燃烧的基本知识

4.3　燃烧的基本知识

4.3.1　燃烧现象

燃烧过程中，活塞处上止点前后，进、排气门均关闭。其过程足将燃料的化学能转变为热能，使工质的压力、温度升高。燃烧放出的热量越多，放热时越靠近上止点，热效率较高。

燃烧过程中，柴油机应在上止点前就开始喷油，喷进气缸中的柴油迅速蒸发而与空气混合，并借助气缸中被压缩的具有很高内能的空气热量而自燃。开始，燃烧速度很快，气缸容积变化很小，所以工质的压力、温度剧增，接近于等容;接着，一面喷油，一面燃烧，燃烧速度缓慢下来，且随着活塞向下止点移动，气缸容积增大，气缸压力基本不变，而温度继续上升。该过程接近于等压。

在汽油机燃烧过程中，汽油与空气混合形成的可燃混合气是在上止点前由火花点火而燃烧，火焰迅速传至整个燃烧室，工质的压力、温度剧烈上升，整个燃烧接近于等容加热。

燃烧的最高爆发压力P _max及最高温度T _max列于表4－4。

表4－4　燃烧的最高爆发压力P _max及最高温度T _max

4.3.2　发动机混合气的着火方式

发动机中碳氢化合物的自燃，均属于链－自燃，但由于发火的条件不同，有高温单阶段着火和低温多阶段着火。

1.高温单阶段着火

汽油机的着火为高温单阶段着火。混合气在压缩过程中，已经进行了一定的化学反应。当电火花跳火的瞬间，一方面在火花塞电极附近局部地区，可燃混合气温度急剧上升，可高达几千度以上;另一方面在高温作用下，燃油分子直接分裂成大量的自由原子核自由基，如CH等，作为链反应的活化中心，迅速开展自行加速的链反应，放热速度远大于散热速度，则温度迅速上升并达到热爆炸。因为划分不出由链反应引起的起始反应的自动加速和由热所引起的自动加温两者的界限，在火花塞跳火后经一短暂的着火延迟期即可出现明显的热火焰，故称为高温单阶段着火。

2.低温多阶段着火

柴油机的着火为低温多阶段着火。在柴油机中，喷油时缸内温度约为500℃～700℃。在这种情况下，不可能直接得出链反应开始所需要的自由原子和自由基。在着火落后期的短暂时间里，反应之所以能进展得这样迅速，是由于燃料和空气进行了低温多阶段反应的结果。在接近压缩终了时，将燃油喷入气缸而形成混合气，在温度较高处即开始氧化，但反应缓慢，压力没有明显变化;在经历一段时间后，由于热量积累，使反应加剧，产生醛类和有机化合物等中间产物，其浓度随链反应的扩展而逐渐增加，当过氧化物达到临界温度时，出现淡青色火焰，因其热量不多，只有约5%～10%，因此也称为冷焰。缸内温度升高，压力略有上升，此时的反应称为一阶段反应;经一段时间后，由于缸内温度、压力上升，生成CO、O、H、OH等活动中心，出现蓝色火焰。缸内温度、压力明显升高，并有热量积累，称为二阶段反应;然后，由于热量和活化中心的积累，反应将激烈进行，在极短时间产生热爆炸，出现橘黄色热火焰，即产生燃油自燃，温度和压力急剧升高，这种热火焰的出现叫做三阶段反应。着火过程与温度和浓度有关，整个焰前反应时间之和，称为着火延迟期或着火过程，这就是低温多阶段着火。

4.3.3　着火机理

按化学动力学的观点，着火机理可分为热自燃和链锁自燃机理两类。

1.热自燃

在着火的准备阶段，混合气进行着氧化过程，放出热量。放热的同时，由于温差的原因，会对周围介质散热。若化学反应所释放出来的热量大于所散失的热量，混合气的温度升高，进而促使混合气的反应速率和放热速率增大。这种互相促进，最终导致极快的反应速率而着火的现象就是自燃，或称热爆。

实际工况下，着火和燃烧都是在有限的容器内进行的，反应所放出的热量总有一部分要通过容器壁传给容器外的介质。这就不仅会使反应物的温度降低，而且造成容积内各处反应物的温差。由于各处的温度不同，各点的反应速率也因浓度不同。这样，在反应系统中的各部分，不仅有化学反应和热交换，而且有物质交换，这就使问题复杂化。

