水冷低氮燃气热水器点火不良的原因分析及优化方案

潘泽林 薛家良

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528300）

引言

出口欧盟的燃气热水器，均需满足低氮氧化物排放的要求。目前大多数整机厂家纷纷使用能满足低氮氧化物排放的水冷燃烧器用作整机的燃烧器。与常规燃烧器相比，水冷燃烧器为新兴的燃烧器，工作时其一次空气系数较大，火焰为为接近全预混状态。同时，燃烧器上布置有水管，用于冷却燃烧器，防止燃烧器温度过高而出现回火。鉴于此，水冷燃烧器工作时的燃烧器温度比常规部份预混燃烧器要低。考虑到整机成本问题，该燃烧器目前主要与水气联动阀配套使用，应用于烟道式燃气热水器与强抽式燃气热水器等中低端的热水器中。

现以水冷低氮烟道式燃气热水器为例，分析点火不良原因与解决办法。

1 热水器点火方式和点火不良现象

目前，燃气热水器普遍采用强迫着火对燃烧器进行点火，实施方式是脉冲点火器放出高压电弧（电火花）对局部可燃混合气进行加热直到着火，从而形成一个初始火焰中心，初始火焰中心再向未着火的可燃混气传播，从而生成稳定的火焰。

而采用水冷燃烧器的烟道式较常见的点火不良现象是主要是爆燃和点火不成功，前者一次空气系接近1。当点火器点火前，热水器的燃烧器及燃烧室均为空气。当可燃混合气被喷到燃烧室时，其空气系数已大于1。当燃气体点燃后，其气体的燃烧速度少于气流速度，火面远离燃烧器出口，容易出现意外熄火保护。再者，当可燃混合气体流速快，可燃气体喷出燃烧器后不能马上被点燃，使得燃烧室可燃气体过多，当可燃气体累积一定程度时被点燃，从而出现爆燃。经对比发现，较低的环境温度将加剧此现象。而后者则是气路中的燃气高压过高，使得电磁阀无法吸阀。

2 实验分析

本文选用12 升烟道式热水器进行分析。其燃烧器为水冷燃烧器，燃气阀体为水气联动阀，喷气管不带分段阀，脉冲点火器采用常规款（点火电压≥12 kV，点火频率≥10 Hz）。下文对点火系统进行分析，并通过实验，提出可行的解决办法。

2.1 点火针位置对点火爆燃的影响

根据脉冲点火器对可燃混合气进行强迫着火的原理，电火花需对局部可燃混合气进行加热直到着火。但是，当电火花过于贴近燃烧器出气口时，较冷的燃烧器出气口对初始火焰散热过大；同时，因可燃混合气体从水冷燃烧器喷出时，已达全预混状态，其单位燃气浓度较低，进一步加大了对初始火焰的散热，导致无法形成初始火焰；当燃烧室中积累一定混合气合才被点燃，导致爆燃。

为对点火针位置对水冷燃烧器点火的影响，特在对不同的点火针位置进行测试，测试过程中，点火距离（放电距离）为5.5 mm。点火针位置分别如图1、图2。

图1 无点火片结构（点火针直接对燃烧器出口放电）

图2 点火片结构（点火针对点火片进行放电）

根据EN26-2015 欧盟标准，应对热水器分别使用高气压及基准气、离焰气进行测试。考虑到燃气温度对点火可靠性有重要影响，故测试在进水温度、燃气温度、环境温度均在5 ℃的情况下进行。同时进行每次点火测试时，热水器必须在冷态。测试结果如表1。

表1 热水器冷态下各不同点火针高度的点火测试对比

从测试结果可以看出，在点火距离不变的情况下，点火针距燃烧器出气口的距离越近，其爆燃现象越明显，甚至出现点不着火的现象。当点火针距燃烧器出气口在（10～14）mm 时，点火均无爆燃现象。当点火针距燃烧器出气口大于14 mm 时，其点火性能开始变差。

在测试中发现，图2 点火片结构的点火性能明显优于图1 无点火片的结构。但点火片距离火焰过近。测试时发现燃烧器工作时，点火片马上被烧红，其材料耐高温氧化的材料，但过高的温度也会加速其氧化，长时间使用会存在安全隐患。经结构优化（如图3），把图2的结构更改为点火针对另一针体进行放电，该针体与脉冲点火器地线相连。两针体材料宜采用耐高温材料康泰尔及以上材料。

图3 点火针对另一针体进行放电

2.2 点火负荷对点火爆燃的影响

由爆然成因可知，点火负荷越大与爆燃成正相关。为此，减少点火负荷，对解决爆燃的问题有着积极的意义。的影响较大。而目前样机采用无比例阀功能的水气联动阀结构，无法通过控制降低二次压力来减少点火负荷；同时喷气管无分段结构，热水器启动时以最大负荷启动。因此，需要通过优化水联动阀来解决此问题。

方案一：水气联动阀增设点火气路

根据标准要求，通往主燃烧器的任一燃气通路上，应设计有少于两道相互独立且可关阀的阀门。如图4。因此可以在阀门A 上并联阀门C。阀门C 仅在热水器点火时工作。工作时，阀门C 先开打开，成功点着后，依次打开阀门A、关阀阀门C，故通过控制阀门C 气路面积可达控制点火负荷的目的。

图4 燃气通路的阀门连接图

使用该方案，按3.1 章的测试条件进行测试，此方案能达到防爆燃的目的。但该方案必不可免的增加一电磁阀，使整机成本增加；并存在阀门A 与阀门C 同时工作的情况，对电池损耗较大。用户频繁更换电池，影响用户体验。

方案二：水气联动阀采用新型电磁阀。

新型电磁阀及其工作原理如图5。该阀体能在不增加电磁阀的情况下，通过设定密封帽的中部的通气面积来控制气流量，当点火成功后，打开电磁阀的主密封帽，主气路完全打开。不会出现爆燃现象。

图5 新型电磁阀及其工作原理

2.3 燃气压力对点火失败的影响

目前，烟道机大多使用由气瓶供气的液化气。经常出现燃气气路因环境温度升高而导致静压力升高或气气瓶的减压阀出口压力过高，其燃气压力可高达10 kPa。而烟道机使用电池供电，电磁阀大多使用ZD201、ZD131、ZD252 等规格。根据公式：

式中：

F开阀—电磁阀的开阀力，单位N；

P—燃气压力，单位Pa；

S—阀口通气面积，单位m2；

F封阀—电磁阀弹簧提供的封阀力，单位N。

当进气压力瞬时过高时，将容易出现电磁阀因气压过高，电磁阀密封帽的封阀大于吸阀力（如表2），使得阀门打不开的现象，导致点火失败。

表2 高进气压下吸阀及点火测试

当出现气压过高出现吸阀不成功时，热水器在启动的过程中将不会发出吸阀的声音，使得用户误认为热水器故障，影响了用户对产品的信心。新型的电磁阀（图5）将有效解决高进气压力下热水器点火的问题。对采用图5 结构的热水器进行点火测试，对其分别通入不同静态压力，测试其在高进气压下的吸阀能力。下表为在各气压下的主密封帽打开前的二次压力数据。

从测试结果可以看出采用新型电磁阀还可以解决燃气静态压力过高导致点火失败的问题。当进气压力达10 kpa 时热水器能正常吸阀点火。

3 总结

本文针对水冷烟道式热水器常见的点火问题，通过原因分析，提出了解决方法，并通过相关的实验得以验证。而在实际的应用中，可应用于强排机等机型，开发时需充分考虑喷气管、燃烧器及燃烧室的情况，组合采用上述的解决方案，其效果更佳。