放电参数对高频纳秒脉冲多流注点火的影响

2022-07-13赵庆武陈晋兵

内燃机学报 2022年4期

赵庆武，熊勇，陈晋兵，王宁，程勇

(1. 山东大学能源与动力工程学院，山东济南 250061；2. 中国北方发动机研究所，天津 300400)

随着稀薄燃烧、EGR等技术的应用，点燃式发动机对点火系统提出了更高的要求，除了要求可靠点火之外，还增加了加快燃烧速率的要求[1-3]．研究[4-6]表明，点火成功率受到最小点火火焰半径的影响，增大初始火核并加快其发展速度有利于提高点火成功率及燃烧速率．

火花点火通过放电产生的等离子体的热效应引燃混合气，等离子体的体积决定了初始火核大小[7]．多电极点火[8]、高能点火[9]、微波谐振点火[10-11]、微波辅助点火[12]和射频点火[13]等均能有效增大等离子体的体积，强化点火效果．但这些方式产生的等离子体局限于电极附近的小范围区域，点火助燃效果受限．

纳秒脉冲放电是一种新型的等离子体产生方式，采用电压上升沿为纳秒量级的高电压，可以在非常短的时间内建立很高的电场，产生快速电离波，引发大面积分布的放电通道[14]．Stepanyan等[15]研究了压力为0.1～0.6MPa下纳秒脉冲驱动沿面介质阻挡放电(SDBD)等离子体的发展过程，结果表明：随着压力的升高，放电模式更容易从弥散放电转变为丝状的多流注放电．压力为0.2MPa时放电模式转变的电压阈值约为51kV，压力为0.6MPa时降低至约40kV．这两种放电模式的等离子体覆盖范围都很大，具有空间点火的潜力．Anokhin等[16]研究了压力为0.06～0.10MPa下的SDBD点火，观察到C2H2-空气混合物同时在高压电极的环形边缘处被点燃．对于较高压力的情况，Boumehdi等[17]通过快速压缩机中的SDBD点火试验，发现在压缩终了压力为1.47MPa、温度为972K条件下，纳秒脉冲SDBD放电产生的等离子体使点火延迟从130ms缩短到10ms以内．

目前研究工作中大多采用单脉冲放电，放电能量和等离子体特性不易调整．笔者采用高频重复脉冲纳秒脉冲驱动SDBD，产生了大面积分布的多流注放电等离子体，通过改变脉冲数可调整总放电能量．多脉冲放电时放电通道的分布及演化特性与单脉冲时有显著差异，且放电特性随着脉冲间隔的不同而改变．通过对脉冲频率和脉冲数的设置，可以改变等离子体的活性及其分布．因而根据高频重复纳秒脉冲多流注放电的特点可对点火过程进行灵活控制．

为了研究放电参数对点火及燃烧过程的作用，笔者选择丙烷-空气混合气，在相同的初始条件(空燃比、压力和温度)下研究脉冲频率和脉冲数对多流注放电的等离子体能量和形态特性及其点火助燃效果的影响．

1 试验装置及方案

1.1 试验装置

图1为纳秒脉冲驱动SDBD点火的定容燃烧弹系统示意，主要包括定容燃烧弹、配气及温度控制系统、脉冲等离子体发生系统及数据、图像采集系统．

定容燃烧弹内腔由两个内径为40mm的圆柱体相交组成，容积约为90mL．根据分压定律在预混罐中配制丙烷-空气混合气，用磁力搅拌器促进混合．采用加热塞及温控仪控制定容燃烧弹弹体温度，试验中定容燃烧弹弹体温度控制为(303±0.2)K．纳秒脉冲电源及SDBD电极组成等离子体发生系统．基于脉冲变压器和磁压缩技术，自行开发了脉冲电源[18]．该电源可以产生上升沿和半高宽都在纳秒量级的高压脉冲，瞬时脉冲重复频率可达到10kHz以上，通过设置不同的脉冲间隔，可以调整脉冲重复频率．SDBD电极采用双层印制电路板制作，上层电极接脉冲电源正极，下层电极接脉冲电源负极，两层间为玻璃纤维绝缘介质板．SDBD电极安装在定容燃烧弹内腔后端面，下层电极通过端盖压接在定容燃烧弹壳体上．放电的电压、电流信号分别采用高压探头Tektronix P6015A及高频电流传感器 Pearson 2877采集，定容燃烧弹内燃烧压力采用Kistler 6045B缸压传感器与Kistler 5064D电荷放大器、配合Tektronix DPO2014B示波器采集．放电及燃烧图像采用Phantom VEO710高速相机记录．由单片机控制系统对脉冲电源、示波器及高速相机进行同步触发．

