電極幾何參數(shù)對離子電流影響的試驗(yàn)研究

摘 要：在定容燃燒彈中進(jìn)行了正負(fù)電極面積對天然氣－空氣混合氣燃燒產(chǎn)生的離子電流影響的研究，并將高速攝影儀在燃燒過程中拍攝的紋影照片與相應(yīng)的離子電流進(jìn)行分析對比。結(jié)果表明：電極直徑和所布置的圓盤面積等參數(shù)不影響離子電流曲線的形態(tài)，曲線均存在點(diǎn)火、前鋒區(qū)、后焰區(qū)3個(gè)階段，可以完整地體現(xiàn)燃燒信息，電極幾何參數(shù)影響電流的幅值，而且正電極面積的影響大于負(fù)電極。

關(guān)鍵詞：電極幾何參數(shù)；離子電流；電極面積；燃燒

中圖分類號(hào)：TK402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：0253-987X(2008)01-0036-05

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展，離子電流法成為一種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)在線測量方法。由于其包含了豐富的燃燒信息如空燃比、滯燃期、最大壓力峰值等，并且具有響應(yīng)性能好、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因而成為點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)測量、控制領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。離子電流法在實(shí)際應(yīng)用中將點(diǎn)火電極作為測量元件，雖不需改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，但由于離子電流所測量的是燃燒中的局部參數(shù)，因此電極自身的幾何參數(shù)對測量結(jié)果有重要的影響，國外研究者對電極結(jié)構(gòu)與離子電流之間的關(guān)系開展了大量的工作：文獻(xiàn)研究了正、負(fù)電極對離子電流的影響，發(fā)現(xiàn)在偏置電壓為350V時(shí)，負(fù)電極測量部分長度的改變對離子電流有影響，文獻(xiàn)[2]通過改變正、負(fù)電極面積進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在偏置電壓為80v時(shí)，負(fù)極面積增大，離子電流會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的火焰前鋒區(qū)峰值，而正極面積增大，前鋒區(qū)離子電流只是略有增加，文獻(xiàn)[3]研究了火花塞中心電極結(jié)構(gòu)與離子電流之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在偏置電壓為600V時(shí)，離子電流隨著正電極頂部面積的增大而增加。

綜上所述，關(guān)于電極幾何參數(shù)的影響存在著不同的結(jié)論，另外因受發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，很多試驗(yàn)研究多是在小范圍內(nèi)改變電極結(jié)構(gòu)的條件下進(jìn)行的，實(shí)際操作非常困難，并且發(fā)動(dòng)機(jī)可視化程度有限，不能夠?qū)崟r(shí)地觀察火焰發(fā)展變化情況，以致對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理存在一定難度，為了進(jìn)一步研究電極幾何參數(shù)與離子電流之間的關(guān)系，本文首次在定容燃燒彈中采用不同結(jié)構(gòu)的電極，對當(dāng)量空燃比的天然氣一空氣混合氣燃燒產(chǎn)生的離子電流進(jìn)行采集，為研究電極幾何參數(shù)對離子電流的影響提供了有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及測量原理

圖h為測量系統(tǒng)示意圖，容彈內(nèi)腔邊長為108mm，容積為1.57L，2個(gè)相對壁面分別裝有采用特殊工藝加工而成厚度為15mm的高抗沖石英玻璃，石英玻璃具有良好的表面質(zhì)量和光學(xué)性能，光路幾乎可以無損失通過，為燃燒的紋影成像提供了必要條件，進(jìn)排氣閥將溫度為285K、壓力為0.096MPa的天然氣，空氣混合氣(當(dāng)量空燃比)送人燃燒室，室內(nèi)安裝的壓力傳感器為Kistler 4075A10型低壓傳感器，用來測量容彈內(nèi)壓力的變化，容彈中心線上布置有一對點(diǎn)火電極，當(dāng)容彈工作時(shí)，點(diǎn)火線圈將能量傳人點(diǎn)火電極，使得混合氣著火，燃燒產(chǎn)生大量離子，當(dāng)電極兩端加一偏置直流電壓(400V)時(shí)，在測量電極之間形成恒定電場使得這些離子產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成離子電流，離子電流流過電阻R₂(150kΩ)，并通過數(shù)字采集系統(tǒng)最終被記錄和保存下來，高壓硅堆為阻斷點(diǎn)火高壓的通過，以防止點(diǎn)火高壓于擾測量電路。

圖1b為紋影的光路布置示意圖，光源采用500W氙燈，2個(gè)拋面鏡直徑為15cm，焦距為150cm，狹縫的寬度在2mm左右，攝影機(jī)為美國RED-LAKE公司生產(chǎn)的HG-100 K的高速攝像機(jī)，拍攝速度為5 000幅/s。

