汽油機(jī)倒拖條件下納秒重復(fù)脈沖放電特性的可視化研究

何邦全，張曉力

(天津大學(xué)先進(jìn)內(nèi)燃動力全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

稀薄燃燒技術(shù)可有效地降低汽油機(jī)的氮氧化物(NOx)和二氧化碳(CO2)[1]排放.然而，傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火產(chǎn)生高溫等離子體，電極傳熱損失大，初始火核發(fā)展不穩(wěn)定，限制了汽油機(jī)稀薄燃燒極限的擴(kuò)大[2-3].低溫等離子體放電過程能產(chǎn)生大量的高活性自由基和激發(fā)態(tài)中性物質(zhì)，可加速燃料的低溫氧化反應(yīng)，具有進(jìn)一步擴(kuò)大汽油機(jī)稀燃混合氣范圍的潛力[4-5].高壓納秒脈沖放電(NPD)是一種高效的低溫等離子體輔助點(diǎn)火方式[6].根據(jù)放電期間氣壓的不同，放電等離子體可以分為低、中、高氣壓放電等離子體.在高背壓環(huán)境下，NPD 能產(chǎn)生大量流注分支，形成體積放電空間[7]，可以減小可燃混合氣的最小點(diǎn)火能量，并縮短著火延遲期[8]，有效提高稀燃混合氣燃燒穩(wěn)定性[9-10].近年來，人們對納秒脈沖低溫等離子體輔助點(diǎn)火進(jìn)行了廣泛研究.低溫等離子體通過高能電子與不同燃料/空氣分子之間的碰撞產(chǎn)生高活性的O、H原子和OH 自由基以及N2*等激發(fā)態(tài)分子，促進(jìn)燃料的低溫氧化[11-12].杜宏亮等[13]和丁偉等[14]利用等離子體動力學(xué)模擬方法，沈雙晏等[15]利用放電光譜測量方法，證明了高能電子及激發(fā)態(tài)粒子數(shù)濃度隨約化場強(qiáng)的增加而增加.納秒脈沖放電促進(jìn)CH4分解，生成大量O、H 和CH3[16].O 原子加速了低溫氧化鏈反應(yīng)，減小了著火延遲期，促進(jìn)高速環(huán)境下CH4稀燃混合氣的穩(wěn)定燃燒[17].Ono 等[18]研究了正極性納秒脈沖放電的擊穿機(jī)制，發(fā)現(xiàn)放電中存在二次流注過程，而且隨著脈沖電壓的增大，二次流注通道的分叉減少.Namihir 等[19]發(fā)現(xiàn)在大氣壓下，同軸電極間納秒脈沖放電的擊穿過程中，流注放電起始于中心電極處.Macheret 等[20]通過實(shí)驗(yàn)和仿真手段研究了板-板電極間納秒脈沖空氣放電等離子體的特性，結(jié)果表明，納秒脈沖放電中產(chǎn)生的電子能量比直流電暈放電和射頻放電中的電子能量高兩個數(shù)量級.Lou 等[21]利用可見發(fā)射光譜和傅里葉變換紅外吸引光譜等光學(xué)診斷方法，研究了NPD 點(diǎn)燃甲烷混合氣和乙烯混合氣時的CO、CO2等的濃度，結(jié)果表明，大量碳?xì)浠衔镌谥鹎熬桶l(fā)生了低溫等離子體促進(jìn)氧化現(xiàn)象.Lovascio 等[22]在背壓為0.2 MPa 的定容彈中將30 kV脈沖電壓輸入到針對針電極，研究了燃空當(dāng)量比為0.7 的丙烷-空氣混合物的著火特性，結(jié)果表明，多脈沖放電減少了著火延遲時間，隨著脈沖重復(fù)頻率FPR增大，脈沖間的耦合作用增大，可以以更低的能量實(shí)現(xiàn)更快著火.Lefkowitz 等[23]在定容彈中研究了2.5～10 m/s 下，納秒脈沖在FPR為1～300 kHz 時甲烷混合氣的著火性能，發(fā)現(xiàn)在低流速條件下FPR最高時點(diǎn)火概率最高，但FPR為10 kHz 時著火核膨脹最快，因此，最優(yōu)FPR需要綜合考慮脈沖數(shù)、空燃比、間隙距離和流速.Filimonova 等[24]發(fā)現(xiàn)，納秒重復(fù)脈沖放電點(diǎn)火可以消除均勻充量壓縮著火(HCCI)發(fā)動機(jī)稀薄燃燒的失火問題.Shiraishi 等[25]在單缸發(fā)動機(jī)上對比研究了傳統(tǒng)火花點(diǎn)火和高壓脈沖配合無阻同軸電極時的燃燒過程，結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速為 1 200 r/min、點(diǎn)火提前角為20°CA BTDC 條件下，使用納秒脈沖放電時著火延遲時間比傳統(tǒng)火花點(diǎn)火時的更短，火焰的傳播速度要快13%～17%，熱效率更高.

