第四章 著火過程課件

1、4/30/2022內燃機燃燒基礎主講人：李國祥主講人：李國祥 教授教授 博導博導 白書戰(zhàn)白書戰(zhàn) 博士博士 副教授副教授 氣有浩然，學無止境 求真務實，開放拓新 2 無論是內燃機還是其他利用化學能的設備，都是從燃燒開始的，而燃燒都是從著火開始的 著火是一個相當復雜的過程，對于著火問題的研究，乃是燃燒學的基本任務之一。 著火可以從不同角度加以分類： 引燃方式：熱自燃、外源點火 化學反應機理：熱著火、化學鏈鎖著火、熱-鏈式著火 著火溫度范圍：高溫著火、低溫著火 內燃機的著火，幾乎涉及到了上述各種燃燒類型的各個方面，而且由于內燃機是往復式工作的機械，著火的全過程必須在規(guī)定的非常短的時間內實現(xiàn)，否則將嚴

2、重影響發(fā)動機的性能（著火時刻對發(fā)動機性能影響巨大）。 因此著火問題在內燃機中，比在一般燃燒設備中更為復雜，意義也更加重大。 本章將對與著火相關的基本概念和規(guī)律進行介紹和討論，為認識和研究內燃機著火過程提供初步基礎。4-1 基本概念和術語 著火 與氧混合或接觸的可燃物，在一定溫度條件下或與火源接觸時，會突然開始燃燒，這種現(xiàn)象不論是由何種具體方式引發(fā)的，通常統(tǒng)稱為“著火” 在一定的外部條件下，可燃物質不再保持低溫的緩慢反應，出現(xiàn)了反應自動加速到高溫反應狀態(tài)（燃燒）的現(xiàn)象。 這種失控的快速反應也是爆炸現(xiàn)象的重要表現(xiàn)形式之一，所以燃燒學文獻中常把“著火”和“爆炸”做同義語使用，實際上爆炸還包括高壓氣體

3、使容器破裂等物理性的快速能量釋放現(xiàn)象，本課程不做討論。 著火的分類 著火現(xiàn)象可根據(jù)引燃方式分為自燃和點燃（外源點火和強迫著火）兩類 自燃：可燃物質在沒有外部火花、火焰等火源的作用下，因受熱或自身發(fā)熱并蓄熱所產生的自然燃燒稱為自燃 自燃機理 熱自燃理論：認為反應的自動加速主要是由于熱量的積累造成的。 化學鏈鎖著火：認為反應的加速是由于火星中心積累造成的 熱-鏈式著火：認為著火是在熱和鏈式反應的聯(lián)合作用下發(fā)生的 實際上，各種機理在不同的壓力、溫度范圍內起關鍵作用。 點燃 用電火花、熾熱物體等外部熱源，使可燃混合物局部強烈加熱而達到燃燒狀態(tài)，然后火焰想起他地區(qū)傳播，使整個可燃混合物燃燒起來稱為點燃

4、在這種引燃方式下，對于被加熱的局部地區(qū)來說，其化學反應的機理與發(fā)生自燃時并無根部區(qū)別。 不同的是對于點燃來說，除了加熱區(qū)本身，火焰能否向四周傳播，才是判斷點火是否成功的標志。 閃點和燃點 液態(tài)可燃物并不是在任何溫度下都能被引燃。在液體溫度過低時將不會發(fā)生燃燒。這是因為液體可燃物并不能以液態(tài)直接參與燃燒，而是需要首先蒸發(fā)，并且形成的蒸汽需要有足夠的濃度，與此對應，液體必須有足夠高的溫度。 閃點：若由低到高逐漸提高液體的溫度，在達到一定溫度后，液態(tài)可燃物的蒸汽和空氣的混合物與火源接觸時，就會有火焰閃過混合物，但隨即熄滅，這種瞬間的燃燒過程叫“閃燃”，發(fā)生閃燃的最低溫度稱為“閃點”。 燃點：閃點溫度

