第三章燃料与燃烧

第三章燃料与燃烧

一、发动机的燃料 燃料是发动机产生动力的来源。可以说，发动机的生存与发展，汽油机与柴油机在结构与性能上的差异，对环境的污染等等，无不与燃料的种类和品质有着密切的关系。发动机传统的燃料是汽油与柴油，它们是石油的炼制品。石油的主要成分是碳、氢两种元素，含量约占97%-98%，其它还有少量的硫、氧、氮等等。石油产品是以多种碳氢化合物的混合物的形式出现的，分子式为CnHm，通常称为烃。根据烃分子中碳原子数的不同，可构成不同相对分子质量、不同沸点的物质。炼制汽油与柴油最简便的方法是利用沸点不同直接进行分馏，依次得到石油气—汽油—煤油—轻、重柴油—渣油化学安定性好易自燃易点燃

一、发动机的燃料

一、发动机的燃料 燃料中的不同成分对化学安定性的影响

二、燃料的使用特性 1.柴油主要用于各类柴油机中，其中，轻柴油用于高速柴油机，重柴油用于中、低速柴油机。我国生产的轻柴油，其规格由GB252—2000规定。轻柴油的牌号按凝点不同分为10号、0号、-10号、-20号、-35号、-50号六级，其凝点分别不高于10℃、0℃、-10℃ 、-20℃、-35℃和-50℃。凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度。选用柴油时，应按最低环境温度高出凝点5℃以上，即-20号柴油适用于最低环境温度为-15℃的场合。在轻柴油性能的各个项目中，可以分为： 1)评价柴油自燃性的指标—十六烷值。 2)与燃烧完善程度及起动性能有密切关系的性质—馏程。 3)与燃油喷射有密切关系的性质—粘度。 4)与柴油储存、运送、使用有关的性质—闪点、凝点。 5)与柴油机磨损腐蚀有关的性质—机械杂质、水分、灰分、含硫量、酸度、水溶性酸和碱、残炭等等。

燃料的使用特性 1）十六烷值十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。它与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系。自燃性好的燃料，冷起动性能亦随之改善。测定柴油的十六烷值，是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行。试验时采用由十六烷和α-甲基萘混合制成的混合液，十六烷容易自燃，规定它的十六烷值为100，α-甲基萘最不容易自燃，其十六烷值定为0。当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时，则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。一般直链烷烃比环烷烃的十六烷值高；在直链烷烃中分子量愈大，十六烷值愈高。因此，尽管燃料的十六烷值高对于缩短滞燃期及改善冷起动有利，但增大十六烷值，将带来燃料分子量加大，使油的蒸发性变差及粘度增加，导致排气冒烟加剧及燃油经济性下降。国产柴油的十六烷值规定在 40～50之间。

燃料的使用特性 2）馏程馏程表示柴油的蒸发性，用燃油馏出某一百分比的温度范围来表示。燃料馏出50%的温度低，说明这种燃料轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。90%和95%馏出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量。如果重馏分过多、在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气，燃烧不容易及时和完全。车用高速柴油机使用轻馏分柴油，但馏分太轻也不好，因为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合气，一旦着火压力猛增，将使柴油机工作粗暴。

燃料的使用特性 3）粘度粘度是燃料流动性的尺度，是表示燃料内部摩擦力的物理特性。影响柴油的喷雾质量。当其他条件相同时，粘度越大，雾化后油滴的平均直径也越大，使燃油和空气混合不均匀，燃烧不及时或不完全，燃油消耗率增加，排气带烟。喷油泵柱塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑，所以柴油应具有一定的粘度，一般轻柴油的运动粘度在20℃时为 (2.5～8)×10-6m/s。

燃料的使用特性 2.汽油影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等。 1）辛烷值辛烷值是表示汽油抗爆性的指标。汽油的辛烷值高，则抗爆震的能力强。国产汽油是以辛烷值来标号的,分为 90、93、97等标号。测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的。测定时，用容易爆震的正庚烷(辛烷值定为0)和抗爆性好的异辛烷(2.2.4三甲基戊烷)(其辛烷值定为100)的混合液与被测定的汽油作比较。当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时，则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值。

