電極位置與電極面積對離子電流影響的試驗研究

李春艷,高忠權,劉兵,吳筱敏,黃佐華

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室, 710049, 西安)

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電極位置與電極面積對離子電流影響的試驗研究

李春艷,高忠權,劉兵,吳筱敏,黃佐華

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室, 710049, 西安)

在定容燃燒彈中將5個不同面積的電極安裝在容彈中的不同位置,通過采用不同測量電極組合測量了燃燒過程中產生的離子電流信號。以離子電流信號、燃燒壓力信號和火焰紋影照片為基礎數據,分析了電極位置和電極面積對離子電流的影響。試驗結果表明:電極位置會影響離子電流的出現時刻、大小、峰值及峰值時刻等特征參數;當正電極一定時,離子電流升高的次數隨負電極數量的增加而增多,說明離子電流能夠反映電極附近的局部燃燒信息;火焰與正電極、負電極可接觸面積影響著電極吸收的電荷量及離子電流的幅值,且負電極面積的影響大于正電極面積的影響。該研究結果可為離子電流法獲取發動機缸內燃燒信息的應用提供理論依據。

電極位置;電極面積;離子電流;定容燃燒彈

離子電流法作為近年來新型發動機在線測量方法,因其包含豐富的燃燒信息,如空燃比、壓力峰值等,且具有結構簡單、成本低廉和響應性能好等優點,引起了發動機測量和控制領域研究者的廣泛關注[1-4],并就電極位置和電極面積與離子電流的關系展開了大量的研究。Yoshiyama等在一臺汽油機的氣缸墊內通過對稱布置8個離子電流測量電極,成功檢測了火焰傳播模型[5]。Wilstermann等研究了火花塞中心電極結構與離子電流之間的關系[6]。高忠權等通過將不同結構的圓盤布置在正、負測量電極上,發現電極面積影響離子電流的幅值[7-8]。

目前,電極對離子電流影響的試驗研究一般是在發動機上進行的,受發動機結構的限制,改動發動機電極安裝位置和電極面積十分困難,大部分試驗都在小范圍內進行,且發動機可視化程度有限,不能實時記錄火焰的傳播情況,這對試驗的后期數據處理帶來了一定的困難。為了方便、有效地研究電極位置與電極面積對離子電流的影響,本文在定容燃燒彈中進行了試驗,并首次安裝了網狀電極且火焰可穿越網狀電極,從而避免了文獻[7-9]中圓盤電極對火焰傳播的阻礙,減小了電極結構對離子電流信號的干擾,提高了試驗結果的準確性。試驗中采用了不同形式的點、柱、網狀電極,通過不同測量電極組合進行測量,獲得了離子電流信號和相應的紋影照片,由此分析了電極位置與電極面積對離子電流的影響,計算了電極吸收電荷量的大小,以期為研究電極位置與電極面積對離子電流的影響提供有價值的試驗數據。

1 試驗裝置及測量系統

1.1 試驗裝置

試驗裝置由定容燃燒彈、進排氣系統、點火系統、數據采集系統、高速攝像及紋影系統6部分組成,如圖1所示。定容燃燒彈內腔為Φ130 mm×130 mm的不繡鋼圓柱體,并裝有內徑114 mm、外徑130 mm、長130 mm的柱狀聚四氟乙烯絕緣套。容彈兩側裝有厚度為15 mm的高抗沖石英玻璃,為紋影系統拍攝火焰照片提供光路。試驗采用Kistler 4075A10型壓電式低壓絕對壓力傳感器,采集頻率為20 kHz,誤差小于±0.3%。試驗所用攝像機為美國REDLAKE公司生產的HG-100K型高速攝像機,拍攝速度為5 000 幀/s。

