燃烧形态及火焰速度分析

点燃式发动机与压燃式发动机之间根本差异在于发生燃烧的形态上，并不是说点燃式发动机在一定的容积下、压燃式发动机在一定的压力下进行燃烧的。点燃式发动机发生预混合火焰，压燃式发动机发生扩散火焰。

图4-17 随压缩比的燃烧温度和压力

1.预混合燃烧

汽油机的燃料喷射发生在进气系统中，在压缩过程末期充分混合的均匀混合气发生燃烧，这称为预混合燃烧。经过电火花进行加热，部分预混合气达到着火温度时，发生急剧的氧化反应产生火焰内核，以此形成火焰前缘。火焰前缘在未燃混合气中以某一速度进行传递，这称为火焰传播。火焰前缘（或反应区）是发生实际燃烧的部分，厚度为0.1mm左右的薄层。火焰（或火焰前缘）通过的混合气大部分成为结束燃烧反应的燃烧气体状态。因此，在预混合燃烧中以火焰前缘为界，可以明确区分未燃气体（混合气）和已燃气体（燃烧气体）两部分。

预混合气能传播火焰是因为混合气处于可燃范围内。混合气的可燃范围随燃料的种类、混合气的温度、压力、混合气中残留废气和湍流强度等的不同而发生变化。

（1）火焰速度与燃烧速度 火焰传播仅在存在火焰前缘的预混合燃烧中进行。火焰传播有正常燃烧和异常燃烧两种形态。

正常燃烧是火焰通过热传递或扩散顺序传递到邻近的分子中，即通过温度波进行传播的状态，火焰速度为每秒几米到几十米左右，速度较低。异常燃烧是在正常火焰传播过程中发生冲击波，在冲击波的波面上发生绝热压缩自着火，以此传播火焰的状态。此时火焰前缘在压力波的推动下进行传播，火焰速度大于音速，达到300～2000m/s。

燃烧室内的火焰传播速度，即火焰速度S_f为燃烧速度S_b与涡流或燃烧气体膨胀时的气体膨胀速度（移动速度）S_g之和。

S_f=S_b+S_g （4.25）

如图4-18所示，容器内处于静态的预混合气分为7个部分，分析各部分进行燃烧的过程，计算火焰速度。首先，从A—A端面开始燃烧，第一部分A—B燃烧t时间后，燃烧温度上升，体积膨胀，达到图b的B′—B′状态。以此，A—A端面到达A′—A′端面时的速度S_b为dx/dt，B—B端面到达B′—B′端面时的气体速度S_g为dy/dt。因此，火焰传播速度S_f为这两个速度之和，即d（x+y）/dt=dz/dt=S_b+S_g，其中S_b为燃烧速度，S_g为膨胀速度。如果混合气全部与火焰传播相同的方向以速度S_a移动，火焰速度为与混合气流动速度S_a之和，即S_f=S_b+S_g+S_a。混合气质量燃烧时的体积增大是因为依赖于温度的比容增大所致。

图4-18 静态燃烧中火焰传播模型

（2）层流火焰 燃烧速度与混合气的湍流强度有很大关系。在没有湍流的层流混合气生成的火焰称为层流火焰，层流火焰的燃烧速度称为层流燃烧速度。层流燃烧速度根据燃料的种类、混合气的组成、温度和压力具有特定值。

图4-19显示了层流预混合火焰区的火焰结构（温度分布、浓度分布）。火焰是以火焰区（火焰前缘）为界限分为未燃气体和已燃气体，火焰区分为预热区和反应区。预热区为从反应区接收热量，通过热扩散混合气温度上升的领域，反应区为化学物种发生反应放热的同时生成多种中间物质的领域。因此，预热区与反应区之间有温度曲线的转折点，此点的温度T_i为保持燃烧反应所需的温度，称为着火温度。这是因为即使相同的燃料，每个火焰都表现为不同的值。

