内燃机原理第六章-燃烧的基础知识

Premixed Combustion
Diffusion Combustion
化学反应速度 混合速度
0.8～1.2 1.28～6.8
无PM 有PM
Spark Plug
Fuel Injector
火焰 无焰 有焰
回火 有 无
Hot Flam Region —NOx
Hot Flam Region
—NOx+PM
火花点火过程和湍流火焰 四、液体燃料的雾化和喷雾特性 五、油滴的蒸发和燃烧
单个油滴和油滴群的蒸发和燃烧 六、燃烧放热规律
放热速率和累积放热率
作用于液滴表面张力
We
液滴张力
a d0 u2
a —周围空气密度，kg/m3；
u —气液两相间的相对速度，m/s；
—液体表面张力，Nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱm；
d0 —液滴直径，m。
We
破碎可能性 汽、柴油：Wec 10 ~ 14
液滴最大直径：d 0 m a x
Wec a u2
液柱开始分裂时间: tb
U EA ()
1 N
N
u( , i)
i 1
湍流强度： UT,EA ()
➢湍动能
1 N
N i 1
uT (,i) 2
单位质量微元体湍流速度的涨落均方差。
KT
1 2
uT2
三、湍流对燃烧的影响
湍流可以强化传热传质过程，既而促进燃油与空气的
混合，提高燃烧速度。
一、火花点火过程 （一）火花点火过程（理论不成熟） ➢击穿阶段（10ns） 10～35kV的高压击穿火花塞间隙，形成离子通道， 温度60000K，压力十几兆帕，电流200A。 ➢电弧放电阶段（100μs） 低电压（10～100V），高电流，温度6000K。 积累能量 ➢辉光放电阶段（ms）
➢油束及油滴群 的蒸发与燃烧
着火区域
着火区域宽
喷油器 油束核心 涡流
浓度分布
无涡流 着火区域
d 10 μm ——蓝色火焰，油滴快速蒸发，形成预混合燃烧 d 10 ~ 40 μm——蓝色火焰中黄白亮点，预混合+扩散燃烧 d 40 μm——黄白亮光火焰，扩散燃烧
良好的喷雾特性，是降低CI-ICE排烟的基本手段
0 t tb 时：
1
LP
0.39
2(
p
j
b
pc )
2
t
t tb 时:
1
LP
2.95
p j pc
a
4
d
0
t
1 2
tb 28.65 b d0 a p j pc
1 2
贯穿距离/mm
喷油背压pc=2.0MPa
□喷油压力pj=15.0MPa ○喷油压力pj=10.0MPa △喷油压力pj=7.0MPa 喷油开始后时间/ms
pc 3.0MPa
喷油压力/MPa
d0 0.4mm
柴油 背压：3.0MPa 喷孔长径比：4.0
d0 0.3mm
d0 0.1mm
喷油压力/MPa
高压喷射、小喷孔、高背压、低粘度，均会提高雾化质量
一、单个油滴的蒸发与燃烧
➢静止空气中液滴的蒸发与燃烧
完全蒸发时间：
T fv
d02 K fv
蒸发常数：
喷油持续期内的贯穿距离 贯穿率=
喷孔至燃烧室壁面的距离
要求
静止或涡流较弱时，贯穿率应小于1 强涡流时，贯穿率应大于1
➢喷雾锥角 孔式喷油器：
0.05
pj
pc a a2
d02
0.25
pj a d0
轴针式喷油器：由轴针前端形状决定
柴油 喷孔直径：0.3mm
pc 0.1MPa pc 1.0MPa
燃烧放热速率=瞬时放热速率
QB Q Qw U W Qw
dQB dQ dQw
d d d
dQB
d
1 (V k 1
dp
d
k
p dV ) pV
d (k 1)2
dk
d
t
Fw T
Tw
三、累积放热率
从放热始点到某一时刻已放出的热量占全部总热量的比率。
XQ
b dQB 100% b dQB 100%
Re 2300 Re 2300 ~ 6000 Re 6000
层流火焰 湍流火焰 强湍流火焰
vL 1 m/s vL Re vLRe
火焰前锋面
已燃 气体
未燃 气体
层流火焰
湍流火焰
强湍流火焰
SI-ICE燃烧
一、液体燃料的雾化和扩散燃烧
喷油器
➢液体燃料的雾化过程
液柱阶段 喷雾过程
分裂雾化阶段
汽油多孔喷射的高速摄影 （压力：10MPa）
烃燃料层流燃烧
a 0.9 时，燃烧速度最快 vL
甲烷
vL 1m/s
cm/s
丙烷
汽油 异辛烷
1.1 燃空当量比
➢层流火焰
vL 1 m/s
而燃烧持续期<60 °CA
SI-ICE的实际燃烧速度 vL 1 m/s
ICE的火焰传播一定不是层流火焰，气缸内存在扰动
➢湍流火焰
湍流使火焰前锋面出现皱褶，传热、化学反应速度加快。
一、燃烧现象
燃烧过程（氧化过程）—着火阶段+燃烧阶段 ➢着火阶段 可燃混合气在一定压力、温度和浓度
反应速度
下，氧化反应突然加速，并出现火焰
