双线圈点火系统特性仿真与试验研究

马修真，靖海国，杨立平，宋恩哲

（哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

双线圈点火系统特性仿真与试验研究

马修真，靖海国，杨立平，宋恩哲

（哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

为了降低稀燃CNG发动机燃烧循环变动，设计了一种双线圈点火系统。利用Multisim软件仿真研究了新点火系统次级电压的变化规律，并在发动机台架上研究了此点火系统对CNG发动机燃烧稳定性的影响。次级电压的仿真结果表明，在不同放电间隔的条件下，新点火系统分别能够有效提高次级电压，增加火花持续期并能实现多次放电。台架试验表明，在合适的放电模式下新点火系统能够降低发动机的循环变动系数，提高稀燃CNG发动机燃烧稳定性。

循环变动；双线圈点火系统；次级电压；火花持续期；多次放电；循环变动系数

采用天然气作为动力机械的替代燃料，能够在很大程度上解决环境污染和能源短缺问题，将稀燃技术应用于天然气发动机，可以进一步提高发动机的经济性和排放能力，但由于天然气的燃烧速率较慢，易产生燃烧循环变动现象。采用稀燃技术时燃烧循环变动更加明显，并增加了失火的可能性，这种非稳定燃烧现象制约了天然气发动机的发展［1］。N.Ozdor等将影响循环变动程度的因素分为4类，其中与点火特性相关联的参数是影响稀燃天然气发动机循环变动的一项重要因素［2］。天然气发动机在不同工况下火核的形成和熄灭的机理有所不同，发动机冷启动阶段，燃烧室温度较低，高能点火和多次点火有利于初始火核的形成，降低失火概率，从而降低低速排放［3-5］。发动机在当量比混合气下运行时较小的点火能量就能够满足稳定点火要求［6］。发动机在稀燃工况下，参加化学反应、准备进行点火燃烧的燃料分子数量相对减少，燃烧速度减慢，延长火花持续期和增加点火能量有利于增加火焰火核容积，增强稀燃工况运行的稳定性［7-8］。此外多次点火也可以有效降低稀燃失火概率，提高稀燃工况运行的稳定性［9］。针对电容储能点火系统和电感储能点火系统的缺陷［10-11］设计了一种双线圈放电式点火系统，利用Multisim软件研究了新型点火系统次级电压的变化规律，并在发动机台架上研究了双线圈点火系统对天然气发动机燃烧循环变动的影响。

1 点火系统设计

根据储能方式，电控点火系统分为电感储能点火系统和电容储能点火系统。电感储能点火系统如图1所示，当控制开关接通时，电源对点火线圈充电，能量储存在点火线圈的初级线圈中；当控制开关断开时，根据电磁感应原理，在点火线圈的次级电路中感应出高电压，高电压击穿火花塞间隙，形成火花放电。电容储能点火系统如图2所示，当控制开关和触点1接通时，电源对电容充电，能量储存在储能电容中；当控制开关和触点2接通时，电容对点火线圈放电，击穿火花塞间隙，形成点火火花。

图1 电感储能点火系统结构图Fig.1 Structure diagram of inductive energy storage ignition system

图2 电容储能点火系统结构图Fig.2 Structure diagram of capacitor energy storage ignition system

电感储能点火系统有放电持续时间长的优点，但初级储能时间长，不易实现单循环多次放电；电容储能点火系统初级储能快，但电容放电火花持续时间较短，一般为5～50 μs，远低于电感储能系统1～2 ms左右的火花持续时间，稀燃条件下初始火核的稳定性差，理论上多电容储能可以实现放电时间的叠加，但影响叠加因素变化明显，控制难度较大。为了优化电感储能点火系统的性能，根据叠加原理，本文选用两个点火线圈设计了一种双线圈放电式点火系统，点火系统的结构示意图如图3所示，此系统包括点火控制器、直流电源、点火线圈、高压二极管、高压点火线和火花塞，具体参数型号如表1所示。点火控制器根据发动机转速信号和上止点信号等控制两线圈的初级线圈充电时间和放电开始时间间隔，从而控制火花塞的放电规律。高压二极管用于消除放电过程两线圈间的干扰。双线圈点火系统可以调整放电特性，使天然气发动机在不同工况均能实现最优点火方式。

图3 双线圈放电式点火系统结构示意图Fig.3 Structure diagram of dual-coil discharge ignition system

表1 点火系统组件Table 1 Components of ignition system

2 仿真及试验条件

2.1 次级电压仿真

次级电压波形包含了最高电压、电压升高率、火花持续时间和火花稳定性等众多信息，可做为点火系统性能的观测参数，本文采用电路仿真方法研究点火系统次级电压的变化规律，仿真模型如图4。

