程偉達(dá)，于錦祿, ，蔣陸昀，田 裕，張 磊，費(fèi) 力

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安 710038；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710129；3.中國(guó)航發(fā)四川渦輪研究院，綿陽(yáng) 621703；4.航天工程大學(xué)宇航科學(xué)與技術(shù)系激光推進(jìn)及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101416)

等離子體是由大量帶電粒子、活性基團(tuán)和自由基組成的離子化氣體狀物質(zhì)，與固體、液體和氣體一起廣泛存在于人類世界之中[1-3].相比于常規(guī)電火花點(diǎn)火，等離子體點(diǎn)火技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)源于3 大效應(yīng)：化學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)和氣動(dòng)效應(yīng)[4-7]，三者的相互作用能夠明顯地提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火能力，有利于拓寬航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空二次點(diǎn)火邊界，近些年各國(guó)科研人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[8-10].

宋文艷等[11]對(duì)超音速燃燒室中的點(diǎn)火問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在來(lái)流馬赫數(shù)為2 的情況下，大功率等離子體點(diǎn)火器可以直接點(diǎn)燃煤油，表明了等離子體點(diǎn)火器具有良好的點(diǎn)火效果；文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)的高空測(cè)試，帶有APT 點(diǎn)火器的VPL-8 等離子體系統(tǒng)可以在內(nèi)部空氣源和功率范圍為1.2～1.5 kW 情況下成功點(diǎn)火；文獻(xiàn)[13]研究了空氣等離子體射流點(diǎn)火器的點(diǎn)火特性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在環(huán)形燃燒實(shí)驗(yàn)段中，與常規(guī)電火花點(diǎn)火器相比，空氣等離子體點(diǎn)火器依靠其強(qiáng)大的高溫火焰核心能夠?qū)⒊晒c(diǎn)火時(shí)間從200 ms 減少為11 ms，表明等離子體點(diǎn)火器在縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間方面的優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[14-15]設(shè)計(jì)了一種適用于超燃沖壓燃燒室的等離子體火炬點(diǎn)火器，并對(duì)點(diǎn)火器噴嘴的燒蝕程度進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，火炬噴嘴因等離子體火炬溫度過(guò)高，發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，從中可以得出，等離子體火炬不適合長(zhǎng)時(shí)間工作.Yarantsev 等[16]研究了等離子體表面放電條件下碳?xì)淙剂显诔羲倭鲃?dòng)中的點(diǎn)火及燃燒.實(shí)驗(yàn)中可以產(chǎn)生橫向和縱向兩種放電模式.縱向模式等離子體區(qū)域長(zhǎng)度更長(zhǎng)，更有利于點(diǎn)火及燃燒.文獻(xiàn)[17]對(duì)于等離子體強(qiáng)化燃燒技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了展望，提出了預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火和三維旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧助燃兩種新型等離子體強(qiáng)化燃燒方案.文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了一種甲烷預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器，對(duì)其射流特性、放電特性及光譜特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)保持總質(zhì)量流量不變的情況下，提升甲烷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可以有效增加射流長(zhǎng)度，最大增幅可超過(guò)160%.文獻(xiàn)[19]對(duì)使用直流電源供電的預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器的工作特性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與空氣等離子體點(diǎn)火器相比，預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器具有射流穩(wěn)定，點(diǎn)火范圍大的優(yōu)點(diǎn).

