離子電流法測量CH4/H2混合氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炑芯?/h1>
2015-12-26 05:57:45劉兵李春艷孫天旗段浩高忠權(quán)吳筱敏
西安交通大學(xué)學(xué)報 2015年1期
劉兵,李春艷,孫天旗,段浩,高忠權(quán),吳筱敏
(西安交通大學(xué)內(nèi)燃機研究所,710049,西安)
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離子電流法測量CH4/H2混合氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炑芯?/p>
劉兵,李春艷,孫天旗,段浩,高忠權(quán),吳筱敏
(西安交通大學(xué)內(nèi)燃機研究所,710049,西安)
在定容燃燒彈上布置一對測量電極,運用離子電流法、根據(jù)燃燒火焰在接觸測量電極時刻的離子電流信號值,對不同工況下CH4/空氣及其摻氫混合氣的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行了計算,并與傳統(tǒng)光學(xué)紋影法測得的火焰速度進行了對比。結(jié)果表明:對于CH4/空氣混合氣預(yù)混燃燒火焰,在過量空氣系數(shù)分別為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時,利用離子電流法測得的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對紋影法誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%;對于過量空氣系數(shù)為0.8的CH4/H2燃料,在摻氫比為0%～80%(10%遞增)的情況下,離子電流法測得的火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬τ诩y影法的誤差均在5%之內(nèi)。該結(jié)果為離子電流法的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量提供了理論、實驗依據(jù),測量方法簡單易行、快捷準(zhǔn)確、可行性高。
火焰?zhèn)鞑ニ俣?離子電流;定容燃燒彈;天然氣摻氫
近年來,汽車保有量的急劇增長,能源短缺和汽車排放問題更加突出,尋找清潔高效的發(fā)動機替代燃料成為研究者關(guān)注的課題。層流燃燒是燃燒領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一,是湍流燃燒研究的基礎(chǔ),是燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理研究的重要內(nèi)容[1]。在發(fā)動機領(lǐng)域,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢栽诶碚撋项A(yù)測氣缸內(nèi)燃燒的過程及燃燒排放物的生成,對于指導(dǎo)和改進發(fā)動機的性能具有重要的理論和工程應(yīng)用價值。因此,很多研究者對不同替代燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行了測量和研究,如Hu等人對天然氣及天然氣摻氫、甲醇、二甲醚等替代燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行了測量[2-5],但目前的測量方法都是利用高速攝影的方法,基于球形火焰擴散理論,通過記錄定容燃燒彈中球形膨脹火焰的半徑變化來實現(xiàn)。這種“光學(xué)法”對實驗設(shè)備要求很高,計算工作量很大,直接應(yīng)用于燃燒的在線檢測難度很大。
離子電流法作為一種新型的發(fā)動機在線測量方法,具有快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)點。目前,離子電流法研究主要集中在離子電流與燃燒壓力[6-7]、空燃比[8]、電極幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)[9-10]等的關(guān)系,以及非正常燃燒(爆震、失火、早火、后火等[11-13])的檢測診斷等方面,關(guān)于離子電流與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系研究很少。因此,本文在定容燃燒彈中布置了一對測量電極,通過測量不同工況下CH4/空氣及其摻氫混合氣燃燒的離子電流信號來計算平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?以期為利用離子電流法測量層流火焰?zhèn)鞑ニ俣忍峁├碚撘罁?jù)。
1 實驗裝置
圖1為實驗系統(tǒng)布置圖。整個實驗系統(tǒng)由定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、點火控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、紋影與攝像系統(tǒng)組成。圖2為定容燃燒彈結(jié)構(gòu)和離子電流測量電路。定容燃燒彈內(nèi)腔為Φ130 mm×130 mm的不銹鋼圓柱體,并裝有內(nèi)徑為114 mm、外徑為130 mm、長為130 mm的柱狀聚四氟乙烯絕緣套;定容彈兩側(cè)面裝有厚度為15 mm的圓形石英玻璃,為紋影攝像系統(tǒng)拍攝火焰圖像提供光路。實驗所用高速攝像機為美國REDLAKE公司生產(chǎn)的HG-100K型高速攝像機,實驗中拍攝速度為5 000幅/s;采用Kistler 4075A10型壓電式低壓絕對壓力傳感器,用于記錄燃燒壓力的變化。容彈中心布置了兩對電極,垂直安裝的一對由聚四氟乙烯包裝的電極為不銹鋼材料的點火電極,用于點燃可燃混合氣,點火電極負極與容彈壁面相連并同接地;水平安裝的一對直徑為4 mm的柱狀電極為鐵材質(zhì)的測量電極,用于測量火焰?zhèn)鞑ブ岭姌O時的離子電流信號。左右兩測量電極外端分別接地,內(nèi)端與容彈中心的距離分別記為L1、L2。為保證測量的準(zhǔn)確性,兩測量電極的內(nèi)端均在火焰穩(wěn)定發(fā)展區(qū)域,即:要求L1大于5 mm,以消除點火對火焰發(fā)展穩(wěn)定性的影響;要求L2小于45 mm,盡量在近容彈中心和遠容彈中心均布置測量電極,以保證測量的普適性;L2-L1不宜太小(本文實驗設(shè)備下在15～25 mm之間),以保證離子電流特征信號的準(zhǔn)確獲取。綜合以上要求,本實驗中取L1=23 mm、L2=41 mm。直流電源電壓U=350 V,加在點火電極兩端,同時利用了高壓硅堆阻斷點火時的高壓,以防止點火高壓對測量電路的干擾。
圖1 實驗系統(tǒng)布置圖
圖2 定容燃燒彈結(jié)構(gòu)和離子電流測量電路圖
