面向離子電流檢測(cè)的火焰內(nèi)電子輸運(yùn)機(jī)理研究

董光宇，王?澤，黃國(guó)釗，倪孝慈，吳志軍，李理光

面向離子電流檢測(cè)的火焰內(nèi)電子輸運(yùn)機(jī)理研究

董光宇，王?澤，黃國(guó)釗，倪孝慈，吳志軍，李理光

(同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804)

離子電流檢測(cè)技術(shù)有望解決未來(lái)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)實(shí)時(shí)診斷及精準(zhǔn)反饋難題．業(yè)內(nèi)對(duì)陽(yáng)離子在離子電流形成中的作用已有較多研究，但對(duì)電子所扮演角色還缺乏系統(tǒng)分析及原理認(rèn)知．本研究基于所構(gòu)建的電子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)平衡假設(shè)估計(jì)方法，估計(jì)了電子在火焰內(nèi)的遷移率及擴(kuò)散系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)．進(jìn)而構(gòu)建了定容燃燒彈離子電流形成機(jī)理模型，分析了不同外電場(chǎng)配置下火焰內(nèi)電子的輸運(yùn)機(jī)制．得出結(jié)論在1kV的低電壓下，火焰內(nèi)電子以雙極擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)；而在20kV的高電壓下，電子以單極擴(kuò)散的形式，越過(guò)火焰鋒面區(qū)域并到達(dá)探針附近．

離子電流；電子；動(dòng)力學(xué)平衡假設(shè)；遷移率；輸運(yùn)機(jī)理

我國(guó)《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖2.0》中明確指出，發(fā)展車(chē)用內(nèi)燃機(jī)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，是我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的重要保障，直接關(guān)系我國(guó)碳達(dá)峰以及碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1-2]．然而，在以高壓縮比/稀薄燃燒為典型特征的未來(lái)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)上，爆震包括超級(jí)爆震等燃燒不穩(wěn)定問(wèn)題凸顯，已成為制約其熱效率提升的主要因素[3-4]．鑒于非正常燃燒循環(huán)的發(fā)生具有隨機(jī)性和循環(huán)間歇性[5-7]，開(kāi)發(fā)缸內(nèi)燃燒的直接檢測(cè)手段，對(duì)未來(lái)新型高壓縮比/稀薄燃燒加以精確控制，已成為近年來(lái)的業(yè)內(nèi)共識(shí)[8-9]．但是，內(nèi)燃機(jī)發(fā)展?至今，可大規(guī)模應(yīng)用的缸內(nèi)燃燒直接檢測(cè)系統(tǒng)仍未?成熟．

離子電流檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)被業(yè)界認(rèn)為是一種最具潛力的缸內(nèi)燃燒直接檢測(cè)手段[10]．碳?xì)淙剂先紵婋x所產(chǎn)生的自由離子及電子，在外電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)并在電流檢測(cè)探頭兩極間形成電流，即所謂離子電流[11]．在內(nèi)燃機(jī)上，火花塞或加熱塞可直接用作檢測(cè)探頭，而外電場(chǎng)源則可通過(guò)車(chē)載電源或點(diǎn)火模塊獲得[12]．這使得該檢測(cè)方法具有天然“兼容”于內(nèi)燃機(jī)的特性，且實(shí)現(xiàn)成本極低，這是其相比于缸壓傳感器等其他缸內(nèi)燃燒檢測(cè)裝置的巨大優(yōu)勢(shì)所在[13-14]．

但是，該檢測(cè)技術(shù)自提出以來(lái)，一直受到信號(hào)信噪比低、探頭檢測(cè)受局部火焰影響大、燃燒參數(shù)定量檢測(cè)難等問(wèn)題困擾，迄今無(wú)法走向應(yīng)用[15-17]．以往離子電流研究主要集中于陽(yáng)離子形成及運(yùn)動(dòng)過(guò)程研究，對(duì)電子所扮演角色，還缺乏系統(tǒng)的分析手段和原理認(rèn)知[18]．這極大限制了新一代離子電流檢測(cè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)以及該技術(shù)在未來(lái)高效發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒反饋與診斷方面的實(shí)際應(yīng)用．

