汽车点火能量供需平衡控制与全性能点火

曹杨庆

（中煤科工集团杭州研究院 浙江 杭州 311201）

引言

工况对点火能量及放电特性需求变化很大，常用点火技术受电路性能限制，均不能适配全部工况，技术性能不够完善。点火能量供需平衡控制，开创了点火新技术[1]。储能电压动态参数闭环控制，调节的不仅是能量大小，更包括能量转换速率、放电特性，直至采用高频点火方式。点火性能适合发动机全部工况，属全性能点火。

1 点火能量供需平衡控制技术

1.1 能量动态参数测量

储能电压高速变化。调节其动态，需测量反映其运动状态的动态参数作为控制参数。升压速率就是反映能量变化快慢的参数。定义升压速率，采用比较器测量储能电压分压的变化，由单片机测量比较器状态变化中包含的储能电压动态参数或升压速率信息。

现有CDI没有建立储能电压或能量动态的概念，不能调节能量动态，而只能输出固定的储能电压或任其随时间升高，获得有限的变化。

EB-CDI（energy balance-CDI）定义、提取、运用点火能量动态参数及测量技术，并由此形成一系列的创新技术。

1.2 动态参数闭环控制

测量动态参数，按经验需求模型，对该动态参数作调节，定量控制储能电压输出，就形成储能电压动态参数闭环控制。

闭环控制，是在调节周期之间连续进行的。通过在周期之间测量、调节、传递动态参数，就能实现对输出能量的动态调节。这种针对点火能量动态参数的闭环控制，既是创新性的概念与技术，又仍然保持CDI的基本原理，继承与发展了原技术的实用性、可靠性。

具体技术为：测量升压速率，根据输出目标调节升压电路，影响其输出状态，形成点火能量变化。而调节引起的储能电压动态参数的改变，被下一次测量掌握。逐周期形成闭环控制，保持或跟随输出能量目标。

电池电压变化大幅影响储能电压的动态，从而影响输出能量。这也是CDI技术突破的一大障碍。与IDI（inductive discharge ignition）调节能量的原理不同，闭环控制不需要测量电池电压。测量储能电压的动态参数，已经参照、补偿了电池电压，解决了这个复杂的补偿问题。IDI的能量及电池电压补偿不能作能量转换速率的调节，因此其技术与功能简单而易于理解。

1.3 升压占空比在线调节

实际电路中，影响能量动态的是电池电压与升压电路运行状态即升压占空比。采用脉冲升压及升压占空比调节，可以准确、大范围控制能量转换功率，是理想的调节手段。输出能量从此具备跟随工况需求大幅变化的可调节性。

占空比调节也使EB-CDI具备对电源的高度适应力。如从3 V到25 V，或更大范围，都可以准确地输出目标能量。数字控制占空比升压及调节的全套技术，被证实兼具高效与极高的运行可靠性，也保证了能量供需平衡控制点火系统的可靠性。

升压电路的输入与转换原理也有相应创新，具有高输入功率，迅速积聚高能。与调节技术结合后，同等电池电压下，EB-CDI的能量不小于IDI。

可以应对转速、温度、混合气浓度等工况对点火能量需求的大幅度变化。从发动机高温工况的小能量，到低温启动以及各种新技术需求的超高能量。

1.4 电路技术

通过电路原理创新，EB-CDI功能强大的占空比可调升压电路，仅由小型变压器加低阻场效应管构成；能量动态参数闭环控制，包括必须的动态参数测量电路在内，实际只需要一对分压电阻，就得以实现。另有一0.1 μF～5 μF的储能电容。这些就是EB-CDI相比IDI增加的全部硬件开销，二者都有单片机或ECU作为控制电路。而IDI还另有限流电阻、电池电压测量电路或还需电感初级电流检测电路，以及为提高连续点火的频度而采用限流电阻切换电路。

具有与IDI一样简单或更简单的电路，而且没有IDI必不可少的大电感、大电流；没有随时面临的电流超限的风险。具备低功耗、低电流、低热、高能效。运行可靠性从原理上就高于IDI。由于储能电压是升压脉冲输出的累积，闭环控制已经在每个升压脉冲后检测储能电压状态。能量的累积在整个过程被及时监测，而不是在升压结束后再检测。可靠地防止升压速率或储能电压超过限度。