實驗在常溫、常壓下進行,根據(jù)分壓定律計算值和水銀壓力計讀數(shù)來配制不同過量空氣系數(shù)和摻氫比的可燃混合氣。配氣完畢后靜置2 min,待氣體混合均勻后點燃混合氣,點火的同時觸發(fā)高速攝像系統(tǒng)及壓力傳感器,記錄下火焰發(fā)展的紋影照片及容彈內(nèi)壓力的變化。離子電流測量系統(tǒng)用來測量燃燒的離子電流信號,所測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀同步采集并記錄。燃燒結(jié)束后用真空泵抽出容彈內(nèi)的廢氣,并用新鮮空氣多次沖洗內(nèi)腔,以減小殘余廢氣對下次配氣的影響。
2 實驗結(jié)果分析
2.1 離子電流及火焰發(fā)展
圖3、4分別為CH4和CH4摻氫20%(體積分數(shù))且在過量空氣系數(shù)為0.9的空氣中燃燒的離子電流和壓力曲線及對應(yīng)的火焰發(fā)展照片。從圖中可以看出,兩種燃料的離子電流曲線在形態(tài)上很相似,說明不同燃料在燃燒過程中測得的離子電流具有相同的特征。因此,本文選取圖3中CH4燃燒的離子電流、壓力曲線及對應(yīng)的火焰發(fā)展照片進行分析。圖中紋影照片標(biāo)記的數(shù)字1～8與離子電流標(biāo)記的數(shù)字1～8是對應(yīng)的火焰圖片采集時刻,記為ti(i=1,2,3,…,8)。定義離子電流由點火信號、火焰前鋒區(qū)和焰后區(qū)3階段組成(見圖3)。點火時間對應(yīng)圖3中0 ms～t1,該區(qū)間信號由火花放電產(chǎn)生,幅值較高,此時火核剛形成(見圖3中t1火焰照片)。前鋒區(qū)離子電流信號分為以下幾段。
t1～t2段:火焰接觸點火電極的非絕緣部分時產(chǎn)生離子電流,此時火焰開始發(fā)展,燃燒的溫度和壓力較低,化學(xué)離子化程度較低,點火電極較細,火焰與電極接觸面積較小,所以離子電流較小[10]。
t2～t3段:離子電流出現(xiàn)了第一次上升,此時火焰正好接觸到左側(cè)測量電極,因左、右兩測量電極與點火電極負極同接地,并與點火電極的正極形成通路,所以離子通過左側(cè)測量電極形成離子電流。由于火焰前鋒面有一定的厚度,前鋒面從剛接觸左側(cè)測量電極到完全越過電極歷時約0.8 ms(見圖3中t2～t3處),這段時間的長短由此時火焰前鋒面的厚度和火焰?zhèn)鞑ニ俣裙餐瑳Q定。
t3～t4段:火焰與左測量電極完全接觸,火焰開始傳播,離子電流趨于穩(wěn)定,形成第一個平臺狀電流(見圖3中t3～t4處),幅值約1.5 μA。
t4～t5段:離子電流出現(xiàn)了第二次上升,此時火焰開始接觸到右側(cè)測量電極,火焰與兩測量電極同時接觸,引起離子電流疊加,使得離子電流又上升了一個臺階,產(chǎn)生第二個平臺狀電流(見圖4中t5～t6處),幅值約3 μA。該平臺離子電流約為第一個平臺的2倍。t4～t5段時間同樣是由此時火焰前鋒面的厚度及火焰的傳播速度決定。
隨著燃燒的進行,越來越多的燃料參與燃燒,壓力開始上升,容彈內(nèi)的離子濃度逐漸增大,離子電流呈上升趨勢,至t7處產(chǎn)生第一個峰值,此時火焰剛好傳播到容彈內(nèi)壁面壓力傳感器處。由于壓力傳感器為導(dǎo)電的鋼材料并與點火電極負極、容彈壁面同接地,燃燒過程中產(chǎn)生的帶電粒子被壓力傳感器吸收,進而形成離子電流。隨著容彈內(nèi)壓力的迅速增大,溫度迅速升高,在壓力峰值附近離子電流產(chǎn)生第二個峰值(見圖4中t8處),此時燃燒反應(yīng)基本結(jié)束,電離能較低的NO(9.25 eV)在高溫高壓下經(jīng)過熱離子化產(chǎn)生NO+,從而導(dǎo)致了焰后區(qū)離子電流產(chǎn)生[14]。
圖3 CH4燃燒時的離子電流和壓力曲線及對應(yīng)的火焰發(fā)展照片
圖4 摻氫20%CH4燃燒時的離子電流和壓力曲線及對應(yīng)的火焰發(fā)展照片
2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎惴椒?/p>
2.2.1 離子電流法 火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侵富鹧媲颁h面相對于靜止燃燒室壁面?zhèn)鞑サ慕^對速度[1],因此定容燃燒彈中火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕c火焰在碰壁前的前鋒區(qū)的火焰?zhèn)鞑ビ嘘P(guān)。離子電流法在計算火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r主要依據(jù)t1～t6段的離子電流信息。由上所述,離子電流在t2～t3段和t4～t5段的突變分別對應(yīng)火焰?zhèn)鞑サ阶蟆⒂覝y量電極邊緣的位置,受火焰前鋒面厚度的影響,本文采用1/2時間點取法計算兩位置時刻,即
tf=(t2+t3)/2
(1)
tr=(t4+t5)/2
(2)
其大小反映了火焰?zhèn)鞑サ目炻?。已知左、右?cè)測量電極至容彈中心距離分別為L1=23 mm、L2=41 mm,如圖5所示,根據(jù)離子電流信息可測出該段時間火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣?/p>
(3)
圖5 數(shù)據(jù)獲取示意圖
2.2.2 紋影法 根據(jù)紋影法可獲得火焰半徑ru隨傳播時間t的變化;根據(jù)球形火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n的定義(火焰半徑ru對時間t的導(dǎo)數(shù))可知,ru-t曲線的瞬時斜率的變化可反映火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?見式(4));除早期燃燒階段(0～2 ms)外,火焰半徑與時間基本呈線性關(guān)系[2-3]。由于擬合后ru與t為線性關(guān)系,所以取其斜率可作為平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?。由紋影法測量獲得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?/p>
Sn=dru/dt
(4)
(5)
式中:ru取水平方向上左右火焰前鋒面間距的1/2,即ru=D/2,D由紋影照片確定(見圖5);k為ru與t的線性擬合直線的斜率。
以紋影法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葹闃?biāo)準(zhǔn),計算離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊恼`差為
(6)
由此可論證離子電流法在測量火焰平均傳播速度時的可行性。
2.3 不同工況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>