5、下，點火源只能使混合物閃光而不能發(fā)生持續(xù)燃燒，這是因為在這一溫度下燃料蒸汽比較少，燃燒產生的熱還難以使火焰自動維持，若繼續(xù)提高液態(tài)可燃物的溫度，當其達到一定數(shù)值后，液面上的蒸汽達到足夠的濃度，點火源與可燃混合氣接觸，即能引起持續(xù)的燃燒。可發(fā)生持續(xù)燃燒的最低液體溫度稱為“著火溫度”或“燃點” 閃點和燃點 燃點比閃點略高，但低于自燃點。液態(tài)可燃物愈易揮發(fā)，其閃點愈低，燃點與閃點的差別愈小。 在同系的烴類中，閃點是隨相對分子質量的增加而變高的，但自燃點是隨相對分子質量的增加而變低的。 3-2 謝苗諾夫熱自燃理論 自燃溫度的測定 燃料的自燃溫度是代表燃料燃燒性質的一個重要參數(shù) 自燃溫度并不是由燃料性質

6、唯一確定，而是與具體實驗條件有關。 統(tǒng)一規(guī)定的條件下測出的各種燃料的自燃溫度，對于相對地比較各種燃料的燃燒性質，是一種重要的參考數(shù)據(jù) GB5332-85可燃液體和氣體引燃溫度實驗方法 同類烴類中碳鏈越長，自燃點越低，異構體的自燃點比正構體高 謝苗諾夫熱自燃理論 設有一個給定的、體積為V，表面積為S，置于溫度為T0的環(huán)境中。容器內充以均勻的可燃混合氣。 在開始時刻，容器壁面及其內貯的可燃混合氣溫度與環(huán)境溫度相同，T= T0 ，著火發(fā)生后，由于可燃混合氣的化學反應，混合氣的溫度升高，但容器壁面溫度則假設仍與環(huán)境溫度相同等于T0 。 假設混合氣與容器壁面的換熱系數(shù)不隨混合氣溫度變化，且忽略著火前反應

7、物的濃度變化，按謝苗諾夫的理論，這是容器內混合氣的熱生成率為 ： 混合氣的熱損失率： 根據(jù)能量平衡關系可得容器內可燃混合氣的熱能變化率：RTEecHVkqAng)(0TThsqllgqqdtdTcV 壁溫較低時，放熱率大于散熱率，熱量的積累使混合氣溫度升高，到達a點，溫度趨于穩(wěn)定，a為一“穩(wěn)定點”容器壁溫為一恰當值，熱生成率與散熱率曲線相切與c點，到達c點前，熱量積聚、溫度升高，到達c點后，放熱率與散熱率相等，此處是一種不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，溫度再升高一點，反應自動加速，出現(xiàn)著火：clcglgtqtqqq 由以上討論可知： “自燃溫度”是混合氣的初始溫度由低到高連續(xù)變化，直至出現(xiàn)著火時的一個最低值

8、 因為起始時壁面溫度與混合氣溫度相等，所以實際上它也是能滿足著火條件的容器壁面溫度，而不是發(fā)生著火時混合氣本身的溫度，亦即它代表的乃是產生著火的條件，而不是著火時混合氣本身的狀態(tài)。 當壁面溫度即初始溫度高過臨界值時，熱生成率大于熱損耗率的條件總成立，因而著火現(xiàn)象是總能發(fā)生的。但根據(jù)“自燃溫度”的概念，這些溫度不能代表自燃溫度 以上討論都是混合氣壓力、容器傳熱系數(shù)不變而改變初始壁溫的情況。如果保持初始溫度和混合氣壓力不變，而改變傳熱系數(shù)，則在q-T圖上，熱損失率的圖形將是從一固定點出發(fā)，而斜率hs不同的一組直線，如圖4-3所示，其中一條與熱生成率相切，因此有一臨界的傳熱系數(shù)。 如果壁溫和傳熱系數(shù)

