劉靜遠， 王 寧， 趙慶武， 熊 勇， 程 勇

(山東大學 能源與動力工程學院, 濟南 250061)

為了提高內(nèi)燃機熱效率及改善排放性能，廢氣再循環(huán)(EGR)、稀薄燃燒等技術受到青睞，但過高的EGR率及過量空氣系數(shù)會造成發(fā)動機燃燒循環(huán)波動增大、燃燒不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)失火現(xiàn)象，這對點燃式內(nèi)燃機的點火系統(tǒng)提出了更高的要求.

前人研究結(jié)果表明[1-4]，火花塞點火包括3個階段：擊穿階段、電弧階段、輝光階段.在擊穿階段，在高電壓作用下氣體介質(zhì)被擊穿形成火花通道；在電弧階段，火花通道將轉(zhuǎn)變成一個大電流電??；在輝光階段，電壓電流迅速減小，但持續(xù)時間比前兩個階段長，點火能量集中在這一階段釋放.以上過程，從擊穿階段到電弧階段的過渡會消耗大量能量，縮短這一階段，可有效增加輝光階段釋放的能量.

近幾年，納秒脈沖放電點火受到了廣泛關注.文獻[1]研究了丙烷/空氣混合氣的點火成功率隨放電能量、混合氣初始壓力的變化規(guī)律，指出在0.3×105～1×105Pa范圍內(nèi)，放電能量和混合氣初始壓力越大，點火成功率越高.文獻[5]應用瞬時冷等離子體技術對甲烷/空氣預混氣體進行了點火試驗，并與電火花點火結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)瞬時冷等離子體將甲烷預混氣體的著火延遲時間縮短了40%.文獻[6]研究了納秒脈沖放電對丙烷/空氣混合氣的點火過程，發(fā)現(xiàn)放電脈沖數(shù)對點火過程有很大的影響，放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)會加速稀混合氣的燃燒，當施加較多的脈沖時，可以顯著降低著火延遲.文獻[7]利用脈沖爆震發(fā)動機測試平臺研究了納秒放電對點火過程的影響，發(fā)現(xiàn)在較高的脈沖頻率(>10 kHz)時，多個脈沖會耦合成一個火核，增加了點火火核的尺寸和核中釋放的總能量.文獻[8]基于定容燃燒彈的研究發(fā)現(xiàn)，利用多組脈沖放電產(chǎn)生的累計效應，可以增大點火成功率.諸多研究結(jié)果表明，納秒脈沖放電在強化點火方面表現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢.

影響納秒脈沖放電能量的因素有很多，以往的研究大多通過改變放電脈沖數(shù)調(diào)節(jié)放電總能量，但脈沖電壓、脈沖間隔也會影響放電總能量及后續(xù)的火焰?zhèn)鞑ミ^程.本文在定容燃燒彈中，以甲烷/空氣混合氣為介質(zhì)，研究了點火成功率和著火延遲隨納秒脈沖發(fā)生器的最高輸出電壓、放電脈沖間隔的變化，可為納秒脈沖放電在改善內(nèi)燃機點火性能的研究上提供試驗基礎.

1 試驗裝置及試驗過程

試驗裝置示意圖如圖1所示.空氣氣泵、甲烷氣瓶用于為混合氣瓶提供預設當量比的混合氣，混合氣依據(jù)道爾頓分壓定律配制.首先，根據(jù)預定當量比向混合氣瓶充入指定壓力的甲烷氣體，壓力值由壓力傳感器1(MIK P300，精度為0.25%FS(FS為滿量程)，量程為 -0.1～1 MPa)監(jiān)測，然后充入空氣至目標壓力.混合氣瓶內(nèi)置電磁攪拌器，用于將混合氣攪拌均勻，混合氣瓶內(nèi)的混合氣通過電磁閥充入定容燃燒彈；燃燒彈內(nèi)徑為4 cm、長度為2 cm.用壓力傳感器2 (AVL QC32C，精度為0.25%FS，量程為 -0.1～1 MPa)測量并控制燃燒彈內(nèi)混合氣壓力；脈沖電源為自主設計開發(fā)，基于脈沖變壓器和磁壓縮技術，以大電容儲能提高脈沖重復頻率，用諧振充電減小電容充電時間.根據(jù)充放電時間匹配磁開關并利用其磁飽和特性產(chǎn)生陡上升沿脈沖，產(chǎn)生的脈沖電壓上升時間約為20 ns、半高寬約為50 ns、幅值為10 kV以上，脈沖頻率為16 kHz時能保證較好的幅值一致性[9]；火花塞間隙為1 mm；放電時的電流、電壓分別采用電流傳感器(Pearson2877)、高壓探頭(Tektronic P6015A)及示波器(Tektronic DPO2014)測量，示波器最高采樣頻率為100 MHz.燃燒彈內(nèi)的壓力采用壓力傳感器2和示波器進行采集.放電及燃燒圖像采用Phantom VEO710高速照相機記錄，通過單片機控制系統(tǒng)對脈沖電源、示波器及高速照相機進行同步觸發(fā).