技术概念、运行原理高度软件化，得以造就简单的硬件系统。软件、算法大量代替硬件，实现复杂而意义重大的功能。

2 EB-CDI能量形成与释放

2.1 点火能量的诸多特性

工程应用及研究，注重点火输出的多指标、多方式。主要为点火电压或放电电流、持续时间、连续点火及其频度等。该3类指标形成点火能量的主要特性，其中连续点火及频度，自身也具有多项指标。

各部分参数及关系，定性或定量地反映某些重要特性。点火电压，偏于影响击穿能力；持续时间对建立稳定燃烧及效果有一定影响；连续点火，偏于稳定燃烧及能效的提高。

能量各项指标或特性按工况需求自由调节，是理想的点火电路。

2.2 输出能量可控性

IDI通过控制线圈通电时间调节能量。能量范围大、调节方便，仍是合适的点火电路。但能量由电池电压及线圈电感、电阻、通电时间等决定，各主要参数互相及与点火性能形成制约。为提高点火能量，其初级电感、电阻、最大电流、充能时间的潜力，一再被发掘。

CDI的储能构造独立，可以积储很大能量。但实用转换电路出力低，更没有良好的能量调节、补偿技术，为兼顾低能量需求及可靠性，高能输出受到制约，实际能量一般小于IDI。没有能量调节技术，使CDI的点火能量偏小且不便于跟随工况。

EB-CDI储能机构独立，转换功率可以大幅调节。具有高功率、高效率。且电容与电感参数作配合设计，保持放电效率的同时，无需为获得大能量而持续保持大电流、付出过长的储能时间。其他各项参数的设计也比较独立。

消除CDI能量形成受电路原理、可靠性过多制约的缺陷，输出能力获得释放。突破传统CDI实际运行能量偏小的局限，具备理想的输出能量调节功能。

跟随工况对能量需求的大幅变化。单次点火即可以配合低温启动、特别是异型燃料的低温启动等特殊工况。提供高能、超高能，建立稳定燃烧。即使在电池状态已经不利的条件下，也可提供工况所需高能量。

2.3 放电特性

点火能量、火花功率、击穿能力、放电持续时间、能量重建时间，是点火技术追求、兼顾的目标。EBCDI凭此及综合性能形成优良的技术。

火花功率是引燃混合气、建立稳定燃烧最重要的因素。放电功率与放电持续时间在功能上可互补，但又相互对立地存在。以牺牲放电强度来换取单次放电持续时间，有得有失。能量有限，单次放电的持续时间既不宜追求，也不能凭此解决更多点火性能问题。

单次放电持续时间长，有不利于点火的一面。所建立的电离带变小；空间、时间能量密度降低，处于高速扰动中的混合气流的燃烧容易变得不稳定。特别是对高压、高速、稀薄、难燃的混合气。能量更多地在持续期间扩散及被电极吸收、被高速气流稀释。只能在有限条件下获得有限好处，一般在低速兼轻负荷工况能获得益处，高速大负荷等工况则无优势[2]。

CDI式放电，除了点燃力强大，混合气在接受高能后，持续与逐渐扩散的能量及强大的火核共处高温氛围中，火核易于稳定生长。是混合气接受能量的合理过程。传递到混合气的能量不会随放电结束而瞬间消失，其存续就是对维持燃烧的贡献。而且还较少受火花塞消焰作用的影响。

经验及研究认为，即使对被认为需要较长放电时间的工况，CDI一般也只需适当提高放电强度或能量，效果就可获得弥补或更好。放电功率与持续时间之间，前者补偿后者的效果好，反之则弱。即持续一定时间的放电功率是更为重要的指标[3]。要求放电持续时间长，部分原因正是出于IDI自身的放电特性：能量释放过程中耗散太多、不能迅速建立稳定火核等，导致对持续时间的更多依赖[4]。大多数工况，电容式放电优于或不输IDI。EB-CDI的能量可以远大于CDI、也可以大于IDI。其单次放电性能，除了本质上的优势，必要时又可通过能量调节大大增强，足以在必要时补偿放电效果；已经基本匹配各种工况对放电特性的需求，性能较全面。

