高能点火对汽油发动机燃烧稳定性的影响分析

顾启凡，叶昌，李雪松，许敏

(上海交通大学汽车电子控制技术国家工程实验室，上海 200240)

随着社会对能源和环境问题的日益重视，更加高效低污染的发动机新技术备受关注[1]。由于发动机在冷起动工况的性能对排放、油耗和舒适性都有很大的影响，所以保证冷起动工况的高性能对于提升发动机的性能至关重要。发动机在冷起动工况性能相对较差的一个重要原因是在冷起动时燃烧不稳定。在冷起动工况下，发动机缸内的残余废气很多，这就导致了发动机内过量空气系数增加，从而燃烧恶化。要想发动机在冷起动时燃烧稳定，理论上可以适当加浓混合气，但是这样可能导致发动机的热效率下降，与高效运行的初衷相悖。提高点火能量可以获得稳定的初始火核，在加浓混合气无法冷起动的情况下，这一燃烧策略逐渐成为了行业内关注的重点。

虽然点火能量的提高可以促进发动机缸内燃烧稳定，但是点火能量的提高幅度受限于发动机中实际搭载的点火系统。目前发动机搭载的点火系统主要分为电容放电式点火装置(简称CDI点火装置)和晶体管控制方式点火系统[2-6](简称TCI点火装置)。其中CDI点火效率高，能量密度大，击穿能力强，但持续时间短，不适合稀混合气；而TCI点火的火花持续时间比CDI点火要大得多，热量累积效应好，但是点火效率相对较低，多用于中低速发动机。同时受到充电时间的限制，TCI点火能量往往不能大幅提高。

HUA ZHU[7]等用经验模型来模拟火花塞间隙的等效离子通道电阻与火花放电发光阶段的放电电流之间的关系，并使用模型参数来研究改变点火线圈设置带来的影响。Dongwon Jung[8-9]等使用10个火花线圈的高能感应点火系统增加火花放电能量，并且通过安装在进气口中的定制适配器增强缸内湍流水平，将稀薄极限从1.51提高到了1.9。陆海峰[10]等使用自行开发的两阶段点火系统，在稀薄燃烧工况下研究了放电特性和各阶段能量分配规律，使相对热效率提高了10%。然而此前研究多针对单一火花放电模式和稀混合气燃烧工况，未对发动机排放、油耗和舒适性相对较差的冷起动工况进行研究，而且燃烧情况也只单一利用燃烧分析仪导出的缸压数据进行分析，对于点火能量对混合气初始火核形成和燃烧速率的影响并没有进行深入的研究。

本试验使用了高速彩色相机来记录不同点火能量下缸内的燃烧情况，以便对比研究每个曲轴转角对应的火焰边界，以此更加直观地观察点火能量对缸内燃烧速率的影响。本研究的主要目的是研究提高点火能量对冷起动工况下火花点火燃烧稳定性的影响。研究利用自研高能点火系统提高发动机点火能量，在可视化单缸发动机上通过提高放电电流研究提高点火能量对发动机冷起动工况的影响，利用光学活塞和高速相机等光学仪器，记录并分析点火能量对火核生成以及火焰传播的影响。

1 试验方法及台架

1.1 发动机试验台架

本研究所用发动机是在某量产4缸直喷汽油机的基础上改造的单缸试验用发动机，此试验机配备了独立的进排气道，以防止其他3缸对试验缸的影响。试验机安装有玻璃活塞，可以通过高速彩色相机和45度镜对缸内燃烧情况进行实时拍摄。本研究所用的单缸光学发动机如图1所示，参数如表1所示。试验采用AVL交流测功机、Kistler 6125A压力传感器和Photron HX-5E高速彩色相机。

图1 试验用单缸光学发动机

表1 发动机主要技术参数

1.2 高能量点火系统

本研究所用的高能量点火系统是在常用的晶体管控制方式点火系统(TCI)的基础上进行改进的。高能量点火系统的电路原理见图2。电路下半部分是一个传统的TCI点火电路，上半部分是一个稳压模块，稳压模块可以使电路输出电压在0～2 500 V内任意变化，下文中用点火电压来表征点火能量，所用的点火电压就是稳压模块的电压值。在两个模块外各增加了一个二极管，以防止这两个模块之间发生漏电现象。当稳压模块未启用时整套系统就是一个单纯的TCI点火系统，当稳压模块内的电容充电保持为某一高压时，火花塞被击穿后电压不会迅速降低，而是因为稳压模块的存在而保持在稳压模块内的电容电压值，增加点火的能量。