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

試驗時，過量空氣系數(shù)在0.8～1.7范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，試驗初始壓力固定為0.1 MPa，混合氣初始溫度及燃燒彈壁面溫度為室溫，約為298 K.

2 納秒脈沖放電特性及放電能量

由文獻[10]可知，測量到的總電流Itot由電極間電容容值變化反映的位移電流Idisp和實際帶電粒子定向移動反映的傳導電流Icond組成，如下式所示：

Itot=Idisp+Icond

(1)

(2)

式中：C為電極間隙電容的寫法；U為電極間電壓；t為時間.

由式(1)和(2)可得：

(3)

由于在甲烷/空氣混合氣中，甲烷占比較小，對分子密度影響較小，本文在應用中，以在大氣中放電得到的電流值代替在甲烷/空氣混合氣中放電時的電流值作為Itot.

當脈沖電壓為7.4 kV、脈沖持續(xù)時間為20 ns時，在空氣中放電時的實測總電流、計算得到的位移電流和傳導電流如圖2所示.其中：I為電流.由圖2可知，最大傳導電流約為51 A.

圖2 Itot、Idisp和Icond的對比Fig.2 Comparison of Itot, Idisp, and Icond

依據(jù)實測電極電壓和計算得到的傳導電流，得到電極的放電功率.將功率對脈沖持續(xù)時間積分，可以得到脈沖放電釋放到等離子體中的能量：

(4)

電極電壓和傳導電流和釋放能量隨時間的變化過程如圖3所示.由圖3可知，納秒脈沖放電過程可分為3個階段：擊穿階段、電弧階段和輝光階段.

圖3 電極電壓、傳導電流和釋放能量隨時間的變化Fig.3 Electrode voltage, conduction current, and released energy versus time

擊穿階段，放電開始到剛形成氣體通道的過程，脈沖電壓升高到約為7.8 kV時, 電極間隙中的混合氣被擊穿，形成很窄的氣體通道；電弧階段，氣體通道為電流通道所取代的過程，電壓迅速降低到一定值，隨后震蕩衰減，電流迅速增大到峰值51 A，電極間氣體通道轉(zhuǎn)化為電流通道，電流通道形成電弧的中心高溫度區(qū)，一般認為在電弧階段開始出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?；輝光階段，電流通道形成到放電過程結(jié)束，電流由峰值震蕩衰減，產(chǎn)生較多熱量，絕大部分點火能量在此時放出[1-2].

脈沖電壓Ua是脈沖電源施加到電極的總電壓，放電過程中脈沖電壓與電極間擊穿電壓Ub、擊穿電流Ib隨時間變化的趨勢如圖4所示.由圖4可知，發(fā)生擊穿時，擊穿電壓為7.2 kV，擊穿電壓不能直接控制，通過改變脈沖電壓幅值，改變電極間擊穿電流，實現(xiàn)對放電能量的調(diào)控.圖5 統(tǒng)計了不同脈沖電壓時在空氣中的擊穿電流和放電釋放的能量.當脈沖電壓為7.1 kV時，擊穿電流為47.8 A，釋放能量為1.8 mJ；當脈沖輸出電壓為10.4 kV時，擊穿電流為80.3 A，釋放能量為3.6 mJ.

圖4 脈沖電壓、擊穿電壓和擊穿電流的關系Fig.4 Relationship between pulse voltage, breakdown voltage, and breakdown current

圖5 脈沖電壓與擊穿電流和放電釋放能量的關系Fig.5 Relationship between pulse voltage, breakdown current, and discharge energy

圖6 多脈沖擊穿電壓、擊穿電流隨時間的變化Fig.6 Multi-pulse breakdown voltage and breakdown current versus time

當脈沖電壓為10.4 kV、脈沖持續(xù)時間為20 ns、脈沖間隔為60 μs時，在空氣中連續(xù)放電時的擊穿電壓和總電流波形如圖6所示.由圖6可知，當采用多脈沖放電時，擊穿電壓、電流值與單個脈沖放電時不同，第1個擊穿電壓值較高，但電流值較低，從第2個脈沖開始，擊穿電壓、電流趨近平穩(wěn)，但相比第1個脈沖，擊穿電壓有所降低，擊穿電流有所增加.

