第五章 燃烧的基础知识

第五章燃烧的基础知识★燃烧是燃料化学能转化为热能的有效途径★燃烧直接影响动力输出和燃油经济性★燃烧也直接影响有害物的生成和排放能源消费结构_燃烧方式获取能量占主导世界一次能源消费结构（2004）

%WorldwideenergysupplyinTW(1012W)世界一次能源消费结构

In2005,totalworldwideenergyconsumptionwas500Exajoules(=5x1020J)with80-90%derivedfromthecombustionoffossilfuels.本章主要内容燃烧现象与分类可燃混合气的着火与着火理论预混合气的点燃与火焰传播液体燃料的雾化与扩散燃烧主要内容

1.燃烧现象与分类

2.可燃混合气的着火与着火理论

3.预混合气的点燃与火焰传播

4.液体燃料的雾化与扩散燃烧

1)燃烧(combustion)定义

可燃物质(燃料)与氧化剂(空气中的氧气)产生的 剧烈放热化学反应，并伴有流动、传热、传质 等物理现象（光和热）2)燃烧分类

固相燃烧

固体燃料没有挥发而在表面与空气(氧气)

燃烧

气相燃烧

燃料以气体状态与空气混合燃烧 ①预混燃烧：着火前燃料气体或燃料蒸气与 氧化剂已按一定比例形成混合气的燃烧 ②扩散燃烧：着火前燃料与氧化剂是相互分 开的，着火后燃料边蒸发边与空气混合的 燃烧 内燃机中所有燃烧属于两种燃烧中的某一 种或两种燃烧的组合燃烧火焰分类

预混非预混/扩散预混火焰与扩散火焰扩散火焰半预混火焰全预混火焰α1：一次空气系数，即燃烧前同气体燃料混合的空气量与理论空气量之比•DifferentflametypesofBunsenBurnerdependingonairflowthroughthevalve. 1.valveclosed 2.valvesemi-opened 3.valvenearlyfullyopened 4.valvefullyopened蓝焰光谱

Spectrumofablueflamefromapocketbutanetorchclearlyshowingnon-continuumspectralemission

预混燃烧(PFI汽油机)Pre-mixtureCombustion

扩散燃烧(柴油机)DiffusionCombustion燃烧速度取决于化学反应速度(即混合气温度和浓度)（混合气形成影响不大）燃烧速度取决于燃油和空气的混合速度（混合气形成的影响极大）φa=0.8-1.2，难以稀燃φa=1.2-6.8，稳定稀燃浓度和温度分布均匀，不易产生碳烟浓度和温度分布不均匀，易产生碳烟无焰（蓝色）燃烧有焰（黄或白色）燃烧有回火可能无回火可能预混燃烧与扩散燃烧的对比

1)着火Ignition

可燃混合气进行化学反应引起的突然加速 失控现象叫着火。着火是燃烧过程的初始 阶段。本质上也是燃烧主要内容

1.燃烧现象与分类

2.可燃混合气的着火与着火理论

3.预混合气的点燃与火焰传播

4.液体燃料的雾化与扩散燃烧 着火阶段主要内容

1.燃烧现象与分类

2.可燃混合气的着火与着火理论

3.预混合气的点燃与火焰传播

4.液体燃料的雾化与扩散燃烧

2)着火理论

热着火理论（谢苗诺夫Semenov,N.N）

在可燃混合气着火过程中,主要依靠热量的不 断积累而自行升温,使反应速度按指数函数迅 速增大,最终导致着火“零”维模型假设:

容器V内各处混合物浓度及温度都相同 在反应过程中，容器V内各处反应速度都 相同 容器的壁温T0及外界环境的温度在反应 过程中保持不变，而决定传热强度的温 度差是壁温和混合物之间的温压 在着火温度附近，由于反应所引起的可 燃气体混合物浓度的改变忽略而不计•有一体积为V(m3)的容器，其中充满有化学均匀可燃混合气，其浓度为C(kg/m3)，容器的壁温为T0(K)，可燃混合气以速度w(kg/m3s)进行反应，化学反应后所放出的热量，一部份加热了混合气体，使反应系统的温度提高，另一部份则通过容器壁而传给周围环境=C1exp⎜−⎟主要内容

1.燃烧现象与分类

2.可燃混合气的着火与着火理论3.预混合气的点燃与火焰传播4.液体燃料的雾化与扩散燃烧

2)着火理论

热着火理论（谢苗诺夫Semenov,N.N）放热速率:散热速率:着火条件:①dq1/dt>dq2/dt:肯定着火②dq1/dt＝dq2/dt:临界着火温度Tc③dq1/dt<dq2/dt:肯定不着火dq1

dtdq2

dt

⎛E⎞ ⎝RT⎠=A⋅F(T−T0)

