等離子體點(diǎn)火器設(shè)計(jì)及其放電特性研究

劉昊

摘 要：等離子點(diǎn)火方式是一種最早起源于前蘇聯(lián)的點(diǎn)火技術(shù)，其大約于20世紀(jì)90年代開始傳入我國。直至2000年左右，等離子點(diǎn)火方式才在我國得到改良并開始在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行使用。在等離子點(diǎn)火器在我國改良后，采用的是分級(jí)點(diǎn)火的方式，使得小能量放大的問題得到解決，并且在不斷發(fā)展中得到不斷優(yōu)化。到了目前的發(fā)展階段，這種點(diǎn)火技術(shù)已經(jīng)能夠適用于多種類型的煤炭品種。以上研究現(xiàn)狀表明，在我國，等離子點(diǎn)火器已經(jīng)由于其優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，本文重點(diǎn)針對(duì)專業(yè)的等離子點(diǎn)火設(shè)備——等離子點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)以及其放電特征進(jìn)行研究和討論。

關(guān)鍵詞：等離子體點(diǎn)火器 設(shè)計(jì) 放電特性

中圖分類號(hào)：V233.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（b）-0102-02

等離子體的出現(xiàn)有很悠久的歷史，最早由克魯克斯發(fā)現(xiàn)，隨著其不斷的發(fā)展和進(jìn)步，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，且在應(yīng)用的功能性上也逐步強(qiáng)大起來。應(yīng)用等離子體進(jìn)行點(diǎn)火，主要是應(yīng)用其在高能量脈沖釋放是能夠發(fā)生放電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其相關(guān)區(qū)域的局部溫度迅速升高的效果。從其可點(diǎn)燃的對(duì)象上分析，其能夠以很高的效率點(diǎn)燃可燃混合氣體。

1 等離子體點(diǎn)火器的原理和優(yōu)勢(shì)

1.1 應(yīng)用原理

等離子體點(diǎn)火的方式形成并得到應(yīng)用的主要原理是，當(dāng)應(yīng)用這一載體和媒介實(shí)施點(diǎn)火操作時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一股能量巨大的脈沖力量，這種脈沖力量能夠促進(jìn)點(diǎn)火器首先發(fā)生放電反應(yīng)，再利用大量的電能作用，將其內(nèi)部的局部區(qū)域的溫度大幅度提升。溫度的作用在于，可以促進(jìn)等離子體點(diǎn)火器中的活性粒子的活性被驅(qū)動(dòng)起來，最終達(dá)到高效率點(diǎn)燃具有可燃性的混合氣體的目的[1]。這種原理經(jīng)過總結(jié)整體上的推進(jìn)流程為，通過外部脈沖力量的干預(yù)，使得點(diǎn)火器發(fā)生放電反應(yīng)，促進(jìn)溫度的升高，達(dá)到燃燒點(diǎn)后，即可成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃目標(biāo)?？梢姡腠樌瓿牲c(diǎn)火，則應(yīng)當(dāng)把握好這一推進(jìn)流程中不同環(huán)節(jié)的正常運(yùn)行和過渡。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

等離子體點(diǎn)火器之所以得到認(rèn)可和應(yīng)用，是因?yàn)槠湓诠δ芎吞攸c(diǎn)上與傳統(tǒng)的點(diǎn)火器相比體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。從直觀的方面來講，應(yīng)用等離子體點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火操作，其能夠在一次性的點(diǎn)火操作中將更大面積的區(qū)域點(diǎn)燃。另外，其點(diǎn)火操作中產(chǎn)生的能量，由于其自身性質(zhì)的原因，與可燃性混合氣體本身具有高度的融合性。另外，原始的大分子在燃燒過程中通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為活性更高的粒子，其燃燒的整個(gè)過程的效率也獲得了快速提升，不容易在點(diǎn)火操作時(shí)發(fā)生誤差或延遲的現(xiàn)象，相對(duì)來講，其點(diǎn)火成功率更高。

2 等離子點(diǎn)火器的類型及設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)形點(diǎn)火器及設(shè)計(jì)

