大缸径天然气发动机点火线圈的开发

大缸径天然气发动机点火线圈的开发天津内燃机研究所　臧少武　齐通澜　刘　谦　高慧莉　长春铃木发动机有限公司　刘志东(天津　300072)

摘要　根据天然气发动机点火系统的特点和在油田工作的要求,本文简要介绍了在开发大缸径天然气发动机用点火线圈时对提高点火能量、安全性和可靠性方面所采取的措施。

关键词　大缸径　天然气发动机　点火线圈,点火能量

Development of Ignition Coils for N atural G as E ngine

with Large Cylinder Bore

T ianjin Internal C ombustion Engine research Institute　Z ang Shaowu　Q i Tonglan　Liu Q ian　G ao H uili (T ianjin　300072)

Changchun Suzuki Engine C o.,Ltd　Liu Zhidong

Abstract　According to the features of ignitron system of natural gas engine and the requirements for w ork on petroleum field,this paper briefs the measures to be taken in the respects of ignition energy im provement,safety, and reliability during the development of ignition coils for natural gas engines with large cylinder bore.

K ey w ords　Natural gas engine with large cylinder bore　Ignition coil　Ignition energy

1　概述

由于汽车尾气对环境造成的污染越来越严重,引起了人们的广泛关注。随着我国经济的高速发展,我国政府制订的可持续发展的战略又将治理大气污染列入了国家环境保护的重要组成部分。

我国是一个贫油国家,目前石油进口量已占国内总需求量30%,采用天然气燃料是调整我国能源结构的战略措施。我国石油产量在今后15年内会有所增长,但远远满足不了国民经济发展的需求,今后成品油短缺将是制约我国经济发展的因素之一,发展天然气发动机既是环保的需要,也是充分利用天然气缓解成品油短缺的重要战略措施。

用天然气作燃料的发动机与汽油机相比,其尾气排放不含铅和基本不含硫化物,且C O、HC、NOx大为减少。人们称天然气燃料为清洁燃料。

目前国内生产的大缸径天然气发动机点火线圈绝大部分依靠进口,价格昂贵。开发高品质的替代产品意义十分重大。

2　大缸径天然气发动机点火系统的特点

大缸径天然气发动机上的点火系统与汽油机的点火系统有明显的区别。由于气体燃料的能量密度较小,即单位体积燃料所含的能量较小。一般而言,气体燃料发动机火焰传播速度较慢,缸径又大,因而需要较大的点火能量,点火电压也比汽油机高,一般为(112～4)×104V。其次,由于发动机体积较大,点火系统如像传统汽油机由分电盘分配到各缸,则要求高压电缆线就长,这是不适宜的。这是因为高压电缆线愈长,电压又高,就会引起漏电、跳火、电晕效应以及干扰的严重程度都会增加。解决的办法是气体燃料发动机上配备磁电机,每个气缸各装一个高压点火线圈。

美国卡特匹勒公司的G399型V型16缸天然气发动机配有二套点火装置,分别负责8个气缸的点火,每个气缸上装有点火线圈和可控硅元件。火花塞中心电极为正极,而负极搭铁,电极材料为金2钯合金,点火电压为(312～4)×104V。

我们研制的点火线圈主要为山东石油管理局动力机厂生产的T12V190D23天然气发动机配套,发动机主要参数如下:

缸径:190mm;

标定转速:1000r/min;

空载最低稳定转速:450r/min;

12h功率:450kW;

点火方式:磁电机无触点点火;

03

小　型　内　燃　机　与　摩　托　车 N o15(V ol131)2002

磁电机输出电压:160～180VDC 。

3　提高点火线圈安全可靠性的措施

点火线圈的质量除技术性能指标外,其寿命和在

油气田场合使用的安全性十分重要,影响其可靠性的关键是点火线圈的绝缘处理,而点火线圈的结构设计和材料的选用,则直接影响到安全问题。3.1　点火线圈的外壳设计

目前汽车发动机用点火线圈的外壳大部分是用金属材料制成的,高压输出极、低压极和接地极与电木制在一起,然后封装成一体,都在点火线圈的一端。由于本产品面向野外作业的油田,环境条件较差,加上点火电压比汽油机高,因此容易引起漏电、跳火等不良现象,因此该结构不宜在此环境使用。