在预热区开始分解反应物质的同时生成中间生成物质和燃烧生成物质。在反应区全面产生连续的多数活性基之间基本反应的连锁反应，形成火焰的高温部分，反应物质完全转化为生成物质和中间生成物质。因此，中间生成物质[活性基、一氧化碳（CO）、氢气（H₂）、羟基（OH）、氧原子（O）和氢原子（H）等]的浓度开始出现在温度转折点的上游，到反应区中间附近达到最大值后，逐步趋于平衡浓度。另外，生成物质随反应物质的逐步减少而增加，并趋于平衡浓度。实际碳氢化合物燃料与空气的预混合气在大气中以理论混合比发生反应时，火焰的厚度约为0.1mm，传播速度约为0.5m/s。通过火焰区的压力升降约为1Pa很小，反应区的温度会达到2200～2600K的高温。

（3）湍流火焰 湍流火焰为火焰区附近的流动为湍流状态，气缸内混合气的流动大部分为湍流状态。湍流火焰的燃烧速度称为湍流燃烧速度。湍流不同于层流，混合气的流速在时间上或空间上为完全不规则状态，可以定义为支配于偶然性，扩散能力强，并为三维性质流动。湍流会分散火焰前缘或使其曲折，因此火焰前缘的面积增大，燃烧速度就会加快。层流火焰的燃烧速度为1～2m/s，但微湍流时燃烧室内的湍流燃烧速度在6000r/min条件下以燃烧时间推断，可以达到约50m/s的高速，与层流相比快10倍以上。无论对预混合燃烧或扩散燃烧，湍流均能提高其燃烧速度。

图4-19 层流预混合火焰区的结构

图4-20显示了通过激光片光在两个发动机运行转速下摄影的火焰结构照片。在下图转速300r/min的状态，火焰前缘仅出现类似于半岛形状的略微的凹凸部分。与此相比较，在上图转速1200r/min的状态，火焰前缘形成凹凸形状非常多的湍流火焰结构。这是因为转速上升时湍流强度也随之增大所致。在图中已燃部分中可以看到岛的模样未燃烧领域，这是因把激烈的凹凸形状未燃、已燃部分的边界面以二维影像看到的结果，如果用三维影像可以很明确地看到未燃、已燃领域边界面。最近，在发动机燃烧室中把混合气或空气的流动形成涡流或滚流，以改善燃烧速度。

（4）气缸内湍流 汽油机为了提高热效率和输出功率，理想的是火焰速度快，燃料瞬间燃烧结束。影响湍流燃烧速度的因素有混合气的种类、空燃比、温度、压力、湍流特性和残留废气量等，其中最重要的是燃烧室内的湍流，这还可以减少循环变动。

湍流燃烧速度由混合气的种类或空燃比决定的层流燃烧速度和湍流强度决定，表示为

S_T=S_L+Cu′ （4.26）

式中，S_T为湍流燃烧速度；S_L为层流燃烧速度；u′为湍流强度；C为常数。

首先，分析湍流的定义和获得气缸内湍流数据的方法，对表示湍流特性的长度尺度和时间尺度进行定义，并分析如何使用这些参数。

①湍流的定义。湍流是许多大小不等的涡流相互叠加形成的三维无序流体运动状态。黏性剪应力消散涡流，此时虽然生成小的涡流，但如果不持续供应能量，湍流就会被消灭。

图4-20 激光片光影像火焰前缘形状

正常湍流流动在任意时间t时的瞬间流体速度U（t）以下述的平均速度与可变速度分量之和表示。

正常流动的平均速度为在充分长时间τ期间流体速度U（t）的平均值，称为时间平均速度，以下式进行定义。

湍流强度u′以可变速度分量u的均方根（RMS）进行定义。

或因Uu（t）的时间平均值为0，可以用下式表示。

发动机气缸内的气体流动不是正常的流动状态，是以周期发生变化的非正常流动状态。因此必须对各种循环进行测量，这些测量值应相对于特定的曲轴角度（或曲轴角度范围）处于平均的状态。把这样的接近方法称为总体均值或相平均。