針對(duì)上述問(wèn)題，Butt等[19]認(rèn)為，掌握火焰內(nèi)電子在外電場(chǎng)下的輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)理及其影響規(guī)律，是解決上述瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵．以此為基礎(chǔ)，則有望通過(guò)外電場(chǎng)的調(diào)節(jié)，改變電子的輸運(yùn)方式及運(yùn)動(dòng)特性，提高離子電流信號(hào)的檢測(cè)能力及其定量反饋燃燒信息的能力，實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒信息的可靠檢測(cè)與反饋．本文提出基于玻爾茲曼方程直接求解方法，估計(jì)電子在火焰內(nèi)的能量密度分布及遷移率等關(guān)鍵參數(shù)．進(jìn)而構(gòu)建了定容燃燒彈離子電流形成機(jī)理模型，分析了不同外電場(chǎng)配置下火焰內(nèi)電子的輸運(yùn)機(jī)制，進(jìn)而探究未來(lái)離子電流檢測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)形式與發(fā)展技術(shù)途徑．

1?試驗(yàn)裝置

由上文可知，探究火焰內(nèi)電子的輸運(yùn)機(jī)制，需結(jié)合離子電流信號(hào)受探頭檢測(cè)位置影響情況加以分析．針對(duì)這一需求，本研究在定容燃燒彈上進(jìn)行了試驗(yàn)分析．定容燃燒彈燃燒室形狀為圓柱形，測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，定容彈具體規(guī)格見(jiàn)表1．定容燃燒彈分別在上、左、右3個(gè)位置開(kāi)孔，可伸入探針或火花塞，為本實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)提供了便利．

此外，在實(shí)驗(yàn)中配備了高速紋影攝像機(jī)對(duì)火焰發(fā)展情況進(jìn)行拍攝，進(jìn)而與所采集到的離子電流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析．試驗(yàn)采用甲烷作為燃料．試驗(yàn)采集的點(diǎn)火信號(hào)、壓力信號(hào)和離子電流信號(hào)通過(guò)National Industry公司NI6250的采集卡進(jìn)行采集和處理．

圖1?定容燃燒彈試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

表1?定容燃燒彈的基本參數(shù)

Tab.1 Basicparametersof constant volume combustion chamber

2?火焰離子電流模型

2.1?甲烷火焰電離機(jī)理

本研究甲烷化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型采用加州大學(xué)伯克利分校等提出的GRI Mech[20]．該機(jī)理包含53個(gè)組分、325個(gè)基元反應(yīng)．針對(duì)甲烷燃燒過(guò)程中的離子反應(yīng)，則采用Warnatz等[21]提出的一種包含11個(gè)組分、65個(gè)基元反應(yīng)的碳?xì)浠衔锘鹧骐x子反應(yīng)機(jī)理．基于上述機(jī)理，采用基于誤差傳遞的直接關(guān)系圖法(DRGEP)和全組分敏感性分析(FSSA)進(jìn)行簡(jiǎn)化，機(jī)理及驗(yàn)證詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[22]．據(jù)此，獲得33個(gè)組分、173個(gè)基元反應(yīng)的簡(jiǎn)化模型．其主要帶電組分反應(yīng)步驟見(jiàn)表2．由表可見(jiàn)，火焰內(nèi)的主要陽(yáng)離子為水合氫離子(H3O+)，而主要的陰離子為電子(e)．同時(shí)也考慮了與這兩個(gè)組分相關(guān)的其他組分，如(O-)、(O2-)、(CHO+)和(OH-)．

表2?主要離子化學(xué)反應(yīng)

Tab.2?Major ionic chemical reactions

初始混合氣溫度318K條件下，根據(jù)以上機(jī)理?所得的層流預(yù)混合氣內(nèi)部火焰離子濃度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2．

（a）不同當(dāng)量比

（b）不同初始?jí)毫?/p>

圖2 不同邊界條件下主要帶電組分最大燃燒物質(zhì)的量濃度變化

Fig.2 Variation of maximum combustion concentration of main charged components under different boundary conditions

由圖中可以看到，火焰中主要帶電組分即為(H3O+)和(e)(兩者曲線(xiàn)基本重合)，兩者的峰值物質(zhì)的量濃度量級(jí)均在(10-10kmol/m3)左右，該濃度隨當(dāng)量比增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，而隨壓力的變化則呈增加趨勢(shì)．本研究后續(xù)火焰內(nèi)離子及電子的輸運(yùn)分析將在本機(jī)理基礎(chǔ)上進(jìn)行．