圖1 試驗系統布置圖

圖2 定容燃燒彈和離子電流測量電路

1.2 離子電流測量系統

定容燃燒彈與離子電流測量電路如圖2所示。容彈內共安裝了5個電極,其中:垂直安裝的為一對附有聚四氟乙烯絕緣底座的點電極(裸露長度為8 mm),即圖中電極1、2,直徑為2 mm,2個電極尖端距離為2 mm,該對電極用于點燃混合氣,同時用于離子電流測量(電極2為點火電極的負電極,與容彈體共同接地);水平安裝的為2個結構不同的網電極,左邊網電極(即圖中電極3)的圓盤部分為外徑40 mm的網狀圓盤,圓盤距容彈中心20 mm,而右邊網電極(即圖中電極4)的圓盤部分為外徑60 mm的網狀圓盤,圓盤距容彈中心35 mm;在容彈左下側安裝的為Φ10 mm×6 mm的柱電極(即圖中電極5),該電極始終接地。5個電極材料均為45號鋼,結構和尺寸如圖3所示。電極1～5的面積分別記為S1、S2、S3、S4、S5,通過ProE畫圖軟件建模計算,上述面積分別為25、25、625、865、78 mm2。

圖3 電極結構和尺寸

將直流偏置電壓350 V加載在測量電極的正、負電極之間,以產生恒定電場,使得燃燒產生的帶電粒子定向移動,形成離子電流。試驗中通過在5個電極上分別加載不同正、負電壓的方式,形成不同正、負電極的數量和面積,并采集不同測量電極組合下電阻R(150 kΩ)上的離子電流信號,經數據采集系統最終記錄和保存下來。測量系統利用了高壓硅堆阻斷點火時的高壓,以防止點火或者高壓對測量電路的干擾。

試驗在常溫、常壓下進行,并向容彈內依次充入不同空燃比λ(0.8～1.3)的甲烷/空氣混合氣,靜置2 min使其混合均勻。點火的同時觸發測量系統,得到火焰紋影照片、離子電流和壓力曲線。燃燒結束后,用真空泵將容彈內的廢氣抽出,并用新鮮空氣多次沖洗,以減小殘余廢氣對下次配氣的影響。

2 試驗結果分析

2.1 電極位置對離子電流的影響

不同負電極數量下空燃比λ=1時混合氣燃燒的離子電流和壓力曲線及對應的火焰紋影發展照片如圖4所示。圖中紋影照片下標記的數字1～8與離子電流波形中t1～t8時刻相互對應,各時刻記為ti(i=1,2,3,…,8)。為了更準確地獲取離子電流特征值,記錄時間為0～50 ms。電極安裝方式有2種且正電極均為電極1,其中方式1有4個負電極,即電極2、3、4、5,方式2有2個負電極,即電極2、5。從圖4中可以看出,2種安裝方式的壓力信號基本一致,表明2種安裝方式下燃燒情況相同。

方式1中,離子電流曲線可定義為3個階段:點火、前鋒區和后焰區階段。點火階段信號從0 ms到t1=2.6 ms,此段電流主要與點火有關。前鋒區階段從t1=2.6 ms到火焰充滿燃燒室,此段離子電流主要由火核以及火焰前鋒面內化學離子化過程產生的CH3+、CHO+、H3O+及自由電子等帶電粒子形成[10]。電極的安裝位置對離子電流的影響主要表現在前鋒區。t2=3.7 ms時出現了一個明顯的電流信號,幅值約為0.4 μA。從圖4紋影照片1可知,t1時刻火焰已接觸到點火電極的非絕緣部分,此時火焰剛剛發展,燃燒的溫度和壓力較低,離子濃度也很低,因此離子電流很小。混合氣著火后,離子電流從t3=8.0 ms開始上升,在t4=13.8 ms出現峰值,約為9.5 μA。從圖4紋影照片3可以看出,t3時刻火焰前鋒面正好傳播到電極3,由于電極3與容彈壁面相連并共同接地,與電極1形成通路,因此離子通過圖2所示測量電路形成離子電流,離子電流開始上升。從t5=18.4 ms到t6=23.2 ms,離子電流第3次出現了上升。從圖4紋影照片5可以看出,t5時刻火焰前鋒面正好接觸電極4,離子通過測量電路形成離子電流,隨后離子電流在t6時刻出現峰值,約7.1 μA。火焰前鋒面接觸電極5時(t7時刻),該離子電流信號比較小,因此離子電流沒有發生明顯的變化。后焰區離子電流主要由電離能較低的NO在高溫、高壓下熱離子化產生,與電極的安裝位置無關。

