葉昌，祝華，李雪松，鄭明，許敏

(1.上海交通大學(xué)汽車電子國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.溫莎大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)清潔燃燒實(shí)驗(yàn)室，溫莎 加拿大 N9B 3P4)

伴隨著日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，針對(duì)汽油機(jī)排放和熱效率的研究已獲得越來(lái)越多的關(guān)注[1-3]。其中，稀薄燃燒憑借低溫燃燒特性、低泵氣損失等優(yōu)點(diǎn)，在提高熱效率方面體現(xiàn)出良好的效果[1]。然而，稀薄燃燒熱效率與燃油混合物稀釋程度有密切的關(guān)系，高稀釋情況下的燃燒不穩(wěn)定性限制了稀薄燃燒效果的進(jìn)一步發(fā)揮[4]。其原因在于稀薄燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛?，往往需要加?qiáng)混合氣在缸內(nèi)的流動(dòng)來(lái)提高燃燒速度，但這種方式往往導(dǎo)致點(diǎn)火困難，甚至出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，且高速氣流往往加速已燃區(qū)域的熱量向未燃區(qū)擴(kuò)散，使得初始火核容易破碎形成部分點(diǎn)火現(xiàn)象[5]。因此，為獲得可靠的點(diǎn)火，需要對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究。

當(dāng)前點(diǎn)火系統(tǒng)的研究主要分為兩類：一類是全新的點(diǎn)火概念；另一類是在傳統(tǒng)火花點(diǎn)火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究和優(yōu)化，提出更高能量的點(diǎn)火方案。針對(duì)第一類方案，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了電暈放電(Corona)[6-7]，激光點(diǎn)火(Laser ignition)[8-10]，微波點(diǎn)火(Microwave ignition)[11-12]，納秒脈沖點(diǎn)火(Nanosecond pulsed discharge ignition)[13]等。這些點(diǎn)火技術(shù)均通過(guò)增加點(diǎn)火空間體積的方式，減少火花放電點(diǎn)火有限點(diǎn)火空間的缺點(diǎn)，以獲得更快的點(diǎn)火性能。但是這些點(diǎn)火技術(shù)對(duì)于空間環(huán)境因素具有較高要求，且點(diǎn)火穩(wěn)定性較差，應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)等工業(yè)產(chǎn)品中仍存在諸多問(wèn)題需要解決。

基于傳統(tǒng)火花放電點(diǎn)火系統(tǒng)的改進(jìn)，主要是針對(duì)TCI(Transistor coil ignition)點(diǎn)火系統(tǒng)，諸如多線圈放電點(diǎn)火[14]，電流加強(qiáng)點(diǎn)火[3]，高功率點(diǎn)火[15]等，此類點(diǎn)火可以有效地增加點(diǎn)火能量，且擁有與傳統(tǒng)TCI 點(diǎn)火相同的穩(wěn)定性能。同時(shí)，在稀薄燃燒等惡劣的工況下，可以有效地點(diǎn)燃燃油混合氣。此類點(diǎn)火技術(shù)的特點(diǎn)各有不同， 但是核心思想較為相似，都是通過(guò)增加火花放電輝光(Glow)階段的能量來(lái)提高點(diǎn)火效果的。

