燃烧的基础知识

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热力学燃烧化学内燃机反应机理

燃烧的基础知识

看清燃烧本质、分类与发动机内作用机制的完整图景

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热力学燃烧化学内燃机反应机理

燃烧的基础知识

看清燃烧本质、分类与发动机内作用机制的完整图景

1第 1 页 · 燃烧的基础知识

什么是燃烧

你点燃一根蜡烛,火焰稳定跳动。你有没有想过:它为什么不会自己灭掉?这里发生的,远不止'东西烧着了'那么简单——化学反应和物理过程在彼此喂养。

化学反应本质
可燃物与氧化剂(通常是氧气)发生剧烈氧化还原,分子断键重组
放热
断键吸能小于成键放能,多余能量以热形式释放
发光
高温激发电子跃迁回落辐射可见光;高温物体本身也产生热辐射
物理过程并行
传热(传导、对流、辐射)、流体运动、燃料与氧气扩散同时发生
化学-物理耦合
反应放热维持高温,高温维持反应继续——形成自持循环
滚雪球下山对应 →燃烧的自维持机制

起动需推一下(点火),一旦开始势能→动能越滚越大;燃烧中化学能→热能,热维持反应,反应再产热

CH4+2O2CO2+2H2O+Energy\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + \text{Energy}
2第 2 页 · 什么是燃烧

燃烧的分类维度

中心向三条支线展开:相态看反应物形态,火焰看外观,混合方式看燃料与氧的接触时机——三者并列。

图解渲染中…
B3固相燃烧需先热解成气态,如木材、煤B1气相燃烧:可燃气体直接参与反应C1扩散火焰:燃料边扩散边燃烧,火焰长C2预混火焰:燃料空气已预混,火焰短而急
3第 3 页 · 燃烧的分类维度

发动机燃烧 vs 生活燃烧

学生常以为发动机燃烧是'另一种燃烧',其实它只是把生活燃烧硬塞进密闭空间——四个维度的差距,就是工程驯化的差距。

发动机燃烧
  • 环境:密闭气缸,燃料空气精确配比
  • 速度:毫秒级完成一次燃烧
  • 控制:电控喷油+火花塞定时点火
  • 效率:热效率可达 35%–45%
生活燃烧
  • 环境:开放或半开放,靠自然扩散
  • 速度:秒到分钟级稳定燃烧
  • 控制:手动调节风门或燃料
  • 效率:热效率通常 10%–30%
发动机燃烧不是另一种燃烧,而是把生活燃烧塞进密闭空间、压到毫秒、榨出更高效率——这是驯化,不是替代。
4第 4 页 · 发动机燃烧 vs 生活燃烧

着火的本质

前面讲到燃烧需要可燃物、氧化剂、能量三要素凑齐。但你可能会问:汽油敞口放在空气中,怎么不自燃?答案是——可燃混合气一直处在一种「看似稳定、实则脆弱」的亚稳态。

亚稳态
可燃混合气在常温下能稳定共存,分子虽频繁碰撞但不发生链式反应;这种「稳定」实则脆弱
临界条件
温度(跨过活化能)、浓度(落在爆炸极限内)、滞留时间三者同时满足,缺一不可
跨越临界点
条件齐备的瞬间,链反应自持进行——释能速度超过散热,体系不可逆滑向反应态
着火≠持续燃烧
着火是点燃那一瞬(电火花/明火),之后靠火焰传播自维持;发动机熄火=切断自维持
山顶凹坑里的石头对应 →可燃混合气的亚稳态

石头在凹坑看似静止,给一个推力越过边缘就会滚下;混合气在闪点以下稳定,越过活化能门槛就会链式反应

k=AeEa/RTk = A \cdot e^{-E_a / RT}
5第 5 页 · 着火的本质

谢苗诺夫热力着火图

温度-浓度平面上,半岛形曲线把区域一分为二:半岛内可自持着火,半岛外则不能。

图解渲染中…
C半岛形整体轮廓,由上支与下支合围D高温侧边界,从外侧向内跨越时点燃E低温侧边界,从内侧向外跨越时熄灭F半岛内部,反应放热大于散热,能自持
6第 6 页 · 谢苗诺夫热力着火图

