離子電流法測量CH4/H2混合氣燃燒火焰傳播速度的實驗研究

劉兵,李春艷,孫天旗,段浩,高忠權,吳筱敏

(西安交通大學內燃機研究所,710049,西安)

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離子電流法測量CH4/H2混合氣燃燒火焰傳播速度的實驗研究

劉兵,李春艷,孫天旗,段浩,高忠權,吳筱敏

(西安交通大學內燃機研究所,710049,西安)

在定容燃燒彈上布置一對測量電極,運用離子電流法、根據燃燒火焰在接觸測量電極時刻的離子電流信號值,對不同工況下CH4/空氣及其摻氫混合氣的平均火焰傳播速度進行了計算,并與傳統光學紋影法測得的火焰速度進行了對比。結果表明:對于CH4/空氣混合氣預混燃燒火焰,在過量空氣系數分別為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時,利用離子電流法測得的火焰傳播速度分別為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對紋影法誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%;對于過量空氣系數為0.8的CH4/H2燃料,在摻氫比為0%～80%(10%遞增)的情況下,離子電流法測得的火焰傳播速度相對于紋影法的誤差均在5%之內。該結果為離子電流法的層流火焰傳播速度測量提供了理論、實驗依據,測量方法簡單易行、快捷準確、可行性高。

火焰傳播速度;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,尋找清潔高效的發動機替代燃料成為研究者關注的課題。層流燃燒是燃燒領域的重要研究內容之一,是湍流燃燒研究的基礎,是燃料燃燒化學反應動力學機理研究的重要內容[1]。在發動機領域,層流火焰傳播速度可以在理論上預測氣缸內燃燒的過程及燃燒排放物的生成,對于指導和改進發動機的性能具有重要的理論和工程應用價值。因此,很多研究者對不同替代燃料的層流火焰傳播速度進行了測量和研究,如Hu等人對天然氣及天然氣摻氫、甲醇、二甲醚等替代燃料的層流火焰傳播速度進行了測量[2-5],但目前的測量方法都是利用高速攝影的方法,基于球形火焰擴散理論,通過記錄定容燃燒彈中球形膨脹火焰的半徑變化來實現。這種“光學法”對實驗設備要求很高,計算工作量很大,直接應用于燃燒的在線檢測難度很大。

離子電流法作為一種新型的發動機在線測量方法,具有快速響應、結構簡單、價格低廉等優點。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]、電極幾何結構和參數[9-10]等的關系,以及非正常燃燒(爆震、失火、早火、后火等[11-13])的檢測診斷等方面,關于離子電流與火焰傳播速度的關系研究很少。因此,本文在定容燃燒彈中布置了一對測量電極,通過測量不同工況下CH4/空氣及其摻氫混合氣燃燒的離子電流信號來計算平均火焰傳播速度,以期為利用離子電流法測量層流火焰傳播速度提供理論依據。

1 實驗裝置

圖1為實驗系統布置圖。整個實驗系統由定容燃燒彈、配氣系統、點火控制系統、數據采集系統、紋影與攝像系統組成。圖2為定容燃燒彈結構和離子電流測量電路。定容燃燒彈內腔為Φ130 mm×130 mm的不銹鋼圓柱體,并裝有內徑為114 mm、外徑為130 mm、長為130 mm的柱狀聚四氟乙烯絕緣套;定容彈兩側面裝有厚度為15 mm的圓形石英玻璃,為紋影攝像系統拍攝火焰圖像提供光路。實驗所用高速攝像機為美國REDLAKE公司生產的HG-100K型高速攝像機,實驗中拍攝速度為5 000幅/s;采用Kistler 4075A10型壓電式低壓絕對壓力傳感器,用于記錄燃燒壓力的變化。容彈中心布置了兩對電極,垂直安裝的一對由聚四氟乙烯包裝的電極為不銹鋼材料的點火電極,用于點燃可燃混合氣,點火電極負極與容彈壁面相連并同接地;水平安裝的一對直徑為4 mm的柱狀電極為鐵材質的測量電極,用于測量火焰傳播至電極時的離子電流信號。左右兩測量電極外端分別接地,內端與容彈中心的距離分別記為L1、L2。為保證測量的準確性,兩測量電極的內端均在火焰穩定發展區域,即:要求L1大于5 mm,以消除點火對火焰發展穩定性的影響;要求L2小于45 mm,盡量在近容彈中心和遠容彈中心均布置測量電極,以保證測量的普適性;L2-L1不宜太小(本文實驗設備下在15～25 mm之間),以保證離子電流特征信號的準確獲取。綜合以上要求,本實驗中取L1=23 mm、L2=41 mm。直流電源電壓U=350 V,加在點火電極兩端,同時利用了高壓硅堆阻斷點火時的高壓,以防止點火高壓對測量電路的干擾。