1.2 试验方案与数据处理

试验过程中保持放电脉冲幅值(18kV)、定容燃烧弹内初始压力(0.1MPa)和弹体温度(303K)不变，调整脉冲间隔(PI)和脉冲数(PN)．放电试验在空气中进行，点火试验在丙烷-空气混合气(燃空当量比φ＝1.0)中进行．试验方案见表1．

试验中放电过程持续时间为3ms以内，为了在单帧图像中显示完整的放电图像，设放电过程拍摄频率为200帧/s，曝光时间为4.90ms．燃烧图像采集频率为2500帧/s，曝光时间为0.39ms．

由于电压、电流探头及同轴电缆的信号传输延迟，测得的电压、电流信号通常有数个纳秒的时间差[19]．纳秒脉冲放电的持续时间较短，单次放电的能量较小，这一时间差会给放电能量计算带来较大的偏差，因而需要对测得的电压、电流数据进行同步．笔者采用同步方法[19](用高压陶瓷电容作为脉冲电源的负载)，流过电容的电流为

式中：C为电容的容值；U为测得的电容两端电压．

图2为电流试验值与计算值对比，可得二者的时间差．由于电压试验值与电流计算值同步，此时间差即为测试的电压与电流信号的时间差．笔者所用测试系统的电压滞后电流约为4ns，因而笔者采用此时间差进行校正测试和能量计算．

图2 电容充、放电电流的测量值与计算值对比Fig.2 Comparison of tested capacitor charge and discharge current with calculated result

脉冲放电能量可以通过放电电极两端电压Up、放电电流ip信号乘积的积分求得，即

高速相机的原始输出为彩色图像，为了提高火核的辨识度，将彩色图像转换为灰度图，如图3所示．采用Python Opencv图像处理库中的Canny算子进行火焰轮廓识别．试验中观察到的火焰形状与单点点火的球型火焰不同，包含多个分散的火核，不同工况下的总体火焰面积差别较大．为了便于评价不同工况下的宏观燃烧速度，笔者依据所有火核的面积和计算得到的火焰半径 Rf作为评价指标．根据火焰图像识别结果计算Rf，有

图3 图像处理流程Fig.3 Image processing procedure

式中：Sf,pix为火焰轮廓包围的像素面积；Lref和Lpix分别为参照物的物理尺寸及对应像素值．

Canny算子识别图像轮廓的误差为1像素[20]，以定容燃烧弹的内径为参照，内径为40mm对应570像素，即轮廓识别误差约为0.07mm，试验中初始火核最小火焰半径约为1.00mm，对应的最大相对误差为7%．由采集到的定容燃烧弹弹内压力可计算表观放热率(RHRR)和归一化累计放热[12](NCHR)，有

式中：pin为定容燃烧弹弹内压力；t0为放电脉冲触发信号的上升沿时刻；tp为峰值压力出现时刻．

图4为燃烧过程中的火焰发展期(FDT)和火焰增长期(FRT)[12]两个特征参数．FDT为0t～10% NCHR所用的时间；FRT为10%～90%NCHR所用的时间．每个方案进行3次试验，计算FDT及FRT的平均值与标准偏差[19]．