環(huán)形點(diǎn)火器的得名，主要與這種點(diǎn)火器的陽極形狀有關(guān)，其陽極部分呈環(huán)形。因此，被稱為環(huán)形點(diǎn)火器，這種等離子體點(diǎn)火器的具體結(jié)構(gòu)包括了環(huán)形的陽極、陰極以及絕緣保護(hù)套3個(gè)結(jié)構(gòu)。其中，環(huán)形陽極是這種點(diǎn)火器順利應(yīng)用的核心構(gòu)造，由于表面的壁厚度很低，容易使得電荷集中在這個(gè)區(qū)域，且其主體內(nèi)部為空心，為混合氣體的流動(dòng)提供了方面。從適用性上來講，此種類型的點(diǎn)火器主要適用于脈沖原理指導(dǎo)下的爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火[2]。

2.2 圓柱形點(diǎn)火器及設(shè)計(jì)

圓柱形點(diǎn)火器是在結(jié)構(gòu)形式上與環(huán)形點(diǎn)火器有所區(qū)別的點(diǎn)火器類型。其基本結(jié)構(gòu)包括了陽極、陰極和外部的筒結(jié)構(gòu)以及筒套結(jié)構(gòu)。這種點(diǎn)火器在設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)在于，其設(shè)計(jì)中將陽極的前端部位處理和設(shè)計(jì)成螺紋形式，這種形式能夠取得更好的放電效果。這主要是因?yàn)椋?dāng)陽極的前端的尖銳性更高，則局部放電產(chǎn)生的能量就更大。

2.3 蝶形點(diǎn)火器及設(shè)計(jì)

在3種類型的點(diǎn)火器中，蝶形的點(diǎn)火器，在具體結(jié)構(gòu)上與前兩者存在一個(gè)顯著的差異點(diǎn)。這個(gè)差異點(diǎn)在于，除了普遍的陽極和絕緣套筒外，其結(jié)構(gòu)中還包含一個(gè)連接桿結(jié)構(gòu)。由于整個(gè)點(diǎn)火器的形狀為蝶形，因此其陽極的邊緣區(qū)域呈尖銳狀，同時(shí)具備圓柱形點(diǎn)火器的放電能量較大的特點(diǎn)。另外，在此種點(diǎn)火器的連接桿與外筒之間，存在一個(gè)絕緣層。這是其在絕緣性能的發(fā)揮上與其他點(diǎn)火器的差別點(diǎn)。這種點(diǎn)火器的主要應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火試驗(yàn)。

3 關(guān)于其放電特性的研究

只有掌握了這種點(diǎn)火器的放電特性，才能在具體設(shè)計(jì)中發(fā)揮出更好的效果，下面以圓柱形和蝶形點(diǎn)火器為例，探討點(diǎn)火器的放電特性問題。

3.1 圓柱形點(diǎn)火器的特性

對(duì)這種點(diǎn)火器的放電特性的研究，需要依靠不同環(huán)境下的放電實(shí)驗(yàn)來展開，這里所指的環(huán)境，主要就是指不同電源類型前提下的放電形式呈現(xiàn)，本文里主要以納秒電源和微秒電源為例開展放電實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察和分析可知，在微秒電源的前提下，具體的放電過程中，點(diǎn)火器的陽極和陰極之間有大量的發(fā)光流柱產(chǎn)生，且其直徑都較小，成絲狀。且流柱的分布特點(diǎn)為均勻分布。另外，在陽極的螺紋區(qū)域的尖端部位，還出現(xiàn)了曲率半徑極小的電極。這種電極的產(chǎn)生，使得其與陰極套筒區(qū)域的表面形成了一個(gè)自然且均勻分布的電場，最終在擊穿作用下完成放電過程[3]。而對(duì)于納秒電源而言，其放電過程所產(chǎn)生的流柱狀態(tài)更細(xì)，也正是由于這個(gè)原因，流柱的密集度更高。這也意味著微秒電源較之納秒電源來講，其所能產(chǎn)生的電閾值更低。