9、不變，改變壓力，在熱損失率的圖形是從一固定點出發(fā)，斜率為hS的一根直線，熱生成率為一族曲線，如圖4-4所示，其中有一條曲線與直線相切，因此有一臨界壓力后兩種情況，壁溫保持不變，所以不便于用來測定可燃物的自燃點，但他們進一步說明了自燃溫度乃是隨外界變化的而不是固定的物性參數(shù)，同一種物質，在同一溫度下，因外界條件不同，可能出現(xiàn)著火，也可能不出現(xiàn)著火。有些文獻是把著火時混合氣本身的溫度Tc定義為自燃溫度的，但有前面的討論可知，著火時混合氣本身的溫度Tc和實驗容器的初始壁溫To并不相同，下面我們來討論下他們之間的關系著火時熱平衡關系為， ，即由著火的另一條件:得：聯(lián)立兩式，求解得：進而得：lgqq )

10、(0ccAnTThSecHVkRTEclcgtqtqhSRTEecHVkRTEAn221)41 (220ERTRERETccERTTTccc200 對于一般的碳氫燃料來說，著火時混合氣的溫度和壁溫的差別不大，因此燃燒學文獻中常將二者作為一個值 但應注意到在化學反應中，溫度T出現(xiàn)在指數(shù)因子中，因此T變化對化學反應速度的影響是比較大的。用謝苗諾夫理論預測著火范圍對于簡單的二級反應，熱平衡條件整理得：若在反應中組分A的摩爾分數(shù)保持恒定，則下標c可去掉，經(jīng)過整理，可得表示臨界壓力pc和臨界溫度Tc關系的謝苗諾夫方程：)(0ccAnTThSecHVkRTEEhSRTecRTpxHVkcAccAcRTE2

11、2)(cRTEeExHVkhSRTpAcc)(22342如果h，s，H,V ,k2及xA都為已知，則對數(shù)形式的謝苗諾夫方程的圖形是一直線，如圖4-5所示這一點已被若干實驗證實，從而表明謝苗諾夫理論是成立的。在上述條件下，也可在p-T平面上做出謝苗諾夫方程的曲線，以區(qū)分著火和不能著火的狀態(tài)，如圖4-6所示。壓力較低時，需要較高的自燃溫度，在壓力較高時，則只需較低的自燃溫度，這與實驗結果是一致的。從4-8可看出Tc與一系列的因素有關系，包括幾何因素，傳熱系數(shù)，燃料性質，混合比等，其中傳熱系數(shù)和面容比都是著火的外部條件，而不是燃料本身的性質。如果固定總壓，利用謝苗諾夫方程可以在T-xA平面上做出可燃

12、極限圖，如4-7所示： 存在著火濃度低限和高線。 溫度降低時，兩個極限相互靠近，著火范圍變窄 如果溫度很低，則在任何組成下都不可能著火如果溫度固定，在可得出p-xA平面上的可燃極限圖， 臨界壓力也存在低限和高限，如圖4-8 低溫低壓下的著火，不能用熱理論。熱理論解釋著火延遲活性中心的積累需要一定時間，因此由反應開始到反應急劇加速有一感應期，在熱著火時，為了使反應達到自動加速，也需要有一個熱量的積累過程。根據(jù)熱量平衡的原理：因此：從右圖看，T=T0c時，一階導數(shù)和二階導數(shù)有 兩種組合方式：（1）TTa時，一階導數(shù)大于零， 二 階導數(shù)小于零，溫度隨時間單調上升，（2）Tc后， 二階導數(shù)大于零，溫度

13、變化率不斷變大lgqqdtdTcV lgqqdtdT dtqqddtTdlg)(22 到達這點之前所需的時間被定義為熱著火的著火延遲期，如圖所示如果初始溫度較低，溫升曲線只能趨于某一溫度而不能超過如果初始溫度很高，溫度將對時間不斷迅速上升，但溫升曲線也存在較為平坦、變化緩慢的階段，表示真正達到著火，還是需要一定時間的。當t=時，等號右端趨于零，等式左端，只有T很大時，才能使等號左端指數(shù)函數(shù)括號中的值為負數(shù)，等式才成立著火延遲期：nAnRTEicHkeERTc0200itTTRTETT1) 1(exp)(0020 4-3 多階段著火 自燃理論中的著火過程描述：可按混合物在達到自燃點后，經(jīng)過一段感

