單電源等離子點火技術研究

王加富 郭旭紅

摘 要：單電源等離子點火系統通過在火花塞電極之間提供大能量的等離子電流，增大點火能量、提高燃燒效率和燃燒傳播速度。并對單電源等離子點火系統進行了設計，研制了原理樣機，通過實驗驗證了等離子放電過程。

關鍵詞：等離子點火;等離子電源;火花塞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.049

1 前言

隨著現代的汽油車發動機采用廢氣回收技術，傳統的點火技術已經不能滿足發動機的動力、經濟、環保性能的要求。為了解決汽油發動機在稀薄混合氣和高滾流比的情況下成功點火需求，采用在高溫電磁場條件下延長火花塞的點火能量和區域，有利于火花塞的火核形成和燃燒傳播，在惡劣環境下實現可靠燃燒的等離子點火技術。作為前瞻性的技術，必然在以后得到廣泛使用。

2 系統概述

傳統火花塞點火系統是通過線圈自感原理，在次級線圈感應產生出高電壓，壓擊穿火花塞間隙空氣，電離而產生電弧點燃混合氣。點火線圈受到體積、繞組匝數、耐壓的限制，其能夠提供的能量一般小于50mJ。圖1所示的等離子點火系統，在傳統的電路基礎上增加一路等離子電源，由于引入了等離子電源和儲能電容，因此在點火瞬間可以給火花塞提供更多持續點火能量，并且有效延長火花的持續時間。同時設計一個電壓檢測和開關驅動電路，來控制各個電源的放電時刻和延長時間。

3 單電路等離子點火系統

此結構圖是在傳統的火花塞點火系統圖的基礎上增加一路等離子電源、提供等離子點火能量的儲能電容C1、保護二極管D0和D1。在此等離子電源點火的過程中，點火線圈的副邊繞組產生離斷電壓，擊穿火花塞電極間的空氣間隙形成火弧。在燃燒過程中，火花塞電極間的電壓由擊穿電壓降為燃燒電壓，同時電極之間的火弧能夠提供等離子電流的放電通路。當燃燒電壓的絕對值低于C1上的電壓時，C1以電流脈沖的形式形成等離子電流。C1放電結束時，電壓V1等于火花塞的燃燒電壓。此時，二極管D1截止，C1不再放電，等離子電源給C1充電，直至達到等離子電源閉環控制的穩態輸出電壓。

根據以上分析，等離子點火系統在C1放電時提供的等離子能量可以表示為：

（1）

其中，V1s為等離子電源閉環控制的穩態輸出電壓，V0b為火花塞電板在產生火弧時的燃燒電壓。由式（1）可見，等離子點火能量的大小主要取決于電容C1和等離子電源的穩態輸出電壓V1s。

（1）等離子電源設計。等離子電源設計的主要技術指標如下：

1）輸入電壓：Vin=12V;2）穩態輸出電壓：V1s=?600V;3）輸出電容：C1=2.2μF;4）峰值功率：Pomax=200W。

開關管Qf導通時，變壓器T1的初級線圈被直流輸入電壓激勵Vin，此時次級線圈的感應電壓被二極管Df阻斷。開關管Qf關斷時，初級線圈的激勵電壓關斷，變壓器磁芯中的能量在副邊繞組上產生反向的感應電勢，向負載提供功率，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能電容C1的充電，火花塞未形成導電通路時，電路的輸出實際處于空載狀態，因此本文將反激變換器設計于電感電流斷續模式。圖2給出了反激變換器工作于電感電流斷續模式下的主要波形。其中，Vgs為開關管的驅動電壓，Vds為開關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）控制電路設計。等離子電源的主控芯片采用電容充電控制芯片LT3751實現，如圖3所示。LT3571能夠實現任意電容的快速充電，充電電壓的穩定控制，具有原邊或副邊電壓反饋能力，通過變壓器匝數比和三個外接電阻設定的穩定的高輸出電壓。此外，通過反饋引腳可以實現低噪聲高電壓調節輸出。

4 仿真分析

本文在仿真軟件Saber中搭建了模型，對單電源等離子點火系統的點火過程進行了仿真驗證。

得到ECU信號、火花塞在離斷電壓作用下產生火弧、等離子電源放電和充電的仿真結果和具體燃燒過程的仿真結果。由仿真可見，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電通路。在這一瞬間，等離子電源輸出電容上儲存的能量可以得到釋放，火花塞中形成等離子電流完成點火。在單路電源工作的情況下，電源的充電時間遠長于燃燒時間，在一次燃燒過程中只能完成一次等離子放電。

5 實驗結果

圖5給出了等離子放電瞬間的輸出電壓和燃燒電壓測試結果。

由實驗波形可見，等離子電源在火花塞被擊穿的瞬間開始放電，放電完成時，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，開始充電。在燃燒持續過程中，等離子電源只能放電一次。

6 結束語

將普通傳統點火的高壓火花轉變為高能等離子點火，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，突破時間壁壘效應，從而增加汽車動力;同時實現降低油耗以及減少尾氣排放的效果。

參考文獻：

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