盡管納秒重復(fù)脈沖點(diǎn)火的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得到了廣泛的研究，但目前，大部分研究是針對靜態(tài)或定流速的低背壓環(huán)境，而針對發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的高背壓非均勻場的研究很少，特別是在光學(xué)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下.實(shí)際上，汽油機(jī)氣缸內(nèi)點(diǎn)火時的環(huán)境條件受很多因素的影響，其中轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量和點(diǎn)火時刻是重要的影響因素.認(rèn)識不同點(diǎn)火邊界條件下的納秒脈沖放電特性是將它應(yīng)用于汽油機(jī)的前提.本研究將為揭示汽油機(jī)運(yùn)行環(huán)境下納秒重復(fù)脈沖放電特性以及提高汽油機(jī)的熱效率奠定理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了研究不同發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下高壓納秒脈沖等離子體放電特性，基于四沖程單缸光學(xué)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)平臺，搭建了一套光學(xué)測試系統(tǒng)，如圖1 所示.其中，單缸光學(xué)發(fā)動機(jī)的氣缸直徑為 82 mm，行程為86 mm，幾何壓縮比為10；NSP-120-20-N-500-L 型納秒脈沖負(fù)極性電源的上升時間為20 ns，最高負(fù)脈沖輸出電壓為-20 kV，F(xiàn)PR為10～100 kHz；上位機(jī)給發(fā)動機(jī)電控單元(ECU)發(fā)出放電信號，當(dāng)DG645 接收到ECU 的放電信號后，DG645 同時發(fā)出4 路同步控制信號，其中第1 路給Berkeley Nucleonics 575 信號發(fā)生器，并發(fā)出對應(yīng)的20 個連續(xù)脈沖信號，經(jīng)EHT FT-1 光纖發(fā)射器轉(zhuǎn)換為光信號，觸發(fā)脈沖電源，并發(fā)出20 個連續(xù)高壓脈沖給無阻火花塞，在火花塞間產(chǎn)生脈沖放電.第2 路信號給NI USB-6356 采集卡，作為點(diǎn)火標(biāo)志信號；第3 路信號用于觸發(fā)Tektronix DPO5034B 示波器的采集，利用Tektronix P6015A 高壓探頭和Pearson2877 電流傳感器測量流過火花塞電極間的電壓和電流，并保存；第4 路信號用于觸發(fā)安裝了焦距為105 mm，光圈為f/1.4 的Nikon 定焦鏡頭的Photron FastcamSA5 型高速相機(jī)拍攝.圖2 給出了同步觸發(fā)信號的時序圖.

圖2 同步控制信號時序圖Fig.2 Timing diagram of synchronous control signals

氣缸壓力由AVL GU22CK 型壓力傳感器經(jīng)AVL MicroIFEM 電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓，進(jìn)氣壓力由Kistler 4005BA5F 型壓力傳感器和4618A0 型壓阻放大器轉(zhuǎn)換成電壓，然后輸入NI USB-6356 采集卡，經(jīng)自編的數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集.進(jìn)氣量用Teledyne 的HFC-D-303B 流量計(jì)測量.HZDZ-20 型直流電力測功機(jī)用來倒拖發(fā)動機(jī)并控制轉(zhuǎn)速.為了修正氣缸內(nèi)放電區(qū)經(jīng)柱面環(huán)形氣缸套后產(chǎn)生的畸變，利用ZEMAX 軟件設(shè)計(jì)并加工了一組雙曲率石英柱面鏡.圖3 給出了光線修正原理.

