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)



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)

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、1.538 m/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。

火焰传播速度;离子电流;定容燃烧弹;天然气掺氢

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Φ130 mm×130 mm的不锈钢圆柱体,并装有内径为114 mm、外径为130 mm、长为130 mm的柱状聚四氟乙烯绝缘套;定容弹两侧面装有厚度为15 mm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4 mm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5 mm,以消除点火对火焰发展稳定性的影响;要求L2小于45 mm,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15～25 mm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=23 mm、L2=41 mm。直流电源电压U=350 V,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2 min,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0 ms～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。

t1～t2段:火焰接触点火电极的非绝缘部分时产生离子电流,此时火焰开始发展,燃烧的温度和压力较低,化学离子化程度较低,点火电极较细,火焰与电极接触面积较小,所以离子电流较小[10]。

t2～t3段:离子电流出现了第一次上升,此时火焰正好接触到左侧测量电极,因左、右两测量电极与点火电极负极同接地,并与点火电极的正极形成通路,所以离子通过左侧测量电极形成离子电流。由于火焰前锋面有一定的厚度,前锋面从刚接触左侧测量电极到完全越过电极历时约0.8 ms(见图3中t2～t3处),这段时间的长短由此时火焰前锋面的厚度和火焰传播速度共同决定。

t3～t4段:火焰与左测量电极完全接触,火焰开始传播,离子电流趋于稳定,形成第一个平台状电流(见图3中t3～t4处),幅值约1.5 μA。

t4～t5段:离子电流出现了第二次上升,此时火焰开始接触到右侧测量电极,火焰与两测量电极同时接触,引起离子电流叠加,使得离子电流又上升了一个台阶,产生第二个平台状电流(见图4中t5～t6处),幅值约3 μA。该平台离子电流约为第一个平台的2倍。t4～t5段时间同样是由此时火焰前锋面的厚度及火焰的传播速度决定。

随着燃烧的进行,越来越多的燃料参与燃烧,压力开始上升,容弹内的离子浓度逐渐增大,离子电流呈上升趋势,至t7处产生第一个峰值,此时火焰刚好传播到容弹内壁面压力传感器处。由于压力传感器为导电的钢材料并与点火电极负极、容弹壁面同接地,燃烧过程中产生的带电粒子被压力传感器吸收,进而形成离子电流。随着容弹内压力的迅速增大,温度迅速升高,在压力峰值附近离子电流产生第二个峰值(见图4中t8处),此时燃烧反应基本结束,电离能较低的NO(9.25 eV)在高温高压下经过热离子化产生NO+,从而导致了焰后区离子电流产生[14]。

图3 CH4燃烧时的离子电流和压力曲线及对应的火焰发展照片

图4 掺氢20%CH4燃烧时的离子电流和压力曲线及对应的火焰发展照片

2.2 火焰传播速度的计算方法

2.2.1 离子电流法 火焰传播速度是指火焰前锋面相对于静止燃烧室壁面传播的绝对速度[1],因此定容燃烧弹中火焰传播速度主要与火焰在碰壁前的前锋区的火焰传播有关。离子电流法在计算火焰传播速度时主要依据t1～t6段的离子电流信息。由上所述,离子电流在t2～t3段和t4～t5段的突变分别对应火焰传播到左、右测量电极边缘的位置,受火焰前锋面厚度的影响,本文采用1/2时间点取法计算两位置时刻,即

tf=(t2+t3)/2

(1)

tr=(t4+t5)/2

(2)

其大小反映了火焰传播的快慢。已知左、右侧测量电极至容弹中心距离分别为L1=23 mm、L2=41 mm,如图5所示,根据离子电流信息可测出该段时间火焰传播的平均速度

(3)

图5 数据获取示意图

2.2.2 纹影法 根据纹影法可获得火焰半径ru随传播时间t的变化;根据球形火焰传播速度Sn的定义(火焰半径ru对时间t的导数)可知,ru-t曲线的瞬时斜率的变化可反映火焰传播速度的变化(见式(4));除早期燃烧阶段(0～2 ms)外,火焰半径与时间基本呈线性关系[2-3]。由于拟合后ru与t为线性关系,所以取其斜率可作为平均火焰传播速度。由纹影法测量获得的平均火焰传播速度为

Sn=dru/dt

(4)

(5)

式中:ru取水平方向上左右火焰前锋面间距的1/2,即ru=D/2,D由纹影照片确定(见图5);k为ru与t的线性拟合直线的斜率。

以纹影法测得的平均火焰传播速度为标准,计算离子电流法测得的平均火焰传播速度的误差为

(6)

