纳秒脉冲放电参数对点火性能的影响

刘静远， 王 宁， 赵庆武， 熊 勇， 程 勇

(山东大学 能源与动力工程学院, 济南 250061)

为了提高内燃机热效率及改善排放性能，废气再循环(EGR)、稀薄燃烧等技术受到青睐，但过高的EGR率及过量空气系数会造成发动机燃烧循环波动增大、燃烧不稳定，甚至出现失火现象，这对点燃式内燃机的点火系统提出了更高的要求.

前人研究结果表明[1-4]，火花塞点火包括3个阶段：击穿阶段、电弧阶段、辉光阶段.在击穿阶段，在高电压作用下气体介质被击穿形成火花通道；在电弧阶段，火花通道将转变成一个大电流电弧；在辉光阶段，电压电流迅速减小，但持续时间比前两个阶段长，点火能量集中在这一阶段释放.以上过程，从击穿阶段到电弧阶段的过渡会消耗大量能量，缩短这一阶段，可有效增加辉光阶段释放的能量.

近几年，纳秒脉冲放电点火受到了广泛关注.文献[1]研究了丙烷/空气混合气的点火成功率随放电能量、混合气初始压力的变化规律，指出在0.3×105～1×105Pa范围内，放电能量和混合气初始压力越大，点火成功率越高.文献[5]应用瞬时冷等离子体技术对甲烷/空气预混气体进行了点火试验，并与电火花点火结果进行了对比，发现瞬时冷等离子体将甲烷预混气体的着火延迟时间缩短了40%.文献[6]研究了纳秒脉冲放电对丙烷/空气混合气的点火过程，发现放电脉冲数对点火过程有很大的影响，放电产生的活性物质会加速稀混合气的燃烧，当施加较多的脉冲时，可以显著降低着火延迟.文献[7]利用脉冲爆震发动机测试平台研究了纳秒放电对点火过程的影响，发现在较高的脉冲频率(>10 kHz)时，多个脉冲会耦合成一个火核，增加了点火火核的尺寸和核中释放的总能量.文献[8]基于定容燃烧弹的研究发现，利用多组脉冲放电产生的累计效应，可以增大点火成功率.诸多研究结果表明，纳秒脉冲放电在强化点火方面表现出了突出的优势.

影响纳秒脉冲放电能量的因素有很多，以往的研究大多通过改变放电脉冲数调节放电总能量，但脉冲电压、脉冲间隔也会影响放电总能量及后续的火焰传播过程.本文在定容燃烧弹中，以甲烷/空气混合气为介质，研究了点火成功率和着火延迟随纳秒脉冲发生器的最高输出电压、放电脉冲间隔的变化，可为纳秒脉冲放电在改善内燃机点火性能的研究上提供试验基础.

1 试验装置及试验过程

试验装置示意图如图1所示.空气气泵、甲烷气瓶用于为混合气瓶提供预设当量比的混合气，混合气依据道尔顿分压定律配制.首先，根据预定当量比向混合气瓶充入指定压力的甲烷气体，压力值由压力传感器1(MIK P300，精度为0.25%FS(FS为满量程)，量程为 -0.1～1 MPa)监测，然后充入空气至目标压力.混合气瓶内置电磁搅拌器，用于将混合气搅拌均匀，混合气瓶内的混合气通过电磁阀充入定容燃烧弹；燃烧弹内径为4 cm、长度为2 cm.用压力传感器2 (AVL QC32C，精度为0.25%FS，量程为 -0.1～1 MPa)测量并控制燃烧弹内混合气压力；脉冲电源为自主设计开发，基于脉冲变压器和磁压缩技术，以大电容储能提高脉冲重复频率，用谐振充电减小电容充电时间.根据充放电时间匹配磁开关并利用其磁饱和特性产生陡上升沿脉冲，产生的脉冲电压上升时间约为20 ns、半高宽约为50 ns、幅值为10 kV以上，脉冲频率为16 kHz时能保证较好的幅值一致性[9]；火花塞间隙为1 mm；放电时的电流、电压分别采用电流传感器(Pearson2877)、高压探头(Tektronic P6015A)及示波器(Tektronic DPO2014)测量，示波器最高采样频率为100 MHz.燃烧弹内的压力采用压力传感器2和示波器进行采集.放电及燃烧图像采用Phantom VEO710高速照相机记录，通过单片机控制系统对脉冲电源、示波器及高速照相机进行同步触发.