气缸内气体流动速度原以时间的函数表示的可以用曲轴角度（θ）与任意循环（i）进行表示。由此，式（4.27）可以表示为

总体平均速度以基本循环中特定曲轴角度或相位的平均值进行定义，在相同的曲轴角度下测量的n循环的平均值，即

在式（4.30）中考虑总体平均速度时可以推导出下式：

式中，U^*（θ，i）为循环平均速度与总体平均速度之差，表示每个循环气体流动速度的变化。

图4-21所示为气缸内气体流动速度分别以循环平均速度、湍流变化速度（同时速度）、总体平均速度表示的曲线图。图中实线为总体平均速度，点线为个别循环的平均速度，这两者速度之差为循环变化速度U*。

图4-21 气缸内气体速度的循环变化

用LDA测量流动速度的信号不是连续的信号。对特定曲轴角度的数据取平均时，应决定以平均曲轴角度为中心的曲轴角度范围±Δθ/2。根据曲轴角度范围，所测量的速度不同。因此，式（4.30）～式（4.33）的θ为。

②湍流特性。湍流特性是不规则运动流体大小的表示，有长度尺度和时间尺度。

气缸内湍流由漩涡产生，漩涡是通过进气门进入到气缸内的射流形成的。射流的轴向速度分量和半径方向速度分量比活塞速度大一个尺度左右，射流的宽度约为气门升程。图4-22所示为通过进气门射流的漩涡生成状态。大漩涡不稳定，分成许多小漩涡。

积分尺度l_i为在流场中最大的尺度。如果能以比积分尺度小得多的间隔测出速度，各速度之间具有相互关系。空间自相关系数R_x利用某一点x₀处的速度与相距x的某一点的速度如下进行定义：

积分尺度以邻近两点变化速度自相关系数R_x的积分，即以曲线底部的面积进行定义。

这如图4-23所示。换句话说，曲线底部面积等于由坐标（l_i，1）与坐标轴围起来的直角四边形的面积。

图4-22 进气过程中漩涡生成和湍流特性长度

图4-23 根据自相关系数变化的积分尺度、微尺度

积分尺度需要在邻近两点上同时测量的参数。在实际发动机上，同时很难做到测量两点的流动速度，因此引用了积分时间尺度t_i。

R_t为时间自相关系数，除了在一点上测量变化速度外，与长度自相关系数类似的方法以下式进行定义。

式中，n为测量次数。

湍流特性的第二个尺度是泰勒微尺度l_m。微尺度定义为对湍流强度的湍流流动场发生变化的变形率之间的关系。如图4-23所示，微尺度定义为在x=0时相关函数的曲率和高度值一致的抛物线与x轴相交的点。通过抛物线公式可以用下式进行计算。

湍流特性的第三个最小的长度尺度是科莫微尺度l_k。这是对流动结构内运动量扩散特性的分析。最小的漩涡随局部速度的改变而快速发生变化，由此可以假设科莫尺度的湍流为均质性，其黏性把湍流能量转化为热能。如果单位质量能量耗散率为ε，运动黏度系数为ν，科莫长度尺度l_k与时间尺度t_k之间的关系定义为

如果湍流较小，根据平均流动速度在积分长度尺度l_i与积分时间尺度t_i之间具有如下关系：

如果没有平均流动时，积分时间尺度表示漩涡的寿命。

对于均值湍流，微尺度l_m与微时间尺度t_m之间用类似的方法可知具有如下关系：

海伍德（Heywood）认为大尺度漩涡运动能量与u′²成正比，漩涡的运动能量大部分在一次的传导时间l_i/u′内消失，以此获得下列公式：

ε≈u′³/l_i （4.42）

把式（4.42）代入到式（4.39）中，可以获得下列关系式：

式中，Re_t为湍流雷诺系数（u′l_i/ν）。海伍德提出了下列关系式：

式中，A为次数差为1时的常数。

③气缸内湍流。通过进气门进入的射流速度比活塞速度快一个层次，故射流不仅与气缸壁碰撞，还与活塞发生碰撞。因此，在进气过程中气缸内产生环状涡流，生成很大的湍流，其后逐步减小。兰开斯特（Lancaster）测量的CFR发动机在2000r/min电动机驱动运行状态下的湍流特性见表4-10。