近年來(lái)一些學(xué)者針對(duì)多次放電火花點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了研究。該點(diǎn)火技術(shù)在傳統(tǒng)CDI(Capacitor discharge ignition)系統(tǒng)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化以獲得較短的點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)多次放電的效果[16-19]。這種點(diǎn)火可以有效地提升點(diǎn)火能力，適用于冷起動(dòng)以及稀薄燃燒等工況。Rui Liu等自行設(shè)計(jì)了高頻點(diǎn)火系統(tǒng)并在兩沖程重油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示該高能點(diǎn)火系統(tǒng)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)工況下的穩(wěn)定性，減少了污染物的排放[19]。C. S. Bae通過(guò)改進(jìn)CDI點(diǎn)火獲得5～30 kHz的高頻點(diǎn)火能力，并在一款4缸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部測(cè)試了該點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)稀薄燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)隨著點(diǎn)火頻率的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放性能有明顯提高，同時(shí)污染物也在一定程度下有明顯下降[18]。Anqi zhang的研究表明，多次放電可以在火花塞附近形成多個(gè)初始火核，這些初始火核隨著增長(zhǎng)會(huì)連成更大體積的火焰面積，進(jìn)而加速火焰發(fā)展[20]。Claudio Poggiani 等則通過(guò)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試了多次放電點(diǎn)火對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，最終證明多次放點(diǎn)點(diǎn)火有利于發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣工況下的燃燒穩(wěn)定性提升[16-17]。這些研究均促進(jìn)了研究者對(duì)于高頻點(diǎn)火的認(rèn)識(shí)。然而，這些高頻點(diǎn)火方式的單次放電能量普遍偏低，且單次放電過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)于更為苛刻的燃燒環(huán)境，這種點(diǎn)火方式不能有效地提高點(diǎn)火成功率和燃燒穩(wěn)定性。此外，對(duì)于提高點(diǎn)火頻率、增長(zhǎng)單次點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間如何提高點(diǎn)火性能和火焰?zhèn)鞑ニ俣龋陨涎芯繘](méi)有進(jìn)一步解釋。

針對(duì)以上高頻點(diǎn)火研究中存在的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)。對(duì)該點(diǎn)火系統(tǒng)放電能量進(jìn)行了計(jì)算，并結(jié)合定容燃燒室可視化燃燒結(jié)果，研究了提高點(diǎn)火能量、增加點(diǎn)火頻率以及延長(zhǎng)單次放電持續(xù)時(shí)間對(duì)可燃混合氣初始火核形成和早期火焰發(fā)展的影響，為高頻高能點(diǎn)火在稀薄燃燒工況的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理

1.1 傳統(tǒng)CDI點(diǎn)火系統(tǒng)的原理及缺點(diǎn)

圖1所示為傳統(tǒng)的CDI點(diǎn)火系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由12 V蓄電池、DC-DC升壓電路、邏輯時(shí)序控制MOS管驅(qū)動(dòng)、儲(chǔ)能電容、電流防反二極管、點(diǎn)火線圈以及火花塞等組件構(gòu)成。CDI點(diǎn)火的工作原理描述如下：MOSFET_1管導(dǎo)通，MOSFET_2管斷開(kāi)。DC-DC升壓電路、MOSFET_1管、儲(chǔ)能電容、點(diǎn)火線圈以及二極管形成閉合回路，電源內(nèi)部的電能迅速向儲(chǔ)能電容充電。由于CDI點(diǎn)火電路的儲(chǔ)能電容一般為0.5～2 μF，DC-DC升壓電路電壓為300～400 V，因此，電容在極短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到飽和電壓，完成充電。當(dāng)系統(tǒng)接收到點(diǎn)火信號(hào)后，MOSFET_1管斷開(kāi)，MOSFET_2管導(dǎo)通，此時(shí)儲(chǔ)能電容、MOSFET_2管以及點(diǎn)火線圈初級(jí)側(cè)形成閉合回路。此時(shí)，環(huán)路電阻非常小，所以儲(chǔ)能電容和點(diǎn)火線圈初級(jí)側(cè)形成一個(gè)近似電容-電感LC放電電路，儲(chǔ)能電容(300～400 V，0.5～2 μF)迅速向初級(jí)線圈放電[21]，初級(jí)線圈內(nèi)部的電流迅速增加，在點(diǎn)火線圈內(nèi)部形成大量的磁通，在次級(jí)線圈側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于點(diǎn)火線圈初次級(jí)的升壓比非常高，次級(jí)線圈產(chǎn)生的高壓最終擊穿火花塞間隙產(chǎn)生等離子體通道，實(shí)現(xiàn)CDI放電點(diǎn)火[22-23]。