2.3.1 CH4/空氣在不同過量空氣系數(shù)下的火焰?zhèn)鞑ニ俣葓D6為采用紋影法在不同過量空氣系數(shù)λ下CH4/空氣預(yù)混層流燃燒的火焰半徑隨燃燒時間的變化,圖中直線為半徑對時間的線性擬合結(jié)果。從圖中可看出,在所取范圍內(nèi),所有工況下火焰半徑隨燃燒時間的發(fā)展基本上是線性的,其斜率為紋影法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?在λ為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時k分別為1.737、1.977、2.302、2.331、2.123、1.655 m/s。
圖7為tf、tr及兩者差值Δt與λ的關(guān)系。從圖中可看出,tf、tr及Δt均在λ=0.9時最小,0.9>λ>0.9時增大,與平均火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮〉淖兓喾?表明該參數(shù)可反映火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?/p>
圖6 采用紋影法在不同過量空氣系數(shù)下火焰半徑隨燃燒時間的變化
圖7 tf、tr及兩者差值Δt隨λ的變化
圖8為不同過量空氣系數(shù)下離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌渑c紋影法測量結(jié)果的對比。從圖中可看出,離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仍讦藶?.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時分別為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對于紋影法的誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%,除λ為1.1外其余的誤差均在5%以內(nèi),表明在實驗誤差范圍內(nèi),利用離子電流法測量平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仁强尚械摹?/p>
圖8 不同過量空氣系數(shù)下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^
2.3.2 不同摻氫比下CH4/H2合成氣燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣?圖9為不同摻氫比下λ為0.8時CH4/空氣/H2混合氣燃燒的火焰半徑隨燃燒時間的變化,圖中直線為半徑對時間的線性擬合結(jié)果。從圖中可看出,在所取火焰半徑范圍內(nèi),不同摻氫比下火焰半徑與燃燒時間之間仍然存在線性關(guān)系,直線斜率隨摻氫比的增加而增大,表明平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S摻氫比的增加而增大,摻氫比為0%～80%(10%遞增)時k分別為2.123、2.221、2.464、2.755、3.054、3.549、4.389、5.608、8.067 m/s。
圖9 不同摻氫比下火焰半徑隨時間的變化
圖10為tf、tr及兩者差值Δt隨摻氫比的變化。從圖中可看出,tf、tr及Δt隨摻氫比的增加均不斷減小,與平均火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮〉淖兓喾?表明了平均火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大,可反映火焰?zhèn)鞑タ炻淖兓?/p>
圖10 tf、tr及兩者差值Δt隨摻氫比的變化
圖11為不同摻氫比下離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌渑c紋影法測得結(jié)果的對比。從圖中可看出,離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仍趽綒浔葹?%～80%(10%遞增)時分別為2.022、2.142、2.432、2.647、2.951、3.396、4.286、5.806、8.182 m/s,相對紋影法的誤差分別為4.734%、3.521%、1.284%、3.935%、3.383%、4.316%、2.357%、3.531%、1.418%,均在5%以內(nèi),表明在該工況下離子電流法可較準(zhǔn)確地測量出平均火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖11 不同摻氫比下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^
2.3.3 測量誤差分析 以上測量結(jié)果表明:利用本文離子電流法對于CH4和CH4/H2兩種燃料在不同工況下測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬y影法的誤差基本都在5%以內(nèi),滿足火焰測量的要求,表明該方法對于火焰速度的測量是可行的。
由離子電流法測量原理可知,若測量電極的位置已定,即L2-L1為定值,則從離子電流信號中提取的參數(shù)為tf和tr,因此誤差的主要來源是tf和tr的準(zhǔn)確程度,以及點火電極、測量電極及離子電流測量電路等實驗設(shè)備。
減小測量誤差除了從改善實驗裝置上入手,如設(shè)計更好的測量電極和點火電極,改進離子電流測量電路以獲取更好的離子電流信號以外,還要從信號處理入手,如采取更好的方法來取代1/2時間點取法,以獲取更為準(zhǔn)確的tf和tr。
3 結(jié) 論
(1)利用離子電流法可以測出平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?該方法簡單、易行、快捷、準(zhǔn)確,可行性高。
(2)對于CH4/空氣混合氣預(yù)混燃燒,在過量空氣系數(shù)為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時,利用離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對于紋影法的誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%。
(3)對于過量空氣系數(shù)為0.8的CH4/空氣/H2混合氣預(yù)混燃燒,在摻氫比為0%～80%(10%遞增)時,利用離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為2.022、2.142、2.432、2.647、2.951、3.396、4.286、5.806、8.182 m/s,相對于紋影法的誤差都在5%之內(nèi)。
[1] 周龍保. 內(nèi)燃機學(xué) [M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011: 91.