链式反应机理

燃烧的微观剧本:链引发→增长→分支→终止,四步环环相扣。

1
链引发
燃料分子受热断键,释放首批自由基——没有火种就没有链
2
链增长
自由基撞稳定分子,一个换一个,链不断延续
3
链分支
一次反应变出多个自由基,链指数级扩增,燃烧加速
4
链终止
自由基撞壁或两两结合成稳定产物,链被掐灭
7第 7 页 · 链式反应机理

着火极限与临界条件

燃料-氧气比例、温度、压力三参数着火边界

着火极限与临界条件
燃料-氧气比例、温度、压力三参数着火边界
8第 8 页 · 着火极限与临界条件

湍流的基本概念

燃气灶上的火苗为什么总在跳?发动机气缸里的高温气体也并非平静地流淌——这种「不安分」的流动叫湍流。今天抓住它最反直觉的三个特征。

非稳态
速度和压力等参数随时间持续变化,没有固定不变的瞬时形态
非周期
不像活塞往复那样规律重复,相邻两次波动的样子都不一样
随机涨落
脉动的幅度和方向只能用概率统计描述,无法精确预测下一瞬
多尺度涡旋
从积分尺度大涡到柯尔莫哥洛夫微涡,能量逐级串级至粘性耗散
雷诺分解
瞬时量=平均量+脉动量,是湍流统计描述的起点
风中摇曳的烛焰对应 →湍流脉动

火苗每一瞬形状都不同、没有周期,但火焰长度和亮度的统计平均值是稳定的——这正是雷诺分解的思路

ui=ui+uiu_i = \overline{u_i} + u_i'
9第 9 页 · 湍流的基本概念

湍流尺度与涡结构

从大到小:能量如何在涡旋间逐级传递,直到被粘性耗散。

图解渲染中…
L积分尺度,由流场边界决定,如管径或燃烧室尺寸M惯性子区:能谱E(k)∝k^(-5/3),Kolmogorov律KKolmogorov尺度η=(ν³/ε)^(1/4),仅取决于ν与εH动能最终被粘性耗散为热,ε为单位质量耗散率
10第 10 页 · 湍流尺度与涡结构

湍流对燃烧的作用机制

强化混合、增大火焰面积、加速火焰传播

湍流对燃烧的作用机制
强化混合、增大火焰面积、加速火焰传播
11第 11 页 · 湍流对燃烧的作用机制

湍流燃烧的分类

从中心'湍流燃烧'向左读预混路径、向右读非预混路径,每条分支展示湍流如何作用于火焰结构与速率。

图解渲染中…
G预混中湍流强度决定火焰面褶皱程度与燃烧快慢K非预混中燃料与空气的混合时间是速率瓶颈
12第 12 页 · 湍流燃烧的分类

均质混合气的形成

上页讲了湍流把燃料'撕碎、拉散'——大尺度浓度差被迅速抹平。但湍流只能缩短扩散的'路程',分子尺度上的最终均匀还要靠分子热运动。这就是均质混合气形成的本质。

分子级均匀
区别于宏观混合均匀——要求每个分子尺度上燃料与空气无富无缺
两步混合机制
湍流对流快速拉散大尺度浓度差,分子扩散在小尺度最终抹平
当量比 φ
局部燃空比与化学计量燃空比之比,描述偏离理论配比的程度
混合分数 Z
任一点燃料质量占总质量份额,比 φ 更适于描述非均匀来流
时间尺度竞争
τ_mix ≫ τ_chem 时,混合在反应前完成,构成预混燃烧前提
咖啡加糖搅匀对应 →均质混合气形成

搅拌≈湍流对流抹平大尺度浓度差,糖分子扩散≈分子扩散抹平小尺度——两步接力才真正均匀

Zmfmf+ma,ϕ(F/A)(F/A)stZ \equiv \frac{m_f}{m_f+m_a},\quad \phi \equiv \frac{(F/A)}{(F/A)_{\text{st}}}
13第 13 页 · 均质混合气的形成

