正常燃烧过程及其特征分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：正常燃烧是指，火花塞点火生成火焰核，且火焰核逐步向混合气中传播，通过良好燃烧使压力上升后，全部混合气完全燃烧结束的状态。图5-22 火焰传播过程①第一期间：火花塞产生火花生成火焰核到正时燃烧开始的区间，称为点火延迟期间。图5-24 不同火花塞间隙初始火焰核的变化2.质量燃烧率虽然火焰传播仅在预混合气燃烧时出现，但在对燃烧进行解释时，比起火焰速度多以质量燃烧率进行计算。

正常燃烧是指，火花塞点火生成火焰核，且火焰核逐步向混合气中传播，通过良好燃烧使压力上升后，全部混合气完全燃烧结束的状态。图5-22所示为点燃式发动机正常燃烧时火焰传播的过程。

正常燃烧过程中没有气缸内压力急剧上升（或能量辐射）的现象。图5-23所示为正常燃烧时气缸内压力的变化。图中，点A为点火时刻（或点火提前角），点B为生成火焰到开始实质性燃烧并压力开始上升的位置。通常分成两个部分进行说明。

图5-22 火焰传播过程

①第一期间：火花塞产生火花生成火焰核到正时燃烧开始的区间，称为点火延迟期间（或着火延迟期间）。在这期间与发动机转速或气缸内湍流无关，仅与燃料的性质有关。

图5-23 燃烧室内压力与热产生率的关系

②第二期间：从火焰核形成火焰面且正式燃烧压力上升开始到全部混合气燃烧结束时的区间，称为热产生期间。把这期间又分为压力上升开始到达最高压力为止的主燃烧期间和之后燃料完全燃烧的后燃烧期间。图中热产生率为每1°CA所产生的热量，热产生量越多，压力上升曲线斜率越大。

1.点火和初期燃烧

即使运行条件相同，每个循环的燃烧都有不同。分析其原因，这与每个循环中点火能量和点火时刻的微小变化有关，但主要原因是在火花塞附近的残留废气浓度和湍流特性的变化引起的。

图5-24所示为火花塞间隙中生成火焰核时拍摄的纹影照片。拍摄时的运行条件都相同，发动机转速为1400r/min，空气过量系数为λ=1.2，点火时刻为50°BTDC，测量期间为2℃A（=0.25ms）。可以看出，每个循环火焰核的生成形状都不同，由此可以知道每个循环都很容易发生变化。这是因为初期火焰核通常以层流燃烧速度成长，即使增加点火能量也不会改变火焰核的成长速度，但会受到间隙附近气体流动或混合气中残留废气浓度的影响。之后，火焰从层流燃烧转换到湍流燃烧，从此开始燃烧速度会受到湍流的影响，会急速增加。气缸内涡流、滚流或挤流等为促进湍流生成的气流，气缸内的燃烧特性会受到这些气流非常大的影响。

图5-24 不同火花塞间隙初始火焰核的变化

2.质量燃烧率

虽然火焰传播仅在预混合气燃烧时出现，但在对燃烧进行解释时，比起火焰速度多以质量燃烧率进行计算。火焰速度是火焰到达的距离与传播时间之比，质量燃烧率是每曲轴角度（或时间）气缸内混合气总质量中燃烧的质量之比。

对质量燃烧率对等容容器中静止状态混合气的火焰传播说明就会容易理解。如图5-25所示，把一定容积的容器分成4个部分，假设在各部分中装有相同质量的混合气。如果第1区域的混合气燃烧膨胀，如图b所示压缩其他区域的混合气。然后，第2区域的混合气燃烧膨胀，压缩第1区域的已燃烧气体，并进一步压缩第3、4区域未燃混合气。因此，当火焰传播时，已燃烧气体在燃烧前后都被压缩，获得不同的温度梯度，但未燃混合气即使被压缩，如果忽略热传递，则在各个阶段具有相同的温度。现在求出质量燃烧率。