為了降低電極燒蝕和電源輸入能量，本文設(shè)計(jì)了一種使用交流電源供電的預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器，因等離子體射流點(diǎn)火通過(guò)富含活性粒子的高溫高速射流來(lái)點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的油氣混合氣，射流長(zhǎng)度反映了等離子體射流點(diǎn)火器的工作范圍，射流長(zhǎng)度越長(zhǎng)，與油氣混合氣的接觸面積越大，反應(yīng)區(qū)域越廣，點(diǎn)火概率和可靠性增加，所以本文探究了有無(wú)煤油參與時(shí)，點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓對(duì)于等離子體射流的影響規(guī)律，為下一步預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器在燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的點(diǎn)火效果提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 方法

1.1 點(diǎn)火器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)火器主要由點(diǎn)火器外殼體、絕緣連接套、陽(yáng)極、電極套、旋流器組成，其中點(diǎn)火器外殼體分為上下兩部分，下部為點(diǎn)火器的陰極，在實(shí)驗(yàn)中作接地端.上部為供油接口，可以根據(jù)不同的供油系統(tǒng)進(jìn)行更換，而不用更改點(diǎn)火器的其他結(jié)構(gòu)，一方面保證了結(jié)構(gòu)的固定性，另一方面提高了多數(shù)供油系統(tǒng)的適配性.點(diǎn)火器外殼體上下兩部分的內(nèi)側(cè)均有螺紋，以內(nèi)部帶有外螺紋的絕緣套將兩部分連接起來(lái).絕緣套采用陶瓷材料.陽(yáng)極通過(guò)底部螺紋與絕緣套連接，陽(yáng)極頂部開(kāi)有小孔，燃油等其他燃料從小孔噴出，由于尺寸限制，陽(yáng)極無(wú)法加裝現(xiàn)成的丹佛斯等成熟型號(hào)的噴嘴，故采用小孔噴油.電極套通過(guò)點(diǎn)火器外殼體側(cè)面的圓形開(kāi)孔與點(diǎn)火器進(jìn)行配合.旋流器位于外殼體下部大小半徑過(guò)渡的倒角處，用以對(duì)點(diǎn)火器內(nèi)的空氣進(jìn)行整流并產(chǎn)生旋流.預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器如圖1 所示.

圖1 預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of structure of pre-combustion plasma jet igniter

預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器有3 個(gè)系統(tǒng)，分別為供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和供電系統(tǒng).在供氣系統(tǒng)中，空氣從外殼體一側(cè)的氣流通道進(jìn)入，在點(diǎn)火器內(nèi)部經(jīng)過(guò)旋流器作用，產(chǎn)生空氣旋流經(jīng)過(guò)點(diǎn)火器出口的收斂段以及直通道噴出，一方面對(duì)點(diǎn)火器的陽(yáng)極和外殼體進(jìn)行冷卻，另一方面吹動(dòng)兩電極間形成的電弧使其滑動(dòng)和拉長(zhǎng).在供油系統(tǒng)中，燃油從點(diǎn)火器外殼體上部的供油接口進(jìn)入，通過(guò)絕緣套進(jìn)入到陽(yáng)極內(nèi)的燃油通道中，在壓力的作用下再經(jīng)由小孔噴出，形成帶有一定霧化效果的燃油噴霧，同時(shí)點(diǎn)火器出口通道處的旋流加強(qiáng)其霧化效果.在供電系統(tǒng)中，電極通過(guò)電極套與陽(yáng)極接觸，電極接電源的高壓輸出，外殼體下部作陰極接地，通電后在兩電極間形成高場(chǎng)強(qiáng)，達(dá)到一定程度后將電極間的空氣或者油氣混合氣擊穿形成電弧.預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器工作時(shí)，在不通油時(shí)，兩電極間的介質(zhì)被擊穿后在氣流的作用下形成空氣等離子體射流，在通油時(shí)，燃油與空氣在點(diǎn)火器出口混合，電弧點(diǎn)燃油氣混合氣之后仍在旋流的作用下形成預(yù)燃式等離子體射流，與空氣等離子體射流相比，其具有高溫高速、射流剛度較強(qiáng)、湍流程度較大的特點(diǎn)，其中火焰與等離子體混合，具有較強(qiáng)的穿透能力和較強(qiáng)的點(diǎn)火能量，同時(shí)因使用交流電源供電，電極幾乎沒(méi)有燒蝕.