图4 双线圈点火系统电压仿真模型Fig.4 Secondary voltage simulation model of dual-coil ignition

2.2 台架试验

台架试验是用来验证双线圈点火系统对燃烧循环变动的影响。评价燃烧循环变动的指标有平均指示有效压力、最大爆发压力、最大爆发压力出现时刻等多种方法，其中平均指示有效压力（IMEP）是由缸内压力及对应的曲轴转角计算得出，综合考虑了缸内燃烧压力及压力值对应的曲轴转角对燃烧过程的影响，可以更全面展示缸内的燃烧特征，因此，大多数研究中采用平均指示压力变动系数COVIMEP来表征发动机燃烧循环变动：

式中：SD（IMEP）为IMEP样本的标准偏差，IMPE为IMEP样本的平均值。其中

式中：n为IMEP样本的数量，IMEP（j）为IMEP样本的第j个值。

台架试验是在由一台2135G柴油机改装成的歧管多点喷射式天然气发动机上进行的。试验过程中采用电涡流测功机实现发动机的加载，但为了研究发动机燃烧本身产生的非线性特征，取消了除转速闭环控制外的其它反馈控制；缸内压力数据由压电式缸压传感器、电荷放大器、燃烧分析仪和计算机等组成的高速数据采集系统来获得；为了消除冷却水温对发动机燃烧循环变动的影响，试验台安装了一套发动机冷却水温调节装置，试验过程中发动机的冷却水温固定在80°C。在转速为1 000 r／min，节气门全开，空燃比λ分别为1（理论空燃比）、1.31（中等稀燃）和1.53（稀燃极限）条件下，采集了不同点火模式下缸内燃烧压力时间序列。试验过程选用的发动机是由2 135 G柴油机改装的天然气发动机，压缩比由原机的16.5降低到11。单线圈、双线圈同时放电模式点火提前角为20BTDC，双线圈连续放电模式放电间隔为100 μs，双线圈间隔放电模式点火提前角分别为20BTDC和15BTDC.台架试验仪器如表2所示。

表2 台架试验仪器及设备Table 2 Experimental apparatus

3 仿真和台架试验结果

3.1 次级电压仿真结果

图5是单线圈放电次级电压仿真波形图，图6是双线圈放电次级电压仿真波形图。

图5 单线圈放电次级电压仿真波形Fig.5 Simulation wave of secondary voltage in single-coil mode

图6 双线圈放电次级电压仿真波形Fig.6 Simulation wave of secondary voltage in dual-coil mode

由图5可知，单线圈放电时次级最高电压约30.3 kV，电压持续约120 μs时火花熄灭，次级电压发生震荡，当火花塞击穿电压为10 kV时，火花持续期约110 μs由图6可知，与单线圈放电相比，双线圈同时对一火花塞放电时，次级最高电压由30.3 kV上升到38.5 kV，火花击穿能力增强，但放电持续时间变化不明显；间隔50 μs和100 μs依次放电时，次级电压出现2个波峰，但最高电压变化不大，放电持续时间明显增加，增加的时间和间隔放电时间相同；双线圈间隔200 μs依次放电时，次级电压出现明显的2个波峰，其中较早放电的线圈产生的次级高压进入震荡期，火花熄灭，整个放电过程相当于二次点火。

3.2 台架试验结果

在理论空燃比工况（λ＝1）和中等稀燃工况（λ＝1.31）时采集了1 000循环压力数据，在稀燃极限工况（λ＝1.53）采集了2 000循环压力数据，图中在理论空燃比工况和中等稀燃工况列出100循环的数据，在稀燃极限工况列出200循环的数据。

3.2.1 理论空燃比工况

图7表明，在理论空燃比工况时，不同放电模式的IMEP波动幅度都比较小，最大为0.051 MPa。

图7 理论空燃比工况不同放电模式下IMEP循环变动Fig.7 Cyclic variation in different discharge mode under theoretical air-fuel ratio condition

在理论空燃比工况时，点火装置在单线圈放电模式、双线圈同时放电模式、双线圈连续放电模式和双线圈多次放电模式下IMEP的燃烧循环变动系COVIMEP分别为1.06%、0.88%、0.89%和1.09%，与单线圈放电模式相比，双线圈同时放电模式和双线圈连续放电模式下COVIMEP有所降低，降低值分别为0.18%和0.17%，效果不明显；双线圈多次放电模式下COVIMEP没有改善。这是因为在当量比混合气下，单线圈放电模式能够满足稳定点火的要求，在双线圈同时放电模式和双线圈连续放电模式下虽然分别能够增加初始火核的强度和火花持续期，但效果并不明显；在双线圈间隔放电模式下，第2次放电时缸内的燃烧火焰已经形成，因此二次点火没有意义。3.2.2 中等稀燃工况

