火焰離子電流法檢測全預混燃燒狀態(tài)的應用和探討

同濟大學 馮良 李培華 金芮

火焰離子電流法檢測全預混燃燒狀態(tài)的應用和探討

同濟大學 馮良 李培華 金芮

文章提出了一種全新的檢測全預混燃燒空燃比的方法，并闡述了該方法的原理和操作步驟，分析了這種新方法的應用前景。

全預混燃燒 離子電流 空燃比檢測

完全預混式燃燒是指燃氣和空氣在著火前預先按照化學當量比混合均勻，到達燃燒區(qū)后混合物不再與外部空氣發(fā)生擴散燃燒，瞬間燃燒完畢，具有容積熱強度高和污染物排放低的優(yōu)點。要實現(xiàn)穩(wěn)定的全預混燃燒，關(guān)鍵在于保持合理、穩(wěn)定的空燃比。但是在實際應用中，燃氣熱值、成分變化或者控制空氣燃氣混合比例的比例閥失調(diào)等會造成空燃比與設計值不同，導致燃燒狀態(tài)變化，不能實現(xiàn)最佳的燃燒工況，影響其熱效率。因此應用全預混燃燒時，需要對空燃比和燃燒狀態(tài)進行監(jiān)測。傳統(tǒng)檢測空燃比的方法，是通過在煙道安裝煙氣分析設備，分析煙氣成分來間接的測量空燃比的判斷燃燒狀況。由于需要專門的煙氣分析設備，這種方法操作比較復雜并且成本較高，一定程度上也限制了全預混燃燒技術(shù)的應用和推廣。

兩個世紀以前，人們就發(fā)現(xiàn)了碳氫化合物在燃燒時，會產(chǎn)生熱離子，使燃燒火焰具有電導性。上個世紀 90年代已廣泛使用于汽車發(fā)動機行業(yè)的離子電流法，正是基于這個原理提出的。其具體含義是指通過對氣缸內(nèi)油氣混合物燃燒產(chǎn)生的離子電流變化實時監(jiān)測，來判斷發(fā)動機內(nèi)油氣混合物的燃燒狀況，進而通過控制系統(tǒng)改變空氣和燃油的混合比例，以達到閉環(huán)實時控制和優(yōu)化燃燒狀況的目的。目前，廣泛應用于各種民用、工業(yè)燃燒器中的燃氣火焰檢測方法，則是指當燃氣火焰意外突然熄滅時，及時的通過火焰檢測器關(guān)閉燃氣電磁閥，切斷氣源，避免燃氣泄露引發(fā)的中毒或者爆炸事故。因此，本文設想可以將汽車發(fā)動機離子電流法應用于燃氣全預混燃燒狀態(tài)的檢測中，通過實時的檢測燃氣火焰電流變化來確定空燃比和火焰燃燒狀態(tài)。同時論述了建立火焰電流與空燃比關(guān)系的方法。

1 火焰離子電流產(chǎn)生機理及研究現(xiàn)狀

氣體受到電場或熱能的作用，就會使中性氣體原子中的電子獲得足夠的能量，從而能夠克服原子核對它的引力而成為自由電子。同時中性的原子由于失去部分電子從而帶正電。通常把這種使中性的分子或原子釋放電子形成正離子的過程叫做氣體電離。

混合氣在火花點火、火核形成、火焰?zhèn)鞑サ热紵^程中由于氣體電離的作用會產(chǎn)生大量的自由電子、正負離子和自由基等帶電粒子，使燃氣具有一定的電導性。在混合氣燃燒過程中，燃氣在特定的時域呈現(xiàn)出等離子狀態(tài)，而這種等離子體的產(chǎn)生是由于高壓電離、化學電離和熱電離等多種電離源綜合作用的十分復雜的形成過程。 燃燒過程中會產(chǎn)生等大量離子。其基本反應式：

其中典型的化學反應為：

由于氣體的導電能力有限，需要在燃氣火焰與噴嘴之間附加一個直流電場，使帶電粒子沿電場方向移動，正離子向陰極方向運動，電子和負離子向陽極方向運動，就會形成離子電流。單位時間內(nèi)在電場內(nèi)移動的帶電粒子越多，也就是帶電離子濃度越大，電流就越明顯。電流強度與帶電離子濃度的這種正相關(guān)關(guān)系，也間接反應了其與參與燃燒反應的燃氣空氣混合物濃度之間的關(guān)系。我們知道，空燃比過大或者過小都會對燃燒造成不利影響，空燃比過大時，多余空氣會帶走熱量，降低熱效率；過小時，燃燒不充分。同理，當空燃比過大時，多余的空氣會稀釋帶電離子濃度；過小時，由于未能充分反應，燃燒過程并未能產(chǎn)生足夠多的帶電粒子。也就是說，在空燃比最佳的時候，離子火焰電流達到峰值。這也是離子電流法應用于判斷全預混燃燒空燃比的理論依據(jù)。

