等離子體點火器設計及其放電特性研究

劉昊

摘 要：等離子點火方式是一種最早起源于前蘇聯的點火技術，其大約于20世紀90年代開始傳入我國。直至2000年左右，等離子點火方式才在我國得到改良并開始在較大的范圍內進行使用。在等離子點火器在我國改良后，采用的是分級點火的方式，使得小能量放大的問題得到解決，并且在不斷發展中得到不斷優化。到了目前的發展階段，這種點火技術已經能夠適用于多種類型的煤炭品種。以上研究現狀表明，在我國，等離子點火器已經由于其優勢和特點得到廣泛應用，本文重點針對專業的等離子點火設備——等離子點火器的設計以及其放電特征進行研究和討論。

關鍵詞：等離子體點火器 設計 放電特性

中圖分類號：V233.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（b）-0102-02

等離子體的出現有很悠久的歷史，最早由克魯克斯發現，隨著其不斷的發展和進步，其應用范圍逐漸擴大，且在應用的功能性上也逐步強大起來。應用等離子體進行點火，主要是應用其在高能量脈沖釋放是能夠發生放電，進而實現其相關區域的局部溫度迅速升高的效果。從其可點燃的對象上分析，其能夠以很高的效率點燃可燃混合氣體。

1 等離子體點火器的原理和優勢

1.1 應用原理

等離子體點火的方式形成并得到應用的主要原理是，當應用這一載體和媒介實施點火操作時，其內部會產生一股能量巨大的脈沖力量，這種脈沖力量能夠促進點火器首先發生放電反應，再利用大量的電能作用，將其內部的局部區域的溫度大幅度提升。溫度的作用在于，可以促進等離子體點火器中的活性粒子的活性被驅動起來，最終達到高效率點燃具有可燃性的混合氣體的目的[1]。這種原理經過總結整體上的推進流程為，通過外部脈沖力量的干預，使得點火器發生放電反應，促進溫度的升高，達到燃燒點后，即可成功實現點燃目標。可見，要想順利完成點火，則應當把握好這一推進流程中不同環節的正常運行和過渡。

1.2 應用優勢

等離子體點火器之所以得到認可和應用，是因為其在功能和特點上與傳統的點火器相比體現出顯著的優勢。從直觀的方面來講，應用等離子體點火器進行點火操作，其能夠在一次性的點火操作中將更大面積的區域點燃。另外，其點火操作中產生的能量，由于其自身性質的原因，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反應轉化為活性更高的粒子，其燃燒的整個過程的效率也獲得了快速提升，不容易在點火操作時發生誤差或延遲的現象，相對來講，其點火成功率更高。

2 等離子點火器的類型及設計

2.1 環形點火器及設計

環形點火器的得名，主要與這種點火器的陽極形狀有關，其陽極部分呈環形。因此，被稱為環形點火器，這種等離子體點火器的具體結構包括了環形的陽極、陰極以及絕緣保護套3個結構。其中，環形陽極是這種點火器順利應用的核心構造，由于表面的壁厚度很低，容易使得電荷集中在這個區域，且其主體內部為空心，為混合氣體的流動提供了方面。從適用性上來講，此種類型的點火器主要適用于脈沖原理指導下的爆震發動機的點火[2]。

2.2 圓柱形點火器及設計

圓柱形點火器是在結構形式上與環形點火器有所區別的點火器類型。其基本結構包括了陽極、陰極和外部的筒結構以及筒套結構。這種點火器在設計上的特點在于，其設計中將陽極的前端部位處理和設計成螺紋形式，這種形式能夠取得更好的放電效果。這主要是因為，當陽極的前端的尖銳性更高，則局部放電產生的能量就更大。