先求出一定容积容器内混合气燃烧时未燃混合气与已燃气体之间的关系。混合气的质量和容积分别为m，V，已燃气体的质量和容积分别为m_b，V_b，未燃混合气的质量和容积分别为m_u、V_u，它们之间的关系为

m=m_u+m_b

V=V_u+V

已燃气体的质量燃烧率x_b为

混合气质量m与任意阶段未燃混合气质量m_u之间适用理想气体状态公式，即

把上述关系代入式（R1）中，可以导出：

图5-25 对于质量燃烧率的两领域燃烧模型

假设未燃混合气以等熵过程Tp^{（1-κ）/κ}=C被压缩，下述关系式成立：

把上述公式代入式（R2），可以推导出下述质量燃烧率x_b的计算公式为

把未燃混合气容积V_u以混合气容积V减去已燃容积V_b的值进行计算，改变上述公式可以推导出：

在式（5.2）中，y_b为y_b=V_b/V，是容积燃烧率（或火焰传播容积比）。从式（5.2）可知，质量燃烧率x_b、容积燃烧率y_b和压力上升率p_u/p之间都有关系。因为已燃和未燃气体的膨胀和收缩要依赖于通过质量燃烧的燃烧压力p_u。此压力上升与燃烧室的形状没有关联，与压缩比、热损失、空燃比和活塞位置有关系。但是，这些变量的影响很微小。因为，实际燃烧室的最大温度和最大压力受到燃烧气体的质量热容和热分解的影响。

图5-26显示了压缩比（ε）为7：1与12：1时质量燃烧率与容积燃烧率的关系。可以看出压缩比的影响相当微小。如图所示，容积燃烧率y_b为0.5时所对应的质量燃烧率x_b为0.25。这表示25%质量燃烧气体占据气缸容积的50%，说明燃烧气体的膨胀相当大。即，气体膨胀速度对火焰传播速度的影响很大。另外，容积燃烧率y_b为0.9时所对应的质量燃烧率z_b为0.75，说明10%容积的末期气体占25%质量的未燃混合气，因此不难理解为什么发生爆燃时易发生急剧的燃烧。

图5-26 质量燃烧率与容积燃烧率的关系

3.火焰传播和压力上升

在燃烧过程中，虽然火焰速度具有很重要的意义，但直接支配压力上升的主要是质量燃烧速度。质量燃烧速度是未燃混合气密度ρ_u与火焰面面积A_f和燃烧速度S_b间的乘积，所谓燃料转换为能量的速度（燃烧速度）。如果假设燃烧前后的质量热容、气体常数不变，随温度上升的压力上升与质量燃烧率x_b成正比。即，如果初期压力为p，燃烧最高压力为p_max，则近似地成立下述关系：

对于影响火焰传播的燃烧室形状，举例3个燃烧室进行比较分析。设定燃烧室的形状为圆锥形、圆柱形和倒圆锥形，它们的高度和基圆面积均相等，并都在相同的中央点火位置。图中x标记表示火花塞。图5-27显示了燃烧室中火焰面移动距离的容积或质量燃烧率与质量燃烧率。在这里可以看出：

图5-27 燃烧室形状不同，火焰面移动距离的燃烧率

①燃烧室形状：燃烧室的形状不同，质量燃烧率和容积燃烧率都具有明显的差异。因为，点火初期的燃烧虽与燃烧室的形状无关，燃烧混合气的容积（或质量）相同，但随火焰面的移动，火焰面积随燃烧室形状的不同而大有差异，因此质量燃烧率也会不同。

②容积燃烧率：圆柱形燃烧室随燃烧火焰面移动的距离燃烧相同容积比的混合气，圆锥形燃烧室随燃烧火焰面移动的距离燃烧更为少量的混合气，其容积比逐步减小，与此相反，倒圆锥形的容积比逐步增大。其结果，圆锥形和倒圆锥形燃烧室的容积燃烧率（或质量燃烧率）在压力上升率明显有差异。从这里可以判断出，圆锥形燃烧室的压力上升率大，比其他形状燃烧室对提高发动机性能方面更为优秀。另外，这种燃烧室因火焰传播时间短，压力上升时间也短，由此可以最小化压缩功和缩短未燃气体的滞留时间，因而可以预测其爆燃发生概率也会最小化。