圖2為試驗(yàn)中采用的電極結(jié)構(gòu)示意圖，通過在直徑D₁為4mm的正、負(fù)電極上布置直徑D₂分別為10、15、20mm的鐵質(zhì)材料圓盤，實(shí)現(xiàn)其幾何參數(shù)的改變，δ為兩圓盤之間的距離。

2 試驗(yàn)研究

圖3為在距點(diǎn)火中心5mm(δ/2)處，正、負(fù)電極上均布置直徑D₂為10mm圓盤情況下所測得的離子電流曲線以及與之相對應(yīng)的火焰照片。

從圖3可以看出：離子電流(以下簡稱電流)曲線明顯地分為點(diǎn)火階段、前鋒區(qū)和后焰區(qū)。

點(diǎn)火階段(t₀)，指從Oms時(shí)刻到火焰剛接觸圓盤(狀態(tài)點(diǎn)2)這一階段，該階段電流主要與點(diǎn)火有關(guān)。

前鋒區(qū)指從狀態(tài)點(diǎn)2到火焰充滿燃燒室(狀態(tài)點(diǎn)5)這一階段，此階段電流主要由火核以及火焰前鋒面內(nèi)化學(xué)離子化過程產(chǎn)生的CH⁺₃、CHO⁺、C₃H⁺₃和H₃O⁺以及自由電子等帶電粒子形成，j，反映了火焰發(fā)展過程中的燃燒信息，著火后，電流從7.0ms時(shí)刻(狀態(tài)點(diǎn)2)開始上升，在7.65ms時(shí)刻(狀態(tài)點(diǎn)3)達(dá)到第二峰，從紋影照片上得出狀態(tài)點(diǎn)3處火焰半徑大約為14.8mm，此時(shí)火焰前鋒面已將圓盤包圍，前鋒區(qū)電流達(dá)到最大值，此后火焰前鋒面超出測量圓盤，電流迅速下降，在14.5ms(狀態(tài)點(diǎn)4)時(shí)刻，火焰半徑為37.9mm，這時(shí)火焰前鋒面已遠(yuǎn)離了圓盤，此后電流緩慢下降，并且在35.15ms(狀態(tài)點(diǎn)5)時(shí)刻，電流終止下降，對應(yīng)的火焰半徑大于50mm。

后焰區(qū)指從狀態(tài)點(diǎn)5開始，離子電流上升經(jīng)歷最高點(diǎn)(狀態(tài)點(diǎn)6)，最后下降至0這一階段，如圖3中第5號(hào)火焰紋影照片所示，在35.15ms時(shí)刻，電極周圍已充滿了已燃?xì)怏w(圖片顏色變黑)，此時(shí)火焰幾乎充滿整個(gè)燃燒室，由于燃燒釋放的熱量很高，已燃區(qū)的溫度達(dá)到2000K以上，所以該區(qū)域電流取決于高溫情況下離子的狀態(tài)，根據(jù)Zeldov－ich的研究，NO生成速度要比燃燒速度慢得多，NO生成主要集中在已燃區(qū)，并且由于NO離子化所需要的活化能量(320KJ/mol)是最小的，所以燃燒后區(qū)大約95％的自由活動(dòng)離子都與NO有關(guān)。

本文選取了離子電流的7個(gè)特征參數(shù)，根據(jù)公式dq=Idt，可以分別計(jì)算出

式中：I₁為火焰前鋒區(qū)離子電流的最大值；I₂為后焰區(qū)離子電流的最大值；t₁為前鋒區(qū)離子電流持續(xù)時(shí)間；t₂為后焰區(qū)離子電流持續(xù)時(shí)間；Q₁和Q₂分別為電極在前鋒區(qū)、后焰區(qū)所吸收的電量。

2．1 正、負(fù)電極對離子電流的影響

圖4所示為采用直徑D₁為2、4mm的裸電極以及將直徑D₂為10mm的圓盤分別布置在正極、負(fù)極以及兩極情況下(δ/2=5mm)測量得到的離子電流曲線，從圖中可以看出，無論是否布置圓盤，還是如何布置圓盤，電流曲線波形均一致，都包含點(diǎn)火、前鋒區(qū)、后焰區(qū)3個(gè)階段的離子電流，即在這3種條件下均可獲取這3個(gè)區(qū)域中所包含的燃燒信息，但當(dāng)采用裸電極直徑D₁為2mm的電極測量時(shí)，前鋒區(qū)和后焰區(qū)電流之間發(fā)生中斷，并且兩區(qū)域電流持續(xù)時(shí)間都很短，這可能是由于此時(shí)電極表面積比較小且長徑比較大，使得火焰在傳播過程中有很大熱損失，從而對電流產(chǎn)生了顯著影響，盡管如此，在前鋒區(qū)和后焰區(qū)電流仍存在2個(gè)峰值。

