高能點(diǎn)火對(duì)電弧發(fā)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(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

目前的先進(jìn)汽油機(jī)通過高壓縮比、高滾流的設(shè)計(jì)結(jié)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(shí)現(xiàn)40%的最大熱效率。下一代高效汽油機(jī)的熱效率要達(dá)到45%左右，引入大量空氣的稀薄燃燒被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)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(diǎn)火和燃燒不穩(wěn)定等問題[1]。眾多研究表明[2-6]，高能點(diǎn)火可以加強(qiáng)火核形成、加快火焰發(fā)展并提高燃燒穩(wěn)定性，有效擴(kuò)大稀燃極限，從而成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。

常規(guī)點(diǎn)火系統(tǒng)能量一般小于50 mJ，放電時(shí)間一般在2 ms左右，而疊加類高能點(diǎn)火系統(tǒng)基于常規(guī)點(diǎn)火系統(tǒng)提高放電電流、延長(zhǎng)放電時(shí)間或多次擊穿，可提高點(diǎn)火能量到100～400 mJ，奔馳、德爾福、博世、電裝等[3-6]機(jī)構(gòu)均有相關(guān)研究。而諸如冷等離子體放電(電暈點(diǎn)火、微波點(diǎn)火等)、預(yù)燃室射流點(diǎn)火等新型空間點(diǎn)火技術(shù)存在控制難度大、機(jī)體改動(dòng)大以及成本高等諸多問題[7]，目前尚處研究階段。

許多學(xué)者基于定容彈研究火花形成和發(fā)展，無法得到實(shí)際缸內(nèi)流場(chǎng)環(huán)境和燃燒時(shí)的結(jié)果。而基于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，通過燃燒參數(shù)間接分析結(jié)果數(shù)據(jù)，只能推測(cè)高能點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)燃燒初期的火核形成和發(fā)展的影響機(jī)理，無法得到直觀的結(jié)果。光學(xué)單缸機(jī)(Optical Single Cylinder Engine，OSCE)具備與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)一致的進(jìn)排氣和燃燒系統(tǒng)，且透明缸套結(jié)合高速攝像，在觀察缸內(nèi)實(shí)際條件下的火核形成和發(fā)展、燃燒狀態(tài)等方面具備定容彈和普通發(fā)動(dòng)機(jī)難以比擬的優(yōu)勢(shì)[8]。本研究基于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)和高速攝影(High Speed Photography,HSP)，同時(shí)結(jié)合燃燒分析儀等設(shè)備，研究高能點(diǎn)火對(duì)放電特性、不同進(jìn)氣流場(chǎng)下的電弧發(fā)展以及稀燃工況燃燒參數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 光學(xué)機(jī)系統(tǒng)

試驗(yàn)所用光學(xué)單缸機(jī)擁有全行程透明缸套，可直接看到燃燒室以及噴油、點(diǎn)火等動(dòng)作，光學(xué)機(jī)進(jìn)氣道、缸蓋及活塞頂采用高滾流設(shè)計(jì)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 光學(xué)機(jī)技術(shù)參數(shù)

主要臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備見圖1。光學(xué)機(jī)配合彩色高速相機(jī)在2 000 r/min的試驗(yàn)工況下每1°拍攝一張燃燒室內(nèi)的圖像，使用模擬增壓系統(tǒng)控制進(jìn)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(shù)，使用空燃比分析儀和寬域氧傳感器實(shí)時(shí)反饋空燃比。

圖1 光學(xué)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備

1.2 高能點(diǎn)火系統(tǒng)

目前,汽油機(jī)普通點(diǎn)火系統(tǒng)均采用電感式火花放電技術(shù)，其基本原理是次級(jí)線圈匝數(shù)遠(yuǎn)高于初級(jí)線圈，通過控制初級(jí)線圈充放電，在次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓作用于火花塞電極，當(dāng)電壓高于電極間隙的當(dāng)?shù)負(fù)舸╇妷?，產(chǎn)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(diǎn)火系統(tǒng)基于相同原理，相對(duì)普通點(diǎn)火系統(tǒng)提高了放電電流并延長(zhǎng)了放電時(shí)間(見圖2)，在12 V電壓下可提供約150 mJ點(diǎn)火能量，通過提高供電電壓可以進(jìn)一步提高點(diǎn)火能量。該高能點(diǎn)火系統(tǒng)和普通點(diǎn)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(diǎn)火和高能點(diǎn)火的放電電流示意