2.2?火焰內(nèi)帶電組分輸運(yùn)參數(shù)分析

火焰內(nèi)的中性組分的運(yùn)動(dòng)幾乎不受外電場(chǎng)影響，而帶電組分包括正負(fù)離子及電子，則會(huì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，期間帶電組分也會(huì)與中性組分產(chǎn)生碰撞，將動(dòng)量傳遞給中性組分，并可能最終影響整體火焰形態(tài)．此外，火焰內(nèi)離子的存在，也在一定程度上改變?cè)庵秒妶?chǎng)，進(jìn)而形成一種內(nèi)電場(chǎng)-外電場(chǎng)耦合的自洽電場(chǎng)，并影響帶電組分的分布及輸運(yùn)．針對(duì)以上過(guò)程，各組分，包括帶電組分及電子的遷移率及擴(kuò)散系數(shù)，則成為描述整個(gè)離子電流形成過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)．

由于中性組分幾乎不受外電場(chǎng)影響，其遷移率可設(shè)為零，中性組分間的擴(kuò)散系數(shù)由動(dòng)力學(xué)理論的Champman-Engkog公式得到，見(jiàn)式(1)．式中和分別為兩種組分的摩爾質(zhì)量，s,為兩種組分的碰撞截面積數(shù)據(jù)，A為阿伏伽德羅常數(shù)，為擴(kuò)散碰撞積分，是L-J勢(shì)阱深度的擬合函數(shù)．

對(duì)于質(zhì)量較大的帶電組分的擴(kuò)散系數(shù)分析時(shí)，如陽(yáng)離子H3O+和陰離子O2-，近似認(rèn)為它們的擴(kuò)散系數(shù)與它們未發(fā)生電離前的中性組分相近．而它們的遷移率，可以通過(guò)愛(ài)因斯坦關(guān)系式(Einstein’s relation)求得．這里又根據(jù)離子正負(fù)電性的不同，帶正電的離子遷移率設(shè)定為正，帶負(fù)電的離子遷移率設(shè)定為負(fù)．

對(duì)于電子組分的輸運(yùn)系數(shù)則有不同．相比于陽(yáng)離子，電子的質(zhì)量極微，荷質(zhì)比大3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，因此其在電場(chǎng)中的遷移速度遠(yuǎn)快于其他組分．Bisetti?等[22]提出采用熱動(dòng)力學(xué)平衡假設(shè)(kinetic equilibrium theory，KET)方法，進(jìn)行電子輸運(yùn)參數(shù)的計(jì)算，該方法在電場(chǎng)強(qiáng)度不大的條件下已經(jīng)得到充分驗(yàn)證．本研究根據(jù)KET方法，本研究中采用了一種電子的擴(kuò)散系數(shù)的簡(jiǎn)化方法，如式(2)所示．

2.3?火焰電學(xué)特性機(jī)理模型

綜合以上分析，整個(gè)火焰電學(xué)多物理場(chǎng)耦合模型的主體為Navier-Stokes方程組，包含流體的連續(xù)性、動(dòng)量守恒、能量守恒以及組分變化4個(gè)部分，并設(shè)置電場(chǎng)方程，對(duì)火焰內(nèi)帶電組分的輸運(yùn)過(guò)程加以分析，分別設(shè)置相應(yīng)4個(gè)方程(3)～(6)，方程組如下：

（a）電子擴(kuò)散系數(shù)

（b）電子遷移率

從上述方程中可以看出火焰內(nèi)帶電組分的輸運(yùn)對(duì)整體流動(dòng)所造成的影響，主要體現(xiàn)在對(duì)流體微元速度的影響，因此連續(xù)性方程(3)的整體形式未變．在動(dòng)量方程中增加了電場(chǎng)引起的體積力源項(xiàng)ef，用以描述該力對(duì)流體微元的動(dòng)量變化影響．在能量方程中，通過(guò)源項(xiàng)ef描述電場(chǎng)力對(duì)微元能量變化的影響，該項(xiàng)在低電壓、電場(chǎng)耦合能量較低情況下可以忽略．方程(6)是描述電場(chǎng)對(duì)組分輸運(yùn)過(guò)程的影響，其中ef為帶電組分在電場(chǎng)作用下對(duì)組分分布的影響源項(xiàng)．由于該項(xiàng)直接受到電場(chǎng)的影響，因此，在上述方程組外，該項(xiàng)需耦合一個(gè)電場(chǎng)方程組加以描述：

