劉兵,李春艷,孫天旗,段浩,高忠權(quán),吳筱敏

(西安交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所,710049,西安)

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離子電流法測(cè)量CH4/H2混合氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶?shí)驗(yàn)研究

劉兵,李春艷,孫天旗,段浩,高忠權(quán),吳筱敏

(西安交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所,710049,西安)

在定容燃燒彈上布置一對(duì)測(cè)量電極,運(yùn)用離子電流法、根據(jù)燃燒火焰在接觸測(cè)量電極時(shí)刻的離子電流信號(hào)值,對(duì)不同工況下CH4/空氣及其摻氫混合氣的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行了計(jì)算,并與傳統(tǒng)光學(xué)紋影法測(cè)得的火焰速度進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:對(duì)于CH4/空氣混合氣預(yù)混燃燒火焰,在過量空氣系數(shù)分別為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時(shí),利用離子電流法測(cè)得的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對(duì)紋影法誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%;對(duì)于過量空氣系數(shù)為0.8的CH4/H2燃料,在摻氫比為0%～80%(10%遞增)的情況下,離子電流法測(cè)得的火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)于紋影法的誤差均在5%之內(nèi)。該結(jié)果為離子電流法的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y(cè)量提供了理論、實(shí)驗(yàn)依據(jù),測(cè)量方法簡(jiǎn)單易行、快捷準(zhǔn)確、可行性高。

火焰?zhèn)鞑ニ俣?離子電流;定容燃燒彈;天然氣摻氫

近年來,汽車保有量的急劇增長,能源短缺和汽車排放問題更加突出,尋找清潔高效的發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料成為研究者關(guān)注的課題。層流燃燒是燃燒領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一,是湍流燃燒研究的基礎(chǔ),是燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究的重要內(nèi)容[1]。在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢栽诶碚撋项A(yù)測(cè)氣缸內(nèi)燃燒的過程及燃燒排放物的生成,對(duì)于指導(dǎo)和改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。因此,很多研究者對(duì)不同替代燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行了測(cè)量和研究,如Hu等人對(duì)天然氣及天然氣摻氫、甲醇、二甲醚等替代燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行了測(cè)量[2-5],但目前的測(cè)量方法都是利用高速攝影的方法,基于球形火焰擴(kuò)散理論,通過記錄定容燃燒彈中球形膨脹火焰的半徑變化來實(shí)現(xiàn)。這種“光學(xué)法”對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求很高,計(jì)算工作量很大,直接應(yīng)用于燃燒的在線檢測(cè)難度很大。