如表4-10所示，气缸内湍流的每个变量，如积分长度尺度l_i、泰勒微尺度l_m、科莫长度尺度l_k与曲轴转角几乎没有关系，比气缸孔径、行程（约100mm）的影响小得多。积分长度尺度相当于气门升程的一半左右。最长的积分时间尺度（t_i=0.8ms）也比进气过程时间（15ms）小得多。

表4-10 气缸内湍流特性

图4-24 随气缸内位置的总体平均速度和湍流强度

图4-24所示为在两点（进气门侧和气缸中央侧）测量的流动数据曲线。发动机转速为300r/min，由电动机驱动，此时活塞的平均速度为0.76m/s，并通过进气口生成涡流。图4-24a为进气门下游气缸壁面附近，图b为在气缸侧中心位置测量的随曲轴角度的循环平均速度和总体平均速度。从图中可以看出，其结果两点的平均速度有很大不同，在涡流（进气口）的影响下气体流动状态受到很大的影响。另外，图中总体平均速度与特定循环平均速度之间的差异表示平均流动的循环变化，在压缩过程中（曲轴角度180°～360°）气缸内的平均流动循环变化很大，其量也很重要。尤其是，随气缸内位置的湍流强度差异表示气体流动即不均匀也不带均质性。

图4-25 燃料的燃烧速度与空气过量系数之间的关系

（5）燃烧范围 燃烧速度S_b虽然随混合气的构成、压力和温度的不同而发生变化，其中混合比（空燃比）起着最重要的作用。图4-25显示了燃料的燃烧速度与空气过量系数之间的关系。最大燃烧速度出现在比理论空燃比稍浓的位置上。但是，火焰在混合比超出一定的界限时就不会出现，把这界限称为燃烧界限（或可燃界限、爆炸界限）。火焰能传播的最小浓度称为下限，最大浓度称为上限，把此两个界限的间隔称为燃烧范围。多种燃料空气混合气的燃烧范围见表4-11。这主要由氧气量来决定，越是高分子燃料其燃烧范围越窄，燃烧范围偏向于比理论混合比（空气过量系数λ=1）更为浓厚的方向，即稀薄部分的范围小于浓厚部分的范围。仅氢气在相当的稀薄混合比上可以着火。但是，燃烧范围并不稳定不变，而是根据燃烧条件，即根据温度、压力的不同而发生变化。

汽油机的燃烧范围为下限1.4%，上限6.0%，这用空燃比表示时，下限（浓厚可燃界限）为4.3：1，上限（稀薄可燃界限）为23：1，在实际运行中稀薄燃烧界限为17：1左右。但最近的直喷式汽油机可以达到40：1的稀薄燃烧界限。

表4-11 燃料空气混合气的燃烧范围（大气压，25℃）

2.扩散燃烧

扩散燃烧与预混合燃烧不同，燃料与空气各自独立供给，在燃烧过程中两者相互扩散混合并燃烧。扩散燃烧的特征是，如果燃料与氧化剂相互形成边界不能扩散，就不能形成火焰。不仅不会出现明确的火焰前缘，也没有未燃气体与燃烧气体的区别，因为以火焰前缘为界限燃料与氧化剂（空气）分离，故没有火焰传播性。反应区的最高温度，即扩散火焰温度与预混合燃烧不同，不是由燃料的类型或初始温度决定的，而是随形成扩散火焰的流动场流速的变化而改变。通常，扩散速度远小于燃烧反应速度，扩散燃烧受到燃料与空气扩散速度（或扩散率）的支配。

扩散燃烧以火焰附近的燃料与氧化剂的流动状态为层流还是湍流，分为层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧。因而，火焰形状、反应量、火焰亮度、燃烧生成物质组成等火焰性质大有不同。