开发的点火线圈打破了传统概念,外壳材料选用绝缘性能好、使用温度范围广的P BT 工程塑料,其介电强度大于20kV/mm ,且具有阻燃性,大大提高了绝缘的可靠性。在结构设计上,将高压输出极设置在点火线圈的上端,而低压极和接地极设置在点火线圈的下端,避免了因潮湿引起高压输出极与地之间漏电跳火的可能性,使用较为安全。外形见图1。

图1　点火线圈外形图

3.2　点火线圈绕组结构形式的选择

点火线圈绕组的结构形式一般有两种,层绕式和

槽绕式。这两种结构形式有各自的特点,因此被广泛应用。一般而言,体积较小的摩托车发动机用点火线圈采用槽绕式结构较多。

本设计采用了传统的层绕式结构,其最大的优点是次线绕组起端在线圈的最里层靠近铁芯。将起端作为高压引出极并和导磁铁芯相连,这样处理的最大优点是高压极与铁芯处于同一电位,高压极与铁芯之间就不存在跳火的现象,增加了安全可靠性。

4　提高点火能量的措施

如前所述,天然气发动机需要较高的点火能量才

能适应发动机工作的需要。一般讲,点火线圈的点火能量与设计参数有关,磁路截面积和磁路设计直接影响点火线圈的效率。普通汽车用发动机用点火线圈初级一般选用<0135mm 左右的漆包线,次极选用<0108mm 的高强度漆包线,初次极匝数比在60～70之间。本设计根据磁电机输出电压、点火电压、能量,经初步计算并最后经过多次试验确定,采用了开磁路设计,截面积远比普通点火线圈大,初级绕组选用<113mm 漆包线,次极选用击穿电压大于1700V 的0108mm 的漆包线,初、次极匝数比高达300左右。

经检验主要性能如下表1所示

表1　研制点火线圈性能

检验项目研制品

美国A LTRONIC

点火能量(m J )20172015次极峰值电压(kV )

3914

4212

由于没有原装进口的磁电机和电子点火器,以上性能是用CG 125摩托车磁电机和电子点火器,在此模拟条件下进行对比试验,供参考。

5　点火线圈的绝缘处理

从结构上分析,点火线圈是一个有初、次极绕组的高压脉冲变压器,次极绕组有上万匝以上的绕组叠成几十层,层与层之间加绝缘材料,其分布电容不均匀,使点火线圈形成一个不均匀的高电场。

众所周知,空气的介电系数比其他绝缘材料的介电系数小,故在不很高的电压作用下,气体分子发生激发游离,产生离子。离子和电子在电场作用下作加速运动,撞击绕组导线表面绝缘的某些薄弱点,放出大量热能,使局部温度升高,从而造成绝缘层局部碳化。另外,由于气隙中气体被加热,温度升高,产生在一般化学反应中较难取得的活性气体,如臭氧,对绕组表面绝缘层腐蚀分解,破坏绝缘层,刚开始是电子、离子运动形成电晕放电,久而久之便成为全放电,导致线圈局部击穿。

从以上分析表明,即使是点火线圈设计高超,制造工艺再先进,如不能排除线圈中的残留空气,则线圈可靠性无法保证,必须对其进行绝缘处理。

点火线圈的绝缘处理工艺目前有两种方法:一种是真空滴漆工艺,另一种是真空环氧灌封工艺。我们采用两种方法结合使用的办法,即线圈经真空滴漆烘干后再采用真空环氧灌封,可获得满意的结果。

真空滴漆处理后有如下几点作用:(下转第47页)

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32002年(第31卷)第5期 大缸径天然气发动机点火线圈的开发