图2 高能量点火系统电路示意

1.3 试验工况

本研究通过AVL交流测功机以怠速转速887 r/min驱动发动机，AVL冷却液和润滑油供应调节装置将发动机冷却液和油温控制在30 ℃(不确定度±0.2 ℃)。这是为了模拟基于测功机的冷起动测试，以表征催化剂预热阶段发动机燃烧的性能。此时发动机运转速度为887 r/min，进气压力为55 kPa。喷油压力为22 MPa，喷油时刻为302.9°BTDC，喷油脉宽为1.16 ms，点火时刻为20°BTDC，点火持续2 ms，依次采用常规点火能量、900 V、1 200 V、1 500 V和1 800 V高能量进行点火试验，具体试验工况如表2所示。表中配气相位指的是当进(排)气门升程为0.1 mm时对应的曲轴转角。

表2 试验工况参数

2 试验结果与分析

2.1 提高点火能量对缸内点火火弧的影响

本研究的目的之一是探索在不同点火能量下缸内点火火弧延伸发展的情况。由于汽油机的燃烧速度与初始火核的形成和火核的成长速度密切相关，而初始火核的形成又与受气流影响延伸发展的发动机点火火弧长度密切相关[11-13]，所以有必要对缸内点火火弧的形成发展进行探究。本研究使用高速彩色相机通过45度镜对缸内点火电弧进行观察，不同点火能量下火花塞发出点火火弧受气流影响延伸发展情况如图3所示。

图3 不同点火能量下点火火弧对比

从图3中可以清楚地看出，随着点火能量的增加，受气流影响延伸发展的点火火弧长度明显变长，同时火焰颜色也逐渐变亮，从最初的淡红色变成了亮白色。由于点火火弧的增长，燃烧时初始火核面积会有显著增加，理论上火焰燃烧速度更快[14]。

对比各个点火能量下的火弧情况，可以看到在常规点火能量下火弧不是很明显，在图片中比较难观察到，而900 V、1 200 V和1 500 V点火能量下火弧可以清晰地观察到，只是这三种情况差别不是很大，而当高能量点火提高到1 800 V时，火弧面积较之前有了明显的增大。

2.2 提高点火能量对缸内燃烧速度的影响

为验证不同点火能量下缸内燃烧速度的变化，使用高速彩色相机通过活塞下部安装的45度镜对缸内燃烧情况进行观察。图4示出在常规点火、1 200 V高能量点火和1 800 V高能量点火情况下的燃烧情况，其中框内为缸内可视区域。在部分初始图片中，尤其是在火焰燃烧初始情况下的图片中，火焰面积无法很明显地分辨，为了更明显地看出不同点火能量下火焰燃烧的速度，将初始图片通过Matlab进行处理，绘制每个时刻的燃烧边界(见图4)。从图4中对比相同曲轴转角下的燃烧边界，可以明显地发现，随着点火能量的增加，燃烧速度有了明显提高，尤其是从常规点火变成1 200 V高能点火，燃烧速度提高十分明显。

图4 不同点火能量，相同曲轴转角下燃烧情况对比

从燃烧图像中可以定性地判断，随着点火能量的提升，燃烧速度有所提升。为了确定燃烧速度提升的程度，对燃烧分析仪得到的缸压数据进行分析，结果如图5所示。图5示出了不同点火能量下火焰发展期(点火时刻到燃油消耗10%时的持续期)的变化，其中常规点火反映在横坐标中为400 V。从图中可以看出，随着点火能量的增大，火焰发展期逐渐缩短，这说明在此工况下初始燃烧速度增加，这是由于初始火核的面积随着点火能量的提升而增加。在分析点火火弧时发现，1 800 V高能量点火下点火火弧面积有明显的增加，而在图5中，1 800 V点火情况下火焰发展期缩短的幅度也非常大，在主燃期(燃油消耗10%时到燃油消耗90%时的持续期)和燃烧循环变动也出现了同样的趋势。