柴油机的燃烧是进行湍流扩散燃烧。柴油机仅压缩空气，并向高温空气中喷射燃料着火燃烧。喷油器喷射的燃料成雾状（微粒滴），从周围空气中接收热量蒸发，与空气一起形成可燃混合气，一旦达到着火温度以上就着火形成火焰。火焰向混合气层传播，围绕油滴形成火焰形态，通过油滴继续准正常性燃烧。准正常性燃烧时油滴的燃烧率（燃烧速度系数）与蒸发率保持一定的量，根据燃料的种类、周围空气温度、速度、压力等有所不同。在这里一旦求出燃烧率，就可以求出燃烧中油滴的寿命。在火焰形成前喷射的燃料中，部分燃料气化与空气混合形成混合气，并着火形成与汽油机相同的预混合燃烧形态，但是大部分燃料通过喷油器喷射后与空气混合并燃烧，形成扩散燃烧形态。关于柴油机燃烧的详细内容将在6.4一节中进行说明。

（1）单纯油滴燃烧 燃料的蒸发率对柴油机燃烧的影响很大。燃料的蒸发率支配着自燃延迟，这与周围的温度、压力和空气的相对速度等有很大的关联。

在实际燃烧过程中，燃料喷射在燃烧室内时，油滴被周围高温空气（或燃烧气体）和燃烧室壁的对流及辐射热加热到达沸点。到达一定温度（沸点）的油滴通过从周围接收的热量蒸发，油滴的蒸发常数一定，蒸发率与时间t无关，仅与从周围接受的热量有关，随周围传递到油滴表面热量的变化而改变。蒸发的燃料蒸气从液体表面向周围扩散。此状态一直持续到油滴完全蒸发为止。现在分析一下单纯油滴的燃料蒸发率。

油滴的蒸发率（气化率）试验主要有下述三种：

①把油滴置于高温空气中自由降落的方法。

②把油滴捆在耐热石英纤维（40μm以下）上并突然置于高温空气中的方法。

③从多孔球体中放出燃料并进行燃烧的方法。

其中，方法①和②为非正常燃烧，在方法③中，调节为球体表面保持湿润的状态，因此蒸发率和供给率相同，且球体的大小保持一定，这样可以获得接近于正常状态的燃烧试验结果。在方法①和②中，把非正常燃烧中随时间的油滴液态直径的变化，以每秒种100个画面左右的速度进行拍摄，以此跟踪油滴液态直径的大小变化。

图4-26显示了由Faeth利用多孔球体供给燃料的方法测量气化率的结果。油滴的气化过程在经过初期迁移期间后，成为正常状态，在正常蒸发期间油滴的大小随时间成比例地逐步减小。这是通常称为d²法则（或平方法则），表示为

d²=d²₀-kt （4.45）

式中斜率k为蒸发常数（蒸发速度系数），与时间无关保持一定常数。

图4-26 煤油和JP4的燃烧率曲线

油滴进行准正常性蒸发后，与周围空气混合逐步达到着火条件，并自燃形成火焰。油滴被火焰包围，持续进行准正常性燃烧。在准正常性燃烧中，油滴的燃烧率与蒸发率保持一定，并随燃料的类型、周围空气温度、速度和压力的不同而发生变化。

对油滴燃烧的解释假设如下：

①油滴被球面对称的火焰包围，无流动，置于无限空间内。

②燃烧过程是准正常状态。

③油滴周围的混合气层以火焰前缘为中心，内部仅为燃料蒸汽和燃烧生成物质，外部仅为氧化剂和燃烧生成物质。

④燃料与氧化剂以理论混合比快速反应，火焰前缘不存在厚度。

⑤路易斯数为1。

⑥热传导率、密度、质量热容等热量物性值均为常数。

通过上述假设，油滴燃烧模型如图4-27所示。图中火焰前缘定义为以燃料与空气混合比为理论混合比（当量比φ=1）的点相连接的轨迹。图中显示了油滴表面和火焰前缘之间的内部领域（混合气层，r_S≤r≤r_f）和火焰前缘外的外部领域（r_f≤r<∞）的温度和化学物种分布。