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

等離子體點(diǎn)火器射流特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示.該系統(tǒng)主要由點(diǎn)火器、氣源、電源、供油系統(tǒng)、普通相機(jī)和高速相機(jī)等組成.點(diǎn)火器的氣源由空氣壓縮機(jī)壓縮的空氣提供，空氣流量由D08-1F 流量顯示儀和配套的流量調(diào)節(jié)閥控制，其中流量顯示儀的測(cè)量范圍為0～300 L/min，精度為0.2 L/min.電源組件由等離子體電源和調(diào)壓器組成，其中等離子體電源采用空軍工程大學(xué)設(shè)計(jì)南京蘇曼等離子體科技公司生產(chǎn)的CTP-2000 KP 型高功率中頻單高壓正弦電源，其最大輸出功率為1 000 W，輸出頻率在5～25 kHz 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輸出電壓峰值為0～60 kV.調(diào)壓器為正泰TDGC2-1kVA 型接觸調(diào)壓器，標(biāo)定電壓為0～250 V，標(biāo)定容量為1 kVA.供油系統(tǒng)即給點(diǎn)火器供油的設(shè)備，為空軍工程大學(xué)自行設(shè)計(jì)的可移動(dòng)燃油流量自動(dòng)控制系統(tǒng)，其供油精度可達(dá)到0.001 L/min，通過(guò)改變供油壓力改變供油流量，通過(guò)電磁閥對(duì)油路的通斷進(jìn)行控制.射流特性中的拍攝設(shè)備為索尼A6300數(shù)碼相機(jī)和彩色高速相機(jī)，其中彩色高速相機(jī)為Photron 公司生產(chǎn)的UX-50 32G 高速彩色CCD 相機(jī)，分辨率可達(dá)1 280×1 024，此分辨率下拍攝幀率可達(dá)2 000 幀/s，在最小分辨率下的拍攝幀率可達(dá)170 000 幀/s.

圖2 預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器射流特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of jet characteristics of precombustion plasma jet igniter

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)煤油參與時(shí)點(diǎn)火器射流特性

無(wú)煤油通入時(shí)，典型點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓下的點(diǎn)火器射流如圖3 所示.高速相機(jī)的拍攝參數(shù)為：拍攝幀率為50 幀/s，曝光時(shí)間為0.02 s.整體上來(lái)看，點(diǎn)火器出口區(qū)域呈亮白色，射流外圍呈淡黃色，且淡黃色區(qū)域較窄，由于射流外圍距離電弧區(qū)域較遠(yuǎn)，電弧的電離作用減弱，能量衰減較快，從而呈現(xiàn)淡黃色，由于采用正弦交流電源驅(qū)動(dòng)，功率較直流電源驅(qū)動(dòng)低，因此電弧的能量較直流電源驅(qū)動(dòng)下的電弧弱，從而造成了電弧外圍的能量衰減加快，故而淡黃色區(qū)域較窄.由于射流的能量主要集中在高亮區(qū)域，因此定義射流長(zhǎng)度H 為高亮區(qū)域(不包含淡黃色外圍及尾焰)的頂端距點(diǎn)火器出口端面的距離.

在圖3 中，除了Wa=10 L/min 之外，其余點(diǎn)火器供氣量下均存在點(diǎn)火器射流無(wú)法噴出點(diǎn)火器出口的情況，且隨著點(diǎn)火器供氣量的增大，此類情況越明顯，即隨著點(diǎn)火器供氣量的增大，點(diǎn)火器射流噴出點(diǎn)火器出口端面(H＞0)對(duì)應(yīng)的調(diào)壓器電壓也越大.這是由于點(diǎn)火器供氣量增大，點(diǎn)火器出口氣流速度加快，對(duì)電弧的冷卻作用增強(qiáng)，在調(diào)壓器電壓較低也就是電源功率較小時(shí)，電弧前端未超出點(diǎn)火器出口端面電弧即被拉斷，在足夠的電源功率下電弧才能充分發(fā)展至超出點(diǎn)火器出口端面，且冷卻作用越強(qiáng)，需要的電源功率越大.