EB-CDI属于所谓击穿放电或击穿点火。即主要能量在极短的击穿阶段释放，使电能得到最大限度的利用，获得高有效点火能量。文献4、5详细论述了击穿点火的重大意义。能量被大量转换为等离子体能量、产生高能氧，非常有利于燃烧能量转化。文献6提到：击穿阶段所释放的能量有助于加大火核的初始尺寸，从而加快火焰的形成和初期发展，并且可以燃烧更稀薄的混合气。击穿放电阶段火花功率可达250 kW。各种工况下点燃、助燃效果好。可认为是电容式放电的优势性能之一。

容易将放电持续时间设计得偏于IDI式。一般电容式电路，放电持续时间已可达到0.6 ms，当然可以更长[7]。其设计可以根据发动机需求在不同的放电性能之间作出权衡。CDI的实际有效放电持续时间，一定条件下还可按储能量调节。能量大，持续时间也相应大幅延长[8-9]。这可能是以能量补偿持续时间具有较好效果的原因之一。

以IDI的固定特性来应对放电性能需求，除了缺少电容式放电的优势，多数情况下，持续时间效果仍不足以应付需求。而EB-CDI可以通过参数设计及调节，在利用CDI放电优势的情况下，在线匹配或补偿工况对点火性能的需求。单次点火放电性能就可在全工况优于IDI。但无论CDI、IDI，以单次放电应对全工况，均有改进余地。

2.4 高频点火

连续点火，即在同一周期多次执行点火，间隔大约1.5 ms或以上。已被认为是部分解决点火性能问题的途径；可延长点火持续时间、减少失火。据普遍经验、实验及技术分析，其效果是单次放电所不能达到的。文献2、9、10、11认为，电容式连续点火作用显著。除了大大延长放电持续时间，还增加稀燃稳定性、加快燃烧速度等；有效改善发动机能效、动力性、经济性、排放性。

IDI可执行连续点火，也有明显效果。但能量充放速率低，导致频度低、能耗大，只能在低速下实施。而且进一步改善的效果有限。

高频点火是连续点火的更高级阶段。所谓高频点火，要求连续点火频率更高，间隔小于或远小于1 ms。

EB-CDI使高频点火技术趋于成熟，创造出全面优化的性能。

根据工况及自动随电池电压变化大幅调节升压占空比。升压速率改变，同能量的充电时间可缩短或变化几倍、十几倍，频度也可提高。并对逐次放电各参数保持精确调节、控制，形成较为理想的高频点火。在缸内高速气流的推动下，持续大量电离气体，维持稳定、高效的能量转化。

击穿放电是高频点火应具备的技术手段。因具有明显优势，已成为各种新技术的基础。EB-CDI则以能量储放调节技术为基础，将击穿点火技术发展到高频击穿。充放电速率高、能量利用效率高及击穿放电技术好，远优于IDI、CDI连续点火。

2.5“单次电容式点火+高频击穿”组合

EB-CDI实际执行的点火形式一般为：“单次电容式点火+高频击穿”。2种组分均具优良特性。首次大能量电容式点火，形成强大火核；高频击穿维持高效燃烧。各自的参数可独立地大范围调节，包括缺位。当工况认为助燃效果或能量不足时，即动员高能点火及高频击穿。高频击穿的重要性在于维持稳定、高效的燃烧、恶劣工况下防止猝灭发生，而不是仅被动地挽救点火未果。高频击穿与IDI延长放电持续时间有本质区别，后者没有高频击穿的助燃优势、持续时间不能通过调节适配不同工况，更需要损失可贵的放电功率。

针对不同的应用环境，可在大小电容、高低储能电压等各种配合之间及其他点火参数上作出大范围选择，以获得更多样的点火性能、效果。EB-CDI可以作出前所未有、非常不同的能量累积及放电特性。

