柴油機的燃燒

摘要：在柴油發動機中，燃料在壓縮沖程接近尾聲時噴入發動機氣缸。在稱為點火延遲的階段，燃料噴霧霧化成小液滴，蒸發并與空氣混合。随着活塞繼續靠近上止點，混合物溫度達到燃料的點火溫度，導緻一些預混合的燃料和空氣着火。未參與預混合燃燒的剩餘燃料在速率控制燃燒階段被消耗。

• 燃燒過程的組成部分
• DI 發動機的熱釋放率
• 柴油燃燒的三個階段
• 概念柴油燃燒模型
• 燃燒産生的噪音

柴油發動機的燃燒非常複雜，直到 1990 年代，其詳細的機理還沒有被很好地理解。幾十年來，盡管有現代工具可用，例如用于“透明”發動機的高速攝影儀器、當代計算機的計算能力以及許多旨在模拟柴油燃燒的數學模型，但似乎它的複雜性一直吸引着研究人員試圖解開其中秘密。在 1990 年代将激光片材成像應用于傳統柴油燃燒過程是大大增加對該過程理解的關鍵。

本文将回顧傳統 柴油發動機最成熟的燃燒模型。這種“傳統”柴油燃燒主要是控制混合燃燒，可能由于着火前燃料和空氣的混合而發生一些預混合燃燒。這與試圖主動增加發生的預混燃燒比例的燃燒策略不同——例如低溫燃燒。

柴油燃燒的基本前提是以其獨特的方式釋放儲存在燃料中的化學能。要執行此過程，必須以特定方式使燃料可利用氧氣以促進燃燒。這個過程最重要的方面之一是燃料和空氣的混合，這通常被稱為混合物制備。

在柴油發動機中，燃料通常在壓縮沖程結束時噴射到發動機氣缸中，即上止點前幾度曲柄轉角。 液體燃料通常作為一股或多股射流以高速噴射通過噴射器端部的小孔或噴嘴。它霧化成小液滴并進入燃燒室。霧化燃料從周圍加熱的壓縮空氣中吸收熱量，蒸發并與周圍的高溫高壓空氣混合。随着活塞繼續靠近上止點 (TDC)，混合物（主要是空氣）溫度達到燃料的着火溫度。一些預混合燃料和空氣的快速着火發生在着火延遲期之後。這種快速着火被認為是燃燒的開始（也是着火延遲期的結束），并且随着混合物的燃燒發生，氣缸壓力急劇增加。預混燃燒導緻的壓力增加會壓縮和加熱混合氣中的未燃燒部分，并縮短其着火前的延遲。它還增加了剩餘燃料的蒸發率。霧化、汽化、燃料蒸汽-空氣混合和燃燒繼續進行，直到噴射的所有燃料都燃燒完。

柴油燃燒的整體特點是空燃比大（A/F），屬于稀薄燃燒。最低平均 A/F 比通常出現在峰值扭矩下。為了避免過多的碳煙形成，峰值扭矩下的 A/F 比通常保持在 25:1 以上，遠高于約 14.4:1 的化學計量（理論）當量比。在渦輪增壓柴油發動機中，怠速時的空燃比可能超過 160:1。因此，燃料燃燒後氣缸中存在的過量空氣在整個燃燒和膨脹過程中繼續與燃燒和已經燃燒的氣體混合。在排氣門打開時，多餘的空氣與燃燒産物一起被排出，這解釋了柴油廢氣的氧化特性。雖然在汽化的燃油與空氣混合後發生燃燒，形成局部豐富可燃的混合物，并達到适當的着火溫度，整體空燃比稀。換言之，即進入柴油發動機氣缸的大部分空氣被壓縮和加熱，但從不參與燃燒過程。過量空氣中的氧氣有助于氧化廢氣中的氣态碳氫化合物和一氧化碳，将它們降低到極低濃度。