圖1 電容放電點(diǎn)火(CDI)系統(tǒng)原理

圖2示出了CDI點(diǎn)火系統(tǒng)的控制信號(hào)時(shí)序和火花塞放電電壓、電流的測(cè)量結(jié)果。測(cè)試過(guò)程中環(huán)境背壓為0.4 MPa，環(huán)境溫度為20 ℃。NGK BP6ES 7811電極形狀為傳統(tǒng)平電極，火花塞間隙為0.86 mm，熱值為 NGK Scale 8。設(shè)置CDI點(diǎn)火系統(tǒng)的工作頻率為5 kHz。從圖中可以看出放電電流峰值在600～800 mA之間，放電電壓峰值10 kV左右，每次放電過(guò)程時(shí)長(zhǎng)小于30 μs。雖然CDI點(diǎn)火系統(tǒng)可以產(chǎn)生較高的點(diǎn)火頻率和較大的放電電流，但由于放電持續(xù)時(shí)間的限制，整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中的放電能量不高。

圖2 CDI放電電流、電壓曲線

1.2 高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)

為了增加CDI系統(tǒng)的點(diǎn)火能量，可以通過(guò)增大電流或延長(zhǎng)放電持續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)。因此，本研究設(shè)計(jì)了一種高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)，用以在高頻的點(diǎn)火情況下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火能量的提高。圖3為高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的示意圖，該點(diǎn)火系統(tǒng)在原CDI點(diǎn)火系統(tǒng)上增加了一路帶有儲(chǔ)能電容的電能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)主要部分：CDI點(diǎn)火系統(tǒng)，次級(jí)電路電流防反電路和帶有儲(chǔ)能電容的電能管理模塊。其中CDI點(diǎn)火系統(tǒng)與傳統(tǒng)的CDI點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)相同，在高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)中負(fù)責(zé)在點(diǎn)火起始階段產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，用以擊穿火花塞間隙形成等離子體通道。儲(chǔ)能電容C2用來(lái)在等離子體通道形成后為火花塞間隙進(jìn)一步提供能量，而電能管理模塊用來(lái)為儲(chǔ)能電容C2提供持續(xù)的能量。次級(jí)電路電流防反電路則在系統(tǒng)中確保電流的流經(jīng)方向無(wú)誤，防止次級(jí)電路在放電過(guò)程中因?yàn)楦邏悍烹姸l(fā)生漏電等現(xiàn)象。在該試驗(yàn)中，點(diǎn)火系統(tǒng)的儲(chǔ)能電容C1取值為0.5 μF[18，21]，儲(chǔ)能電容C2取值為200 nF，用以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的充放電過(guò)程。

圖3 高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)

高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的控制較為復(fù)雜，其工作原理可以通過(guò)如圖4和圖5所示的開(kāi)關(guān)模態(tài)等效電路圖進(jìn)行描述。

T1時(shí)間段內(nèi)，如圖5a所示，MOSFET_1管和MOSFET_3管閉合，MOSFET_2管斷開(kāi)。此時(shí)點(diǎn)火系統(tǒng)向儲(chǔ)能電容C1和儲(chǔ)能電容C2快速充電。由于兩個(gè)儲(chǔ)能電容容量較小，所以會(huì)在短時(shí)間內(nèi)完成充電，達(dá)到目標(biāo)電壓。T2階段為了使MOSFET管之間沒(méi)有彼此影響引起短路等現(xiàn)象，每個(gè)模態(tài)之間的切換都會(huì)同時(shí)斷開(kāi)MOSFET管5 μs。T3時(shí)間段為高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)放電階段，此時(shí)斷開(kāi)MOSFET_1, 閉合MOSFET_2和MOSFET_3，完成CDI點(diǎn)火擊穿火花塞間隙，該過(guò)程同1.1部分CDI點(diǎn)火原理一致。由于火花塞間隙形成等離子體火花通道，儲(chǔ)能電容C2進(jìn)而可以向火花通道放電，進(jìn)而增強(qiáng)點(diǎn)火能量，這一過(guò)程如圖5b、圖5c所示。T4時(shí)間段內(nèi)，MOSFET_3管斷開(kāi)時(shí)間可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)MOSFET_3管的斷開(kāi)時(shí)間，可以最終控制高頻高能點(diǎn)火的高電流放電時(shí)間，如圖5d所示。T4時(shí)間段后，MOSFET_3關(guān)閉，此時(shí)儲(chǔ)能電容內(nèi)部的能量迅速放完，完成一次放電(如圖5e和圖5f所示)。整個(gè)過(guò)程中由于儲(chǔ)能電容和電能管理系統(tǒng)的作用，使得點(diǎn)火能量顯著提高。圖5c儲(chǔ)能電容C2放電過(guò)程中，電能存儲(chǔ)裝置也同時(shí)在為火花通道提供能量，但是由于儲(chǔ)能電容C2的作用，點(diǎn)火能量保持穩(wěn)定，放電電壓基本保持不變。

