电场下火花点火预混火焰传播特性的研究

在火花点火预混火焰中开展电场对火焰传播特性影响的基础研究。基本思想是在定容燃烧装置中用火花点火点燃均质混合气,利用电场使火焰中由化学反应产生的离子形成离子风，通过离子风诱导增加火焰前锋面的运动速度或皱折和扭曲，扩大火焰表面积，提高火焰传播速度，拓展稀燃极限，揭示电场对火焰传播速度、稀燃极限、以及火焰传播特性的影响规律；利用正、负电场的交替变化和频率变化改变火焰传播速度，通过电场极性和频率变化建立电场控制火焰传播速度的方法。试验以CH4气体燃料为对象，在电场与定容燃烧实验平台上进行，主要研究内容包括：电场对火焰形态和发展、半径、传播速度、厚度、稳定性等火焰传播特性的影响，电场性质、强度、均匀性和频率，以及不同温度、压力和空燃比下电场对火焰传播特性的影响。该研究为电场在火花点火发动机上应用的可行性提供基础数据和依据，为实现高效率燃烧和火焰传播速度的灵活控制提供可探索的思路和方法。

通过在密闭空间的球形扩展火焰上增加直流和交流电场的方式，研究燃烧场和电场两者相互耦合作用下对火焰的影响和促进作用。分别对不同当量空燃比下（0.8，1.0，1.2，1.4，1.6）、正电场（电压0-12kV）、负电场（电压0-12kV）、高频交流电场（频率1-30kHz）、低频交流电场（频率0-100Hz）、三种电极结构（网状，点状、环状）和电极面积（60mm，40mm，20mm，4mm）条件下进行研究，发现由于CH4火焰中的负离子浓度远低于正离子，因此在火焰前锋中形成了由正离子主导的离子风效应推动火焰面附近运动，使得负电场在总体效果上优于正电场，相对于正电场，负电场作用下平均火焰速度增加25%，压力峰值增加4%，峰值时间提前10%；电极结构对电场分布均匀性影响较大，网状（60mm）电极的电场分布最均匀，环电极次之，点电极最不均匀，并且电场分布越均匀对火焰的影响越大，网状电极相对于环状电极和点电极其平均速度增长率分别提高11%和30%，燃烧压力上升率增大19%和39%；对交流电场而言其高频和低频对火焰的影响完全不同，高频交流电场对火焰的促进作用随着电场频率的增加而增加，在频率25-30kHz时最佳，而低频交流电场对火焰的影响则随着电场频率的增加而降低，在频率为40Hz时最佳；特别在稀薄燃烧条件下，由于离子与中性粒子的碰撞频率和效率的大幅度提高，可大幅度提高火焰传播速率和燃烧压力，在当量空燃比为1.6的稀燃条件下，其平均火焰传播速度可提高100%以上，而燃烧压力可提高10%以上。该电场与等离子体助燃等电场辅助燃烧相比，消耗电功率较低（W级），因此，该研究为稀薄混合气或低品位燃料高效率燃烧提供一条新的研究方向和思路，也为低功耗下电场对火焰传播速率的提高提供新的研究方向和思路。