离子电流法测量CH_4_H_2混合气 燃烧火焰传播速度的实验研究_刘兵

ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊｄｘｂ．ｃｎ　ｈｔｔｐ：∥ｚｋｘｂ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　第４９卷　第１期２０１５年１月西　安　交　通　大　学　学　报ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＸＩ’ＡＮ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＶｏｌ．４９　Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０１５收稿日期：２０１４－０４－０３。

　作者简介：刘兵（１９８９—），男，硕士生；高忠权（通信作者），男，讲师。

　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专项资金资助项目（ｘｊｊ２０１３００１）。

网络出版时间：２０１４－１０－３１　网络出版地址：ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／６１．１０６９．Ｔ．２０１４１０３１．１６４２．００６．ｈｔｍｌＤＯＩ：１０．７６５２／ｘｊｔｕｘｂ２０１５０１００７离子电流法测量ＣＨ４／Ｈ２混合气燃烧火焰传播速度的实验研究刘兵，李春艳，孙天旗，段浩，高忠权，吴筱敏（西安交通大学内燃机研究所，７１００４９，西安）摘要：在定容燃烧弹上布置一对测量电极，运用离子电流法、根据燃烧火焰在接触测量电极时刻的离子电流信号值，对不同工况下ＣＨ４／空气及其掺氢混合气的平均火焰传播速度进行了计算，并与传统光学纹影法测得的火焰速度进行了对比。

结果表明：对于ＣＨ４／空气混合气预混燃烧火焰，在过量空气系数分别为０．７５、０．８、０．８５、０．９、１、１．１时，利用离子电流法测得的火焰传播速度分别为１．７１４、１．９３５、２．１９５、２．２５０、２．０４５、１．５３８ｍ／ｓ，相对纹影法误差分别为１．３２％、２．０９％、４．６５％、３．４８％、３．６４％、７．０６％；对于过量空气系数为０．８的ＣＨ４／Ｈ２燃料，在掺氢比为０％～８０％（１０％递增）的情况下，离子电流法测得的火焰传播速度相对于纹影法的误差均在５％之内。

该结果为离子电流法的层流火焰传播速度测量提供了理论、实验依据，测量方法简单易行、快捷准确、可行性高。

关键词：火焰传播速度；离子电流；定容燃烧弹；天然气掺氢中图分类号：ＴＫ４３１　文献标志码：Ａ　文章编号：０２５３－９８７Ｘ（２０１５）０１－００４０－０６Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｆｌａｍｅ　Ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ＣＨ４／Ｈ２Ｂｌｅｎｄｓ　ｗｉｔｈ　Ｉｏｎｉｃ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ＭｅｔｈｏｄＬＩＵ　Ｂｉｎｇ，ＬＩ　Ｃｈｕｎｙａｎ，ＳＵＮ　Ｔｉａｎｑｉ，ＤＵＡＮ　Ｈａｏ，ＧＡＯ　Ｚｈｏｎｇｑｕａｎ，ＷＵ　Ｘｉａｏｍｉｎ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｃｈｏｓｅｎ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ＣＨ４／Ｈ２ｍｉｘｔｕｒｅ　ｏｖｅｒ　ａｗｉｄｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｅｘｃｅｓｓ　ａｉｒ　ｒａｔｉｏｓ　ａｎｄ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｉｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｅｘｐａｎｄｉｎｇ　ｆｌａｍｅ　ａｎｄ　ａ　ｐａｉｒ　ｏｆｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｉｎ　ａ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｖｏｌｕｍｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｂｏｍｂ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆｌａｍｅ　ｓｐｅｅｄｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｃｈｌｉｅｒｅｎ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＣＨ４／ａｉｒ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｃｅｓｓ　ａｉｒｒａｔｉｏｓ　ｏｆ　０．７５，０．８，０．８５，０．９，１．０ａｎｄ　１．１，ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｉｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　１．７１４，１．９３５，２．１９５，２．２５０，２．０４５ａｎｄ　１．５３８ｍ／ｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅ　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　ａｉｒｒａｔｉｏ　ｏｆ　０．８ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　０％－８０％（１０％ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ），ａｌｌ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｃｈｌｉｅｒｅｎｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ　ａｒｅ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　５％．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ｓｐｅｅｄｓｗｉｔｈ　ｈｉｇｈｅｒ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌａｍｅ　ｓｐｅｅｄ；ｉｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ；ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｖｏｌｕｍｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｂｏｍｂ；ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ－ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｂｌｅｎｄｓ　第１期刘兵，等：离子电流法测量ＣＨ４／Ｈ２混合气燃烧火焰传播速度的实验研究　ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊｄｘｂ．ｃｎ　ｈｔｔｐ：∥ｚｋｘｂ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 近年来，汽车保有量的急剧增长，能源短缺和汽车排放问题更加突出，寻找清洁高效的发动机替代燃料成为研究者关注的课题。