圖4 高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)MOS管控制時(shí)序

圖5 高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)工作模態(tài)

2 試驗(yàn)方案及測(cè)試臺(tái)架

2.1 放電性能測(cè)試系統(tǒng)

本研究中試驗(yàn)測(cè)試選用NGK BP6ES 7811火花塞，電極形狀為傳統(tǒng)平電極，火花塞間隙為0.86 mm，熱值為NGK Scale 8。測(cè)試環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境壓力為0.4 MPa。

為了實(shí)現(xiàn)火花塞放電過(guò)程中電壓、電流信號(hào)的精確采集，設(shè)計(jì)了一套電壓-電流法測(cè)量系統(tǒng)。如圖6所示，該系統(tǒng)由Tektronix P6015A高壓探頭和Pearson 411高精度電流環(huán)組成，數(shù)據(jù)采集由Picoscope 5442D 60 MHz 示波器完成[24]。測(cè)試過(guò)程中高壓探頭的連接盡可能靠近火花塞尾部，電流環(huán)則通過(guò)非接觸測(cè)量手段測(cè)量通過(guò)火花塞中心電極的電流值。此外，為了防止高壓漏電，整個(gè)環(huán)路的導(dǎo)線均采用高壓導(dǎo)線，且各點(diǎn)火器件間的連接均進(jìn)行防漏電密封[3，25]。最終將測(cè)量得到的電壓和電流進(jìn)行積分，即可獲得點(diǎn)火能量。

圖6 放電性能測(cè)量裝置

2.2 定容室測(cè)量系統(tǒng)

混合氣初始火弧形成以及發(fā)展可以用于直觀評(píng)價(jià)點(diǎn)火系統(tǒng)的性能，因此本研究采用定容室燃燒試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的性能。圖7示出試驗(yàn)所用的定容室燃燒測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩部分，即定容室燃燒測(cè)試平臺(tái)以及光學(xué)測(cè)試平臺(tái)。其中定容室燃燒測(cè)試平臺(tái)由定容燃燒室、可燃?xì)忸A(yù)混加壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。該平臺(tái)通過(guò)預(yù)混箱將可燃?xì)馀c空氣預(yù)混到目標(biāo)空燃比，利用高壓氣瓶將混合氣推進(jìn)入到燃燒室，在達(dá)到目標(biāo)環(huán)境背壓后，關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)，保持燃燒室內(nèi)壓力恒定。在燃燒過(guò)程完成后，開(kāi)啟排氣閥門(mén)和進(jìn)氣閥門(mén)，利用高壓空氣將定容室內(nèi)的廢氣排出，以保證下一次試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。控制系統(tǒng)由NI-FPGA數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、高速電磁閥、高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)組成，通過(guò)NI-FPGA系統(tǒng)完成試驗(yàn)的邏輯控制，同時(shí)檢測(cè)記錄燃燒過(guò)程中的壓力信號(hào)，控制LED等與高速相機(jī)同步等功能[24]。

光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)由直接攝影和紋影系統(tǒng)組成，直接攝影用于記錄高頻點(diǎn)火過(guò)程中火弧的形成和發(fā)展。紋影系統(tǒng)則用來(lái)評(píng)價(jià)初始火核的形成和早期火焰的發(fā)展。直接攝影采用的是Phantom v 7.3高速黑白相機(jī)。紋影系統(tǒng)由LED點(diǎn)光源、兩個(gè)全反射拋物面鏡以及高速相機(jī)(Phantom v 7.3)組成。此外，為了實(shí)現(xiàn)兩種光學(xué)測(cè)試方法的同步測(cè)量，試驗(yàn)中在光路中采用一個(gè)半反射鏡將兩條測(cè)試光路分開(kāi)。