離子電流法作為一種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)在線測(cè)量方法,具有快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。目前,離子電流法研究主要集中在離子電流與燃燒壓力[6-7]、空燃比[8]、電極幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)[9-10]等的關(guān)系,以及非正常燃燒(爆震、失火、早火、后火等[11-13])的檢測(cè)診斷等方面,關(guān)于離子電流與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系研究很少。因此,本文在定容燃燒彈中布置了一對(duì)測(cè)量電極,通過測(cè)量不同工況下CH4/空氣及其摻氫混合氣燃燒的離子電流信號(hào)來計(jì)算平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?以期為利用離子電流法測(cè)量層流火焰?zhèn)鞑ニ俣忍峁├碚撘罁?jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置圖。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、紋影與攝像系統(tǒng)組成。圖2為定容燃燒彈結(jié)構(gòu)和離子電流測(cè)量電路。定容燃燒彈內(nèi)腔為Φ130 mm×130 mm的不銹鋼圓柱體,并裝有內(nèi)徑為114 mm、外徑為130 mm、長為130 mm的柱狀聚四氟乙烯絕緣套;定容彈兩側(cè)面裝有厚度為15 mm的圓形石英玻璃,為紋影攝像系統(tǒng)拍攝火焰圖像提供光路。實(shí)驗(yàn)所用高速攝像機(jī)為美國REDLAKE公司生產(chǎn)的HG-100K型高速攝像機(jī),實(shí)驗(yàn)中拍攝速度為5 000幅/s;采用Kistler 4075A10型壓電式低壓絕對(duì)壓力傳感器,用于記錄燃燒壓力的變化。容彈中心布置了兩對(duì)電極,垂直安裝的一對(duì)由聚四氟乙烯包裝的電極為不銹鋼材料的點(diǎn)火電極,用于點(diǎn)燃可燃混合氣,點(diǎn)火電極負(fù)極與容彈壁面相連并同接地;水平安裝的一對(duì)直徑為4 mm的柱狀電極為鐵材質(zhì)的測(cè)量電極,用于測(cè)量火焰?zhèn)鞑ブ岭姌O時(shí)的離子電流信號(hào)。左右兩測(cè)量電極外端分別接地,內(nèi)端與容彈中心的距離分別記為L1、L2。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性,兩測(cè)量電極的內(nèi)端均在火焰穩(wěn)定發(fā)展區(qū)域,即:要求L1大于5 mm,以消除點(diǎn)火對(duì)火焰發(fā)展穩(wěn)定性的影響;要求L2小于45 mm,盡量在近容彈中心和遠(yuǎn)容彈中心均布置測(cè)量電極,以保證測(cè)量的普適性;L2-L1不宜太小(本文實(shí)驗(yàn)設(shè)備下在15～25 mm之間),以保證離子電流特征信號(hào)的準(zhǔn)確獲取。綜合以上要求,本實(shí)驗(yàn)中取L1=23 mm、L2=41 mm。直流電源電壓U=350 V,加在點(diǎn)火電極兩端,同時(shí)利用了高壓硅堆阻斷點(diǎn)火時(shí)的高壓,以防止點(diǎn)火高壓對(duì)測(cè)量電路的干擾。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置圖

圖2 定容燃燒彈結(jié)構(gòu)和離子電流測(cè)量電路圖

實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行,根據(jù)分壓定律計(jì)算值和水銀壓力計(jì)讀數(shù)來配制不同過量空氣系數(shù)和摻氫比的可燃混合氣。配氣完畢后靜置2 min,待氣體混合均勻后點(diǎn)燃混合氣,點(diǎn)火的同時(shí)觸發(fā)高速攝像系統(tǒng)及壓力傳感器,記錄下火焰發(fā)展的紋影照片及容彈內(nèi)壓力的變化。離子電流測(cè)量系統(tǒng)用來測(cè)量燃燒的離子電流信號(hào),所測(cè)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀同步采集并記錄。燃燒結(jié)束后用真空泵抽出容彈內(nèi)的廢氣,并用新鮮空氣多次沖洗內(nèi)腔,以減小殘余廢氣對(duì)下次配氣的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 離子電流及火焰發(fā)展

圖3、4分別為CH4和CH4摻氫20%(體積分?jǐn)?shù))且在過量空氣系數(shù)為0.9的空氣中燃燒的離子電流和壓力曲線及對(duì)應(yīng)的火焰發(fā)展照片。從圖中可以看出,兩種燃料的離子電流曲線在形態(tài)上很相似,說明不同燃料在燃燒過程中測(cè)得的離子電流具有相同的特征。因此,本文選取圖3中CH4燃燒的離子電流、壓力曲線及對(duì)應(yīng)的火焰發(fā)展照片進(jìn)行分析。圖中紋影照片標(biāo)記的數(shù)字1～8與離子電流標(biāo)記的數(shù)字1～8是對(duì)應(yīng)的火焰圖片采集時(shí)刻,記為ti(i=1,2,3,…,8)。定義離子電流由點(diǎn)火信號(hào)、火焰前鋒區(qū)和焰后區(qū)3階段組成(見圖3)。點(diǎn)火時(shí)間對(duì)應(yīng)圖3中0 ms～t1,該區(qū)間信號(hào)由火花放電產(chǎn)生,幅值較高,此時(shí)火核剛形成(見圖3中t1火焰照片)。前鋒區(qū)離子電流信號(hào)分為以下幾段。

t1～t2段:火焰接觸點(diǎn)火電極的非絕緣部分時(shí)產(chǎn)生離子電流,此時(shí)火焰開始發(fā)展,燃燒的溫度和壓力較低,化學(xué)離子化程度較低,點(diǎn)火電極較細(xì),火焰與電極接觸面積較小,所以離子電流較小[10]。

