氫氣體積分數對預混層流天然氣火焰離子電流特性的影響*

宋占鋒 劉春東 孫志剛 安兆杰

（1-河北建筑工程學院機械工程學院 河北 張家口 075000 2-張家口職業技術學院）

引言

汽車作為現代社會中不可或缺的一部分，在未來仍將是人類交通移動工具的主要動力來源。然而，隨著汽車保有量的增加和使用范圍的拓展，能源消耗量急速增長。傳統燃油汽車的使用，在帶來十分嚴峻的能源問題的同時，汽車排放對環境的污染日益成為全球性問題。汽車廠商與發動機研發人員致力于提高發動機功率密度、發動機效率的同時降低氮氧化物、溫室氣體的排放，使發動機具有良好動力性能輸出的同時兼具最佳的燃油經濟性和低排放特性。實現以上目標的關鍵是精確監測和控制發動機缸內混合氣的燃燒狀態，如果能實時高效地監測發動機缸內混合氣的燃燒狀態，進而根據混合氣燃燒狀態反饋對發動機進行精確控制，使缸內混合氣的燃燒保持或趨于最佳狀態，可從本質上提升發動機的動力性和燃油經濟性，降低尾氣污染物排放。利用離子電流監測系統來檢測燃燒狀態的方法是最近興起的一種缸內燃燒檢測方法，將火花塞作為傳感器，在火花塞點火電極兩端施加一個偏置電壓，燃燒火焰形成的帶電離子在電極間電場的作用下形成定向帶電離子流，從而在電極間產生了離子電流。電極間離子電流包含缸內混合氣燃燒狀態信息，基于對電流信號的實時監測和處理，可以直接獲取發動機工作狀態信息[1-4]。

隨著全世界對石油能源消耗量的不斷增加，石油能源危機問題日益加劇，對天然氣的有序開發和高效利用，能有效減輕對石油資源的過度依賴。同時，隨著人們環境保護保意識的提高，全球各國相繼出臺了日趨嚴格的排放法規，人們越來越意識到使用清潔能源的重要性。在這種大背景下，作為高效清潔燃料，天然氣的開發利用受到全世界的關注，天然氣發動機已經在歐美國家得到普遍應用。由于排放水平低、經濟性優勢顯著、安全性能較高、起動性能好、振動和噪聲低等優點，天然氣發動機的應用越來越廣泛。天然氣的燃燒特性與油氣混合物的燃燒特性有很大區別，開發設計針對天然氣發動機燃燒過程的實時監測技術，可以及時獲取燃燒信息，并將信息反饋給發動機電腦，電腦根據反饋信息進一步控制混合氣燃燒狀態，使燃燒過程保持或趨于最佳狀態。

在國內，從1998 年開始，上海交通大學、天津大學、西安交通大學、湖南大學、北京交通大學等高校以及其他一些科研院所針對發動機缸內燃燒火焰的離子電流特性開展了大量的研究工作[5-6]。包括對缸內離子電流信號的采集處理電流設計[7]，燃燒過程離子電流的穩定性研究[8]，離子電流信號與早燃、爆震、不完全燃燒和失火等燃燒特性的關聯[9-12]，偏置電壓和電極參數對離子電流特性的影響，進而探索利用離子電流法來監測發動機燃燒狀態參數，以期實現發動機缸內混合氣的在線燃燒診斷[13-15]。

然而，這些研究大都集中在汽油機和柴油機上。到目前為止，國內外利用離子電流法來監測天然氣發動機缸內混合氣的燃燒狀態參數進而實現天然氣發動機在線診斷的基礎理論和試驗研究相對較少，特別是對天然氣發動機火花塞離子電流的特性、產生機理及理論預測模型等相關研究還沒有報道，這極大地限制了火花塞離子電流監測技術在天然氣發動機測控領域的應用和推廣。

本文利用定容燃燒彈結合離子電流采集系統和高速紋影攝像系統研究了不同的氫氣體積分數下，層流預混火焰的離子電流特性和波形特征，分析了氫氣體積分數的增加對火焰離子電流特性和波形特征的影響。

1 試驗裝置

1.1 試驗裝置和配氣機構

基于試驗目的，本文構建了天然氣發動機離子電流測試平臺。平臺主要由定容燃燒彈、離子電流監測系統、氣體燃料配給系統、廢氣排放系統、點火系統、光學紋影系統、高速攝影系統和數據采集系統組成。試驗系統結構簡圖如圖1 所示。定容燃燒彈內腔為圓柱體，直徑為100 mm，長度為240 mm，有效容積為1.884 L。定容燃燒彈兩端安裝有2 個觀察窗，觀察窗直徑為180 mm，采用厚度為48 mm 的JGSI石英玻璃作為窗口。定容燃燒彈的中心位置安裝有一對中心點火電極，進氣閥和壓力傳感器安裝在電極的兩側，排氣閥安裝在定容彈的頂部。高速攝像機為美國REDLAKE 公司生產MotionProx4plus，鏡頭為尼AFNikkor 50mmf/1.8D，拍攝速度在10～2 800fps可調，拍攝速度選定為5000 幅/s。