圖7 第2個脈沖電壓及能量隨脈沖間隔的變化Fig.7 Voltage and energy of the second pulse versus pulse interval

脈沖電壓設置為10.4 kV，脈沖持續(xù)時間設置為20 ns，第1個脈沖能量為3.6 mJ.改變脈沖間隔，統(tǒng)計了第2個脈沖擊穿電壓Ub和釋放能量E′隨脈沖間隔Δt的變化情況，如圖7所示.當脈沖間隔由60 μs逐漸增大時，第2次脈沖擊穿電壓從 2.7 kV 逐漸增大，最大擊穿電壓出現(xiàn)在脈沖間隔為 140 μs 時，達到5.5 kV.繼續(xù)增大放電脈沖間隔，擊穿電壓維持在5.5 kV左右.而從放電所消耗的總能量來看，當脈沖間隔為60 μs時，第2個脈沖釋放了 1.8 mJ 的能量，當脈沖間隔增大為140 μs以上時，第2個脈沖釋放的能量在3.3 mJ左右.

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因為相繼脈沖作用效果存在耦合，前一次放電在電極間產(chǎn)生大量的高溫活性物質(zhì)，使下次放電時更容易發(fā)生擊穿.但隨脈沖間隔時間增長，第2個脈沖擊穿電壓增大，是由于高溫狀態(tài)活性物質(zhì)向周圍擴散導致密度降低，需要更高的電壓擊穿電極間的氣體.

3 納秒脈沖放電參數(shù)對點火性能影響 的試驗研究

在燃燒彈內(nèi)充入甲烷/空氣混合氣，初始壓力為1×105Pa溫度為室溫，過量空氣系數(shù)范圍為0.8～1.7，以點火成功率和著火延遲為評價參數(shù)，探究了脈沖持續(xù)時間為20 ns，不同脈沖電壓、不同脈沖間隔下納秒脈沖放電參數(shù)對點火性能的影響.

3.1 放電參數(shù)對點火成功率的影響

點火成功率P定義為點火成功次數(shù)與試驗總次數(shù)S之比.通過高速相機觀察點火過程，以形成火核，并順序點燃周圍混合氣，火焰?zhèn)鞑U散至整個燃燒室為點火成功.為保證數(shù)據(jù)的有效性，需要統(tǒng)計足夠次數(shù)的試驗.放電參數(shù)保持不變，重復進行試驗，得到的點火成功率隨試驗次數(shù)增加的變化趨勢如圖8所示.由圖8可知，當試驗次數(shù)達到30次以上時，點火成功率統(tǒng)計值逐漸穩(wěn)定.在后續(xù)試驗中，點火成功率均采用30次的測試結(jié)果進行統(tǒng)計.

圖8 點火成功率與試驗次數(shù)的關系Fig.8 Flame success rate versus number of tests

圖9顯示了點火成功率與脈沖間隔的關系，試驗中脈沖電壓為10.4 kV，放電脈沖數(shù)為100，設過量空氣系數(shù)為φ.由圖9可以看到，過量空氣系數(shù)φ在0.8～1.4之間時，點火成功率為100%；當混合氣濃度偏離此范圍時，點火成功率隨放電脈沖間隔的增大近似呈線性降低.過量空氣系數(shù)為0.8、1.5、1.6，脈沖間隔設置為60 μs時，點火成功率可維持在100%，當脈沖間隔大于120 μs時，采用納秒脈沖放電難以著火.這主要是因為隨著脈沖間隔的延長，脈沖之間的耦合作用降低，單個脈沖釋放的能量難以形成有足夠能量的火核，使點火成功率降低.

圖9 點火成功率隨放電脈沖間隔的變化Fig.9 Flame success rate versus discharge pulse interval

固定脈沖間隔為60 μs，脈沖數(shù)為100，統(tǒng)計得到點火成功率隨脈沖電壓的變化，如圖10所示.由圖10可知，過量空氣系數(shù)φ在0.8～1.5之間時，點火成功率為100%.當過量空氣系數(shù)為1.6，脈沖電壓為8.3 kV時，無法點燃混合氣，隨著脈沖電壓的升高，點火成功率升高，脈沖電壓達到10.4 kV時，點火成功率達100%.增大過量空氣系數(shù)至1.7時，雖然點火成功率也隨脈沖電壓的提高逐漸升高，但脈沖電壓達到10.4 kV時，點火成功率也未達到100%.

圖10 點火成功率隨脈沖電壓的變化Fig.10 Flame success rate versus pulse voltage

為進一步探究納秒脈沖放電的點火能力，將放電脈沖間隔固定為60 μs，脈沖電壓設置為 10.4 kV，在過量空氣系數(shù)為1.7、1.8時，統(tǒng)計了點火成功率隨脈沖數(shù)N的關系，如圖11所示.由圖11可知，在過量空氣系數(shù)為1.7時，將脈沖數(shù)增加到200，點火成功率可達到100%；過量空氣系數(shù)為1.8時，增加脈沖數(shù)，點火成功率也隨之升高，表明增大脈沖數(shù)可以產(chǎn)生更多的活性物質(zhì)，進而可以擴大著火界限.

