预混合燃烧

燃烧的第一阶段

预混合燃烧即火焰在已经形成的可燃混合气中的传播过程，在柴油机中由于着火延迟，在滞燃期内已经形成了一定数量的可燃混合气。着火后的一个或多个火源首先将已形成的可燃混合气引燃。因此，燃烧的第一阶段是一种预混合燃烧。

简介

在充满预混合气的燃烧设备内，通常是在某一局部区域首先着火，接着形成一层相当薄的高温燃烧区，称为燃烧区或火焰面。靠它帮助使邻近的预混合气引燃，逐渐把燃烧扩展到整个混合气范围。这层高温燃烧区如同一个分界面，把燃烧完的已燃气体（燃烧产物）和尚未进行燃烧的未燃混合气分隔开来。在它的前方是未燃的混合气，而在它的后方是已燃的燃烧产物。随时间推移，火焰面在预混合气中不断向前扩展，呈现出火焰传播的现象

特征

在着火以后随着温度增加，燃烧速率猛烈增加，并大大超过了可燃混合气的形成速率。此后，由于滞燃期内形成的可燃混合气耗尽，燃烧速率迅速下降，形成一个锐峰，在示功图上，预混合燃烧期相当于气缸压力急剧升起阶段，但不易辨认其与后继燃烧阶段的分界。

其中，——放热速率;……混合气形成速率

①-滞燃期; ②-预混合燃烧;

③-扩散燃烧; ④-后燃

对发动机性能的影响

预混合燃烧越猛烈，则最大压力升高率越大。这将使发动机振动加剧，燃烧噪声增强。另一方面，预混合燃烧速率的增加，对于发动机油耗降低则并无明显好处。

影响因素

影响预混合燃烧的主要因素是滞燃期间可燃混合气形成的数量。因此，凡能使着火延迟角缩短、滞燃期内喷入油量减小、可燃混合气形成速度变慢的因素均有利于控制预混合燃烧，降低最大燃烧速率。各类发动机中，低速、高增压发动机在全负荷下工作时，由于其着火延迟角小，预混合燃烧的特征很不明显，在放热速率曲线上甚至于不出现第一尖峰，而高速、直喷式发动机，则由于着火延迟角大，可燃混合气的形成较难控制，因而第一尖峰明显，发动机工作较粗暴。发动机在低负荷下运行时，着火延迟角增大，燃油大部或全部在滞燃期内喷入。此时，预混合燃烧成为燃烧过程的主体。

右图1为放热速率曲线

a)低速增压发动机； b)中速增压发动机；

c)高速、直喷式发动机。

燃烧类型

部分预混式燃烧

燃气与所需的空气预先混合而进行的燃烧，称部分预混式燃烧，又称为大气式燃烧。它的一次空气系数0<α′<1 (预先混合进燃气的空气与燃烧所需用空气的比值为一次空气系数)。根据燃气、空气混合物出口速度状态的不同而形成的火焰不同，可分为部分预混层流火焰和部分预混紊流火焰。

1. 部分预混层流火焰

部分预混层流火焰由内焰、外焰及其外围看不见的高温区构成。当一次空气量不足时，扩散火焰就成为发光火焰；当一次空气量过多时，扩散火焰将变得透明和不发光。

2. 部分预混紊流火焰

当火焰面供给的可燃混合气流从层流变为紊流时，火焰就发生显著变化。其长度明显地缩短，顶部变圆，火焰总面积也相应增加。

紊流火焰由焰核、焰面和燃尽区三部分组成。焰核为燃气、空气混合物尚未点着的冷区，焰面是着火与燃烧区，在燃尽区内将完成全部燃烧过程。

3. 部分预混式燃烧的特点

(1) 由于燃烧前预混了部分空气，因此克服了扩散式燃烧方法的一些缺点，提高了燃烧速度，降低了不完全燃烧程度。

(2) 当一次空气系数适当时，这种燃烧方法有一定的稳定范围。但是，一次空气系数越大，稳定燃烧范围越小。

完全预混式燃烧

燃气与所需要的空气全部预先混合，即一次空气系数≥1，可燃混合物在火道、燃烧室中瞬时完成燃烧过程的燃烧方法称为完全预混式燃烧，又称无焰燃烧。完全预混式燃烧具有以下特点：