2)着火理论

热着火理论（谢苗诺夫Semenov,N.N）

影响着火因素： ①压力：pc↑→Tc↓ ②过量空气系数φa:对某一pc或Tc,

存在一个混合气的着火浓限和稀限 ③燃料特性：燃料不同,Tc不同主要内容

1.燃烧现象与分类

2.可燃混合气的着火与着火理论

3.预混合气的点燃与火焰传播

4.液体燃料的雾化与扩散燃烧主要内容

1.燃烧现象与分类

2.可燃混合气的着火与着火理论

3.预混合气的点燃与火焰传播

4.液体燃料的雾化与扩散燃烧

2)着火理论

热着火理论（谢苗诺夫Semenov,N.N）

结论： ①可燃混合气着火过程中的许多现象可 以用热着后理论来解释，并且与实验 结果也比较符合 ②但是，对于可燃混合气的初始浓度较 低，或压力低于大气压的一些反应， 无法用热着火理论解释。例如，3.8％ 正丁烷和空气混合气即使温度较低 （280～400℃）或压力低于大气压 力，可燃混合气也会发生着火现象

③碳氢燃料的实际着火区并不是简单的T- p双曲线（而是“着火半岛”）

为了补充热着火理论,又发展了链式着火理论1、烃的氧化反应链引发、链传播、链中断以甲烷的燃烧反应为例。这种化学反应式根据质量守恒定律得到，称为化学计量反应式。它反映化学反应过程中物质变化的等量关系，并不反映化学反应经过的历程。以甲烷的燃烧反应为例。根据化学反应动力学，上述反应需要一个甲烷分子能够同时与三个氧气分子碰撞，过程才能够进行。但是，在化学反应中，三个分子相互同时碰撞的机率几乎为零，而四个分子或更多分子相互同时碰撞可能完全不存在。以甲烷的燃烧反应为例。在甲烷燃烧的开始时刻，只存在一个氧气分子与一个甲烷分子碰撞的反应，并且其中一个分子应具有较高的能量，即具有活性。使反应物分子具有活性的过程称为链引发。导致链引发的因素很多，假设氧气分子因热运动而激发，于是以甲烷的燃烧反应为例。在激发的氧气分子与甲烷分子反应时，下列结果都有可能

CH3、CH3O、CH4O、OOH、OH和O等都是燃烧反应的中间产物，称为自由基（活性粒子）。反应生成产物取决于分子相互碰撞的部位和碰撞能量。

链传递是一个活性粒子通过反应，至少产生一个新的活性粒子，使反应能够继续进行；同时，使反应向前推进一步。以甲烷的燃烧反应为例。以甲烷的燃烧反应为例。这种分支链式反应过程结束称为链中止。结论：（1）在明显燃烧之前，无论用何种方式触发燃烧，都存在诱导期（着火延迟阶段），即形成与积累活性中心的过程。（2）即使反应体系处于较低的温度，但只要能够激发足够的活性粒子，就能引起燃烧链反应。

反应物物性参数反应物浓度、温度容器形状、材料结论：（3）烃氧化反应是自动加速的。在快速反应阶段（A~B），反应速度随着温度升高而加快；当反应进行到一定阶段，反应物浓度减少，（B~C）反应速度迅速下降。（4）添加剂可以改变反应速度和燃烧特点。ABC2、自燃自燃：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。自燃的原因:由于热量的积累

热力自燃理论

2、自燃着火条件：1）着火温度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有关。2）临界温度与压力明显的影响到着火区域。3）存在一个可燃混合气着火的浓度上限（富油极限）和下限（贫油极限）。2、自燃烃燃料的着火半岛较低的温度、压力下，有不同的着火规律——着火半岛（退化支链反应）2、自燃燃料温度较低时，燃烧过程经历冷焰-蓝焰-热焰三个阶段，着火过程称为低温多阶段着火。2、自燃在较高温度下，烃燃料氧化反应不经过冷焰诱导期和冷焰期，直接进入热焰燃烧。这种情况下，蓝焰与热焰很难区分，因此统称为高温单阶段着火。退化支链反应，主要是甲醛。3、点燃3、点燃最低点火能量能够可靠着火所需要的最小能量称为最低点火能量。

对应于一定浓度、温度和压力的可燃混合气，存在一个最小点火能量，相应的，有一个不能点燃混合气的电极间隙极限，称为熄火间隙3、点燃不同的混合气浓度，其最小点火能量不同；一定的点火能量有一个着火界限；加大点火能量，着火界限有所扩展，