燃烧理论分析及相应计算

燃烧机理分析燃烧机理分析林树军浙江温岭燃烧过程高速摄影1燃料和空气混合气缸混合气残余废气过程湍流火焰燃气混合物燃料空气点火TDC@1430r/min&部分负荷Lamberda=1.30喷油角度为30CRABTC出现火焰达到离火花塞最远的气缸壁理论温度最高点燃烧阶段划分2火花点燃早期火焰传播火焰传播火焰终止火焰扩散期火焰高速传播期燃烧机理解释3内燃机的燃烧过程是湍流燃烧，而湍流燃烧是一种极其复杂的带化学反应的流动现象，湍流与燃烧的相互作用涉及许多因素，流动参数与化学动力学参数之间的耦合的机理极其复杂，用数值模拟方法分析和预测湍流燃烧现象的关键问题是正确模拟平均化学反应率，即燃料的湍流燃烧速率。燃烧湍流模型4EddyBreakup(涡团破碎模型）Spalding的涡团破碎模型，其基本思想是：对预燃火焰、湍流燃烧区中的已燃气体和未燃气体都是以大小不等并作随机运动的涡团形式存在。化学反应在这两种涡团的交界面上发生。化学反应的速率取决于未燃气体涡团在湍动能作用下破碎成更小的涡团的速率，而此破碎速率正比于湍流脉动动能k的耗散率，其基本表达方式如下：该模型是AVL公司fire软件里面计算燃烧的基础计算模型。缸内传热模型5内燃机的传热既是与燃烧现象密切耦合的一个子过程，又是整个燃烧循环模拟的一个重要环节。然而，内燃机的传热问题又被认为热问题中最复杂的一个，这是因为由于内燃机工作过程强烈非定温度变化的高度瞬变性，以致在毫秒量级的时间内，燃烧室表面的热流量从零变化到10MW/m2，同时温度和热流的空变化也非常剧烈。在1cm的位置上，热流峰值相差可达5MW/m2。一般而言，发动机的传热计算包括3个方面：（1）工质与燃烧室热量的交换（包括对流和辐射两种方式）；（2）燃烧室壁内部的热传导；（3）燃烧室外壁与冷却对流和沸腾传热。对于内燃机燃烧过程来说，主要考虑的第一项，因而对于内燃机传热模型方面主要考虑两个方面：1、工质与壁面之间的对流换热模型，2、是辐射换热模型。而主要计算方法：1、壁函数法。2、热流法。Wochini传热经验公式燃烧湍流理论6湍流与燃烧、排放物生成的关系极大，例如对火花点火发动机，主要表现在对火焰传播速率、燃烧速率、循环变动以及稀燃极限等方面，对压缩点火发动机扩散燃烧阶段的燃烧速率取决于空气和燃料混合速率，在湍流中物质传输和混合速率均大大高于分子间的扩散速度，在一定范围内增加湍流强度，将有利于燃烧过程的进行和降低烟度。虽然进行了长期的研究，至今对湍流的本质没有清楚的认识，只知道湍流是涡的不断产生、发展、分解和消失的过程，在测量点上表现为各向异性，强瞬变的气流速度无规则分布。湍流产生方式：1、气流通过固体物体表面而产生的壁面湍流2、在同一流体中，不同速度的流体层之间产生的自由湍流。湍流特性参数71、平均气流速度仔细观察湍流曲线可以发现，尽管流体质点的瞬时速度作不规则的变化，但它却绕某一平均值作上下跳动（称作脉动）湍流特性参数8和方差公式类似，代表波动内燃机中各个湍流特性参数之间的关系9（1）进气过程中边界条件对气缸平均流程和湍流场有重大的影响。（2）湍流强度和气流平均流速随发动机单位时间进气量增加而增加。（3）积分长度和气门升程、气缸进气速度有关。可以理解为进气速度发动机准维燃烧模型10火焰传播是发动机燃烧的重要特性，强烈地受缸内气流湍流运动的影响，决定性地影响到火焰结构和火焰传播。湍流特性影响燃烧过程，汽油机燃烧实质上是湍流燃烧，湍流燃烧模型就是建立描述湍流、点火、火焰及火焰传播等燃烧特征参数及其相互间的关系的一组数学表达式，并与内燃机的结构参数和运行参数联系起来，用以预测内燃机结构参数、运行参数变化后的燃烧特性。11发动机准维燃烧模型湍流火焰结构基于对火焰传播机理的认识，有两种描述火焰传播的模型：一种是湍流积分尺度L比层流火焰带的厚度大的多的情况，该模型是以分子迁移过程为基础的模型，是皱折的层流燃烧模型。火焰带内部的结构与层流火焰完全相同，随着流速的变化，火焰面产生畸变、出现皱折，火焰面的总面积增加，燃烧速度也加快。