汽油机均质稀燃点火系统的试验研究

胡 轲 张 华 韦 虹 李双清

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

为了实现具有挑战性的能效目标，满足越来越严苛的环保排放指标，目前行业内的先进汽油发动机都在不同程度上采用了废气涡轮增压器、废气再循环、缸内直喷、高压缩比以及稀燃等技术选项中的多项技术。采用以上几项技术的发动机，在发动机运行的某些工况存在缸内同一时间多种不均匀混合气分布，缸内的缸压较大，缸内的混合气的密度高，混合气的湍流速度大等特点。使用普通的火花塞，点火时刻若没有提供足够的点火能量，则很有可能会出现电极间隙无法被击穿。根据相关内燃机的燃烧理论研究，点火能量低，形成的初级火核的尺寸越小，更容易被流动混合气吹熄。点火时刻形成的火核被吹熄后，如果没有足够的点火能量形成新火核，这样无法保证稳定可靠的缸内燃烧过程，从而会导致失火概率升高[1]。有关研究文献对不同厂商的点火线圈点火能量的发展趋势进行了预测，预计到2020 年，配套的点火能量将超过200 mJ[2]。所以，在发动机设计过程中，在采用这些新技术的同时，也要匹配高点火能量的点火系统，否则发动机无法稳定工作。

稀薄燃烧技术是当前行业内普遍认同的提升发动机热效率的关键技术手段之一。稀燃技术的主要特点是采用比传统当量比更稀的缸内混合气，因此火花塞周围环境的混合气浓度也会比较低，点火时刻火核难以形成，所以需要的最小点火能量迅速增加。提高点火能量有利于火核形成，保证火焰快速生长，可以有效拓展混合气的燃烧极限。

本文着重介绍了3 种不同高能点火系统，并在同一台发动机上进行稀燃性能试验，对比不同高能点火系统对发动机性能、油耗和排放的影响。

1 高能点火系统

点火系统是火花点火发动机的基础零部件，在发动机运行过程中，点火线圈受发动机ECU 的控制，按照发火顺序给火花塞提供高的点火能量，最终火花塞电极间隙产生火花，点燃缸内的可燃混合气体。因此，点火系统能否可靠准确地点火以及点火系统的性能会对发动机的效率、性能和污染物排放产生什么影响都需要进一步的研究。传统点火线圈初级能量能达到50 mJ，电子式的点火线圈点火能量能达到100 mJ。根据经验划分，点火线圈的能量能达到100 mJ 的点火系统就可以称之为高能点火系统，如果点火线圈初级能量达到了200～300 mJ 或者更高就称之为超高能量点火系统，图1 所示为点火线圈点火能量的发展趋势。

图1 点火线圈点火能量的发展趋势

1.1 普通高能点火系统

当前普通的量产发动机点火系统，其工作原理为点火线圈与火花塞连接，储存点火所需的能量，将电源提供的低电压电转变为高压电，并将高压电传递给火花塞，火花塞在高压电的作用下电极间隙被击穿产生电火花点燃电极周围缸内的混合气体。

当前量产发动机上使用的点火能量范围都要小于100 mJ，普通高能点火系统在现有的点火线圈产品基础上提升点火能量，使点火线圈提供的点火能量能够达到120 mJ。这种方案在现有产品基础上进行技术升级，与传统的点火系统相比，不会增加系统布置的难度，同时成本的增加也在能够接受的范围之内。

1.2 长放电持续期的高能点火系统

长放电持续期的高能点火系统如图2 所示，它由控制装置和点火线圈组成，系统集成度非常高，并不会比普通的点火系统体积尺寸大特别多。该系统能够提供80～500 mJ 的点火能量，属于超高能量点火，电压能够达到45 kV。

图2 供应商点火系统产品

普通点火系统的主要弱点是在点火的后一阶段电流处于较低的水平，如图3 所示，稳定电流Ispark的趋势是随着点火时间的增加不断减弱，这样点火能量较小，不利于火核的形成。如图4 所示，长放电持续期点火系统能够在整个点火过程中维持较强的稳定电流，无论燃烧室缸内混合气体的湍流速度是大是小，所以点火能量有很大的提升。

