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?、成分變化或者控制空氣燃?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(guò)在煙道安裝煙氣分析設(shè)備，分析煙氣成分來(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)實(shí)時(shí)的檢測(cè)燃?xì)饣鹧骐娏髯兓瘉?lái)確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(guò)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^(guò)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(guò)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(guò)程。 燃燒過(guò)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(yáng)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(guò)大或者過(guò)小都會(huì)對(duì)燃燒造成不利影響，空燃比過(guò)大時(shí)，多余空氣會(huì)帶走熱量，降低熱效率；過(guò)小時(shí)，燃燒不充分。同理，當(dāng)空燃比過(guò)大時(shí)，多余的空氣會(huì)稀釋帶電離子濃度；過(guò)小時(shí)，由于未能充分反應(yīng)，燃燒過(guò)程并未能產(chǎn)生足夠多的帶電粒子。也就是說(shuō)，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(guó)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(guò)電火花點(diǎn)燃油氣混合物或者燃?xì)饪諝饣旌衔?，記錄從燃燒開始階段到已燃區(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(guò)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(guò)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?lái)說(shuō)，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(guò)分析煙氣成分來(lái)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(jiàn)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)?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量電阻R兩端的電壓值來(lái)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(guò)剩空氣系數(shù) ，即：

燃燒時(shí)過(guò)?？諝庀禂?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(yǔ)

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(guò)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(guò)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(lái)，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