空燃比對(duì)離子電流信號(hào)的影響機(jī)理

朱登豪， 李 超， 董光宇， 鄧 俊， 胡宗杰， 李理光,2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院， 上海 201804； 2. 同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院， 上海 200092)

世界范圍內(nèi)汽車保有量的增加給能源供給和環(huán)境污染治理造成了巨大壓力，各國(guó)的油耗和排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn).缸內(nèi)燃燒質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放產(chǎn)生直接影響.離子電流信號(hào)能夠反映缸內(nèi)燃燒狀態(tài)，是一種有效的缸內(nèi)燃燒診斷與控制手段.與缸壓傳感器的高額成本和長(zhǎng)期使用的信號(hào)漂移問題相比，離子電流檢測(cè)技術(shù)成本較低，并且以火花塞為傳感器，無可靠性問題，近年來離子電流信號(hào)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒診斷與控制方面表現(xiàn)突出.利用離子電流信號(hào)可以對(duì)HCCI(homogeneous charge compression ignition)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒相位進(jìn)行閉環(huán)控制[1-2]，并且可以準(zhǔn)確診斷出失火、早燃和爆震等非正常燃燒現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)基于離子電流信號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前循環(huán)內(nèi)失火和爆震控制[3].

相比于耦合了復(fù)雜邊界條件的發(fā)動(dòng)機(jī)，定容燃燒彈具有可視化和邊界條件簡(jiǎn)單可控的優(yōu)點(diǎn)，是替代發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行基礎(chǔ)研究的理想裝置.高忠權(quán)等[6-9]對(duì)甲烷預(yù)混燃燒離子電流信號(hào)與層流火焰速度、火焰厚度、電極間隙和電極結(jié)構(gòu)的相關(guān)性做了細(xì)致的研究，研究結(jié)果表明,離子電流信號(hào)可用于計(jì)算平均層流火焰速度及火焰厚度，減小電極間隙或增大電極面積均能增強(qiáng)離子電流信號(hào)強(qiáng)度.Rao等[10]建立了簡(jiǎn)化的甲烷離子反應(yīng)機(jī)理模型，基于該模型對(duì)不同當(dāng)量比及初始?jí)毫ο碌碾x子電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)值模擬，其中離子電流信號(hào)相位與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但離子電流信號(hào)幅值與試驗(yàn)結(jié)果有所差距.Alquaity等[11]利用高精度質(zhì)譜儀對(duì)不同當(dāng)量比下甲烷-純氧-氬氣火焰中的陽離子進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)不同當(dāng)量比下火焰中的主要離子產(chǎn)物有所差異，但是濃度最高的陽離子均為H3O+.

空燃比作為影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒最重要的因素之一，其對(duì)離子電流信號(hào)同樣會(huì)產(chǎn)生影響.研究表明,隨著空燃比的增大，離子電流信號(hào)減弱，基于空燃比與離子電流信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以利用離子電流信號(hào)來對(duì)空燃比進(jìn)行閉環(huán)控制[12-13].然而已有試驗(yàn)通常在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，邊界條件復(fù)雜，對(duì)離子電流信號(hào)影響因素眾多，并且尚未對(duì)空燃比影響離子電流信號(hào)的機(jī)理開展研究與分析.

本文在一臺(tái)高壓定容燃燒彈上，以甲烷為燃料，研究了空燃比對(duì)離子電流信號(hào)的影響.通過建立甲烷預(yù)混燃燒離子反應(yīng)機(jī)理模型，對(duì)離子形成過程、濃度及分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)關(guān)鍵離子產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)路徑和反應(yīng)速率進(jìn)行了分析，從化學(xué)反應(yīng)機(jī)理層面解釋了空燃比對(duì)離子電流信號(hào)影響的機(jī)理.

1 試驗(yàn)臺(tái)架及離子電流信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)架由定容燃燒彈、恒溫控制系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、紋影及高速攝影系統(tǒng)組成，如圖1所示.定容燃燒彈視窗直徑80 mm，恒溫控制系統(tǒng)用于對(duì)彈體進(jìn)行加熱和保溫，防止壁面過冷導(dǎo)致燃燒后的廢氣迅速冷凝在視窗表面.進(jìn)氣過程由粗調(diào)閥和微調(diào)閥精密控制，試驗(yàn)中同時(shí)對(duì)點(diǎn)火信號(hào)、壓力信號(hào)和離子電流信號(hào)進(jìn)行采集.高速攝影機(jī)的分辨率為256像素×256像素，拍攝頻率為10 000幀·s-1，曝光時(shí)間5 μs.