圖7 定容燃燒室裝置與光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 放電性能測(cè)量結(jié)果

圖8示出5 kHz，10 kHz以及15 kHz點(diǎn)火頻率， 2 ms放電時(shí)間下高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的放電特性。圖8a的點(diǎn)火頻率為5 kHz，其控制信號(hào)與1.1節(jié)相同，從放電信號(hào)可以看出，此時(shí)擊穿電壓與圖2相近，但是放電電流的峰值遠(yuǎn)高于CDI點(diǎn)火，高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的放電峰值電流接近25 A，相比原CDI點(diǎn)火系統(tǒng)，電流增長(zhǎng)非常顯著。此時(shí)高能放電延時(shí)T4的取值為0，放電階段高能量全部來(lái)自儲(chǔ)能電容。圖8b和圖8c增加了點(diǎn)火系統(tǒng)的放電頻率，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，每次點(diǎn)火的放電電流沒(méi)有明顯的變化，均處于15 A以上，這說(shuō)明點(diǎn)火頻率不會(huì)影響每次點(diǎn)火的能量釋放。因此點(diǎn)火頻率的增加可以在相同的放電時(shí)間內(nèi)釋放更多的能量，從而加強(qiáng)整個(gè)放電過(guò)程中的能量。此外，提高點(diǎn)火頻率，能在較短的放電間隔內(nèi)獲得更多次數(shù)的點(diǎn)火，可以增加點(diǎn)火過(guò)程中的初始火核數(shù)量，有利于提高點(diǎn)火成功率并增加早期火焰面積。

圖8 5 kHz，10 kHz，15 kHz放電頻率下火花塞電流和電壓信號(hào)

圖9示出3種放電頻率下，2 ms放電時(shí)間內(nèi)釋放的能量對(duì)比。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的放電能量增長(zhǎng)呈階梯狀上升，這與傳統(tǒng)的CDI點(diǎn)火能量增長(zhǎng)類似，但是每個(gè)階梯能量增長(zhǎng)量更大，因此整體的放電能量更高。這是由于存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電容內(nèi)部的能量直接釋放到火花塞間隙，使得能量更加有效地傳遞到火花塞間隙。此外，隨著點(diǎn)火頻率的增加，點(diǎn)火能量增大，這是因?yàn)槊看蔚哪芰酷尫胖饕獊?lái)自儲(chǔ)能電容，所以每次放電能量幾乎相同，增加點(diǎn)火頻率后使得相同放電時(shí)間內(nèi)能量大幅度增加，且與時(shí)間(放電次數(shù))成正比關(guān)系。

圖9 放電能量隨放電頻率變化關(guān)系

為了驗(yàn)證高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火能量的一致性，對(duì)以上試驗(yàn)進(jìn)行了多次重復(fù)。從圖10中可以看到，高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的可重復(fù)性較好，且試驗(yàn)結(jié)果和圖9中結(jié)論一致，點(diǎn)火頻率越高，高頻高能點(diǎn)火的能量越高。

圖10 15次高頻高能點(diǎn)火能量對(duì)比

由1.2節(jié)分析可知，通過(guò)延長(zhǎng)高能放電時(shí)間T4，也可以增加高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的放電能量。圖11示出點(diǎn)火延時(shí)時(shí)間分別為0 μs，10 μs，20 μs，30 μs以及40 μs時(shí)高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)電流、電壓放電結(jié)果。由圖可見(jiàn)，當(dāng)點(diǎn)火延時(shí)增加后，每一次放電的時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)每次放電在峰值放電電流后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)5 A左右的高電流放電過(guò)程。隨著放電電流的提高，高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的能量顯著增加。

圖12示出了不同放電延時(shí)情況下，高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的能量對(duì)比。從圖中可以看到，隨著放電延時(shí)增加，點(diǎn)火能量相應(yīng)增加。但與圖9中僅改變放電頻率情況下放電能量與放電時(shí)間增長(zhǎng)趨于線性關(guān)系相比，延長(zhǎng)高能放電時(shí)間后放電能量近似于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，在放電后期單次放電能量略有下降，這與圖11中每次放電電流略微下降對(duì)應(yīng)，其原因是電能存儲(chǔ)模塊的充電頻率低于高頻高能點(diǎn)火放電頻率，因此儲(chǔ)能電容C2放電時(shí)保持電壓未達(dá)到之前放電時(shí)的保持電壓，因此放電能量隨著放電次數(shù)增加逐次下降。