圖3 缸內(nèi)放電圖像畸變修正原理Fig.3 Schematic of image distortion correction for the discharge zone in the cylinder

1.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)前，通過油水恒溫系統(tǒng)將冷卻水和潤滑油加熱到(60±5)℃，然后啟動電力測功機(jī).當(dāng)光學(xué)發(fā)動機(jī)倒拖到試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，并穩(wěn)定運(yùn)行后，由上位機(jī)按照點(diǎn)火時刻要求，發(fā)出點(diǎn)火信號，按照圖2 所示的順序向高壓脈沖電源、示波器、相機(jī)和NI 數(shù)采卡發(fā)出脈沖信號，其中，高壓脈沖電源由下降沿觸發(fā)，其他均由上升沿觸發(fā).試驗(yàn)時，高壓脈沖電源輸出電壓設(shè)置為-20 kV，無阻火花塞的間隙為0.7 mm.為了能夠獲取更多的納秒脈沖等離子體放電圖像，高速相機(jī)選擇100 000 幀/s 的拍攝頻率.每個試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行了12次重復(fù)試驗(yàn).

1.3 研究方法

為提取點(diǎn)火放電區(qū)圖像特征，利用Matlab 軟件編寫了圖像處理程序，量化不同發(fā)動機(jī)倒拖條件下納秒脈沖等離子體放電圖像的火核尺寸及亮度.圖4給出了圖像處理流程.圖4(a)給出了帶有背景光的火花塞位置原始圖；圖4(b)為關(guān)閉了背景燈的原始放電圖像；在圖4(b)的基礎(chǔ)上，利用程序截取放電區(qū)域圖像(圖4(c))；再根據(jù)標(biāo)定的橫縱縮放比對圖4(c)進(jìn)行校正，得到校正后的放電區(qū)域圖像(圖4(d))；此后，以點(diǎn)火前同一循環(huán)拍攝到的無背景光圖像為背景，將每張放電圖像減去背景圖像后轉(zhuǎn)化為灰度圖像，再轉(zhuǎn)換成二值化圖(圖4(e))；最后通過邊界識別，得到放電區(qū)域的邊緣輪廓(圖4(f))，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)前標(biāo)定的像素點(diǎn)大小，計(jì)算出放電區(qū)域的尺寸和亮度.為便于識別，圖中所有圖像均調(diào)整到了相同的高度.

圖4 圖像處理過程示意Fig.4 Schematic of image processing processes

為便于討論，圖5 給出了一組典型納秒單脈沖放電時電極間電壓、電流以及放電能量波形圖.為便于討論，將電壓和電流波形中出現(xiàn)的第1 個峰值分別定義為擊穿電壓和擊穿電流.在1 個脈寬為t 的放電脈沖產(chǎn)生的能量為

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)速對連續(xù)脈沖放電特性的影響

圖6 給出了在不同轉(zhuǎn)速條件下循環(huán)進(jìn)氣量相近、20 個連續(xù)放電脈沖期間的平均氣缸壓力及其變化范圍.圖中，壓力變化范圍用誤差帶的形式給出，并給出了循環(huán)進(jìn)氣量和放電起始時刻.由于高轉(zhuǎn)速時，氣缸內(nèi)氣體的傳熱損失小，氣缸壓力上升速度快，所以氣缸內(nèi)達(dá)到相同壓力所對應(yīng)的放電起始時刻更早.可以看出，不同轉(zhuǎn)速下的20 個連續(xù)脈沖放電期間的氣缸壓力略有差異，但最大變化幅度不超過0.05 MPa，可以認(rèn)為放電期間的氣缸壓力相近，該誤差范圍的背壓對放電特性的影響較小.