14、應期，立即著火，放出全部熱量，著火是單階段的，著火前感應期內的化學反應可被忽略，但進一步的研究表明，對于多數(shù)碳氫燃料，這一結論只是在一定的壓力、溫度范圍內適用；在另外 壓力、溫度范圍內，整個著火過程明顯地存在幾個不同的階段。 正式著火前，有大量中間產物出現(xiàn)，并已放出一部分熱量，即著火時多階段的，這一現(xiàn)象對于某些定常過程的燃燒設備并不重要，但是對于內燃機來說確實十分重要的。 本章將簡要介紹有關多階段著火的基本現(xiàn)象和概念 冷焰和藍焰 冷焰：某些碳氫燃料的燃點進行測定時可以觀測到，若由低到高，逐漸提高初始壁溫，在正式出現(xiàn)燃燒之前的某一較低溫度范圍內，將可觀察到有一種藍綠色的火焰狀熒光掃過容器，隨即熄

15、滅。這種熒光成為“冷焰”。 冷焰是化學反應進行到一定程度發(fā)生的現(xiàn)象，這一過程會放出一部分能量，但是數(shù)量不多。 冷焰有時出現(xiàn)一次，有時多次，但并不導致真正的燃燒。冷焰冷焰藍焰藍焰熱焰熱焰 從上面的討論可以看出，丙烷和氧的反應存在著兩種類型的自燃：一種是低溫自燃，產生冷焰，另一種是高溫自燃，產生正常火焰。 除了甲烷和苯外，大多數(shù)碳氫化合物都有冷焰半島存在多階段著火過程I區(qū)是冷焰半島，II區(qū)是多階段著火區(qū)，III區(qū)經(jīng)過感應期立即著火，是單階段著火區(qū)，III區(qū)在I區(qū)和II區(qū)的上方，處于溫度較高的范圍，故其中的自燃屬于高溫型自燃，I區(qū)和II區(qū)中屬于低溫型自燃， 碳氫燃料有兩種著火類型：這與復雜的燃料分子

16、的氧化過程可以沿著兩種不同的機理發(fā)展有關： 一種是燃料分子先進性熱裂化，然后氧分子與裂化產物相化合； 燃料分子破裂需要很大能量，通常需要很高溫度 燃料分子破裂后，氧化過程立即進行，所以著火時單階段的 燃料分子破裂后，所有的裂化產物都需要與氧化合因此化學當量比是最佳的濃度 另一種是燃料分子的多階段的鏈氧化過程。 各階段控制過程的活化能比較小，因此所需溫度也不太高 最佳濃度要有各階段起控制作用的反應決定。 實驗研究表明，冷焰的第一期在過量空氣系數(shù)為0.10.15時最短活化產物的積累速度在開始時隨溫度的升高而增加，但同時伴隨著分解，在溫度高于400度后，過氧化物的分解將比他們的形成更強烈，以致會使其

17、感應期有所增加考慮到在碳氫燃料中，低溫反應時間歷程曲線的藍焰階段所占時間很短，因此將總過程分為兩個階段，統(tǒng)稱為“兩階段著火”。兩階段著火過程中，實驗檢測到了兩種重要的中間產物， 過氧化物和醛基。這些產物標志了各反應階段的特點，也為提出反應機理模型提供了線索和證據(jù)。關于兩階段著火的詳細機理有不同的說法，Downs和Wheeler模型：在感應期中出現(xiàn)有機過氧化物，當其達到臨界值時，出現(xiàn)冷焰。冷焰反應中，生成甲醛。冷焰的淡藍綠色熒光（360480nm）就是激發(fā)態(tài)的甲醛發(fā)出的。在冷焰階段，放出的能量約為總化學能的515%，故自行加熱程度并不大。冷焰過程中生成的甲醛，在一定溫度下分解生成醛自由基HCO，

