排除法確定離子電流成因的試驗(yàn)

李春艷,張　功,劉　杰,高忠權(quán)

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西 西安710049；2.中國人民解放軍 65066部隊(duì),遼寧 沈陽110101；3.中國人民解放軍 63933部隊(duì),北京100091)

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排除法確定離子電流成因的試驗(yàn)

李春艷1,張功2,劉杰3,高忠權(quán)1

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西 西安710049；2.中國人民解放軍 65066部隊(duì),遼寧 沈陽110101；3.中國人民解放軍 63933部隊(duì),北京100091)

摘要:為了研究N/H/C元素與離子電流特征峰的關(guān)系及離子電流第3峰的成因,提出排除法.在不同點(diǎn)火方式和空燃比下,分別測量了碳?xì)淙剂显诤铣煽諝?氧/氮)和氧/氬混合氣中燃燒產(chǎn)生的離子電流,并以離子電流信號、燃燒壓力信號和火焰紋影照片為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析試驗(yàn).結(jié)果表明：測量電極與點(diǎn)火電極分開,可以避免點(diǎn)火信號的干擾,測量系統(tǒng)檢測不到離子電流第1峰；C元素主要影響離子電流第2峰,H和N元素主要影響第3峰；離子電流第3峰由火焰前鋒面帶電粒子被燃燒室壁面吸收與NO組分熱離子化共同作用產(chǎn)生.

關(guān)鍵詞：定容燃燒彈;離子電流;N/H/C元素;排除法

由上述可知,諸研究者在離子電流特征峰產(chǎn)生機(jī)理的闡述上存在著不同觀點(diǎn),尤其是關(guān)于第3峰的成因分歧較大,導(dǎo)致離子電流的測量原理的研究以及采用離子電流測量NOx排放的研究出現(xiàn)滯后.

另外,因受發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的限制,上述試驗(yàn)研究多是在小范圍內(nèi)改變電極結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行的,實(shí)際操作非常困難,并且發(fā)動(dòng)機(jī)可視化程度有限,不能實(shí)時(shí)觀察火焰發(fā)展變化,給試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理帶來一定難度.為了方便有效地研究離子電流特征峰的成因,本文試驗(yàn)在帶有可視化窗口的定容燃燒彈中進(jìn)行,加裝了長短不同的電極,通過改變試驗(yàn)系統(tǒng)的點(diǎn)火方式與測量方式,采用相同量的氬氣替換空氣中的氮?dú)庖耘懦齆元素；采用H2代替CH4以排除C元素等排除法確定N、H、C元素和離子電流之間的關(guān)系,并重點(diǎn)分析了包含豐富燃燒信息的離子電流第3峰的成因,為研究離子電流的產(chǎn)生機(jī)理提供參考.

1試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)裝置如圖1所示,包括容彈系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和測量系統(tǒng).定容燃燒彈外形為正方體,內(nèi)腔為Φ130 mm×108 mm的圓柱體,容積為1.57 L,其前后側(cè)面裝有厚15 cm的石英視窗玻璃可供光路通過,左右側(cè)面非對稱安裝了平行間距為15 mm的長短兩對電極(短電極伸入容彈52 mm,長電極伸入容彈76 mm),均可作為點(diǎn)火或測量電極,容彈頂端裝有壓力傳感器和進(jìn)排氣閥,容彈壁面接地.進(jìn)排氣系統(tǒng)主要由U形管、減壓閥、進(jìn)排氣閥和真空泵組成.點(diǎn)火系統(tǒng)包括時(shí)序控制電路、高壓點(diǎn)火線圈和電源.測量系統(tǒng)主要有：HG-100K高速攝像儀,用于拍攝燃料燃燒過程中火焰發(fā)展的紋影照片；DL750型數(shù)據(jù)采集儀,記錄Kistler 4075A10型壓力傳感器測得的壓力信號和離子電流測量電路測得的離子電流信號.

圖1　離子電流試驗(yàn)裝置Fig.1　Arrangement of ioncurrent test system

試驗(yàn)首先將容彈抽成真空,然后根據(jù)分壓定律配置初始溫度為285 K、壓力為0.096 MPa的可燃混合氣.待混合氣混合均勻后高壓點(diǎn)火線圈將能量傳給電極并點(diǎn)燃混合氣,混合氣點(diǎn)燃后會(huì)形成大量的帶電粒子,在偏置電壓(400 V)的作用下產(chǎn)生離子電流.數(shù)字采集儀記錄壓力曲線并同時(shí)記錄電阻(6.4 kΩ)上的離子電流信號,計(jì)算機(jī)記錄火焰發(fā)展照片.燃燒結(jié)束后用真空泵將殘余廢氣抽出.