t2～t3段:離子電流出現(xiàn)了第一次上升,此時(shí)火焰正好接觸到左側(cè)測(cè)量電極,因左、右兩測(cè)量電極與點(diǎn)火電極負(fù)極同接地,并與點(diǎn)火電極的正極形成通路,所以離子通過左側(cè)測(cè)量電極形成離子電流。由于火焰前鋒面有一定的厚度,前鋒面從剛接觸左側(cè)測(cè)量電極到完全越過電極歷時(shí)約0.8 ms(見圖3中t2～t3處),這段時(shí)間的長短由此時(shí)火焰前鋒面的厚度和火焰?zhèn)鞑ニ俣裙餐瑳Q定。

t3～t4段:火焰與左測(cè)量電極完全接觸,火焰開始傳播,離子電流趨于穩(wěn)定,形成第一個(gè)平臺(tái)狀電流(見圖3中t3～t4處),幅值約1.5 μA。

t4～t5段:離子電流出現(xiàn)了第二次上升,此時(shí)火焰開始接觸到右側(cè)測(cè)量電極,火焰與兩測(cè)量電極同時(shí)接觸,引起離子電流疊加,使得離子電流又上升了一個(gè)臺(tái)階,產(chǎn)生第二個(gè)平臺(tái)狀電流(見圖4中t5～t6處),幅值約3 μA。該平臺(tái)離子電流約為第一個(gè)平臺(tái)的2倍。t4～t5段時(shí)間同樣是由此時(shí)火焰前鋒面的厚度及火焰的傳播速度決定。

隨著燃燒的進(jìn)行,越來越多的燃料參與燃燒,壓力開始上升,容彈內(nèi)的離子濃度逐漸增大,離子電流呈上升趨勢(shì),至t7處產(chǎn)生第一個(gè)峰值,此時(shí)火焰剛好傳播到容彈內(nèi)壁面壓力傳感器處。由于壓力傳感器為導(dǎo)電的鋼材料并與點(diǎn)火電極負(fù)極、容彈壁面同接地,燃燒過程中產(chǎn)生的帶電粒子被壓力傳感器吸收,進(jìn)而形成離子電流。隨著容彈內(nèi)壓力的迅速增大,溫度迅速升高,在壓力峰值附近離子電流產(chǎn)生第二個(gè)峰值(見圖4中t8處),此時(shí)燃燒反應(yīng)基本結(jié)束,電離能較低的NO(9.25 eV)在高溫高壓下經(jīng)過熱離子化產(chǎn)生NO+,從而導(dǎo)致了焰后區(qū)離子電流產(chǎn)生[14]。

圖3 CH4燃燒時(shí)的離子電流和壓力曲線及對(duì)應(yīng)的火焰發(fā)展照片

圖4 摻氫20%CH4燃燒時(shí)的離子電流和壓力曲線及對(duì)應(yīng)的火焰發(fā)展照片

2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算方法

2.2.1 離子電流法 火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侵富鹧媲颁h面相對(duì)于靜止燃燒室壁面?zhèn)鞑サ慕^對(duì)速度[1],因此定容燃燒彈中火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕c火焰在碰壁前的前鋒區(qū)的火焰?zhèn)鞑ビ嘘P(guān)。離子電流法在計(jì)算火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)主要依據(jù)t1～t6段的離子電流信息。由上所述,離子電流在t2～t3段和t4～t5段的突變分別對(duì)應(yīng)火焰?zhèn)鞑サ阶?、右測(cè)量電極邊緣的位置,受火焰前鋒面厚度的影響,本文采用1/2時(shí)間點(diǎn)取法計(jì)算兩位置時(shí)刻,即

tf=(t2+t3)/2

(1)

tr=(t4+t5)/2

(2)

其大小反映了火焰?zhèn)鞑サ目炻?。已知左、右?cè)測(cè)量電極至容彈中心距離分別為L1=23 mm、L2=41 mm,如圖5所示,根據(jù)離子電流信息可測(cè)出該段時(shí)間火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣?/p>

(3)

