按儲能量調(diào)節(jié)。能量大，持續(xù)時間也相應(yīng)大幅延長[8-9]。這可能是以能量補償持續(xù)時間具有較好效果的原因之一。

以IDI的固定特性來應(yīng)對放電性能需求，除了缺少電容式放電的優(yōu)勢，多數(shù)情況下，持續(xù)時間效果仍不足以應(yīng)付需求。而EB-CDI可以通過參數(shù)設(shè)計及調(diào)節(jié)，在利用CDI放電優(yōu)勢的情況下，在線匹配或補償工況對點火性能的需求。單次點火放電性能就可在全工況優(yōu)于IDI。但無論CDI、IDI，以單次放電應(yīng)對全工況，均有改進余地。

2.4 高頻點火

連續(xù)點火，即在同一周期多次執(zhí)行點火，間隔大約1.5 ms或以上。已被認為是部分解決點火性能問題的途徑；可延長點火持續(xù)時間、減少失火。據(jù)普遍經(jīng)驗、實驗及技術(shù)分析，其效果是單次放電所不能達到的。文獻2、9、10、11認為，電容式連續(xù)點火作用顯著。除了大大延長放電持續(xù)時間，還增加稀燃穩(wěn)定性、加快燃燒速度等；有效改善發(fā)動機能效、動力性、經(jīng)濟性、排放性。

IDI可執(zhí)行連續(xù)點火，也有明顯效果。但能量充放速率低，導(dǎo)致頻度低、能耗大，只能在低速下實施。而且進一步改善的效果有限。

高頻點火是連續(xù)點火的更高級階段。所謂高頻點火，要求連續(xù)點火頻率更高，間隔小于或遠小于1 ms。

EB-CDI使高頻點火技術(shù)趨于成熟，創(chuàng)造出全面優(yōu)化的性能。

根據(jù)工況及自動隨電池電壓變化大幅調(diào)節(jié)升壓占空比。升壓速率改變，同能量的充電時間可縮短或變化幾倍、十幾倍，頻度也可提高。并對逐次放電各參數(shù)保持精確調(diào)節(jié)、控制，形成較為理想的高頻點火。在缸內(nèi)高速氣流的推動下，持續(xù)大量電離氣體，維持穩(wěn)定、高效的能量轉(zhuǎn)化。

擊穿放電是高頻點火應(yīng)具備的技術(shù)手段。因具有明顯優(yōu)勢，已成為各種新技術(shù)的基礎(chǔ)。EB-CDI則以能量儲放調(diào)節(jié)技術(shù)為基礎(chǔ)，將擊穿點火技術(shù)發(fā)展到高頻擊穿。充放電速率高、能量利用效率高及擊穿放電技術(shù)好，遠優(yōu)于IDI、CDI連續(xù)點火。

2.5“單次電容式點火+高頻擊穿”組合

EB-CDI實際執(zhí)行的點火形式一般為：“單次電容式點火+高頻擊穿”。2種組分均具優(yōu)良特性。首次大能量電容式點火，形成強大火核；高頻擊穿維持高效燃燒。各自的參數(shù)可獨立地大范圍調(diào)節(jié)，包括缺位。當(dāng)工況認為助燃效果或能量不足時，即動員高能點火及高頻擊穿。高頻擊穿的重要性在于維持穩(wěn)定、高效的燃燒、惡劣工況下防止猝滅發(fā)生，而不是僅被動地挽救點火未果。高頻擊穿與IDI延長放電持續(xù)時間有本質(zhì)區(qū)別，后者沒有高頻擊穿的助燃優(yōu)勢、持續(xù)時間不能通過調(diào)節(jié)適配不同工況，更需要損失可貴的放電功率。

針對不同的應(yīng)用環(huán)境，可在大小電容、高低儲能電壓等各種配合之間及其他點火參數(shù)上作出大范圍選擇，以獲得更多樣的點火性能、效果。EB-CDI可以作出前所未有、非常不同的能量累積及放電特性。

EB-CDI組合式點火，在不同工況下都體現(xiàn)優(yōu)勢，解決IDI不能解決的點火性能問題，是匹配發(fā)動機全工況的全性能點火技術(shù)。相比之下，CDI、IDI的點火性能各自在部分工況為弱項，也沒有EB-CDI貫穿始終的突出性能。

3 EB-CDI與汽車新技術(shù)

3.1 與發(fā)動機新技術(shù)匹配

各種基于能效和環(huán)保目的的發(fā)動機新技術(shù)，對點火技術(shù)提出越來越高的要求。EB-CDI全面靈活控制的能量儲放性能，可以恰當(dāng)應(yīng)對任何發(fā)動機新技術(shù)、新的能效和排放要求；提高燃燒穩(wěn)定性、擴展烯燃、EGR的極限。