燃料的使用特性 1）辛烷值评定车用汽油的抗爆性，可采用两种试验工况，分别称为马达法与研究法。异辛烷（C8H18）辛烷值为100，正庚烷（C7H16）辛烷值为0，在专用的试验机上，将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较，当两者相同时，标准混合液中所含异辛烷的体积百分比，即为试验燃油的辛烷值。马达法规定的试验转速及进气温度比研究法高，所以用马达法测定的辛烷值(MON)比研究法辛烷值(ROM)低。两者的差值反映出燃料对发动机强化程度的敏感性。汽油辛烷值的大小主要决定于汽油的组成情况、炼制方法及添加剂等，辛烷值高低顺序为烷烃<烯烃<环烷烃<芳烃。我国70号汽油含芳烃大约5%-10%，而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达40%。

燃料的使用特性 2）馏程与蒸汽压馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标。汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物，没有一定的沸点，它随着温度的上升，按照馏分由轻到重逐次沸腾。汽油馏出温度的范围称为馏程。汽油馏程用蒸馏仪测定。将100mL试验燃料放在烧瓶中，加热产生蒸气，经冷凝器燃料蒸气凝结，滴入量筒内。将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点。随着温度升高，依次测出对应油量的馏出温度，将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上，就成为蒸馏曲线。为了评价燃料的挥发性。以10%、50%和90%的馏出温度作为几个有代表意义的点。（1）馏出10%的温度关系到发动机的冷起动性。如果10%馏出温度较低，发动机使用的这种燃料容易冷车起动。但是此温度过低，在管路中输送时受发动机温度较高部位加热而变成蒸气，在管路中形成“气阻”，使发动机断火，影响它的正常运转。

燃料的使用特性 2）馏程与蒸汽压（2）馏出50%的温度关系到发动机暖车时间、加速性以及工作稳定性。馏出50％的温度标志着汽油的平均蒸发性。若此温度较低，说明这种汽油的挥发性较好，在较低温度下可以有大量的燃料挥发而与空气混合，这样可以缩短暖车时间。而且从较低负荷向较高负荷过渡时，能够及时供应所需的混合气。（3）馏出90%的温度燃料含有难于挥发重质成分的数量。当此温度低时，燃料中所含的重质成分少。进入气缸中能够完全挥发，有利于燃料过程的进行。此温度过高，燃料中含有较多的重质成分，在气缸中不易挥发而附着在气缸壁上，燃烧容易形成积炭，或者沿着气缸壁流入油底壳，稀释机油，破坏轴承部位的润滑。

三、汽柴油性能差异的影响 发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关。发动机发展初期是以煤气为燃料，因为在19世纪中叶，欧洲各大城市已使用煤气照明，煤气是当时比较容易得到的能源。随着石油工业的发展，出现了热值比煤气高许多，而且蒸发性也很强的轻油燃料(汽油)。这时，汽油机的混合气形成及点火方式部受到煤气机的强烈影响。不过，提高汽油机性能受到不正常燃烧的限制，汽油机的压缩比不高。为了扩大使用燃料的来源，有人曾利用废气热量对重馏分油(柴油)进行加热，促使其蒸发并与空气混合后，再送入气缸。在低压缩比下用电火花点火，但这是不成功的。1893年，Diesel提出利用高温的压缩空气促使燃料着火；继而，为克服柴油蒸发性差的缺点，采用气力或机力向缸内喷射的方式以形成混合气，这便是20世纪韧叶，柴油机出现的雏形。因此，从发动机发展的历史看出，燃料品质不同，是引起汽油机与柴油机在混合气形成与燃烧方面差异的基本原因。