根據(jù)氣體導(dǎo)電理論，正極主要吸收電子，負(fù)極則主要吸收正離子團(tuán)，因?yàn)樽杂呻娮拥馁|(zhì)量遠(yuǎn)小于正離子，同樣電場強(qiáng)度下自由電子的速度要遠(yuǎn)大于正離子，自由電子容易被電極吸收，所以正極對離子電流影響較大，圓盤布置在正極時(shí)的電流比布置在負(fù)極時(shí)的離子電流顯著增加。

另外，根據(jù)氣體導(dǎo)電理論，偏置電壓較低(50～100V)時(shí)，導(dǎo)電形式主要為電弧放電，而偏置電壓較高(大于200V)時(shí)，導(dǎo)電形式主要為輝光放電，文獻(xiàn)[2]是在80V的偏置電壓下進(jìn)行試驗(yàn)的，其放電形式為電弧放電，而本試驗(yàn)(400V)和文獻(xiàn)[3](600V)的放電形式為輝光放電，因此當(dāng)氣體導(dǎo)電機(jī)理不同時(shí)，所測得的結(jié)果也會(huì)不同。

2．2 電極面積對離子電流的影響

為了進(jìn)一步證明電極面積對離子電流的影響，試驗(yàn)中還分別將直徑D₂為10、15和20mm的圓盤布置在正、負(fù)電極(D₁=4mm)上以及兩極上，所測得的離子電流曲線如圖5所示，離子電流特征參數(shù)與圓盤直徑的關(guān)系如圖6所示。

從圖5中可以看出，3組曲線形態(tài)基本一致，該圖進(jìn)一步證明了無論改變正極、負(fù)極還是兩極上圓盤的面積，每條曲線均存在點(diǎn)火、火焰前鋒區(qū)和后焰區(qū)3個(gè)階段，即由點(diǎn)火、化學(xué)反應(yīng)以及已燃區(qū)高溫所產(chǎn)生的CH⁺₃、CHO⁺、C₃H⁺₃、H₃O⁺、NO⁺離子所形成的電流均有非常明顯的體現(xiàn)，說明正、負(fù)電極面積不影響燃燒信息，從圖5中還可以看出，無論在正極、負(fù)極還是兩極上布置圓盤，電流均增大，當(dāng)電極上布置圓盤、不改變偏置電壓時(shí)，容彈內(nèi)電場強(qiáng)度不變，電場面積增加，從而相同時(shí)間內(nèi)電極吸收的電荷數(shù)目增多，電流增加，電流的表達(dá)式為

J=nqSV

式中：n是單位體積內(nèi)的電荷數(shù)；g是每個(gè)自由電荷的電量；S是導(dǎo)體的橫截面積；v是電荷運(yùn)動(dòng)的速度，由于每組試驗(yàn)初始條件不變，所以每次燃燒生成離子的狀況(數(shù)量、分布)不變，即n、v和g不變，所以離子電流大小只與電極橫截面積有關(guān)，圓盤面積增加，相當(dāng)于導(dǎo)體橫截面積s增加，故電流變大。

從圖6可以看出，隨著圓盤直徑的增加，I₁、I₂、Q₁、Q₂呈上升趨勢，但上升趨勢均變緩，尤其負(fù)極上的圓盤直徑增加時(shí)，電流特征值升高趨勢最為平緩，這是由于燃燒生成的離子總數(shù)是一定的，電極單位時(shí)間內(nèi)吸收離子的數(shù)目并不能隨圓盤面積的增加而快速增加，所以I₁、I₂、Q₁、Q₂的上升趨勢變緩，文中的負(fù)電極與容彈壁面同時(shí)接地，負(fù)極的面積相當(dāng)于負(fù)電極面積與容彈內(nèi)表面面積之和，在負(fù)電極上布置圓盤對負(fù)極面積的改變較小，所以電流特征值升高趨勢最平緩。

3 結(jié) 論

(1)將圓盤分別布置在正極、負(fù)極、兩極和采用未布置圓盤的裸露電極，所測得的離子電流形態(tài)一致，均包括點(diǎn)火、前鋒區(qū)與后焰區(qū)3個(gè)階段，能夠完整地反映燃燒信息。

(2)電極正極面積對離子電流的影響大于負(fù)極。

(3)隨著圓盤面積增加，前鋒區(qū)、后焰區(qū)離子電流以及在該區(qū)間的電流均增大，但增加趨勢隨面積的增大而逐漸變緩。

(編輯 王煥雪)