式中：方程(7)為ef的表達(dá)式．方程(8)中，ef代表受外電場(chǎng)力所引起的帶電組分遷移，M為該帶電組分的遷移率．方程(9)為Poisson方程，用于描述內(nèi)外電場(chǎng)耦合后的整體電場(chǎng)分布．至此，整個(gè)甲烷火焰電學(xué)機(jī)理模型構(gòu)建完畢．方程(3)～(6)采用Fluent軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，方程(7)～(9)則基于Fluent中用戶(hù)自定義方程(user defined function，UDF)功?能進(jìn)行編寫(xiě)，最終將電場(chǎng)方程與流場(chǎng)方程進(jìn)行耦合?求解．

2.4?幾何網(wǎng)格及劃分

本研究通過(guò)二維仿真，對(duì)定容燃燒彈中電場(chǎng)作用下離子電流形成過(guò)程進(jìn)行分析．二維計(jì)算平面選取在定容燃燒彈中心電極所處的圓形平面，如圖4所示的雙探針部位對(duì)稱(chēng)面．網(wǎng)格在長(zhǎng)電極附近區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，整個(gè)計(jì)算平面包括了118831個(gè)網(wǎng)格．

圖4?火焰多物理CFD模型的幾何網(wǎng)格及計(jì)算域

圖5給出了當(dāng)量比＝1、初始混合氣溫度318K條件下，采用定容彈中心探針點(diǎn)火時(shí)，本模型計(jì)算的火焰發(fā)展與實(shí)際火焰發(fā)展紋影圖形的對(duì)比，可以看到在不同時(shí)刻內(nèi)，本模型較好地預(yù)測(cè)了火焰的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，二者之間的火焰半徑、位置等宏觀參數(shù)存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系．據(jù)此，本研究將基于該多物理場(chǎng)模型，對(duì)火焰的電學(xué)特性及電子輸運(yùn)特性開(kāi)展進(jìn)一步研究.

（a）模型計(jì)算

（b）實(shí)際火焰

圖5?火焰紋影發(fā)展與多物理場(chǎng)模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)照

Fig.5 Comparison of flame schlieren development and prediction results from multiple physical field models

3?火焰內(nèi)電子輸運(yùn)及分布研究

3.1?低電壓情況下的離子電流特性

通過(guò)定容彈頂部火花塞點(diǎn)火，分析了低壓外電場(chǎng)條件下的火焰內(nèi)電子及陽(yáng)離子的分布情況，此時(shí)保持當(dāng)量比＝1、初始混合氣溫度318K和初始?jí)毫?.1MPa不變，在正極施加了1kV的電壓．選擇1kV電勢(shì)的原因，是因?yàn)?.1MPa壓力下，其對(duì)火焰外形及發(fā)展幾乎無(wú)影響，有利于對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析．1kV外電場(chǎng)環(huán)境中的火焰紋影在點(diǎn)火后20ms時(shí)如圖6(a)所示．在圖6(b)中，展示了此時(shí)電勢(shì)在流場(chǎng)內(nèi)的分布情況，可以看到此時(shí)計(jì)算得到的電勢(shì)分布基本來(lái)自于電勢(shì)為1kV的探針陽(yáng)極，這表明整個(gè)電場(chǎng)并未受到火焰內(nèi)電子及正負(fù)離子的影響.

