水冷低氮燃氣熱水器點火不良的原因分析及優化方案

潘澤林 薛家良

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528300）

引言

出口歐盟的燃氣熱水器，均需滿足低氮氧化物排放的要求。目前大多數整機廠家紛紛使用能滿足低氮氧化物排放的水冷燃燒器用作整機的燃燒器。與常規燃燒器相比，水冷燃燒器為新興的燃燒器，工作時其一次空氣系數較大，火焰為為接近全預混狀態。同時，燃燒器上布置有水管，用于冷卻燃燒器，防止燃燒器溫度過高而出現回火。鑒于此，水冷燃燒器工作時的燃燒器溫度比常規部份預混燃燒器要低。考慮到整機成本問題，該燃燒器目前主要與水氣聯動閥配套使用，應用于煙道式燃氣熱水器與強抽式燃氣熱水器等中低端的熱水器中。

現以水冷低氮煙道式燃氣熱水器為例，分析點火不良原因與解決辦法。

1 熱水器點火方式和點火不良現象

目前，燃氣熱水器普遍采用強迫著火對燃燒器進行點火，實施方式是脈沖點火器放出高壓電弧（電火花）對局部可燃混合氣進行加熱直到著火，從而形成一個初始火焰中心，初始火焰中心再向未著火的可燃混氣傳播，從而生成穩定的火焰。

而采用水冷燃燒器的煙道式較常見的點火不良現象是主要是爆燃和點火不成功，前者一次空氣系接近1。當點火器點火前，熱水器的燃燒器及燃燒室均為空氣。當可燃混合氣被噴到燃燒室時，其空氣系數已大于1。當燃氣體點燃后，其氣體的燃燒速度少于氣流速度，火面遠離燃燒器出口，容易出現意外熄火保護。再者，當可燃混合氣體流速快，可燃氣體噴出燃燒器后不能馬上被點燃，使得燃燒室可燃氣體過多，當可燃氣體累積一定程度時被點燃，從而出現爆燃。經對比發現，較低的環境溫度將加劇此現象。而后者則是氣路中的燃氣高壓過高，使得電磁閥無法吸閥。

2 實驗分析

本文選用12 升煙道式熱水器進行分析。其燃燒器為水冷燃燒器，燃氣閥體為水氣聯動閥，噴氣管不帶分段閥，脈沖點火器采用常規款（點火電壓≥12 kV，點火頻率≥10 Hz）。下文對點火系統進行分析，并通過實驗，提出可行的解決辦法。

2.1 點火針位置對點火爆燃的影響

根據脈沖點火器對可燃混合氣進行強迫著火的原理，電火花需對局部可燃混合氣進行加熱直到著火。但是，當電火花過于貼近燃燒器出氣口時，較冷的燃燒器出氣口對初始火焰散熱過大；同時，因可燃混合氣體從水冷燃燒器噴出時，已達全預混狀態，其單位燃氣濃度較低，進一步加大了對初始火焰的散熱，導致無法形成初始火焰；當燃燒室中積累一定混合氣合才被點燃，導致爆燃。

為對點火針位置對水冷燃燒器點火的影響，特在對不同的點火針位置進行測試，測試過程中，點火距離（放電距離）為5.5 mm。點火針位置分別如圖1、圖2。

圖1 無點火片結構（點火針直接對燃燒器出口放電）

圖2 點火片結構（點火針對點火片進行放電）

根據EN26-2015 歐盟標準，應對熱水器分別使用高氣壓及基準氣、離焰氣進行測試。考慮到燃氣溫度對點火可靠性有重要影響，故測試在進水溫度、燃氣溫度、環境溫度均在5 ℃的情況下進行。同時進行每次點火測試時，熱水器必須在冷態。測試結果如表1。

表1 熱水器冷態下各不同點火針高度的點火測試對比

從測試結果可以看出，在點火距離不變的情況下，點火針距燃燒器出氣口的距離越近，其爆燃現象越明顯，甚至出現點不著火的現象。當點火針距燃燒器出氣口在（10～14）mm 時，點火均無爆燃現象。當點火針距燃燒器出氣口大于14 mm 時，其點火性能開始變差。