1.3 試驗(yàn)方法

放電特性和能量對(duì)點(diǎn)火性能有直接影響。首先研究不同點(diǎn)火系統(tǒng)的放電特性，參考文獻(xiàn)[9]中的測(cè)量方法，采用電壓-電流法，測(cè)試12 V供電普通點(diǎn)火和高能點(diǎn)火系統(tǒng)的基本放電特性，然后把高能點(diǎn)火的供電電壓提高到14 V和16 V，檢測(cè)不同電壓下的放電特性。檢測(cè)系統(tǒng)(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(cè)得火花塞上的次級(jí)電壓，電流鉗測(cè)得火花塞電極電纜上的次級(jí)電流，示波器可記錄整個(gè)放電過程的電壓U和電流I，通過積分計(jì)算可以得到不同點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火能量。

圖3 放電特性檢測(cè)系統(tǒng)

火花塞點(diǎn)火擊穿后在正負(fù)極之間形成等離子體放電通道，在進(jìn)氣流場(chǎng)作用下等離子體被吹走形成彎曲的電弧(見圖4)。研究發(fā)現(xiàn)[10-11]，放電電流越大，相同流場(chǎng)下的電弧長(zhǎng)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(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流場(chǎng)明顯增強(qiáng)，甚至?xí)禂喾烹娡ǖ?，?shí)際點(diǎn)火時(shí)間明顯小于設(shè)計(jì)值，可能造成失火等問題。本研究結(jié)合光學(xué)機(jī)和高速攝影，研究不同進(jìn)氣壓力下實(shí)際缸內(nèi)流場(chǎng)對(duì)點(diǎn)火電弧發(fā)展的影響并分析影響機(jī)理。

圖4 氣流作用下的放電通道電弧示意

為了研究高能點(diǎn)火對(duì)燃燒的影響，本研究選擇轉(zhuǎn)速2 000 r/min、指示平均有效壓力0.57 MPa的工況進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，通過調(diào)整噴油量和進(jìn)氣壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的稀燃程度，進(jìn)而研究不同點(diǎn)火能量對(duì)燃燒穩(wěn)定性、燃燒速率以及稀燃極限的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 不同點(diǎn)火系統(tǒng)的放電特性

研究表明[12]，放電過程首先是持續(xù)數(shù)納秒的擊穿階段，隨后經(jīng)過數(shù)微秒的電弧階段迅速過渡到數(shù)毫秒的輝光放電階段。擊穿瞬間電壓可達(dá)數(shù)千伏特，電流可達(dá)數(shù)十安培。在室內(nèi)環(huán)境測(cè)得普通點(diǎn)火系統(tǒng)的電壓與電流放電特性，結(jié)果見圖5。點(diǎn)火前4 ms為蓄能階段，期間電壓為-600～-300 V，蓄能結(jié)束后進(jìn)入放電階段。由于時(shí)間尺度差異太大，較難捕捉到瞬態(tài)最大值。輝光放電階段，2 ms的放電時(shí)間內(nèi)，電壓保持400～800 V，電流從80 mA逐漸降至0 mA。

圖5 普通點(diǎn)火的電壓和電流特性

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

圖6 高能點(diǎn)火的電壓和電流特性

從圖6可見，高能點(diǎn)火系統(tǒng)增大了放電電壓和電流并延長(zhǎng)了放電時(shí)間，且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提高供電電壓，對(duì)應(yīng)的放電電壓、電流均明顯增大。進(jìn)一步分析不同電壓下的高能點(diǎn)火與普通點(diǎn)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(diǎn)火，高能點(diǎn)火12 V，14 V以及16 V，對(duì)時(shí)間積分得到圖7b點(diǎn)火系統(tǒng)能量。