层流火焰 vs 湍流火焰

同样成分的混合气,在不同流态下燃烧行为差一个数量级——这是发动机设计绕不开的核心问题。

层流火焰
  • 锋面薄而光滑,厚度约 0.5–2 mm 的层状曲面
  • 传播速度 SL 约 0.3–3 m/s,可由理论精确预测
  • 受最小点火能控制,本质稳定但易被吹熄
  • 实验室标定与本征模型的基础对象
湍流火焰
  • 锋面被涡旋褶皱、撕裂,反应区厚、表面积剧增
  • 传播速度 ST ≫ SL,可达 10–100 m/s
  • 吹熄极限显著拓宽,但存在回火/爆震风险
  • 实际发动机与工业炉中的真实火焰
理论与标定选层流(可精确建模);高强度工程燃烧必须用湍流。切勿把层流 SL 直接代入湍流场景。
14第 14 页 · 层流火焰 vs 湍流火焰

火焰传播的过程

火焰传播是把已燃区的能量逐层传递给未燃区的过程,每一步都有严格的物理条件。

1
点火源作用
火花或热点局部加热混合气,使其温度超过着火温度,发生初始反应
2
着火核形成
形成小尺寸高温反应核心;尺寸必须超过淬熄距离,否则被热损失熄灭
3
热量向外传递
高温燃烧产物通过热传导向邻近未燃气体传热,把后者预热到接近着火温度
4
未燃气体逐层着火
邻近未燃气体温度达到着火温度,发生化学反应并加入燃烧区
5
火焰锋面持续推进
薄层反应锋面以层流火焰速度稳定向前传播,整个过程自持进行
15第 15 页 · 火焰传播的过程

层流与湍流火焰速度

从火焰速度分叉出发,看层流与湍流各自的关键参数与量级差异。

图解渲染中…
B层流火焰速度,化学反应与分子扩散耦合决定C湍流火焰速度,涡团卷吸使火焰面褶皱加速Fu'为脉动速度均方根,表征湍流强度GL为积分尺度,反映最大含能涡尺寸
16第 16 页 · 层流与湍流火焰速度

雾化的基本原理

前面把燃料蒸气与空气做成均质混合气;实际喷射时,液体燃料先形成液膜,再被气流和自身不稳定性撕成液丝,最后变成液滴。

液膜形成
喷出液体在动量与气流剪切作用下铺展为薄层,先形成带有自由表面的液膜。
液膜破碎
气液相对速度激发界面波;We 数越大,扰动越可能克服表面张力,使液膜局部抽离。
液丝形成
液膜波峰或边缘被拉成长度、直径不一的液丝,成为下一次破碎的主要载体。
液滴生成
液丝受毛细不稳定支配而断裂,部分还会继续二次破碎,最终形成尺寸不一的液滴群。
风吹水流对应 →液膜—液丝—液滴

水层对应液膜,拉长的水丝对应液丝,断开的小水滴对应液滴。

We=ρgUrel2dσWe=\frac{\rho_{\mathrm{g}}U_{\mathrm{rel}}^2d}{\sigma}
17第 17 页 · 雾化的基本原理

空气雾化与油泵雾化

左右两列各代表一种雾化方式,三条支线分别看核心设备、雾化机理、适用场景。

图解渲染中…
A靠外部高速气流把油膜撕成雾滴,需要压缩空气系统B靠燃油自身高压从小孔喷出雾化,又称压力雾化
18第 18 页 · 空气雾化与油泵雾化

雾化质量评价参数

中心向外读:先看两大评价层面,再深入四个参数及其物理意义。

图解渲染中…
a21SMD即D32 = ∑Di³/∑Di²,体积/表面积比a22滴径分布是尺寸谱,不是单一数值a31喷雾锥角即射流半角θa32贯穿距离即喷雾前端到喷孔的轴向距离
19第 19 页 · 雾化质量评价参数

影响雾化的关键因素

雾化质量不是单一参数说了算,而是三个变量博弈的结果。

1
喷射压力
压力越高,燃油喷出速度越大,初始扰动越剧烈,雾化更细更均匀
2
气缸背压
缸内气压反推油束,背压越大贯穿距越短,雾化阻力明显增大
3
喷嘴结构
孔径、孔数、长径比决定油束形态、雾化锥角与初始液滴大小
20第 20 页 · 影响雾化的关键因素

