内燃机原理第六章 燃烧的基础知识

1、1、复习两个气体燃料燃烧理论、复习两个气体燃料燃烧理论热着火和链式着火理论；热着火和链式着火理论；2、掌握、掌握ICE的燃烧方式；的燃烧方式；3、掌握湍流强度表达方式和对、掌握湍流强度表达方式和对ICE燃烧的影响；燃烧的影响；4、了解、了解SI-ICE的火花点火过程和影响因素；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；、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；、掌握影响雾化质量的因素；7、了解示功图的测量过程；、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。、掌握燃烧放热速率和累积放热率的概念。一、燃烧现象一、燃烧现象燃烧过程（氧化过程）

2、燃烧过程（氧化过程）着火阶段着火阶段+燃烧阶段燃烧阶段着火阶段着火阶段可燃混合气在一定压力、温度和浓度可燃混合气在一定压力、温度和浓度下，氧化反应突然加速，并出现火焰下，氧化反应突然加速，并出现火焰的现象。的现象。燃烧阶段燃烧阶段着火后燃料与氧化剂剧烈放热的氧化反应。着火后燃料与氧化剂剧烈放热的氧化反应。i燃烧燃烧滞燃期滞燃期反应速度反应速度着火阶段着火阶段滞燃期滞燃期ICE属周期性非稳定燃烧过程，燃烧持续期属周期性非稳定燃烧过程，燃烧持续期10-20ms,着火过程只有着火过程只有0.3-0.03ms，滞燃期对性能影响大。，滞燃期对性能影响大。固相燃烧：固相燃烧：气相燃烧气相燃烧氧化剂在燃料表

3、面的氧化反应氧化剂在燃料表面的氧化反应燃料与氧化剂按一定比例混合燃料与氧化剂按一定比例混合燃料与氧化剂彼此分离燃料与氧化剂彼此分离燃烧燃烧预混合燃烧：预混合燃烧：扩散燃烧：扩散燃烧：二、燃烧分类二、燃烧分类层流预混合燃烧层流预混合燃烧层流扩散燃烧层流扩散燃烧紊流扩散燃烧紊流扩散燃烧SI-ICE燃烧燃烧着火延迟着火延迟火焰按准球面传播火焰按准球面传播CI-ICE燃烧燃烧HCCI（柴油）燃烧（柴油）燃烧油束外围燃烧油束外围燃烧多区域同时着火燃烧多区域同时着火燃烧燃烧速度燃烧速度混合气浓度混合气浓度裂解裂解火焰火焰回火回火Premixed Combustion化学反应速度化学反应速度0.81.2无无

4、PM无焰无焰有有Diffusion Combustion混合速度混合速度1.286.8有有PM有焰有焰无无两种燃烧方式对比两种燃烧方式对比SparkPlugFuel InjectorHot Flam RegionNOxHot Flam RegionNOx+PM三、烃燃料的链式着火三、烃燃料的链式着火冷焰区冷焰区低温多阶段着火低温多阶段着火600K高温单阶段着火高温单阶段着火着火半岛着火半岛着火界限着火界限冷焰诱导冷焰诱导蓝焰蓝焰热焰热焰低温多阶段着火低温多阶段着火冷焰冷焰低温多阶段着火低温多阶段着火l冷焰诱导阶段冷焰诱导阶段l冷焰阶段冷焰阶段l蓝焰阶段蓝焰阶段高温单阶段着火高温单阶段着火温度高

5、，由蓝焰直接进入热焰，完成着火温度高，由蓝焰直接进入热焰，完成着火CnHmROOH+C2H4O（乙醛）（乙醛）低温氧化反应低温氧化反应ROOHHCHO（甲醛）（甲醛） HCHO发出低辉度冷焰发出低辉度冷焰HCHOCOCO发出高辉度冷焰（蓝焰）发出高辉度冷焰（蓝焰）COCO2形成热焰，着火形成热焰，着火ICE着火燃烧着火燃烧SI-ICE爆燃爆燃高温单阶段高温单阶段着火着火的预混合的预混合燃烧燃烧高温单阶段高温单阶段着火着火的扩散的扩散燃烧燃烧低温多阶段低温多阶段着火着火的预混合的预混合燃烧燃烧低温多阶段低温多阶段着火着火的预混合的预混合燃烧燃烧CI-ICEHCCI低温多阶段低温多阶段着火着火的预

6、混合的预混合燃烧燃烧着火过程属于非常复杂的着火过程属于非常复杂的“化学反应动力学化学反应动力学”过程过程存在许多未知领域存在许多未知领域一、湍流（紊流，一、湍流（紊流，Turbulence）定义）定义流速大小和方向无规则变化的微元气体流动。流速大小和方向无规则变化的微元气体流动。湍流影像湍流影像进气流场进气流场压缩湍动能压缩湍动能速度速度曲轴曲轴转角转角瞬时速度瞬时速度u平均速度平均速度U脉动速度脉动速度uT二、湍流特征参数二、湍流特征参数湍流强度湍流强度ICE在第在第i个循环、曲轴转角为个循环、曲轴转角为 时的瞬时湍流速度：时的瞬时湍流速度：),(),(),(iuiUiuT集总平均速度：集总