[2] HU E, HUANG Z, HE J, et al. Experimental and numerical study on laminar burning characteristics of premixed methane-hydrogen-air flames [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(11): 4876-4888.
[3] HUANG Z, ZHANG Y, ZENG K, et al. Measurements of laminar burning velocities for natural gas-hydrogen-air mixtures [J]. Combustion and Flame, 2006, 146(1): 302-311.
[4] ZHANG X, HUANG Z. Measurements of laminar burning velocities and flame stability analysis for dissociated methanol-air-diluent mixtures at elevated temperatures and pressures [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(11): 4862-4875.
[5] CHEN Z, WEI L, HUANG Z, et al. Measurement of laminar burning velocities of dimethyl ether-air premixed mixtures with N2and CO2dilution [J]. Energy & Fuels, 2009, 23(2): 735-739.
[6] GAO Z, WU X, HUANG Z, et al. The interdependency between the maximal pressure and ion current in a spark-ignition engine [J]. International Journal of Engine Research, 2013, 14(4): 320-332.
[7] ZHENG S, ZHANG X, SHEN Z. Study on cycle-by-cycle variations of ion current integral and pressure in spark ignition engine [C]∥IEEE International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2011: 3404-3407.
[8] ABHIJIT A, NABER J, GEORGE G. Correlation analysis of ionization signal and air fuel ratio for a spark ignited engine, SAE 2009-01-0584 [R]. New York, USA: SAE, 2009.
[9] WU X, GAO Z, JIANG D, et al. Experimental investigation of the effect of electrodes on the ionization current during combustion [J]. Energy & Fuels, 2008, 22(5): 2941-2947.
[10]高忠權(quán), 吳筱敏, 向往, 等. 電極幾何參數(shù)對離子電流影響的試驗研究 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2008, 42(1): 36-40. GAO Zhongquan, WU Xiaomin, XIANG Wang, et al. Experimental study on influence of electrode geometrical parameters on ionization current [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2008, 42(1): 36-40.
[11]SUN Y, YUAN Z, LI S, et al. An investigation on the relationship between engine knock and amplitude characteristics of spark plug’s ionic current signals [C]∥IEEE International Conference on Electric Information and Control Engineering. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2011: 5683-5686.
[12]張棲玉, 張志永, 李從躍, 等. 基于離子電流積分信號的HCCI失火控制 [J]. 汽車工程, 2011(10): 850-854. ZHANG Qiyu, ZHANG Zhiyong, LI Congyue, et al. HCCI misfire control based on ion current integral signal [J]. Automotive Engineering, 2011(10): 850-854.
[13]周竹杰, 魏若男, 周蓉芳, 等. 離子電流法在不正常點火中的實驗?zāi)M [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2013, 47(1): 43-47. ZHOU Zhujie, WEI Ruonan, ZHOU Rongfang, et al. Experimental simulation on detection of abnormal ignition using ionic current method [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2013, 47(1): 43-47.
[14]邢建國, 許滄粟, 孫優(yōu)賢. 火花塞離子電流信號及其在發(fā)動機檢測和控制中的應(yīng)用 [J]. 內(nèi)燃機工程, 2001(3): 70-73, 79. XING Jianguo, XU Cangsu, SUN Youxian. Spark plug gap ion current and its application in engine diagnosis and control [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2001(3): 70-73, 79.
[本刊相關(guān)文獻鏈接]
段浩,房建峰,孫天旗,等.不同電極結(jié)構(gòu)下電場對甲烷/空氣火焰的影響.2014,48(9):62-67.[doi:10.7652/xjtuxb2014 09011]
魏若男,周蓉芳,周竹杰,等.雙電極點火時間間隔對天然氣-空氣預(yù)混合氣層流燃燒的影響.2014,48(1):7-12.[doi:10.7652/xjtuxb201401002]
康嬋,楊星,劉杰,等.負電場下點電極和網(wǎng)狀電極對預(yù)混稀燃火焰的影響.2014,48(1):31-36.[doi:10.7652/xjtuxb 201401006]
孟祥文,楊星,康嬋,等.直流電場對預(yù)混CH4/O2/N2火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊懙脑囼炑芯?2013,47(7):13-17.[doi:10.7652/xjtuxb201307003]
唐安東,孟祥文,周蓉芳,等.非均勻電場對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊?2012,46(9):16-20.[doi:10.7652/xjtuxb201209004]
周蓉芳,魏若男,周竹杰,等.點火能量對天然氣空氣預(yù)混合氣層流燃燒的影響.2012,46(7):21-25.[doi:10.7652/xjtuxb201207005]
劉德新,劉斌.二次噴油優(yōu)化直噴汽油機冷啟動排放特性的研究.2012,46(1):13-18.[doi:10.7652/xjtuxb201201003]
鞏靜,金春,姜雪,等.高辛烷值燃料-空氣預(yù)混層流燃燒特性研究.2009,43(5):26-30.[doi:10.7652/xjtuxb200905006]
陳亙,陳朝陽,黃佐華,等.二甲醚-氫氣-空氣混合氣預(yù)混燃燒的實驗研究.2008,42(5):542-545.[doi:10.7652/xjtuxb 200805007]
(編輯 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。
劉兵(1989—),男,碩士生;高忠權(quán)(通信作者),男,講師。
國家自然科學(xué)基金資助項目(51306143);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(xjj2013001)。
時間:2014-10-31
10.7652/xjtuxb201501007
TK431
A
0253-987X(2015)01-0040-06
網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141031.1642.006.html
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劉兵,李春艷,孫天旗,段浩,高忠權(quán),吳筱敏
(西安交通大學(xué)內(nèi)燃機研究所,710049,西安)
?
