雙線圈點火系統特性仿真與試驗研究

馬修真，靖海國，楊立平，宋恩哲

（哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

雙線圈點火系統特性仿真與試驗研究

馬修真，靖海國，楊立平，宋恩哲

（哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

為了降低稀燃CNG發動機燃燒循環變動，設計了一種雙線圈點火系統。利用Multisim軟件仿真研究了新點火系統次級電壓的變化規律，并在發動機臺架上研究了此點火系統對CNG發動機燃燒穩定性的影響。次級電壓的仿真結果表明，在不同放電間隔的條件下，新點火系統分別能夠有效提高次級電壓，增加火花持續期并能實現多次放電。臺架試驗表明，在合適的放電模式下新點火系統能夠降低發動機的循環變動系數，提高稀燃CNG發動機燃燒穩定性。

循環變動；雙線圈點火系統；次級電壓；火花持續期；多次放電；循環變動系數

采用天然氣作為動力機械的替代燃料，能夠在很大程度上解決環境污染和能源短缺問題，將稀燃技術應用于天然氣發動機，可以進一步提高發動機的經濟性和排放能力，但由于天然氣的燃燒速率較慢，易產生燃燒循環變動現象。采用稀燃技術時燃燒循環變動更加明顯，并增加了失火的可能性，這種非穩定燃燒現象制約了天然氣發動機的發展［1］。N.Ozdor等將影響循環變動程度的因素分為4類，其中與點火特性相關聯的參數是影響稀燃天然氣發動機循環變動的一項重要因素［2］。天然氣發動機在不同工況下火核的形成和熄滅的機理有所不同，發動機冷啟動階段，燃燒室溫度較低，高能點火和多次點火有利于初始火核的形成，降低失火概率，從而降低低速排放［3-5］。發動機在當量比混合氣下運行時較小的點火能量就能夠滿足穩定點火要求［6］。發動機在稀燃工況下，參加化學反應、準備進行點火燃燒的燃料分子數量相對減少，燃燒速度減慢，延長火花持續期和增加點火能量有利于增加火焰火核容積，增強稀燃工況運行的穩定性［7-8］。此外多次點火也可以有效降低稀燃失火概率，提高稀燃工況運行的穩定性［9］。針對電容儲能點火系統和電感儲能點火系統的缺陷［10-11］設計了一種雙線圈放電式點火系統，利用Multisim軟件研究了新型點火系統次級電壓的變化規律，并在發動機臺架上研究了雙線圈點火系統對天然氣發動機燃燒循環變動的影響。

1 點火系統設計

根據儲能方式，電控點火系統分為電感儲能點火系統和電容儲能點火系統。電感儲能點火系統如圖1所示，當控制開關接通時，電源對點火線圈充電，能量儲存在點火線圈的初級線圈中；當控制開關斷開時，根據電磁感應原理，在點火線圈的次級電路中感應出高電壓，高電壓擊穿火花塞間隙，形成火花放電。電容儲能點火系統如圖2所示，當控制開關和觸點1接通時，電源對電容充電，能量儲存在儲能電容中；當控制開關和觸點2接通時，電容對點火線圈放電，擊穿火花塞間隙，形成點火火花。

圖1 電感儲能點火系統結構圖Fig.1 Structure diagram of inductive energy storage ignition system

圖2 電容儲能點火系統結構圖Fig.2 Structure diagram of capacitor energy storage ignition system

電感儲能點火系統有放電持續時間長的優點，但初級儲能時間長，不易實現單循環多次放電；電容儲能點火系統初級儲能快，但電容放電火花持續時間較短，一般為5～50 μs，遠低于電感儲能系統1～2 ms左右的火花持續時間，稀燃條件下初始火核的穩定性差，理論上多電容儲能可以實現放電時間的疊加，但影響疊加因素變化明顯，控制難度較大。為了優化電感儲能點火系統的性能，根據疊加原理，本文選用兩個點火線圈設計了一種雙線圈放電式點火系統，點火系統的結構示意圖如圖3所示，此系統包括點火控制器、直流電源、點火線圈、高壓二極管、高壓點火線和火花塞，具體參數型號如表1所示。點火控制器根據發動機轉速信號和上止點信號等控制兩線圈的初級線圈充電時間和放電開始時間間隔，從而控制火花塞的放電規律。高壓二極管用于消除放電過程兩線圈間的干擾。雙線圈點火系統可以調整放電特性，使天然氣發動機在不同工況均能實現最優點火方式。

圖3 雙線圈放電式點火系統結構示意圖Fig.3 Structure diagram of dual-coil discharge ignition system

表1 點火系統組件Table 1 Components of ignition system

2 仿真及試驗條件

2.1 次級電壓仿真

次級電壓波形包含了最高電壓、電壓升高率、火花持續時間和火花穩定性等眾多信息，可做為點火系統性能的觀測參數，本文采用電路仿真方法研究點火系統次級電壓的變化規律，仿真模型如圖4。