3.2 各型燃料應(yīng)用

乙醇汽油的普及在即，多種醇類汽油國標(biāo)已經(jīng)頒布。所謂靈活燃料汽車，首要的是點火、燃燒，技術(shù)難點也在于此。需要以單獨的常規(guī)點火裝置點燃多種燃料，即對大部分醇類汽油具備靈活性。

醇類燃料往往需要以大能量點火啟動，在可點燃的臨界溫度附近，燃燒常不穩(wěn)定。還存在保質(zhì)期及恰當(dāng)使用等問題，增加點火技術(shù)負擔(dān)。燃料問題與眾多發(fā)動機新技術(shù)一起，對點火能量形成更復(fù)雜的需求模型。即便是10%的醇類配比，也在已趨繁難的點火要求上額外增加難度。使現(xiàn)有點火技術(shù)與需求之間的性能差距增大。

EB-CDI可憑借動態(tài)平衡控制技術(shù)，對各類燃料以高能點火、性能優(yōu)良的組合點火作出應(yīng)對。

3.3 24 V、48 V 電池供電

EB-CDI能量轉(zhuǎn)換，不需要對電源采取電阻限流措施，相反盡力追求零輸入電阻。24 V、48 V電池條件下，能大幅提升能量平衡控制的技術(shù)性能。采用精細的分時切割方式接入能源，數(shù)字化占空比技術(shù)調(diào)節(jié)能量輸入速率，直接將電池能量轉(zhuǎn)換為點火能量。充分利用而不是無謂消耗、躲避高電壓強大的勢能。

高電壓及零電阻輸入轉(zhuǎn)換的高速、高效，減小了能源及電路對能量形成的制約，技術(shù)性能如虎添翼。在電源優(yōu)勢下能量儲放特性進一步優(yōu)化，高頻擊穿等性能進一步提高。12 V電壓時，EB-CDI的高頻點火性能多少受到制約。在24 V、48 V及以上電壓下，高頻性能更充分。也有助于汽車實現(xiàn)48 V或更高電壓單一供電消除主要技術(shù)障礙，二者相益得彰。

對于比48 V高得多的電池供電，則以更細的時間分割實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，達到更高的能量多項指標(biāo)。電路上，EB-CDI的點火線圈與高電壓之間，至少經(jīng)由升壓變壓器、儲能電容雙重隔離。點火線圈僅接受電容釋放的能量，與高電壓沒有直接聯(lián)系、沒有安全及可靠性風(fēng)險。

3.4 與新型點火技術(shù)的關(guān)系

已經(jīng)出現(xiàn)的幾種點火新技術(shù)，追求能量儲放優(yōu)良特性，實現(xiàn)常規(guī)點火技術(shù)難以達到的效果，但整體性能往往有所不及。EB-CDI則在傳統(tǒng)技術(shù)高可靠性、實用性的基礎(chǔ)上，接近、達到火花式或其他方式追求的理想性能。

4 結(jié)論

能量與轉(zhuǎn)換速率的高度調(diào)節(jié)，必然給放電性能優(yōu)越的CDI帶來深刻變化，進入新的應(yīng)用階段。

傳統(tǒng)CDI被認定的4大不足，即能量弱、不便于調(diào)節(jié)、放電持續(xù)時間短、電路復(fù)雜，被完全消除，轉(zhuǎn)而具備全面、突出優(yōu)勢。而IDI遲緩且固定的充放電特性則不利于性能的拓展。

更兼低電流、低熱、低能耗、高能效，更高的可靠性。

以動態(tài)參數(shù)閉環(huán)控制為基礎(chǔ)的“電容式點火+高頻擊穿”組合，大幅提升CDI能量與放電特性，創(chuàng)造性地將電容式性能優(yōu)勢提升、延伸到各種工況，開創(chuàng)了基于傳統(tǒng)點火方式的全性能點火技術(shù)。

利于不同工況下建立穩(wěn)定、高效的燃燒。有助于能效與排放水準(zhǔn)提高、各類燃料使用及不斷發(fā)展的稀薄燃燒、EGR等技術(shù)范圍的擴展。解決現(xiàn)有IDI、CDI點火性能不適應(yīng)全工況、排放及燃燒能效不盡如人意等存在已久的難題。24V及以上電壓條件下，優(yōu)勢進一步擴大。

同時，EB-CDI也是一種概念與技術(shù)較為復(fù)雜的新型點火系統(tǒng)。超越傳統(tǒng)點火電路，其ECU或?qū)ＴO(shè)的點火ECU能將豐富的點火技術(shù)與特定發(fā)動機的性能規(guī)律動態(tài)協(xié)調(diào)。

為汽車或任何點燃式發(fā)動機追求高性能、先進技術(shù)、新能源技術(shù)提供技術(shù)支持。