圖1 實驗系統布置圖

圖2 定容燃燒彈結構和離子電流測量電路圖

實驗在常溫、常壓下進行,根據分壓定律計算值和水銀壓力計讀數來配制不同過量空氣系數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燃混合氣,點火的同時觸發高速攝像系統及壓力傳感器,記錄下火焰發展的紋影照片及容彈內壓力的變化。離子電流測量系統用來測量燃燒的離子電流信號,所測數據由數據采集儀同步采集并記錄。燃燒結束后用真空泵抽出容彈內的廢氣,并用新鮮空氣多次沖洗內腔,以減小殘余廢氣對下次配氣的影響。

2 實驗結果分析

2.1 離子電流及火焰發展

圖3、4分別為CH4和CH4摻氫20%(體積分數)且在過量空氣系數為0.9的空氣中燃燒的離子電流和壓力曲線及對應的火焰發展照片。從圖中可以看出,兩種燃料的離子電流曲線在形態上很相似,說明不同燃料在燃燒過程中測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、壓力曲線及對應的火焰發展照片進行分析。圖中紋影照片標記的數字1～8與離子電流標記的數字1～8是對應的火焰圖片采集時刻,記為ti(i=1,2,3,…,8)。定義離子電流由點火信號、火焰前鋒區和焰后區3階段組成(見圖3)。點火時間對應圖3中0 ms～t1,該區間信號由火花放電產生,幅值較高,此時火核剛形成(見圖3中t1火焰照片)。前鋒區離子電流信號分為以下幾段。

t1～t2段:火焰接觸點火電極的非絕緣部分時產生離子電流,此時火焰開始發展,燃燒的溫度和壓力較低,化學離子化程度較低,點火電極較細,火焰與電極接觸面積較小,所以離子電流較小[10]。

t2～t3段:離子電流出現了第一次上升,此時火焰正好接觸到左側測量電極,因左、右兩測量電極與點火電極負極同接地,并與點火電極的正極形成通路,所以離子通過左側測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測量電極到完全越過電極歷時約0.8 ms(見圖3中t2～t3處),這段時間的長短由此時火焰前鋒面的厚度和火焰傳播速度共同決定。

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

t4～t5段:離子電流出現了第二次上升,此時火焰開始接觸到右側測量電極,火焰與兩測量電極同時接觸,引起離子電流疊加,使得離子電流又上升了一個臺階,產生第二個平臺狀電流(見圖4中t5～t6處),幅值約3 μA。該平臺離子電流約為第一個平臺的2倍。t4～t5段時間同樣是由此時火焰前鋒面的厚度及火焰的傳播速度決定。

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

圖3 CH4燃燒時的離子電流和壓力曲線及對應的火焰發展照片

圖4 摻氫20%CH4燃燒時的離子電流和壓力曲線及對應的火焰發展照片

2.2 火焰傳播速度的計算方法

2.2.1 離子電流法 火焰傳播速度是指火焰前鋒面相對于靜止燃燒室壁面傳播的絕對速度[1],因此定容燃燒彈中火焰傳播速度主要與火焰在碰壁前的前鋒區的火焰傳播有關。離子電流法在計算火焰傳播速度時主要依據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段的突變分別對應火焰傳播到左、右測量電極邊緣的位置,受火焰前鋒面厚度的影響,本文采用1/2時間點取法計算兩位置時刻,即

tf=(t2+t3)/2

(1)

tr=(t4+t5)/2

(2)

其大小反映了火焰傳播的快慢。已知左、右側測量電極至容彈中心距離分別為L1=23 mm、L2=41 mm,如圖5所示,根據離子電流信息可測出該段時間火焰傳播的平均速度

(3)

圖5 數據獲取示意圖

2.2.2 紋影法 根據紋影法可獲得火焰半徑ru隨傳播時間t的變化;根據球形火焰傳播速度Sn的定義(火焰半徑ru對時間t的導數)可知,ru-t曲線的瞬時斜率的變化可反映火焰傳播速度的變化(見式(4));除早期燃燒階段(0～2 ms)外,火焰半徑與時間基本呈線性關系[2-3]。由于擬合后ru與t為線性關系,所以取其斜率可作為平均火焰傳播速度。由紋影法測量獲得的平均火焰傳播速度為