圖6 不同轉(zhuǎn)速條件下20 個納秒重復(fù)脈沖放電期間的平均氣缸壓力及壓力變化范圍Fig.6 Average cylinder pressure during twenty nanosecond repetitively pulsed discharges at different speeds

圖7 給出了FPR為50 kHz，脈寬為300 ns 的納秒脈沖分別在發(fā)動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)(0 r/min)和倒拖轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min 時第1 個放電脈沖和連續(xù)多脈沖的放電特性.從圖7(a)可以看出，火花塞電極間電壓達(dá)到擊穿電壓后，電極間電流才快速達(dá)到峰值擊穿電流，這是因?yàn)?，在火花塞電極間隙內(nèi)的空氣被擊穿前，脈沖電源向火花塞形成的電容充電，在達(dá)到擊穿閾值時，空氣被擊穿，電極間電壓開始迅速下降，而形成的強(qiáng)電場促進(jìn)高能電子生成并加速碰撞，形成電子崩，使電極間電流迅速上升，放電能量開始增加.還可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時，放電過程中電極間只有一個電壓峰值，而在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，在電極間發(fā)生擊穿后，電壓又出現(xiàn)了升高21.1%～23.4%的現(xiàn)象，這是因?yàn)?，放電產(chǎn)生的離子風(fēng)和活塞運(yùn)動改變了火花塞間隙處的氣體流動特性，使得放電過程產(chǎn)生的帶電粒子和高能電子偏離已形成的放電通道，使得電極間的電阻增加，此時脈沖電源仍然處于供電狀態(tài)，導(dǎo)致電極間的電壓進(jìn)一步升高；還可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min 升高到2 000 r/min時，電極間的電流出現(xiàn)時刻比電壓出現(xiàn)的更晚，維持高電壓和電流間重疊的時間從 220 ns 減小到180 ns.這說明轉(zhuǎn)速變化改變了電極間的氣體流動特性，從而影響高能電子的運(yùn)動特性，并改變電極間的電場特性.Liu 等[26]也發(fā)現(xiàn)了氣流的流場分布會影響帶電粒子的分布，從而改變等離子體放電特性.作為比較，圖7(a)中還給出了相同工況下FPR為100 kHz時的電壓、電流圖像.可以看出，F(xiàn)PR越低，保持高電壓和電流的重疊時間更久，即對應(yīng)的第一次放電能量越大.

圖7 不同轉(zhuǎn)速和壓力時的放電特性Fig.7 Discharge characteristics at different speeds and static atmospheric pressures

由圖7(b)到(d)可以看出，在連續(xù)放電過程中，第1 個放電脈沖的擊穿電壓和放電能量遠(yuǎn)高于后續(xù)脈沖，從第2 個放電脈沖開始，后續(xù)脈沖的擊穿電壓和放電能量變化很小，且在停機(jī)時第1 個擊穿電壓是后續(xù)脈沖的(8.29±0.08)倍，倒拖到1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min 時分別為3.28 倍、2.77 倍、2.22 倍；倒拖時第1 個擊穿電壓是后續(xù)脈沖的2 倍以上.這是因?yàn)?，氣缸?nèi)的壓縮空氣本身是絕緣的，要在電極間形成高能電子并擊穿空氣，需要更高的電場強(qiáng)度，導(dǎo)致第1 個放電脈沖需要更高的電極間電壓，而從第2 個放電開始，前1 個放電產(chǎn)生的殘余帶電粒子和高能中性粒子會降低下一個放電擊穿所需要的電壓.擊穿電壓和電流隨著放電次數(shù)的變化而有小幅波動，這主要與電極間的帶電粒子運(yùn)動有關(guān)[27]；還可以看出，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的連續(xù)脈沖擊穿電壓和累計(jì)放電能量都明顯高于停機(jī)時，且隨著轉(zhuǎn)速升高，第1 個放電脈沖的擊穿電壓降低，因?yàn)樵诎l(fā)動機(jī)倒拖時放電期間的氣缸壓力約為停機(jī)時的11 倍，導(dǎo)致氣體的耐擊穿能力增加.

為了建立氣缸內(nèi)氣體狀態(tài)與最大約化場強(qiáng)之間的關(guān)系，根據(jù)不同工況下壓縮過程中的氣缸壓力計(jì)算了多變指數(shù)(n)，計(jì)算公式為

式中：p 為實(shí)際壓力；V 為不同曲軸轉(zhuǎn)角下對應(yīng)的氣缸容積.

