電暈放電高頻點火系統

【德】 S.Bohne G.Rixecker V.Brichzin M.Becker

1 空間點火是最主要的途徑

可靠點燃稀薄混合氣對點火系統提出極高要求，傳統的晶體管線圈點火裝置無法產生足夠的點火能量，以限制這種運行狀況下的循環波動。而且，對于均質和分層混合氣運行方式而言，稀薄混合氣的低燃燒速度降低了效率方面的優勢，但分層混合氣運行方式能從延長的燃燒持續期中獲益，在每個燃燒循環中，都能使空燃混合氣著火燃燒。

在這方面，處于開發階段的新型高廢氣再循環（EGR）率和稀薄混合氣運行方案都能從擴大點火空間方面獲得明顯優勢，不僅能確?；旌蠚饪煽奎c燃，而且形成空間的火焰核心具有較高的燃燒速度，從而有助于能量高效釋放?；陔姇灧烹姮F象的高頻點火已被證實是一種可供選用的技術（圖1），能滿足轎車領域的主要技術標準，因而在2020年的CO2排放標準生效前具有可供市場應用的潛力。BorgWarner Beru系統公司開發的EcoFlasch電暈放電高頻點火系統現已進入量產階段。

2 系統概況及開發狀況

當前，電暈放電均采用相同方案，即借助于量產的諧振電路，通過諧振變壓產生氣體放電所需的電壓，根據運行工況點確定高電壓，避免出現意外的火花中斷。借助于電場模擬，通過燃燒室設計能較為理想地達到控制目的，從而確保燃燒室金屬表面上方的電場強度在任何時刻都不會超過一定閾值。如能正確控制電暈放電，那么，氣體放電所產生的能量幾乎只釋放給氣缸充量，從而在所釋放的能量與傳遞給工作介質的能量之間獲得比火花點火更為有利的狀況。

圖2示出了轎車發動機用的EcoFlasch電暈放電高頻點火系統方案，包括由電控單元和高頻控制器組成的控制器單元，以及根據發動機氣缸數確定的3～6個點火塞，而高頻控制器與點火塞之間的高頻電纜則采用同軸電纜。因電壓變換的末級是通過集成在點火塞上的諧振電路進行的，因此要變換的電壓被限制在1kV以下。在6缸機上，EcoFlasch電暈放電高頻點火系統（A樣機狀態）的有效功率消耗最大為350W。在A樣機狀態下，點火系統用于4缸2.0L進氣道噴射增壓發動機時，50mJ的點火能量足以使大部分發動機特性曲線場范圍內的平均指示壓力變化系數小于2.6%，而在批量檢測較多的情況下，對于1臺排量為92mL的小型二沖程化油器汽油機而言，在怠速至10 000r／min轉速范圍內運行，小于25mJ的點火能量已經足夠了。

在試驗臺運行和用戶使用中應用的A樣機將逐漸被目前內部使用的B樣機替代，后者的電效率高1倍，并具有1套完整的通訊接口。

3 增大部分負荷的EGR公差

在1臺目前使用的4缸1.4L增壓直噴汽油機上，對EcoFlasch-A型電暈放電高頻點火系統和具有90mJ點火能量的傳統晶體管線圈點火裝置進行詳細的比較。為了在試驗臺上運行，還附加裝備了冷卻低壓EGR系統。其點火裝置位于燃燒室中央，噴油器布置在側面。對于為混合氣噴束和壁面組合導向設計的活塞頂燃燒室淺凹坑，無須為采用電暈放電高頻點火系統而進行修改，但是，若在此基礎上對燃燒室幾何形狀進行附加匹配，還能獲得比試驗結果更為明顯的優勢。

通過測量程序查明部分負荷時轉速2 000r／min和4 000r／min、平均有效壓力0.14～0.20MPa之間負荷工況點的EGR公差，而關于全負荷時混合氣稀薄的可能性、爆震狀況和EGR公差等試驗結果已在之前的報告中發表過。如圖3所示，在轉速2 000r／min、平均有效壓力0.6MPa的運行工況點，與傳統的晶體管線圈點火裝置相比，EcoFlasch電暈放電高頻點火系統允許EGR率顯著提高，在運轉平穩性系數不大于5%的情況下，外部EGR率可達到29.7%，比傳統晶體管線圈點火裝置提高了13%。

其他運行工況點的EGR公差改善狀況與此相似。對質量轉換點的精確分析表明，除了著火滯后明顯縮短之外，采用電暈放電高頻點火的燃燒持續期也較短。一般著火滯后縮短5～20°CA，而且，隨著充量的進一步稀薄，還呈現出增大趨勢。即使在混合氣被強烈稀釋的情況下，相比傳統晶體管線圈點火，其燃燒持續期（5%～90%轉換期）也有約5%～10%（2.0～3.5°CA）的優勢，從而具有提高效率的效果。

4 高點火壓力和全負荷時的性能

據文獻所載，電暈放電的空間伸展長度與氣缸點火壓力大小相反，當然，相對于反比要少得多。因此，即使在高點火壓力情況下，也要具有足夠的電暈放電量，才能在高負荷工況點仍保持電暈放電高頻點火的空間點火特性。目前，EcoFlasch電暈放電高頻點火系統的開發性能完全能滿足這樣的前提條件（圖4），因此，空間點火的獨特優勢即使在點火時的高氣缸壓力下也不會受限。

在采用EcoFlasch電暈放電高頻點火系統的1.4L增壓發動機上，與傳統的晶體管線圈點火相比，在全負荷時保持相同爆震強度的情況下，燃燒重心位置最多能夠提早4°CA，因此，無須采取其他設計措施，就能將平均有效壓力提高0.05MPa，或者在保持90mJ晶體管線圈點火裝置所能達到的最大扭矩情況下，在全負荷時最多摻入4%的外部EGR，從而使廢氣溫度降低10K，比油耗降低2%。

基于上述試驗結果，有可能減少全負荷工況的加濃量，以及基于更迅速的著火燃燒和更高的抗爆性，提高低轉速范圍內的扭矩。與開發伙伴和用戶合作進行的試驗證實了上述可能性。

5 發動機耐久運行試驗

在1.4L增壓發動機上進行超過500h的高負荷耐久運行試驗，查明電暈放電高頻點火系統的電流消耗和點火塞中心頻率等主要運行參數隨時間的變化情況。在規定的時間間隔中，點火電極的斷火和燒損狀況證實了其耐久運行性能。點火系統的特性參數在運行過程中并無明顯的變化（圖5），即使點火電極頂端有輕微燒損，仍有可能在汽車上獲得明顯超過10萬km的使用壽命。

6 結語

介紹了電暈放電高頻點火系統的概況和基本工作原理，并以試驗臺試驗結果證實了其優點。試驗證實，該系統能提高EGR兼容性，改善抗爆性，并能降低比油耗，而且，無須為此修改燃燒室的幾何形狀和尺寸。

與用戶和合作伙伴共同對EcoFlasch電暈放電高頻點火系統進行多項試驗，獲得了該系統為開發燃燒過程提供的可能性和自由度。電暈放電高頻點火不僅為高EGR和稀薄燃燒過程奠定了基礎，而且還能借助于較小充量運動減少換氣損失，或采用米勒循環配氣相位提高效率。圖6示出了在發動機特性曲線場中應用電暈放電高頻點火系統的各種可能性。