離子電流法測量CH4/H2混合氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炑芯?/p>
劉兵,李春艷,孫天旗,段浩,高忠權(quán),吳筱敏
(西安交通大學(xué)內(nèi)燃機研究所,710049,西安)
在定容燃燒彈上布置一對測量電極,運用離子電流法、根據(jù)燃燒火焰在接觸測量電極時刻的離子電流信號值,對不同工況下CH4/空氣及其摻氫混合氣的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行了計算,并與傳統(tǒng)光學(xué)紋影法測得的火焰速度進行了對比。結(jié)果表明:對于CH4/空氣混合氣預(yù)混燃燒火焰,在過量空氣系數(shù)分別為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時,利用離子電流法測得的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對紋影法誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%;對于過量空氣系數(shù)為0.8的CH4/H2燃料,在摻氫比為0%～80%(10%遞增)的情況下,離子電流法測得的火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬τ诩y影法的誤差均在5%之內(nèi)。該結(jié)果為離子電流法的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量提供了理論、實驗依據(jù),測量方法簡單易行、快捷準(zhǔn)確、可行性高。
火焰?zhèn)鞑ニ俣?離子電流;定容燃燒彈;天然氣摻氫
近年來,汽車保有量的急劇增長,能源短缺和汽車排放問題更加突出,尋找清潔高效的發(fā)動機替代燃料成為研究者關(guān)注的課題。層流燃燒是燃燒領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一,是湍流燃燒研究的基礎(chǔ),是燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理研究的重要內(nèi)容[1]。在發(fā)動機領(lǐng)域,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢栽诶碚撋项A(yù)測氣缸內(nèi)燃燒的過程及燃燒排放物的生成,對于指導(dǎo)和改進發(fā)動機的性能具有重要的理論和工程應(yīng)用價值。因此,很多研究者對不同替代燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行了測量和研究,如Hu等人對天然氣及天然氣摻氫、甲醇、二甲醚等替代燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行了測量[2-5],但目前的測量方法都是利用高速攝影的方法,基于球形火焰擴散理論,通過記錄定容燃燒彈中球形膨脹火焰的半徑變化來實現(xiàn)。這種“光學(xué)法”對實驗設(shè)備要求很高,計算工作量很大,直接應(yīng)用于燃燒的在線檢測難度很大。
離子電流法作為一種新型的發(fā)動機在線測量方法,具有快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)點。目前,離子電流法研究主要集中在離子電流與燃燒壓力[6-7]、空燃比[8]、電極幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)[9-10]等的關(guān)系,以及非正常燃燒(爆震、失火、早火、后火等[11-13])的檢測診斷等方面,關(guān)于離子電流與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系研究很少。因此,本文在定容燃燒彈中布置了一對測量電極,通過測量不同工況下CH4/空氣及其摻氫混合氣燃燒的離子電流信號來計算平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?以期為利用離子電流法測量層流火焰?zhèn)鞑ニ俣忍峁├碚撘罁?jù)。
1 實驗裝置
圖1為實驗系統(tǒng)布置圖。整個實驗系統(tǒng)由定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、點火控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、紋影與攝像系統(tǒng)組成。圖2為定容燃燒彈結(jié)構(gòu)和離子電流測量電路。定容燃燒彈內(nèi)腔為Φ130 mm×130 mm的不銹鋼圓柱體,并裝有內(nèi)徑為114 mm、外徑為130 mm、長為130 mm的柱狀聚四氟乙烯絕緣套;定容彈兩側(cè)面裝有厚度為15 mm的圓形石英玻璃,為紋影攝像系統(tǒng)拍攝火焰圖像提供光路。實驗所用高速攝像機為美國REDLAKE公司生產(chǎn)的HG-100K型高速攝像機,實驗中拍攝速度為5 000幅/s;采用Kistler 4075A10型壓電式低壓絕對壓力傳感器,用于記錄燃燒壓力的變化。容彈中心布置了兩對電極,垂直安裝的一對由聚四氟乙烯包裝的電極為不銹鋼材料的點火電極,用于點燃可燃混合氣,點火電極負極與容彈壁面相連并同接地;水平安裝的一對直徑為4 mm的柱狀電極為鐵材質(zhì)的測量電極,用于測量火焰?zhèn)鞑ブ岭姌O時的離子電流信號。左右兩測量電極外端分別接地,內(nèi)端與容彈中心的距離分別記為L1、L2。為保證測量的準(zhǔn)確性,兩測量電極的內(nèi)端均在火焰穩(wěn)定發(fā)展區(qū)域,即:要求L1大于5 mm,以消除點火對火焰發(fā)展穩(wěn)定性的影響;要求L2小于45 mm,盡量在近容彈中心和遠容彈中心均布置測量電極,以保證測量的普適性;L2-L1不宜太小(本文實驗設(shè)備下在15～25 mm之間),以保證離子電流特征信號的準(zhǔn)確獲取。綜合以上要求,本實驗中取L1=23 mm、L2=41 mm。直流電源電壓U=350 V,加在點火電極兩端,同時利用了高壓硅堆阻斷點火時的高壓,以防止點火高壓對測量電路的干擾。
圖1 實驗系統(tǒng)布置圖
圖2 定容燃燒彈結(jié)構(gòu)和離子電流測量電路圖
實驗在常溫、常壓下進行,根據(jù)分壓定律計算值和水銀壓力計讀數(shù)來配制不同過量空氣系數(shù)和摻氫比的可燃混合氣。配氣完畢后靜置2 min,待氣體混合均勻后點燃混合氣,點火的同時觸發(fā)高速攝像系統(tǒng)及壓力傳感器,記錄下火焰發(fā)展的紋影照片及容彈內(nèi)壓力的變化。離子電流測量系統(tǒng)用來測量燃燒的離子電流信號,所測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀同步采集并記錄。燃燒結(jié)束后用真空泵抽出容彈內(nèi)的廢氣,并用新鮮空氣多次沖洗內(nèi)腔,以減小殘余廢氣對下次配氣的影響。