考慮到電極與離子電流之間的關(guān)系,試驗(yàn)中共有5種不同的點(diǎn)火和測量組合方式：長點(diǎn)長測,長電極作為點(diǎn)火電極的同時(shí)也作為離子電流測量電極；長點(diǎn)短測,長電極用于點(diǎn)火,短電極作為測量電極；短點(diǎn)長測,短電極用于點(diǎn)火,長電極作為測量電極；短點(diǎn)短測,短電極作為點(diǎn)火電極的同時(shí)也作為測量電極；雙點(diǎn)短測,長短兩對電極均用于點(diǎn)火,短電極作為測量電極.

2試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

2.1不同元素對離子電流特征峰形成的貢獻(xiàn)

2.1.1N元素對離子電流第3峰形成的貢獻(xiàn)關(guān)于甲烷在空氣中燃燒產(chǎn)生離子電流的相關(guān)研究較多[12-13],得到的離子電流曲線都包含點(diǎn)火階段、前鋒區(qū)和焰后區(qū),故本文只選取一組雙點(diǎn)短測方式下甲烷在空氣中燃燒時(shí)的離子電流,簡單說明典型的離子電流特征,同時(shí)也方便后續(xù)的分析比較,如圖2(a)所示,圖中t為離子電流的出現(xiàn)時(shí)間，I為離子電流，p為壓力.離子電流曲線包含點(diǎn)火階段、前鋒區(qū)和焰后區(qū)；并標(biāo)出了相應(yīng)階段的峰值位置：離子電流第1峰、第2峰、第3峰.本文定義I1、I2和I3分別為離子電流第1、第2、第3峰峰值,tI1、tI2和tI3分別表示離子電流第1、第2、第3峰峰值時(shí)刻,pp和tp分別為壓力峰值和峰值時(shí)刻.

如圖2(b)所示給出了與圖2(a)相同點(diǎn)火和測量方式下甲烷在氧/氬混合氣中燃燒時(shí)的離子電流和壓力曲線.由圖2(b)可知,離子電流在沒有氮?dú)鈪⑴c燃燒的情況下在壓力峰值附近仍出現(xiàn)了離子電流第3峰.因此,可得出一個(gè)重要結(jié)論：離子電流第3峰不是完全由NO熱離子化產(chǎn)生的帶電粒子主導(dǎo)形成.

如表1所示給出了CH4在空氣和在氧/氬混合氣中燃燒的特征參數(shù)的具體比較.發(fā)現(xiàn)CH4在氧/氬混合氣中燃燒的I2和I3比在空氣中燃燒的值分別降低71.96、141.78 μA,tI2和tI3分別滯后7.71、7.28 ms出現(xiàn),pp增加了75.54 kPa,離子電流第3峰峰值時(shí)刻與壓力峰值時(shí)刻的時(shí)間差增大3.79 ms.由此可知,相比于氬元素,氮元素可增大離子電流第2峰和第3峰的幅值,尤其是第3峰幅值,并使這2個(gè)階段相應(yīng)的峰值時(shí)刻提前出現(xiàn),說明氮元素在燃燒過程中加快了燃料燃燒的進(jìn)程；氮元素參與了燃燒的中間過程,NO熱離子化生成的NOx對離子電流第3峰的貢獻(xiàn)集中在壓力峰值附近.

圖2　CH4在不同混合氣燃燒的離子電流與壓力曲線Fig.2　Ion current curves and pressure curves under combustion of different gases and CH4

燃料I2/μAI3/μApp/kPatI2/mstI3/mstp/ms甲烷/空氣100.27275.91569.4140.9861.6966.98甲烷/氧/氬28.31134.13644.9548.6968.9778.05參數(shù)差值-71.96-141.7875.54-7.71-7.2811.07

圖3　H2在不同混合氣中燃燒的離子電流與壓力曲線Fig.3　Ion current curves and pressure curves under combustion of different gases

2.1.2H、C元素對離子電流特征峰的貢獻(xiàn)如圖3所示為長點(diǎn)短測方式下氫氣在空氣中和氧/氬混合氣中燃燒產(chǎn)生的離子電流和壓力曲線,圖3與圖2的測量方式相同,便于比較.由圖中可知,圖3(a)的離子電流第3峰峰值比圖2(a)高出了1 025 μA；圖3(b)的離子電流第3峰峰值比圖2(b)高出720 μA,這主要是H元素對離子電流第3峰的貢獻(xiàn),因?yàn)镹O熱離子化產(chǎn)生的NOx是高溫的產(chǎn)物,H元素可加快火焰?zhèn)鞑ズ吞岣呷紵艧崧?所以H元素對離子電流的影響出現(xiàn)在壓力峰值附近.從圖2(a)與3(a)相比可以看出,圖2(a)有明顯的離子電流第2峰,圖3(a)沒有離子電流第2峰,因?yàn)閳D3(a)中燃料沒有C元素,所以可得知與C元素相關(guān)的CHO+等離子對離子電流第2峰的貢獻(xiàn)很大,其主要體現(xiàn)在火焰前鋒面上.