图3 普通点火电流趋势

图4 长放电持续期点火电流趋势

如图5 所示的长放电持续期高能点火系统工作原理图，其具体的工作过程是：通过调节放电的时间Tspark，放电的峰值电流Ipk，稳定电流Ispark来调节点火的能量，具体的点火能量数值不能在实际测试中读取，只能根据对应的公式进行换算，点火能量和调节参数的对应如表1 所示，长放电持续期高能点火系统可调节的点火能量范围是90～450 mJ，该点火系统拥有较宽的点火能量区间，并且能够实现高达450 mJ 的超高点火能量值。长放电持续期高能点火系统与普通的点火系统相比，需要独立的控制单元，该控制单元还能进行失火诊断和爆震分析。

图5 长放电持续期工作过程

表1 长放电持续期点火能量对应表

1.3 电晕点火系统

如图6 的系统图所示，电晕点火系统由高频控制器和点火器组成，高频控制器需要单独的电源供电或者通过发动机电源供电。高频控制器有多个点火触发信号输出，内部通过CAN 与ECU 通讯。在试验过程中，该套点火系统可通过高频控制器控制模块进行控制。其点火性能是通过控制次级电压和点火持续时间来进行控制。

图6 电晕点火系统图

控制单元负责处理从发动机ECU 发出的脉冲，将12 V 的直流电压转换成频率大约为1 MHz 的高频电压，通过这个电压来激励点火器共振。当接收到1 MHz 高频激励作用，点火器会激发出72 kV 的超高电压，通过点火器的尖端辐射产生具有高场强的交变电场。电场从点火器的电极延伸到燃烧室内，用能量激励点火器电极范围内的混合气，直到转变成等离子体，这个过程在几个微秒内完成。一旦电子密度达到足够大的程度，即刻会形成多条长的电离气体束点燃燃烧室内的可燃混合气[3]。电晕点火可以生成面向整个发动机缸体内腔的电晕体，跟可燃混合气不是空间上单点接触，而是全方位的放电效应，所以能最大化提升混合气的可点燃性和缸内的燃烧稳定性。电晕点火系统需要高频的控制器，电晕点火器比普通的点火线圈和火花塞尺寸要大一些，需要考虑其在发动机缸盖上的布置。

2 发动机试验

2.1 发动机及试验基本信息

试验是在一款排量1.5L 的3 缸涡轮增压发动机直喷汽油机上进行的，采用高压缩比、Miller 循环及双顶置凸轮轴等技术，发动机的参数如表2 所示。台架设备型号和具体参数如表3 所示，试验采用92#汽油。

表2 发动机参数

综合应用高能点火系统、高滚流比气道、小包角进气凸轮轴和高压缩比技术，试验内容为固定工况点，从0.9 到1.9 对过量空气系数进行扫点，保持一定的扫点步长，拟研究不同过量空气系数工况下的发动机性能的变化。在试验过程中通过调节高效点火系统的次级电压和点火持续时间，且不出现漏电的情况下，保证稀薄油气混合气的点燃。试验边界条件如表4 所示。

表3 试验设备清单

表4 试验边界控制条件

2.2 试验结果分析

2.2.1 普通高能点火试验结果

以上述发动机为基础机，使用120 mJ 普通高能点火线圈，发动机运行在固定转速3 000 r/min，BMEP为1.05 MPa，对过量空气系数进行扫点，各工况运行稳定后，记录发动机不同过量空气系数工况下的性能参数。通过所测普通高能点火系统试验结果分析，当提高发动机点火线圈的点火能量到120 mJ，点火系统能点燃φat≈1.25 稀燃混合气。如图7 所示的油耗数据结果，随着过量空气系数的提高，发动机的有效燃油消耗率逐渐降低，得到的最低油耗为213.43 g/（kW·h），对比当量比下的油耗222.18 g/（kW·h）降低了3.5%左右。

图7 120 mJ 油耗结果

如图8 所示，从120 mJ 点火系统的COV 结果也可以看出，当过量空气系数φat＞1.25 的时候，COV＞3，发动机循环变动增加，不能继续增加过量空气系数进行试验。图9 所示为120 mJ 点火系统的燃烧参数测试结果，燃烧持续期随着过量空气系数增加而有所推迟。

图8 120 mJ COV 结果

图9 120 mJ 燃烧持续期和CA50

如图10 所示，120 mJ 点火系统测试的排放结果可以看出过量空气系数的提高对于排放的影响，随着过量空气系数的提高，NOx排放呈现先升高后降低的趋势，具体在φat=1.1 附近达到极值。当过量空气系数大于1.1 之后，NOx排放数值逐渐降低，有继续减小的趋势。