2 實驗結(jié)果分析
2.1 離子電流及火焰發(fā)展
圖3、4分別為CH4和CH4摻氫20%(體積分數(shù))且在過量空氣系數(shù)為0.9的空氣中燃燒的離子電流和壓力曲線及對應(yīng)的火焰發(fā)展照片。從圖中可以看出,兩種燃料的離子電流曲線在形態(tài)上很相似,說明不同燃料在燃燒過程中測得的離子電流具有相同的特征。因此,本文選取圖3中CH4燃燒的離子電流、壓力曲線及對應(yīng)的火焰發(fā)展照片進行分析。圖中紋影照片標(biāo)記的數(shù)字1～8與離子電流標(biāo)記的數(shù)字1～8是對應(yīng)的火焰圖片采集時刻,記為ti(i=1,2,3,…,8)。定義離子電流由點火信號、火焰前鋒區(qū)和焰后區(qū)3階段組成(見圖3)。點火時間對應(yīng)圖3中0 ms～t1,該區(qū)間信號由火花放電產(chǎn)生,幅值較高,此時火核剛形成(見圖3中t1火焰照片)。前鋒區(qū)離子電流信號分為以下幾段。
t1～t2段:火焰接觸點火電極的非絕緣部分時產(chǎn)生離子電流,此時火焰開始發(fā)展,燃燒的溫度和壓力較低,化學(xué)離子化程度較低,點火電極較細,火焰與電極接觸面積較小,所以離子電流較小[10]。
t2～t3段:離子電流出現(xiàn)了第一次上升,此時火焰正好接觸到左側(cè)測量電極,因左、右兩測量電極與點火電極負極同接地,并與點火電極的正極形成通路,所以離子通過左側(cè)測量電極形成離子電流。由于火焰前鋒面有一定的厚度,前鋒面從剛接觸左側(cè)測量電極到完全越過電極歷時約0.8 ms(見圖3中t2～t3處),這段時間的長短由此時火焰前鋒面的厚度和火焰?zhèn)鞑ニ俣裙餐瑳Q定。
t3～t4段:火焰與左測量電極完全接觸,火焰開始傳播,離子電流趨于穩(wěn)定,形成第一個平臺狀電流(見圖3中t3～t4處),幅值約1.5 μA。
t4～t5段:離子電流出現(xiàn)了第二次上升,此時火焰開始接觸到右側(cè)測量電極,火焰與兩測量電極同時接觸,引起離子電流疊加,使得離子電流又上升了一個臺階,產(chǎn)生第二個平臺狀電流(見圖4中t5～t6處),幅值約3 μA。該平臺離子電流約為第一個平臺的2倍。t4～t5段時間同樣是由此時火焰前鋒面的厚度及火焰的傳播速度決定。
隨著燃燒的進行,越來越多的燃料參與燃燒,壓力開始上升,容彈內(nèi)的離子濃度逐漸增大,離子電流呈上升趨勢,至t7處產(chǎn)生第一個峰值,此時火焰剛好傳播到容彈內(nèi)壁面壓力傳感器處。由于壓力傳感器為導(dǎo)電的鋼材料并與點火電極負極、容彈壁面同接地,燃燒過程中產(chǎn)生的帶電粒子被壓力傳感器吸收,進而形成離子電流。隨著容彈內(nèi)壓力的迅速增大,溫度迅速升高,在壓力峰值附近離子電流產(chǎn)生第二個峰值(見圖4中t8處),此時燃燒反應(yīng)基本結(jié)束,電離能較低的NO(9.25 eV)在高溫高壓下經(jīng)過熱離子化產(chǎn)生NO+,從而導(dǎo)致了焰后區(qū)離子電流產(chǎn)生[14]。
圖3 CH4燃燒時的離子電流和壓力曲線及對應(yīng)的火焰發(fā)展照片
圖4 摻氫20%CH4燃燒時的離子電流和壓力曲線及對應(yīng)的火焰發(fā)展照片
2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎惴椒?/p>
2.2.1 離子電流法 火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侵富鹧媲颁h面相對于靜止燃燒室壁面?zhèn)鞑サ慕^對速度[1],因此定容燃燒彈中火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕c火焰在碰壁前的前鋒區(qū)的火焰?zhèn)鞑ビ嘘P(guān)。離子電流法在計算火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r主要依據(jù)t1～t6段的離子電流信息。由上所述,離子電流在t2～t3段和t4～t5段的突變分別對應(yīng)火焰?zhèn)鞑サ阶蟆⒂覝y量電極邊緣的位置,受火焰前鋒面厚度的影響,本文采用1/2時間點取法計算兩位置時刻,即
tf=(t2+t3)/2
(1)
tr=(t4+t5)/2
(2)
其大小反映了火焰?zhèn)鞑サ目炻?。已知左、右?cè)測量電極至容彈中心距離分別為L1=23 mm、L2=41 mm,如圖5所示,根據(jù)離子電流信息可測出該段時間火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣?/p>
(3)
圖5 數(shù)據(jù)獲取示意圖
2.2.2 紋影法 根據(jù)紋影法可獲得火焰半徑ru隨傳播時間t的變化;根據(jù)球形火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n的定義(火焰半徑ru對時間t的導(dǎo)數(shù))可知,ru-t曲線的瞬時斜率的變化可反映火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?見式(4));除早期燃燒階段(0～2 ms)外,火焰半徑與時間基本呈線性關(guān)系[2-3]。由于擬合后ru與t為線性關(guān)系,所以取其斜率可作為平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?。由紋影法測量獲得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?/p>
Sn=dru/dt
(4)
(5)
式中:ru取水平方向上左右火焰前鋒面間距的1/2,即ru=D/2,D由紋影照片確定(見圖5);k為ru與t的線性擬合直線的斜率。
以紋影法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葹闃?biāo)準(zhǔn),計算離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊恼`差為
(6)
由此可論證離子電流法在測量火焰平均傳播速度時的可行性。
2.3 不同工況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>