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

试验时，过量空气系数在0.8～1.7范围内调节，试验初始压力固定为0.1 MPa，混合气初始温度及燃烧弹壁面温度为室温，约为298 K.

2 纳秒脉冲放电特性及放电能量

由文献[10]可知，测量到的总电流Itot由电极间电容容值变化反映的位移电流Idisp和实际带电粒子定向移动反映的传导电流Icond组成，如下式所示：

Itot=Idisp+Icond

(1)

(2)

式中：C为电极间隙电容的写法；U为电极间电压；t为时间.

由式(1)和(2)可得：

(3)

由于在甲烷/空气混合气中，甲烷占比较小，对分子密度影响较小，本文在应用中，以在大气中放电得到的电流值代替在甲烷/空气混合气中放电时的电流值作为Itot.

当脉冲电压为7.4 kV、脉冲持续时间为20 ns时，在空气中放电时的实测总电流、计算得到的位移电流和传导电流如图2所示.其中：I为电流.由图2可知，最大传导电流约为51 A.

图2 Itot、Idisp和Icond的对比Fig.2 Comparison of Itot, Idisp, and Icond

依据实测电极电压和计算得到的传导电流，得到电极的放电功率.将功率对脉冲持续时间积分，可以得到脉冲放电释放到等离子体中的能量：

(4)

电极电压和传导电流和释放能量随时间的变化过程如图3所示.由图3可知，纳秒脉冲放电过程可分为3个阶段：击穿阶段、电弧阶段和辉光阶段.

图3 电极电压、传导电流和释放能量随时间的变化Fig.3 Electrode voltage, conduction current, and released energy versus time

击穿阶段，放电开始到刚形成气体通道的过程，脉冲电压升高到约为7.8 kV时, 电极间隙中的混合气被击穿，形成很窄的气体通道；电弧阶段，气体通道为电流通道所取代的过程，电压迅速降低到一定值，随后震荡衰减，电流迅速增大到峰值51 A，电极间气体通道转化为电流通道，电流通道形成电弧的中心高温度区，一般认为在电弧阶段开始出现火焰传播；辉光阶段，电流通道形成到放电过程结束，电流由峰值震荡衰减，产生较多热量，绝大部分点火能量在此时放出[1-2].

脉冲电压Ua是脉冲电源施加到电极的总电压，放电过程中脉冲电压与电极间击穿电压Ub、击穿电流Ib随时间变化的趋势如图4所示.由图4可知，发生击穿时，击穿电压为7.2 kV，击穿电压不能直接控制，通过改变脉冲电压幅值，改变电极间击穿电流，实现对放电能量的调控.图5 统计了不同脉冲电压时在空气中的击穿电流和放电释放的能量.当脉冲电压为7.1 kV时，击穿电流为47.8 A，释放能量为1.8 mJ；当脉冲输出电压为10.4 kV时，击穿电流为80.3 A，释放能量为3.6 mJ.

图4 脉冲电压、击穿电压和击穿电流的关系Fig.4 Relationship between pulse voltage, breakdown voltage, and breakdown current

图5 脉冲电压与击穿电流和放电释放能量的关系Fig.5 Relationship between pulse voltage, breakdown current, and discharge energy

图6 多脉冲击穿电压、击穿电流随时间的变化Fig.6 Multi-pulse breakdown voltage and breakdown current versus time

当脉冲电压为10.4 kV、脉冲持续时间为20 ns、脉冲间隔为60 μs时，在空气中连续放电时的击穿电压和总电流波形如图6所示.由图6可知，当采用多脉冲放电时，击穿电压、电流值与单个脉冲放电时不同，第1个击穿电压值较高，但电流值较低，从第2个脉冲开始，击穿电压、电流趋近平稳，但相比第1个脉冲，击穿电压有所降低，击穿电流有所增加.

