預混合燃燒

預混合燃燒即火焰在已經形成的可燃混合氣中的傳播過程，在柴油機中由於著火延遲，在滯燃期內已經形成了一定數量的可燃混合氣。著火後的一個或多個火源首先將已形成的可燃混合氣引燃。因此，燃燒的第一階段是一種預混合燃燒。

基本介紹

• 中文名：預混合燃燒
• 外文名：premixed combustion
• 特徵：相當於氣缸壓力急劇升起階段
• 影響因素：滯燃期間可燃混合氣形成的數量
• 燃燒類型：部分預混式和完全預混式
• 燃燒形式：預混層流、預混紊流、無焰燃燒

簡介

在充滿預混合氣的燃燒設備內，通常是在某一局部區域首先著火，接著形成一層相當薄的高溫燃燒區，稱為燃燒區或火焰面。靠它幫助使鄰近的預混合氣引燃，逐漸把燃燒擴展到整個混合氣範圍。這層高溫燃燒區如同一個分界面，把燃燒完的已燃氣體（燃燒產物）和尚未進行燃燒的未燃混合氣分隔開來。在它的前方是未燃的混合氣，而在它的後方是已燃的燃燒產物。隨時間推移，火焰面在預混合氣中不斷向前擴展，呈現出火焰傳播的現象

特徵

在著火以後隨著溫度增加，燃燒速率猛烈增加，並大大超過了可燃混合氣的形成速率。此後，由於滯燃期內形成的可燃混合氣耗盡，燃燒速率迅速下降，形成一個銳峰， 在示功圖上，預混合燃燒期相當於氣缸壓力急劇升起階段，但不易辨認其與後繼燃燒階段的分界。

其中，——放熱速率;……混合氣形成速率

①-滯燃期; ②-預混合燃燒;

③-擴散燃燒; ④-後燃

對發動機性能的影響

預混合燃燒越猛烈，則最大壓力升高率越大。 這將使發動機振動加劇，燃燒噪聲增強。另一方面， 預混合燃燒速率的增加，對於發動機油耗降低則並無明顯好處。

影響因素

影響預混合燃燒的主要因素是滯燃期間可燃混合氣形成的數量。因此，凡能使著火延遲角縮短、滯燃期內噴入油量減小、可燃混合氣形成速度變慢 的因素均有利於控制預混合燃燒，降低最大燃燒速率。各類發動機中，低速、高增壓發動機在全負荷下工作時，由於其著火延遲角小，預混合燃燒的特徵很不明顯，在放熱速率曲線上甚至於不出現第一尖峰，而高速、直噴式發動機，則由於著火延遲角大，可燃混合氣的形成較難控制，因而第一尖峰明顯，發動機工作較粗暴。發動機在低負荷下運行時，著火延遲角增大，燃油大部或全部在滯燃期內噴入。此時，預混合燃燒成為燃燒過程的主體。

右圖為放熱速率曲線

a)低速增壓發動機； b)中速增壓發動機；

c)高速、直噴式發動機。

預混式燃燒類型

部分預混式燃燒

燃氣與所需的空氣預先混合而進行的燃燒，稱部分預混式燃燒，又稱為大氣式燃 燒。它的一次空氣係數0<α′<1 (預先混合進燃氣的空氣與燃燒所需用空氣的比值為 一次空氣係數)。根據燃氣、空氣混合物出口速度狀態的不同而形成的火焰不同，可分 為部分預混層流火焰和部分預混紊流火焰。

1. 部分預混層流火焰

部分預混層流火焰由內焰、外焰及其外圍看不見的高溫區構成。當一次空氣量不足 時，擴散火焰就成為發光火焰； 當一次空氣量過多時，擴散火焰將變得透明和不發光。

2. 部分預混紊流火焰

當火焰面供給的可燃混合氣流從層流變為紊流時，火焰就發生顯著變化。其長度明顯地縮短，頂部變圓，火焰總面積也相應增加。

紊流火焰由焰核、焰面和燃盡區三部分組成。焰核為燃氣、空氣混合物尚未點著的冷區，焰面是著火與燃燒區，在燃盡區內將完成全部燃燒過程。

3. 部分預混式燃燒的特點

(1) 由於燃燒前預混了部分空氣，因此克服了擴散式燃燒方法的一些缺點，提高了燃燒速度，降低了不完全燃燒程度。

(2) 當一次空氣係數適當時，這種燃燒方法有一定的穩定範圍。但是，一次空氣係數越大，穩定燃燒範圍越小。

完全預混式燃燒

燃氣與所需要的空氣全部預先混合，即一次空氣係數≥1，可燃混合物在火道、燃 燒室中瞬時完成燃燒過程的燃燒方法稱為完全預混式燃燒，又稱無焰燃燒。完全預混式 燃燒具有以下特點：

