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，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劣。這對目前我國國產燃燒機的設計與生產和對進口燃燒機的選型與維修具有一定的參考價值。
關鍵詞：高壓點火；燃燒機；電極
1 前言
隨著國家對環境保護的日益重視，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“還我一片藍天”的美好理想，現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、用戶帶來了相當的不便，同時也給國產燃燒機的設計與成套加大了難度。筆者在近十年的時間內，對多種進口燃燒機及其高壓點火裝置進行過選型與調試，陸續收集到了一些相關資料，在此提供給大
家，希望對業內人士有所幫助。
目前，在我國市場上有八個國家的數十種燃燒機，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種。除了個別燃燒機配備本土產的高壓點火裝置外，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，是應用廣泛的一種點火方法。當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為良好的導電體。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生非彈性碰撞。當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級數增加，開始時的微小電流被放大幾百萬倍，產生一個大電流。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)。
當電極間距大于臨界距離時，最小點火能量與電極間距無關；而當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；重則可能造成鍋爐爆炸。尤其是當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，轉變為直流電；振蕩電路的作用則是根據放電頻率，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，經電源變壓器 T1 后成為電壓較低的電，然后經過整流橋 B 將交流電源變為直流脈沖電源，再經過電容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。該直流電經電阻R2 對電容C2充電，同時在大電容C3 上儲備能量。當C2 被充電到一定電壓時，雙向二極管 D2 開啟，觸發雙向可控硅SCR 導通，此時電容C3已儲備了相當的能量，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生了高電壓。該高壓經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
Honeywell 是美國生產的高壓點火裝置，其中常用的 Satronic 系列電子點火器是以固態繼電器為基礎設計的。不同于傳統的鐵芯式變壓器，它通過內部點火電路，在次級產生高頻、高壓電火花。該系列電子點火器的工作參數由表1給出。
Danfoss 是瑞典生產的高壓點火裝置，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生高壓的原理進行工作的，適用于間歇點火，在3 min 內，35℃ 的條件下發火率為33%；60℃的條件下發火率為20%，表2給出了該系列電子點火器的工作參數。
BRAHAMA 是意大利生產的高壓點火裝置，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。
3.2高壓點火裝置的比較
高壓點火裝置的比較包括固態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劣的比較。
采用固態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繼電器升壓技術，具有體積小、重量輕、發熱低和工作可靠等優點。但由于采用了價格較為昂貴的固態繼電器，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，經過了數十年的現場使用證明，其工作可靠性與壽命不比固態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(國內現在尚有使用)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，以適應不同的燃燒器設計。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部或外部接地(即接燃燒機外殼)。在工作時，電極對地放電，產生火花，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備毀壞。所謂雙極型，其內部與單極型的內部基本一樣，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繼電器來實現的。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，它們的火焰傳播速度也有較大的差異，對于火焰傳播速度較低的燃料，采用預混式燃燒，點火方式是電極對穩焰盤或側壁放電，如圖5所示。對于火焰傳播速度較高的燃料，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；而兩極放電則強調的是點火的成功率，因其兩極可以放置在點火區的最佳位置。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)各有其優缺點，有的側重于安全性，有的則側重于靈活性。燃用不同燃料的燃燒機必須選擇相應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?燃氣工程技術手冊［M］.上海：同濟大學出版社，1993
［2］(英)勞頓、(英)塞主編?電氣工程師技術手冊［M］.北京：機械工業出版社，1991作者簡介