2.2火焰前鋒面碰壁對離子電流第3峰的貢獻(xiàn)

由2.1.1節(jié)可知,NO熱離子化并不是離子電流第3峰的完全主導(dǎo)因素,但由于傳統(tǒng)的研究方法NO元素總是存在,無法給出火焰前鋒面碰壁對離子電流第3峰的貢獻(xiàn),故本節(jié)采用氧/氬混合氣代替空氣排出N元素的方法,討論了不同工況下CH4在氧/氬混合中燃燒產(chǎn)生的離子電流.

圖4　不同點(diǎn)火和測量方式下離子電流與壓力關(guān)系Fig.4　Relations of ion current and pressure under different ignition and measure styles

2.2.1不同點(diǎn)火方式下CH4在氧/氬混合氣中燃燒產(chǎn)生的離子電流如圖4所示給出了不同點(diǎn)火和測量方式下甲烷在氧/氬混合氣中燃燒測量得到的離子電流與壓力曲線及火焰紋影照片,圖4(a)～(d)的點(diǎn)火和測量方式分別為長點(diǎn)長測、長點(diǎn)短測、短點(diǎn)短測和短點(diǎn)長測.圖中火焰紋影照片中1～6依次表示離子電流曲線上的6個(gè)特征時(shí)刻：點(diǎn)火發(fā)生時(shí)刻、離子電流快速上升時(shí)刻、離子電流第2峰、離子電流第1次到達(dá)波谷、離子電流第3峰及壓力達(dá)到最大值時(shí)刻.

通過對比圖4中離子電流和火焰紋影照片,可以看出,1點(diǎn)位置處長點(diǎn)長測圖(a)和短點(diǎn)短測圖(c)均有明顯的點(diǎn)火信號,長點(diǎn)短測圖(b)和短點(diǎn)長測圖(d)沒有明顯的點(diǎn)火信號；2點(diǎn)位置處離子電流迅速增長,此時(shí)火焰前鋒面已經(jīng)很接近容彈電極所在的壁面,在向壁面?zhèn)鞑サ倪^程中；3點(diǎn)位置處離子電流出現(xiàn)了前鋒區(qū)的峰值,即離子電流第2峰,此時(shí)火焰前鋒面已經(jīng)到達(dá)容彈電極左側(cè)的壁面,但是還未到達(dá)電極右側(cè)的壁面；4點(diǎn)位置是離子電流的波谷,壓力的升高速度也開始明顯降低,火焰前鋒面剛剛接觸到容彈壁面的中部,沒有完全覆蓋容彈壁面；5點(diǎn)位置出現(xiàn)了離子電流第3峰,此時(shí)火焰前鋒面已經(jīng)到達(dá)容彈電極右側(cè)壁面,火焰完全覆蓋了容彈,此時(shí)壓力還未達(dá)到最大值；6點(diǎn)是壓力的最大值點(diǎn),此時(shí)燃燒已經(jīng)基本結(jié)束；在圖a～d中,離子電流第3峰峰值信號均比壓力最大值信號提前出現(xiàn)10 ms以上.

從以上分析可知,測量電極與點(diǎn)火電極分開,可避免點(diǎn)火信號的干擾.火焰前鋒面完全接觸容彈壁面時(shí),離子電流出現(xiàn)第3峰峰值,由于此時(shí)的燃料中沒有氮?dú)?所以進(jìn)一步驗(yàn)證了上小節(jié)提出的重要結(jié)論：離子電流第3峰峰值形成的另一個(gè)主導(dǎo)因素是火焰前鋒面?zhèn)鞑サ饺輳棻诿骐姌O,帶電粒子被容彈壁面吸收.由于火焰前鋒面很薄(約2 mm左右[14]),由碰壁引起的離子電流第3峰是在火焰前鋒面與壁面接觸面積達(dá)到最大時(shí)刻產(chǎn)生,火焰與壁面接觸過程面積變化詳細(xì)內(nèi)容參見文獻(xiàn)[11,15].火焰碰壁產(chǎn)生的焰后區(qū)時(shí)間上比與NO熱離子化產(chǎn)生的焰后區(qū)提前,故離子電流焰后區(qū)是這2個(gè)信號的疊加.因此,離子電流第3峰是由火焰碰壁和NO熱離子化共同主導(dǎo)產(chǎn)生的.