圖7 不同點(diǎn)火系統(tǒng)的功率和點(diǎn)火能量

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

稀薄燃燒會(huì)導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑プ兟ǔＰ枰崆包c(diǎn)火以實(shí)現(xiàn)較好的燃燒相位，但點(diǎn)火角過于提前會(huì)因缸內(nèi)溫度太低而失火。研究表明[11]，大電流可以增加對(duì)火花塞周圍的能量輸入，延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間可以做到壓縮上止點(diǎn)缸內(nèi)溫度較高時(shí)仍然在點(diǎn)火，改善因缸內(nèi)溫度低和點(diǎn)火時(shí)間短造成的失火問題。該高能點(diǎn)火系統(tǒng)持續(xù)3 ms的大功率放電臺(tái)階可以基本實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速范圍以較大的點(diǎn)火提前角持續(xù)點(diǎn)火到壓縮上止點(diǎn)，最大程度地兼顧燃燒相位和低溫失火問題。但也存在高轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)火時(shí)間太長(zhǎng)，可能加速火花塞磨損的問題。

2.2 不同點(diǎn)火系統(tǒng)的電弧發(fā)展

為了研究進(jìn)氣流場(chǎng)對(duì)點(diǎn)火電弧實(shí)際持續(xù)時(shí)間的影響，本試驗(yàn)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的工況，通過模擬增壓系統(tǒng)控制進(jìn)氣壓力(絕對(duì)壓力)從36 kPa分級(jí)增加到101 kPa。點(diǎn)火提前角統(tǒng)一設(shè)為-15°，進(jìn)行只點(diǎn)火不噴油試驗(yàn)。關(guān)閉環(huán)境燈光，使用高速攝影拍攝點(diǎn)火和氣流作用下的電弧發(fā)展，拍攝頻率設(shè)為12 000 fps(2 000 r/min工況下1 ms等效12°，即1張/(°))。以高能點(diǎn)火16 V為例，理論點(diǎn)火持續(xù)4.25 ms，即持續(xù)到36°。實(shí)際某循環(huán)進(jìn)氣流場(chǎng)下的火花塞電弧隨曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)展見圖8，從第21°之后拍攝不到電弧，放電通道已被進(jìn)氣流場(chǎng)吹斷。

圖8 實(shí)際進(jìn)氣流場(chǎng)下電弧隨曲軸轉(zhuǎn)角的發(fā)展

不同循環(huán)的吹斷角度有一定差異，為了得到更具規(guī)律性的結(jié)果，對(duì)12 V高能點(diǎn)火在每一個(gè)進(jìn)氣壓力下的電弧進(jìn)行連續(xù)500循環(huán)拍攝，并用軟件處理500個(gè)循環(huán)每個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角的圖片，統(tǒng)計(jì)放電全程電弧拉升和吹滅情況，得到電弧隨曲軸轉(zhuǎn)角的吹斷概率受進(jìn)氣壓力的影響(見圖9a)。在66 kPa進(jìn)氣壓力下對(duì)不同能量高能點(diǎn)火的電弧發(fā)展進(jìn)行連續(xù)500個(gè)循環(huán)的拍攝，得到電弧隨曲軸轉(zhuǎn)角的吹斷概率受點(diǎn)火能量的影響(見圖9b)。

圖9 進(jìn)氣壓力和點(diǎn)火能量對(duì)電弧吹斷的影響

由圖9a可以看出，無氣流吹火花塞時(shí)，12 V供電高能點(diǎn)火電弧可從-15°持續(xù)到33°。有氣流時(shí)，-5°之后隨著曲軸轉(zhuǎn)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(duì)放電3 ms(等效21°，此時(shí)電流最平穩(wěn))時(shí)的電弧在不同進(jìn)氣壓力下的吹斷概率進(jìn)行分析，得到進(jìn)氣壓力對(duì)電弧吹斷概率的影響(見圖10a)。

圖10 進(jìn)氣壓力和放電功率對(duì)電弧吹斷概率的影響

由圖9b可以看出，隨著高能點(diǎn)火等級(jí)的提高，相同曲軸轉(zhuǎn)角下電弧被吹斷的概率明顯降低。同樣地，23°之后不同等級(jí)高能點(diǎn)火的電弧被吹斷的概率均加速增加。結(jié)合圖7a的放電功率曲線可知，前3 ms有功率保持臺(tái)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(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的電弧吹斷概率結(jié)合圖7a不同曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的放電功率，可以得到電弧吹斷概率隨瞬態(tài)放電功率的散點(diǎn)圖(見圖10b)。