三、汽柴油性能差异的影响

三、汽柴油性能差异的影响 1.引起在混合气形成上的差异汽油挥发性强(从50℃开始馏出，至200℃左右蒸发完毕)，因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气，因而控制混合气的数量，便能调节汽油机的功率。而柴油蒸发性差(200℃开始馏出，至350℃结束)，但粘性比较好，不可能在低温下形成油气混合气，但适宜用油泵油嘴向气缸内部喷油，靠调节供油量来调节负荷。 2.引起着火与燃烧上的差异汽油自燃温度较高，但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极低，因而不宜压燃但适宜外源点火；为促使有规律的燃烧，应防止其自燃(压缩比不能高)；而且由于混合气均匀，着火后，以火焰传播的方式向均匀的混合气展开。对于柴油，则利用其化学安定性差，易自燃的优点，采用压缩自燃的方式；为促进自燃，压缩比不宜过低，柴油的喷射及与空气的混合，既短暂又不均匀，常有随喷随烧的现象，因而使燃烧时间延长。

四、发动机的替代燃料 传统燃料储运方便，成本较低，但随着石油储量的不断减少，对新的替代燃料的研究成为热点。新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一；可供使用的总量及成本；储运的方便、使用安全也是关键之一。

1、醇类燃料 随着世界石油储量日益减少，在发动机上使用代用燃料的趋势正在加速。日前，发动机燃料多样化的特点，为发动机的发展与改造带来了新的推动力。发动机的代用燃料有醇类燃料、人造汽油、氢燃料、煤浆燃料、植物油等等。用煤的液化生产人造汽油，在技术上是可行的，但成本较高；氢是今后很有前途的燃料，但氢的制取与储运仍有持进一步解决；将煤粉与柴油掺台形成固液两相的煤浆，在发动机上试验已有成功的范例，但固体燃料在高速燃烧的发动机上应用，仍有燃烧不完全和积炭磨损的问题。这些都属于探索性的代用燃料。当今比较成熟而且已经实用的代用燃料，还是醇类与汽油掺合，称为乙醇汽油，这在一些国家已有广泛应用。

1、醇类燃料 醇类燃料(例如甲醇和乙醇)来源广泛，有较好的燃料特性，能满足汽车燃料的基本要求。与汽油比较，它的特点是： (1)醇类燃料的热值低，但醇中的含氧量大，所需的理论空气量不到汽油的一半，所以两者的混合气热值都差不多，从而保证发动机动力性能不致降低。由于热值低，乙醇汽油的燃油消耗率比普通汽油高，不过热效率并不比普通汽油低，而且其混合气比汽油混合气还稀。 (2)醇的汽化潜热是汽油的三倍左右，混合燃料蒸发汽化，可以促使进气温度进一步降低，增加了充气量，提高了功率。但困难的是，在使用中需予以强预热。 (3)醇具有高的抗爆性能，加醇的混合汽油可提高燃料的辛烷值，这对提高汽油机的压缩比极为有利。 (4)醇的沸点低，产生气阻的倾向比汽油大，要采取相应的措施。 (5)在常温下醇难溶于汽油，混合不匀的燃料使发动机运转不稳定。为此，需要加入适量的助溶剂，以利于醇与汽油相互溶解。 (6)甲醇对视神经有损伤作用，其混合燃料有一定的毒性，在储运及使用中要注意安全。另外，甲醇对金属有一定的腐蚀作用，应采取防蚀措施。

2、气体燃料 气体燃料可分天然气(NG)、液化石油气(LPG)及工业生产中的气体燃料。天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体，它的主要成分是甲烷。液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气，主要成分是丙烷、丙烯等。在车辆上应用最多的气体燃料是天然气。世界上近年来天然气燃料发展最快，已成为第三大支柱性能源。它用于汽车一般有两种形式：一种是压缩天然气(CNG)，通常以20MPa压缩储存于高压气瓶中；另一种是液化天然气(LNG)，将天然气以-163℃低温液化储存于隔热的液化气罐中。与压缩天然气相比，液化天然气具有能量密度高、储运性好(它的液态密度仅为常态下气体密度的1/600)、行驶距离长等优点，但需要有极低温技术，储运困难而且成本高等，将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中，当今广泛应用的仍是压缩天然气。