2.3.1 CH4/空氣在不同過量空氣系數(shù)下的火焰?zhèn)鞑ニ俣葓D6為采用紋影法在不同過量空氣系數(shù)λ下CH4/空氣預(yù)混層流燃燒的火焰半徑隨燃燒時間的變化,圖中直線為半徑對時間的線性擬合結(jié)果。從圖中可看出,在所取范圍內(nèi),所有工況下火焰半徑隨燃燒時間的發(fā)展基本上是線性的,其斜率為紋影法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?在λ為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時k分別為1.737、1.977、2.302、2.331、2.123、1.655 m/s。
圖7為tf、tr及兩者差值Δt與λ的關(guān)系。從圖中可看出,tf、tr及Δt均在λ=0.9時最小,0.9>λ>0.9時增大,與平均火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮〉淖兓喾?表明該參數(shù)可反映火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?/p>
圖6 采用紋影法在不同過量空氣系數(shù)下火焰半徑隨燃燒時間的變化
圖7 tf、tr及兩者差值Δt隨λ的變化
圖8為不同過量空氣系數(shù)下離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌渑c紋影法測量結(jié)果的對比。從圖中可看出,離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仍讦藶?.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時分別為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對于紋影法的誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%,除λ為1.1外其余的誤差均在5%以內(nèi),表明在實驗誤差范圍內(nèi),利用離子電流法測量平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仁强尚械摹?/p>
圖8 不同過量空氣系數(shù)下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^
2.3.2 不同摻氫比下CH4/H2合成氣燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣?圖9為不同摻氫比下λ為0.8時CH4/空氣/H2混合氣燃燒的火焰半徑隨燃燒時間的變化,圖中直線為半徑對時間的線性擬合結(jié)果。從圖中可看出,在所取火焰半徑范圍內(nèi),不同摻氫比下火焰半徑與燃燒時間之間仍然存在線性關(guān)系,直線斜率隨摻氫比的增加而增大,表明平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S摻氫比的增加而增大,摻氫比為0%～80%(10%遞增)時k分別為2.123、2.221、2.464、2.755、3.054、3.549、4.389、5.608、8.067 m/s。
圖9 不同摻氫比下火焰半徑隨時間的變化
圖10為tf、tr及兩者差值Δt隨摻氫比的變化。從圖中可看出,tf、tr及Δt隨摻氫比的增加均不斷減小,與平均火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮〉淖兓喾?表明了平均火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大,可反映火焰?zhèn)鞑タ炻淖兓?/p>
圖10 tf、tr及兩者差值Δt隨摻氫比的變化
圖11為不同摻氫比下離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌渑c紋影法測得結(jié)果的對比。從圖中可看出,離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仍趽綒浔葹?%～80%(10%遞增)時分別為2.022、2.142、2.432、2.647、2.951、3.396、4.286、5.806、8.182 m/s,相對紋影法的誤差分別為4.734%、3.521%、1.284%、3.935%、3.383%、4.316%、2.357%、3.531%、1.418%,均在5%以內(nèi),表明在該工況下離子電流法可較準(zhǔn)確地測量出平均火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖11 不同摻氫比下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^
2.3.3 測量誤差分析 以上測量結(jié)果表明:利用本文離子電流法對于CH4和CH4/H2兩種燃料在不同工況下測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬y影法的誤差基本都在5%以內(nèi),滿足火焰測量的要求,表明該方法對于火焰速度的測量是可行的。
由離子電流法測量原理可知,若測量電極的位置已定,即L2-L1為定值,則從離子電流信號中提取的參數(shù)為tf和tr,因此誤差的主要來源是tf和tr的準(zhǔn)確程度,以及點火電極、測量電極及離子電流測量電路等實驗設(shè)備。
減小測量誤差除了從改善實驗裝置上入手,如設(shè)計更好的測量電極和點火電極,改進離子電流測量電路以獲取更好的離子電流信號以外,還要從信號處理入手,如采取更好的方法來取代1/2時間點取法,以獲取更為準(zhǔn)確的tf和tr。
3 結(jié) 論
(1)利用離子電流法可以測出平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?該方法簡單、易行、快捷、準(zhǔn)確,可行性高。
(2)對于CH4/空氣混合氣預(yù)混燃燒,在過量空氣系數(shù)為0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1時,利用離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相對于紋影法的誤差分別為1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%。
(3)對于過量空氣系數(shù)為0.8的CH4/空氣/H2混合氣預(yù)混燃燒,在摻氫比為0%～80%(10%遞增)時,利用離子電流法測得的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為2.022、2.142、2.432、2.647、2.951、3.396、4.286、5.806、8.182 m/s,相對于紋影法的誤差都在5%之內(nèi)。
[1] 周龍保. 內(nèi)燃機學(xué) [M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011: 91.