7、平均速度：NiiuNU1EA),(1)(湍流强度：湍流强度：NiTiuNU12EAT,),(1)(湍动能湍动能单位质量微元体湍流速度的涨落均方差。单位质量微元体湍流速度的涨落均方差。221TTuK 三、湍流对燃烧的影响三、湍流对燃烧的影响湍流可以强化传热传质过程湍流可以强化传热传质过程，既而促进，既而促进燃油与空气燃油与空气的的混合，提高燃烧速度。混合，提高燃烧速度。一、火花点火过程一、火花点火过程（一）火花点火过程（一）火花点火过程（理论不成熟）（理论不成熟）击穿阶段（击穿阶段（10ns）1035kV的高压击穿火花塞间隙，形成离子通道，的高压击穿火花塞间隙，形成离子通道，温度温度60000K

8、，压力十几兆帕，电流，压力十几兆帕，电流200A。电弧放电阶段（电弧放电阶段（100s）低电压（低电压（10100V），高电流，温度），高电流，温度6000K。辉光放电阶段（辉光放电阶段（ms）高电压（高电压（300500V），低电流，温度），低电流，温度3000K。火核形成火核形成积累能量积累能量（二）点火能量（二）点火能量bE50bEmJ5030bEmJ高能点火高能点火过大过大极间混合气多极间混合气多bE大大过小过小电极散热快电极散热快bE大大电极间隙电极间隙bSoptbS8 . 06 . 0bSmm0 . 1a 时，时，bE最小最小每个每个bE存在混合气的浓稀极限存在混合气的浓稀极限高能

9、点火可以拓宽着火极限高能点火可以拓宽着火极限二、火焰的传播二、火焰的传播火焰前锋面火焰前锋面火花火花Lv气缸气缸未燃气体未燃气体已燃气体已燃气体预热区预热区反应区反应区混合气浓度混合气浓度混合气温度混合气温度反应速度反应速度未燃气体未燃气体已燃气体已燃气体火焰层厚度火焰层厚度燃烧速率：燃烧速率：mLLFvdtdmm混合气质量混合气质量m混合气密度混合气密度LF火焰前锋表面积火焰前锋表面积燃烧放热速率：燃烧放热速率：ummLLBHFvdtdQ燃空当量比燃空当量比Lvcm/s甲醇甲醇丙烷丙烷汽油汽油甲烷甲烷异辛烷异辛烷1.1烃燃料层流燃烧烃燃料层流燃烧1Lvl m/s9 . 0al 时，燃烧速度最

10、快时，燃烧速度最快层流火焰层流火焰ICE的火焰传播一定不是层流火焰，气缸内存在扰动的火焰传播一定不是层流火焰，气缸内存在扰动1Lvm/sSI-ICE的实际燃烧速度的实际燃烧速度而燃烧持续期而燃烧持续期内力内力液滴破碎准则液滴破碎准则维泊数（维泊数（Weber）:20udWae液滴张力作用于液滴表面张力周围空气密度，周围空气密度，kg/m3；a气液两相间的相对速度，气液两相间的相对速度，m/s；u液体表面张力，液体表面张力，N/m；液滴直径，液滴直径，m。0deW破碎可能性破碎可能性汽、柴油：汽、柴油：1410ecW2max0uWdaec液滴最大直径：液滴最大直径：喷雾特性喷雾特性贯穿距离贯穿距

11、离喷雾锥角喷雾锥角喷雾粒径喷雾粒径强化燃料雾化的方法强化燃料雾化的方法：l提高燃烧室内的空气压力提高燃烧室内的空气压力增大周围空气密度；增大周围空气密度；l提高燃料喷射压力提高燃料喷射压力增大液滴的相对速度；增大液滴的相对速度；l提高燃烧室内空气温度提高燃烧室内空气温度减小液滴表面张力。减小液滴表面张力。一、喷雾特性一、喷雾特性贯穿距离贯穿距离要求：要求：足够的距离，穿过火焰，防止足够的距离，穿过火焰，防止“火包油火包油”孔式喷油器贯穿距离计算方法：孔式喷油器贯穿距离计算方法：基于高压容器模拟的半经验公式基于高压容器模拟的半经验公式液柱开始分裂时间液柱开始分裂时间:bt时：时：btt 0tpp