(1) 完全預混式的燃燒條件是燃氣與空氣在著火前按化學當量比混合均勻並有穩定的點火源。點火源一般是熾熱的燃燒室、專用的火道等。

(2) 完全預混式燃燒火焰傳播速度快，幾乎不存在化學不完全燃燒現象。

(3) 完全預混式燃燒火焰溫度很高，但火焰穩定性差，易發生回火。

預混式燃燒的不同燃燒形式

預混燃燒在不同環境條件影響下可出現兩種完全不同的燃燒形式，一是“正常燃燒”，一是“爆炸性燃燒”。爆炸性燃燒將在有關安全技術的內容中談到，這裡只對正常燃燒進行介紹。

1.預混層流燃燒

將可燃氣體同實現完全燃燒所需的空氣預先均勻混合，然後使它們在層流狀態下燃燒即為預混層流燃燒。使可燃混合物從管口流出並點燃可得到錐形的預混層流火焰。改變氣流速度，火焰的錐形隨之改變。預先均勻混合使燃氣同空氣充分接觸，因而預混燃燒不存 在明顯的發光炭微粒。

當可燃混合物在管內作層流流動並被點燃時，亦可得到層流火焰。此時火焰面近似於平面，其厚度通常不足1mm，燃燒時的熱傳導、擴散、反應與粘性效應等即在這薄薄的反應區內完成。

預混燃燒比較容易出現逆火，對此須特別注意。逆火俗稱“回火”，是因為氣流速度小於火焰傳播速度而使燃燒逆行進入燃燒器而發生的情況。這是不正常的情況，可能會造成危除，應防止這種情況發生。

2. 預混紊流燃燒

由於紊流造成擾動，穩定的火焰面已不復存在，燃燒深入到氣流內部進行，從而形成厚厚的反應區。對火焰作紋影處理，則可見到紊亂、皺摺的火焰面。紊流強度更高時火焰則分成若干小火焰。

預混紊流燃燒可使火焰傳播速度與燃燒熱強度大大提高，但它也促使火焰不穩定，從而容易產生逆火，故實際中套用得並不多。

預混紊流燃燒的火焰特徵見左圖。

a—紊流火焰直接曝光; b—相應的瞬時紋影像

3. 無焰燃燒

預混燃燒由於無明顯的火焰輪廓，因而屬於暗焰燃燒，工業套用上則稱它為無焰燃燒。

無焰燃燒實現預混的方式有兩種。一種是使燃氣和空氣按燃燒比進入混合機或預混裝置，二者均勻混合後通過管道輸向燃燒器，另一種是採用噴吸原理，燃料直接在燃燒器內 實現預混並進入爐內燃燒。

採用混合機預混，因它存在較多的可燃混合物輸送管，所以需要嚴格而複雜的保護措施才能保證安全，否則逆火會導致產生爆炸事故，甚至使整個系統毀壞。所以這種預混系統已很少在工業生產特別是大、中型爐子中套用。

噴吸預混也稱噴射式預混，其特點是直接在燃燒器內吸入空氣(或燃氣)實現混合，這樣就省去了可燃混合物的輸送管路，因而即使逆火也不致造成危險，從而使安全得到保證。 燃氣作引射介質從噴口射向混合管，因介質的快速流動在吸入室內造成負壓，於是周圍的 空氣被大量吸入並與燃氣迅速實現混合，然後經擴散管和收縮形頭部流出。擴散段和收縮 形頭部有合理利用能量、進一步使濃度均勻與促使層流流出的作用。

除安全方面的優點外，噴射式預混還有系統簡單，不另行供風、空氣係數小、燃燒溫度高和熱強度高等優點。其缺點有容易逆火、調節比小、不便利用煙氣餘熱預熱和燃燒產物的輻射能力差等。