圖5　不同空燃比下CH4在氧/氬混合氣中燃燒的離子電流和壓力曲線Fig.5　Ion current curves and pressure curves under combustion of CH4/ oxygen/argon

圖6　不同空燃比下CH4在氧/氬混合氣中燃燒測得的離子電流第3峰與壓力最大值點(diǎn)的關(guān)聯(lián)比較Fig.6　Comparison of value of ion current third peak and maximal pressure under combustion of CH4/ oxygen/argon

2.2.2不同空燃比下CH4在氧/氬混合氣中燃燒過程產(chǎn)生的離子電流如圖5所示給出了不同空燃比λ下甲烷在氧/氬混合氣中燃燒產(chǎn)生的離子電流和壓力曲線(雙點(diǎn)短測).由圖5可知,當(dāng)空燃比為1.2～1.6時(shí),甲烷在氧/氬混合氣中燃燒均出現(xiàn)了離子電流第3峰.如圖6所示給出了不同空燃比下CH4在氧/氬混合氣中燃燒測得的離子電流第3峰與壓力最大值點(diǎn)的關(guān)聯(lián)比較(雙點(diǎn)短測).從圖6中可以看出,離子電流第3峰峰值與壓力峰值呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,相應(yīng)的峰值時(shí)刻也呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,且離子電流第3峰值時(shí)刻始終早于壓力峰值時(shí)刻.這進(jìn)一步證實(shí)了火焰碰壁對離子電流第3峰形成的重要貢獻(xiàn).如圖7所示給出了長點(diǎn)長測方式下不同空燃比下CH4在氧/氬混合氣中燃燒測得的離子電流第3峰與壓力最大值點(diǎn)的關(guān)聯(lián)比較,同樣證明了火焰碰壁對離子電流第3峰形成的重要貢獻(xiàn).

圖7　不同空燃比下CH4在氧/氬混合氣中燃燒測得的離子電流第3峰與壓力最大值點(diǎn)的關(guān)聯(lián)比較Fig.7　Comparison of value of ion current third peak and maximal pressure under combustion of CH4/ oxygen/argon

3結(jié)論

(1)點(diǎn)火電極與測量電極分開,可以避免點(diǎn)火信號的干擾；C元素主要作用于離子電流前鋒區(qū),主要體現(xiàn)在火焰前鋒面；N和H元素主要作用于離子電流焰后區(qū),N元素對子離子電流焰后區(qū)峰值的貢獻(xiàn)集中在壓力峰值附近.

(2)在不同點(diǎn)火和測量方式及空燃比下,甲烷在氧/氬中燃燒均出現(xiàn)了離子電流焰后區(qū)峰值,且與壓力峰值呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系,說明火焰碰壁對焰后區(qū)離子電流形成有重要貢獻(xiàn).

(3)離子電流焰后區(qū)由火焰前鋒面內(nèi)帶電粒子被燃燒室壁面吸收與NO組分熱離子化共同作用產(chǎn)生,這一結(jié)論對離子電流法測量發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放及非正常燃燒具有重要意義.

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Experiments on causes of characteristic peaks of ion current using exclusive method

LI Chun-yan1, ZHANG Gong2,LIU Jie3, GAO Zhong-quan1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China；2.Troop65066,People’sLiberationArmy,Shenyang110101,China；3.Troop63933,People’sLiberationArmy,Beijing100091,China)

Abstract:The effects of N/H/C chemical elements on ion current characteristic peaks and the cause of the third peak of ion current were investigated using exclusive method. Ion current generated during combustion of hydrocarbon fuel/air or hydrocarbon fuel/oxygen/argon in a constant combustion bomb was measured under different ignition styles and air-fuel ratio. Experimental results were analyzed based on ion current curves and pressure curves and flame schlieren pictures. Results show that when measuring electrode is separated from ignition electrode, the first peak of ion current can’t be measured. Carbon element obviously affects the second peak of ion current and hydrogen and nitrogen element mainly act the third peak. The third peak of ion current is caused by charged particles of front flame absorbed by the chamber wall and thermal ionization of NO.

Key words:constant volume combustion bomb; ion current; N/H/C element; exclusive method

收稿日期：2015-04-16.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51306143)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(xjj2013001).

作者簡介：李春艷(1990-)，女，碩士生, 從事發(fā)動(dòng)機(jī)測量等研究. 0000-0002-9806-7371. E-mail：aimili1314@stu.xjtu.edu.cn通信聯(lián)系人：高忠權(quán)，男，講師. 0000-0002-5279-4952. E-mail：gaozq@mail.xjtu.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.023

中圖分類號：TK 431

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-973X(2016)05-0978-06