圖11 不同單次放電時(shí)間情況下火花塞電壓和電流信號(hào)

圖12 放電能量隨單次放電時(shí)間變化關(guān)系

圖13示出了高能放電不同延時(shí)情況下點(diǎn)火能量重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果。其中0 μs延時(shí)情況下，高頻高能點(diǎn)火能量為60～70 mJ，當(dāng)高能放電延時(shí)增加到40 μs后，高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)釋放的能量增加到150 mJ，該點(diǎn)火能量已經(jīng)明顯高于沒(méi)有延長(zhǎng)放電時(shí)間的情況，可以增加每次點(diǎn)火的能量，使得總的點(diǎn)火能量上升，更加有利于初始火核的形成，并提高單次點(diǎn)火的穩(wěn)定性。20次重復(fù)試驗(yàn)也說(shuō)明，提高點(diǎn)火延時(shí)時(shí)間在提高點(diǎn)火能量方面具有較好的可重復(fù)性。

圖13 20次高頻高能點(diǎn)火能量對(duì)比

3.2 定容室燃燒結(jié)果

為了研究高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)可燃混合氣初期燃燒的影響，進(jìn)行了定容室燃燒試驗(yàn)，該試驗(yàn)以甲烷(CH4)為燃料，環(huán)境壓力0.4 MPa，環(huán)境溫度20 ℃，并通過(guò)管路的內(nèi)外壓力差控制流經(jīng)火花塞間隙附近的氣流速度。圖14示出了定容室燃燒的火弧圖像和火焰紋影圖像同場(chǎng)測(cè)量示例，紅色虛線為火花塞位置?？梢钥吹?，在25 m/s氣流作用下，火弧被氣流帶離火花塞間隙，并隨著時(shí)間而拉長(zhǎng)。此外，當(dāng)混合氣燃燒時(shí)，在已燃區(qū)產(chǎn)生大量等離子，等離子體具有導(dǎo)電性，可以增加火弧的體積和魯棒性，使得火弧長(zhǎng)度增長(zhǎng)。最后一張火弧圖像顯示，在火花塞氣流下游處，氣流速度較小，導(dǎo)致該處已燃?xì)庠鲩L(zhǎng)快速，使得該處的空間等效電阻小于火花間隙的內(nèi)阻，火花通道繞過(guò)火花間隙，在火花塞中心電極與燃燒室頂部之間形成導(dǎo)電通路。圖14下半部分為火焰紋影圖像，可以看到火焰已然趨于在氣流作用下帶離火花間隙，并在下游擴(kuò)散傳播。為了定量研究高頻高能點(diǎn)火燃燒，下一部分將對(duì)火弧形態(tài)發(fā)展、初始火核形成和早期火焰發(fā)展等進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比研究。

圖14 定容室燃燒火弧直接攝影與火焰紋影圖像

3.2.1增加點(diǎn)火頻率對(duì)燃燒早期的影響

為了對(duì)比高頻高能點(diǎn)火與傳統(tǒng)高頻點(diǎn)火的區(qū)別，這一部分將比較不同頻率下高頻點(diǎn)火與高頻高能點(diǎn)火的放電特性和點(diǎn)火特性。圖15示出了三種不同點(diǎn)火頻率的普通高頻點(diǎn)火和高頻高能點(diǎn)火放電特性，其放電時(shí)間為2 ms。從圖中可以看出，高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的放電明顯更亮，火弧的體積更大，說(shuō)明高頻高能點(diǎn)火在相同點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)釋放出更多的能量。對(duì)于普通高頻點(diǎn)火，當(dāng)放電頻率上升時(shí)，火弧具有連續(xù)放電時(shí)的特征，火弧被氣流攜帶著離開(kāi)火花塞間隙，此時(shí)火弧與空間混合氣接觸面積更大，有利于火核形成。而對(duì)于高頻高能點(diǎn)火，無(wú)論是5 kHz還是15 kHz放電頻率，點(diǎn)火過(guò)程都可以產(chǎn)生較長(zhǎng)的火弧。因此，此時(shí)的點(diǎn)火不僅點(diǎn)火能量高于普通高頻點(diǎn)火，其與混合氣的接觸面積也大于普通高頻點(diǎn)火。