圖1 定容燃燒彈系統結構簡圖

試驗中，氫氣純度為99.995%，定義氫氣在混合氣中的體積分數為：

式中：RH2為混合氣中氫氣的體積分數，%；Vfuel為天然氣體積，L；Vair為空氣體積，L；VH2為氫氣體積，L。

試驗中，首先根據燃空當量比計算出所需的氫氣、天然氣和空氣的體積分數，然后根據分壓定律依次注入到容彈內形成均勻混合氣，靜置5～10 min 后點火，同時啟動高速攝影系統和數據采集系統同步采集燃燒壓力、離子電流，并觸發高速攝影系統對火焰傳播圖像進行拍照。

1.2 離子電流檢測電路

本試驗平臺采用改進型離子電流檢測電路，電路檢測原理圖如圖2 所示。離子電流檢測電路主要由點火高壓隔離電路、電極采集電源電路、離子電流信號采集電路組成。點火高壓隔離電路利用高壓硅堆將點火線圈產生的點火高壓與離子電流采集電路進行高效隔離，避免點火高壓破壞離子電流采集電路元件；電極采集電源電路為火花塞電極提供采集離子電流的電場電壓；離子電流信號采集電路兼具調整信號輸出和提供點火高壓冗余保護功能，防止高壓硅堆隔離失效后損壞檢測電路。

圖2 離子電流測量系統原理圖

2 試驗結果和分析

圖3 給出了氫氣-天然氣-空氣混合氣燃燒后所產生的離子電流、燃燒壓力和火焰紋影圖像隨時間的變化。定容燃燒彈內的預混層流混合氣，在電極點火成功后，形成火核，隨著火核半徑的增大，燃燒壓力發生變化，離子電流產生。圖中顯示了不同時刻的火焰半徑和離子電流的對應關系。對比火焰發展圖像和離子電流波形可以看出，當離子電流第一波峰形成時，火核的發展基本形成；之后，離子電流振幅減小，火核的發展受到定容燃燒彈內壁的限制，開始向與火焰半徑垂直的方向發展；隨著燃燒反應的繼續，離子電流出現第二波峰。離子電流的第一波峰被稱為化學電離鋒，主要與火核的形成有關，一般出現在火核基本形成的時刻；第二波峰主要是由熱電離引起的，稱之為熱電離鋒，它的形成主要受燃燒溫度的影響，隨著燃燒溫度的升高，熱電離峰值出現，通常與燃燒壓力峰值出現的時刻保持一致。隨著混合氣中氫氣體積分數的增加，離子電流信號的峰值進一步增大（包括第一波峰和第二波峰），從第一波峰到達第二波峰的時間增加，第一波峰出現的時刻提前，第二波峰出現的時刻推遲。圖3a 和圖3b 中，第二波峰出現的時刻與燃燒壓力峰值出現的時刻基本對應；圖3c 中，由于離子電流的第二波峰出現時刻推遲，這種對應關系消失。這主要是由于隨著氫氣體積分數的增加，混合氣火焰傳播速度明顯加快，燃燒反應加速進行，化學電離加快，離子電流第一波峰提前出現；化學電離形成的離子經過碰撞重組形成了一些比較穩定的新離子，而這些新離子在火焰后期與熱電離產生的離子共同形成了離子電流的第二波峰，所以隨著第一波峰振幅的增大，第二波峰振幅隨之增大。

圖3 離子電流、燃燒壓力和火焰燃燒圖像與燃燒時間的變化關系

從圖3e 可以看出，隨著氫氣體積分數的增加，燃燒壓力峰值出現的時刻提前，燃燒壓力振幅基本不變，燃燒壓力波形變化不大。通過圖3d 和圖3e 的對比發現，離子電流的波形特征能更好地反映出氫氣體積分數的增加對混合氣燃燒過程產生的影響，而燃燒壓力波形對因氫氣體積分數增加而引起的變化反應不太敏感。由此可見，在碳氫火焰的燃燒過程中，離子電流的波形特征能更好地對燃燒過程進行全面有效的檢測。

3 結論

本文利用定容燃燒彈結合離子電流采集系統和高速攝影系統研究了天然氣-氫氣-空氣的預混氣體層流火焰離子電流特性，分析了混合氣中氫氣體積分數的變化對離子電流、燃燒壓力、火焰紋影圖像的影響。研究表明：

1）隨著氫氣體積分數的增加，離子電流的峰值逐漸增大（包括第一波峰和第二波峰），第一波峰出現的時刻提前，第二波峰出現的時刻推遲，從第一波峰到達第二波峰的時間延長。

2）隨著氫氣體積分數的增加，燃燒壓力峰值出現的時刻提前，燃燒壓力振幅基本不變，燃燒壓力波形變化不大；燃燒壓力峰值出現時刻與離子電流第二波峰出現時刻的對應關系發生改變。

3）離子電流波形特征能更好地反應出氫氣體積分數的增加對混合氣燃燒過程產生的影響，而燃燒壓力波形對因氫氣體積分數增加而引起的變化反應不太敏感。