12、LbcjP21)(239. 0btt 时时:2104195. 2tdppLacjP21065.28cjabbppdt喷油开始后时间喷油开始后时间/ms贯穿距离贯穿距离/mm喷油背压喷油背压pc=2.0MPa喷油压力喷油压力pj=15.0MPa喷油压力喷油压力pj=10.0MPa喷油压力喷油压力pj=7.0MPa贯穿率贯穿率=喷油持续期内的贯穿距离喷油持续期内的贯穿距离喷孔至燃烧室壁面的距离喷孔至燃烧室壁面的距离静止或涡流较弱时，贯穿率应小于静止或涡流较弱时，贯穿率应小于1强涡流时，贯穿率应大于强涡流时，贯穿率应大于1要求要求喷雾锥角喷雾锥角孔式喷油器：孔式喷油器：25. 022005. 0aa

13、cjdpp轴针式喷油器：由轴针前端形状决定轴针式喷油器：由轴针前端形状决定jpa0d喷雾粒径喷雾粒径喷雾粒径喷雾粒径平均粒径平均粒径Souter粒径粒径SMD粒径分布粒径分布油滴直径油滴直径/m油滴相对数目油滴相对数目/%123平均粒径：平均粒径：NndDiim)(Souter粒径：粒径：)()(23iiiindndSMD131. 0121. 0135. 0)(9 .23bacjgppSMD压力单位：压力单位：MPa；喷油量单位：喷油量单位：mm3；密度单位：密度单位：kg/m3喷油压力喷油压力/MPaSMD/m柴油柴油喷孔直径：喷孔直径：0.3mmMPa1 . 0cpMPa0 . 1cpMP

14、a0 . 3cp喷油压力喷油压力/MPaSMD/m柴油柴油背压：背压：3.0MPa喷孔长径比：喷孔长径比：4.0mm4 . 00dmm3 . 00dmm1 . 00d高压喷射、小喷孔、高背压、低粘度，均会提高雾化质量高压喷射、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一、单个油滴的蒸发与燃烧静止空气中液滴的蒸发与燃烧静止空气中液滴的蒸发与燃烧火焰前锋火焰前锋油滴油滴rTaoCfC0TfTaT“火包油火包油”，燃料裂解严重，燃料裂解严重fv20fvKdT f0mfv4dqK 完全蒸发时间：完全蒸发时间：蒸发常数：蒸发常数：蒸气向外对流量蒸气向外对流量mq强迫气流中液滴的蒸发

15、强迫气流中液滴的蒸发无气流速度无气流速度与气流有相对速度与气流有相对速度相对速度大于临界值相对速度大于临界值1ucTuu 1液滴液滴液滴液滴液滴液滴火焰前锋火焰前锋火焰前锋火焰前锋混合气区混合气区混合气区混合气区混合气区偏移混合气区偏移混合气区分离混合气区分离火焰前锋火焰前锋混合气区混合气区l静止气流，静止气流， 扩散燃烧特征，高温缺氧燃烧，易生碳烟；扩散燃烧特征，高温缺氧燃烧，易生碳烟；l强迫气流，存在预混合燃烧特征，气流强，碳烟生成少。强迫气流，存在预混合燃烧特征，气流强，碳烟生成少。涡流涡流油束核心油束核心无涡流无涡流喷油器喷油器浓度分布浓度分布着火区域着火区域着火区域着火区域着火区域宽

16、着火区域宽油束及油滴群油束及油滴群的蒸发与燃烧的蒸发与燃烧10dm 蓝色火焰，油滴快速蒸发，形成预混合燃烧蓝色火焰，油滴快速蒸发，形成预混合燃烧4010dm蓝色火焰中黄白亮点，预混合蓝色火焰中黄白亮点，预混合+扩散燃烧扩散燃烧40dm黄白亮光火焰，扩散燃烧黄白亮光火焰，扩散燃烧良好的喷雾特性，是降低良好的喷雾特性，是降低CI-ICE排烟的基本手段排烟的基本手段一、燃烧过程研究的实验手段一、燃烧过程研究的实验手段测功机测功机控制柜控制柜燃烧分析仪燃烧分析仪A/D转换转换电荷放大器电荷放大器缸压传感器缸压传感器曲轴曲轴位置位置传感传感器器ICE进气进气排气排气联轴联轴器器油耗仪油耗仪燃料燃料燃烧分

17、析可得到：燃烧分析可得到：p图图 或或 图图Vp一、燃烧过程研究的实验手段一、燃烧过程研究的实验手段二、燃烧放热速率（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。可燃混合气单位时间或单位曲轴转角的放热量。wwBQWUQQQwwtBTTFddkkpVddVpkddpVkddQ2) 1()(11燃烧放热速率燃烧放热速率=瞬时放热速率瞬时放热速率ddQddQddQwB三、累积放热率三、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。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。%100%100ubBBOBQHgdQQdQXbb燃烧放热速率特征值：始点、形状、峰值、持续期燃烧放热速率特征值：始点、形状、峰值、持续期X = 5%：着火阶段结束着火阶段结束X = 50%：前期燃烧结束前期燃烧结束X = 95%：主要燃烧过程结束主要燃烧过程结束/(kJ. CA)曲轴转角曲轴转角累积