图5 点火能量对火焰发展期的影响

图6示出不同点火能量下主燃期的变化，与常规点火相比，采用高能量点火装置使得主燃期缩短，且随着点火能量的增大，主燃期也持续缩短。

图6 点火能量对主燃期的影响

图7示出了在冷起动测试中，不同点火能量下火焰发展期和主燃期的相位变化。显然，较高的点火能量下，在相同点火正时的情况下，无论是CA10、CA50还是CA90对应的曲轴转角都在提前。在常规点火情况下，火焰发展期结束时刻(CA10)为8.1°曲轴转角，燃烧中段时刻(CA50)为27.1°曲轴转角，主燃期结束时刻(CA90)为40°曲轴转角；而当点火电压提高到1 800 V时，火焰发展期在6.3°曲轴转角就已经结束，在20.3°曲轴转角时火焰发展已到中期，在29.8°曲轴转角时刻主燃期就已经基本结束了。由此可以发现，当点火能量增加时，无论是主燃期开始时刻和结束时刻都在前移，且火焰发展期和主燃期的持续时间也都在缩短，这是由于高点火能量导致了受气流影响延伸发展的点火火弧长度更长，初始的点火火核的面积增加引起的。

图7 点火能量对ST、CA10、CA50、CA90持续时间的影响

从图8中可以看出，火焰发展期和主燃期的持续时间近乎线性关系。当点火能量逐级提升，初始火核面积增加导致缸内火焰早期燃烧得到了改善，即火焰发展期的时间缩短；火焰早期燃烧优化必定使得缸内火焰整体燃烧提前且燃烧速度更快，这也就导致了主燃期的持续时间缩短。

图8 火焰发展期与主燃期之间的关系

2.3 提高点火能量对缸内燃烧稳定性的影响

为保证试验的可重复性，本研究在各组点火能量下选取100个循环的累计放热情况与其平均累计放热进行比较，结果如图9a所示。图中灰色曲线为100个循环的累计放热曲线，而黑色曲线则是各工况下的平均累计放热曲线。缸压对比如图9b所示。

图9 100个循环缸压和累计放热曲线与平均值曲线比较

从图中可以看出，随着点火能量的增加，在该工况下累计放热量曲线的循环变化逐渐减小。在常规点火下，存在部分燃烧和失火循环，对应于比平均值明显低的总热量释放或者接近于零的累计放热量曲线；另一方面，还观察到许多比平均值高的累计放热量曲线，其前面是低于平均值的累计放热量曲线。发生这种情况是因为燃料在前一个循环并未完全燃烧，这部分未燃烧的燃料进入了下一个循环，残余燃料使得这个循环的燃烧量更大，所以累计放热量远远高于平均值。当采用900 V电压的高能量点火时，与常规点火相比，部分燃烧和失火循环的数量有所减少，循环累计放热量的最大值也略有下降。纵向对比各个点火能量下累计放热曲线，可以清楚地看出，随着点火能量的提高，部分燃烧和失火循环的数量显著减少，循环放热量逐渐接近于平均值。当使用1 800 V高能量点火时，100个循环的累计放热量曲线都已经很逼近于平均值，基本不存在部分燃烧和失火循环了。

如图9b所示，在常规点火的冷起动测试中，可以观察到双峰压力曲线，说明在冷起动条件的典型稳定阶段，早期燃烧发展不良。图10示出不同点火能量下的平均缸压曲线，点火能量提高后，双峰现象逐渐消失，且峰值压力升高，说明随着点火能量的提高，平均燃烧性能会有所提高，峰值压力也会逐渐变高。

图10 点火能量对缸压平均值的影响

从累计放热量曲线和缸压曲线可以定性判断出提高点火能量可以减少燃烧的循环变动，提高燃烧的稳定性[16-19]。为定量分析点火能量对燃烧稳定性的影响，计算每个点火能量下平均有效压力的循环变动值(IMEP_COV)，结果如图11所示。对于怠速冷起动工况，IMEP_COV<10%可以认为燃烧稳定。从图11可以看出，常规点火情况下IMEP_COV=14.85%，燃烧并不稳定，但是随着点火能量提高，IMEP_COV的数值逐渐减小，当点火能量提高到1 200 V时，IMEP_COV=9.41%，燃烧趋于稳定，将点火能量提高到1 800 V时，IMEP_COV下降到4.22%，燃烧相当稳定。由图11可知，提高点火能量可以显著地提高燃烧的稳定性。

图11 点火能量对燃烧循环变动的影响

3 结论

a)火焰发展期的燃烧速度与初始火核的形成有着密切的关系，而初始火核的面积受点火能量影响很大；随着点火能量的增加，受气流影响延伸发展的火弧长度大幅增加，初始火核面积也大幅增加；

b)火焰发展期和主燃期之间有相对良好的相关性，点火能量增加会使火焰发展期和主燃期都缩短，显著提高燃烧速度；

c)提高点火能量可以显著地提升燃烧的稳定性，随着点火能量的提高，未燃烧循环和失火循环的数量会明显减少，燃烧循环变动从14.85%减少到4.22%。