李春艳,张　功,刘　杰,高忠权

(1.西安交通大学 能源与动力工程学院,陕西 西安710049；2.中国人民解放军 65066部队,辽宁 沈阳110101；3.中国人民解放军 63933部队,北京100091)



排除法确定离子电流成因的试验

李春艳1,张功2,刘杰3,高忠权1

(1.西安交通大学 能源与动力工程学院,陕西 西安710049；2.中国人民解放军 65066部队,辽宁 沈阳110101；3.中国人民解放军 63933部队,北京100091)

摘要:为了研究N/H/C元素与离子电流特征峰的关系及离子电流第3峰的成因,提出排除法.在不同点火方式和空燃比下,分别测量了碳氢燃料在合成空气(氧/氮)和氧/氩混合气中燃烧产生的离子电流,并以离子电流信号、燃烧压力信号和火焰纹影照片为基础数据分析试验.结果表明：测量电极与点火电极分开,可以避免点火信号的干扰,测量系统检测不到离子电流第1峰；C元素主要影响离子电流第2峰,H和N元素主要影响第3峰；离子电流第3峰由火焰前锋面带电粒子被燃烧室壁面吸收与NO组分热离子化共同作用产生.

关键词：定容燃烧弹;离子电流;N/H/C元素;排除法

由上述可知,诸研究者在离子电流特征峰产生机理的阐述上存在着不同观点,尤其是关于第3峰的成因分歧较大,导致离子电流的测量原理的研究以及采用离子电流测量NOx排放的研究出现滞后.

另外,因受发动机结构的限制,上述试验研究多是在小范围内改变电极结构条件下进行的,实际操作非常困难,并且发动机可视化程度有限,不能实时观察火焰发展变化,给试验数据的分析、处理带来一定难度.为了方便有效地研究离子电流特征峰的成因,本文试验在带有可视化窗口的定容燃烧弹中进行,加装了长短不同的电极,通过改变试验系统的点火方式与测量方式,采用相同量的氩气替换空气中的氮气以排除N元素；采用H2代替CH4以排除C元素等排除法确定N、H、C元素和离子电流之间的关系,并重点分析了包含丰富燃烧信息的离子电流第3峰的成因,为研究离子电流的产生机理提供参考.

1试验装置和方法

试验装置如图1所示,包括容弹系统、进排气系统、点火系统和测量系统.定容燃烧弹外形为正方体,内腔为Φ130 mm×108 mm的圆柱体,容积为1.57 L,其前后侧面装有厚15 cm的石英视窗玻璃可供光路通过,左右侧面非对称安装了平行间距为15 mm的长短两对电极(短电极伸入容弹52 mm,长电极伸入容弹76 mm),均可作为点火或测量电极,容弹顶端装有压力传感器和进排气阀,容弹壁面接地.进排气系统主要由U形管、减压阀、进排气阀和真空泵组成.点火系统包括时序控制电路、高压点火线圈和电源.测量系统主要有：HG-100K高速摄像仪,用于拍摄燃料燃烧过程中火焰发展的纹影照片；DL750型数据采集仪,记录Kistler 4075A10型压力传感器测得的压力信号和离子电流测量电路测得的离子电流信号.

图1　离子电流试验装置Fig.1　Arrangement of ioncurrent test system

试验首先将容弹抽成真空,然后根据分压定律配置初始温度为285 K、压力为0.096 MPa的可燃混合气.待混合气混合均匀后高压点火线圈将能量传给电极并点燃混合气,混合气点燃后会形成大量的带电粒子,在偏置电压(400 V)的作用下产生离子电流.数字采集仪记录压力曲线并同时记录电阻(6.4 kΩ)上的离子电流信号,计算机记录火焰发展照片.燃烧结束后用真空泵将残余废气抽出.

考虑到电极与离子电流之间的关系,试验中共有5种不同的点火和测量组合方式：长点长测,长电极作为点火电极的同时也作为离子电流测量电极；长点短测,长电极用于点火,短电极作为测量电极；短点长测,短电极用于点火,长电极作为测量电极；短点短测,短电极作为点火电极的同时也作为测量电极；双点短测,长短两对电极均用于点火,短电极作为测量电极.

2试验研究及结果分析

2.1不同元素对离子电流特征峰形成的贡献

2.1.1N元素对离子电流第3峰形成的贡献关于甲烷在空气中燃烧产生离子电流的相关研究较多[12-13],得到的离子电流曲线都包含点火阶段、前锋区和焰后区,故本文只选取一组双点短测方式下甲烷在空气中燃烧时的离子电流,简单说明典型的离子电流特征,同时也方便后续的分析比较,如图2(a)所示,图中t为离子电流的出现时间，I为离子电流，p为压力.离子电流曲线包含点火阶段、前锋区和焰后区；并标出了相应阶段的峰值位置：离子电流第1峰、第2峰、第3峰.本文定义I1、I2和I3分别为离子电流第1、第2、第3峰峰值,tI1、tI2和tI3分别表示离子电流第1、第2、第3峰峰值时刻,pp和tp分别为压力峰值和峰值时刻.