(1) 完全预混式的燃烧条件是燃气与空气在着火前按化学当量比混合均匀并有稳定的点火源。点火源一般是炽热的燃烧室、专用的火道等。

(2) 完全预混式燃烧火焰传播速度快，几乎不存在化学不完全燃烧现象。

(3) 完全预混式燃烧火焰温度很高，但火焰稳定性差，易发生回火。

燃烧形式

预混燃烧在不同环境条件影响下可出现两种完全不同的燃烧形式，一是“正常燃烧”，一是“爆炸性燃烧”。爆炸性燃烧将在有关安全技术的内容中谈到，这里只对正常燃烧进行介绍。

1.预混层流燃烧

将可燃气体同实现完全燃烧所需的空气预先均匀混合，然后使它们在层流状态下燃烧即为预混层流燃烧。使可燃混合物从管口流出并点燃可得到锥形的预混层流火焰。改变气流速度，火焰的锥形随之改变。预先均匀混合使燃气同空气充分接触，因而预混燃烧不存在明显的发光炭微粒。

当可燃混合物在管内作层流流动并被点燃时，亦可得到层流火焰。此时火焰面近似于平面，其厚度通常不足1mm，燃烧时的热传导、扩散、反应与粘性效应等即在这薄薄的反应区内完成。

预混燃烧比较容易出现逆火，对此须特别注意。逆火俗称“回火”，是因为气流速度小于火焰传播速度而使燃烧逆行进入燃烧器而发生的情况。这是不正常的情况，可能会造成危除，应防止这种情况发生。

2. 预混紊流燃烧

由于紊流造成扰动，稳定的火焰面已不复存在，燃烧深入到气流内部进行，从而形成厚厚的反应区。对火焰作纹影处理，则可见到紊乱、皱折的火焰面。紊流强度更高时火焰则分成若干小火焰。

预混紊流燃烧可使火焰传播速度与燃烧热强度大大提高，但它也促使火焰不稳定，从而容易产生逆火，故实际中应用得并不多。

预混紊流燃烧的火焰特征见左图2。

a—紊流火焰直接曝光; b—相应的瞬时纹影像

3. 无焰燃烧

预混燃烧由于无明显的火焰轮廓，因而属于暗焰燃烧，工业应用上则称它为无焰燃烧。

无焰燃烧实现预混的方式有两种。一种是使燃气和空气按燃烧比进入混合机或预混装置，二者均匀混合后通过管道输向燃烧器，另一种是采用喷吸原理，燃料直接在燃烧器内实现预混并进入炉内燃烧。

采用混合机预混，因它存在较多的可燃混合物输送管，所以需要严格而复杂的保护措施才能保证安全，否则逆火会导致产生爆炸事故，甚至使整个系统毁坏。所以这种预混系统已很少在工业生产特别是大、中型炉子中应用。

喷吸预混也称喷射式预混，其特点是直接在燃烧器内吸入空气(或燃气)实现混合，这样就省去了可燃混合物的输送管路，因而即使逆火也不致造成危险，从而使安全得到保证。燃气作引射介质从喷口射向混合管，因介质的快速流动在吸入室内造成负压，于是周围的空气被大量吸入并与燃气迅速实现混合，然后经扩散管和收缩形头部流出。扩散段和收缩形头部有合理利用能量、进一步使浓度均匀与促使层流流出的作用。

除安全方面的优点外，喷射式预混还有系统简单，不另行供风、空气系数小、燃烧温度高和热强度高等优点。其缺点有容易逆火、调节比小、不便利用烟气余热预热和燃烧产物的辐射能力差等。

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