幾種進口燃燒機高壓點火裝置的比較



摘要：本文介紹了高壓點火原理以及電子點火器的工作原理和工作過程，提供了幾種典型電子點火器的詳細參數(shù)，通過對幾種進口燃燒機電子點火器的分析比較，得出了不同燃料燃燒器電極布置的方案以及不同放電位置的優(yōu)劣。這對目前我國國產(chǎn)燃燒機的設(shè)計與生產(chǎn)和對進口燃燒機的選型與維修具有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞：高壓點火；燃燒機；電極

1 前言
隨著國家對環(huán)境保護的日益重視，各城市對廢氣、廢水等的排放都加以嚴格限制。燃煤鍋爐的煙塵是造成城市大氣污染的主要因素之一，為了實現(xiàn)“還我一片藍天”的美好理想，現(xiàn)在許多大中城市已禁止燃煤鍋爐運行，取而代之的是燃油、燃氣鍋爐。在燃油、燃氣鍋爐中，最主要的部件是燃燒機，而高壓點火裝置是燃燒機中關(guān)鍵的電子部件之一。由于進口燃燒機所附資料均不提供其所帶高壓點火裝置的原理電路、性能及參數(shù)說明，而僅提供外型尺寸、外部接線等極其簡單的單頁說明，這就給我國的燃燒機代理、用戶帶來了相當(dāng)?shù)牟槐�，同時也給國產(chǎn)燃燒機的設(shè)計與成套加大了難度。筆者在近十年的時間內(nèi)，對多種進口燃燒機及其高壓點火裝置進行過選型與調(diào)試，陸續(xù)收集到了一些相關(guān)資料，在此提供給大
家，希望對業(yè)內(nèi)人士有所幫助。
目前，在我國市場上有八個國家的數(shù)十種燃燒機，常見的有德國的 Weisaupt、SAACHE、MAN、Elco?klockner，法國的 CUENOD、Guillot、SICMA、RADIANT，美國的 Johnson、Power Flame，英國的 NU?WAY，意大利的 F?B?R?、baltur、UNIGAS、Riello、ECOFLAM，荷蘭的 Purlpher，瑞典的 Bentone和韓國 ABC、Sookook 等。雖然燃燒機的品種繁多，但其高壓點火裝置卻僅為有限的數(shù)種。除了個別燃燒機配備本土產(chǎn)的高壓點火裝置外，在其余十幾種燃燒機中，其高壓點火裝置基本上都是采用國際上幾個知名公司的產(chǎn)品，如意大利的 BRAHAMA、瑞典的 Danfoss、法國的 Landis 和美國的 Honeywell 等。

2 高壓點火及其裝置的原理簡介
2.1 高壓點火的原理
高壓點火又稱為電火花點火，是應(yīng)用廣泛的一種點火方法。當(dāng)電火花從燃氣或霧化的燃油中通過時，燃料很快由良好的絕緣體變?yōu)榱己玫膶?dǎo)電體。隨著兩極間電壓的增高，電場逐漸加強，燃料中的帶電體被電場加速，運動著的帶電粒子與分子發(fā)生非彈性碰撞。當(dāng)碰撞劇烈到一定程度，分子就被電離，從而也變成了帶電粒子。帶電粒子的濃度以指數(shù)級數(shù)增加，開始時的微小電流被放大幾百萬倍，產(chǎn)生一個大電流。這一過程所需時間取決于所加電壓與擊穿電壓的比值。擊穿電壓取決于燃料成分、電極形狀、極間距離以及燃料的溫度與壓力條件。擊穿電壓可按下式近似計算［1］：
Ub=2.7+1.4?l?

式中：Ub——擊穿電壓(kV)；?l?——極間距離(mm)。
當(dāng)電極間距大于臨界距離時，最小點火能量與電極間距無關(guān)；而當(dāng)電極間距小于臨界距離時，由于電極本身的吸熱，最小點火能量隨電極間距的減小而增加。圖1為最小點火能量與電極間距、電極尺寸的關(guān)系曲線，燃料為11%的甲烷空氣混合氣體。