如图2(b)所示给出了与图2(a)相同点火和测量方式下甲烷在氧/氩混合气中燃烧时的离子电流和压力曲线.由图2(b)可知,离子电流在没有氮气参与燃烧的情况下在压力峰值附近仍出现了离子电流第3峰.因此,可得出一个重要结论：离子电流第3峰不是完全由NO热离子化产生的带电粒子主导形成.

如表1所示给出了CH4在空气和在氧/氩混合气中燃烧的特征参数的具体比较.发现CH4在氧/氩混合气中燃烧的I2和I3比在空气中燃烧的值分别降低71.96、141.78 μA,tI2和tI3分别滞后7.71、7.28 ms出现,pp增加了75.54 kPa,离子电流第3峰峰值时刻与压力峰值时刻的时间差增大3.79 ms.由此可知,相比于氩元素,氮元素可增大离子电流第2峰和第3峰的幅值,尤其是第3峰幅值,并使这2个阶段相应的峰值时刻提前出现,说明氮元素在燃烧过程中加快了燃料燃烧的进程；氮元素参与了燃烧的中间过程,NO热离子化生成的NOx对离子电流第3峰的贡献集中在压力峰值附近.

图2　CH4在不同混合气燃烧的离子电流与压力曲线Fig.2　Ion current curves and pressure curves under combustion of different gases and CH4

燃料I2/μAI3/μApp/kPatI2/mstI3/mstp/ms甲烷/空气100.27275.91569.4140.9861.6966.98甲烷/氧/氩28.31134.13644.9548.6968.9778.05参数差值-71.96-141.7875.54-7.71-7.2811.07

图3　H2在不同混合气中燃烧的离子电流与压力曲线Fig.3　Ion current curves and pressure curves under combustion of different gases

2.1.2H、C元素对离子电流特征峰的贡献如图3所示为长点短测方式下氢气在空气中和氧/氩混合气中燃烧产生的离子电流和压力曲线,图3与图2的测量方式相同,便于比较.由图中可知,图3(a)的离子电流第3峰峰值比图2(a)高出了1 025 μA；图3(b)的离子电流第3峰峰值比图2(b)高出720 μA,这主要是H元素对离子电流第3峰的贡献,因为NO热离子化产生的NOx是高温的产物,H元素可加快火焰传播和提高燃烧放热率,所以H元素对离子电流的影响出现在压力峰值附近.从图2(a)与3(a)相比可以看出,图2(a)有明显的离子电流第2峰,图3(a)没有离子电流第2峰,因为图3(a)中燃料没有C元素,所以可得知与C元素相关的CHO+等离子对离子电流第2峰的贡献很大,其主要体现在火焰前锋面上.

2.2火焰前锋面碰壁对离子电流第3峰的贡献

由2.1.1节可知,NO热离子化并不是离子电流第3峰的完全主导因素,但由于传统的研究方法NO元素总是存在,无法给出火焰前锋面碰壁对离子电流第3峰的贡献,故本节采用氧/氩混合气代替空气排出N元素的方法,讨论了不同工况下CH4在氧/氩混合中燃烧产生的离子电流.

图4　不同点火和测量方式下离子电流与压力关系Fig.4　Relations of ion current and pressure under different ignition and measure styles

2.2.1不同点火方式下CH4在氧/氩混合气中燃烧产生的离子电流如图4所示给出了不同点火和测量方式下甲烷在氧/氩混合气中燃烧测量得到的离子电流与压力曲线及火焰纹影照片,图4(a)～(d)的点火和测量方式分别为长点长测、长点短测、短点短测和短点长测.图中火焰纹影照片中1～6依次表示离子电流曲线上的6个特征时刻：点火发生时刻、离子电流快速上升时刻、离子电流第2峰、离子电流第1次到达波谷、离子电流第3峰及压力达到最大值时刻.

通过对比图4中离子电流和火焰纹影照片,可以看出,1点位置处长点长测图(a)和短点短测图(c)均有明显的点火信号,长点短测图(b)和短点长测图(d)没有明显的点火信号；2点位置处离子电流迅速增长,此时火焰前锋面已经很接近容弹电极所在的壁面,在向壁面传播的过程中；3点位置处离子电流出现了前锋区的峰值,即离子电流第2峰,此时火焰前锋面已经到达容弹电极左侧的壁面,但是还未到达电极右侧的壁面；4点位置是离子电流的波谷,压力的升高速度也开始明显降低,火焰前锋面刚刚接触到容弹壁面的中部,没有完全覆盖容弹壁面；5点位置出现了离子电流第3峰,此时火焰前锋面已经到达容弹电极右侧壁面,火焰完全覆盖了容弹,此时压力还未达到最大值；6点是压力的最大值点,此时燃烧已经基本结束；在图a～d中,离子电流第3峰峰值信号均比压力最大值信号提前出现10 ms以上.

