同濟(jì)大學(xué) 馮良 李培華 金芮

火焰離子電流法檢測(cè)全預(yù)混燃燒狀態(tài)的應(yīng)用和探討

同濟(jì)大學(xué) 馮良 李培華 金芮

文章提出了一種全新的檢測(cè)全預(yù)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(yīng)用前景。

全預(yù)混燃燒 離子電流 空燃比檢測(cè)

完全預(yù)混式燃燒是指燃?xì)夂涂諝庠谥鹎邦A(yù)先按照化學(xué)當(dāng)量比混合均勻，到達(dá)燃燒區(qū)后混合物不再與外部空氣發(fā)生擴(kuò)散燃燒，瞬間燃燒完畢，具有容積熱強(qiáng)度高和污染物排放低的優(yōu)點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的全預(yù)混燃燒，關(guān)鍵在于保持合理、穩(wěn)定的空燃比。但是在實(shí)際應(yīng)用中，燃?xì)鉄嶂怠⒊煞肿兓蛘呖刂瓶諝馊細(xì)饣旌媳壤谋壤y失調(diào)等會(huì)造成空燃比與設(shè)計(jì)值不同，導(dǎo)致燃燒狀態(tài)變化，不能實(shí)現(xiàn)最佳的燃燒工況，影響其熱效率。因此應(yīng)用全預(yù)混燃燒時(shí)，需要對(duì)空燃比和燃燒狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)檢測(cè)空燃比的方法，是通過在煙道安裝煙氣分析設(shè)備，分析煙氣成分來間接的測(cè)量空燃比的判斷燃燒狀況。由于需要專門的煙氣分析設(shè)備，這種方法操作比較復(fù)雜并且成本較高，一定程度上也限制了全預(yù)混燃燒技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

兩個(gè)世紀(jì)以前，人們就發(fā)現(xiàn)了碳?xì)浠衔镌谌紵龝r(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱離子，使燃燒火焰具有電導(dǎo)性。上個(gè)世紀(jì) 90年代已廣泛使用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的離子電流法，正是基于這個(gè)原理提出的。其具體含義是指通過對(duì)氣缸內(nèi)油氣混合物燃燒產(chǎn)生的離子電流變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)油氣混合物的燃燒狀況，進(jìn)而通過控制系統(tǒng)改變空氣和燃油的混合比例，以達(dá)到閉環(huán)實(shí)時(shí)控制和優(yōu)化燃燒狀況的目的。目前，廣泛應(yīng)用于各種民用、工業(yè)燃燒器中的燃?xì)饣鹧鏅z測(cè)方法，則是指當(dāng)燃?xì)饣鹧嬉馔馔蝗幌鐣r(shí)，及時(shí)的通過火焰檢測(cè)器關(guān)閉燃?xì)怆姶砰y，切斷氣源，避免燃?xì)庑孤兑l(fā)的中毒或者爆炸事故。因此，本文設(shè)想可以將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)離子電流法應(yīng)用于燃?xì)馊A(yù)混燃燒狀態(tài)的檢測(cè)中，通過實(shí)時(shí)的檢測(cè)燃?xì)饣鹧骐娏髯兓瘉泶_定空燃比和火焰燃燒狀態(tài)。同時(shí)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(jī)理及研究現(xiàn)狀

氣體受到電場(chǎng)或熱能的作用，就會(huì)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(duì)它的引力而成為自由電子。同時(shí)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(diǎn)火、火核形成、火焰?zhèn)鞑サ热紵^程中由于氣體電離的作用會(huì)產(chǎn)生大量的自由電子、正負(fù)離子和自由基等帶電粒子，使燃?xì)饩哂幸欢ǖ碾妼?dǎo)性。在混合氣燃燒過程中，燃?xì)庠谔囟ǖ臅r(shí)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(xué)電離和熱電離等多種電離源綜合作用的十分復(fù)雜的形成過程。 燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生等大量離子。其基本反應(yīng)式：

其中典型的化學(xué)反應(yīng)為：

由于氣體的導(dǎo)電能力有限，需要在燃?xì)饣鹧媾c噴嘴之間附加一個(gè)直流電場(chǎng)，使帶電粒子沿電場(chǎng)方向移動(dòng)，正離子向陰極方向運(yùn)動(dòng)，電子和負(fù)離子向陽極方向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)形成離子電流。單位時(shí)間內(nèi)在電場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)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(qiáng)度與帶電離子濃度的這種正相關(guān)關(guān)系，也間接反應(yīng)了其與參與燃燒反應(yīng)的燃?xì)饪諝饣旌衔餄舛戎g的關(guān)系。我們知道，空燃比過大或者過小都會(huì)對(duì)燃燒造成不利影響，空燃比過大時(shí)，多余空氣會(huì)帶走熱量，降低熱效率；過小時(shí)，燃燒不充分。同理，當(dāng)空燃比過大時(shí)，多余的空氣會(huì)稀釋帶電離子濃度；過小時(shí)，由于未能充分反應(yīng)，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(shí)候，離子火焰電流達(dá)到峰值。這也是離子電流法應(yīng)用于判斷全預(yù)混燃燒空燃比的理論依據(jù)。