18、這種基發(fā)出比冷焰強的藍色輝光，故稱為“藍焰”。藍焰的反應程度比冷焰深，壓力升高和溫度升高也較大，但反應仍不完全，其最終產物為CO，反應式： HCHO+O2-HCO+HO2 CHO+O2-CO+HO2冷焰和藍焰階段產生的熱和火星中心的積累，最后能導致反應的自動加速，產生熱焰（高溫著火）。熱焰的最終產物是CO2等，有C2和CH等發(fā)光。多階段著火過程中，各階段的主要中間產物和光強變化如圖4-16所示，各階段的特征比較如表4-3內燃機中的多階段著火在反拖發(fā)動機上進行的實驗同樣證明了兩階段著火的存在。圖4-17是波爾測得的結果。不過據(jù)索柯立克等人的研究，在反拖發(fā)動機上得出的冷焰半島位置和在定容燃燒彈上的

19、有所不同，如圖4-18右上角所示。這是因為反拖發(fā)動機是靠壓縮加熱，而膨脹沖程會使溫度降低，散熱條件也和定容彈不同，關于汽油機發(fā)生爆震的原因，有一些不同的理論，里卡多提出的末端氣體低溫自燃理論是其中之一，這種理論認為：爆震是因為末端氣體受到壓縮和熱輻射的影響達到自燃點，而在傳播火焰到達前發(fā)生自燃所致，首先容易達到的是低溫型自燃。如右圖所示，燃料為異辛烷，過氧化物和醛類濃度隨曲軸轉角的變化，在火焰到達之前達到峰值，隨壓縮比的提高，過氧化物出現(xiàn)提前，濃度的峰值也變大，過氧化物達到一定值時引起爆震。添加四已基鉛辛烷值降低，爆震受到抑制。圖示為不同壓縮比下，火焰將要到達時過氧化物濃度隨混合氣成分的變化，

20、產生爆震時過氧化物濃度幾乎是不變的，表明爆震發(fā)生似乎只與一定的過氧化物濃度對應，前面冷焰分析時，也是與過氧化物的濃度對應，因此爆震的發(fā)生應與冷焰的出現(xiàn)有關系另外最高可用壓縮比的低值部分正好與過氧化物濃度的峰值部分對應不產生冷焰現(xiàn)象的甲烷、苯的可用壓縮比也是最高的這些都說明了冷焰與爆震關系密切，也就是多階段自燃與爆震關系密切。 柴油機燃燒中同樣存在冷焰和藍焰現(xiàn)象，但由于其混合氣的不均勻性，不會發(fā)生爆震。但多階段著火的每一階段都對總的燃燒過程起重要作用 因此感應期隨溫度變化的規(guī)律與但階段著火的情況很不相同，其主要特點為：總感應期在一定溫度范圍內有最小值。 原因：冷焰感應期隨溫度提高而降低，出現(xiàn)熱焰

21、的感應期也有最小值，因此總感應期也有最小值。 由于各階段的最佳混合比不同，不均勻混合氣容易實現(xiàn)最佳條件，故不均勻混合氣的總感應期要比均勻混合氣的短。231物理i 4-4 點 燃 冷的可燃混合氣被某種熱源，例如熾熱的質點、點火火焰或電火花迅速地局部加熱，在被加熱的混合氣容積中會發(fā)生火焰并向混合氣的其余部分傳播，這種著火方式稱為“點燃”或“強迫點火”。 點燃和自燃一樣，都需要依靠熱反應和鏈鎖反應使過程加速，不同點如下： 用點燃促使化學反應加速只在混合氣的局部（火源附近）進行，而自燃則是在整個可燃混合氣中進行，例如采用高溫熾熱物來點燃，則反應旨在熱物體表面的混合氣附面層內進行，而遠離物體表面的混合氣