圖1 定容燃燒彈試驗(yàn)臺(tái)架[14]

離子電流信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示，利用位于燃燒彈頂部的火花塞進(jìn)行點(diǎn)火，與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際點(diǎn)火位置更為接近，在中心對(duì)置電極上施加直流電壓，將測(cè)得的離子電流通過采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出.偏置電源的調(diào)節(jié)范圍為20～200 V，采樣電阻的調(diào)節(jié)范圍為0.1～2.0 MΩ.中心電極的材料為不銹鋼，直徑為0.8 mm，電極間隙為0.5 mm，電極負(fù)極與燃燒彈共同接地.

圖2 離子電流信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

2 離子反應(yīng)機(jī)理介紹

碳?xì)淙剂先紵呻x子和電子是離子電流檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ).研究表明，燃燒過程的離子反應(yīng)可以分為化學(xué)電離和熱電離，化學(xué)電離是由于化學(xué)重組釋放的能量引起產(chǎn)物的電離，當(dāng)電荷的生成、轉(zhuǎn)移和重組結(jié)束后，系統(tǒng)達(dá)到平衡，此時(shí)高溫使得部分燃燒產(chǎn)物發(fā)生熱電離.由于甲烷-空氣燃燒時(shí)的峰值溫度超過2 000 K，化學(xué)電離和熱電離過程均較為強(qiáng)烈，因此模擬過程中采用的離子反應(yīng)機(jī)理需同時(shí)包括化學(xué)電離機(jī)理和熱電離反應(yīng)機(jī)理.Dibble教授提出的包含9種離子組分(CHO+、H3O+、N+、N2+、NO+、O+、O2+、OH+、e)的離子反應(yīng)機(jī)理在眾多關(guān)于離子電流信號(hào)的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比中得到了驗(yàn)證[15-18]，并且包含了主要的化學(xué)電離產(chǎn)物及熱電離產(chǎn)物，其中化學(xué)電離共有5步反應(yīng)步驟，如表1所示，表中A為Arrhenius方程中的指前因子，b為溫度指數(shù)，E為活化能.熱電離共有42步.

表1 化學(xué)電離反應(yīng)式

GRI-Mech3.0是應(yīng)用最為廣泛的甲烷燃燒反應(yīng)機(jī)理，適用條件為:燃燒溫度1 000～2 500 K、壓力0.001～1 MPa、混合氣當(dāng)量比0.1～5.0[19]，本文試驗(yàn)工況滿足其適用條件.將GRI-Mech3.0與離子反應(yīng)機(jī)理結(jié)合，組成了包含62種組分、372個(gè)基元反應(yīng)的甲烷離子反應(yīng)機(jī)理.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)初始?jí)毫?.3 MPa，混合氣初始溫度為293 K，燃燒彈內(nèi)壁溫度控制在328 K，點(diǎn)火蓄能時(shí)間為5 ms，偏置電壓為100 V，采樣電阻為100 kΩ.混合氣的配制遵循道爾頓分壓定律.式(1)為CH4充氣壓力計(jì)算公式，式(2)為空氣充氣壓力計(jì)算公式.表2為不同過量空氣系數(shù)下的甲烷和空氣分壓.

(1)

(2)

式中：pCH4為CH4分壓；pair為空氣分壓；p0為混合氣初始?jí)毫?；λ為過量空氣系數(shù)；RA/F為化學(xué)計(jì)量比下的空氣與燃料質(zhì)量比；Mair為空氣的摩爾質(zhì)量；MCH4為CH4摩爾質(zhì)量.

表2不同過量空氣系數(shù)下甲烷和空氣分壓

Tab.2Methaneandairpartialpressureatdifferentexcessaircoefficient

過量空氣系數(shù)甲烷分壓/kPa空氣分壓/kPa初始?jí)毫?kPa0.8034.89265.113000.9031.42268.583001.0028.58271.423001.0527.34272.663001.1026.21273.793001.1525.16274.843001.2024.20275.80300