3.2 蝶形點(diǎn)火器的特征

這種類型的點(diǎn)火器，其同樣具有放電過程中流柱總量較大的特點(diǎn)，且電子結(jié)構(gòu)在流柱同道中會(huì)發(fā)生碰撞現(xiàn)象，進(jìn)一步出現(xiàn)裂解的效果。這種分子間的電離反應(yīng)，可使得等離子體自身的活性被激發(fā)出來，減低燃燒反應(yīng)發(fā)生的難度，將可燃現(xiàn)象發(fā)生的極限范圍有效擴(kuò)大。這種效果的作用顯著體現(xiàn)在當(dāng)設(shè)備處在貧油狀態(tài)下時(shí)，仍然能夠獲得較高的點(diǎn)火效率。

4 影響點(diǎn)火器放電特性的因素分析

這里所探討的影響因素，主要是指氣壓這一指標(biāo)對(duì)點(diǎn)火器的影響。對(duì)影響因素進(jìn)行分析時(shí)，同樣采用試驗(yàn)對(duì)比的方式[4]。試驗(yàn)的具體結(jié)果顯示，在負(fù)壓的情況下，點(diǎn)火器的發(fā)電狀態(tài)會(huì)受到較大的影響，相對(duì)變化的劇烈性增強(qiáng)。而且，具體的變化趨勢(shì)是，從電暈放電的模式逐步轉(zhuǎn)向?yàn)殡娀》烹姷哪Ｊ?，這時(shí)候的產(chǎn)生的氣壓，氣體的總體密度較低，所產(chǎn)生的相對(duì)變化幅度較大?；谔岣咴囼?yàn)準(zhǔn)確性的目的，研究人員可以通過專業(yè)計(jì)算方法繪制出一條臨界放電壓力的曲線圖。當(dāng)負(fù)壓試驗(yàn)對(duì)氣壓的壓力要求較低的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣邤?shù)據(jù)的采樣密度，在壓力轉(zhuǎn)化為正值的階段，也就進(jìn)入了試驗(yàn)現(xiàn)象的平穩(wěn)期，整個(gè)階段中的壓力和放電效果不會(huì)產(chǎn)生劇烈的變化。最后，當(dāng)氣壓條件逐漸升高的情況下可適當(dāng)減緩采樣的速度，另外，在單次的放電試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)當(dāng)立即抽取密封區(qū)域內(nèi)部的空氣，并進(jìn)行循環(huán)式的更換，避免氣體的性質(zhì)發(fā)生變化，改變了第二次放電的外部環(huán)境，關(guān)于影響因素的判定的試驗(yàn)，需要多次進(jìn)行，才能確定出一個(gè)整體的試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)，并盡可能保證這種試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

總之，等離子體背景下的點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)工作，是一項(xiàng)專業(yè)性和技術(shù)性要求非常高的工作類型，且其在具體設(shè)計(jì)操作中，實(shí)際上是通過具體的試驗(yàn)環(huán)節(jié)的推進(jìn)來完成設(shè)計(jì)工作的，這就意味著設(shè)計(jì)過程中存在的問題可在不斷的試驗(yàn)中獲得改良，這也是等離子體點(diǎn)火器在應(yīng)用中的靈活性的一個(gè)體現(xiàn)，只有通過科學(xué)的設(shè)計(jì)，充分地發(fā)揮出這種點(diǎn)火器在放電過程中的特性，才能在不斷的改良中切實(shí)提升此設(shè)備的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 祁文濤，何立明，趙兵兵，等.空氣等離子體射流點(diǎn)火器特性實(shí)驗(yàn)研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2016，37（11）：2107-2113.

[2] 常海軍.淺談內(nèi)燃機(jī)微波放電等離子體點(diǎn)火器的研究進(jìn)展[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2016（9）：151.

[3] 何立明，劉鵬飛，祁文濤，等.陰極直徑對(duì)等離子體射流點(diǎn)火器放電特性的影響[J].高電壓技術(shù)，2018（6）：185-190.

[4] 張險(xiǎn)，陳劍，袁汀，等.全環(huán)回流燃燒室等離子體點(diǎn)火試驗(yàn)研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2018（2）：41-44，50.