根據(jù)式(1)，計(jì)算得到在 1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min 下的多變指數(shù)平均值分別為1.17、1.23 和1.28.

利用氣缸壓力和多變指數(shù)，計(jì)算了氣缸內(nèi)平均氣體溫度，即

式中：p1為進(jìn)氣門關(guān)閉時的進(jìn)氣壓力；p2為第1 個脈沖放電期間的平均氣缸壓力；T1為進(jìn)氣門關(guān)閉時刻氣缸內(nèi)溫度，近似等于環(huán)境溫度；T2為放電起始時刻氣缸內(nèi)的氣體平均溫度.

最大約化場強(qiáng)(Ref)計(jì)算公式為

式中：U 為第1 次放電脈沖的峰值電壓；R 為氣體常數(shù)，為8 314 Pa·L/(mol·K)；d 為火花塞間隙，為0.7 mm；NA是阿伏伽德羅常數(shù)，為6.02×1023；N 為粒子數(shù)密度，cm-3.

氣缸內(nèi)空氣密度(ρ)的計(jì)算公式為

在圖7(b)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速從 1 000 r/min 增加到2 000 r/min 時，氣體溫度升高22.65%，缸內(nèi)氣體分子的基態(tài)能量提高；最大約化場強(qiáng)提高了22.34%，即放電區(qū)電場強(qiáng)度提高，注入到放電區(qū)的能量增加，電子平均能量增加，獲得的活性粒子濃度增加，因此，擊穿電壓降低了8.02%，導(dǎo)致第1 個放電脈沖在電極間沉積的能量減小.但在第1 次放電后的后續(xù)19 次放電脈沖的擊穿電壓都略有增加；從累計(jì)放電能量可以看出，第1 次放電的單脈沖放電能量占連續(xù)脈沖的累計(jì)放電能量的(62.7±4)%，是一個連續(xù)放電的主要貢獻(xiàn)者.由于2 000 r/min 時第1 次放電能量最低，所以累計(jì)放電能量也最低.

在同一轉(zhuǎn)速下，從第2 個脈沖放電開始后續(xù)放電區(qū)的形狀和尺寸幾乎不變，為節(jié)省篇幅，僅從20 個連續(xù)脈沖放電圖像中選取了前2 個進(jìn)行討論.圖8給出了發(fā)動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)情況(背壓為0.1 MPa)和不同倒拖轉(zhuǎn)速時的連續(xù)放電中前2 個脈沖放電圖像(放電期間的氣缸壓力為(1.08±0.023)MPa，F(xiàn)PR為50 kHz，脈寬為300 ns).圖中還給出了放電脈沖所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角.可以看出，在任一轉(zhuǎn)速下，第2 個脈沖放電區(qū)域的火核尺寸明顯小于第1 個放電區(qū)域，放電區(qū)域在垂直方向明顯減小，而水平方向幾乎不變.這是因?yàn)?，? 個脈沖放電時的擊穿電壓高于第2 個的，在中心電極處產(chǎn)生更大的電場強(qiáng)度，放電過程中產(chǎn)生的電子能量更高，電子漂移的范圍更大，由于電子主要沿著中心電極方向漂移，所以放電區(qū)更容易出現(xiàn)在暴露于空氣中的中心電極上，使得放電區(qū)域在垂直方向的尺寸明顯增大，而水平方向上放電區(qū)寬度變化較?。欢诘? 個脈沖放電前，火花塞電極間仍殘留著帶電粒子和高能中性粒子，即非平衡等離子體的記憶效應(yīng)[22]，使得電極間的擊穿阻抗降低，電極間更容易被擊穿，形成放電，并使得放電前火花塞通道的沉積能量減小，放電區(qū)域尺寸減小.同時，在連續(xù)放電過程中，前一次放電殘留下來的活性粒子逐步達(dá)到穩(wěn)定，擊穿電壓相近，所以從第2 次放電開始，后續(xù)脈沖放電的點(diǎn)火核尺寸變化很小.