图8和图7相比，在单线圈放电模式下，中等稀燃工况IMEP的波动比理论空燃比工况更为明显，波动的范围由0.051 MP增加到0.115 MPa，COVIMEP由1.06%增加到1.62%。中等稀燃工况时双线圈同时放电模式、双线圈连续放电模式和双线圈多次放电模式下COVIMEP分别为1.11%、1.21%和1.39%。和单线圈放电模式相比，不同方式的双线圈放电模式均可降低COVIMEP，其中双线圈同时放电模式优化效果最明显，COVIMEP降低了0.51%，双线圈连续放电模式效果次之，COVIMEP降低幅度为0.41%，双线圈间隔放电模式优化效果最差，COVIMEP降低幅度为0.23%。这说明，初始火核对稀燃工况的燃烧循环变动有较大的影响，双线圈同时放电和双线圈连续放电时有利于初始火核的形成，因此较大幅度地降低了燃烧循环变动，双线圈多次放电对燃烧过程也有影响，在一定程度上降低了燃烧循环变动。

图8 中等稀燃工况不同放电模式下IMEP循环变动Fig.8 Cyclic variation in different discharge mode under medium lean burn condition

3.2.3 稀燃极限工况

图9表明，稀燃极限工况时在单线圈放电模式下，IMEP在0.02～0.81 MPa范围内波动，波动范围较大，单线圈放电模式下COVIMEP为11.38%，发动机稳定性较差。线圈同时放电模式、双线圈连续放电模式和双线圈多次放电模式下 COVIMEP分别为9.33%、9.72%和6.51%，分别降了2.05%、1.66%和4.87%，双线圈多次点火效果最明显。稀燃极限工况下发动机已发生失火现象，此时缸内燃烧条件较恶劣，多次放电模式下第2次放电时点火提前角变化了5TDC，缸内的燃烧条件已发生变化，因此多次点火模式有效降低了失火概率，从而提高稀燃极限下发动机运行的稳定性。

图9 稀燃极限工况不同放电模式下IMEP循环变动Fig.9 Cyclic variation in different discharge modes under combustion limit condition

4 结论

1）和单线圈点火系统相比，双线圈同时放电模式下，双线圈点火系统次级电压峰值提高27%，火花持续期不变；间隔放电模式下，间隔时间小于单线圈火花持续期时，火花持续期增加，增加值和间隔时间相同，次级电压峰值不变；间隔时间大于单线圈火花持续期时，出现多次点火现象。

2）在合适的放电模式下，双线圈点火系统能够降低燃烧循环变动。在理论空燃比工况时效果不明显，在稀燃工况采用双线圈同时放电模式，在稀燃极限工况采用多次放电模式可以最大限度地降低循环变动。

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Simulation and experimental research on a dual-coil ignition system

MA Xiuzhen，JING Haiguo，YANG Liping，SONG Enzhe
（College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to reduce cyclic variation，a dual-coil ignition system for a CNG engine was proposed in this paper.Using Multisim software，the change rule of secondary voltage of the new ignition system was studied.The impact of this ignition system on combustion stability of the CNG engine was studied on the engine test bench.Experimental results of secondary voltage show that compared with single-coil ignition，the new ignition system can effectively increase secondary voltage，extend spark duration and achieve multiple discharges under different discharge interval conditions.Bench test shows that，in a suitable discharging mode，this system can reduce the probability of misfire and the cyclic variation coefficient of CNG engine，consequently it improves the combustion stability of lean burn CNG engine.

cyclic variation；dual-coil ignition system；secondary voltage；spark duration；multiple discharge；cyclic variation coefficient

10.3969／j.issn.1006-7043.201306076

TK413.9

A

1006-7043（2014）09-1124-05

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201306076.html

2013-06-26. 网络出版时间：2014-08-29.

国家自然科学基金资助项目（51306041）；中央高校基本科研基金资助项目（002030020803，HEUCFR1008）；黑龙江省自然科学基金资助项目（QC2013C057）.

马修真（1957-），男，教授，博士生导师；杨立平（1978-），男，讲师，博士.

杨立平，E-mail：yangliping302＠tom.com.