圖5 數(shù)據(jù)獲取示意圖

2.2.2 紋影法 根據(jù)紋影法可獲得火焰半徑ru隨傳播時(shí)間t的變化;根據(jù)球形火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n的定義(火焰半徑ru對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù))可知,ru-t曲線的瞬時(shí)斜率的變化可反映火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?見式(4));除早期燃燒階段(0～2 ms)外,火焰半徑與時(shí)間基本呈線性關(guān)系[2-3]。由于擬合后ru與t為線性關(guān)系,所以取其斜率可作為平均火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｓ杉y影法測(cè)量獲得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?/p>

Sn=dru/dt

(4)

(5)

式中:ru取水平方向上左右火焰前鋒面間距的1/2,即ru=D/2,D由紋影照片確定(見圖5);k為ru與t的線性擬合直線的斜率。

以紋影法測(cè)得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葹闃?biāo)準(zhǔn),計(jì)算離子電流法測(cè)得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊恼`差為

(6)

由此可論證離子電流法在測(cè)量火焰平均傳播速度時(shí)的可行性。

2.3 不同工況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

2.3.1 CH4/空氣在不同過量空氣系數(shù)下的火焰?zhèn)鞑ニ俣葓D6為采用紋影法在不同過量空氣系數(shù)λ下CH4/空氣預(yù)混層流燃燒的火焰半徑隨燃燒時(shí)間的變化,圖中直線為半徑對(duì)時(shí)間的線性擬合結(jié)果。從圖中可看出,在所取范圍內(nèi),所有工況下火焰半徑隨燃燒時(shí)間的發(fā)展基本上是線性的,其斜率為紋影法測(cè)得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?在λ為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時(shí)k分別為1.737、1.977、2.302、2.331、2.123、1.655 m/s。

圖7為tf、tr及兩者差值Δt與λ的關(guān)系。從圖中可看出,tf、tr及Δt均在λ=0.9時(shí)最小,0.9>λ>0.9時(shí)增大,與平均火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮〉淖兓喾?表明該參數(shù)可反映火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?/p>

圖6 采用紋影法在不同過量空氣系數(shù)下火焰半徑隨燃燒時(shí)間的變化

圖7 tf、tr及兩者差值Δt隨λ的變化

圖8為不同過量空氣系數(shù)下離子電流法測(cè)得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌渑c紋影法測(cè)量結(jié)果的對(duì)比。從圖中可看出,離子電流法測(cè)得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仍讦藶?.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時(shí)分別為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對(duì)于紋影法的誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%,除λ為1.1外其余的誤差均在5%以內(nèi),表明在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi),利用離子電流法測(cè)量平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仁强尚械摹?/p>

圖8 不同過量空氣系數(shù)下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^

2.3.2 不同摻氫比下CH4/H2合成氣燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣?圖9為不同摻氫比下λ為0.8時(shí)CH4/空氣/H2混合氣燃燒的火焰半徑隨燃燒時(shí)間的變化,圖中直線為半徑對(duì)時(shí)間的線性擬合結(jié)果。從圖中可看出,在所取火焰半徑范圍內(nèi),不同摻氫比下火焰半徑與燃燒時(shí)間之間仍然存在線性關(guān)系,直線斜率隨摻氫比的增加而增大,表明平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S摻氫比的增加而增大,摻氫比為0%～80%(10%遞增)時(shí)k分別為2.123、2.221、2.464、2.755、3.054、3.549、4.389、5.608、8.067 m/s。

圖9 不同摻氫比下火焰半徑隨時(shí)間的變化

圖10為tf、tr及兩者差值Δt隨摻氫比的變化。從圖中可看出,tf、tr及Δt隨摻氫比的增加均不斷減小,與平均火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮〉淖兓喾?表明了平均火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大,可反映火焰?zhèn)鞑タ炻淖兓?/p>

