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各种新技术对点火系统的影响及改进措施

2009-4-14  来源:摩托车行情 阅读次数:14105
摘要:为适应稀混合气燃烧,应加大点火能量、延长火花放电时间,所以点火系统采用电感放电模式较好。配合摩托车发动机技术的提升,应在改进火花塞上下功夫。

随着摩托车排放法规的不断加严,摩托车发动机需要采用一些新技术(如电喷系统、稀燃、废气再循环、代用燃料技术等)来应对,这对点火系统提出了更高要求。

1、摩托车发动机点火理论

根据日本学者中原吉男提出的点火理论,火花塞通过电极放电点火,点火后能否在混合气中形成火源,火源能否爆发燃烧是两个不同概念。火花塞产生放电火花由点火系统决定,爆发燃烧除了点火系统,还与燃料性质、混合气浓度、气缸内压力、气缸内温度、气缸内气体流速等因素有关。

火花塞能在气缸内高温、高压和混合气包围中形成火花,除需要一定的高电压和点火能量外,还受火花持续时间和点火系释放模式影响。一般情况下,试验室测试的摩托车火花持续时间≥200ms,而实际上火花持续时间要求比200ms大2~3倍。

学术界对于火花塞电极放电理论一直争论不休,热过程理论主张高温作用下油分子燃烧;化学过程理论主张火花热量使燃油分子活化后燃烧;电离论主张气体分子受电离冲击产生雪崩反应而产生火花放电;中原吉男认为产生火花放电分为2个过程,即电容放电和电感放电,电容放电即高压线圈使火花塞电极间产生放电,这时电路可简化为如图1所示电路。

把高压线圈一次侧回路看成一个分布大电容,从电容放电开始,线圈一次侧电压急剧下降,此时在线圈二次侧产生感应高电压,使火花塞放电,这种现象称为电感放电。电感放电波形如图2所示,t1~t2为升压过程,t2~t3为电容放电过程,t3~t4为电感放电过程,所测得的电容与电感放电数据如表1所示。

2、火花塞点火三要素

摩托车火花塞点火包括电极间高电压、适当的点火能量和火花放电持续时间3个要素。

2.1火花塞电极间高电压

在《内燃机电气设备》一书中指出,使火花塞电极产生火花高电压与电极间的距离有关,如用击穿电压梯度表示,大约为3000V/cm。实际上这个击穿电压梯度不是恒定的,在常压、常温下,电极间隙为3mm时,所需击穿电压为11000V;电极间隙为0.5mm时,所需击穿电压为2900V;这2种情况的击穿电压梯度分别为37000V/cm和58000V/cm。

中原吉男认为,电极间所需击穿电压在火花塞电极温度、燃料种类、气缸内压力等因素一定的情况下,可由下式计算。Vs=KPδ

式中:Vs——所需击穿电压,kV

K——常数

P——混合气密度

δ——电极间隙,mm

在一定条件下,击穿电压与电极间隙呈正比。在国内小型汽油机行业习惯采用以下经验数据,当火花塞间隙为0.6~0.7mm时,各种因素都考虑在内,火花塞电极间击穿电压应>7000V。

2.2火花塞的点火能量

火花塞点火、燃烧所需能量受空燃比、气缸压力(压缩比)、点火提前角、冷机、热机及气缸内气流流速等影响较大。一般空燃比小、气缸压力大、点火提前角大、冷机或火花塞电极温度过低等都需要加大点火能量。经分析,一般汽油机点火所需能量在20~30mJ以上为好,能量小火花弱,能量大火花强,燃烧好。

2.3火花塞放电持续时间

火花塞放电持续时间是指从火花塞电极产生火花开始,到火花完全熄灭所经过的时间,如图2中t2~t4段。它对发动机的稀薄燃烧、废气再循环、乙醇燃料或液化石油气等都有重要影响,对发动机的完全燃烧、尾气排放也起着不可低估的作用。

点火系统的放电模式直接影响火花持续时间。图3所示为日本泽藤电机株式会社高野正美所做的3种点火放电模式火花塞持续时间试验曲线,图中tc为电容放电点火系统的火花持续时间(CDI);tm为白金触点点火系统的火花持续时间;tt为电感点火系统的火花持续时间。这是个无量纲曲线,电感式点火系统比电容放电点火系统的火花持续时间长1倍。为增大摩托车发动机中低转速的点火能量,笔者曾在CDI中增加了稳压电路、倍压电路和加速电路,确实有些效果,不过为了适应稀薄燃烧等技术,建议采用电感式点火系统为好。