圖8 不同轉(zhuǎn)速條件下連續(xù)脈沖中前2個脈沖的放電圖像Fig.8 The discharge images of the first two pulses in a burst at different speeds

還可以看出，在任一轉(zhuǎn)速下，放電區(qū)域都呈現(xiàn)為橢球狀，邊緣處有絲狀流光.這是因?yàn)椋诟邏杭{秒脈沖放電期間，高能電子和粒子會發(fā)生漂移，同時電極間也會產(chǎn)生離子風(fēng)，使得這些高能態(tài)的粒子流向發(fā)生隨機(jī)變化，并形成絲狀的流注放電通道.與圖8(a)中停機(jī)時放電相比，在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，等離子體火核高度大于火花塞間隙，并向四周發(fā)展，但在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 和1 500 r/min 時，放電區(qū)域火核幾乎不受轉(zhuǎn)速的影響變化，而2 000 r/min 的放電區(qū)域火核尺寸和亮度明顯增大.這是因?yàn)?，轉(zhuǎn)速增加會提高放電期間火花塞電極間的氣流湍流強(qiáng)度，點(diǎn)火時刻對應(yīng)的氣流運(yùn)動更為復(fù)雜，并影響火花塞間隙內(nèi)產(chǎn)生的活性粒子的運(yùn)動和分布形式.在2 000 r/min 時，多變指數(shù)最大，壓縮過程氣缸內(nèi)的溫度升高，導(dǎo)致約化場強(qiáng)增大，放電擊穿的時間減小，而氣體密度的減小、電子的平均自由程增大，更有利于形成電子崩，擴(kuò)大放電區(qū)，放電的空間火核體積更大.

圖9 給出了不同轉(zhuǎn)速下連續(xù)脈沖放電過程中前2 個脈沖放電圖像所對應(yīng)的點(diǎn)火區(qū)亮度、面積和最大水平寬度、垂直高度及誤差帶大小.圖中，F(xiàn)PR為50 kHz，脈寬為300 ms，倒拖時放電期限間氣缸壓力為1.08 MPa.其中，放電區(qū)的亮度用總灰度值表示.可以看出，在任一轉(zhuǎn)速下，第1 個脈沖放電區(qū)的亮度、面積、最大寬度和高度都遠(yuǎn)高于第2 個放電脈沖.這是因?yàn)?，? 次放電脈沖比后續(xù)脈沖的電極間電壓更高，放電能量更大，形成更大的放電區(qū).轉(zhuǎn)速升高，火花塞電極間的湍流運(yùn)動方式發(fā)生改變，從而影響活性和高能態(tài)粒子的擴(kuò)散，并改變放電區(qū)的形貌.隨著轉(zhuǎn)速的增加，放電區(qū)在水平和垂直方向的尺寸均有所增加，說明電極間的氣流運(yùn)動對擴(kuò)大放電區(qū)有一定促進(jìn)作用；在2 000 r/min 時，前兩次脈沖的放電區(qū)參數(shù)明顯高于其他轉(zhuǎn)速的，這說明氣流運(yùn)動對放電區(qū)形貌有較大的影響.

圖9 不同轉(zhuǎn)速條件下放電區(qū)域的等離子體放電圖像特征Fig.9 Characteristics of plasma discharge images at different speeds

2.2 放電起始時刻對連續(xù)脈沖放電特性的影響

點(diǎn)火提前角是影響發(fā)動機(jī)性能的重要參數(shù)，而點(diǎn)火后火花塞放電區(qū)的形成是影響著火概率和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊刃阅軈?shù)的直接因素.為此，在同一轉(zhuǎn)速下，研究了放電起始時刻對連續(xù)脈沖放電特性的影響.圖10 給出了2 000 r/min 時不同放電起始時刻前2 個脈沖的放電圖像.可以看出，隨著放電起始時刻的提前，第1 次放電圖像大小和亮度都減小，這是因?yàn)?，氣缸壓力是影響納秒脈沖放電的重要因素，放電起始時刻越晚，對應(yīng)的放電期間的氣缸壓力越高，電極間的擊穿電壓越高，火花塞間隙間形成的電容越高，放電能量越大，放電過程中形成的高能電子與活性粒子越多，分布的范圍也越大，這也是同一個連續(xù)脈沖放電中第1 次放電圖像比第2 次放電圖像亮度和面積大的主要原因.