圖4 雙線圈點火系統電壓仿真模型Fig.4 Secondary voltage simulation model of dual-coil ignition

2.2 臺架試驗

臺架試驗是用來驗證雙線圈點火系統對燃燒循環變動的影響。評價燃燒循環變動的指標有平均指示有效壓力、最大爆發壓力、最大爆發壓力出現時刻等多種方法，其中平均指示有效壓力（IMEP）是由缸內壓力及對應的曲軸轉角計算得出，綜合考慮了缸內燃燒壓力及壓力值對應的曲軸轉角對燃燒過程的影響，可以更全面展示缸內的燃燒特征，因此，大多數研究中采用平均指示壓力變動系數COVIMEP來表征發動機燃燒循環變動：

式中：SD（IMEP）為IMEP樣本的標準偏差，IMPE為IMEP樣本的平均值。其中

式中：n為IMEP樣本的數量，IMEP（j）為IMEP樣本的第j個值。

臺架試驗是在由一臺2135G柴油機改裝成的歧管多點噴射式天然氣發動機上進行的。試驗過程中采用電渦流測功機實現發動機的加載，但為了研究發動機燃燒本身產生的非線性特征，取消了除轉速閉環控制外的其它反饋控制；缸內壓力數據由壓電式缸壓傳感器、電荷放大器、燃燒分析儀和計算機等組成的高速數據采集系統來獲得；為了消除冷卻水溫對發動機燃燒循環變動的影響，試驗臺安裝了一套發動機冷卻水溫調節裝置，試驗過程中發動機的冷卻水溫固定在80°C。在轉速為1 000 r／min，節氣門全開，空燃比λ分別為1（理論空燃比）、1.31（中等稀燃）和1.53（稀燃極限）條件下，采集了不同點火模式下缸內燃燒壓力時間序列。試驗過程選用的發動機是由2 135 G柴油機改裝的天然氣發動機，壓縮比由原機的16.5降低到11。單線圈、雙線圈同時放電模式點火提前角為20BTDC，雙線圈連續放電模式放電間隔為100 μs，雙線圈間隔放電模式點火提前角分別為20BTDC和15BTDC.臺架試驗儀器如表2所示。

表2 臺架試驗儀器及設備Table 2 Experimental apparatus

3 仿真和臺架試驗結果

3.1 次級電壓仿真結果

圖5是單線圈放電次級電壓仿真波形圖，圖6是雙線圈放電次級電壓仿真波形圖。

圖5 單線圈放電次級電壓仿真波形Fig.5 Simulation wave of secondary voltage in single-coil mode

圖6 雙線圈放電次級電壓仿真波形Fig.6 Simulation wave of secondary voltage in dual-coil mode

由圖5可知，單線圈放電時次級最高電壓約30.3 kV，電壓持續約120 μs時火花熄滅，次級電壓發生震蕩，當火花塞擊穿電壓為10 kV時，火花持續期約110 μs由圖6可知，與單線圈放電相比，雙線圈同時對一火花塞放電時，次級最高電壓由30.3 kV上升到38.5 kV，火花擊穿能力增強，但放電持續時間變化不明顯；間隔50 μs和100 μs依次放電時，次級電壓出現2個波峰，但最高電壓變化不大，放電持續時間明顯增加，增加的時間和間隔放電時間相同；雙線圈間隔200 μs依次放電時，次級電壓出現明顯的2個波峰，其中較早放電的線圈產生的次級高壓進入震蕩期，火花熄滅，整個放電過程相當于二次點火。

3.2 臺架試驗結果

在理論空燃比工況（λ＝1）和中等稀燃工況（λ＝1.31）時采集了1 000循環壓力數據，在稀燃極限工況（λ＝1.53）采集了2 000循環壓力數據，圖中在理論空燃比工況和中等稀燃工況列出100循環的數據，在稀燃極限工況列出200循環的數據。

3.2.1 理論空燃比工況

圖7表明，在理論空燃比工況時，不同放電模式的IMEP波動幅度都比較小，最大為0.051 MPa。

圖7 理論空燃比工況不同放電模式下IMEP循環變動Fig.7 Cyclic variation in different discharge mode under theoretical air-fuel ratio condition