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。

以紋影法測得的平均火焰傳播速度為標準,計算離子電流法測得的平均火焰傳播速度的誤差為

(6)

由此可論證離子電流法在測量火焰平均傳播速度時的可行性。

2.3 不同工況下的火焰傳播速度

2.3.1 CH4/空氣在不同過量空氣系數下的火焰傳播速度圖6為采用紋影法在不同過量空氣系數λ下CH4/空氣預混層流燃燒的火焰半徑隨燃燒時間的變化,圖中直線為半徑對時間的線性擬合結果。從圖中可看出,在所取范圍內,所有工況下火焰半徑隨燃燒時間的發展基本上是線性的,其斜率為紋影法測得的平均火焰傳播速度,在λ為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時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的關系。從圖中可看出,tf、tr及Δt均在λ=0.9時最小,0.9>λ>0.9時增大,與平均火焰傳播速度大小的變化相反,表明該參數可反映火焰傳播速度的變化。

圖6 采用紋影法在不同過量空氣系數下火焰半徑隨燃燒時間的變化

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下離子電流法測得的平均火焰傳播速度及其與紋影法測量結果的對比。從圖中可看出,離子電流法測得的平均火焰傳播速度在λ為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時分別為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對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,表明在實驗誤差范圍內,利用離子電流法測量平均火焰傳播速度是可行的。

圖8 不同過量空氣系數下平均火焰傳播速度比較

2.3.2 不同摻氫比下CH4/H2合成氣燃燒的火焰傳播速度 圖9為不同摻氫比下λ為0.8時CH4/空氣/H2混合氣燃燒的火焰半徑隨燃燒時間的變化,圖中直線為半徑對時間的線性擬合結果。從圖中可看出,在所取火焰半徑范圍內,不同摻氫比下火焰半徑與燃燒時間之間仍然存在線性關系,直線斜率隨摻氫比的增加而增大,表明平均火焰傳播速度隨摻氫比的增加而增大,摻氫比為0%～80%(10%遞增)時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,與平均火焰傳播速度大小的變化相反,表明了平均火焰傳播速度逐漸增大,可反映火焰傳播快慢的變化。

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得的平均火焰傳播速度及其與紋影法測得結果的對比。從圖中可看出,離子電流法測得的平均火焰傳播速度在摻氫比為0%～80%(10%遞增)時分別為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,表明在該工況下離子電流法可較準確地測量出平均火焰傳播速度。

圖11 不同摻氫比下平均火焰傳播速度比較

2.3.3 測量誤差分析 以上測量結果表明:利用本文離子電流法對于CH4和CH4/H2兩種燃料在不同工況下測得的平均火焰傳播速度相對紋影法的誤差基本都在5%以內,滿足火焰測量的要求,表明該方法對于火焰速度的測量是可行的。

由離子電流法測量原理可知,若測量電極的位置已定,即L2-L1為定值,則從離子電流信號中提取的參數為tf和tr,因此誤差的主要來源是tf和tr的準確程度,以及點火電極、測量電極及離子電流測量電路等實驗設備。

減小測量誤差除了從改善實驗裝置上入手,如設計更好的測量電極和點火電極,改進離子電流測量電路以獲取更好的離子電流信號以外,還要從信號處理入手,如采取更好的方法來取代1/2時間點取法,以獲取更為準確的tf和tr。

3 結 論

(1)利用離子電流法可以測出平均火焰傳播速度,該方法簡單、易行、快捷、準確,可行性高。

(2)對于CH4/空氣混合氣預混燃燒,在過量空氣系數為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時,利用離子電流法測得的平均火焰傳播速度分別為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對于紋影法的誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%。

(3)對于過量空氣系數為0.8的CH4/空氣/H2混合氣預混燃燒,在摻氫比為0%～80%(10%遞增)時,利用離子電流法測得的平均火焰傳播速度分別為2.022、2.142、2.432、2.647、2.951、3.396、4.286、5.806、8.182 m/s,相對于紋影法的誤差都在5%之內。

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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(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:2014-10-31

10.7652/xjtuxb201501007

TK431

A

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

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141031.1642.006.html