[2] HU E, HUANG Z, HE J, et al. Experimental and numerical study on laminar burning characteristics of premixed methane-hydrogen-air flames [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(11): 4876-4888.
[3] HUANG Z, ZHANG Y, ZENG K, et al. Measurements of laminar burning velocities for natural gas-hydrogen-air mixtures [J]. Combustion and Flame, 2006, 146(1): 302-311.
[4] ZHANG X, HUANG Z. Measurements of laminar burning velocities and flame stability analysis for dissociated methanol-air-diluent mixtures at elevated temperatures and pressures [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(11): 4862-4875.
[5] CHEN Z, WEI L, HUANG Z, et al. Measurement of laminar burning velocities of dimethyl ether-air premixed mixtures with N2and CO2dilution [J]. Energy & Fuels, 2009, 23(2): 735-739.
[6] GAO Z, WU X, HUANG Z, et al. The interdependency between the maximal pressure and ion current in a spark-ignition engine [J]. International Journal of Engine Research, 2013, 14(4): 320-332.
[7] ZHENG S, ZHANG X, SHEN Z. Study on cycle-by-cycle variations of ion current integral and pressure in spark ignition engine [C]∥IEEE International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2011: 3404-3407.
[8] ABHIJIT A, NABER J, GEORGE G. Correlation analysis of ionization signal and air fuel ratio for a spark ignited engine, SAE 2009-01-0584 [R]. New York, USA: SAE, 2009.
[9] WU X, GAO Z, JIANG D, et al. Experimental investigation of the effect of electrodes on the ionization current during combustion [J]. Energy & Fuels, 2008, 22(5): 2941-2947.
[10]高忠權(quán), 吳筱敏, 向往, 等. 電極幾何參數(shù)對離子電流影響的試驗研究 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2008, 42(1): 36-40. GAO Zhongquan, WU Xiaomin, XIANG Wang, et al. Experimental study on influence of electrode geometrical parameters on ionization current [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2008, 42(1): 36-40.
[11]SUN Y, YUAN Z, LI S, et al. An investigation on the relationship between engine knock and amplitude characteristics of spark plug’s ionic current signals [C]∥IEEE International Conference on Electric Information and Control Engineering. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2011: 5683-5686.
[12]張棲玉, 張志永, 李從躍, 等. 基于離子電流積分信號的HCCI失火控制 [J]. 汽車工程, 2011(10): 850-854. ZHANG Qiyu, ZHANG Zhiyong, LI Congyue, et al. HCCI misfire control based on ion current integral signal [J]. Automotive Engineering, 2011(10): 850-854.
[13]周竹杰, 魏若男, 周蓉芳, 等. 離子電流法在不正常點火中的實驗?zāi)M [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2013, 47(1): 43-47. ZHOU Zhujie, WEI Ruonan, ZHOU Rongfang, et al. Experimental simulation on detection of abnormal ignition using ionic current method [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2013, 47(1): 43-47.
[14]邢建國, 許滄粟, 孫優(yōu)賢. 火花塞離子電流信號及其在發(fā)動機檢測和控制中的應(yīng)用 [J]. 內(nèi)燃機工程, 2001(3): 70-73, 79. XING Jianguo, XU Cangsu, SUN Youxian. Spark plug gap ion current and its application in engine diagnosis and control [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2001(3): 70-73, 79.
[本刊相關(guān)文獻鏈接]
段浩,房建峰,孫天旗,等.不同電極結(jié)構(gòu)下電場對甲烷/空氣火焰的影響.2014,48(9):62-67.[doi:10.7652/xjtuxb2014 09011]
魏若男,周蓉芳,周竹杰,等.雙電極點火時間間隔對天然氣-空氣預(yù)混合氣層流燃燒的影響.2014,48(1):7-12.[doi:10.7652/xjtuxb201401002]
康嬋,楊星,劉杰,等.負電場下點電極和網(wǎng)狀電極對預(yù)混稀燃火焰的影響.2014,48(1):31-36.[doi:10.7652/xjtuxb 201401006]
孟祥文,楊星,康嬋,等.直流電場對預(yù)混CH4/O2/N2火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊懙脑囼炑芯?2013,47(7):13-17.[doi:10.7652/xjtuxb201307003]
唐安東,孟祥文,周蓉芳,等.非均勻電場對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊?2012,46(9):16-20.[doi:10.7652/xjtuxb201209004]
周蓉芳,魏若男,周竹杰,等.點火能量對天然氣空氣預(yù)混合氣層流燃燒的影響.2012,46(7):21-25.[doi:10.7652/xjtuxb201207005]
劉德新,劉斌.二次噴油優(yōu)化直噴汽油機冷啟動排放特性的研究.2012,46(1):13-18.[doi:10.7652/xjtuxb201201003]
鞏靜,金春,姜雪,等.高辛烷值燃料-空氣預(yù)混層流燃燒特性研究.2009,43(5):26-30.[doi:10.7652/xjtuxb200905006]
陳亙,陳朝陽,黃佐華,等.二甲醚-氫氣-空氣混合氣預(yù)混燃燒的實驗研究.2008,42(5):542-545.[doi:10.7652/xjtuxb 200805007]
(編輯 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。
劉兵(1989—),男,碩士生;高忠權(quán)(通信作者),男,講師。
國家自然科學(xué)基金資助項目(51306143);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(xjj2013001)。
時間:2014-10-31
10.7652/xjtuxb201501007
TK431
A
0253-987X(2015)01-0040-06
網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141031.1642.006.html
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