國內(nèi)外很多學者都對離子電流的產(chǎn)生機理和應用進行了大量的研究，但這些研究都是基于汽車發(fā)動機火花塞兩極之間離子電流的研究。由于內(nèi)燃機的構(gòu)造和作功原理，油氣混合物在內(nèi)燃機的燃燒也是間歇性的。目前可以查到的資料表明，用于實驗測試的研究的離子電流法也是在密閉定容燃燒器內(nèi)，通過電火花點燃油氣混合物或者燃氣空氣混合物，記錄從燃燒開始階段到已燃區(qū)的離子電流變化。西安交通大學的吳筱敏等人對定容燃燒彈中點火電極附近離子信號的形成機理和測量方法做了大量的研。其研究結(jié)果表明，點火電極離子電流信號主要由火焰前鋒和火焰后區(qū)兩部分組成。火焰前鋒(燃燒開始階段)信號主要與電機附近火核中的H3O+離子和自由電子濃度有關(guān)，火焰后區(qū)(已燃區(qū)階段)的信號主要與已燃區(qū)中高溫下激態(tài)的 NO+和自由電子濃度有關(guān)。兩部分的電流信號隨著過余空氣系數(shù)有著相同的變化趨勢。圖1是一個典型的汽油機點火和燃燒時的離子電流波：

圖1 汽油機點火和燃燒時的離子電流波示意

可以看到，燃燒持續(xù)時間很短暫。離子信號分為三個階段，點火、火焰前鋒和火焰后區(qū)。點火階段由于火花塞放電，所以是負的反向脈沖。對于汽車發(fā)動機工作狀態(tài)的優(yōu)化，對整個燃燒過程有著深入、細致的要求，因此需要詳細的分析從點火到火焰穩(wěn)定的每一個階段的火電電流狀況。因為這些離子信號包含了發(fā)動機運行的很多信息。對于一般的燃氣燃燒器來說，燃燒開始階段和火焰?zhèn)鞑ルA段時間相對于穩(wěn)定持續(xù)的已燃燒階段非常短暫。因此，燃氣離子電流法應著重于對火焰后區(qū)，即火焰已穩(wěn)定持續(xù)燃燒階段的離子電流進行測量和分析，以找到離子電流與燃燒狀態(tài)之間的關(guān)系。

2 建立火焰離子電流與全預混燃燒空燃比的關(guān)系

通過分析煙氣成分來計算空燃比是分析燃燒器性能和排放指標的常用方法。為了建立火焰電流和空燃比之間的關(guān)系，需要在燃燒器某一穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下，對離子電流值和煙氣成分進行多次測量，然后利用數(shù)理統(tǒng)計方法排除誤差，標定此燃燒狀態(tài)下空燃比與火焰電流的關(guān)系。

測量離子電流的基本電路見圖2。

圖2 測量離子電流的基本電路

火焰燃燒時產(chǎn)生的離子在測量電極之間電動勢E的作用下，會形成火焰電流。此時，可以將火焰看做阻值可變的燃氣電阻Rg。則整個電路的電流為：

由于火焰電流非常微弱，通常都是微安級?？梢酝ㄟ^測量電阻R兩端的電壓值來標定某一時刻的空燃比。

實際供給的空氣量V與理論空氣需要量V0之間的比值稱為過?？諝庀禂?shù) ，即：

燃燒時過剩空氣系數(shù)的確定：

上式忽略煙氣中的含硫成分。一般當燃燒產(chǎn)物主要是CO時，即：，則公式可以進行簡化。

3 結(jié)束語

與傳統(tǒng)檢測空燃比方法相比，燃氣離子電流法具有以下優(yōu)點：

(1)對于一款全預混燃燒器，在最佳工況下標定電流值，在之后燃燒器工作過程中，可以快速，有效地監(jiān)測空燃比變化，有利于全預混燃燒器的推廣使用；

(2)將燃燒器燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電信號，可以在此基礎上實現(xiàn)整個燃燒控制系統(tǒng)的自動化，當檢測到空燃比偏離設定值之后，通過調(diào)整風機轉(zhuǎn)速即助燃空氣量，或者調(diào)節(jié)電動比例閥，改變空燃比，實現(xiàn)燃燒控制系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)。

同濟大學燃氣教研室目前正致力于基于火焰電流信號的閉環(huán)燃燒控制系統(tǒng)研發(fā)，已取得階段性成果。相信在不久的將來，傳統(tǒng)的燃氣燃燒設備借助于自動化的發(fā)展能夠變得更加的節(jié)能、環(huán)保和高效。

Discussion on the Application of Flame Ion Current Method Detecting Whole Premixing Combustion Status

Tongji University Feng Liang Li Peihua Jin Rui

This paper presents a new method of detecting whole premixing combustion air-gas ratio, describes the principles and operational steps of the method, and analyzes its application prospect.

whole premixing combustion, ion current, air-gas ratio detection