圖3 點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓對(duì)點(diǎn)火器射流的影響Fig.3 Influence of igniter air supply and regulator voltage on igniter jet

從圖3 可以看出，盡管電弧的其中一端在點(diǎn)火器內(nèi)部的陽(yáng)極，但射流仍充滿了整個(gè)點(diǎn)火器出口，這是由于點(diǎn)火器內(nèi)部氣流通過(guò)旋流器后產(chǎn)生旋流，在點(diǎn)火器出口區(qū)域仍存在切向速度，電弧一邊被拉長(zhǎng)一邊旋轉(zhuǎn)，在較為宏觀的時(shí)間尺度下，電弧在點(diǎn)火器外殼體的一端滑過(guò)了整個(gè)出口邊緣，射流主要由電弧形成，故而射流充滿了整個(gè)點(diǎn)火器出口.

點(diǎn)火器供氣量不變時(shí)，隨著調(diào)壓器電壓的增大，射流長(zhǎng)度也增大；調(diào)壓器電壓不變時(shí)，隨著點(diǎn)火器供氣量的增加，射流長(zhǎng)度存在一定程度上的減小.為更清晰地表明射流長(zhǎng)度H 與調(diào)壓器電壓Ua和點(diǎn)火器供氣量Wa之間的關(guān)系，將圖3 中的射流長(zhǎng)度以數(shù)據(jù)化的形式體現(xiàn)，如圖4 所示.

由圖4 可知，在36 個(gè)工況下，Wa=10 L/min、Ua=240 V 時(shí)的射流長(zhǎng)度最長(zhǎng)，Hmax=9 mm，除去射流長(zhǎng)度為0 的工況，Wa=60 L/min、Ua=120 V 時(shí)的射流長(zhǎng)度最短，Hmin=1 mm.在各個(gè)點(diǎn)火器供氣量下，射流長(zhǎng)度H 隨調(diào)壓器電壓Ua的變化趨勢(shì)為先迅速增加后增速減緩但仍有一定程度的增加.以Wa=30 L/min 為例，射流長(zhǎng)度的快速增長(zhǎng)區(qū)(Ua≤120 V)增長(zhǎng)速度為0.04 mm/V，射流長(zhǎng)度的緩慢增長(zhǎng)區(qū)(Ua≥120 V)增長(zhǎng)速度為0.022 5 mm/V.射流長(zhǎng)度的緩慢增長(zhǎng)區(qū)和快速增長(zhǎng)區(qū)與點(diǎn)火器放電狀態(tài)有關(guān)，在間斷擊穿放電狀態(tài)下，射流長(zhǎng)度較短甚至為0，在穩(wěn)定間斷擊穿放電狀態(tài)下，射流長(zhǎng)度快速增長(zhǎng)，在穩(wěn)定擊穿模式下放電狀態(tài)下，射流長(zhǎng)度緩慢增長(zhǎng).這是由于不同的放電狀態(tài)下點(diǎn)火器的放電功率不同，間斷擊穿放電狀態(tài)下，放電功率較小，電弧長(zhǎng)度較短，因而射流長(zhǎng)度較短.在穩(wěn)定間斷擊穿放電狀態(tài)下，點(diǎn)火器放電功率得到增加，放電狀態(tài)轉(zhuǎn)變后，電弧不再局限于點(diǎn)火器內(nèi)部，電弧的一端跨過(guò)點(diǎn)火器出口孔邊緣，在平滑端面上滑動(dòng)，不易被拉斷，故而造成了射流長(zhǎng)度的顯著增加.在穩(wěn)定間斷擊穿放電下，電弧已經(jīng)處于穩(wěn)定擊穿模式，由于電弧生成發(fā)展熄滅的客觀規(guī)律，電弧的長(zhǎng)度已經(jīng)接近此點(diǎn)火器供氣量下的極限，調(diào)壓器電壓繼續(xù)增加帶來(lái)的功率提升和能量輸入對(duì)射流長(zhǎng)度的提升有限，但仍有緩慢的提升，因此若想繼續(xù)增加射流長(zhǎng)度，需要從減小點(diǎn)火器供氣量方面考慮.同等調(diào)壓器電壓下，點(diǎn)火器供氣量越大，射流長(zhǎng)度越短，這與供氣量增大帶來(lái)的冷卻作用增強(qiáng)有關(guān).調(diào)壓器電壓保持不變，電源的最大輸出功率不變，點(diǎn)火器供氣量增加，點(diǎn)火器出口氣流速度加快，對(duì)電弧的冷卻作用增強(qiáng)，電弧更容易也更早地在電弧發(fā)展前期轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)，相較于準(zhǔn)平衡態(tài)來(lái)說(shuō)，非平衡態(tài)的電弧不是很穩(wěn)定，因此更容易被拉斷，故而造成了點(diǎn)火器供氣量增加射流長(zhǎng)度減小的情況.因此，為實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的射流長(zhǎng)度和較大的射流接觸面積，可通過(guò)增大調(diào)壓器電壓和減小點(diǎn)火器供氣量來(lái)實(shí)現(xiàn).