图4 燃烧过程的特征参数FDT与FRTFig.4 Combustion characteristic parameters of FDT and FRT

2 结果分析

2.1 多流注放电的形态与能量特性

图5为PI=50μs、PN=30且初始压力为0.1MPa下的高频重复纳秒脉冲多流注放电典型图像．其中图5a为正面拍摄的定容燃烧弹内放电图像，灰白色圆圈为壁面位置，虚线框中阴影为中心电极连接线；图5b为将电极置于定容燃烧弹外拍摄的图像．与单脉冲时的准均匀弥散放电不同，高重复频率下连续纳秒脉冲SDBD的放电通道更加集中．图5a中，靠近中心电极的放电通道分成多个流注，其中两个流注稍短，其余8个流注形态类似且尺度相近，沿圆周分布均匀，形成类似雪花的图案．8个主要流注的尖端几乎到达定容燃烧弹的内壁面，流注向外发展的同时生出多个分枝，覆盖了中心电极与壁面之间的大部分区域．图5b的侧视图中，可以看到放电通道主要位于介质板附近的薄层中，沿轴向的分布很窄．图5c为图5b的灰度图，可以看到一些流注分支向远离介质板的方向呈溅射状发展，但这些分支的发光强度相比主流注要微弱很多．

图5 高频重复纳秒脉冲多流注放电典型图像 Fig.5 Typical pattern of high frequency repetitive nanosecond pulse multi-streamer discharge

由于放电产生的热量、电荷及活性粒子的消退都存在一定的豫弛时间，当脉冲间隔很小时，相邻脉冲间的耦合增强，放电特性随之发生较大的变化．图6为0.1MPa下不同放电参数时的多流注放电．图6a中，同样的脉冲数下，随着脉冲间隔的减小，流注长度及亮度都显著提高．脉冲间隔从80μs缩短到50μs，流注长度增长了约50%．图6b中，随着脉冲数的增加，等离子体覆盖范围也逐渐增长．

图6 流注长度随放电参数的变化Fig.6 Variation of streamer length under different pulse parameters

图7为纳秒脉冲SDBD放电的单脉冲电压、电流、放电功率及能量特性．图7a中，电流信号的相位明显超前于电压信号，呈容性负载的特性．根据式(1)可知，在电压上升沿和下降沿，容性负载分别引起两个电流尖峰．由于电压下降沿比上升沿更陡峭，负载电容放电时的电流峰值接近15A，明显大于充电电流．电容的充、放电过程不产生有效功，因而图7b中能量波形达到尖峰(约6.0mJ)后随之下降，最终稳定在3.6mJ左右．按放电时间为200ns计算，平均功率在18kW左右，有效电流平均值超过1.0A，高于常规火花放电的辉光电流(约0.1mA)[1]．一般火花放电的辉光阶段维持电压降低到约1kV，与之相比，纳秒脉冲SDBD放电过程中电压更高，意味着脉冲放电过程的约化场强更高，产生的等离子体的电子能量更高[21]，具有更高的化学活性．

图7 纳秒脉冲SDBD放电的单脉冲电气特性Fig.7 Electrical characteristics of a single pulse under nanosecond pulse SDBD

图8为重复放电过程单脉冲放电特性．高频连续放电时，随着热量及空间电荷的累积，单个脉冲的放电特性会发生明显变化．图8a中，第一个脉冲在电压上升期间有一个较大的尖峰，后续放电过程中尖峰消失，其他方案点测试结果与此类似．这是因为第一次放电残留的电荷使得放电间隙的电场减弱，同时也导致第2个脉冲的放电能量往往比第一个脉冲小(图8b)．放电能量的累积主要发生在150～400ns内，放电电压在300ns左右达到峰值(图7)，此时电流增加使功率提升最大．虽然后续脉冲的电流尖峰消失，但300ns时的电流值随脉冲数增加逐渐增大(图8a)．随着后续脉冲电压的施加，流注不断发展，等离子体的阻抗降低，传导电流增大，因而单脉冲能量逐渐升高．脉冲间隔越小，单脉冲的能量增加越快，脉冲间隔为50μs时，第30个脉冲能量比第2个脉冲提高了两倍多；脉冲间隔为80μs时，约从第10个脉冲往后，单脉冲能量增长变得很慢．

