王加富 郭旭紅

摘 要：單電源等離子點火系統(tǒng)通過在火花塞電極之間提供大能量的等離子電流，增大點火能量、提高燃燒效率和燃燒傳播速度。并對單電源等離子點火系統(tǒng)進行了設計，研制了原理樣機，通過實驗驗證了等離子放電過程。

關鍵詞：等離子點火;等離子電源;火花塞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.049

1 前言

隨著現(xiàn)代的汽油車發(fā)動機采用廢氣回收技術，傳統(tǒng)的點火技術已經(jīng)不能滿足發(fā)動機的動力、經(jīng)濟、環(huán)保性能的要求。為了解決汽油發(fā)動機在稀薄混合氣和高滾流比的情況下成功點火需求，采用在高溫電磁場條件下延長火花塞的點火能量和區(qū)域，有利于火花塞的火核形成和燃燒傳播，在惡劣環(huán)境下實現(xiàn)可靠燃燒的等離子點火技術。作為前瞻性的技術，必然在以后得到廣泛使用。

2 系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)火花塞點火系統(tǒng)是通過線圈自感原理，在次級線圈感應產(chǎn)生出高電壓，壓擊穿火花塞間隙空氣，電離而產(chǎn)生電弧點燃混合氣。點火線圈受到體積、繞組匝數(shù)、耐壓的限制，其能夠提供的能量一般小于50mJ。圖1所示的等離子點火系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的電路基礎上增加一路等離子電源，由于引入了等離子電源和儲能電容，因此在點火瞬間可以給火花塞提供更多持續(xù)點火能量，并且有效延長火花的持續(xù)時間。同時設計一個電壓檢測和開關驅(qū)動電路，來控制各個電源的放電時刻和延長時間。

3 單電路等離子點火系統(tǒng)

此結構圖是在傳統(tǒng)的火花塞點火系統(tǒng)圖的基礎上增加一路等離子電源、提供等離子點火能量的儲能電容C1、保護二極管D0和D1。在此等離子電源點火的過程中，點火線圈的副邊繞組產(chǎn)生離斷電壓，擊穿火花塞電極間的空氣間隙形成火弧。在燃燒過程中，火花塞電極間的電壓由擊穿電壓降為燃燒電壓，同時電極之間的火弧能夠提供等離子電流的放電通路。當燃燒電壓的絕對值低于C1上的電壓時，C1以電流脈沖的形式形成等離子電流。C1放電結束時，電壓V1等于火花塞的燃燒電壓。此時，二極管D1截止，C1不再放電，等離子電源給C1充電，直至達到等離子電源閉環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)輸出電壓。

根據(jù)以上分析，等離子點火系統(tǒng)在C1放電時提供的等離子能量可以表示為：

（1）

其中，V1s為等離子電源閉環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)輸出電壓，V0b為火花塞電板在產(chǎn)生火弧時的燃燒電壓。由式（1）可見，等離子點火能量的大小主要取決于電容C1和等離子電源的穩(wěn)態(tài)輸出電壓V1s。

（1）等離子電源設計。等離子電源設計的主要技術指標如下：

1）輸入電壓：Vin=12V;2）穩(wěn)態(tài)輸出電壓：V1s=?600V;3）輸出電容：C1=2.2μF;4）峰值功率：Pomax=200W。

開關管Qf導通時，變壓器T1的初級線圈被直流輸入電壓激勵Vin，此時次級線圈的感應電壓被二極管Df阻斷。開關管Qf關斷時，初級線圈的激勵電壓關斷，變壓器磁芯中的能量在副邊繞組上產(chǎn)生反向的感應電勢，向負載提供功率，因此該電路被稱作反激變換器。

反激變換器用于等離子電源儲能電容C1的充電，火花塞未形成導電通路時，電路的輸出實際處于空載狀態(tài)，因此本文將反激變換器設計于電感電流斷續(xù)模式。圖2給出了反激變換器工作于電感電流斷續(xù)模式下的主要波形。其中，Vgs為開關管的驅(qū)動電壓，Vds為開關管的漏極和源極電壓，Vsec為變壓器副邊繞組電壓，Ip為變壓器原邊電感電流，Is為副邊電感電流。

（2）控制電路設計。等離子電源的主控芯片采用電容充電控制芯片LT3751實現(xiàn)，如圖3所示。LT3571能夠?qū)崿F(xiàn)任意電容的快速充電，充電電壓的穩(wěn)定控制，具有原邊或副邊電壓反饋能力，通過變壓器匝數(shù)比和三個外接電阻設定的穩(wěn)定的高輸出電壓。此外，通過反饋引腳可以實現(xiàn)低噪聲高電壓調(diào)節(jié)輸出。

4 仿真分析

本文在仿真軟件Saber中搭建了模型，對單電源等離子點火系統(tǒng)的點火過程進行了仿真驗證。

得到ECU信號、火花塞在離斷電壓作用下產(chǎn)生火弧、等離子電源放電和充電的仿真結果和具體燃燒過程的仿真結果。由仿真可見，在離斷電壓的作用下，火花塞擊穿電極之間的空氣形成火弧和導電通路。在這一瞬間，等離子電源輸出電容上儲存的能量可以得到釋放，火花塞中形成等離子電流完成點火。在單路電源工作的情況下，電源的充電時間遠長于燃燒時間，在一次燃燒過程中只能完成一次等離子放電。

5 實驗結果

圖5給出了等離子放電瞬間的輸出電壓和燃燒電壓測試結果。

由實驗波形可見，等離子電源在火花塞被擊穿的瞬間開始放電，放電完成時，等離子電源的電壓等于燃燒電壓，放電通路中的二極管截止，開始充電。在燃燒持續(xù)過程中，等離子電源只能放電一次。

6 結束語

將普通傳統(tǒng)點火的高壓火花轉變?yōu)楦吣艿入x子點火，可以在稀薄油氣混合密度的條件下加快混合氣的燃燒速度，突破時間壁壘效應，從而增加汽車動力;同時實現(xiàn)降低油耗以及減少尾氣排放的效果。

參考文獻：

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