油滴蒸发的过程

雾化把燃油打成几十微米的细小液滴——但液滴不能直接燃烧,必须先变成蒸汽。这一步叫蒸发,是油滴从液态走向可燃混合气的关键过渡。

受热升温
热气流把液滴从初始温度加热到湿球温度,热量由气体传入液滴
表面蒸发
液滴表面分子克服内聚力逃逸为蒸汽,多组分燃油在湿球温度下持续蒸发
蒸汽扩散
蒸汽从液滴表面高浓度区向远处低浓度区扩散,与空气形成可燃混合气
d² 定律
稳态阶段 d² 随时间线性减小,斜率 K 称为蒸发速率常数
湿衣服晾在阳光下对应 →油滴在热空气中蒸发

衣服受热升温→表面水分变水汽→水汽扩散进空气,三段过程一一对应

d2=d02Ktd^{2}=d_{0}^{2}-K\cdot t
21第 21 页 · 油滴蒸发的过程

d²定律与蒸发模型

油滴直径平方随时间线性衰减的经典规律

d²定律与蒸发模型
油滴直径平方随时间线性衰减的经典规律
22第 22 页 · d²定律与蒸发模型

影响蒸发速率的因素

蒸发快慢由四个维度共同决定:温度、压力、相对速度、油品性质。

图解渲染中…
T1阿伦尼乌斯关系:温度每升10K约翻倍P1压力↓沸点↓饱和蒸气压易突破V1气流冲刷带走油滴表面饱和层F1蒸气压高、粘度低的轻油更快
23第 23 页 · 影响蒸发速率的因素

油滴燃烧的本质

上一页讲了油滴怎么蒸发——只是变成气体。但气体本身不会自己烧起来,它需要和空气按一定比例混合才能着火。这就引出一个关键问题:燃烧到底发生在油滴的哪个位置?

蒸发区
紧贴油滴表面,液膜升温、燃料蒸发成蒸气向外扩散,区域内燃料富集、缺氧,不满足着火条件
燃烧区(火焰球壳)
在油滴外围某一距离处,蒸气与空气扩散混合,当量比落在可燃范围内,形成球形火焰锋面
空间分离
火焰并不接触油滴表面,而是悬浮在外;这一间距叫火焰驻止距离,与油滴直径同一量级
蜡烛火焰对应 →油滴燃烧

烛芯本身不燃烧,是石蜡蒸发后气体在烛芯上方燃烧;油滴同理,表面只蒸发,火焰包在外侧

24第 24 页 · 油滴燃烧的本质

油滴燃烧的准稳态模型

沿油滴向空气侧读:燃料蒸气向外、氧气向内,两者耦合定位扩散火焰面,热量再回滴维持蒸发。

图解渲染中…
a0把每个瞬间视作定态,液面只随时间缓慢退缩a2燃料在液气交界面相变为蒸气a3燃料蒸气从油滴侧向火焰面输运a5氧气从空气侧向火焰面反向输运
25第 25 页 · 油滴燃烧的准稳态模型

碳烟生成机理

上一页我们讲了油滴蒸气如何与氧反应燃烧——那是'富氧'场景。可如果燃料太多、氧气不够呢?比如柴油机喷油初期、发动机局部过浓的区域——高温缺氧下,碳烟就诞生了。

高温缺氧前提
局部过浓区域,温度高、氧气不足以完全燃烧
热裂解
燃料分子断键成CHₓ、C₂Hᵧ等小自由基碎片
PAH聚合长大
小碎片反复加成环化,形成多环芳烃,再凝并成颗粒
与氧化竞争
碳烟一边生成一边被OH、O₂氧化,排出量=生成−氧化
烧烤油脂滴炭火冒黑烟对应 →碳烟生成机理

油脂落入高温缺氧的炭缝,热裂解产生黑烟颗粒

26第 26 页 · 碳烟生成机理

示功图的构成

前面我们讲了着火、湍流、喷雾、油滴……这些微观过程,最终都要在一个完整工作循环里"上演"一次。工程师怎么看这一整出戏?答案是一张图——示功图。

横纵坐标
横轴曲轴转角φ(4冲程720°),纵轴气缸压力p
大气压力线
水平参考线,进气略低于它、排气略高于它
压缩膨胀曲线
活塞上行压缩、下行膨胀,构成环路左右两支
燃烧压力峰
着火后压力在极小转角内飙升的尖峰
封闭面积
环路包围的面积 = 循环指示功 Wi
心电图一次心跳波形对应 →示功图一次工作循环

横轴都是相位/时间,纵轴都是强度指标;每条波形记录一次"生命活动"