图10 120 mJ NOx 排放结果

2.2.2.长放电持续期高能点火试验结果

以同样的发动机为基础机型，使用长放电持续期的高能点火系统，发动运行在固定转速2 500 r/min，BMEP 为0.9 MPa，其他参数保持不变，对过量空气系数进行扫点，扫点步长为0.1，记录发动机不同过量空气系数工况下的各性能参数。同时通过调节所测试点火系统的放电持续时间，获得不同的点火能量（90 mJ，实线所示和310 mJ，虚线所示），重复上述步骤进行试验，得到不同点火能量下，过量空气系数对发动机各项参数的影响。

如图11 所示，随着过量空气系数的增加，发动机的有效燃油消耗量随着φat的升高先降低后增加，在φat=1.505 时，是燃油消耗的极值，获得最佳燃油消耗率209.1 g/（kW·h）。同时，对比相同过量空气系数工况下两种不同点火能量的试验结果可以看出，点火能量越大越能获得更低的燃油消耗率。

图11 长放电持续期油耗结果

从图12 的COV 试验结果可以看出高能点火系统对于稀燃极限的拓展也是有限的，长放电持续期的高能点火系统只能将稀燃极限提升至1.7 左右，点火能量的升高能一定程度上改善发动机运行稳定性，但是还是不能提升过量空气系数至1.7 以上，此时发动机运行不稳定，循环变动增加。

图12 长放电持续期COV 结果

通过图13 和图14 的燃烧参数分析可知，随着过量空气系数的升高，缸内混合气的燃烧速度明显变慢，燃烧持续期增加，所以当φat＞1.7 之后，COV 急剧变差，燃烧不稳定。相比于普通高能点火系统，通过延长放电持续期对点火能量的提高，能有效改善燃烧过程，提高燃烧速度。

通过图15 所示的NOx排放数据分析，过量空气系数的提高对NOx排放影响的趋势与普通高能点火是吻合的，在φat为1.1 附近时，NOx排放达到极值，当φat＞1.1，NOx排放呈现下降趋势，在φat=1.7 左右时，实测NOx排放数值为383×10-6，仍不能满足排放法规规定的排放限值要求。需要进一步研究φat＞1.7时，过量空气系数的变化对于NOx排放的改善趋势。

图13 长放电持续期燃烧持续期

图14 长放电持续期CA50

图15 长放电持续期NOx 排放

2.2.3 电晕点火稀燃试验

以上述发动机为基础机型，使用电晕点火系统，发动运行在固定转速2500 r/min，BMEP 为0.9 MPa，对过量空气系数进行扫点，记录发动机不同过量空气系数状态下的各性能参数。

图16 所测试电晕点火油耗结果

如图16 所示，过量空气系数对油耗的影响变化趋势与长放电持续期点火系统趋势一致，在φat=1.55时，获得最低油耗207.25 g/（kW·h），比长放电持续期点火系统有更低的燃油消耗，说明点火能量的继续提高会降低油耗。

同样，当φat升高到1.7 左右时，COV 急剧增加，燃烧不稳定，如图17 和18 所示的燃烧参数，说明在试验用的基础发动机上，靠简单地提升点火能量，能够实现的稀燃边界是有限的，需要对发动机和点火系统的匹配进行优化，优化缸内混合气的形成。

图17 所测试电晕点火COV 结果

图18 所测试电晕点火燃烧参数

从图19 所示的NOx排放的测试结果可知，当φat＞1.7 时，继续增大过量空气系数，能继续降低NOx排放。

图19 所测电晕点火NOx 排放

3 结论

1）均质稀燃是提升发动机热效率的关键技术之一，高能点火系统在发动机上的应用是实现稀燃技术的必要条件，高能点火系统能显著提高较浓或者较稀混合气成功点火的概率，改善混合气的着火过程，提升燃烧速度。

2）长放电持续期的高能点火系统与普通的高能点火系统相比较，能稳定点燃更稀的缸内混合气，试验结果显示所测长放电持续期点火系统能点燃φat≤1.65 的稀燃混合气。但当φat＞1.65，实测结果COV＞3%，燃烧持续期随着过量空气系数的增加持续增加，发动机不能成功点火，出现失火。

3）所测电晕点火系统是一种体积点火方式，与长放电持续期的高能点火系统相比，能有效点燃φat＞1.65 的稀燃混合气，进一步拓展了稀燃的极限，但是受基础试验发动机缸径和燃烧室高度的限制，较高的过量空气系数φat=1.7（1.8），试验时循环变动增加，燃烧不稳定[4]。