实际发动机的燃烧特性通常通过测量压力进行分析。此时检测的压力为从混合气产生的热量中减去通过燃烧室壁散热的热量和传递到未燃烧混合气的热量后剩余的热量作用下上升的压力。把此压力值以热产生时间进行积分，可以计算出质量燃烧率。图5-28所示为甲醇随当量比变化的质量燃烧率。这是通过2领域模型实测的压力求得的。2领域模型是，假设以火花塞为中心的球面为火焰面位置和面积，并以此面为界限分成未燃混合气和已燃气体，然后计算根据湍流火焰传播的燃烧率和热产生率的方法。从图中可以看出，空燃比越稀薄，即当量比φ越小，燃烧时间越长。燃烧结束时质量燃烧率不为1的原因是，供给的燃料没有完全燃烧，以未燃气体（碳氢化合物）的状态被排放。

图5-28 2领域燃烧模型中获得的质量燃烧率

4.燃烧变化

实际发动机即使在相同的条件下正常燃烧，也不可能获得一成不变的燃烧状态，每个循环的燃烧压力都会发生变化，这称为循环变化。其原因归纳为如下几点：

①混合气的变化。

②湍流能量的变化。

③残留废气量的变化。

在绝大部分运行条件下，向进气口喷射的燃料与空气混合，其中部分燃料会与进气口或气缸壁发生碰撞，气缸内空燃比会在每个循环的时间或空间上发生不均等现象，因而会导致燃烧变化。尤其是，进气系统内混合气的湍流或火花塞附近的残留废气成分比率的变化对燃烧压力造成很大的影响。

目前，汽油机为了提高热效率采用了在稀薄空燃比状态下运行以及为了减少氮氧化物（NO_x）的排放采用废气再循环（EGR）措施。但是发动机在稀薄混合气状态和残留废气量的增加，容易导致部分燃烧或失火等不稳定的燃烧。部分燃烧是火焰传播不充分并在循环过程中燃烧结束的状态，失火是混合气不能正常形成火焰的状态。正常燃烧和不稳定燃烧是根据部分燃烧发生的频率和大小加以区分，其差异为不稳定燃烧对循环变化（或燃烧变化率）的影响不同。正常燃烧也会发生循环变化，但不稳定燃烧时的程度会更加严重。

图5-29 随废气再循环（EGR）率的容积燃烧率

如前所述，随稀薄混合气燃烧或废气再循环（EGR）的循环变化的主要原因为，火花塞附近混合气（燃料+空气+残留废气）的循环变化和在热产生期间气缸内气体流动（湍流速度）的循环变化。

图5-29显示了空气过量系数为1、发动机转速为1400r/min时，废气再循环（EGR）率分别为0、20%、28%时的指示平均有效压力p_i的频率和变化率，以及碳氢化合物（HC）的排放浓度。在图中可以看出，废气再循环（EGR）率对燃烧变化的影响，指示平均有效压力p_i的分布逐步扩大。这是由于火花塞附近混合气中的残留废气引起了循环变化。

图5-30 湍流强度与燃烧速度的关系

如果燃烧速度降低，使燃烧时间变长，循环变化因素介入的概率就会提高，以缩短燃烧时间来降低燃烧变化。提高燃烧速度的有效方法是增强湍流强度。图5-30显示了随不同发动机转速或点火时间的气体流动湍流强度与燃烧速度之间的关系。从图中可以看出，随着湍流强度的增大，燃烧速度也增加。由此可以判定湍流速度对燃烧速度的影响非常大。

通常，为了减少循环变化，采取形成空气湍流促进内部混合的方法，即通过在进气过程中进气的滚流或涡流促进湍流生成的方法，和在压缩上止点附近活塞头部与气缸盖之间的压缩空气从气缸中心部喷出生成挤流的方法，以及把这两种方法组合使用的方法。一旦形成滚流、涡流、挤流，在压缩过程后期的燃烧开始初期，在上升的活塞压迫下有规律的混合气流动就会被破坏生成湍流。

正常燃烧过程及其特征分析

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