圖4 點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓對(duì)點(diǎn)火器射流長(zhǎng)度的影響Fig.4 Influence of igniter air supply and regulator voltage on igniter jet length

2.2 煤油參與時(shí)點(diǎn)火器射流特性

有煤油通入時(shí)，煤油經(jīng)由陽(yáng)極頂端的小孔噴出，通過(guò)放電通道及電弧區(qū)域，與等離子體相互作用，并與空氣混合，在點(diǎn)火器狀態(tài)合適的情況下，煤油會(huì)被點(diǎn)燃形成射流火焰，為與燃燒室的點(diǎn)火相區(qū)別，稱點(diǎn)火器的點(diǎn)火為自點(diǎn)火，如圖5 所示.

圖5 點(diǎn)火器自點(diǎn)火Fig.5 Self-ignition image of igniter

從圖5 可以看出，射流火焰的長(zhǎng)度與無(wú)煤油通入時(shí)的射流長(zhǎng)度不在同一數(shù)量級(jí)，射流火焰后的背景中一層窗高1.2 m，因此射流火焰的總長(zhǎng)達(dá)到2.5 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖3 中的最大射流長(zhǎng)度9 mm.由于點(diǎn)火器處于一個(gè)開(kāi)放空間中，煤油從點(diǎn)火器的陽(yáng)極小孔噴出后在點(diǎn)火器的外部和開(kāi)放可流動(dòng)的空氣環(huán)境相接觸，當(dāng)形成預(yù)燃火焰后，火焰不斷卷吸外圍空氣，補(bǔ)充已經(jīng)消耗的空氣，在火焰的作用下，煤油的霧化也被增強(qiáng)，同時(shí)發(fā)生裂解.在熱效應(yīng)及霧化燃油的作用下，火焰不斷向上發(fā)展，從而形成長(zhǎng)達(dá)2.5 m 的射流火焰.一旦煤油被點(diǎn)著，其所分布的范圍及射流火焰的長(zhǎng)度基本上與點(diǎn)火器的工作參數(shù)如點(diǎn)火器供氣量及調(diào)壓器電壓無(wú)關(guān)，故不討論射流火焰的長(zhǎng)度與點(diǎn)火器工作參數(shù)的關(guān)系，而是討論點(diǎn)火器工作參數(shù)對(duì)于射流火焰形成的影響.

點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓對(duì)射流火焰的形成影響較大.點(diǎn)火器供氣量一方面影響點(diǎn)火器的放電狀態(tài)，另一方面影響煤油的霧化效果.點(diǎn)火器未放電時(shí)，不同點(diǎn)火器供氣量(Wa=0 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min)下的煤油噴霧效果如圖6 所示，供油壓力均為1 MPa.