將采集到的離子電流信號(hào)和燃燒壓力與火焰發(fā)展的紋影圖片一一對(duì)應(yīng)，結(jié)果如圖3所示.點(diǎn)火線圈蓄能5 ms后，火花塞放電擊穿空氣引燃混合氣，在T0時(shí)刻，火焰前鋒面與中心電極接觸形成了離子電流信號(hào)第1峰，并在T1時(shí)刻達(dá)到最大值，隨后火焰前鋒面遠(yuǎn)離電極向下傳播，離子電流信號(hào)下降.到T2時(shí)刻離子電流信號(hào)產(chǎn)生了第2個(gè)峰.從紋影圖片可知此時(shí)火焰已經(jīng)完全碰壁，燃燒壓力接近最大值.為了便于后續(xù)分析，定義離子電流信號(hào)第1峰值時(shí)刻為T1，第1峰值為I1；第2峰值時(shí)刻為T2，第2峰值為I2；燃燒壓力峰值時(shí)刻為Tp，燃燒壓力峰值為pmax.對(duì)過量空氣系數(shù)為0.80、0.90、1.00、1.05、1.10、1.15和1.20的離子電流信號(hào)和燃燒壓力進(jìn)行測(cè)量.取過量空氣系數(shù)為0.80、1.00和1.20分別代表濃混合氣、化學(xué)當(dāng)量比混合氣和稀混合氣，對(duì)應(yīng)的離子電流信號(hào)和燃燒壓力如圖4所示.由圖4可知，過量空氣系數(shù)會(huì)影響離子電流信號(hào)的幅值及相位，但不會(huì)影響離子電流信號(hào)的形態(tài).

圖3 離子電流信號(hào)和燃燒壓力與對(duì)應(yīng)的火焰發(fā)展

Fig.3Ioncurrentsignalandcombustionpressurewithcorrespondingflamedevelopmentimages

圖4 不同過量空氣系數(shù)下離子電流信號(hào)與燃燒壓力

利用前文定義的離子電流信號(hào)特征值對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析，結(jié)果如圖5、6所示.無論是離子電流信號(hào)第1峰、第2峰還是燃燒壓力峰，均在過量空氣系數(shù)為0.90時(shí)取得最大值，峰值時(shí)刻最為提前，混合氣過濃或過稀會(huì)導(dǎo)致離子電流信號(hào)幅值下降，峰值時(shí)刻推遲.

從圖6可知，離子電流信號(hào)第2峰與燃燒壓力峰在幅值和相位上具有高度相關(guān)性，利用式(3)對(duì)兩者之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示.其中離子電流信號(hào)第2峰值與燃燒壓力峰值的相關(guān)系數(shù)為0.90，離子電流信號(hào)第二峰值時(shí)刻與燃燒壓力峰值時(shí)刻的相關(guān)系數(shù)為0.98，均為高度相關(guān).

圖5 過量空氣系數(shù)對(duì)離子電流信號(hào)第1峰值的影響

Fig.5Effectofexcessairratioonthefirstpeakofioncurrentsignal

圖6 過量空氣系數(shù)對(duì)離子電流信號(hào)第2峰值及燃燒壓力的影響

Fig.6Effectofexcessairratioonthesecondpeakofioncurrentsignalandpressure

圖7 離子電流第2峰值與燃燒壓力相關(guān)性

(3)

式中：Cov(X,Y)為X與Y的協(xié)方差；Var[X]為X的方差；Var[Y]為Y的方差.

4 模擬結(jié)果分析

4.1 離子形成過程、濃度及分布

本文試驗(yàn)條件為甲烷預(yù)混定容燃燒，利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件Chemkin-Pro內(nèi)的閉式均質(zhì)反應(yīng)器模型(Closed Homogeneous Batch Reactor)進(jìn)行模擬.根據(jù)燃燒彈內(nèi)腔尺寸設(shè)定反應(yīng)容積為8.84×10-4m3，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的離子電流信號(hào)及紋影圖片，設(shè)定反應(yīng)終了時(shí)間為0.1 s，此時(shí)火焰已經(jīng)完全碰壁，燃燒過程結(jié)束，燃燒產(chǎn)物的濃度趨于穩(wěn)定.對(duì)初始?jí)毫?.3 MPa、化學(xué)當(dāng)量比下的甲烷-空氣預(yù)混燃燒進(jìn)行模擬，對(duì)離子形成過程及濃度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示.