2、气体燃料 天然气燃料具有以下优点： (1)天然气的主要成分是甲烷，CO排放量少，未燃HC成分引起的光化学反应低，燃料中几乎不含硫的成分。 (2)辛烷值高达130，可采用高压缩比，获得高的热效率。 (3)燃烧下限宽，稀燃特性优越，在广泛的运转范围内，可降低NOx生成，进而也可提高热效率。 (4)由于是气体燃料，低温起动性及低温运转性能良好，进而在暖机过程中，不需要在使用液体燃料时所必要的额外供油，不完全燃烧成分少。 (5)天然气燃料适应性好，可采用油气双燃料供应方式，也可采用电控混合气或电控天然气喷射方式工作。它适用于轻型车，也适用于柴油车。 (6)将天然气应用于柴油车，固体微粒的排放率几乎为0，(微粒排放是当今柴油车排放治理中突出的困难)，从而达到低公害车的标准。天然气燃料的缺点： (1) 在常温常压下是气体，储运性能比液体燃料差，一次充气行驶距离短。 (2)由于储气压一般达20MPa高压，使燃料容器加重。 (3)由于呈气体状态吸入，使发动机体积效率降低，与液体燃料相比(如汽油)，单位体积的混合气热值小，功率下降近10%。

五、气体燃料

2、气体燃料 CNG、LPG在汽车上使用主要有三种形式。 1）两用燃料即在汽油机的基础上改装使用气体燃料，在保留汽油机原有机构不变，增加一套气体燃料供给及控制系统，可分别使用汽油、气体燃料单独工作，由于气体燃料汽化需要吸收热量，故一般两用燃料发动机设计成使用汽油起动，在达到一定条件后转换为使用气体燃料。这种形式的汽车可以是新车在出厂前改装，也可以由在用车来改装。 2）双燃料即柴油机改装使用气体燃料，由于柴油机没有点火系统，气体燃料十六烷值低，不能通过压缩燃烧，故需要向缸内喷入一部分柴油引燃，同时向缸内供给气体燃料，需要有柴油、气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作。 3）单燃料重新设计发动机，来使用气体燃料。

两用燃料发动机的控制策略

五、燃烧热化学 在燃烧分析中需要提供有关燃料、空气及其产物的一些基本数量关系。对于已知的燃料，各元素的含量是可以测得的，而空气中氧化氮的比例又是一定的，按照完全燃烧的化学当量关系，很容易求出一些基本量，为发动机经验设计及调试提供依据。 1.空燃比A/F (A：air-空气，F：fuel-燃料)表示空气和燃料的混合比。空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。 2.理论空燃比：即将燃料完全燃烧所需要的最少空气量和燃料量之比。汽油的理论空燃比大体约为14.7，也就是说，燃烧1g汽油需要14.7g的空气，柴油的约为14.5。一般常说的汽油机混合气过浓过稀，其标准就是理论空燃比。空燃比小于理论空燃比时，混合气中的汽油含量高，称作过浓；空燃比大于理论空燃比时，混合气中的空气含量高，称为过稀。

燃烧热化学 2.理论空燃比混合气略微过浓时，即空燃比为13.5~14时汽油的燃烧最好，火焰温度也最高。因为燃料多一些可使空气中的氧气全部燃烧。而从经济性的角度来讲，混合气稀一些时，即空燃比为16时油耗最小。因为这时空气较多，燃料可以充分燃烧。从发动机功率上讲，混合气较浓时，火焰温度高，燃烧速度快，当空燃比界于12-13之间时，发动机功率最大。

燃烧热化学 3.过量空气系数 • 燃烧1Kg燃料实际提供的空气量与理论上所需空气量之比称为过量空气系数。 • 过量空气系数与发动机类型、混合气形成的方法、燃料的种类、工况(负荷与转速)、功率调节的方法等因素有关。汽油机燃烧时用的是预先混合好的均匀混合气，混合比只在狭小的范围内变化(α=0.8-1.2)。柴油机负荷是靠质调节的(即混合气浓度调节)，α的变化范围很大。由于混合气形成不均匀，所以α总是大于1的。一般车用高速柴油机，α=1.2-1.6；增压柴油机，α=1.8-2.2。