圖10 2 000 r/min時，不同放電起始時刻的連續(xù)脈沖中前2個脈沖的放電圖像Fig.10 Discharge images of the first two pulses in a burst at different initial discharge timings at 2 000 r/min

圖11 給出了2 000 r/min、FPR為100 kHz(圖中只有一條線標(biāo)注為50 kHz，其余均為100 kHz)、脈寬為300 ns、循環(huán)進(jìn)氣量為(0.4±0.01)g 條件下，不同放電起始時刻的20 個連續(xù)脈沖的累計(jì)放電能量.圖中也給出了同一工況下放電起始時刻為19.86°CA BTDC，F(xiàn)PR為50 kHz 時的連續(xù)脈沖累計(jì)放電能量曲線.可以看出，推遲放電起始時刻，累計(jì)放電能量增加，這是因?yàn)?，推遲放電起始時刻，放電期間的氣缸壓力升高，第1 個脈沖放電所需的擊穿電壓升高，火花塞電極形成的電容存儲能量提高，放電能量增加.由于受到前1 次放電產(chǎn)生的活性粒子的影響，從第2 次放電開始，單個脈沖的放電能量大幅減小，因此，累計(jì)放電能量隨著放電次數(shù)的增加而緩慢上升，但放電起始時刻越晚，背壓越高，累計(jì)放電能量上升率越高.對比同一放電起始時刻，F(xiàn)PR分別為50 kHz和100 kHz 時的累計(jì)放電能量曲線可以發(fā)現(xiàn)，與FPR為100 kHz 相比，在FPR為50 kHz 時，同一次的單放電脈沖放電能量增加，累計(jì)放電能量增幅更大，這是因?yàn)椋诘虵PR時，相同放電次數(shù)時，相同放電次數(shù)時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角更靠近上止點(diǎn)，對應(yīng)的氣缸壓力更高，導(dǎo)致相同放電次數(shù)時的擊穿電壓有所提高，單個脈沖的放電能量增加.

圖11 2 000 r/min，不同放電起始時刻下，連續(xù)脈沖累計(jì)放電能量變化趨勢Fig.11 Change trend of the cumulative discharge energy in a burst at different initial discharge timings at 2 000 r/min

圖12 給出了2 000 r/min，循環(huán)進(jìn)氣量為(0.4±0.01)g，F(xiàn)PR為100 kHz，脈寬為300 ns.不同放電起始條件下?lián)舸╇妷骸怏w溫度和最大約化場強(qiáng).可以看出，在固定轉(zhuǎn)速、相同循環(huán)進(jìn)氣量條件下，放電起始時刻越晚，氣缸壓力越高，缸內(nèi)氣體溫度越高，但氣缸內(nèi)最大氣體溫度低于800 K，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火的值.在放電起始時刻為4.86°CA BTDC 時，放電期間的氣缸壓力為1.59 MPa，是這5 個試驗(yàn)點(diǎn)下最高的.放電起始時刻為4.86°CA BTDC 到24.86°CA BTDC 分別對應(yīng)的氣缸內(nèi)空氣密度為9.97 kg/m3、8.93 kg/m3、8.13 kg/m3、7.41 kg/m3、6.77 kg/m3.由于在背壓最高的4.86°CA BTDC 時氣體密度最大，分子個數(shù)多，電子平均自由程短，與空氣中的氮分子、氧分子進(jìn)行碰撞的次數(shù)增加，電子在加速過程中能接受的能量更少，電子平均能量減小，因此，火花塞電極間隙越難擊穿、擊穿電壓越高，電極間累積放電能量越高.

圖12 2 000 r/min時不同放電起始時刻條件下第1個脈沖對應(yīng)的擊穿電壓、氣體溫度和最大約化場強(qiáng)Fig.12 Breakdown voltage，gas temperature and maximum reduced field strength corresponding to the first pulse under different discharge timings at 2 000 r/min