22、則由于溫度太低而不能著火 自燃需要一定的外界溫度下，由于反應的自行加速使可燃混合氣溫度逐步提高到自燃溫度而引起燃燒。點燃則不同，其混合氣溫度或容器壁面溫度遠低于 適合自燃的溫度，因此需要高溫物體與可燃氣接觸使其點燃，能夠引起混合氣著火的熾熱物體表面的最低溫度稱為點火溫度，點火溫度要高于自燃溫度。 可燃混合氣能否點燃不僅取決于熾熱物體附面層內局部混合氣風否著火，而且還取決于火焰能否傳播，因此點燃過程要比自燃過程復雜的多，其包括局部地區(qū)的著火和火焰的傳播。若火焰不能傳播出去，表示點火失敗，稱為“缺火”。因此點燃時不僅要求在被加熱的空間中實現(xiàn)著火，而且要求這一區(qū)域中著火后的能量足以引起火焰的傳播。

23、常用的點火方法： 熾熱物體點燃：用金屬板、柱、絲或球作為電阻，通過電流使其熾熱，或用耐火磚或陶瓷棒以輻射或其他方式使其加熱保持高溫的方法形成各種熾熱物體，與可燃混合氣接觸，在一定溫度、壓力和組成下，可將混合氣點燃著火 電火花或電弧點燃：利用兩電極空隙間高壓放電產生的火花使部分可燃混合氣溫度升高產生燃燒。簡單易行，但其點火能量不大，不能點燃溫度低、高速的可燃混合氣。汽油機的燃燒。 火焰點燃：先行燃燒的穩(wěn)定小火焰引燃較難點燃的混合氣體，鍋爐和燃氣輪機燃燒室中應用較多，點火能量大，火柴點燃就是這種方式 自燃方式點燃：將高壓燃油噴入高溫、高溫氣體中，溫度超過其自燃溫度，無需其他點火裝置就會自燃，柴油機

24、的燃燒 汽油機中采用的點火方式主要是火花塞點火，產生火花的方法可以是電容放電，也可以是感應放電或其他方式。內燃機主要是應用電感放電，但是電路中有電容存在，實際上是兩種方式并存的合成火花點火。放電方式影響到火花持續(xù)時間等有關性質，對點火能力有一定影響。 火花的作用可分為熱作用和放電引起的化學活化兩個方面，從定性上，可以只用熱理論來解釋與點火有關的現(xiàn)象和機理。據(jù)研究，放電階段的火花核心是高溫等離子體，放電開始時火花成圓柱形，很快變成球形。放電后火花核心的溫度降到正常火焰溫度時的火花核膨脹達到的尺寸是個關鍵量。只有圍繞火花核心的反應區(qū)放熱率在這時超過了該體積的熱損失，點火才能夠成功。實驗表明，火花塞

25、點火電極間的距離d以及電極的形狀對所需的點火能量均有影響，其中影響較大的是d值，電極材料則影響不大。在點火間隙小于某一臨界值時，無論施加的能量多大，都不能實現(xiàn)點火，這個臨界值稱為熄火距離。它主要反應了從電極散失熱量造成的影響。點火間隙大于熄火距離時，有數(shù)值計算得到的點火間隙內溫度隨時間的變化如圖所示，火花間隙過大也會帶來不利影響，因為這時有火花側面向混合氣散失的熱量將會增多在改變點火間隙時，對應的所需點火能量也隨之變化，如圖所示，最小點火能熄火距離和最小點火能量的值主要與混合物的物理化學性質、溫度、壓力、流速密切相關，而與電極的幾何形狀關系較小，實驗表明，當電極上的法蘭尺寸變大，開始所需的點火能量略有增加，可以用電極傳熱面增加造成的導熱損失增加來解釋，但該尺寸的值對最小點火能量的影響并不大。 最小點火能的確定實際上，但或成功與否是一種統(tǒng)計現(xiàn)象，在給定間隙時，所需的點火能