火焰举升距介绍

火焰举升距

摘要：燃料在最初的预混着火后，扩散火焰并非直接发生于喷孔处而是脱离喷嘴一段距离，这段距离称火焰举升距（Flame lift-off length）。火焰举升距会通过影响油气混合进而对碳烟的形成过程造成重要影响。火焰举升距的影响因素有孔径、环境温度和环境氧浓度。研究证实火焰举升距是影响直喷式柴油机缸内燃烧和Soot生成的重要参数。由于火焰举升距内的空气卷吸量直接影响下游浓混合区的空燃比，而这一浓混合区域也是化学反应最快速的区域，在此区域内产生大量的热、高温反应气以及未燃烧完全的燃油作为下一步燃烧反应的条件会决定Soot的生成量。提高火焰举升距内的空气卷吸量将对发动机的Soot排放产生决定性的影响。因此研究柴油机的各种参数对火焰举升距的影响将有助于去控制柴油机。

一、火焰举升距

直喷式柴油机的燃烧包括预混和燃烧和扩散燃烧两个阶段。燃料在最初的预混着火后，扩散火焰并非直接发生于喷孔处而是脱离喷嘴一段距离，这段距离称火焰举升距（Flame lift-off length），见图1。火焰举升距会通过影响油气混合进而对碳烟的形成过程造成重要影响。开展柴油机火焰举升距的研究将有助于更加深入了解柴油机的燃烧过程。

图1 火焰举升距

与火焰举升距相似的一个概念是纯液相长度，也就是燃油从喷孔喷出一直到混合气浓区终点的距离，这一段距离内以液态的燃油作为主要特征。但是决定燃油在开始燃烧前所卷吸及混合的空气量的参数不是纯液相长度而是火焰举升距。

因此就Soot生成来说，火焰举升距是更为重要的参数。

图2显示的是JohnE.Dec提出并经过验证的柴油机自由扩散火焰的概念模型。其较好地说明了火焰举升距、纯液相长度与空燃混合气、火焰表面以及Soot 形成之间的关系。从图2中可以看出燃油自喷孔喷出后燃油开始雾化蒸发并卷吸空气，直到到达火焰举升距的下游位置。而在火焰举升距内卷吸的空气量的多少则直接影响了下游浓混合区的空燃比，从而影响Soot的生成。

图2 JohnE.Dec柴油机自由扩散火焰的概念模型

二、影响火焰举升距的因素

影响火焰举升距的因素有孔径、环境温度和环境氧浓度。

（1）孔径影响

喷孔直径是影响柴油机燃烧过程及排放的一个极其重要的参数，Lyle M.Pickett和Dennis L.Siebers在定容弹内的实验研究表明：使用小孔径的喷孔（50μm），在适当的温度下，甚至可以不产生碳烟。所以研究孔径对火焰举升距及Soot排放影响是非常必要的。随着喷孔直径的增大，火焰举升距呈现增大趋势，但变化不是特别突出。

（2）环境温度对火焰举升距的影响

环境温度是影响火焰举升距的一个重要参数[39-43]，随着环境温度的升高，燃油在空气中的化学滞燃期与物理滞燃期都相应缩短，火焰举升距会因此而减小。Takayuki等人在实验中也证实了这一点。保持缸内压力不变的情况下，火焰举升距受缸内气体密度和温度的影响很大，火焰举升距随着进气温度的增加呈先

增大后减少的趋势，而进气密度随进气温度升高而减少。保持缸内密度不变的情况下，缸内温度与压力变化成正比，初始环境温度的增加，从而促进了燃油的雾化和蒸发，同时燃油在空气中的化学滞燃期与物理滞燃期都相应缩短，因此火焰举升距均随着初始进气温度的升高而缩短。

（3）环境氧浓度对火焰举升距的影响

现代重型柴油机普遍使用废气再循环（EGR）技术，因此并非所有工况下氧浓度都和空气中一样。使用EGR后，环境气体中氧气浓度降低，氧化反应减速，一方面可以延长滞燃期，给予喷雾更多的时间进行着火前的混合准备；另一方面，由于环境气体中氧浓度的下降，导致相同体积内氧气量减少，相同卷吸情况下，气相喷雾当量比相对增大，又需要更长的时间进行充分混合。因此，EGR对喷雾浓度场的影响是很复杂的，可能会有利于促进喷雾均质、稀薄，增加着火、燃烧过程中当量比小于2的气相燃油质量比例，也可能会起到相反作用。因此找出氧浓度对于油束火焰举升距的影响是具有很强的实践意义。随着氧浓度的降低，火焰举升距增加，燃烧过程的不集中，大量燃油不完全燃烧，导致Soot的生成。同时将导致缸内温度的降低，利于降低NOx的生成量。

近期，也有学者利用激光点火研究了火焰举升距，发现利用激光点火可以使火焰举升距减小，维持火焰靠近点火位置一段时间，但是最终又会回到本身的火焰举升距位置。回到本身的火焰举升距位置时间与激光点火点和本身火焰举升距有关。

三、火焰举升距研究意义

越来越多的研究证实，火焰举升距是影响直喷式柴油机缸内燃烧和Soot生成的重要参数。由于火焰举升距内的空气卷吸量直接影响下游浓混合区的空燃比，而这一浓混合区域也是化学反应最快速的区域，在此区域内产生大量的热、高温反应气以及未燃烧完全的燃油作为下一步燃烧反应的条件会决定Soot的生成量。提高火焰举升距内的空气卷吸量将对发动机的Soot排放产生决定性的影响。因此研究柴油机的各种参数对火焰举升距的影响将有助于改善柴油机排放特性。