圖15 不同放電頻率下普通高頻點(diǎn)火與高頻高能點(diǎn)火放電對(duì)比

圖16截取了0.4～0.6 ms放電過(guò)程的細(xì)節(jié)。對(duì)于普通高頻點(diǎn)火，0.4 ms時(shí)刻放電火弧可以清晰地看到，但是很快由于能量不足火弧迅速變?nèi)?，直?.6 ms時(shí)才再一次放電，中間過(guò)程沒(méi)有任何點(diǎn)火現(xiàn)象。而隨著放電頻率增加，10 kHz和15 kHz放電頻率下，火弧圖像出現(xiàn)的次數(shù)明顯增多，其中15 kHz每一張圖像均存在火弧。因此，提高放電頻率，可以有效地增加火弧的存在時(shí)間，有利于增長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間，提高點(diǎn)火性能。對(duì)于高頻高能點(diǎn)火，發(fā)現(xiàn)當(dāng)點(diǎn)火頻率為5 kHz時(shí)，火弧存在時(shí)間明顯多于高頻點(diǎn)火，且火弧也更加明亮。當(dāng)放電頻率提高到15 kHz時(shí)，高頻高能放電每一幀圖像上的火弧都非常明亮，因此，相對(duì)于普通高頻點(diǎn)火，可以在相同的點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)，有效地增加點(diǎn)火能量和放電時(shí)間。

圖16 兩次放電間放電火弧持續(xù)時(shí)間對(duì)比

圖17示出了燃燒試驗(yàn)的紋影圖像對(duì)比。試驗(yàn)中，通過(guò)圖7所示高壓容器與定容室的壓差產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的流體通過(guò)火花塞間隙，通過(guò)標(biāo)定，確定點(diǎn)火期間氣體流速為25 m/s，試驗(yàn)氣體為甲烷(methane)，可燃?xì)饪杖急葹?.6。從圖17可知，整個(gè)燃燒初期，高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的火焰發(fā)展明顯快于普通高頻點(diǎn)火，且隨著點(diǎn)火頻率的增加，火焰的燃燒速度也更快。在2 ms時(shí)，5 kHz頻率高頻點(diǎn)火的火焰面積依然較小，而同時(shí)刻15 kHz高頻高能點(diǎn)火的火焰面積已經(jīng)發(fā)展到靠近可視窗口邊界附近。3 ms時(shí)點(diǎn)火結(jié)束，火弧對(duì)可燃?xì)獾挠绊懸呀?jīng)結(jié)束，可燃?xì)庖揽孔猿只鹧娌粩嘣鲩L(zhǎng)。但點(diǎn)火的作用對(duì)于火焰發(fā)展的影響并沒(méi)有改變，高頻高能點(diǎn)火依靠點(diǎn)火時(shí)期的優(yōu)勢(shì)，相比普通點(diǎn)火，依然保持更大的火焰面積。

圖17 不同放電頻率下普通高頻點(diǎn)火與高頻高能點(diǎn)火的紋影圖像

3.2.2延長(zhǎng)放電延時(shí)時(shí)間對(duì)燃燒早期的影響

圖18示出了增加單次放電時(shí)長(zhǎng)的火花塞放電火弧圖像，可以看出延長(zhǎng)單次放電時(shí)長(zhǎng)對(duì)火核亮度沒(méi)有明顯的影響，從0 μs延時(shí)到40 μs延時(shí)，整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中火弧體積均比較一致。為此，進(jìn)一步研究延長(zhǎng)單次放電時(shí)間對(duì)兩次放電間火弧的影響。