燃料浓度在油滴表面达到最大值并向周围扩散，并在火焰前缘达到0。氧气（空气）也向火焰前缘进行扩散，并在火焰前缘氧气浓度也达到0。温度在火焰前缘达到最大值，并以火焰前缘为基准向内外部进行传递，其温度分布如图所示。燃烧生成物质（中间生成物质、活性化学物种、一氧化碳（CO）、氢氧基（OH）等）大体上以与温度成正比的速度从油滴表面增加，在火焰前缘达到最大值，并在外部领域逐渐减小。

图4-27 油滴燃烧模型

（2）油雾燃烧 以柴油机为代表的工业用燃烧炉、气体涡轮燃烧器、火箭燃烧器等液体燃料的燃烧几乎都采用油雾燃烧（油雾扩散燃烧）的方式。

液体燃料的油雾油滴大小不均匀，并受到射流和湍流的影响，油滴在空间中的分布也不均匀，因此出现空间内油雾的密度差。通过瞬间拍摄进行观察，实际的油雾火焰并不是单纯的油滴燃烧，而是分成许多火焰群（油滴群、油雾群）进行燃烧，由油滴群支配油雾的燃烧。油雾的燃烧形态会受到油滴群燃料蒸气的生成速度与其产生反应的周围氧化剂（空气）扩散速度（进入速度）的影响。

Chiu等为了定量化分析这些现象，对由直径为d的均匀油滴形成的直径为D的油滴群燃烧变量G如下进行定义，以此分类油雾燃烧。

G=1.5L_e（1+0.276Re^1/2S_c^1/3）×n^2/3_T（d/l） （4.46）

式中，刘易斯系数L_e（=Pr/Sc=D/a=Dc_pρ/k）、雷诺系数Re（=uD/ν）、施密特系数S_c（=ν/D）为对油滴群的定义；n_T为在油滴群中包含的油滴总数；d为油雾粒径；l为油滴之间的平均距离。另外，a为热扩散系数（=c_pρ/k，其中c_p为正压质量热容，ρ为密度，k为热传导率），D为油雾群的直径；u为油雾群的流速；ν为动黏度系数。

油雾燃烧形态根据燃烧变量G大体分为4种，如图4-28所示：

①单纯油滴燃烧（G<10^-2）：燃料油雾的内部供给有氧气，油滴分别以全包围火焰（液滴被火焰全包住的形态）的形态进行燃烧。此时油滴群的燃烧速度要随单纯油滴燃烧速度法则（d²法则）。

②内部集团燃烧（10^-2<G<1）：因油滴群的中心氧气供给不足，在外部形成单纯油滴燃烧形态，油雾中心形成集团火焰（火焰群）。从此开始不能把油雾燃烧理解为单纯油滴燃烧，应以油滴群和气化燃料的预混合气混合体来进行分析。

③外部集团燃烧（1<G<10²）：因与燃料的总蒸发率相比，氧气的供给量不足，在油雾的外部形成集团火焰。通常，工业用燃烧器为G>1、气体涡轮燃烧器为G>10的外部集团燃烧形态。

图4-28 油雾燃烧的火焰形态

④外部燃烧（G>10²）：虽然外部形成集团火焰，但因油滴的密度过大，燃烧热量不能传递到油雾的中心部位，液滴的蒸发仅限在部分外轮廓部位上。

柴油机油雾燃烧的方法有，通过燃烧室内旋转流动或微小湍流形成混合气进行燃烧，以及把油雾碰撞在活塞头部进行燃烧，因此不能直接适用油雾燃烧理论的范围也很多。另外，火焰前缘存在于混合气浓度在理论混合比的附近，但其厚度不太厚。在此火焰前缘前后产生热扩散或生成中间生成物质与预混合燃烧基本相同，但在燃烧温度较低的部位会生成煤烟。