EB-CDI组合式点火，在不同工况下都体现优势，解决IDI不能解决的点火性能问题，是匹配发动机全工况的全性能点火技术。相比之下，CDI、IDI的点火性能各自在部分工况为弱项，也没有EB-CDI贯穿始终的突出性能。

3 EB-CDI与汽车新技术

3.1 与发动机新技术匹配

各种基于能效和环保目的的发动机新技术，对点火技术提出越来越高的要求。EB-CDI全面灵活控制的能量储放性能，可以恰当应对任何发动机新技术、新的能效和排放要求；提高燃烧稳定性、扩展烯燃、EGR的极限。

3.2 各型燃料应用

乙醇汽油的普及在即，多种醇类汽油国标已经颁布。所谓灵活燃料汽车，首要的是点火、燃烧，技术难点也在于此。需要以单独的常规点火装置点燃多种燃料，即对大部分醇类汽油具备灵活性。

醇类燃料往往需要以大能量点火启动，在可点燃的临界温度附近，燃烧常不稳定。还存在保质期及恰当使用等问题，增加点火技术负担。燃料问题与众多发动机新技术一起，对点火能量形成更复杂的需求模型。即便是10%的醇类配比，也在已趋繁难的点火要求上额外增加难度。使现有点火技术与需求之间的性能差距增大。

EB-CDI可凭借动态平衡控制技术，对各类燃料以高能点火、性能优良的组合点火作出应对。

3.3 24 V、48 V 电池供电

EB-CDI能量转换，不需要对电源采取电阻限流措施，相反尽力追求零输入电阻。24 V、48 V电池条件下，能大幅提升能量平衡控制的技术性能。采用精细的分时切割方式接入能源，数字化占空比技术调节能量输入速率，直接将电池能量转换为点火能量。充分利用而不是无谓消耗、躲避高电压强大的势能。

高电压及零电阻输入转换的高速、高效，减小了能源及电路对能量形成的制约，技术性能如虎添翼。在电源优势下能量储放特性进一步优化，高频击穿等性能进一步提高。12 V电压时，EB-CDI的高频点火性能多少受到制约。在24 V、48 V及以上电压下，高频性能更充分。也有助于汽车实现48 V或更高电压单一供电消除主要技术障碍，二者相益得彰。

对于比48 V高得多的电池供电，则以更细的时间分割实现高速转换，达到更高的能量多项指标。电路上，EB-CDI的点火线圈与高电压之间，至少经由升压变压器、储能电容双重隔离。点火线圈仅接受电容释放的能量，与高电压没有直接联系、没有安全及可靠性风险。

3.4 与新型点火技术的关系

已经出现的几种点火新技术，追求能量储放优良特性，实现常规点火技术难以达到的效果，但整体性能往往有所不及。EB-CDI则在传统技术高可靠性、实用性的基础上，接近、达到火花式或其他方式追求的理想性能。

4 结论

能量与转换速率的高度调节，必然给放电性能优越的CDI带来深刻变化，进入新的应用阶段。

传统CDI被认定的4大不足，即能量弱、不便于调节、放电持续时间短、电路复杂，被完全消除，转而具备全面、突出优势。而IDI迟缓且固定的充放电特性则不利于性能的拓展。

更兼低电流、低热、低能耗、高能效，更高的可靠性。

以动态参数闭环控制为基础的“电容式点火+高频击穿”组合，大幅提升CDI能量与放电特性，创造性地将电容式性能优势提升、延伸到各种工况，开创了基于传统点火方式的全性能点火技术。

利于不同工况下建立稳定、高效的燃烧。有助于能效与排放水准提高、各类燃料使用及不断发展的稀薄燃烧、EGR等技术范围的扩展。解决现有IDI、CDI点火性能不适应全工况、排放及燃烧能效不尽如人意等存在已久的难题。24V及以上电压条件下，优势进一步扩大。

同时，EB-CDI也是一种概念与技术较为复杂的新型点火系统。超越传统点火电路，其ECU或专设的点火ECU能将丰富的点火技术与特定发动机的性能规律动态协调。

为汽车或任何点燃式发动机追求高性能、先进技术、新能源技术提供技术支持。