火焰离子电流法检测全预混燃烧状态的应用和探讨

同济大学 冯良 李培华 金芮

火焰离子电流法检测全预混燃烧状态的应用和探讨

同济大学 冯良 李培华 金芮

文章提出了一种全新的检测全预混燃烧空燃比的方法，并阐述了该方法的原理和操作步骤，分析了这种新方法的应用前景。

全预混燃烧 离子电流 空燃比检测

完全预混式燃烧是指燃气和空气在着火前预先按照化学当量比混合均匀，到达燃烧区后混合物不再与外部空气发生扩散燃烧，瞬间燃烧完毕，具有容积热强度高和污染物排放低的优点。要实现稳定的全预混燃烧，关键在于保持合理、稳定的空燃比。但是在实际应用中，燃气热值、成分变化或者控制空气燃气混合比例的比例阀失调等会造成空燃比与设计值不同，导致燃烧状态变化，不能实现最佳的燃烧工况，影响其热效率。因此应用全预混燃烧时，需要对空燃比和燃烧状态进行监测。传统检测空燃比的方法，是通过在烟道安装烟气分析设备，分析烟气成分来间接的测量空燃比的判断燃烧状况。由于需要专门的烟气分析设备，这种方法操作比较复杂并且成本较高，一定程度上也限制了全预混燃烧技术的应用和推广。

两个世纪以前，人们就发现了碳氢化合物在燃烧时，会产生热离子，使燃烧火焰具有电导性。上个世纪 90年代已广泛使用于汽车发动机行业的离子电流法，正是基于这个原理提出的。其具体含义是指通过对气缸内油气混合物燃烧产生的离子电流变化实时监测，来判断发动机内油气混合物的燃烧状况，进而通过控制系统改变空气和燃油的混合比例，以达到闭环实时控制和优化燃烧状况的目的。目前，广泛应用于各种民用、工业燃烧器中的燃气火焰检测方法，则是指当燃气火焰意外突然熄灭时，及时的通过火焰检测器关闭燃气电磁阀，切断气源，避免燃气泄露引发的中毒或者爆炸事故。因此，本文设想可以将汽车发动机离子电流法应用于燃气全预混燃烧状态的检测中，通过实时的检测燃气火焰电流变化来确定空燃比和火焰燃烧状态。同时论述了建立火焰电流与空燃比关系的方法。

1 火焰离子电流产生机理及研究现状

气体受到电场或热能的作用，就会使中性气体原子中的电子获得足够的能量，从而能够克服原子核对它的引力而成为自由电子。同时中性的原子由于失去部分电子从而带正电。通常把这种使中性的分子或原子释放电子形成正离子的过程叫做气体电离。

混合气在火花点火、火核形成、火焰传播等燃烧过程中由于气体电离的作用会产生大量的自由电子、正负离子和自由基等带电粒子，使燃气具有一定的电导性。在混合气燃烧过程中，燃气在特定的时域呈现出等离子状态，而这种等离子体的产生是由于高压电离、化学电离和热电离等多种电离源综合作用的十分复杂的形成过程。 燃烧过程中会产生等大量离子。其基本反应式：

其中典型的化学反应为：

由于气体的导电能力有限，需要在燃气火焰与喷嘴之间附加一个直流电场，使带电粒子沿电场方向移动，正离子向阴极方向运动，电子和负离子向阳极方向运动，就会形成离子电流。单位时间内在电场内移动的带电粒子越多，也就是带电离子浓度越大，电流就越明显。电流强度与带电离子浓度的这种正相关关系，也间接反应了其与参与燃烧反应的燃气空气混合物浓度之间的关系。我们知道，空燃比过大或者过小都会对燃烧造成不利影响，空燃比过大时，多余空气会带走热量，降低热效率；过小时，燃烧不充分。同理，当空燃比过大时，多余的空气会稀释带电离子浓度；过小时，由于未能充分反应，燃烧过程并未能产生足够多的带电粒子。也就是说，在空燃比最佳的时候，离子火焰电流达到峰值。这也是离子电流法应用于判断全预混燃烧空燃比的理论依据。