燃烧热化学 4.燃料热值与混合气热值 1）燃料热值 1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。在高温的燃烧产物中，水以蒸气状态存在，水的汽化潜热不能利用。因此，水凝结以后计入水的汽化潜热的热值，称为高热值；在高温下的，则为低热值。内燃机排气温度较高，水的汽化潜热不能利用，因此应用低热值。 2）混合气热值当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环加给工质的热量取决于单位体积可燃混合气的热值。可燃混合气的热值以kJ/kmol或kJ/m3(标准)计。1kg燃料形成可燃混合气的数量为M1，它所产生的热量是燃料的低热值hµ。因此，单位数量可燃混合气的热值(kJ/kmol)是 M1随过量空气系数而变，当α=1时，燃料与空气所形成的可燃混合气热值称为理论混合气热值。

六、燃烧的基本知识 1.着火过程燃烧一种放热的氧化反应。可燃混合物(燃料与空气的混合物)在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前，都有一个准备阶段，即着火阶段。所谓着火，是指混合气自动地反应加速，并产生温升，以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程。使可燃混合物着火的方法有两种：自燃与点燃，前者是自发的，后者是强制的。由于汽柴油都是由烃组成的，烃的氧化反应，可以写成烃的这种氧化反应需要经历链引发、链传播及链中断等过程。

燃烧的基本知识 1.着火过程链引发，是反应物分子受到某种因素激发(譬如，受热裂解、受光辐射作用等)，分解成为自由原子或自由基，这种自由原子或自由基(如H、O、OH等等)具有很强的反应能力，成为反应中的活性中心，使新的化学反应得以进行。链的传播，是指已生成的自由原子或自由基与反应物作用，一方面将反应推进一步，另一方面同时生成新的自由原子或自由基的过程。如果在每一步中间反应中，都是由一个活性中心与反应物作用产生—个新的活性中心，整个反应则是以恒定速度进行，这样的反应称为直链反应。如果由一个活性中心引起的反应，同时生成两个以上的活性中心，这时，链就发生了分支，反应速度将急剧地增长，可达到极快的程度(链锁爆炸)，这种反应称为支链反应。在链锁反应中，可能出于具有很大反应能力的自由原子或自由基与容器壁面或惰性气体分子碰撞，使反应能力减小，不再引致反应，这就是链的中断。每一次链的中断都会引起总体反应速度减慢，以及减少反应继续发展的可能性，在某些不利的场合下还可以使反应完全停止。柴油机为退化的支链反应。

烃的反应过程有如下特点： 1)在反应开始，有一段形成与积累活性中心的过程，这一段时间称为诱导期。当活性中心积累到一定程度，反应速度便急剧增加。这个诱导期不仅是反应物的物性参数，还与反应开始的反应物浓度、温度、容器的形状与材料等有关。 2)即使反应物是处在低温下，只要有某种原因能激发出活性中心，便能引起链锁反应。也就是说，引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温。燃烧的基本知识 1.着火过程 3)反应速度是自动加速的。在迅速反应的前阶段(A-B)，反应速度随温度而急剧增高；随着反应物浓度减少，B-C段反应速度便迅速下降。 4)在反应气体中加入惰性气体，将促使反映速度降低。在加入某种添加剂以后，也可能使反应加速。

燃烧的基本知识 自燃温度及临界压力与混合气着火界限的关系 1）自燃所谓自燃，是指具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有外部能量引入的情况下，依靠混合气自身的反应自动加速，并自发地引起火焰的过程。用热着火理论来分析着火条件，可知： (1)着火温度Tc不仅与可燃混合气的物理化学性质有关，而且与环境温度、压力、容器形状及散热情况等有关。即使同一种燃科，因条件不同，着火温度也可能不同。 (2)临界的温度与压力明显地影响到着火区域。在低压时，要求很高的着火温度，反之也是一样 (3)存在着一个可燃混合物着火的浓度上限(富油极限)与下限(贫油极限)。如图所示，随着温度、压力升高，着火的浓度界限有所加宽；但温度、压力上升得再高，着火界限的加宽也是很有限的。另一方面，当温度、压力过低(低于临界值)，则无论在什么浓度下均不能着火。