放電電極的形狀也對最小點火能量的大小有一定的影響，如圖2所示，在相同的電極間距和電極尺寸條件下，放電點越尖，其本身吸熱越少，所需的最小點火能量也就越小。

2.2高壓點火裝置的原理簡介
高壓點火裝置是燃燒機上的電子核心部件之一，雖然其價格僅占燃燒機總價的很少一部但它擔(dān)負著重要的燃料點燃工作。高壓點火裝置的失效，輕則燃燒機無法工作，影響生產(chǎn)；重則可能造成鍋爐爆炸。尤其是當(dāng)高壓點火裝置未完全失效時，燃料已大量噴入爐膛，熄火保護裝置尚未動作，此時高壓點火裝置突然點火，將會造成非常嚴重的后果。由此可見高壓點火裝置的重要性。
高壓點火裝置一般由整流電路、振蕩電路、升壓部件及放電電極組成。整流電路將220 V/50 Hz 的交流電進行整流、濾波，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡徽袷庪娐返淖饔脛t是根據(jù)放電頻率，將直流電再振蕩成交流電；升壓部件將振蕩后的交流電升壓，以達到可以電離空氣的高電壓，再利用高壓硅堆形成高壓脈沖電流；放電電極則是由特殊材料制成的，置于燃料出口。各部件輸出波形如圖3所示［2］。
圖4是點火裝置的原理電路簡圖。交流220 V/50 Hz 的電源，經(jīng)電源變壓器 T1 后成為電壓較低的電，然后經(jīng)過整流橋 B 將交流電源變?yōu)橹绷髅}沖電源，再經(jīng)過電容C1 的濾波，就得到了直流電源，這一部分即為整流電路。振蕩電路由電阻R1、三極管 BG 和升壓變壓器 T2 的初級構(gòu)成，振蕩后由升壓變壓器T2 進行一次升壓，然后由高壓二極管或高壓硅堆 D 整流，得到高壓直流電。該直流電經(jīng)電阻R2 對電容C2充電，同時在大電容C3 上儲備能量。當(dāng)C2 被充電到一定電壓時，雙向二極管 D2 開啟，觸發(fā)雙向可控硅SCR 導(dǎo)通，此時電容C3已儲備了相當(dāng)?shù)哪芰�，該能量通過回路電容C3、雙向可控硅 SCR 和二次升壓變壓器T3 的初級釋，此時在二次升壓變壓器的次級上就產(chǎn)生了高電壓。該高壓經(jīng)放電電極擊穿一定厚度的空氣后放電，從而完成脈沖點火的一次放電點火。電容 C3在放電后又再次充電，從而進行一連串的充放電過程，在電極間就產(chǎn)生了一系列放電火花，完成一次點火過程。
3 高壓點火裝置的比較
3.1幾種典型高壓點火裝置的參數(shù)
Honeywell 是美國生產(chǎn)的高壓點火裝置，其中常用的 Satronic 系列電子點火器是以固態(tài)繼電器為基礎(chǔ)設(shè)計的。不同于傳統(tǒng)的鐵芯式變壓器，它通過內(nèi)部點火電路，在次級產(chǎn)生高頻、高壓電火花。該系列電子點火器的工作參數(shù)由表1給出。
Danfoss 是瑞典生產(chǎn)的高壓點火裝置，EBI 系列電子點火器常用于燃油和燃氣燃燒機的點火。它是采用電子變頻產(chǎn)生高壓的原理進行工作的，適用于間歇點火，在3 min 內(nèi)，35℃ 的條件下發(fā)火率為33%；60℃的條件下發(fā)火率為20%，表2給出了該系列電子點火器的工作參數(shù)。
BRAHAMA 是意大利生產(chǎn)的高壓點火裝置，分為 E、G 和 S 三個系列，均采用高性能的點火變壓器來升壓。表3、表4和表5分別給出了它們的工作參數(shù)。