方式2中,前鋒區離子電流只出現了2次上升,分別在t1=2.6 ms到t2=3.7 ms和t7=24.1 ms到t8=27.3 ms,第1次上升是火焰接觸電極2所致,第2次上升是火焰前鋒面傳播到電極5所致,并在t8時刻出現離子電流峰值,約2.8 μA。

從上面的分析可知,當火焰接觸負電極時,帶電粒子在偏置電壓的作用下發生定向移動,測量電路形成回路,導致離子電流上升。由于2種安裝方式的負電極數量不同,所以離子電流出現上升的次數不同,且每次上升中離子電流的大小、峰值及峰值時刻等特征參數均有所差異。可見,根據離子電流特征參數可判斷容彈中不同位置化學反應的劇烈程度,結合火焰發展信息(厚度與溫度),可獲得局部燃燒信息,如放熱率、已燃質量分數、火焰傳播速度等,可為開發基于離子電流為信號源的新型發動機電控系統提供基礎試驗數據。

圖4 各種負電極數量下離子電流與壓力曲線及 對應的火焰發展照片

2.2 正電極面積對離子電流的影響

圖5 2種正電極面積下離子電流和壓力曲線

電極2、4、5均為負電極且在2種正電極面積和空燃比λ=1時混合氣燃燒的離子電流和壓力曲線如圖5所示。當電極1為正電極時,正電極面積A1=S1=25 mm2;當電極3為正電極時,正電極面積A2=S3=625 mm2,A2>A1。從圖5可以看出,2種正電極面積下,壓力基本一致,離子電流都是在同一時刻迅速上升,但是峰值、峰值時刻差異很大。本文選取參數Q分析正電極面積對離子電流的影響,Q為電極從0 ms到120 ms所吸收的電荷量

其反應了離子電流的大小。

記A1和A2的Q分別為Q1和Q2。2種正電極面積下Q隨λ的變化如圖6所示。從圖6中可以看出,λ在0.8～1.3的范圍內Q2>Q1。根據氣體導電理論[11],正電極主要吸收自由電子而形成電流

I=nqSv

式中:n是單位體積內的電荷數;q是每個自由電荷的電量;S是導體的橫截面積;v是電荷運動的速度。當負電極一定時,每組試驗初始條件相同,每次燃燒生成離子的狀況(數量、分布)不變,即n、v和q不變,所以離子電流大小僅與導體橫截面積有關。正電極面積增加,相當于導體橫截面積S增加,故相同時間內正電極吸收的自由電子增多,電極吸收的電荷量增多,電流增大。但是,燃燒生成的離子總數是一定的,電極單位時間內吸收離子的數目并不會隨著正電極的面積的增加而快速增多。

圖6 2種正電極面積下Q隨λ的變化

由圖6還可知,燃氣偏濃、偏稀時電極吸收的電荷量降低,通過比較相同測量電極下的電荷量的大小,可以提取空燃比信息。A1下不同空燃比時Q對應的壓力峰值和峰值時刻如圖7所示。從圖7中可以看出,不同空燃比下電荷量與壓力峰值及峰值位置呈現正相關關系。電極吸收的電荷量越大,壓力峰值越高,峰值時刻越早。

圖7 不同Q對應的壓力峰值和壓力峰值出現時間

2.3 負電極面積對離子電流的影響

正電極均為電極1且在不同負電極面積和λ=1時混合氣燃燒的離子電流和壓力曲線如圖8所示。當電極2、3、4、5為負電極時,負電極面積為A3=S2+S3+S4+S5=1 593 mm2;當電極2、3、5為負電極時,負電極面積A4=S2+S3+S5=728 mm2;當電極2、4、5為負電極時,負電極面積A5=S2+S4+S5=968 mm2;當電極2、5為負電極時,負電極面積A6=S2+S5=103 mm2。從圖8中可以看出,4種負電極面積(A3>A5>A4>A6)下,壓力信號基本一致,離子電流峰值、峰值時刻均有很大差異。