圖18 不同放電延時(shí)下高頻高能點(diǎn)火放電對(duì)比

圖19示出了0～0.2 ms放電過(guò)程中，不同放電延時(shí)火弧存在時(shí)間的對(duì)比。當(dāng)放電延時(shí)增加后，單次放電的火弧持續(xù)時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，當(dāng)延時(shí)達(dá)到30 μs后，火弧不再出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象，此時(shí)點(diǎn)火能量最大，有利于初始火核的形成。此外，從放電瞬時(shí)火弧的亮度可知，延長(zhǎng)單次放電時(shí)間并沒(méi)有明顯地增大放電功率，而是通過(guò)增長(zhǎng)放電時(shí)間來(lái)增強(qiáng)整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程的能量釋放。因此，這種放電策略不同于提高點(diǎn)火能量策略，但最終也可以提高高頻高能系統(tǒng)在點(diǎn)火過(guò)程中的能量。

圖19 兩次放電間放電火弧持續(xù)時(shí)間對(duì)比

圖20示出了延長(zhǎng)高頻高能點(diǎn)火單次放電時(shí)長(zhǎng)對(duì)混合氣早期燃燒的影響。通過(guò)標(biāo)定，確定點(diǎn)火期間氣體流速為15 m/s，試驗(yàn)氣體為甲烷(methane)，可燃?xì)饪杖急葹?.6。從圖中對(duì)比可以看出，延長(zhǎng)單次放電時(shí)長(zhǎng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之變快。當(dāng)2 ms點(diǎn)火結(jié)束時(shí)，40 μs延時(shí)的高頻高能點(diǎn)火的火焰面積已經(jīng)明顯大于0 μs的高頻高能點(diǎn)火。當(dāng)?shù)竭_(dá)3 ms時(shí)，隨著氣流作用，40 μs延時(shí)的高頻高能點(diǎn)火火焰邊界已經(jīng)到達(dá)可視化窗口的邊界。這是因?yàn)殡m然放電頻率相同，但是隨著單次放電延時(shí)的時(shí)長(zhǎng)不斷增加，單次放電能量也隨之增加，最終使得整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中的能量也大于低放電延時(shí)，進(jìn)而提高了點(diǎn)火性能，增大了初始火核面積。

圖20 不同單次放電時(shí)長(zhǎng)下高頻高能點(diǎn)火的紋影圖像

4 結(jié)論

a) 在放電時(shí)間2 ms、環(huán)境壓力0.4 MPa、環(huán)境溫度20 ℃、火花塞間隙0.86 mm工況下，增加放電頻率，可以在相同點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)增加放電次數(shù)，最終增加高頻高能系統(tǒng)的點(diǎn)火能量；

b) 當(dāng)固定點(diǎn)火頻率時(shí)，延長(zhǎng)單次放電的延時(shí)時(shí)間，可以增加單次點(diǎn)火內(nèi)的放電能量，并最終提高系統(tǒng)總的點(diǎn)火能量；

c) 通過(guò)對(duì)比不同放電頻率下火弧的圖像可知，高頻高能點(diǎn)火系統(tǒng)的放電強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)高頻點(diǎn)火；此外，不同頻率的火弧體積和亮度近似，但低放電頻率的火弧在每?jī)纱畏烹姷拈g隔內(nèi)，火弧更容易熄滅，放電持續(xù)時(shí)間較短；當(dāng)放電頻率增加后，每?jī)纱畏烹婇g火弧存在的時(shí)間更長(zhǎng)，這有利于初始火核的形成和初期火焰的發(fā)展；

d) 通過(guò)對(duì)比不同放電延時(shí)下火弧的圖像可知，當(dāng)增加放電延時(shí)后，不同延時(shí)下的火弧體積和亮度也相似，但是長(zhǎng)延時(shí)的放電持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，這更有利于初始火核對(duì)周圍環(huán)境的魯棒性，有利于早期火焰的發(fā)展；

e) 燃燒試驗(yàn)顯示，通過(guò)增加放電頻率和延長(zhǎng)單次放電延時(shí)時(shí)間均可以有效地促進(jìn)初期火焰的發(fā)展，在相同的點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)，使得可燃混合氣初始火核增大，加速火焰的快速傳播。