氢气体积分数对预混层流天然气火焰离子电流特性的影响*

宋占锋 刘春东 孙志刚 安兆杰

（1-河北建筑工程学院机械工程学院 河北 张家口 075000 2-张家口职业技术学院）

引言

汽车作为现代社会中不可或缺的一部分，在未来仍将是人类交通移动工具的主要动力来源。然而，随着汽车保有量的增加和使用范围的拓展，能源消耗量急速增长。传统燃油汽车的使用，在带来十分严峻的能源问题的同时，汽车排放对环境的污染日益成为全球性问题。汽车厂商与发动机研发人员致力于提高发动机功率密度、发动机效率的同时降低氮氧化物、温室气体的排放，使发动机具有良好动力性能输出的同时兼具最佳的燃油经济性和低排放特性。实现以上目标的关键是精确监测和控制发动机缸内混合气的燃烧状态，如果能实时高效地监测发动机缸内混合气的燃烧状态，进而根据混合气燃烧状态反馈对发动机进行精确控制，使缸内混合气的燃烧保持或趋于最佳状态，可从本质上提升发动机的动力性和燃油经济性，降低尾气污染物排放。利用离子电流监测系统来检测燃烧状态的方法是最近兴起的一种缸内燃烧检测方法，将火花塞作为传感器，在火花塞点火电极两端施加一个偏置电压，燃烧火焰形成的带电离子在电极间电场的作用下形成定向带电离子流，从而在电极间产生了离子电流。电极间离子电流包含缸内混合气燃烧状态信息，基于对电流信号的实时监测和处理，可以直接获取发动机工作状态信息[1-4]。

随着全世界对石油能源消耗量的不断增加，石油能源危机问题日益加剧，对天然气的有序开发和高效利用，能有效减轻对石油资源的过度依赖。同时，随着人们环境保护保意识的提高，全球各国相继出台了日趋严格的排放法规，人们越来越意识到使用清洁能源的重要性。在这种大背景下，作为高效清洁燃料，天然气的开发利用受到全世界的关注，天然气发动机已经在欧美国家得到普遍应用。由于排放水平低、经济性优势显著、安全性能较高、起动性能好、振动和噪声低等优点，天然气发动机的应用越来越广泛。天然气的燃烧特性与油气混合物的燃烧特性有很大区别，开发设计针对天然气发动机燃烧过程的实时监测技术，可以及时获取燃烧信息，并将信息反馈给发动机电脑，电脑根据反馈信息进一步控制混合气燃烧状态，使燃烧过程保持或趋于最佳状态。

在国内，从1998 年开始，上海交通大学、天津大学、西安交通大学、湖南大学、北京交通大学等高校以及其他一些科研院所针对发动机缸内燃烧火焰的离子电流特性开展了大量的研究工作[5-6]。包括对缸内离子电流信号的采集处理电流设计[7]，燃烧过程离子电流的稳定性研究[8]，离子电流信号与早燃、爆震、不完全燃烧和失火等燃烧特性的关联[9-12]，偏置电压和电极参数对离子电流特性的影响，进而探索利用离子电流法来监测发动机燃烧状态参数，以期实现发动机缸内混合气的在线燃烧诊断[13-15]。

然而，这些研究大都集中在汽油机和柴油机上。到目前为止，国内外利用离子电流法来监测天然气发动机缸内混合气的燃烧状态参数进而实现天然气发动机在线诊断的基础理论和试验研究相对较少，特别是对天然气发动机火花塞离子电流的特性、产生机理及理论预测模型等相关研究还没有报道，这极大地限制了火花塞离子电流监测技术在天然气发动机测控领域的应用和推广。

本文利用定容燃烧弹结合离子电流采集系统和高速纹影摄像系统研究了不同的氢气体积分数下，层流预混火焰的离子电流特性和波形特征，分析了氢气体积分数的增加对火焰离子电流特性和波形特征的影响。

1 试验装置

1.1 试验装置和配气机构

基于试验目的，本文构建了天然气发动机离子电流测试平台。平台主要由定容燃烧弹、离子电流监测系统、气体燃料配给系统、废气排放系统、点火系统、光学纹影系统、高速摄影系统和数据采集系统组成。试验系统结构简图如图1 所示。定容燃烧弹内腔为圆柱体，直径为100 mm，长度为240 mm，有效容积为1.884 L。定容燃烧弹两端安装有2 个观察窗，观察窗直径为180 mm，采用厚度为48 mm 的JGSI石英玻璃作为窗口。定容燃烧弹的中心位置安装有一对中心点火电极，进气阀和压力传感器安装在电极的两侧，排气阀安装在定容弹的顶部。高速摄像机为美国REDLAKE 公司生产MotionProx4plus，镜头为尼AFNikkor 50mmf/1.8D，拍摄速度在10～2 800fps可调，拍摄速度选定为5000 幅/s。