圖8 4種負電極面積下的離子電流和壓力曲線

圖9 4種負電極面積下Q隨λ變化的關系

2.4 電極極性對離子電流的影響

2種電極極性下λ=1時混合氣燃燒的離子電流和壓力曲線如圖10所示,其中正電極為電極3、負電極為電極4為極性1,正電極為電極4,負電極為電極3為極性2。極性1中,正電極面積A7=S3=625 mm2,負電極面積A8=S4=865 mm2;極性2中,正電極面積A9=865 mm2,負電極面積A10=625 mm2。顯然,A7A10。從圖10中可以看出,2種極性下壓力曲線基本一致,離子電流都是在同一時刻上升,但峰值、峰值時刻差異很大。

圖10 2種電極極性下離子電流和壓力曲線

記2種極性下Q為Q7、Q8。2種電極極性下Q隨λ的變化如圖11所示。當λ在0.8～1.3范圍內時,均存在Q7>Q8。極性1中,負電極面積較大,電極吸收的電荷量比極性2大,說明負電極面積對離子電流的影響大于正電極面積對離子電流的影響。

圖11 2種電極極性下Q隨λ的變化

根據氣體導電理論,本試驗偏置電壓為350 V,導電形式主要是輝光放電。輝光放電時,在負電極附近聚集了較多的異號空間電荷,因而形成明顯的電位降落,稱為陰極電勢降[12]。在放電過程中,2次發射是由亞穩態成分和離子引起的,而電子主要是2次發射激發的[13]。陰極電勢降為已發射的電子提供了電子離子化和與分子碰撞的能量,以保證陰極能吸收足夠數量的離子和亞穩態成分。放電時,正離子的運動速度遠小于電子,正離子空間的電荷密度比電子空間的電荷密度大得多,所以整個極間電壓大部分集中在陰極附近。從上述分析可知,負電極對離子電流的影響更大,且電場與火焰相互作用機理是基于火焰前鋒面的化學離子化生成的正離子,所以正離子的作用比自由電子大,這進一步證實了負電極面積對離子電流的影響大于正電極面積對離子電流的影響。

火花點火汽油機通常以火花塞作為測量電極,但是為了獲得發動機燃燒室內更多的燃燒信息,需額外布置電極,特別是測量非火花點火發動機缸內燃燒過程中的離子電流信息,需要設計不同面積的電極且加裝在指定的位置。本文的試驗結論可為設計離子電流測量電極的結構與安裝位置提供基礎試驗數據。

3 結 論

(1)電極位置決定著離子電流的出現時刻,并影響著離子電流的大小、峰值及峰值時刻等特征參數。

(2)當正電極一定時,離子電流的上升次數隨著負電極數量的增加而增多,說明離子電流能夠反映電極附近的局部燃燒信息,采用多個電極可獲得定容燃燒彈中的多個位置的燃燒信號。

(3)火焰與測量電極(正極、負極)接觸面積越大,電極吸收的電荷量就越多,離子電流幅值也就越高,且負電極面積對離子電流的影響大于正電極面積的影響。

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(編輯 苗凌)

Experimental Investigation for Influences of Electrode Location and Area on Ionic Current

LI Chunyan,GAO Zhongquan,LIU Bing,WU Xiaomin,HUANG Zuohua

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

Five electrodes with different areas were installed at different locations of the constant volume combustion bomb. Ionic current during combustion was obtained by the combination of different measuring electrodes. The influences of electrode location and area on ionic current were analyzed according to ionic current signals, pressure signals and schlieren pictures. The experiments show that the electrode location can affect starting timing, value, peak, peak timing, etc. of ionic current. When the anode keeps constant, the number of rising signals of ionic current increases with the number of cathode, revealing that partial combustion information in the vicinity of the electrode can be extracted from ionic current. The charge absorbed by electrodes increases with the increasing anode and cathode areas. Therefore, ionic current increases with the increasing anode and cathode areas, and cathode area exerts a greater effect on ionic current than anode area, which provides a theoretical basis for application of ionic current method to measuring combustion conditions of engine.

electrode location; electrode area; ionic current; constant volume combustion bomb

2014-10-14。

李春艷(1990—),女,碩士生;高忠權(通信作者),男,講師。

國家自然科學基金資助項目(51306143);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(xjj2013001)。

時間:2015-04-27

10.7652/xjtuxb201507010

TK431

A

0253-987X(2015)07-0055-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150427.1754.003.html