在測試中發現，圖2 點火片結構的點火性能明顯優于圖1 無點火片的結構。但點火片距離火焰過近。測試時發現燃燒器工作時，點火片馬上被燒紅，其材料耐高溫氧化的材料，但過高的溫度也會加速其氧化，長時間使用會存在安全隱患。經結構優化（如圖3），把圖2的結構更改為點火針對另一針體進行放電，該針體與脈沖點火器地線相連。兩針體材料宜采用耐高溫材料康泰爾及以上材料。

圖3 點火針對另一針體進行放電

2.2 點火負荷對點火爆燃的影響

由爆然成因可知，點火負荷越大與爆燃成正相關。為此，減少點火負荷，對解決爆燃的問題有著積極的意義。的影響較大。而目前樣機采用無比例閥功能的水氣聯動閥結構，無法通過控制降低二次壓力來減少點火負荷；同時噴氣管無分段結構，熱水器啟動時以最大負荷啟動。因此，需要通過優化水聯動閥來解決此問題。

方案一：水氣聯動閥增設點火氣路

根據標準要求，通往主燃燒器的任一燃氣通路上，應設計有少于兩道相互獨立且可關閥的閥門。如圖4。因此可以在閥門A 上并聯閥門C。閥門C 僅在熱水器點火時工作。工作時，閥門C 先開打開，成功點著后，依次打開閥門A、關閥閥門C，故通過控制閥門C 氣路面積可達控制點火負荷的目的。

圖4 燃氣通路的閥門連接圖

使用該方案，按3.1 章的測試條件進行測試，此方案能達到防爆燃的目的。但該方案必不可免的增加一電磁閥，使整機成本增加；并存在閥門A 與閥門C 同時工作的情況，對電池損耗較大。用戶頻繁更換電池，影響用戶體驗。

方案二：水氣聯動閥采用新型電磁閥。

新型電磁閥及其工作原理如圖5。該閥體能在不增加電磁閥的情況下，通過設定密封帽的中部的通氣面積來控制氣流量，當點火成功后，打開電磁閥的主密封帽，主氣路完全打開。不會出現爆燃現象。

圖5 新型電磁閥及其工作原理

2.3 燃氣壓力對點火失敗的影響

目前，煙道機大多使用由氣瓶供氣的液化氣。經常出現燃氣氣路因環境溫度升高而導致靜壓力升高或氣氣瓶的減壓閥出口壓力過高，其燃氣壓力可高達10 kPa。而煙道機使用電池供電，電磁閥大多使用ZD201、ZD131、ZD252 等規格。根據公式：

式中：

F開閥—電磁閥的開閥力，單位N；

P—燃氣壓力，單位Pa；

S—閥口通氣面積，單位m2；

F封閥—電磁閥彈簧提供的封閥力，單位N。

當進氣壓力瞬時過高時，將容易出現電磁閥因氣壓過高，電磁閥密封帽的封閥大于吸閥力（如表2），使得閥門打不開的現象，導致點火失敗。

表2 高進氣壓下吸閥及點火測試

當出現氣壓過高出現吸閥不成功時，熱水器在啟動的過程中將不會發出吸閥的聲音，使得用戶誤認為熱水器故障，影響了用戶對產品的信心。新型的電磁閥（圖5）將有效解決高進氣壓力下熱水器點火的問題。對采用圖5 結構的熱水器進行點火測試，對其分別通入不同靜態壓力，測試其在高進氣壓下的吸閥能力。下表為在各氣壓下的主密封帽打開前的二次壓力數據。

從測試結果可以看出采用新型電磁閥還可以解決燃氣靜態壓力過高導致點火失敗的問題。當進氣壓力達10 kpa 時熱水器能正常吸閥點火。

3 總結

本文針對水冷煙道式熱水器常見的點火問題，通過原因分析，提出了解決方法，并通過相關的實驗得以驗證。而在實際的應用中，可應用于強排機等機型，開發時需充分考慮噴氣管、燃燒器及燃燒室的情況，組合采用上述的解決方案，其效果更佳。