2.3 蝶形點火器及設計

在3種類型的點火器中，蝶形的點火器，在具體結構上與前兩者存在一個顯著的差異點。這個差異點在于，除了普遍的陽極和絕緣套筒外，其結構中還包含一個連接桿結構。由于整個點火器的形狀為蝶形，因此其陽極的邊緣區域呈尖銳狀，同時具備圓柱形點火器的放電能量較大的特點。另外，在此種點火器的連接桿與外筒之間，存在一個絕緣層。這是其在絕緣性能的發揮上與其他點火器的差別點。這種點火器的主要應用于內燃機的點火試驗。

3 關于其放電特性的研究

只有掌握了這種點火器的放電特性，才能在具體設計中發揮出更好的效果，下面以圓柱形和蝶形點火器為例，探討點火器的放電特性問題。

3.1 圓柱形點火器的特性

對這種點火器的放電特性的研究，需要依靠不同環境下的放電實驗來展開，這里所指的環境，主要就是指不同電源類型前提下的放電形式呈現，本文里主要以納秒電源和微秒電源為例開展放電實驗。經過對實驗結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，點火器的陽極和陰極之間有大量的發光流柱產生，且其直徑都較小，成絲狀。且流柱的分布特點為均勻分布。另外，在陽極的螺紋區域的尖端部位，還出現了曲率半徑極小的電極。這種電極的產生，使得其與陰極套筒區域的表面形成了一個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]。而對于納秒電源而言，其放電過程所產生的流柱狀態更細，也正是由于這個原因，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，其所能產生的電閾值更低。

3.2 蝶形點火器的特征

這種類型的點火器，其同樣具有放電過程中流柱總量較大的特點，且電子結構在流柱同道中會發生碰撞現象，進一步出現裂解的效果。這種分子間的電離反應，可使得等離子體自身的活性被激發出來，減低燃燒反應發生的難度，將可燃現象發生的極限范圍有效擴大。這種效果的作用顯著體現在當設備處在貧油狀態下時，仍然能夠獲得較高的點火效率。

4 影響點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對點火器的影響。對影響因素進行分析時，同樣采用試驗對比的方式[4]。試驗的具體結果顯示，在負壓的情況下，點火器的發電狀態會受到較大的影響，相對變化的劇烈性增強。而且，具體的變化趨勢是，從電暈放電的模式逐步轉向為電弧放電的模式，這時候的產生的氣壓，氣體的總體密度較低，所產生的相對變化幅度較大。基于提高試驗準確性的目的，研究人員可以通過專業計算方法繪制出一條臨界放電壓力的曲線圖。當負壓試驗對氣壓的壓力要求較低的情況下，適當地提高數據的采樣密度，在壓力轉化為正值的階段，也就進入了試驗現象的平穩期，整個階段中的壓力和放電效果不會產生劇烈的變化。最后，當氣壓條件逐漸升高的情況下可適當減緩采樣的速度，另外，在單次的放電試驗結束后，應當立即抽取密封區域內部的空氣，并進行循環式的更換，避免氣體的性質發生變化，改變了第二次放電的外部環境，關于影響因素的判定的試驗，需要多次進行，才能確定出一個整體的試驗結果趨勢，并盡可能保證這種試驗結果的準確性。

5 結語

總之，等離子體背景下的點火器的設計工作，是一項專業性和技術性要求非常高的工作類型，且其在具體設計操作中，實際上是通過具體的試驗環節的推進來完成設計工作的，這就意味著設計過程中存在的問題可在不斷的試驗中獲得改良，這也是等離子體點火器在應用中的靈活性的一個體現，只有通過科學的設計，充分地發揮出這種點火器在放電過程中的特性，才能在不斷的改良中切實提升此設備的應用效果。

參考文獻

[1] 祁文濤，何立明，趙兵兵，等.空氣等離子體射流點火器特性實驗研究[J].推進技術，2016，37（11）：2107-2113.

[2] 常海軍.淺談內燃機微波放電等離子體點火器的研究進展[J].科學技術創新，2016（9）：151.

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

[4] 張險，陳劍，袁汀，等.全環回流燃燒室等離子體點火試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2018（2）：41-44，50.