圖11 點火成功率隨脈沖數(shù)量的變化Fig.11 Flame success rate versus number of pulses

3.2 放電參數(shù)對著火延遲的影響

根據(jù)點火試驗中燃燒彈內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了著火延遲隨放電參數(shù)的變化規(guī)律.將累積放熱量達到總放熱量10%的時刻定義為著火開始時刻，即著火延遲期τ定義為放電開始至總放熱量達10%時所需的時間.

定容彈容積固定，混合氣燃燒釋放的能量，一部分傳給工質(zhì)，使工質(zhì)內(nèi)能增加，一部分通過燃燒室壁面散失到環(huán)境中，由文獻[11]根據(jù)熱力學第一定律有:

QB=ΔE+QW

(5)

式中：QB和QW分別為混合氣燃燒放熱量、通過壁面的散熱量；ΔE為工質(zhì)內(nèi)能的變化[10].

(6)

考慮到：

U=cVmT

(7)

(8)

(9)

由式(7)～(9)可得：

(10)

將式(10)代入式(6)可得：

(11)

式中：m為燃燒彈中混合氣質(zhì)量；T為混合氣溫度；cV為混合氣定容比熱容；Rg為混合氣氣體常數(shù)；V為燃燒彈容積；k為混合氣等熵指數(shù)；p為燃燒彈內(nèi)壓力；K為傳熱系數(shù)；A為定容彈內(nèi)表面積；TW為燃燒彈壁面溫度.文中計算累積放熱量是為了確定放熱量至總放熱量10%時所需的相對時間，將等熵指數(shù)k視為常數(shù)，對結(jié)果無影響.則式(11)在k取常數(shù)后可簡化為

(12)

混合氣溫度可由理想氣體狀態(tài)方程計算得到：

(13)

式中：n為燃燒彈內(nèi)混合氣的物質(zhì)的量；R為通用氣體常數(shù)，取為8.314 J/(mol·K).

燃燒彈容積V為25 mL，為簡化計算，取k=1.3，K=35 J/s，n=1.159×10-3mol，A=2.5×10-3m2，TW=298 K.由瞬時放熱率對時間積分可得累積放熱量Qf，進而確定著火延遲τ，如圖12所示.

圖12 著火延遲示意圖Fig.12 Diagram of ignition delay

圖13統(tǒng)計了著火延遲隨脈沖間隔的變化.由圖13可知，隨著脈沖間隔的增大，不同過量空氣系數(shù)下的著火延遲均有所增加，表明脈沖間耦合作用減弱，電極間活性物質(zhì)保有量相對脈沖間隔較小時減少.當過量空氣系數(shù)為0.8時，脈沖間隔為60 μs和100 μs時著火延遲改變量最大，為9.9 ms.

圖13 著火延遲隨脈沖間隔的變化Fig.13 Ignition delay versus pulse interval

圖14統(tǒng)計了著火延遲隨脈沖電壓的變化.由圖14可知，隨著脈沖電壓的增高，著火延遲略有縮短.脈沖輸出電壓從7 kV增大到10.4 kV，過量空氣系數(shù)為0.8時，著火延遲最大縮短量為2.2 ms；在理論空燃比下，著火延遲的最大縮短量為0.5 ms；在過量空氣系數(shù)為1.6時, 著火延遲的最大縮短量為5 ms.

圖14 著火延遲隨脈沖電壓的變化Fig.14 Ignition delay versus pulse voltage

通過上述結(jié)果可知，在混合氣濃度偏離理論空燃比時，增大脈沖電壓和減小脈沖間隔均可以有效降低著火延遲.文獻[12]可為此結(jié)論提供理論支撐：高頻納秒脈沖放電對點火性能的影響，集中在點火初期.一方面，重復的脈沖放電在靜止燃氣中引起湍流現(xiàn)象，使產(chǎn)生的火核更容易發(fā)展；另一方面，多組放電會產(chǎn)生更大的熱區(qū)域，方便形成更大的初始火核.

4 結(jié)論

基于定容燃燒彈探究了納秒脈沖放電參數(shù)對甲烷/空氣混合氣點火及燃燒的影響，主要結(jié)論如下.

(1) 納秒脈沖放電的連續(xù)脈沖之間存在耦合作用，這種耦合作用的效果隨脈沖間隔增大而逐漸減弱.試驗中，在脈沖間隔到140 μs時，耦合作用的效果可以忽略不計.可以充分利用脈沖間耦合關系，相對減少擊穿階段消耗的能量，提高放電能量利用率.

(2) 脈沖持續(xù)時間不變，增大脈沖電壓、脈沖數(shù)量和減小脈沖間隔可以擴大甲烷/空氣混合氣的著火界限，提高點火成功率.

(3) 脈沖持續(xù)時間不變，增大脈沖電壓和減小脈沖間隔均可以有效降低著火延遲.