（a）火焰紋影

（b）自洽電場(chǎng)

（c）陽(yáng)離子物質(zhì)的量濃度

（d）電子物質(zhì)的量濃度

圖6 1kV外電場(chǎng)環(huán)境中20ms時(shí)火焰紋影與仿真結(jié)果對(duì)比

Fig.6 Comparison of flame schlieren and simulation results at 20 ms in 1 kV external electric field envi-ronment

在此條件下，火焰內(nèi)電子和陽(yáng)離子的濃度的分布如圖6(c)所示．可以看到陽(yáng)離子和電子的濃度分布基本保持一致．然而，2.2部分電子輸運(yùn)系數(shù)分析中指出，電子在火焰內(nèi)的遷移能力比陽(yáng)離子高3～4個(gè)量級(jí)．這一結(jié)論與當(dāng)前的觀測(cè)現(xiàn)象不一致．造成這種不一致的原因，主要是由于陽(yáng)離子與電子之間的靜電力，使得二者相互吸引，并導(dǎo)致彼此分布趨于一致．這種正負(fù)帶電組分由于靜電力所造成的相互吸引、相互附著的擴(kuò)散方式，就是雙極擴(kuò)散．由于雙極擴(kuò)散效應(yīng)，電子即使具有極高的遷移能力，但仍不能脫離火焰鋒面附近的陽(yáng)離子生成區(qū)域．這一點(diǎn)可以通過(guò)多物理場(chǎng)模型計(jì)算過(guò)程加以形象地說(shuō)明，如圖7所示的中心點(diǎn)火火焰發(fā)展進(jìn)程．由2.3部分多物理場(chǎng)介紹可知，在點(diǎn)火最初時(shí)刻，電子及陽(yáng)離子的分布完全由火焰電離過(guò)程決定，此時(shí)二者在火焰鋒面附近的分布有微小差異．這一微小差異將會(huì)通過(guò)Poisson方程衍生出一個(gè)大的內(nèi)電場(chǎng)，并產(chǎn)生一個(gè)大電壓．此后，這一大內(nèi)電場(chǎng)反過(guò)來(lái)促使二者迅速收斂，并最終恢復(fù)到接近原來(lái)初始外電場(chǎng)的形態(tài)．這一現(xiàn)象進(jìn)一步驗(yàn)證了低電壓條件下，火焰內(nèi)電子以雙極擴(kuò)散方式運(yùn)動(dòng)，其分布對(duì)焰內(nèi)電場(chǎng)也幾乎沒(méi)有影響．

圖7?雙極性擴(kuò)散對(duì)總電場(chǎng)的影響

3.2?高電壓情況下的離子電流特性

通過(guò)定容彈頂部火花塞點(diǎn)火，對(duì)高電壓外電場(chǎng)條件下的火焰內(nèi)電子及陽(yáng)離子的分布情況進(jìn)行了分析，此時(shí)保持當(dāng)量比＝1、初始混合氣溫度318K不變，在正極施加了20kV的電壓．此時(shí)為保證電極間不會(huì)被擊穿，初始?jí)毫μ嵘?.3MPa．此時(shí)多物理場(chǎng)模型計(jì)算所得結(jié)果如圖8所示．

圖8(a)和圖8(b)分別為定容彈內(nèi)火焰溫度分布以及陽(yáng)離子分布．可以看到，此時(shí)的高電壓條件下，陽(yáng)離子的分布基本仍處在火焰前鋒面附近，其分布區(qū)域外緣與溫度分布圖接近．這種現(xiàn)象說(shuō)明，由于陽(yáng)離子的遷移率及擴(kuò)散系數(shù)均比較低，即便在較高電壓下，在火焰發(fā)展初期也未造成陽(yáng)離子分布以及火焰形態(tài)的明顯變化．然而圖8(c)中給出的電子分布則與陽(yáng)離子完全不同．此時(shí)的電子分布早已超出火焰鋒面區(qū)域，并已達(dá)到探針附近，此時(shí)正負(fù)極間已經(jīng)產(chǎn)生離子電流．換言之，此時(shí)電子已經(jīng)脫離了雙極擴(kuò)散的束縛，與陽(yáng)離子的移動(dòng)及分布已經(jīng)有明顯差異．從圖8(d)中可以看到，此時(shí)的外電場(chǎng)已經(jīng)完全不同于初始電場(chǎng)的分布，電子與陽(yáng)離子分布區(qū)域的差異，反過(guò)來(lái)已經(jīng)造成了電場(chǎng)的變形．這一結(jié)果表明，當(dāng)外電源電壓較高時(shí)，其對(duì)電子的作用力同正負(fù)帶電組分間的靜電力相差較小，進(jìn)而使得電子掙脫陽(yáng)離子的束縛．這種電子的擴(kuò)散方式，也即單極擴(kuò)散．在單極擴(kuò)散情況下，電子可以直接到達(dá)陽(yáng)極附近，并導(dǎo)致正負(fù)極間形成離子電流．這一現(xiàn)象也提供了一種新的可能，即在探針不接觸火焰鋒面的情況下，通過(guò)高外加電壓，檢測(cè)到離子電流．而這一點(diǎn)對(duì)開(kāi)發(fā)未來(lái)以火花塞為探頭的早燃及遠(yuǎn)端混合氣自燃早期檢測(cè)，提供了新的技術(shù)開(kāi)發(fā)途徑．