由此可论证离子电流法在测量火焰平均传播速度时的可行性。

2.3 不同工况下的火焰传播速度

2.3.1 CH4/空气在不同过量空气系数下的火焰传播速度图6为采用纹影法在不同过量空气系数λ下CH4/空气预混层流燃烧的火焰半径随燃烧时间的变化,图中直线为半径对时间的线性拟合结果。从图中可看出,在所取范围内,所有工况下火焰半径随燃烧时间的发展基本上是线性的,其斜率为纹影法测得的平均火焰传播速度,在λ为0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1时k分别为1.737、1.977、2.302、2.331、2.123、1.655 m/s。

图7为tf、tr及两者差值Δt与λ的关系。从图中可看出,tf、tr及Δt均在λ=0.9时最小,0.9>λ>0.9时增大,与平均火焰传播速度大小的变化相反,表明该参数可反映火焰传播速度的变化。

图6 采用纹影法在不同过量空气系数下火焰半径随燃烧时间的变化

图7 tf、tr及两者差值Δt随λ的变化

图8为不同过量空气系数下离子电流法测得的平均火焰传播速度及其与纹影法测量结果的对比。从图中可看出,离子电流法测得的平均火焰传播速度在λ为0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1时分别为1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相对于纹影法的误差分别为1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%,除λ为1.1外其余的误差均在5%以内,表明在实验误差范围内,利用离子电流法测量平均火焰传播速度是可行的。

图8 不同过量空气系数下平均火焰传播速度比较

2.3.2 不同掺氢比下CH4/H2合成气燃烧的火焰传播速度 图9为不同掺氢比下λ为0.8时CH4/空气/H2混合气燃烧的火焰半径随燃烧时间的变化,图中直线为半径对时间的线性拟合结果。从图中可看出,在所取火焰半径范围内,不同掺氢比下火焰半径与燃烧时间之间仍然存在线性关系,直线斜率随掺氢比的增加而增大,表明平均火焰传播速度随掺氢比的增加而增大,掺氢比为0%～80%(10%递增)时k分别为2.123、2.221、2.464、2.755、3.054、3.549、4.389、5.608、8.067 m/s。

图9 不同掺氢比下火焰半径随时间的变化

图10为tf、tr及两者差值Δt随掺氢比的变化。从图中可看出,tf、tr及Δt随掺氢比的增加均不断减小,与平均火焰传播速度大小的变化相反,表明了平均火焰传播速度逐渐增大,可反映火焰传播快慢的变化。

图10 tf、tr及两者差值Δt随掺氢比的变化

图11为不同掺氢比下离子电流法测得的平均火焰传播速度及其与纹影法测得结果的对比。从图中可看出,离子电流法测得的平均火焰传播速度在掺氢比为0%～80%(10%递增)时分别为2.022、2.142、2.432、2.647、2.951、3.396、4.286、5.806、8.182 m/s,相对纹影法的误差分别为4.734%、3.521%、1.284%、3.935%、3.383%、4.316%、2.357%、3.531%、1.418%,均在5%以内,表明在该工况下离子电流法可较准确地测量出平均火焰传播速度。

图11 不同掺氢比下平均火焰传播速度比较

2.3.3 测量误差分析 以上测量结果表明:利用本文离子电流法对于CH4和CH4/H2两种燃料在不同工况下测得的平均火焰传播速度相对纹影法的误差基本都在5%以内,满足火焰测量的要求,表明该方法对于火焰速度的测量是可行的。

由离子电流法测量原理可知,若测量电极的位置已定,即L2-L1为定值,则从离子电流信号中提取的参数为tf和tr,因此误差的主要来源是tf和tr的准确程度,以及点火电极、测量电极及离子电流测量电路等实验设备。

减小测量误差除了从改善实验装置上入手,如设计更好的测量电极和点火电极,改进离子电流测量电路以获取更好的离子电流信号以外,还要从信号处理入手,如采取更好的方法来取代1/2时间点取法,以获取更为准确的tf和tr。

3 结 论

(1)利用离子电流法可以测出平均火焰传播速度,该方法简单、易行、快捷、准确,可行性高。

(2)对于CH4/空气混合气预混燃烧,在过量空气系数为0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1时,利用离子电流法测得的平均火焰传播速度分别为1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相对于纹影法的误差分别为1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%。

(3)对于过量空气系数为0.8的CH4/空气/H2混合气预混燃烧,在掺氢比为0%～80%(10%递增)时,利用离子电流法测得的平均火焰传播速度分别为2.022、2.142、2.432、2.647、2.951、3.396、4.286、5.806、8.182 m/s,相对于纹影法的误差都在5%之内。

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(编辑 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。

刘兵(1989—),男,硕士生;高忠权(通信作者),男,讲师。

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)。

时间:2014-10-31

10.7652/xjtuxb201501007

TK431

A

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

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