圖8 離子濃度、甲烷濃度和燃燒溫度變化情況

在燃燒過程前期，溫度較低，甲烷經(jīng)過一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成CH，CH與O結(jié)合生成初級(jí)離子產(chǎn)物CHO+，隨后通過反應(yīng)2，CHO+被迅速消耗生成H3O+，由于反應(yīng)1中電子的生成速率和反應(yīng)2中H3O+的生成速率十分接近，因此兩者幾乎是同步變化.當(dāng)H3O+達(dá)到濃度峰值時(shí)，甲烷已經(jīng)完全反應(yīng)，不能再繼續(xù)生成CH，H3O+濃度開始下降，而燃燒溫度持續(xù)升高超過2 000 K，NO+、O2+、OH+等熱電離產(chǎn)物的濃度逐漸達(dá)到峰值，其中NO+的濃度明顯高于其他熱電離產(chǎn)物，原因在于此時(shí)離子反應(yīng)N+O=NO++e的正向反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于其他離子反應(yīng)，通過該反應(yīng)生成的電子彌補(bǔ)了由于化學(xué)電離作用減弱造成的電子濃度下降，因此電子濃度一直保持在較高的水平.

從圖8可知，離子相比于其他燃燒產(chǎn)物的濃度要低很多，不同離子間的濃度差異較大，濃度最高的電子e和濃度最低的N+之間相差13個(gè)數(shù)量級(jí).化學(xué)電離產(chǎn)物中H3O+的濃度最高，熱電離產(chǎn)物中NO+的濃度最高，因此H3O+和NO+分別為化學(xué)電離和熱電離最主要的離子產(chǎn)物.

進(jìn)一步地，利用Fluent軟件耦合甲烷離子反應(yīng)機(jī)理，對(duì)離子分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬.由于定容燃燒彈為Φ80 mm×176 mm的圓柱體，因此在火焰碰壁之前，火焰從燃燒彈頂部以近似球形向下傳播，可以利用二維平面代替三維模型減少計(jì)算時(shí)間.為了模擬壁面的傳熱損失，將壁面溫度設(shè)置成與試驗(yàn)時(shí)相同的338 K.此外，從紋影圖片可知，火焰前鋒面光滑，沒有明顯的不規(guī)則脈動(dòng)，通過計(jì)算得到不同過量空氣系數(shù)下從點(diǎn)火到火焰前鋒面碰壁時(shí)的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.98 m·s-1，與文獻(xiàn)16測(cè)得的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冉咏虼诉x用層流黏性模型.

圖9為模擬得到的火核形成及火焰前鋒面接觸中心電極時(shí)的燃燒溫度以及H3O+、e和NO+的濃度.火核形成初期，燃燒溫度和離子濃度很低，隨著火焰向下傳播，火焰前鋒面與未燃混合氣的接觸面積增大，燃燒溫度逐漸升高，當(dāng)火焰與中心電極接觸時(shí)，燃燒溫度約為2 500 K，此時(shí)H3O+和e的濃度相比于火核形成初期提高了10個(gè)數(shù)量級(jí)，NO+的濃度提高了14個(gè)數(shù)量級(jí).其中化學(xué)電離產(chǎn)物分布在火焰前鋒面，而熱電離產(chǎn)物則分布在焰后高溫區(qū)，該結(jié)果與文獻(xiàn)11的模擬結(jié)果相近，不同在于本文采用詳細(xì)離子反應(yīng)機(jī)理模型，并且考慮了熱電離過程，因此得到的電子呈帶狀分布而非條狀分布.

a 火核形成

b 火焰接觸中心電極

在本文試驗(yàn)中測(cè)得的離子電流第1峰起始時(shí)刻為火焰前鋒面接觸中心電極時(shí)刻，因此可以確定離子電流第1峰為化學(xué)電離峰，而離子電流第2峰出現(xiàn)時(shí)刻略早于缸壓峰值，此時(shí)火焰已經(jīng)碰壁，燃料被完全消耗，燃燒過程結(jié)束，無法再進(jìn)行化學(xué)電離過程，而是通過高溫使得燃燒產(chǎn)物發(fā)生熱電離，因此離子電流第2峰為熱電離峰.

4.2 空燃比對(duì)離子電流信號(hào)影響的機(jī)理分析

不同過量空氣系數(shù)下H3O+峰值濃度、NO+峰值濃度及層流火焰速度如圖10所示.當(dāng)過量空氣系數(shù)為0.90時(shí)，H3O+和NO+峰值濃度最大，因此化學(xué)電離峰值和熱電離峰值最高.此外，該過量空氣系數(shù)下層流火焰速度最快，因此火焰最先與中心電極接觸形成化學(xué)電離峰，并且燃燒溫度上升速率最快，熱電離峰也最早到來.