图8 重复纳秒脉冲SDBD下单脉冲放电特性的变化Fig.8 Variation of single pulse electrical characteristics during repetitive nanosecond pulse SDBD

图9为0.1MPa下重复脉冲放电的累积能量变化．脉冲间隔为50μs时，30个脉冲在1.5ms内共释放约150mJ能量；脉冲间隔为80μs时，同样脉冲数下放电时间增加而总能量下降到约130mJ，放电的平均功率明显降低．

图9 重复纳秒脉冲SDBD放电的累积能量变化Fig.9 Variation of cumulative energy during repetitive nanosecond pulse SDBD

2.2 放电参数对火核发展的影响

图10示出PN＝30、初始压力为0.1MPa且φ=1.0时不同脉冲间隔下多流注放电的火核发展过程．测试时高速相机与高压脉冲同步触发，图片计时起点为第1个高压脉冲的触发时刻，每帧间隔0.4ms．每组图片从脉冲放电的最后一帧开始展示，不同组间同一行的图像分别对应不同时刻．PI为50、60和70μs时都形成了环绕中心电极的多个火核，随着脉冲间隔增大，初始火核形成的时间推后，火核数量减小．PI为80μs时只形成一个初始火核．初始火核的产生位置大致在各个主流注的第一个分叉点，离中心电极有一定偏离，这与Anokhin等[16]发现的在中心电极边缘形成一圈火核的情况不同．虽然越靠近中心电极的区域，单位面积累积的放电能量越高，但是在壁面温较低(303K)时，电极附近热损失较大，不利于火核形成与增长．Chen等[4]研究发现，同样在初始条件下，相比于能量集中分布于直径较小的球体中的工况，能量分布于直径更大的薄球壳中时所需的点火能量更小．与此类似，相比流注根部，流注分叉处更容易产生火核．由于Anokhin等[16]进行的是单脉冲放电点火试验，试验中未观察到流注分叉，因而其火核集中在能量分布最密集的电极边缘．Underwood等[22]认为流注通道可以等效为阻抗可变的电阻．试验中流注出现了多处分叉，根据基尔霍夫定律，流注主干的电流大于分支的电流，越靠近外围的流注分叉的电流越小，单位长度流注能量越低，产生火核的可能性也越小．

图10 不同脉冲间隔下多流注放电的火核发展过程Fig.10 Flame kernel development with multi-streamer ignition under different pulse interval

图11示出PI＝50μs、初始压力为0.1MPa且φ=1.0时不同脉冲数下多流注放电的火核发展过程．减小脉冲数，火核数量的变化与增大脉冲间隔时类似．PI为50μs时，18个脉冲能产生2个火核，20个脉冲时火核数量增加到3个，22个脉冲时能形成整圈火核，此后增加脉冲数对火核数量影响很小．

图11 不同脉冲数时多流注放电的火核发展过程Fig.11 Flame kernel development with multi-streamer ignition under different pulse number

图12对比了初始压力为0.1MPa、φ=1.0时不同放电参数下多流注放电的火焰半径变化．放电还未结束时，火核会被放电通道掩盖；火焰半径超过16mm之后，壁面的亮度很高，影响火焰轮廓识别，因而图中只展示了从放电结束到火焰半径为16mm左右时的变化．图12a中，PI为50、60和70μs时，火焰半径发展曲线的斜率都很接近，约为3mm/ms，较PI为80μs时(约为2mm/ms)要明显陡峭很多．由于PI为50μs和60μs时，火核数量几乎是PI为70μs时的两倍(图10)，但是根据图12中火焰半径的变化速率，这几种方案下整体的火焰面积增长速率差别并不大；PI为80μs时只有一个火核，火焰半径增长速率相比另外3种情况下降了1/3．

图12 不同放电参数下多流注放电的火焰半径变化Fig.12 Development of flame radius under different pulse parameters