的现象。 着火阶段——滞燃期
➢燃烧阶段
燃烧
滞燃期 i
着火后燃料与氧化剂剧烈放热的氧化反应。
ICE属周期性非稳定燃烧过程，燃烧持续期10-20ms, 着火过程只有0.3-0.03ms，滞燃期对性能影响大。
一、湍流（紊流，Turbulence）定义 流速大小和方向无规则变化的微元气体流动。
湍流影像
进气流场
压缩湍动能
二、湍流特征参数 ➢湍流强度
脉动速度uT 瞬时速度u
平均速度U
速度
曲轴 转角
ICE在第i个循环、曲轴转角为 φ时的瞬时湍流速度：
u(,i) U (,i) uT (,i)
集总平均速度：
➢高能点火可以拓宽着火极限
二、火焰的传播
已燃气体
火花
火焰前锋面
vL
气缸 未燃气体
火焰层厚度
未燃气体
预热区
反应区 已燃气体
混合气浓度
混合气温度
反应速度
燃烧速率：
dm dt
vL
FL
m
m —混合气质量 FL —火焰前锋表面积 m —混合气密度
燃烧放热速率：
dQB dt
vL FL m Hum
甲醇
1、复习两个气体燃料燃烧理论—热着火和链式着火理论； 2、掌握ICE的燃烧方式； 3、掌握湍流强度表达方式和对ICE燃烧的影响； 4、了解SI-ICE的火花点火过程和影响因素； 5、掌握喷油器的喷油过程和喷雾特性； 6、掌握影响雾化质量的因素； 7、了解示功图的测量过程； 8、掌握燃烧放热速率和累积放热率的概念。
QBO
gb Hu
X = 5%： 着火阶段结束
X = 50%： 前期燃烧结束
曲轴转角
X = 95%： 主要燃烧过程结束
燃烧放热速率特征值：始点、形状、峰值、持续期
一、燃烧的基础知识现象 燃烧过程；燃烧分类；着火半岛；ICE不同的燃烧方式
二、湍流及其在燃烧中的作用 湍流强度的概念
三、均质混合气的火焰传播
K
fv
4qm
d 0
f
qm —蒸气向外对流量
“火包油”，燃料裂解严重
T a
r
火焰前锋
油滴
Cf
Co
Tf
T0
Ta
➢强迫气流中液滴的蒸发
火焰前锋
火焰前锋
混合气区偏移 火焰前锋
混合气区分离
液滴
液滴
混合气区
液滴
混合气区
无气流速度
混合气区
u1
与气流有相对速度
u1 ucT
相对速度大于临界值
静止气流， 扩散燃烧特征，高温缺氧燃烧，易生碳烟； 强迫气流，存在预混合燃烧特征，气流强，碳烟生成少。
高电压（300～500V），低电流，温度3000K。 ➢火核形成
（二）点火能量 Eb Eb 30 ~ 50 mJ
过大
电极间隙 Sb 过小
Eb 50 mJ——高能点火
极间混合气多
Eb 大
电极散热快
Eb 大
Sbopt
Sb 0.6 ~ 0.8 mm
➢a 1.0 时，Eb 最小
➢每个 Eb 存在混合气的浓稀极限
油束核心
100 ～ 400m/s
喷雾锥角
雾化区
β
0.12ms
0.38ms
0.63ms
柴油喷射压力：20～200MPa
空气卷入
➢液滴破碎及影响因素
液体压力形 成的推进力
飞行方向
空气阻力
重力
外力：推进力、空气阻力、重力 内力：表面张力、内摩擦力（粘度）
外力>内力
液滴破碎准则——维泊数（Weber）:
CO发出高辉度冷焰（蓝焰） 形成热焰，着火
温度高，由蓝焰直接进入热焰，完成着火
ICE着火燃烧
SI-ICE 高温单阶段着火的预混合燃烧
低温多阶段着火的预混合燃烧
CI-ICE 高温单阶段着火的扩散燃烧
爆燃 HCCI
低温多阶段着火的预混合燃烧 低温多阶段着火的预混合燃烧
着火过程属于非常复杂的“化学反应动力学”过程 存在许多未知领域
一、燃烧过程研究的实验手段
燃烧分析仪 A/D转换 电荷放大器
控制柜
燃料
油耗仪
进气 ICE
测功机
联轴 器
燃烧分析可得到：
排气
p 图 或 p V 图
曲轴 位置 传感 器
缸压传感器
一、燃烧过程研究的实验手段
二、燃烧放热速率（Rate of Heat Release） 可燃混合气单位时间或单位曲轴转角的放热量。
二、燃烧分类
固相燃烧：氧化剂在燃料表面的氧化反应
燃烧
预混合燃烧：燃料与氧化剂按一定比例混合
气相燃烧
扩散燃烧： 燃料与氧化剂彼此分离
层流预混合燃烧
层流扩散燃烧
紊流扩散燃烧
着火延迟
火焰按准球面传播
SI-ICE燃烧
油束外围燃烧
多区域同时着火燃烧
CI-ICE燃烧
HCCI（柴油）燃烧
两种燃烧方式对比
燃烧速度 混合气浓度 裂解
三、烃燃料的链式着火
着火界限
高温单阶段着火
着火半岛
600K 低温多阶段着火
低温多阶段着火
蓝焰
热焰
冷焰诱导
冷焰
➢低温多阶段着火
冷焰诱导阶段
CnHm 冷焰阶段
ROOH 蓝焰阶段
低温氧化反应 ROOH+C2H4O（乙醛） HCHO（甲醛） HCHO发出低辉度冷焰
HCHO
CO
CO
CO2
➢高温单阶段着火