（a）溫度

（b）陽(yáng)離子物質(zhì)的量濃度

（c）電子物質(zhì)的量濃度

（d）自洽電場(chǎng)

圖8?20kV外電場(chǎng)環(huán)境中各參數(shù)在流場(chǎng)內(nèi)分布

Fig.8 Distribution diagram of parameters in 20kV ex-ternal electric field environment

4?結(jié)?論

本文基于一臺(tái)定容彈對(duì)火焰內(nèi)電子的輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了分析．通過(guò)火焰電學(xué)多物理場(chǎng)模型結(jié)合火焰紋影試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，對(duì)火焰內(nèi)的離子電流形成過(guò)程，尤其是電子輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下：

(1)構(gòu)建了電子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)平衡假設(shè)估計(jì)(KET)方法，估計(jì)了電子在火焰內(nèi)的遷移率及擴(kuò)散系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)．進(jìn)而構(gòu)建了定容彈燃燒離子電流形成機(jī)理模型，進(jìn)而分析了不同外電場(chǎng)配置下火焰內(nèi)電子的輸運(yùn)機(jī)制．

(2)外接偏置電壓較低條件下(1kV)，自洽電場(chǎng)并未明顯感受到火焰內(nèi)電子及正負(fù)離子分布的影響，火焰內(nèi)電子以雙極擴(kuò)散方式運(yùn)動(dòng)，其高遷移率和擴(kuò)散能力并未在輸運(yùn)過(guò)程中得到體現(xiàn)．

(3)外接偏置電壓較高條件下(20kV)，陽(yáng)離子的分布基本在火焰前鋒面附近，而電子則克服陽(yáng)離子的庫(kù)倫靜電力作用，以單極擴(kuò)散的形式，越過(guò)火焰鋒面區(qū)域并到達(dá)探針附近．

(4)綜合而言，在高電壓下電子的單極擴(kuò)散效應(yīng)，使得探針在還沒(méi)有接觸火焰鋒面的情況下就可檢測(cè)到了離子電流，這種現(xiàn)象對(duì)未來(lái)開(kāi)發(fā)以火花塞為探頭的末端混合氣自燃檢測(cè)，以及早燃/爆震的早期診斷，提供了新的技術(shù)路徑．

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Electron Transport Mechanism in Flame for Ion Current Detection

Dong Guangyu，Wang Ze，Huang Guozhao，Ni Xiaoci，Wu Zhijun，Li Liguang

(School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 201804，China)

Ion current detection technology is expected to solve the problems of real-time diagnosis and accurate feedback in the cylinder of spark ignition engine in the future. There have been many researches on the role of cations in ion current formation，but there is still a lack of systematic analysis of the role of electrons and knowledge of its principle. In this study，the key parameters，such as electron mobility and diffusion coefficient in flame，were estimated based on the proposed method of mechanical equilibrium hypothesis. Then the formation mechanism model of ion current in constant volume combustion chamber(CVCC)was constructed. The transport mechanism of electrons in flame under different external electric field configurations was analyzed. It is concluded that the electrons in flame move in the ambipolar diffusion mode at the voltage of 1kV. At the voltage of 20kV，electrons spread across the flame front region in a form of unipolar diffusion and reach the probe.

ion current；electrons；dynamic equilibrium hypothesis；mobility；transport mechanism

TK402

A

1006-8740(2023)06-0617-07

10.11715/rskxjs.R202309013

2023-03-22．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52176126)；南昌汽車(chē)創(chuàng)新研究院資助項(xiàng)目(TPD-TC202010-11).

董光宇(1980—??)，男，博士，副教授.

董光宇，G.dong@#edu.cn.

(責(zé)任編輯：隋韶穎)