从以上分析可知,测量电极与点火电极分开,可避免点火信号的干扰.火焰前锋面完全接触容弹壁面时,离子电流出现第3峰峰值,由于此时的燃料中没有氮气,所以进一步验证了上小节提出的重要结论：离子电流第3峰峰值形成的另一个主导因素是火焰前锋面传播到容弹壁面电极,带电粒子被容弹壁面吸收.由于火焰前锋面很薄(约2 mm左右[14]),由碰壁引起的离子电流第3峰是在火焰前锋面与壁面接触面积达到最大时刻产生,火焰与壁面接触过程面积变化详细内容参见文献[11,15].火焰碰壁产生的焰后区时间上比与NO热离子化产生的焰后区提前,故离子电流焰后区是这2个信号的叠加.因此,离子电流第3峰是由火焰碰壁和NO热离子化共同主导产生的.

图5　不同空燃比下CH4在氧/氩混合气中燃烧的离子电流和压力曲线Fig.5　Ion current curves and pressure curves under combustion of CH4/ oxygen/argon

图6　不同空燃比下CH4在氧/氩混合气中燃烧测得的离子电流第3峰与压力最大值点的关联比较Fig.6　Comparison of value of ion current third peak and maximal pressure under combustion of CH4/ oxygen/argon

2.2.2不同空燃比下CH4在氧/氩混合气中燃烧过程产生的离子电流如图5所示给出了不同空燃比λ下甲烷在氧/氩混合气中燃烧产生的离子电流和压力曲线(双点短测).由图5可知,当空燃比为1.2～1.6时,甲烷在氧/氩混合气中燃烧均出现了离子电流第3峰.如图6所示给出了不同空燃比下CH4在氧/氩混合气中燃烧测得的离子电流第3峰与压力最大值点的关联比较(双点短测).从图6中可以看出,离子电流第3峰峰值与压力峰值呈现正相关关系,相应的峰值时刻也呈现正相关关系,且离子电流第3峰值时刻始终早于压力峰值时刻.这进一步证实了火焰碰壁对离子电流第3峰形成的重要贡献.如图7所示给出了长点长测方式下不同空燃比下CH4在氧/氩混合气中燃烧测得的离子电流第3峰与压力最大值点的关联比较,同样证明了火焰碰壁对离子电流第3峰形成的重要贡献.

图7　不同空燃比下CH4在氧/氩混合气中燃烧测得的离子电流第3峰与压力最大值点的关联比较Fig.7　Comparison of value of ion current third peak and maximal pressure under combustion of CH4/ oxygen/argon

3结论

(1)点火电极与测量电极分开,可以避免点火信号的干扰；C元素主要作用于离子电流前锋区,主要体现在火焰前锋面；N和H元素主要作用于离子电流焰后区,N元素对子离子电流焰后区峰值的贡献集中在压力峰值附近.

(2)在不同点火和测量方式及空燃比下,甲烷在氧/氩中燃烧均出现了离子电流焰后区峰值,且与压力峰值呈现良好的正相关关系,说明火焰碰壁对焰后区离子电流形成有重要贡献.

(3)离子电流焰后区由火焰前锋面内带电粒子被燃烧室壁面吸收与NO组分热离子化共同作用产生,这一结论对离子电流法测量发动机NOx排放及非正常燃烧具有重要意义.

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Experiments on causes of characteristic peaks of ion current using exclusive method

LI Chun-yan1, ZHANG Gong2,LIU Jie3, GAO Zhong-quan1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China；2.Troop65066,People’sLiberationArmy,Shenyang110101,China；3.Troop63933,People’sLiberationArmy,Beijing100091,China)

Abstract:The effects of N/H/C chemical elements on ion current characteristic peaks and the cause of the third peak of ion current were investigated using exclusive method. Ion current generated during combustion of hydrocarbon fuel/air or hydrocarbon fuel/oxygen/argon in a constant combustion bomb was measured under different ignition styles and air-fuel ratio. Experimental results were analyzed based on ion current curves and pressure curves and flame schlieren pictures. Results show that when measuring electrode is separated from ignition electrode, the first peak of ion current can’t be measured. Carbon element obviously affects the second peak of ion current and hydrogen and nitrogen element mainly act the third peak. The third peak of ion current is caused by charged particles of front flame absorbed by the chamber wall and thermal ionization of NO.

Key words:constant volume combustion bomb; ion current; N/H/C element; exclusive method

收稿日期：2015-04-16.浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51306143)；中央高校基本科研业务费(xjj2013001).

作者简介：李春艳(1990-)，女，硕士生, 从事发动机测量等研究. 0000-0002-9806-7371. E-mail：aimili1314@stu.xjtu.edu.cn通信联系人：高忠权，男，讲师. 0000-0002-5279-4952. E-mail：gaozq@mail.xjtu.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.023

中图分类号：TK 431

文献标志码：A

文章编号：1008-973X(2016)05-0978-06