2.3 脈寬對連續(xù)脈沖放電特性的影響

脈寬主要影響放電回路中電響應(yīng)特性，從而影響非平衡等離子體放電特性.圖13 給出了2 000 r/min，循環(huán)進(jìn)氣量為0.4 g，點(diǎn)火起始時刻為5°CA BTDC，放電期間氣缸壓力為1.59 MPa，F(xiàn)PR為100 kHz，不同脈寬下，前2 個脈沖及20 個連續(xù)脈沖的放電特性.從圖13(a)可以看出，脈寬越大，第1 個放電脈沖的擊穿電壓越大.其原因是脈寬越大，脈沖放電持續(xù)時間越久，由于火花塞間隙處的氣流熱力學(xué)狀態(tài)受到流體湍流尺度的隨機(jī)性影響，長的脈沖電壓上升時間意味著電極間不容易擊穿，說明放電區(qū)對應(yīng)的粒子數(shù)密度更高；放電前高壓脈沖對電極間形成電容的充電時間更久，火花塞能量釋放速度變慢，流注放電持續(xù)時間更久[28].但脈寬對第2 個放電時的電壓和電流影響較小，因?yàn)檫B續(xù)脈沖的非平衡等離子體放電過程有記憶效應(yīng)，在第2 次放電前，火花塞電極附近殘留有高能粒子和帶電粒子，導(dǎo)致后續(xù)脈沖的擊穿電壓大幅降低；而在電壓降為0 后，電極間沉積的能量使得等離子體通道的電導(dǎo)率仍維持在較穩(wěn)定的區(qū)域，電極間電流在達(dá)到擊穿電流后的持續(xù)時間更久.

圖13 在2 000 r/min，不同脈寬時的放電特性Fig.13 Discharge characteristics of different pulse widths at 2 000 r/min

由圖13(b)可以看出，脈寬增加，連續(xù)脈沖的累計(jì)放電能量與其增長速度都在升高.這是因?yàn)?，累?jì)放電能量主要取決于第1 次放電，長的放電脈沖對應(yīng)的高電壓范圍更長，而二者的電流相差較小，導(dǎo)致長放電脈寬時的第1 個放電能量更大.在第1 個脈沖放電擊穿后，后續(xù)脈沖的放電電壓相近，而且持續(xù)時間短，因此，后續(xù)的單個脈沖的放電能量相差不大，不同放電脈寬下的累計(jì)放電能量曲線近似平行.

3 結(jié)論

(1)在發(fā)動機(jī)停機(jī)及不同倒拖轉(zhuǎn)速下，連續(xù)納秒脈沖放電時，第1 個放電的擊穿電壓遠(yuǎn)高于后續(xù)放電脈沖，停機(jī)時第1 個擊穿電壓是后續(xù)脈沖的(8.29±0.08)倍；在不同轉(zhuǎn)速下，倒拖時第1 個擊穿電壓是后續(xù)脈沖的2 倍以上；當(dāng)發(fā)動機(jī)倒拖轉(zhuǎn)速從1 000 r/min升高到2 000 r/min 時，第1 個放電脈沖的擊穿電壓降低、放電能量減小，且第1 個脈沖的放電能量占累計(jì)放電能量的(62.7±4)%.

(2)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的連續(xù)放電脈沖的擊穿電壓、擊穿電流和放電能量的大小很大程度上依賴于放電時的背壓.背壓越高，在相同條件下的擊穿電壓越高，且大大高于發(fā)動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的.在發(fā)動機(jī)倒拖時，電極間擊穿后的放電電壓還出現(xiàn)了再升高的現(xiàn)象；放電區(qū)的大小及亮度隨轉(zhuǎn)速升高而增大，但放電區(qū)的最大水平寬度變化較小，而垂直方向的最大高度增加較大.

(3)在同一轉(zhuǎn)速和循環(huán)進(jìn)氣量等條件下，推遲點(diǎn)火起始時刻，放電期間的氣缸壓力升高，擊穿電壓提高，連續(xù)脈沖的累計(jì)放電能量增加，最大約化場強(qiáng)和放電區(qū)面積、亮度增大.

(4)在相同工況下，脈寬增加，第1 次放電脈沖的擊穿電壓和累計(jì)放電能量增加，從第2 個脈沖開始的后續(xù)放電脈沖的擊穿電壓和電流峰值幾乎不變；FPR為50 kHz 時的擊穿電壓、累計(jì)放電能量和電壓電流重疊時間都要高于100 kHz 時的數(shù)值.