圖6 不同點(diǎn)火器供氣量下的煤油噴霧Fig.6 Kerosene spray with different igniter air supply

從圖中可以得知，點(diǎn)火器未通入空氣時(shí)，從點(diǎn)火器陽(yáng)極噴出的煤油全靠壓力進(jìn)行霧化，霧化效果較差，能夠觀察到明顯的液柱；點(diǎn)火器中通入空氣后，在旋流空氣的作用下，煤油的霧化效果變好，隨著點(diǎn)火器供氣量的增大，空氣的霧化效果逐漸增強(qiáng)，煤油噴出后形成的液柱逐漸消失，在點(diǎn)火器供氣量Wa=60 L/min 時(shí)，煤油液柱基本消失不見(jiàn)，取而代之的是分布均勻的煤油噴霧.在點(diǎn)火器供氣的情況下，不同點(diǎn)火器供氣量下的煤油霧化錐角無(wú)較大差異，這主要與點(diǎn)火器出口空氣旋流角度及陽(yáng)極噴油孔和點(diǎn)火器出口的相對(duì)位置有關(guān).對(duì)于同一點(diǎn)火器供氣量下的煤油噴霧來(lái)說(shuō)，由于通道限制，出口處的煤油聚集較多，因此此處的煤油霧化質(zhì)量較差，從點(diǎn)火器的出口往上，隨著煤油和旋流空氣的摻混程度的加強(qiáng)，煤油噴霧中的大液滴被打碎成小液滴，且隨著霧化錐形的擴(kuò)大，分布范圍變廣，煤油的霧化程度和分布均勻程度也相應(yīng)變好.

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，點(diǎn)火器供氣量增大雖然會(huì)增強(qiáng)煤油霧化利于點(diǎn)火器的自點(diǎn)火，但是同時(shí)點(diǎn)火器供氣量的增大也會(huì)改變點(diǎn)火器的放電狀態(tài)，降低電弧能量，減弱點(diǎn)火效能，同時(shí)，調(diào)壓器電壓也會(huì)影響點(diǎn)火器的放電狀態(tài)，因此需要綜合以上因素對(duì)點(diǎn)火器實(shí)際的自點(diǎn)火性能進(jìn)行分析.不同點(diǎn)火器供氣量(Wa分別為10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min)和不同調(diào)壓器電壓(Ua分別為40 V、80 V、120 V、160 V、200 V、240 V)下的點(diǎn)火器自點(diǎn)火情況如表1 所示.

表1 不同點(diǎn)火器供氣量和調(diào)壓器電壓下的點(diǎn)火器自點(diǎn)火情況Tab.1 Self-ignition state of igniter under different igniter air supplies and voltage regulators

從表中可以得知，點(diǎn)燃和未點(diǎn)燃的工況基本上相等，且各自分布集中，分別位于表1 的左下角和右上角.在調(diào)壓器電壓Ua=40 V 時(shí)，各個(gè)點(diǎn)火器供氣量下均無(wú)法點(diǎn)燃，此狀態(tài)下點(diǎn)火器放電功率較低、電弧能量較小，不易點(diǎn)燃煤油.在相同點(diǎn)火器供氣量下，隨著調(diào)壓器電壓的增加，點(diǎn)火器的自點(diǎn)火情況從未點(diǎn)燃到點(diǎn)燃，這是由于調(diào)壓器電壓增加導(dǎo)致點(diǎn)火器放電功率提升，電弧能量增加，電弧溫度升高，有利于煤油的點(diǎn)燃.在相同調(diào)壓器電壓下，隨著點(diǎn)火器供氣量的增加，點(diǎn)火器的自點(diǎn)火情況由點(diǎn)燃到未點(diǎn)燃，這是由于點(diǎn)火器供氣量增大，氣流對(duì)電弧的冷卻作用增強(qiáng)，電弧溫度降低，同時(shí)點(diǎn)火器的放電狀態(tài)改變?yōu)榉瞧胶夥烹姞顟B(tài)或者向非平衡放電狀態(tài)過(guò)渡，導(dǎo)致電弧能量降低，點(diǎn)火能力減弱，不利于煤油的點(diǎn)燃，盡管點(diǎn)火器供氣量增大帶來(lái)了煤油霧化的增強(qiáng)，但是霧化效果增強(qiáng)對(duì)點(diǎn)火器自點(diǎn)火的正面作用不及其他因素帶來(lái)的負(fù)面作用明顯，因此綜合以上因素可知，在小流量大電壓下易著火，在大流量小電壓下難著火.