燃烧的基本知识 2）点燃点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程。在火花点火之前，由于可燃混合气受到压缩温度升高，有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象。在火花点火以后，不仅使局部混合气温度进一步升高，而且引起了火花附近的混合气电离，形成活性中心，出现明显发热、发光的小区域，这就是火焰核。为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播，必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量，这种能量来源，包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量。为了使点燃成功，必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量，而这个最小能量受很多因素影响，如燃料的种类与浓度，氧的浓度，压力及温度，点火处气流的运动状况，电火花的性质，电极的几何形状和距离等等。点火还直接受到混合气浓度的限制，当混合气过稀或过浓，无论点火能量有多大也不能着火，即有一个点燃的浓度界限。在某一适宜的浓度，需要的点火能量最小。火焰核形成影响因素很多，使火焰核形成所用的时间不同。造成在实际汽油机的同一气缸中，连续诸循环的情况不可能完全一致，因而产生了燃烧的循环变动。这种燃烧不稳定的情况，在汽油机低负荷及在稀薄混合气中尤为突出。

燃烧的基本知识 2.在预混气体中的火焰的传播所谓预混气体，是指在着火前将燃料蒸气和空气以一定比例预先混合好的气体。在局部形成火焰核心之后，其余部分的燃烧过程实质上就是火焰的预混气体中传播的过程。火焰传播速度的大小取决于预混合气体的物理化学性质、热力状态以及气体的流动状况。根据气体流动的状况，可分为层流火焰传播与紊流火焰传播。 1）层流火焰传播在静止或流速很低的预混气体中，用电火花点燃混合气而局部着火以后，火焰就会向四周传播开来，形成球状的火焰面(或称为火焰前锋)。在火焰面的前面是未燃的预混气体，后面是温度很高的已燃气体，在这薄薄的一层火焰面上进行着强烈的燃烧化学反应。这种层流火焰面的厚度只有十分之几甚至百分之几毫米。

试验还表明，火焰在管道中或在缝隙中传播时，当管径或缝隙尺寸减少至某一临界尺寸，则火焰不能继续传播，该尺寸被称为淬熄直径(或淬熄距离)。在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时，该层预混气体也不能燃烧，这是燃烧室中生成未燃HC的重要原因之一。试验还表明，火焰在管道中或在缝隙中传播时，当管径或缝隙尺寸减少至某一临界尺寸，则火焰不能继续传播，该尺寸被称为淬熄直径(或淬熄距离)。在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时，该层预混气体也不能燃烧，这是燃烧室中生成未燃HC的重要原因之一。燃烧的基本知识 2.在预混气体中的火焰的传播层流火焰传播速度VL很低，以汽油与空气的预混气体为例， VL =0.4-0.5m/s。因为层流火焰传播速度主要取决于预混气体的理化性质，所以混合气成分对VL影响很大。试验表明(如下图所示)，在过量空气系数α=0.8-0.9时，反应温度最高， VL最大；如果α=1， VL下降10%；α=1.1， VL下降15%；当混合气成分过稀或过浓，则反应温度均过低，不能维持火焰传播。

燃烧的基本知识 2）紊流火焰传播在实际汽油机中，由于气流的紊流运动可以大大加速火焰传播速度，此时VT＝20-70m/s。在具有粘性的气流运动中，当流速增加至一定的数值后，由于壁面边界上的阻碍作用，或者由于外部扰动，在气流内部将形成许多涡旋。这些涡旋尺寸有大有小，往往大涡旋中包含着小涡旋，小涡旋中又包含着更小的涡旋。各种不同尺寸的涡旋组成了连续的涡旋谱。气流中不同尺寸的涡旋呈不断形成、发展、分解与消失的不稳定的过程，这就是紊流。紊流在空间上与时间上做紊乱无秩序的变化，评定紊流运动常用以下两项参数。 (1)紊流尺度可将其看成涡旋翻接一个周期所作用的范围。它可分为宏观紊流与微观紊流。看来，宏观紊流决定着紊流主要的力学性质，而微观紊流则在粘性的影响下将紊流能量转化为热而消失。 (2)紊流强度它用脉动速度的均方根来表示，是与紊流的能量有关的值。它对紊流火焰传播速度有强烈的影响。紊流火焰传播速度与层流火焰传播速度不同，它不能看成是预混气体的理化性质；事实上，紊流的强弱及层流火焰传播速度这两项对紊流火焰的影响都是基本的，只是在强紊流的火焰中，紊流才会起到更主要的作用。