國內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)離子電流的產(chǎn)生機(jī)理和應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，但這些研究都是基于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞兩極之間離子電流的研究。由于內(nèi)燃機(jī)的構(gòu)造和作功原理，油氣混合物在內(nèi)燃機(jī)的燃燒也是間歇性的。目前可以查到的資料表明，用于實(shí)驗(yàn)測(cè)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(diǎn)燃油氣混合物或者燃?xì)饪諝饣旌衔铮涗洀娜紵_始階段到已燃區(qū)的離子電流變化。西安交通大學(xué)的吳筱敏等人對(duì)定容燃燒彈中點(diǎn)火電極附近離子信號(hào)的形成機(jī)理和測(cè)量方法做了大量的研。其研究結(jié)果表明，點(diǎn)火電極離子電流信號(hào)主要由火焰前鋒和火焰后區(qū)兩部分組成?；鹧媲颁h(燃燒開始階段)信號(hào)主要與電機(jī)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(hào)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(hào)隨著過余空氣系數(shù)有著相同的變化趨勢(shì)。圖1是一個(gè)典型的汽油機(jī)點(diǎn)火和燃燒時(shí)的離子電流波：

圖1 汽油機(jī)點(diǎn)火和燃燒時(shí)的離子電流波示意

可以看到，燃燒持續(xù)時(shí)間很短暫。離子信號(hào)分為三個(gè)階段，點(diǎn)火、火焰前鋒和火焰后區(qū)。點(diǎn)火階段由于火花塞放電，所以是負(fù)的反向脈沖。對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的優(yōu)化，對(duì)整個(gè)燃燒過程有著深入、細(xì)致的要求，因此需要詳細(xì)的分析從點(diǎn)火到火焰穩(wěn)定的每一個(gè)階段的火電電流狀況。因?yàn)檫@些離子信號(hào)包含了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的很多信息。對(duì)于一般的燃?xì)馊紵鱽碚f，燃燒開始階段和火焰?zhèn)鞑ルA段時(shí)間相對(duì)于穩(wěn)定持續(xù)的已燃燒階段非常短暫。因此，燃?xì)怆x子電流法應(yīng)著重于對(duì)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(jìn)行測(cè)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(yù)混燃燒空燃比的關(guān)系

通過分析煙氣成分來計(jì)算空燃比是分析燃燒器性能和排放指標(biāo)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(duì)離子電流值和煙氣成分進(jìn)行多次測(cè)量，然后利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法排除誤差，標(biāo)定此燃燒狀態(tài)下空燃比與火焰電流的關(guān)系。

測(cè)量離子電流的基本電路見圖2。

圖2 測(cè)量離子電流的基本電路

火焰燃燒時(shí)產(chǎn)生的離子在測(cè)量電極之間電動(dòng)勢(shì)E的作用下，會(huì)形成火焰電流。此時(shí)，可以將火焰看做阻值可變的燃?xì)怆娮鑂g。則整個(gè)電路的電流為：

由于火焰電流非常微弱，通常都是微安級(jí)。可以通過測(cè)量電阻R兩端的電壓值來標(biāo)定某一時(shí)刻的空燃比。

實(shí)際供給的空氣量V與理論空氣需要量V0之間的比值稱為過剩空氣系數(shù) ，即：

燃燒時(shí)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(dāng)燃燒產(chǎn)物主要是CO時(shí)，即：，則公式可以進(jìn)行簡(jiǎn)化。

3 結(jié)束語

與傳統(tǒng)檢測(cè)空燃比方法相比，燃?xì)怆x子電流法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)對(duì)于一款全預(yù)混燃燒器，在最佳工況下標(biāo)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(cè)空燃比變化，有利于全預(yù)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(hào)，可以在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)整個(gè)燃燒控制系統(tǒng)的自動(dòng)化，當(dāng)檢測(cè)到空燃比偏離設(shè)定值之后，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速即助燃空氣量，或者調(diào)節(jié)電動(dòng)比例閥，改變空燃比，實(shí)現(xiàn)燃燒控制系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)。

同濟(jì)大學(xué)燃?xì)饨萄惺夷壳罢铝τ诨诨鹧骐娏餍盘?hào)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?xì)馊紵O(shè)備借助于自動(dòng)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