3.2高壓點火裝置的比較
高壓點火裝置的比較包括固態(tài)繼電器電子點火器與點火變壓器電子點火器的比較；單極型、雙極型以及中間接地的雙極型電子點火器的比較；不同燃料燃燒器電極布置的比較以及不同放電位置優(yōu)劣的比較。
采用固態(tài)繼電器的電子點火器與采用點火變壓器的電子點火器相比，使用了較為先進的固態(tài)繼電器升壓技術(shù)，具有體積小、重量輕、發(fā)熱低和工作可靠等優(yōu)點。但由于采用了價格較為昂貴的固態(tài)繼電器，從而使整個電子點火器的成本增加，價格較采用點火變壓器的電子點火器高出許多。對于上述知名品牌的點火變壓器電子點火器，經(jīng)過了數(shù)十年的現(xiàn)場使用證明，其工作可靠性與壽命不比固態(tài)繼電器電子點火器差，與電熱絲點火器相比，要強出許多。后者是早期使用(國內(nèi)現(xiàn)在尚有使用)的用于燃油燃氣燃燒機的點火裝置，該點火裝置雖點火可靠，但點火速度慢、點火絲壽命短，所需的功率也較大，目前在國外已被淘汰。
電子點火器的輸出分為單極型、雙極型以及中間接地的雙極型，以適應(yīng)不同的燃燒器設(shè)計。所謂單極型，其輸出只有一個電極，另一個電極在點火器的內(nèi)部或外部接地(即接燃燒機外殼)。在工作時，電極對地放電，產(chǎn)生火花，引燃燃料氣體。其特點是較為安全可靠，使用方便，僅需引出一個電極加以絕緣即可。需要注意的是對于外部接地的單極型電子點火器，切記不能將兩極接反否則可能會引起電子點火器乃至整個控制設(shè)備毀壞。所謂雙極型，其內(nèi)部與單極型的內(nèi)部基本一樣，只是另一個電極不接地。在工作時，是兩極間放電來引燃燃料氣體的。其特點是使用靈活，但安全性不如單極型，且需對兩個引出電極加以絕緣。中間接
地的雙極型是采用帶有中間抽頭的點火變壓器或采用兩個固態(tài)繼電器來實現(xiàn)的。在工作時，它可以用兩極間的放電來引燃燃料氣體，也可以用兩極分別對地的放電來引燃燃料氣體(不常有)，此時要求有較高的輸出電壓。采用兩極間放電的特點是布置靈活，可放置在理想的點火位置而不受噴嘴位置的影響，適用于對點火位置要求較嚴的燃料。與單極型相比，每個電極對地所具有的電壓僅為單極型的一半，這有益于電極引線的絕緣，相對來說也比較安全。
在放電點火方式以及電極的布置上，有對地放電和兩極間放電之分。由于燃料氣的易燃易爆性，故燃氣燃燒機全部是采用較為安全的對地放電方式。由于燃氣的成分不同，它們的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫灿休^大的差異，對于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低的燃料，采用預(yù)混式燃燒，點火方式是電極對穩(wěn)焰盤或側(cè)壁放電，如圖5所示。對于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^高的燃料，采用后混式燃燒，點火方式是電極對噴嘴放電，如圖6所示。燃油燃燒機有一部分是采用對地放電的方式，另一部分則是采用兩電極間放電的方式。對地放電又可分為幾種方式，一種是單電極對噴嘴放電，另一種是單電極對穩(wěn)焰盤放電，還有一種是雙電極對噴嘴放電。兩電極間放電可分為一電
極接點的假兩電極放電以及真正的兩電極間放電兩種方式，所謂的假兩電極放電是指其中的一個電極實際上是接地的。單極放電強調(diào)的是其電氣的安全性，因一個電極接地沒有浮空的電極；而兩極放電則強調(diào)的是點火的成功率，因其兩極可以放置在點火區(qū)的最佳位置。圖7所示為單電極對噴嘴放電點火的電極位置示意圖，圖8所示為雙電極或假兩電極之間放電點火的電極位置以及兩個單電極(并接于同一個點火器輸出極)對噴嘴放電點火的電極位置示意圖。
4 結(jié)語
通過上面的分析與比較可以得出：采用不同升壓部件的電子點火器，雖然工作原理不同，價格不同，但都能夠滿足點燃燃料的需要。不同的輸出形式(單極型、雙極型和中間接地的雙極型)各有其優(yōu)缺點，有的側(cè)重于安全性，有的則側(cè)重于靈活性。燃用不同燃料的燃燒機必須選擇相應(yīng)的電子點火器以及不同的電極布置方式，否則有可能安全得不到保障或者無法引燃燃料。對于燃料為燃氣的燃燒機，考慮到安全性的影響，必須采用單電極點火方式；而對于燃油燃燒機，為了獲得較好的點火位置及較高的點燃率，建議采用雙極型的點火方式。

參考文獻：
［1］姜正候?燃氣工程技術(shù)手冊［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，1993

［2］(英)勞頓、(英)塞主編?電氣工程師技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1991作者簡介