层流燃烧是燃烧领域的重要研究内容之一，是湍流燃烧研究的基础，是燃料燃烧化学反应动力学机理研究的重要内容［１］。

在发动机领域，层流火焰传播速度可以在理论上预测气缸内燃烧的过程及燃烧排放物的生成，对于指导和改进发动机的性能具有重要的理论和工程应用价值。

因此，很多研究者对不同替代燃料的层流火焰传播速度进行了测量和研究，如Ｈｕ等人对天然气及天然气掺氢、甲醇、二甲醚等替代燃料的层流火焰传播速度进行了测量［２－５］，但目前的测量方法都是利用高速摄影的方法，基于球形火焰扩散理论，通过记录定容燃烧弹中球形膨胀火焰的半径变化来实现。

这种“光学法”对实验设备要求很高，计算工作量很大，直接应用于燃烧的在线检测难度很大。

离子电流法作为一种新型的发动机在线测量方法，具有快速响应、结构简单、价格低廉等优点。

目前，离子电流法研究主要集中在离子电流与燃烧压力［６－７］、空燃比［８］、电极几何结构和参数［９－１０］等的关系，以及非正常燃烧（爆震、失火、早火、后火等［１１－１３］）的检测诊断等方面，关于离子电流与火焰传播速度的关系研究很少。

因此，本文在定容燃烧弹中布置了一对测量电极，通过测量不同工况下ＣＨ４／空气及其掺氢混合气燃烧的离子电流信号来计算平均火焰传播速度，以期为利用离子电流法测量层流火焰传播速度提供理论依据。

１　实验装置图１为实验系统布置图。

整个实验系统由定容燃烧弹、配气系统、点火控制系统、数据采集系统、纹影与摄像系统组成。

图２为定容燃烧弹结构和离子电流测量电路。

定容燃烧弹内腔为Φ１３０ｍｍ×１３０ｍｍ的不锈钢圆柱体，并装有内径为１１４ｍｍ、外径为１３０ｍｍ、长为１３０ｍｍ的柱状聚四氟乙烯绝缘套；定容弹两侧面装有厚度为１５ｍｍ的圆形石英玻璃，为纹影摄像系统拍摄火焰图像提供光路。

实验所用高速摄像机为美国ＲＥＤＬＡＫＥ公司生产的ＨＧ－１００Ｋ型高速摄像机，实验中拍摄速度为５　０００幅／ｓ；采用Ｋｉｓｔｌｅｒ　４０７５Ａ１０型压电式低压绝对压力传感器，用于记录燃烧压力的变化。

容弹中心布置了两对电极，垂直安装的一对由聚四氟乙烯包装的电极为不锈钢材料的点火电极，用于点燃可燃混合气，点火电极负极与容弹壁面相连并同接地；水平安装的一对直径为４ｍｍ的柱状电极为铁材质的测量电极，用于测量火焰传播至电极时的离子电流信号。

左右两测量电极外端分别接地，内端与容弹中心的距离分别记为Ｌ１、Ｌ２。

为保证测量的准确性，两测量电极的内端均在火焰稳定发展区域，即：要求Ｌ１大于５ｍｍ，以消除点火对火焰发展稳定性的影响；要求Ｌ２小于４５ｍｍ，尽量在近容弹中心和远容弹中心均布置测量电极，以保证测量的普适性；Ｌ２－Ｌ１不宜太小（本文实验设备下在１５～２５ｍｍ之间），以保证离子电流特征信号的准确获取。

综合以上要求，本实验中取Ｌ１＝２３ｍｍ、Ｌ２＝４１ｍｍ。

直流电源电压Ｕ＝３５０Ｖ，加在点火电极两端，同时利用了高压硅堆阻断点火时的高压，以防止点火高压对测量电路的干扰。

图１　实验系统布置图图２　定容燃烧弹结构和离子电流测量电路图实验在常温、常压下进行，根据分压定律计算值和水银压力计读数来配制不同过量空气系数和掺氢比的可燃混合气。

配气完毕后静置２ｍｉｎ，待气体混合均匀后点燃混合气，点火的同时触发高速摄像系统及压力传感器，记录下火焰发展的纹影照片及容弹内压力的变化。

离子电流测量系统用来测量燃烧的离子电流信号，所测数据由数据采集仪同步采集并记录。

燃烧结束后用真空泵抽出容弹内的废气，并用新鲜空气多次冲洗内腔，以减小残余废气对１４西　安　交　通　大　学　学　报第４９卷　　ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊｄｘｂ．ｃｎ　ｈｔｔｐ：∥ｚｋｘｂ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　下次配气的影响。

２　实验结果分析２．１　离子电流及火焰发展图３、４分别为ＣＨ４和ＣＨ４掺氢２０％（体积分数）且在过量空气系数为０．９的空气中燃烧的离子电流和压力曲线及对应的火焰发展照片。

从图中可以看出，两种燃料的离子电流曲线在形态上很相似，说明不同燃料在燃烧过程中测得的离子电流具有相同的特征。

因此，本文选取图３中ＣＨ４燃烧的离子电流、压力曲线及对应的火焰发展照片进行分析。

图中纹影照片标记的数字１～８与离子电流标记的数字１～８是对应的火焰图片采集时刻，记为ｔｉ（ｉ＝１，２，３，…，８）。

定义离子电流由点火信号、火焰前锋区和焰后区３阶段组成（见图３）。

点火时间对应图３中０ｍｓ～ｔ１，该区间信号由火花放电产生，幅值较高，此时火核刚形成（见图３中ｔ１火焰照片）。

前锋区离子电流信号分为以下几段。