單電源等離子點(diǎn)火技術(shù)研究

王加富 郭旭紅

摘 要：?jiǎn)坞娫吹入x子點(diǎn)火系統(tǒng)通過(guò)在火花塞電極之間提供大能量的等離子電流，增大點(diǎn)火能量、提高燃燒效率和燃燒傳播速度。并對(duì)單電源等離子點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研制了原理樣機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了等離子放電過(guò)程。

關(guān)鍵詞：等離子點(diǎn)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(dòng)機(jī)采用廢氣回收技術(shù)，傳統(tǒng)的點(diǎn)火技術(shù)已經(jīng)不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性能的要求。為了解決汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在稀薄混合氣和高滾流比的情況下成功點(diǎn)火需求，采用在高溫電磁場(chǎng)條件下延長(zhǎng)火花塞的點(diǎn)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(shí)現(xiàn)可靠燃燒的等離子點(diǎn)火技術(shù)。作為前瞻性的技術(shù)，必然在以后得到廣泛使用。

2 系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)是通過(guò)線圈自感原理，在次級(jí)線圈感應(yīng)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(diǎn)燃混合氣。點(diǎn)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(diǎn)火系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的電路基礎(chǔ)上增加一路等離子電源，由于引入了等離子電源和儲(chǔ)能電容，因此在點(diǎn)火瞬間可以給火花塞提供更多持續(xù)點(diǎn)火能量，并且有效延長(zhǎng)火花的持續(xù)時(shí)間。同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)電壓檢測(cè)和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)控制各個(gè)電源的放電時(shí)刻和延長(zhǎng)時(shí)間。

3 單電路等離子點(diǎn)火系統(tǒng)

此結(jié)構(gòu)圖是在傳統(tǒng)的火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)圖的基礎(chǔ)上增加一路等離子電源、提供等離子點(diǎn)火能量的儲(chǔ)能電容C1、保護(hù)二極管D0和D1。在此等離子電源點(diǎn)火的過(guò)程中，點(diǎn)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(guò)程中，火花塞電極間的電壓由擊穿電壓降為燃燒電壓，同時(shí)電極之間的火弧能夠提供等離子電流的放電通路。當(dāng)燃燒電壓的絕對(duì)值低于C1上的電壓時(shí)，C1以電流脈沖的形式形成等離子電流。C1放電結(jié)束時(shí)，電壓V1等于火花塞的燃燒電壓。此時(shí)，二極管D1截止，C1不再放電，等離子電源給C1充電，直至達(dá)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(diǎn)火系統(tǒng)在C1放電時(shí)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(shí)的燃燒電壓。由式（1）可見(jiàn)，等離子點(diǎn)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(shè)計(jì)。等離子電源設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)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(kāi)關(guān)管Qf導(dǎo)通時(shí)，變壓器T1的初級(jí)線圈被直流輸入電壓激勵(lì)Vin，此時(shí)次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓被二極管Df阻斷。開(kāi)關(guān)管Qf關(guān)斷時(shí)，初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓關(guān)斷，變壓器磁芯中的能量在副邊繞組上產(chǎn)生反向的感應(yīng)電勢(shì)，向負(fù)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(chǔ)能電容C1的充電，火花塞未形成導(dǎo)電通路時(shí)，電路的輸出實(shí)際處于空載狀態(tài)，因此本文將反激變換器設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓，Vds為開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)。等離子電源的主控芯片采用電容充電控制芯片LT3751實(shí)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(guò)變壓器匝數(shù)比和三個(gè)外接電阻設(shè)定的穩(wěn)定的高輸出電壓。此外，通過(guò)反饋引腳可以實(shí)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(duì)單電源等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

得到ECU信號(hào)、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(jié)果和具體燃燒過(guò)程的仿真結(jié)果。由仿真可見(jiàn)，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(dǎo)電通路。在這一瞬間，等離子電源輸出電容上儲(chǔ)存的能量可以得到釋放，火花塞中形成等離子電流完成點(diǎn)火。在單路電源工作的情況下，電源的充電時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于燃燒時(shí)間，在一次燃燒過(guò)程中只能完成一次等離子放電。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5給出了等離子放電瞬間的輸出電壓和燃燒電壓測(cè)試結(jié)果。

由實(shí)驗(yàn)波形可見(jiàn)，等離子電源在火花塞被擊穿的瞬間開(kāi)始放電，放電完成時(shí)，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(kāi)始充電。在燃燒持續(xù)過(guò)程中，等離子電源只能放電一次。

6 結(jié)束語(yǔ)

將普通傳統(tǒng)點(diǎn)火的高壓火花轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣艿入x子點(diǎn)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(shí)間壁壘效應(yīng)，從而增加汽車動(dòng)力;同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低油耗以及減少尾氣排放的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]茍欣璞.汽車點(diǎn)火參數(shù)測(cè)量的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2005：3-5.

[2]藍(lán)冠動(dòng)力.等離子電暈點(diǎn)火技術(shù)---汽車業(yè)界中國(guó)彎道超越美日歐的唯一機(jī)會(huì)[J].2016：23-27.