图7 第2个脉冲电压及能量随脉冲间隔的变化Fig.7 Voltage and energy of the second pulse versus pulse interval

脉冲电压设置为10.4 kV，脉冲持续时间设置为20 ns，第1个脉冲能量为3.6 mJ.改变脉冲间隔，统计了第2个脉冲击穿电压Ub和释放能量E′随脉冲间隔Δt的变化情况，如图7所示.当脉冲间隔由60 μs逐渐增大时，第2次脉冲击穿电压从 2.7 kV 逐渐增大，最大击穿电压出现在脉冲间隔为 140 μs 时，达到5.5 kV.继续增大放电脉冲间隔，击穿电压维持在5.5 kV左右.而从放电所消耗的总能量来看，当脉冲间隔为60 μs时，第2个脉冲释放了 1.8 mJ 的能量，当脉冲间隔增大为140 μs以上时，第2个脉冲释放的能量在3.3 mJ左右.

出现这种现象的原因是因为相继脉冲作用效果存在耦合，前一次放电在电极间产生大量的高温活性物质，使下次放电时更容易发生击穿.但随脉冲间隔时间增长，第2个脉冲击穿电压增大，是由于高温状态活性物质向周围扩散导致密度降低，需要更高的电压击穿电极间的气体.

3 纳秒脉冲放电参数对点火性能影响 的试验研究

在燃烧弹内充入甲烷/空气混合气，初始压力为1×105Pa温度为室温，过量空气系数范围为0.8～1.7，以点火成功率和着火延迟为评价参数，探究了脉冲持续时间为20 ns，不同脉冲电压、不同脉冲间隔下纳秒脉冲放电参数对点火性能的影响.

3.1 放电参数对点火成功率的影响

点火成功率P定义为点火成功次数与试验总次数S之比.通过高速相机观察点火过程，以形成火核，并顺序点燃周围混合气，火焰传播扩散至整个燃烧室为点火成功.为保证数据的有效性，需要统计足够次数的试验.放电参数保持不变，重复进行试验，得到的点火成功率随试验次数增加的变化趋势如图8所示.由图8可知，当试验次数达到30次以上时，点火成功率统计值逐渐稳定.在后续试验中，点火成功率均采用30次的测试结果进行统计.

图8 点火成功率与试验次数的关系Fig.8 Flame success rate versus number of tests

图9显示了点火成功率与脉冲间隔的关系，试验中脉冲电压为10.4 kV，放电脉冲数为100，设过量空气系数为φ.由图9可以看到，过量空气系数φ在0.8～1.4之间时，点火成功率为100%；当混合气浓度偏离此范围时，点火成功率随放电脉冲间隔的增大近似呈线性降低.过量空气系数为0.8、1.5、1.6，脉冲间隔设置为60 μs时，点火成功率可维持在100%，当脉冲间隔大于120 μs时，采用纳秒脉冲放电难以着火.这主要是因为随着脉冲间隔的延长，脉冲之间的耦合作用降低，单个脉冲释放的能量难以形成有足够能量的火核，使点火成功率降低.

图9 点火成功率随放电脉冲间隔的变化Fig.9 Flame success rate versus discharge pulse interval

固定脉冲间隔为60 μs，脉冲数为100，统计得到点火成功率随脉冲电压的变化，如图10所示.由图10可知，过量空气系数φ在0.8～1.5之间时，点火成功率为100%.当过量空气系数为1.6，脉冲电压为8.3 kV时，无法点燃混合气，随着脉冲电压的升高，点火成功率升高，脉冲电压达到10.4 kV时，点火成功率达100%.增大过量空气系数至1.7时，虽然点火成功率也随脉冲电压的提高逐渐升高，但脉冲电压达到10.4 kV时，点火成功率也未达到100%.

图10 点火成功率随脉冲电压的变化Fig.10 Flame success rate versus pulse voltage

为进一步探究纳秒脉冲放电的点火能力，将放电脉冲间隔固定为60 μs，脉冲电压设置为 10.4 kV，在过量空气系数为1.7、1.8时，统计了点火成功率随脉冲数N的关系，如图11所示.由图11可知，在过量空气系数为1.7时，将脉冲数增加到200，点火成功率可达到100%；过量空气系数为1.8时，增加脉冲数，点火成功率也随之升高，表明增大脉冲数可以产生更多的活性物质，进而可以扩大着火界限.