在理論空燃比工況時，點火裝置在單線圈放電模式、雙線圈同時放電模式、雙線圈連續放電模式和雙線圈多次放電模式下IMEP的燃燒循環變動系COVIMEP分別為1.06%、0.88%、0.89%和1.09%，與單線圈放電模式相比，雙線圈同時放電模式和雙線圈連續放電模式下COVIMEP有所降低，降低值分別為0.18%和0.17%，效果不明顯；雙線圈多次放電模式下COVIMEP沒有改善。這是因為在當量比混合氣下，單線圈放電模式能夠滿足穩定點火的要求，在雙線圈同時放電模式和雙線圈連續放電模式下雖然分別能夠增加初始火核的強度和火花持續期，但效果并不明顯；在雙線圈間隔放電模式下，第2次放電時缸內的燃燒火焰已經形成，因此二次點火沒有意義。3.2.2 中等稀燃工況

圖8和圖7相比，在單線圈放電模式下，中等稀燃工況IMEP的波動比理論空燃比工況更為明顯，波動的范圍由0.051 MP增加到0.115 MPa，COVIMEP由1.06%增加到1.62%。中等稀燃工況時雙線圈同時放電模式、雙線圈連續放電模式和雙線圈多次放電模式下COVIMEP分別為1.11%、1.21%和1.39%。和單線圈放電模式相比，不同方式的雙線圈放電模式均可降低COVIMEP，其中雙線圈同時放電模式優化效果最明顯，COVIMEP降低了0.51%，雙線圈連續放電模式效果次之，COVIMEP降低幅度為0.41%，雙線圈間隔放電模式優化效果最差，COVIMEP降低幅度為0.23%。這說明，初始火核對稀燃工況的燃燒循環變動有較大的影響，雙線圈同時放電和雙線圈連續放電時有利于初始火核的形成，因此較大幅度地降低了燃燒循環變動，雙線圈多次放電對燃燒過程也有影響，在一定程度上降低了燃燒循環變動。

圖8 中等稀燃工況不同放電模式下IMEP循環變動Fig.8 Cyclic variation in different discharge mode under medium lean burn condition

3.2.3 稀燃極限工況

圖9表明，稀燃極限工況時在單線圈放電模式下，IMEP在0.02～0.81 MPa范圍內波動，波動范圍較大，單線圈放電模式下COVIMEP為11.38%，發動機穩定性較差。線圈同時放電模式、雙線圈連續放電模式和雙線圈多次放電模式下 COVIMEP分別為9.33%、9.72%和6.51%，分別降了2.05%、1.66%和4.87%，雙線圈多次點火效果最明顯。稀燃極限工況下發動機已發生失火現象，此時缸內燃燒條件較惡劣，多次放電模式下第2次放電時點火提前角變化了5TDC，缸內的燃燒條件已發生變化，因此多次點火模式有效降低了失火概率，從而提高稀燃極限下發動機運行的穩定性。

圖9 稀燃極限工況不同放電模式下IMEP循環變動Fig.9 Cyclic variation in different discharge modes under combustion limit condition

4 結論

1）和單線圈點火系統相比，雙線圈同時放電模式下，雙線圈點火系統次級電壓峰值提高27%，火花持續期不變；間隔放電模式下，間隔時間小于單線圈火花持續期時，火花持續期增加，增加值和間隔時間相同，次級電壓峰值不變；間隔時間大于單線圈火花持續期時，出現多次點火現象。

2）在合適的放電模式下，雙線圈點火系統能夠降低燃燒循環變動。在理論空燃比工況時效果不明顯，在稀燃工況采用雙線圈同時放電模式，在稀燃極限工況采用多次放電模式可以最大限度地降低循環變動。

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Simulation and experimental research on a dual-coil ignition system

MA Xiuzhen，JING Haiguo，YANG Liping，SONG Enzhe
（College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to reduce cyclic variation，a dual-coil ignition system for a CNG engine was proposed in this paper.Using Multisim software，the change rule of secondary voltage of the new ignition system was studied.The impact of this ignition system on combustion stability of the CNG engine was studied on the engine test bench.Experimental results of secondary voltage show that compared with single-coil ignition，the new ignition system can effectively increase secondary voltage，extend spark duration and achieve multiple discharges under different discharge interval conditions.Bench test shows that，in a suitable discharging mode，this system can reduce the probability of misfire and the cyclic variation coefficient of CNG engine，consequently it improves the combustion stability of lean burn CNG engine.

cyclic variation；dual-coil ignition system；secondary voltage；spark duration；multiple discharge；cyclic variation coefficient

10.3969／j.issn.1006-7043.201306076

TK413.9

A

1006-7043（2014）09-1124-05

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201306076.html

2013-06-26. 網絡出版時間：2014-08-29.

國家自然科學基金資助項目（51306041）；中央高?；究蒲谢鹳Y助項目（002030020803，HEUCFR1008）；黑龍江省自然科學基金資助項目（QC2013C057）.

馬修真（1957-），男，教授，博士生導師；楊立平（1978-），男，講師，博士.

楊立平，E-mail：yangliping302＠tom.com.