电晕放电高频点火系统

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

1 空间点火是最主要的途径

可靠点燃稀薄混合气对点火系统提出极高要求，传统的晶体管线圈点火装置无法产生足够的点火能量，以限制这种运行状况下的循环波动。而且，对于均质和分层混合气运行方式而言，稀薄混合气的低燃烧速度降低了效率方面的优势，但分层混合气运行方式能从延长的燃烧持续期中获益，在每个燃烧循环中，都能使空燃混合气着火燃烧。

在这方面，处于开发阶段的新型高废气再循环（EGR）率和稀薄混合气运行方案都能从扩大点火空间方面获得明显优势，不仅能确保混合气可靠点燃，而且形成空间的火焰核心具有较高的燃烧速度，从而有助于能量高效释放。基于电晕放电现象的高频点火已被证实是一种可供选用的技术（图1），能满足轿车领域的主要技术标准，因而在2020年的CO2排放标准生效前具有可供市场应用的潜力。BorgWarner Beru系统公司开发的EcoFlasch电晕放电高频点火系统现已进入量产阶段。

2 系统概况及开发状况

当前，电晕放电均采用相同方案，即借助于量产的谐振电路，通过谐振变压产生气体放电所需的电压，根据运行工况点确定高电压，避免出现意外的火花中断。借助于电场模拟，通过燃烧室设计能较为理想地达到控制目的，从而确保燃烧室金属表面上方的电场强度在任何时刻都不会超过一定阈值。如能正确控制电晕放电，那么，气体放电所产生的能量几乎只释放给气缸充量，从而在所释放的能量与传递给工作介质的能量之间获得比火花点火更为有利的状况。

图2示出了轿车发动机用的EcoFlasch电晕放电高频点火系统方案，包括由电控单元和高频控制器组成的控制器单元，以及根据发动机气缸数确定的3～6个点火塞，而高频控制器与点火塞之间的高频电缆则采用同轴电缆。因电压变换的末级是通过集成在点火塞上的谐振电路进行的，因此要变换的电压被限制在1kV以下。在6缸机上，EcoFlasch电晕放电高频点火系统（A样机状态）的有效功率消耗最大为350W。在A样机状态下，点火系统用于4缸2.0L进气道喷射增压发动机时，50mJ的点火能量足以使大部分发动机特性曲线场范围内的平均指示压力变化系数小于2.6%，而在批量检测较多的情况下，对于1台排量为92mL的小型二冲程化油器汽油机而言，在怠速至10 000r／min转速范围内运行，小于25mJ的点火能量已经足够了。

在试验台运行和用户使用中应用的A样机将逐渐被目前内部使用的B样机替代，后者的电效率高1倍，并具有1套完整的通讯接口。

3 增大部分负荷的EGR公差

在1台目前使用的4缸1.4L增压直喷汽油机上，对EcoFlasch-A型电晕放电高频点火系统和具有90mJ点火能量的传统晶体管线圈点火装置进行详细的比较。为了在试验台上运行，还附加装备了冷却低压EGR系统。其点火装置位于燃烧室中央，喷油器布置在侧面。对于为混合气喷束和壁面组合导向设计的活塞顶燃烧室浅凹坑，无须为采用电晕放电高频点火系统而进行修改，但是，若在此基础上对燃烧室几何形状进行附加匹配，还能获得比试验结果更为明显的优势。

通过测量程序查明部分负荷时转速2 000r／min和4 000r／min、平均有效压力0.14～0.20MPa之间负荷工况点的EGR公差，而关于全负荷时混合气稀薄的可能性、爆震状况和EGR公差等试验结果已在之前的报告中发表过。如图3所示，在转速2 000r／min、平均有效压力0.6MPa的运行工况点，与传统的晶体管线圈点火装置相比，EcoFlasch电晕放电高频点火系统允许EGR率显著提高，在运转平稳性系数不大于5%的情况下，外部EGR率可达到29.7%，比传统晶体管线圈点火装置提高了13%。

其他运行工况点的EGR公差改善状况与此相似。对质量转换点的精确分析表明，除了着火滞后明显缩短之外，采用电晕放电高频点火的燃烧持续期也较短。一般着火滞后缩短5～20°CA，而且，随着充量的进一步稀薄，还呈现出增大趋势。即使在混合气被强烈稀释的情况下，相比传统晶体管线圈点火，其燃烧持续期（5%～90%转换期）也有约5%～10%（2.0～3.5°CA）的优势，从而具有提高效率的效果。

4 高点火压力和全负荷时的性能

据文献所载，电晕放电的空间伸展长度与气缸点火压力大小相反，当然，相对于反比要少得多。因此，即使在高点火压力情况下，也要具有足够的电晕放电量，才能在高负荷工况点仍保持电晕放电高频点火的空间点火特性。目前，EcoFlasch电晕放电高频点火系统的开发性能完全能满足这样的前提条件（图4），因此，空间点火的独特优势即使在点火时的高气缸压力下也不会受限。

在采用EcoFlasch电晕放电高频点火系统的1.4L增压发动机上，与传统的晶体管线圈点火相比，在全负荷时保持相同爆震强度的情况下，燃烧重心位置最多能够提早4°CA，因此，无须采取其他设计措施，就能将平均有效压力提高0.05MPa，或者在保持90mJ晶体管线圈点火装置所能达到的最大扭矩情况下，在全负荷时最多掺入4%的外部EGR，从而使废气温度降低10K，比油耗降低2%。

基于上述试验结果，有可能减少全负荷工况的加浓量，以及基于更迅速的着火燃烧和更高的抗爆性，提高低转速范围内的扭矩。与开发伙伴和用户合作进行的试验证实了上述可能性。

5 发动机耐久运行试验

在1.4L增压发动机上进行超过500h的高负荷耐久运行试验，查明电晕放电高频点火系统的电流消耗和点火塞中心频率等主要运行参数随时间的变化情况。在规定的时间间隔中，点火电极的断火和烧损状况证实了其耐久运行性能。点火系统的特性参数在运行过程中并无明显的变化（图5），即使点火电极顶端有轻微烧损，仍有可能在汽车上获得明显超过10万km的使用寿命。

6 结语

介绍了电晕放电高频点火系统的概况和基本工作原理，并以试验台试验结果证实了其优点。试验证实，该系统能提高EGR兼容性，改善抗爆性，并能降低比油耗，而且，无须为此修改燃烧室的几何形状和尺寸。

与用户和合作伙伴共同对EcoFlasch电晕放电高频点火系统进行多项试验，获得了该系统为开发燃烧过程提供的可能性和自由度。电晕放电高频点火不仅为高EGR和稀薄燃烧过程奠定了基础，而且还能借助于较小充量运动减少换气损失，或采用米勒循环配气相位提高效率。图6示出了在发动机特性曲线场中应用电晕放电高频点火系统的各种可能性。