另外一种是属于湍流迁移过程为基础的模型，湍流对火焰面形状影响不大，但对火焰带中的热量基团的迁移过程有大的影响。因湍流迁移在燃烧中是起支配作用的，所以燃烧速度加快，火焰带也变后。湍流迁移燃烧模型12燃烧速度比其中湍流强度包括已燃区湍流强度和未燃区湍流强度火焰燃烧产生的湍流两相之间的气体参数湍流能谱13一般湍流中还包含有各种尺度的涡动，换句话说，包含着各种频率的速度变成成分，即表现出频谱的分布态，这样，湍流层燃烧速度比又可以写成以湍流能谱表示的表达式：低频部分高频部分发动机燃烧需要合适的湍流。14当研究预混合湍流火焰结构时，经常以层流火焰带厚度与湍流尺度的大小来划分火焰结构，此时，作为湍流尺度一般认为科尔果诺夫尺度是主要的在科尔果诺夫尺度以下的小涡动，因粘性而衰减，事实上就不存在了，因此在分析时可以把科尔果诺夫尺度认为是湍流的最小尺度。影响湍流火焰结构的能谱表示为以下情形。15湍流燃烧模型（计算模型）16模型假设：点火发生在以科尔莫果诺夫尺度表示的高耗散区内，点火后燃烧沿着涡管以流速（湍流强度+层流火焰传播速度）向前推进，火焰前锋呈球面，在一定空间长度内，以层流燃烧速度进行燃烧，因此，尺度为L的湍流涡团的燃烧时间为根据上述假设可知，点火后到t时刻卷进燃烧区的质量速率和质量分别为：17质量燃烧率的假设18脉动19层流火焰速度计算经验公式：20为常数由试验确定大尺度涡团370°420°450°480°实际软件计算结果22（1）进排气门平面截图（2）火花塞下方0mm截图（3）垂直于进排气门平面截图（4）火花塞下方5mm截图进气门排气门火花塞火花塞火花塞颜色越红湍动能越大燃烧锋面的拓展23705°715°725°730°740°燃烧锋面的速度及区域发展燃烧锋面速度燃烧锋面区域703°703°710°710°720°720°730°730°燃烧计算评价指标分布在40度左右标准燃烧时间的长短燃烧持续期最大值超过12m/s表示燃烧的快慢最大火焰传播速度平均湍动能大于230标准燃烧质量的参数上止点时候最大平均湍动能评价标准目的燃烧指标缸压曲线的意义工作过程数值计算：利用所建立的燃烧模型或代用燃烧放热规律，求得缸内压力随曲轴转角变化规律，即示功图~p图燃烧放热规律计算：从实测的示功图出发，求得实际的燃烧放热规律，即~ddQB图燃烧放热规律计算目的：（1）示功图——放热规律——燃烧品质的好坏——指明改进提高燃烧性能的途径（2）示功图——不同工况放热规律——建立放热规律计算模型燃烧分析仪采集的数据基础一、示功图的数据采集精确计算燃烧放热规律的前提条件是要有一张精确的实测示功图。示功图测量包括以下三要素：（1）气缸压力的测量（2）曲轴转角的测量（3）保证压力与转角同步以及上止点的标定压力传感器电荷放大器pϕppϕv转角信号传感器燃烧分析仪（或数采系统）燃烧阶段划分28火花点燃早期火焰传播火焰传播火焰终止火焰扩散期火焰高速传播期0-5%MFB5-90%MFB90-100%MFB燃烧好坏对发动机开发的直接作用29能量转换—IMEP化学能量机械能热能+PV燃烧和空气100%能源做功-35%冷却-30%排气-35%IMEP=∫PxdVP为缸压V为体积评价燃烧好坏的直接意义就是发动机有没有得到较好的IMEP燃烧分析基础的特征曲线-360-300-240-180-120-60060120180240300CrankAngle[deg]PCYL[bar]-100102030405060708090CrankAnglePCYLdegbar15.60070.039kymcoG5发动机缸压曲线分布人机工程研究所性能分析组发动机转速:8500r/min0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0VolumePCYL[bar]-8081624324048566472kymco-G5发动机P-V图人机工程研究所性能分析组发动机转速:8500r/min通过发动机结构计算得到P-V影响缸压曲线的主要因素：1）压缩比2）火花塞位置、数目及点火角度3）充量系数及残余废气系数4）紊流强度5）混合气浓度6）节气门开度7）燃烧室形状一般额定转速下最大爆发压力设计标准=7*压缩比-2bar附近，其次最大爆发压力对应曲轴转角合理范围值上止点后12~15°。