柴油喷雾的混合气形成及其燃烧分析

【日】 川那辺洋

0 前言

由于柴油机具有较高的热效率，因此被广泛用作大型及小型汽车、工程机械、非道路车辆，乃至船舶的动力装置，研究人员正在以进一步提高效率和降低排放为目标开展相关的研发工作。近年来，在汽车领域中，已开始应用各种降低排放的技术，如捕集柴油机排出黑烟的捕集器，以及为净化排气中未燃成分及氮氧化物的催化器等，但是，通过改善柴油机缸内燃烧过程来降低排放的研究依然是当务之急。当然，在这种情况下，决不能以牺牲柴油机的高效率为代价。因此，有必要对燃烧过程实施正确的控制，为此，首先要理解并掌握柴油机燃烧过程中的各种现象。

本文基于作者近年来所做的试验及理论研究，简要介绍了车用柴油机燃烧过程中的自着火燃烧现象。

1 柴油喷雾的自着火燃烧过程

在近年的柴油机中，一般是向高温、高压的压缩空气中，以约200 MPa的高压，用0.1 mm 左右的喷嘴喷射液体燃油，进而形成燃油喷雾。燃油喷雾蒸发后，与周围空气混合，形成混合气，之后经过1 ms左右的延迟即产生自着火燃烧。图1显示了从基础理论方面研究该过程的实例。在定容容器中建立高温、高压气体环境，以模拟柴油机缸内状况，利用逆光摄影法观察向容器中喷射燃油，直至燃烧的整个过程。试验中，使用正庚烷作为燃油。另外，图1同时示出了放热率曲线。此次试验中，喷嘴被安装在容器的上方，从图1的第1张照片中，可清晰观察到燃油喷雾。由图1可知，能观察到液滴存在的是距喷嘴约25 mm 处，并且燃油在其下游形成蒸气。从时间上来看，在喷油后1.2 ms的区域a，可观察到局部温度升高的状况，可以推测从该处附近将开始着火。随后，这一高温区域发生强烈的自发光现象，并逐步扩散延续至喷油结束。为了考察产生这种自着火现象的机理，对处于高温环境下的燃油-空气混合气的自着火过程进行了研究。一般情况下，如将这种直链高级碳氢混合气暴露于高温环境中，经过一定时间后，就会发生剧烈的放热并最终达到平衡状态。将此时的时间延迟称为“着火延迟期”，图2 表示该着火延迟期与当量比的对应关系。在混合气温度恒定的情况下，观察图2所示当量比范围，可发现当量比越高，着火延迟期就越短。但是，在实际的柴油机中，由于是向高温的空气中喷射温度较低的燃油，因此，随着当量比的增高，温度会逐渐降低。如考虑这一情况，在该条件下，如图2所示，着火延迟期大致是在当量比为1时最短。

图3表示利用激光诱导荧光法计测燃油喷雾中燃油浓度分布的结果。虽然气体的环境条件略有不同，但由图3可知，在喷雾前端的外缘部位形成了当量比约为1的混合气，这与着火延迟期最短的当量比是一致的。虽不能一概而论，但通常，化学反应是与混合气形成同时进行的，由于在当量比1～2的区域内着火延迟期会急剧缩短，因而可以认为是在该区域发生着火的。

2 结语

本文介绍了关于柴油喷雾自着火燃烧过程的分析结果实例。基于这一计测与分析结果，将能为燃烧控制技术的研发提供帮助，同时，也有可能为利用计算流体动力学等的燃烧模型的建立提供相关数据。