圖10 tf、tr及兩者差值Δt隨摻氫比的變化

圖11為不同摻氫比下離子電流法測(cè)得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌渑c紋影法測(cè)得結(jié)果的對(duì)比。從圖中可看出,離子電流法測(cè)得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仍趽綒浔葹?%～80%(10%遞增)時(shí)分別為2.022、2.142、2.432、2.647、2.951、3.396、4.286、5.806、8.182 m/s,相對(duì)紋影法的誤差分別為4.734%、3.521%、1.284%、3.935%、3.383%、4.316%、2.357%、3.531%、1.418%,均在5%以內(nèi),表明在該工況下離子電流法可較準(zhǔn)確地測(cè)量出平均火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖11 不同摻氫比下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^

2.3.3 測(cè)量誤差分析 以上測(cè)量結(jié)果表明:利用本文離子電流法對(duì)于CH4和CH4/H2兩種燃料在不同工況下測(cè)得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)紋影法的誤差基本都在5%以內(nèi),滿足火焰測(cè)量的要求,表明該方法對(duì)于火焰速度的測(cè)量是可行的。

由離子電流法測(cè)量原理可知,若測(cè)量電極的位置已定,即L2-L1為定值,則從離子電流信號(hào)中提取的參數(shù)為tf和tr,因此誤差的主要來源是tf和tr的準(zhǔn)確程度,以及點(diǎn)火電極、測(cè)量電極及離子電流測(cè)量電路等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

減小測(cè)量誤差除了從改善實(shí)驗(yàn)裝置上入手,如設(shè)計(jì)更好的測(cè)量電極和點(diǎn)火電極,改進(jìn)離子電流測(cè)量電路以獲取更好的離子電流信號(hào)以外,還要從信號(hào)處理入手,如采取更好的方法來取代1/2時(shí)間點(diǎn)取法,以獲取更為準(zhǔn)確的tf和tr。

3 結(jié) 論

(1)利用離子電流法可以測(cè)出平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?該方法簡(jiǎn)單、易行、快捷、準(zhǔn)確,可行性高。

(2)對(duì)于CH4/空氣混合氣預(yù)混燃燒,在過量空氣系數(shù)為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時(shí),利用離子電流法測(cè)得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對(duì)于紋影法的誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%。

(3)對(duì)于過量空氣系數(shù)為0.8的CH4/空氣/H2混合氣預(yù)混燃燒,在摻氫比為0%～80%(10%遞增)時(shí),利用離子電流法測(cè)得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為2.022、2.142、2.432、2.647、2.951、3.396、4.286、5.806、8.182 m/s,相對(duì)于紋影法的誤差都在5%之內(nèi)。

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[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

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(編輯 苗凌)

Measurement for Flame Speed of CH4/H2Blends with Ionic Current Method

LIU Bing,LI Chunyan,SUN Tianqi,DUAN Hao,GAO Zhongquan,WU Xiaomin

(Internal Combustion Engine Research Institute, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Ionic current method was chosen to obtain the flame speed of CH4/H2mixture over a wide range of excess air ratios and hydrogen fractions. The characteristic parameters of ionic current signal corresponding to the contact between spherical expanding flame and a pair of electrodes installed in a constant volume combustion bomb were investigated. Additionally, the flame speeds obtained with ionic current method were compared with those obtained by the traditional schlieren photography. The results show that for the CH4/air mixture at the excess air ratios of 0.75, 0.8, 0.85, 0.9, 1.0 and 1.1, the flame propagating speeds measured with the ionic current method are 1.714, 1.935, 2.195, 2.250, 2.045 and 1.538 m/s, respectively, and the deviations from the speeds measured with the schlieren photography are 1.32%, 2.09%, 4.65%, 3.48%, 3.64% and 7.06%, respectively. For the CH4/H2mixture at the excess air ratio of 0.8 and the hydrogen fraction of 0%-80%(10% increment), all the deviations between the flame propagating speeds measured with the ionic current method and the schlieren photography are less than 5%. This method is simple and practicable to achieve the flame speeds with higher accuracy and feasibility.

flame speed; ionic current; constant volume combustion bomb; natural gas-hydrogen blends

2014-04-03。

劉兵(1989—),男,碩士生;高忠權(quán)(通信作者),男,講師。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51306143);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(xjj2013001)。

時(shí)間:2014-10-31

10.7652/xjtuxb201501007

TK431

A

0253-987X(2015)01-0040-06

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