可知，PI小于70μs时火核数量对火焰半径增长速率的影响变小．单火核燃烧时，燃烧放热会引起气体膨胀，使火焰外围的新鲜充量产生向外的速度[23]，但对相距较近的两个火核，新鲜充量的膨胀速度受到影响，使得火核相邻侧的火焰传播速度降低．另外，火核在观察平面内的发展主要分为周向和径向两个方向[24]，火核数增加导致同一时刻周向新鲜充量变少．火核互相融合之后，周向扩展结束，周向发展速度降为0，从另一方面限制了火核数量增加对火焰半径增长速率的促进效果．

图12b中，火焰半径为4～12mm时不同PN下火焰半径增长速率差别也不大．火焰半径为4mm以下时，火焰半径增长很慢，脉冲数对火核发展的影响非常大：PN为25和22时，在2ms时刻火焰半径达到4mm，PN为20和18时，火焰半径达到4mm分别需要2.8ms和4.0ms，PN超过22之后，继续增加脉冲数对火核发展的影响很小．

在试验条件下，多流注放电产生的等离子体覆盖了介质板表面的大部分区域，但是其对火焰发展的影响仍表现在初始火核阶段，即在火焰半径小于4mm时的阶段；而对后续的火焰传播过程，即使在多火核情况下仍影响较小．由于SDBD放电通道靠近介质板壁面，温度较低时可能会引起较大的热损失．提高壁面及混合气初始温度，可能会使受多流注放电影响较大的火焰半径阈值有所提升．

2.3 放电参数对燃烧过程的影响

图13示出初始压力为0.1MPa、φ=1.0时不同放电参数下FDT和FRT的变化．总体上看，放电参数变化对FDT的影响要比对FRT的影响大得多．图13a中，PI为50μs时FDT为7.0ms，PI为80μs时FDT约为12.0ms，相差接近5.0ms，10%NCHR点延后了约70%．PI小于65μs时，随着放电脉冲间隔增大，FDT增长缓慢；PI超过65μs后，随着脉冲间隔的增大，FDT迅速增长．不同脉冲数下的情况与此类似，图13b中，FDT的变化速率以PN＝22为分界点，脉冲数小于22时，稍微增加脉冲数，FDT则迅速下降；脉冲数大于22时，即使增加到40个脉冲，FDT比PN＝22时只缩短不到1.0ms．由火核发展情况可知，PI＝65μs、PN＝30(图10)与PI＝50μs、 PN＝22(图11)时都出现了环绕一圈(6个或以上) 的火核．

图13 不同放电参数对燃烧过程特征参数的影响 Fig.13 Effect of discharge parameters on combustion characteristics parameters

以恰好出现一整圈火核时的放电参数为分界点，脉冲频率或脉冲数变小时火核数量会减小，同一时刻下火焰半径明显变小；脉冲频率或脉冲数变大时，火核数量会稍微增加，但是同一时刻下火焰半径的增幅很小．结合火核发展情况和FDT的变化可知，脉冲放电产生的火核数小于6时，通过增强放电增加火核数能显著降低FDT；而在足以形成整圈火核(6个以上)后，继续增强放电对FDT的影响很小．

脉冲频率越高，加速燃烧的效果越显著．PI＝50μs、22个脉冲与PI＝80μs、30个脉冲的工况相比，FDT缩短33.3%；图9中，两种工况下的放电能量分别为104mJ和134mJ，前者比后者能耗减少约25%．对于燃烧控制，单一的改变脉冲频率或脉冲数对FDT的影响有限，且非线性现象明显，放电参数的可调整范围也比较窄．通过脉冲数和脉冲间隔的优化组合，可在更大的范围内实现对FDT的精确控制．

对比图12与图13可以看到，在试验条件下，火焰半径达到16mm的时刻均比各自的10%NCHR点提前约2.0ms．定容燃烧弹内壁半径为20mm，按照火焰的径向发展速度，在达到10%NCHR时，火焰基本已到达内壁面．

FRT随放电参数的调整略有变化．由图13a可知，PI为80μs的FRT比PI为50μs时缩短1.0ms；图13b中，PN=18的FRT比PN=40时缩短1.5ms，但FRT的变化相比FDT要小得多，整体上，随着火核数增加，燃烧速度加快很多．