柴油噴霧的混合氣形成及其燃燒分析

【日】 川那辺洋

0 前言

由于柴油機具有較高的熱效率，因此被廣泛用作大型及小型汽車、工程機械、非道路車輛，乃至船舶的動力裝置，研究人員正在以進一步提高效率和降低排放為目標開展相關的研發工作。近年來，在汽車領域中，已開始應用各種降低排放的技術，如捕集柴油機排出黑煙的捕集器，以及為凈化排氣中未燃成分及氮氧化物的催化器等，但是，通過改善柴油機缸內燃燒過程來降低排放的研究依然是當務之急。當然，在這種情況下，決不能以犧牲柴油機的高效率為代價。因此，有必要對燃燒過程實施正確的控制，為此，首先要理解并掌握柴油機燃燒過程中的各種現象。

本文基于作者近年來所做的試驗及理論研究，簡要介紹了車用柴油機燃燒過程中的自著火燃燒現象。

1 柴油噴霧的自著火燃燒過程

在近年的柴油機中，一般是向高溫、高壓的壓縮空氣中，以約200 MPa的高壓，用0.1 mm 左右的噴嘴噴射液體燃油，進而形成燃油噴霧。燃油噴霧蒸發后，與周圍空氣混合，形成混合氣，之后經過1 ms左右的延遲即產生自著火燃燒。圖1顯示了從基礎理論方面研究該過程的實例。在定容容器中建立高溫、高壓氣體環境，以模擬柴油機缸內狀況，利用逆光攝影法觀察向容器中噴射燃油，直至燃燒的整個過程。試驗中，使用正庚烷作為燃油。另外，圖1同時示出了放熱率曲線。此次試驗中，噴嘴被安裝在容器的上方，從圖1的第1張照片中，可清晰觀察到燃油噴霧。由圖1可知，能觀察到液滴存在的是距噴嘴約25 mm 處，并且燃油在其下游形成蒸氣。從時間上來看，在噴油后1.2 ms的區域a，可觀察到局部溫度升高的狀況，可以推測從該處附近將開始著火。隨后，這一高溫區域發生強烈的自發光現象，并逐步擴散延續至噴油結束。為了考察產生這種自著火現象的機理，對處于高溫環境下的燃油-空氣混合氣的自著火過程進行了研究。一般情況下，如將這種直鏈高級碳氫混合氣暴露于高溫環境中，經過一定時間后，就會發生劇烈的放熱并最終達到平衡狀態。將此時的時間延遲稱為“著火延遲期”，圖2 表示該著火延遲期與當量比的對應關系。在混合氣溫度恒定的情況下，觀察圖2所示當量比范圍，可發現當量比越高，著火延遲期就越短。但是，在實際的柴油機中，由于是向高溫的空氣中噴射溫度較低的燃油，因此，隨著當量比的增高，溫度會逐漸降低。如考慮這一情況，在該條件下，如圖2所示，著火延遲期大致是在當量比為1時最短。

圖3表示利用激光誘導熒光法計測燃油噴霧中燃油濃度分布的結果。雖然氣體的環境條件略有不同，但由圖3可知，在噴霧前端的外緣部位形成了當量比約為1的混合氣，這與著火延遲期最短的當量比是一致的。雖不能一概而論，但通常，化學反應是與混合氣形成同時進行的，由于在當量比1～2的區域內著火延遲期會急劇縮短，因而可以認為是在該區域發生著火的。

2 結語

本文介紹了關于柴油噴霧自著火燃燒過程的分析結果實例?；谶@一計測與分析結果，將能為燃燒控制技術的研發提供幫助，同時，也有可能為利用計算流體動力學等的燃燒模型的建立提供相關數據。