国内外很多学者都对离子电流的产生机理和应用进行了大量的研究，但这些研究都是基于汽车发动机火花塞两极之间离子电流的研究。由于内燃机的构造和作功原理，油气混合物在内燃机的燃烧也是间歇性的。目前可以查到的资料表明，用于实验测试的研究的离子电流法也是在密闭定容燃烧器内，通过电火花点燃油气混合物或者燃气空气混合物，记录从燃烧开始阶段到已燃区的离子电流变化。西安交通大学的吴筱敏等人对定容燃烧弹中点火电极附近离子信号的形成机理和测量方法做了大量的研。其研究结果表明，点火电极离子电流信号主要由火焰前锋和火焰后区两部分组成。火焰前锋(燃烧开始阶段)信号主要与电机附近火核中的H3O+离子和自由电子浓度有关，火焰后区(已燃区阶段)的信号主要与已燃区中高温下激态的 NO+和自由电子浓度有关。两部分的电流信号随着过余空气系数有着相同的变化趋势。图1是一个典型的汽油机点火和燃烧时的离子电流波：

图1 汽油机点火和燃烧时的离子电流波示意

可以看到，燃烧持续时间很短暂。离子信号分为三个阶段，点火、火焰前锋和火焰后区。点火阶段由于火花塞放电，所以是负的反向脉冲。对于汽车发动机工作状态的优化，对整个燃烧过程有着深入、细致的要求，因此需要详细的分析从点火到火焰稳定的每一个阶段的火电电流状况。因为这些离子信号包含了发动机运行的很多信息。对于一般的燃气燃烧器来说，燃烧开始阶段和火焰传播阶段时间相对于稳定持续的已燃烧阶段非常短暂。因此，燃气离子电流法应着重于对火焰后区，即火焰已稳定持续燃烧阶段的离子电流进行测量和分析，以找到离子电流与燃烧状态之间的关系。

2 建立火焰离子电流与全预混燃烧空燃比的关系

通过分析烟气成分来计算空燃比是分析燃烧器性能和排放指标的常用方法。为了建立火焰电流和空燃比之间的关系，需要在燃烧器某一稳定燃烧状态下，对离子电流值和烟气成分进行多次测量，然后利用数理统计方法排除误差，标定此燃烧状态下空燃比与火焰电流的关系。

测量离子电流的基本电路见图2。

图2 测量离子电流的基本电路

火焰燃烧时产生的离子在测量电极之间电动势E的作用下，会形成火焰电流。此时，可以将火焰看做阻值可变的燃气电阻Rg。则整个电路的电流为：

由于火焰电流非常微弱，通常都是微安级。可以通过测量电阻R两端的电压值来标定某一时刻的空燃比。

实际供给的空气量V与理论空气需要量V0之间的比值称为过剩空气系数 ，即：

燃烧时过剩空气系数的确定：

上式忽略烟气中的含硫成分。一般当燃烧产物主要是CO时，即：，则公式可以进行简化。

3 结束语

与传统检测空燃比方法相比，燃气离子电流法具有以下优点：

(1)对于一款全预混燃烧器，在最佳工况下标定电流值，在之后燃烧器工作过程中，可以快速，有效地监测空燃比变化，有利于全预混燃烧器的推广使用；

(2)将燃烧器燃烧状态转化为电信号，可以在此基础上实现整个燃烧控制系统的自动化，当检测到空燃比偏离设定值之后，通过调整风机转速即助燃空气量，或者调节电动比例阀，改变空燃比，实现燃烧控制系统的反馈调节。

同济大学燃气教研室目前正致力于基于火焰电流信号的闭环燃烧控制系统研发，已取得阶段性成果。相信在不久的将来，传统的燃气燃烧设备借助于自动化的发展能够变得更加的节能、环保和高效。

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