Wi=pdVW_i = \oint p \, dV
27第 27 页 · 示功图的构成

示功图中的燃烧阶段

沿曲轴转角从左到右,读出燃烧四阶段的顺序与压力变化。

图解渲染中…
a2Δθ₁:从点火到火焰明显发展的时间a3Δθ₂:上止点附近压力急升段,最关键a4Δθ₃:压力继续缓升,主燃期收尾a5膨胀做功中未燃尽燃料继续放热
28第 28 页 · 示功图中的燃烧阶段

燃烧放热率的概念

上一页示功图把燃烧切成几个阶段,但那只是从压力形态间接判断。要直接量化每个阶段「烧掉多少能量」「燃烧有多剧烈」,必须从压力数据反推出另一个量——燃烧放热率。

定义
单位曲轴转角内燃烧释放的热量 dQ_B/dφ,单位 J/°CA
为何用曲轴转角
发动机转速不断变化,时间坐标不统一;曲轴转角是通用基准
如何得到
由热力学第一定律 dQ=dU+dW,用示功图压力数据反推
物理含义
描述燃烧过程能量释放的强度分布——何时最猛、何时收敛
关键特征参数
峰值放热率及其对应转角、放热持续期,反映燃烧组织好坏
马拉松配速曲线对应 →燃烧放热率曲线

横轴都是「标准化坐标」——跑者用距离、发动机用转角——消除个体差异,看节奏与强度

dQBdφ=dUdφ+pdVdφ\frac{dQ_B}{d\varphi}=\frac{dU}{d\varphi}+p\frac{dV}{d\varphi}
29第 29 页 · 燃烧放热率的概念

放热规律与参数影响

三个核心参数如何改变放热率曲线形态——按「参数→作用→曲线变化」三步读图。

图解渲染中…
D曲线沿曲轴角轴左右平移,起止点变E曲线最高点的升高或降低F曲线在横轴上的宽窄改变
30第 30 页 · 放热规律与参数影响

汽油机 vs 柴油机放热

放热曲线为何天差地别?根子在「混合先于燃烧还是同时进行」。

汽油机·预混燃烧
  • 进气时油气已混合均匀
  • 火焰面推进快,放热集中陡峭
  • 峰值高、持续期短
  • 由点火时刻和浓度主导
柴油机·扩散燃烧
  • 喷入后边混合边燃烧
  • 受混合速率制约,放热较平缓
  • 峰值较低、持续期较长
  • 由喷油时刻和雾化主导
急加速选预混的瞬时爆燃,平顺大扭矩选扩散的持续放热——差异根源在「混合与燃烧的先后顺序」。
31第 31 页 · 汽油机 vs 柴油机放热

燃烧基础自测

点击作答

切断自由基链载体后,即使温度仍超过着火温度,燃烧也会立即停止。这说明燃烧的本质是?

32第 32 页 · 燃烧基础自测

燃烧知识全景回顾

  • 链式反应是燃烧本质:断键与重组需要越过活化能
  • 着火与火焰传播是不同尺度问题
  • 湍流通过强化输运改写燃烧图景
  • 液滴燃烧受d²定律支配:蒸发常为控制步骤
  • 工程核心矛盾:效率、排放、噪声此消彼长
延伸主题:爆震与不正常燃烧NOx与碳烟的生成控制新型低温燃烧模式
33第 33 页 · 燃烧知识全景回顾

课后思考与延伸

先遮住答案自己想,再对照参考思路。三题分别对应回顾、应用与迁移。

1谢苗诺夫热力着火与链式反应着火,能只靠其中一种解释发动机的着火过程吗?

参考答案实际着火多为热-链耦合:放热升温加速链反应,自由基积累又加速放热。两种机理描述同一过程的不同侧面。

2汽油机把喷油时刻提前到上止点前 60°,示功图的放热率曲线会怎样偏移?

参考答案滞燃期拉长、预混气增多、放热集中于急燃期,最高爆发压力升高、敲缸倾向增加、运行变粗暴。

3湍流能大幅提升燃烧速度,为什么工程上不把湍流强度无限提高?

参考答案湍流过强会增加壁面热损失、引发局部熄火或回火,并受进气与燃烧室结构约束,存在最优强度区间。

34第 34 页 · 课后思考与延伸
燃烧的基础知识 · 知识图解