由以上分析可知，在相同點(diǎn)火器供氣量下，隨著點(diǎn)火器從未點(diǎn)燃向點(diǎn)燃狀態(tài)過(guò)渡，中間必然有一個(gè)臨界調(diào)壓器電壓，小于此臨界調(diào)壓器電壓，點(diǎn)火器無(wú)法點(diǎn)燃，大于此臨界調(diào)壓器電壓，點(diǎn)火器可以點(diǎn)燃.不同點(diǎn)火器供氣量下的點(diǎn)火器自點(diǎn)火臨界調(diào)壓器電壓如圖7 所示.從圖中可以清晰地得知，隨著點(diǎn)火器供氣量的增加，臨界調(diào)壓器電壓增加，與表1 相吻合.在點(diǎn)火器供氣量Wa≥50 L/min 時(shí)，臨界調(diào)壓器電壓達(dá)到了200 V 及以上，與Wa=10 L/min 時(shí)的53 V相比，在電源可提供的輸出功率范圍內(nèi)，提升的空間有限，因此不利于在實(shí)際燃燒室點(diǎn)火中對(duì)點(diǎn)火器工作參數(shù)的調(diào)控.

圖7 不同點(diǎn)火器供氣量下的點(diǎn)火器自點(diǎn)火臨界調(diào)壓器電壓Fig.7 Critical regulator voltage of igniter self-ignition under different igniter air supplies

3 結(jié)論

本文對(duì)是否通入煤油時(shí)的預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器的射流特性進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論：

(1) 未通入煤油時(shí)，點(diǎn)火器的射流特性與側(cè)面電弧特性類似，調(diào)壓器電壓越高，點(diǎn)火器供氣量越小，射流長(zhǎng)度越長(zhǎng).在相同的點(diǎn)火器供氣量下，射流長(zhǎng)度的增加遵循著先快后慢的規(guī)律，在Wa=10 L/min、Ua=240 V 時(shí)的射流長(zhǎng)度最長(zhǎng)，Hmax=9 mm，除去射流長(zhǎng)度為0 的工況，Wa=60 L/min、Ua=120 V 時(shí)的射流長(zhǎng)度最短，Hmin=1 mm.

(2) 通入煤油后，點(diǎn)火器有點(diǎn)燃和未點(diǎn)燃兩種狀態(tài)，在同一供氣量下，存在一個(gè)臨界電壓，并且隨著供氣量的增大，臨界電壓逐漸增加.調(diào)壓器電壓越高，點(diǎn)火器供氣量越小，點(diǎn)火器越易點(diǎn)燃，反之則越難點(diǎn)燃.

(3) 為了達(dá)到預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器良好的點(diǎn)火效果，在進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)時(shí)，點(diǎn)火器的供氣量應(yīng)當(dāng)定在Wa=10 L/min 左右，因?yàn)榇藭r(shí)點(diǎn)火器自點(diǎn)火相對(duì)容易，在電源輸出的能量較少的情況下就能實(shí)現(xiàn)自點(diǎn)火，符合預(yù)燃式等離子體射流點(diǎn)火器設(shè)計(jì)的初衷，即利用煤油燃燒產(chǎn)生的高溫射流代替大功率空氣射流點(diǎn)火器產(chǎn)生的高溫射流進(jìn)行點(diǎn)火.