燃烧的基本知识 3.油滴与喷雾燃烧油滴与喷雾燃烧是一种非预混的、不均匀的扩散型燃烧，实质上是燃油蒸气和空气的燃烧，是一种气相性质的燃烧过程，所以燃料的蒸发过程对液体燃烧起着决定性的作用。 1 油滴的蒸发与燃烧油滴扩散燃烧的速度，完全取决于燃油蒸气从油滴表面向火焰回扩散的速度。为了加快油滴蒸发，应尽量将油滴喷得均匀细小。图所示是理论计算的结果，油滴直径愈小，蒸发的时间愈短。从图上还看出，在油滴蒸发过程中，初期蒸发快，当接近完全蒸发时，蒸发过程将变慢。

油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的。如果油滴与周围空气间没有相对运动，那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰，称为全周焰(a)。当有相对运动时，则火焰形状将由球形逐渐成卵形，而且随着气流方向被拉长(b)。当气流速度继续增大，火焰首先在油滴的迎风面上熄灭，而向油滴后方移动，直到油滴尾部某个位置上为止，形成所谓尾流火焰(c、d)。如果气流速度再进一步加大，火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e)。若再继续增大流速，则火焰全部熄灭。油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的。如果油滴与周围空气间没有相对运动，那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰，称为全周焰(a)。当有相对运动时，则火焰形状将由球形逐渐成卵形，而且随着气流方向被拉长(b)。当气流速度继续增大，火焰首先在油滴的迎风面上熄灭，而向油滴后方移动，直到油滴尾部某个位置上为止，形成所谓尾流火焰(c、d)。如果气流速度再进一步加大，火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e)。若再继续增大流速，则火焰全部熄灭。燃烧的基本知识 3.油滴与喷雾燃烧

燃烧的基本知识 2）喷雾燃烧实际的喷雾燃烧要比理想的单个油滴在无限氧空间中的蒸发与燃烧过程复杂得多，因为喷雾中的各个油滴相互间存在着干扰，并且最初喷入的油滴将发生汽化，而汽化了的燃料又同周围的空气进行扩散与混合，形成预混合气。试验表明，小滴径的液滴群，可以看成是完全类似于预混合气的燃烧，并且没有必要认为存在油滴状态；而大滴径的油滴群，又基本上是以单油滴的扩散燃烧为基础的。实际的喷雾过程，是由若干大大小小的油滴组成，所以实际的喷雾燃烧，必然是上述燃烧形式同时存在并且相互影响的。因为油滴群在空间分布，形成了许许多多具有着火与燃烧条件的单个油滴，只要在油滴周围存在着适合燃烧的油气比例与着火环境，就能在一点或多点同时着火。它与在整个燃烧室中油气的宏观比例无关，不像均匀的预混合气那样，必须具有严格油气比例的着火范围，因而它比预混合气具有更广泛的稳定燃烧范围。

燃烧的基本知识 2)喷雾燃烧在喷雾燃烧中，一个突出的问题是容易生成碳烟，它是限制自然吸气柴油机功率的主要原因。一般认为，烃燃料生成碳烟的过程，首先是由裂解生成碳核，再经过脱氢和聚和过程而形成较大颗粒的碳烟。碳烟生成取决于裂解与氧化两个相反的过程。以典型燃料十二烷(C12H26)的氧化及裂解速度与过量空气系数的关系为例，如下图所示。在宽广的过量空气系数α下，氧化速度几乎保持常数，只是在极低的α下，氧化速度才急剧下降；面裂解速度随减小而迅速上升，这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区。油滴的扩散燃烧与均匀的预混合气不同，正好存在着局部浓度极不均匀的富燃料区与贫燃料区，所以容易生成碳烟。

第三章 燃料与燃烧