内燃机原理第六章燃烧的基础知识

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。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、温度和浓度下，氧化反应突然加速，并出现火焰的现象。燃烧阶段着火后燃料与氧化剂剧烈放热的氧化反应。i燃烧滞燃期反应速度着火阶段——滞燃期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。固相燃烧：气相燃烧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彼此分离燃烧预混合燃烧：扩散燃烧：二、燃烧分类层流预混合燃烧层流扩散燃烧紊流扩散燃烧SI-ICE燃烧着火延迟火焰按准球面传播CI-ICE燃烧HCCI（柴油）燃烧油束外围燃烧多区域同时着火燃烧燃烧速度混合气浓度裂解火焰回火PremixedCombustion化学反应速度0.8～1.2无PM无焰有DiffusionCombustion混合速度1.28～6.8有PM有焰无两种燃烧方式对比SparkPlugFuelInjectorHotFlamRegion—NOxHotFlamRegion—NOx+PM三、烃燃料的链式着火低温多阶段着火600K高温单阶段着火着火半岛着火界限冷焰诱导蓝焰热焰低温多阶段着火冷焰低温多阶段着火冷焰诱导阶段冷焰阶段蓝焰阶段高温单阶段着火温度高，由蓝焰直接进入热焰，完成着火CnHmROOH+C2H4O（乙醛）低温氧化反应ROOHHCHO（甲醛）HCHO发出低辉度冷焰HCHOCOCO发出高辉度冷焰（蓝焰）COCO2形成热焰，着火ICE着火燃烧SI-ICE爆燃高温单阶段着火的预混合燃烧高温单阶段着火的扩散燃烧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CI-ICEHCCI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、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速度曲轴转角瞬时速度u平均速度U脉动速度uT二、湍流特征参数湍流强度ICE在第i个循环、曲轴转角为φ时的瞬时湍流速度：),(),(),(iuiUiuT集总平均速度：NiiuNU1EA),(1)(湍流强度：NiTiuNU12EAT,),(1)(湍动能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。辉光放电阶段（ms）高电压（300～500V），低电流，温度3000K。火核形成积累能量（二）点火能量bE50bEmJ50~30bEmJ——高能点火过大极间混合气多bE大过小电极散热快bE大电极间隙bSoptbS8.0~6.0bSmm0.1a时，bE最小每个bE存在混合气的浓稀极限高能点火可以拓宽着火极限二、火焰的传播火焰前锋面火花Lv气缸未燃气体已燃气体预热区反应区混合气浓度混合气温度反应速度未燃气体已燃气体火焰层厚度燃烧速率：mLLFvdtdmm—混合气质量m—混合气密度LF—火焰前锋表面积燃烧放热速率：ummLLBHFvdtdQ燃空当量比Lvcm/s甲醇丙烷汽油甲烷异辛烷1.1烃燃料层流燃烧1Lvm/s9.0a时，燃烧速度最快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1Lvm/sSI-ICE的实际燃烧速度而燃烧持续期60°CA1Lvm/s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。2300eR层流火焰1Lvm/s6000~2300eR湍流火焰eLRv6000eR强湍流火焰eLRv层流火焰已燃气体未燃气体湍流火焰强湍流火焰火焰前锋面SI-ICE燃烧一、液体燃料的雾化和扩散燃烧喷油器雾化区油束核心空气卷入β喷雾锥角分裂距离贯穿距离液柱阶段分裂雾化阶段喷雾过程100～400m/s0.12ms0.63ms0.38ms汽油多孔喷射的高速摄影（压力：10MPa）柴油喷射压力：20～200MPa液体燃料的雾化过程液滴破碎及影响因素飞行方向空气阻力重力液体压力形成的推进力外力：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）:20udWae液滴张力作用于液滴表面张力—周围空气密度，kg/m3；a—气液两相间的相对速度，m/s；u—液体表面张力，N/m；—液滴直径，m。0deW破碎可能性汽、柴油：14~10ecW2max0uWdaec液滴最大直径：喷雾特性贯穿距离喷雾锥角喷雾粒径强化燃料雾化的方法：提高燃烧室内的空气压力——增大周围空气密度；提高燃料喷射压力——增大液滴的相对速度；提高燃烧室内空气温度——减小液滴表面张力。一、喷雾特性贯穿距离要求：足够的距离，穿过火焰，防止“火包油”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液柱开始分裂时间:bt时：btt0tppLbcjP21)(239.0btt时:2104195.2tdppLacjP21065.28cjabbppdt喷油开始后时间/ms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贯穿率=喷油持续期内的贯穿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1强涡流时，贯穿率应大于1要求喷雾锥角孔式喷油器：25.022005.0aacjdpp轴针式喷油器：由轴针前端形状决定jpa0d喷雾粒径喷雾粒径平均粒径Souter粒径SMD粒径分布油滴直径/μm油滴相对数目/%123平均粒径：NndDiim)(Souter粒径：)()(23iiiindndSMD131.0121.0135.0)(9.23bacjgppSMD压力单位：MPa；喷油量单位：mm3；密度单位：kg/m3喷油压力/MPaSMD/μm柴油喷孔直径：0.3mmMPa1.0cpMPa0.1cpMPa0.3cp喷油压力/MPaSMD/μm柴油背压：3.0MPa喷孔长径比：4.0mm4.00dmm3.00dmm1.00d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火焰前锋油滴rTaoCfC0TfTaT“火包油”，燃料裂解严重fv20fvKdTf0mfv4dqK完全蒸发时间：蒸发常数：—蒸气向外对流量mq强迫气流中液滴的蒸发无气流速度与气流有相对速度相对速度大于临界值1ucTuu1液滴液滴液滴火焰前锋火焰前锋混合气区混合气区混合气区偏移混合气区分离火焰前锋混合气区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。涡流油束核心无涡流喷油器浓度分布着火区域着火区域着火区域宽油束及油滴群的蒸发与燃烧10dμm——蓝色火焰，油滴快速蒸发，形成预混合燃烧40~10dμm——蓝色火焰中黄白亮点，预混合+扩散燃烧40dμm——黄白亮光火焰，扩散燃烧良好的喷雾特性，是降低CI-ICE排烟的基本手段一、燃烧过程研究的实验手段测功机控制柜燃烧分析仪A/D转换电荷放大器缸压传感器曲轴位置传感器ICE进气排气联轴器油耗仪燃料燃烧分析可得到：p图或图Vp一、燃烧过程研究的实验手段二、燃烧放热速率（RateofHeatRelease）可燃混合气单位时间或单位曲轴转角的放热量。wwBQWUQQQwwtBTTFddkkpVddVpkddpVkddQ2)1()(11燃烧放热速率=瞬时放热速率ddQddQddQwB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。%100%100ubBBOBQHgdQQdQXbb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X=50%：前期燃烧结束X=95%：主要燃烧过程结束/(kJ.°CA)曲轴转角累积放热率一、燃烧的基础知识现象二、湍流及其在燃烧中的作用三、均质混合气的火焰传播四、液体燃料的雾化和喷雾特性燃烧过程；燃烧分类；着火半岛；ICE不同的燃烧方式火花点火过程和湍流火焰六、燃烧放热规律放热速率和累积放热率五、油滴的蒸发和燃烧湍流强度的概念单个油滴和油滴群的蒸发和燃烧