由圖10a看出，在3 ms(21°)時(shí)，36 kPa的進(jìn)氣壓力下僅有14%的循環(huán)電弧被吹斷，隨著進(jìn)氣壓力增加，電弧被吹斷的概率迅速增加，101 kPa時(shí)有73%的循環(huán)電弧被吹斷，這是氣流增強(qiáng)帶來的結(jié)果。由圖10b可以看出，66 kPa進(jìn)氣壓力下，在放電功率小于40 W時(shí)，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(shí)，不同供電壓力下都能實(shí)現(xiàn)電弧基本不會(huì)被吹斷。豐田和電裝[6,13]通過試驗(yàn)結(jié)合建模對(duì)電弧吹斷模型進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)隨著火花塞周圍流速的增加，為了維持穩(wěn)定點(diǎn)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(wěn)定在80 mA以上。結(jié)合上述結(jié)果，得出如下推論：對(duì)于每一個(gè)氣流流速v，存在一個(gè)維持穩(wěn)定點(diǎn)火的最低放電功率P，高于該放電功率則電弧不會(huì)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(wěn)定點(diǎn)火的最低放電功率P也越大，推測(cè)是因?yàn)榛鸹ㄈ斎敕烹娡ǖ赖哪芰啃枰笥跉饬鞔底叩哪芰坎拍鼙３址€(wěn)定，否則放電等離子體通道會(huì)被吹斷。

2.3 高能點(diǎn)火對(duì)燃燒的影響

研究表明[14]，過量空氣系數(shù)大于1.36時(shí)，高能點(diǎn)火對(duì)指示平均有效壓力(IMEP)循環(huán)變動(dòng)(COVIMEP)、燃燒相位等參數(shù)影響很小，這是因?yàn)槠胀c(diǎn)火也能形成穩(wěn)定的火核，火焰?zhèn)鞑ヒ草^快。高能點(diǎn)火對(duì)過量空氣系數(shù)大于1.5的工況燃燒影響較大，因此對(duì)稀燃具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。燃燒試驗(yàn)工況控制轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，調(diào)整進(jìn)氣和噴油使得指示平均有效壓力為0.57 MPa、過量空氣系數(shù)φ=1.6，點(diǎn)火角固定為-17°，研究該稀燃工況下不同點(diǎn)火能量對(duì)燃燒的影響。取連續(xù)的50個(gè)循環(huán)進(jìn)行平均，以主燃燒持續(xù)期(5%～90% MFB)作為燃燒速率指標(biāo)，持續(xù)期越小則燃燒越快。以平均指示壓力波動(dòng)COVIMEP作為燃燒穩(wěn)定性指標(biāo)，越小則燃燒越穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果見圖11。

圖11 高能點(diǎn)火對(duì)燃燒參數(shù)的影響

由圖11可知，相同稀燃工況下，隨著點(diǎn)火能量等級(jí)的提高，燃燒持續(xù)期逐漸減小，IMEP循環(huán)變動(dòng)整體較小，且隨著點(diǎn)火能量的增加進(jìn)一步降低，即高能點(diǎn)火改善了該工況下的燃燒速率和燃燒穩(wěn)定性。

為了進(jìn)一步研究點(diǎn)火能量對(duì)稀燃極限的影響，調(diào)整噴油、進(jìn)氣壓力、點(diǎn)火提前角等參數(shù)從而增加稀燃程度直至COVIMEP達(dá)到臨界值。以3%為燃燒穩(wěn)定性臨界值，試驗(yàn)得到不同點(diǎn)火能量的稀燃極限過量空氣系數(shù)及對(duì)應(yīng)點(diǎn)火角(見圖12)。

圖12 高能點(diǎn)火對(duì)稀燃極限的影響

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

3 結(jié)論

a) 試驗(yàn)所用高能點(diǎn)火系統(tǒng)通過增大放電功率和維持高功率放電臺(tái)階的設(shè)計(jì)，使得點(diǎn)火能量明顯高于普通點(diǎn)火系統(tǒng)的40 mJ，在12 V，14 V和16 V供電下的高能點(diǎn)火能量分別為144 mJ，202 mJ和254 mJ，點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間從2.6 ms增至4 ms以上；

b) 光學(xué)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)合高速攝影發(fā)現(xiàn)：點(diǎn)火系統(tǒng)輸入的能量需要大于氣流吹走的能量才能保持穩(wěn)定點(diǎn)火， 144 mJ點(diǎn)火能量下，隨著進(jìn)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(jìn)氣壓力下，隨著點(diǎn)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(huì)被吹斷，且火花塞周圍流速越高，該功率越大；

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