图11 点火成功率随脉冲数量的变化Fig.11 Flame success rate versus number of pulses

3.2 放电参数对着火延迟的影响

根据点火试验中燃烧弹内压力数据，统计了着火延迟随放电参数的变化规律.将累积放热量达到总放热量10%的时刻定义为着火开始时刻，即着火延迟期τ定义为放电开始至总放热量达10%时所需的时间.

定容弹容积固定，混合气燃烧释放的能量，一部分传给工质，使工质内能增加，一部分通过燃烧室壁面散失到环境中，由文献[11]根据热力学第一定律有:

QB=ΔE+QW

(5)

式中：QB和QW分别为混合气燃烧放热量、通过壁面的散热量；ΔE为工质内能的变化[10].

(6)

考虑到：

U=cVmT

(7)

(8)

(9)

由式(7)～(9)可得：

(10)

将式(10)代入式(6)可得：

(11)

式中：m为燃烧弹中混合气质量；T为混合气温度；cV为混合气定容比热容；Rg为混合气气体常数；V为燃烧弹容积；k为混合气等熵指数；p为燃烧弹内压力；K为传热系数；A为定容弹内表面积；TW为燃烧弹壁面温度.文中计算累积放热量是为了确定放热量至总放热量10%时所需的相对时间，将等熵指数k视为常数，对结果无影响.则式(11)在k取常数后可简化为

(12)

混合气温度可由理想气体状态方程计算得到：

(13)

式中：n为燃烧弹内混合气的物质的量；R为通用气体常数，取为8.314 J/(mol·K).

燃烧弹容积V为25 mL，为简化计算，取k=1.3，K=35 J/s，n=1.159×10-3mol，A=2.5×10-3m2，TW=298 K.由瞬时放热率对时间积分可得累积放热量Qf，进而确定着火延迟τ，如图12所示.

图12 着火延迟示意图Fig.12 Diagram of ignition delay

图13统计了着火延迟随脉冲间隔的变化.由图13可知，随着脉冲间隔的增大，不同过量空气系数下的着火延迟均有所增加，表明脉冲间耦合作用减弱，电极间活性物质保有量相对脉冲间隔较小时减少.当过量空气系数为0.8时，脉冲间隔为60 μs和100 μs时着火延迟改变量最大，为9.9 ms.

图13 着火延迟随脉冲间隔的变化Fig.13 Ignition delay versus pulse interval

图14统计了着火延迟随脉冲电压的变化.由图14可知，随着脉冲电压的增高，着火延迟略有缩短.脉冲输出电压从7 kV增大到10.4 kV，过量空气系数为0.8时，着火延迟最大缩短量为2.2 ms；在理论空燃比下，着火延迟的最大缩短量为0.5 ms；在过量空气系数为1.6时, 着火延迟的最大缩短量为5 ms.

图14 着火延迟随脉冲电压的变化Fig.14 Ignition delay versus pulse voltage

通过上述结果可知，在混合气浓度偏离理论空燃比时，增大脉冲电压和减小脉冲间隔均可以有效降低着火延迟.文献[12]可为此结论提供理论支撑：高频纳秒脉冲放电对点火性能的影响，集中在点火初期.一方面，重复的脉冲放电在静止燃气中引起湍流现象，使产生的火核更容易发展；另一方面，多组放电会产生更大的热区域，方便形成更大的初始火核.

4 结论

基于定容燃烧弹探究了纳秒脉冲放电参数对甲烷/空气混合气点火及燃烧的影响，主要结论如下.

(1) 纳秒脉冲放电的连续脉冲之间存在耦合作用，这种耦合作用的效果随脉冲间隔增大而逐渐减弱.试验中，在脉冲间隔到140 μs时，耦合作用的效果可以忽略不计.可以充分利用脉冲间耦合关系，相对减少击穿阶段消耗的能量，提高放电能量利用率.

(2) 脉冲持续时间不变，增大脉冲电压、脉冲数量和减小脉冲间隔可以扩大甲烷/空气混合气的着火界限，提高点火成功率.

(3) 脉冲持续时间不变，增大脉冲电压和减小脉冲间隔均可以有效降低着火延迟.