基于离子电流的高温压力传感器机理研究

0　引　言

近几年来,脉冲爆震发动机(pulse detonation engine,PDE)以其重量轻、推重比高、热循环效率高、耗油率低等优点成为国际航空航天推进系统研究的热点[1, 2]。爆震燃烧室中的压力是控制爆震发动机成功爆震的重要物理量,不仅决定PDE的点火时刻和点火延时时间,而且,反映PDE工作状态和工作效率。常规的高频响压力传感器不适合在连续爆震燃烧的高温下长时间工作,在现有试验条件下使用时需要配备冷却装置,因此,工程应用性差,迫切需要研究一种替代的高温环境下压力测量方法。

鉴于离子电流法和离子传感器在汽车发动机爆震、失火检测、汽缸压力估计、火焰传播速度测量、点火提前角确定、空燃比检测等方面的广泛应用[3, 4],本文研究了离子传感器测量爆震燃烧室中压力的方法。通过2种类型离子探针的对比分析、探针长度变化、偏置压力变化等研究,设计一种单针短探针型离子传感器。

1　测量原理

离子电流法的理论基础是碳氢燃料与空气混合物燃烧时,燃烧火焰除了发出光和热外,还显现出强烈的离子化。在大气压下,离子浓度高达1010~1013个/cm3。燃气中的高离子浓度区域仅局限于火焰带这个狭窄的反应区域内。根据Zeldovich, von Neumann, Doring提出的爆震波内部结构的模型(ZND)[5],爆震波由一个以爆震波速度运动的激波和跟在其后面的厚度比激波厚得多的化学反应区组成,如图1所示,T,p,ρ分别表示温度、压力和密度。位置1是前导激波,紧靠激波的后缘,位置1′为von Neumann峰值点,其压力、温度和密度的值与气体混合物中已发生化学反应的体积分数有关。

在火焰后区即反应区,生成H3O+的快速放热反应基本完成,且大量H3O+离子已经遵循反应式(3)直接结合,这样,H3O+在等离子体中的支配作用逐渐消失,离子浓度也迅速衰减,化学电离过程结束,这时的燃气温度可能在1500℃以上。在PDE的研究当中,焰后高温期的存在时间极短,管内压力比较低,离子浓度的变化主要集中在焰前反应期。试验中,在探针和管道间加偏置电压,电极两极附近的离子和自由电子在偏置电压的作用下发生平移而产生离子电流,电流的大小取决于探针附近的离子浓度和偏置电压大小,通过一定试验装置可以捕获到这种离子电流,它的衰减速度反映了爆震燃烧压力的大小[7]。

2　系统组成

试验系统如图2所示。包括爆震管、充气与循环系统、点火系统与测量系统。爆震管长度为2 m ,截面为60mm×60mm的方管。燃料为乙炔,氧化剂为氧气,用空气调节混气中乙炔与氧气的浓度。充气前先将爆震管抽成真空,以消除管中剩余气体的影响。燃料与氧化剂的充气量由管中气体分压力确定。充气完成后,通过循环泵将燃料与氧化剂充分混合,然后,通过点火系统点火起爆。