图1 定容燃烧弹系统结构简图

试验中，氢气纯度为99.995%，定义氢气在混合气中的体积分数为：

式中：RH2为混合气中氢气的体积分数，%；Vfuel为天然气体积，L；Vair为空气体积，L；VH2为氢气体积，L。

试验中，首先根据燃空当量比计算出所需的氢气、天然气和空气的体积分数，然后根据分压定律依次注入到容弹内形成均匀混合气，静置5～10 min 后点火，同时启动高速摄影系统和数据采集系统同步采集燃烧压力、离子电流，并触发高速摄影系统对火焰传播图像进行拍照。

1.2 离子电流检测电路

本试验平台采用改进型离子电流检测电路，电路检测原理图如图2 所示。离子电流检测电路主要由点火高压隔离电路、电极采集电源电路、离子电流信号采集电路组成。点火高压隔离电路利用高压硅堆将点火线圈产生的点火高压与离子电流采集电路进行高效隔离，避免点火高压破坏离子电流采集电路元件；电极采集电源电路为火花塞电极提供采集离子电流的电场电压；离子电流信号采集电路兼具调整信号输出和提供点火高压冗余保护功能，防止高压硅堆隔离失效后损坏检测电路。

图2 离子电流测量系统原理图

2 试验结果和分析

图3 给出了氢气-天然气-空气混合气燃烧后所产生的离子电流、燃烧压力和火焰纹影图像随时间的变化。定容燃烧弹内的预混层流混合气，在电极点火成功后，形成火核，随着火核半径的增大，燃烧压力发生变化，离子电流产生。图中显示了不同时刻的火焰半径和离子电流的对应关系。对比火焰发展图像和离子电流波形可以看出，当离子电流第一波峰形成时，火核的发展基本形成；之后，离子电流振幅减小，火核的发展受到定容燃烧弹内壁的限制，开始向与火焰半径垂直的方向发展；随着燃烧反应的继续，离子电流出现第二波峰。离子电流的第一波峰被称为化学电离锋，主要与火核的形成有关，一般出现在火核基本形成的时刻；第二波峰主要是由热电离引起的，称之为热电离锋，它的形成主要受燃烧温度的影响，随着燃烧温度的升高，热电离峰值出现，通常与燃烧压力峰值出现的时刻保持一致。随着混合气中氢气体积分数的增加，离子电流信号的峰值进一步增大（包括第一波峰和第二波峰），从第一波峰到达第二波峰的时间增加，第一波峰出现的时刻提前，第二波峰出现的时刻推迟。图3a 和图3b 中，第二波峰出现的时刻与燃烧压力峰值出现的时刻基本对应；图3c 中，由于离子电流的第二波峰出现时刻推迟，这种对应关系消失。这主要是由于随着氢气体积分数的增加，混合气火焰传播速度明显加快，燃烧反应加速进行，化学电离加快，离子电流第一波峰提前出现；化学电离形成的离子经过碰撞重组形成了一些比较稳定的新离子，而这些新离子在火焰后期与热电离产生的离子共同形成了离子电流的第二波峰，所以随着第一波峰振幅的增大，第二波峰振幅随之增大。

图3 离子电流、燃烧压力和火焰燃烧图像与燃烧时间的变化关系

从图3e 可以看出，随着氢气体积分数的增加，燃烧压力峰值出现的时刻提前，燃烧压力振幅基本不变，燃烧压力波形变化不大。通过图3d 和图3e 的对比发现，离子电流的波形特征能更好地反映出氢气体积分数的增加对混合气燃烧过程产生的影响，而燃烧压力波形对因氢气体积分数增加而引起的变化反应不太敏感。由此可见，在碳氢火焰的燃烧过程中，离子电流的波形特征能更好地对燃烧过程进行全面有效的检测。

3 结论

本文利用定容燃烧弹结合离子电流采集系统和高速摄影系统研究了天然气-氢气-空气的预混气体层流火焰离子电流特性，分析了混合气中氢气体积分数的变化对离子电流、燃烧压力、火焰纹影图像的影响。研究表明：

1）随着氢气体积分数的增加，离子电流的峰值逐渐增大（包括第一波峰和第二波峰），第一波峰出现的时刻提前，第二波峰出现的时刻推迟，从第一波峰到达第二波峰的时间延长。

2）随着氢气体积分数的增加，燃烧压力峰值出现的时刻提前，燃烧压力振幅基本不变，燃烧压力波形变化不大；燃烧压力峰值出现时刻与离子电流第二波峰出现时刻的对应关系发生改变。

3）离子电流波形特征能更好地反应出氢气体积分数的增加对混合气燃烧过程产生的影响，而燃烧压力波形对因氢气体积分数增加而引起的变化反应不太敏感。