燃烧放热规律的统计PV传热对外做功工质内能增加放热率计算由实测示功图计算燃油燃烧的放热率，是研究燃烧过程的一种有效方法。真实的放热规律对燃烧过程不仅能作出定性的说明，而且能提供定量的估计，能比示功图更为直观地放映燃烧过程的基本特征，是诊断燃烧的一种有效手段。同时，根据放热率也可分析一些设计参数对燃烧过程的影响，如：滞燃期、燃烧持续期、燃烧放热速度等。综合考虑放热率、最高爆发压力和压力升高率，提出理想的放热率曲线，使实际放热过程与其逼近，用以改进和组织燃烧，这样，使放热率研究具有更实际的意义。内燃机的燃烧过程可表现为燃烧放热的变化历程，而放热规律又决定了缸内压力变化和热量转换的过程，这些变化关系，根据能量守恒和能量转换定律可由示功图计算的放热率予以揭示，从中可以提供分析、诊断燃烧过程的有用信息。-30-20-1001020304050607080CrankAngle[deg]放热率[J_p_Grd]0510152025累积放热率[J]0100200300400CrankAngleQ_1I_1degJ_p_GrdJ6.00020.943200.336QJ157FMI-2发动机全负荷放热率（累积放热率)图人机工程研究所性能分析组发动机转速8000r/min燃烧放热规律对性能影响-30-20-1001020304050607080CrankAngle[deg]瞬时放热量[J_p_Grd]-30369121518212427CrankAngle瞬时放热量degJ_p_Grd-16.0000.02931.0001.34347.0001.314CrankAngle瞬时放热量degJ_p_Grd8.22417.487kymco-G5发动机瞬时放热量分布图人机工程研究所性能分析组发动机转速:8500r/min-360-300-240-180-120-60060120180240300CrankAngle[deg]PCYL[bar]-100102030405060708090CrankAnglePCYLdegbar15.60070.039kymcoG5发动机缸压曲线分布人机工程研究所性能分析组发动机转速:8500r/min-30-20-1001020304050607080CrankAngle[deg]累积放热量[J]-50050100150200250300350400450CrankAngle累积放热量degJ-12.0000.43556.000364.19668.000363.760kymco-G5发动机累积放热率分布图人机工程研究所性能分析组发动机转速:8500r/min从上面看出，优秀的燃烧（IMEP比较理想），最大缸压曲线对应的曲轴转角在上止点后15°附近，最大放热率位置在8°附近，而E50在10°附近。从燃烧做功的角度看，最大爆发压力出现角度过于靠前，易导致压缩功变大；而最大放热率（E50)出现在上止点附近，由于此时的气缸容积小，缸内气体温度高，与气缸壁进行的传热也比较大，此时热效率降低，不利用发动机性能。而最大爆发压力出现角度过于滞后，易导致膨胀功变小（其主要原因在于其循环等容度低，热效率低所致），可见最大爆发压力过于靠前或滞后均导致指示功变小。而E50代表发动机快速放热的能力区域，该值可以从气缸容积的角度看出此时的热特性，从上图看出，该值分布在上止点后10度，能够在放热、做功及膨胀几个过程中取合理的中间值，利于性能的提升。平均指示压力IMEP该值衡量发动机做功能力的大小，可以通过不同机型对比进行评价。指示功W是指工质在气缸内完成一个循环对活塞所做的有用功，如图示黑线区域所示；平均指示压力