圖10不同過量空氣系數(shù)下H3O+峰值濃度、NO+峰值濃度與層流火焰速度

Fig.10PeakconcentrationofH3O+andNO+andlaminarflamespeedatdifferentexcessairratios

為了研究離子濃度隨過量空氣系數(shù)變化的機(jī)理，對(duì)離子濃度隨反應(yīng)時(shí)間變化求一階導(dǎo)數(shù)，得到離子反應(yīng)速率，計(jì)算方法如式(4)所示.

(4)

式中：[X]t+1為t+1時(shí)刻的離子濃度；[X]t為t時(shí)刻的離子濃度；Δt為從t+1時(shí)刻到t時(shí)刻的時(shí)間間隔；v代表離子反應(yīng)速率.

定義H3O+反應(yīng)速率峰值時(shí)刻為“C”時(shí)刻，NO+反應(yīng)速率峰值時(shí)刻為“T”時(shí)刻，用于表征化學(xué)電離和熱電離反應(yīng)最為劇烈的時(shí)刻，如圖11、12所示.從圖11可知，“C”時(shí)刻與放熱率峰值時(shí)刻為同一時(shí)刻，這也驗(yàn)證了化學(xué)電離發(fā)生在燃燒反應(yīng)最為劇烈的火焰前鋒面這一結(jié)論.

圖11 “C”時(shí)刻定義

圖12 “T”時(shí)刻定義

由于產(chǎn)物的生成和消耗涉及眾多基元反應(yīng)，每個(gè)基元反應(yīng)具有不同的反應(yīng)速率，因此要分析離子反應(yīng)速率隨過量空氣系數(shù)的變化情況，首先需要對(duì)離子的反應(yīng)路徑進(jìn)行分析，找出決定反應(yīng)速率的關(guān)鍵反應(yīng)路徑.

以化學(xué)當(dāng)量比工況為例，“C”時(shí)刻H3O+反應(yīng)路徑如圖13所示，與H3O+直接相關(guān)的離子反應(yīng)為表1中的反應(yīng)2、3、4，反應(yīng)2 的正向反應(yīng)速率大于逆向反應(yīng)速率，因此該反應(yīng)生成H3O+，生成速率為1.34×10-5；反應(yīng)3、4的正向反應(yīng)速率大于逆向反應(yīng)速率，所以這兩個(gè)反應(yīng)消耗H3O+，其中反應(yīng)3的H3O+消耗速率為2.51×10-7，反應(yīng)4的H3O+消耗速率為9.95×10-7，因此H3O+的總消耗速率為1.246×10-6.由于H3O+的生成速率大于消耗速率，因此H3O+的濃度是增加的.

對(duì)于不同的過量空氣系數(shù)，模擬結(jié)果表明“C”時(shí)刻H3O+的反應(yīng)路徑都相同，且均為反應(yīng)2生成H3O+，反應(yīng)3和4消耗H3O+，但是H3O+的生成速率和消耗速率受過量空氣系數(shù)的影響，結(jié)果如圖14所示，其中H3O+的消耗速率為反應(yīng)3和反應(yīng)4的消耗速率之和，H3O+的凈生成速率為生成速率減去消耗速率.當(dāng)過量空氣系數(shù)為0.90時(shí)，H3O+凈生成速率取得最大值.

圖13 “C”時(shí)刻H3O+反應(yīng)路徑

圖14 不同過量空氣系數(shù)下H3O+的反應(yīng)速率與燃燒溫度

Fig.14ReactionrateofH3O+andcombustiontemperatureatdifferentexcessairratios

在化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)速率受反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)物濃度控制，如式(5)所示.對(duì)式(5)中的溫度T求偏導(dǎo)得到式(6).

(5)

(6)

式中：A為指前因子；T為溫度；b為溫度因子；E為活化能；R為通用氣體常數(shù)；[M]、[N]為反應(yīng)物濃度.

反應(yīng)1中b為0，A和E均大于0，因此反應(yīng)1的反應(yīng)速率與溫度正相關(guān)，過量空氣系數(shù)為0.90時(shí)“C”時(shí)刻的燃燒溫度最高，反應(yīng)1的反應(yīng)速率最快，CHO+濃度最高.對(duì)于反應(yīng)2，溫度因子b和活化能E均為0，指前因子A大于0，反應(yīng)速率只受反應(yīng)物濃度的影響，因此CHO+濃度越高，反應(yīng)2的反應(yīng)速率越快，H3O+濃度越高.對(duì)于反應(yīng)3和4，A大于0，b小于0，E等于0，反應(yīng)速率同時(shí)受溫度和反應(yīng)物濃度的控制，并與溫度呈負(fù)相關(guān)，與反應(yīng)物濃度呈正相關(guān).對(duì)于反應(yīng)3和4，反應(yīng)物濃度增大對(duì)反應(yīng)速率的促進(jìn)作用大于溫度升高帶來的抑制作用，因此反應(yīng)3和4中H3O+的消耗速率在過量空氣系數(shù)為0.90時(shí)同樣取得最大值.