3、各种新技术对摩托车点火系统的影响

3.1无铅汽油对点火系统的影响

按GB14622-2000附录E的要求,无铅汽油含铅量≤

0.005g/L。这种汽油对减少环境污染、延长催化剂使用寿命都非常有益,但却降低了汽油的抗爆性、易使火花塞产生积碳。中原吉男的试验表明,用含铅汽油时,火花塞电极的自洁温度为420~450℃;用无铅汽油时,火花塞电极的自洁温度为520~550℃。由于自洁温度能烧掉火花塞电极上的积碳,因此使用无铅汽油的发动机在怠速或低速工作时,火花塞电极周围极易积碳或形成电极间跨连失火。

3.2稀混合气燃烧对点火系统的要求

为降低排放,希望实现稀薄燃烧,同时要求点火系统提高点火能量和火花持续时间。但摩托车发动机属高速强化机型,要避免动力性能损失过大或发动机温度太高出现放炮等现象,混合气又不宜过稀,电感式数字高能点火系统就是为满足稀混合气点火要求而研制的,采用废气再循环也需要这种电感式数字高能点火系统。

3.3使用代用燃料对点火系统的要求

a)采用液化石油气作为燃料时:冷机起动困难,低温缺火倾向大,因此必须提高点火电压。通常点火所需电压是以汽油为燃料的130%~150%,点火提前角要加大3°~8°。

b)采用乙醇汽油作为燃料时:世界上用乙醇作为燃料的国家主要有巴西、美国和中国。其中巴西用纯乙醇,中美两国用含乙醇10%的乙醇汽油。乙醇和汽油的物理性能如表2所示。

根据Q/SHR 010-2001企业标准,使用含乙醇10%的乙醇汽油,能使抗爆性能提高3%,因此火花塞热值应提高一级。为了弥补采用乙醇汽油动力下降的问题,往往需提高压缩比,增加点火能量。

3.4电喷技术对点火系统的影响

如果电喷系统是采用进气道内喷射和数字点火模块,就不存在影响问题,如采用缸内直接喷射,要考虑燃油射流对火花塞电极间的火花影响。

4、火花塞的改进

根据前面分析,对火花塞的改进可归纳为:采用突出型并改进瓷裙形状;增大电极间隙、采用半遮盖型电极;采用高合金中心电极材料、减小中心电极直径。

a)采用突出型并改进瓷裙形状:所谓突出型火花塞就是使火花塞绝缘瓷体的裙部突出于铁壳之外,如图4所示。该火花塞中心电极易接触,爆发火焰升温快,跳火容易,自洁能力强。如果与半遮盖型同时使用,非常容易接触燃油分子,适合稀薄混合气和废气再循环等工况燃烧。当发动机吸气循环时,冷混合气又能使中心电极降温,避免发动机高负荷工况时火花塞炽热点火,对发动机热负荷变化适应性很强。改进瓷裙形状是为快速提高中心电极温度,改善自洁能力,适应无铅汽油、乙醇汽油、液化石油气燃料。

b)增大电极间隙、采用半遮盖形电极:在增加点火系统能量的前提下,火花塞电极间隙由原0.6~0.7mm增大到1.1~1.2mm,火花长而粗便于点燃稀薄混合气及废气再循环稀混合气。半遮盖型促进了尖端放电,便于燃油分子通过正负电极空间。

c)采用贵金属电极材料,使中心电极直径变细:目前较高质量的火花塞中心电极前端采用高镍丝,中心电极直径为1.8~2.6mm,日本已有中心电极直径为1.1mm的火花塞。电极变细有利于火花放电,但电极材料要选用贵金属来提高化学和电腐蚀性能,目前尚有一定难度。

d)等离子喷射火花塞:电极间隙约2mm,产生放电时火花为蓝色、直径约为1mm以上。这种等离子喷射火花塞点火耗能约1~2J,而普通火花塞点火耗能仅20~30mJ,目前应用比较困难。

5、结论

为适应稀薄混合气燃烧,应加大点火能量、延长火花放电时间,所以点火系统采用电感放电模式为好。配合摩托车发动机技术的提升,应在改进火花塞上下功夫。


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