相同条件下的可燃混合物的发火点可以不相同，它不是一个固定值，而是随散热条件而异，若散热条件固定不变，就只有一个不变的自燃温度。若混合气体的温度达到或超过这个温度时，可燃混合物就会发生热爆现象。与此自燃温度相适应的外界温度和压力分别称为临界温度和临界压力。在一定临界压力下，只要外界温度低于临界压力温度，混合物就不会发生热爆。当压力提高时，由于在同一反应温度下的放热量增加了，因而相应地自燃温度就较低，反之则较高。同样，在一定的临界温度下，只要压力低于临界压力，混合物就不会发生热爆，而压力高于临界值则会发生热爆。

2.链锁反应

按链锁理论的观点，认为使反应自动加速不一定要依靠热量的积累使大量分子活化，通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法，也能使反应自动加速，直至着火。

所谓链锁反应是这样的化学反应，其中一个活化作用能引起很多基本反应，即反应链。整个反应过程如下:

引导反应(发链反应)→反应链(链的继续反映或链的传递)→断链反应(链的中断即活化中心的死亡)

以最简单的氢燃烧为例来说明链锁反应。化学反应方程为:

2H₂+O₂= 2H₂O

实际上，其反应具有如下过程:

(1) H₂→2H

(2) H+O₂→OH+O

(3) O+ H₂→OH+ H

(4) OH+ H₂→H₂ O+ H

(5) H+ H+M→H₂+ M

(6) H+ OH+ M→H₂O+ M

(7) H+ O+ M→OH+ M(M—惰性气体分子)

上述反应中，1为发链反应;2～4为链反应，其中2、3为支链反应，4为延链反应。这种一环扣一环，借助活性很轻的活性中心，如游离子H、O和游离基OH发展的连续反应过程，称为链式反应。由于分子间碰撞等原因，由较不活性分子产生活性很强的活动中心，称为发链反应。如反应1，也可通过H₂+O₂→OH+ OH产生必需的活性物质，反应2、3所产生的OH、O、H多于消耗，使活性中心越来越多，活性中心按几何级数增加，反应速率随之剧增，可引起爆炸。这种通过链式反应引起的爆炸，称为链爆炸，在相对温度较低时也能实现。活性中心与惰性气体分子M的碰撞相对较慢，加上冷壁面的碰撞作用等，导致活性中心减少或消灭的过程(活性中心的复合)，称为断链反应。

由于初始物比较稳定，引导反应进行较慢，只有在高温下才能自行着火。因此，在燃料链爆炸前，必然经过一个反应量逐渐积累的阶段，这个阶段称为诱导期或着火落后期(柴油机中称为滞燃期)。

燃烧是一个相当复杂的过程，至今还不能完全详细描述。实际燃烧过程中，不可能有纯粹的热自燃或纯粹的链锁自燃存在。事实上，两者是同时存在而且相互促进的。可燃混合气的自行加热不仅加强了热活化，而且也加强了每个链锁反应的基元反应;在低温时，链锁反应的进行则可使系统逐渐加热，从而也加强了分子的热活化。所以，不能用单一的着火机理来解释自燃着火，有些可用热自燃理论来说明，有些则需要用链锁理论来解释。一般来说，在高温下，热自燃是着火的主要原因，而在低温时则支链反应是着火的主要原因。

4.3.4　发动机的燃烧方式

发动机的燃烧方式有以下几种:

1.同时爆炸燃烧

均匀混合气在燃烧室内的燃烧前后一瞬间，燃烧室内只有一个相。燃烧前是正在进行焰前反应的可燃混合气相，燃烧后是燃烧产物相。

2.预混合燃烧

均匀混合气的过量空气系数是一个常数，着火极限和火焰速度均与压力、温度和过量空气系数有关。由于火焰前锋的推移，使燃烧传播到整个燃烧室内，燃烧室内压力各处基本一致，而温度各不相同，在燃烧期间，燃烧室存在未燃混合气相和燃烧产物相两个相。

3.扩散燃烧

固体或液体的燃烧现象。燃烧室内产生自燃后，空气和燃料从各个方向连续导入，在反应过程中通过扩散、混合，混合气各处的过量空气系数都不同。当燃烧与空气混合、燃烧并产生了燃烧产物后，必须设法将燃烧产物带走，并防止它将燃烧与空气隔开，所采用的方法是组织空气与燃烧的相对运动。在燃烧期间，燃烧室内将同时存在的燃气体(或可燃蒸气)相、空气相和燃烧产物相三个相。

汽油机的点火燃烧就是预混合燃烧的典型例子。柴油机的初始燃烧，由于在着火延迟期内部分混合气均匀混合，属于预热混合燃烧;燃烧后期属于扩散燃烧。