整體來看，過量空氣系數(shù)為0.90時(shí)，H3O+的生成速率最大，消耗速率也最大，但由于消耗速率遠(yuǎn)小于生成速率，對(duì)凈生成速率的影響不大，因此在該過量空氣系數(shù)下H3O+的凈生成速率最大，濃度最高.

對(duì)于熱電離過程，“T”時(shí)刻N(yùn)O+反應(yīng)路徑如圖15所示.與NO+相關(guān)的反應(yīng)共有11個(gè)，但是不同反應(yīng)間的反應(yīng)速率相差較大，對(duì)NO+反應(yīng)速率起決定作用的只有N+O=NO++e，該反應(yīng)的正向反應(yīng)速率為7.82×10-10，逆向反應(yīng)速率為2.22×10-10，NO+的凈生成速率為5.6×10-10.由于該反應(yīng)的A大于0，b等于0，E大于0，反應(yīng)速率與溫度呈正相關(guān)，當(dāng)過量空氣系數(shù)為0.90時(shí)，“T”時(shí)刻燃燒溫度最高，因此NO+凈生成速率最大，濃度最高.

圖15 “T”時(shí)刻N(yùn)O+反應(yīng)路徑

目前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)離子反應(yīng)機(jī)理的研究通常針對(duì)HCCI工況，燃燒溫度較低，熱電離過程不明顯，主要研究對(duì)象為化學(xué)電離過程；而在燃燒器或者燃燒彈上對(duì)離子反應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)，通常利用純氧加氬氣來代替空氣，沒有引入氮元素，因此對(duì)于熱電離過程的普遍理解為低電離能的NO電離生成了NO+，而從本文對(duì)NO+的化學(xué)反應(yīng)路徑及反應(yīng)速率分析可知，由NO電離生成NO+這一反應(yīng)路徑的反應(yīng)速率非常低，由該反應(yīng)生成的NO+的濃度十分有限，生成NO+的主要路徑為N2→N→NO+.

5 結(jié)論

本文在一臺(tái)高壓定容燃燒彈上，以甲烷為燃料，試驗(yàn)研究了空燃比對(duì)離子電流信號(hào)的影響.通過建立甲烷預(yù)混燃燒離子反應(yīng)機(jī)理模型，對(duì)離子形成過程、濃度和分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)關(guān)鍵離子產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)路徑和反應(yīng)速率進(jìn)行了分析，從化學(xué)反應(yīng)機(jī)理層面解釋了空燃比對(duì)離子電流信號(hào)影響的原因.主要結(jié)論如下：

(1)空燃比會(huì)影響離子電流信號(hào)的幅值和相位，但不會(huì)影響離子電流信號(hào)的形態(tài).當(dāng)過量空氣系數(shù)為0.90時(shí)，離子電流信號(hào)幅值最大，相位最為提前.

(2)不同離子之間的濃度差異較大，濃度最高的e和濃度最低的N+相差13個(gè)數(shù)量級(jí).化學(xué)電離發(fā)生在燃燒反應(yīng)最為劇烈的火焰前鋒面，最主要的離子產(chǎn)物為H3O+.熱電離發(fā)生在焰后區(qū)，最主要的離子產(chǎn)物為NO+.熱電離峰與燃燒壓力具有高度相關(guān)性，其中熱電離峰值與燃燒壓力峰值的相關(guān)系數(shù)為0.773，熱電離峰值時(shí)刻與燃燒壓力峰值時(shí)刻的相關(guān)系數(shù)為0.953.

(3)空燃比不會(huì)影響H3O+和NO+的化學(xué)反應(yīng)路徑，H3O+的主要生成路徑為CH→CHO+→H3O+，NO+的主要生成路徑為N2→N→NO+.

(4)反應(yīng)物濃度和燃燒溫度共同控制反應(yīng)速率，當(dāng)過量空氣系數(shù)為0.90時(shí)，H3O+和NO+的凈生成速率最大，濃度最高.