以下因素在柴油燃燒過程中起主要作用：

• 吸入的增壓空氣、溫度和它在幾個維度上的動能（可以理解為氣流組織的渦流、滾流效果）。
• 噴射燃油 的霧化、噴霧滲透、溫度和化學特性。

雖然這兩個因素是最重要的，但還有其他參數可能會顯著影響它們，因此在燃燒過程中起着次要但仍然重要的作用。例如：

• 進氣口設計，對增壓空氣的運動（尤其是當它進入氣缸時）以及最終在燃燒室中的混合率有很大的影響。進氣口設計也可能影響增壓空氣溫度。這可以通過從水套通過進氣口表面區域到增壓空氣的熱傳遞來實現。
• 進氣門尺寸，它控制在有限時間内吸入氣缸的空氣總量。
• 壓縮比，它影響燃油的汽化，從而影響混合率和燃燒質量。
• 噴射壓力，它控制給定噴嘴孔尺寸的噴射持續時間。
• 噴嘴孔幾何形狀（長度/直徑），它控制噴霧滲透和霧化。
• 噴射幾何特性，通過空氣利用率直接影響燃燒質量。例如，較大的噴射錐角可能會将燃油噴射在活塞頂部，導緻燃油未進入活塞的碗形燃燒室内。這種情況會導緻過多的碳煙（不完全燃燒），因為燃油無法接觸到燃燒碗（室）中可用的空氣。寬的噴射錐角還可能導緻燃油噴在氣缸壁上，而不是噴在碗型燃燒室内。噴在氣缸壁上的燃油最終會被活塞環向下刮到油底殼，從而縮短潤滑油的使用壽命。由于噴射角是影響噴射出口附近燃油和空氣混合速率的變量之一，因此它會對整個燃燒過程産生重大影響。
• 氣門結構，用于控制噴油器位置。雙氣門系統迫使噴射器位置傾斜，這意味着不均勻的噴射布置會導緻燃料/空氣混合受損。另一方面，四氣門設計允許垂直噴油器安裝、對稱的燃油噴霧布置以及每個燃油噴霧可以均等地獲取可用的空氣。
• 頂部活塞環位置，它控制活塞火力岸（頂部活塞環槽和活塞頂頂部之間的區域）和缸套之間的死區。這個死區/體積捕獲在壓縮沖程期間被壓縮的空氣并在不參與燃燒過程的情況下膨脹。

因此，重要的是要認識到柴油發動機的燃燒系統不限于燃燒室、噴油器噴射及其周圍環境。相反，它包括可能影響燃燒過程最終結果的任何部件、組件或系統。

2.1燃料成分

在不深入了解燃燒過程細節的情況下，可以通過考慮諸如燃料（C x H y O z）和空氣（主要是氮和氧）等反應物在适當的環境中相互反應來達到質量守恒的簡化表達式，并且産生如下廢氣成分：

C x H y O z aO 2 3.76aN 2 → bCO 2 cCO dH 2 O eOH 2 fH 2 g(HC) hNO iHCHO jNH 3 kN 2 pO 2 (1)

等式 (1) 的左側表示燃料 (C x H y O z ) 與空氣（20.99% 氧氣和 79.01% 氮氣）反應。對于碳氫燃料，z=0。大多數廢氣種類是CO 2、H 2 O 和N 2，以及稀燃發動機中的過量O 2。事實上，這些物質通常占發動機排氣的 99% 以上，僅剩下不到 1% 的其他物質，主要是不受歡迎的排放物種類。

考慮柴油燃料的例子。以下計算基于柴油燃料的分子量（摩爾）為 191（根據萬國油品公司375-86方法）。由于 z=0，碳的分子質量為 12.0111，氫的分子質量為 1.00797，柴油燃料的碳氫化合物名稱可确定如下：

12.0111x 1.00797y = 191 (2)

根據實際燃料分析，每公斤柴油含有 0.8616 公斤碳或：

0.8616 kg C / 12.0111 = 0.07173 kmol C (3)

相似地

0.1251 kg H / 1.00797 = 0.12411 kmol H (4)

從等式（3）和等式（4），氫碳比

x/y = H/C = 0.12411 / 0.07173 (5)

通過求解方程（2）和方程（5），我們可以定義柴油燃料為 C 13.883 H 24.053。由于柴油燃料是不同成分的碳氫化合物的混合物，因此在實際樣品中會看到上述碳和氫名稱的某些可變性。這種分析也可以擴展到汽油和其他燃料。

2.2 燃燒中的化學計量比

在上述示例中确定了柴油燃料的成分後，計算其化學計量比相對簡單。根據定義，化學計量比是空氣與燃料的比率，當完全燃燒時，隻會産生 CO 2、H 2 O 和 N 2。它有時被稱為化學上正确的比率。将此定義應用于上一節中的柴油燃料會産生以下結果：

C 13.883 H 24.053 94.744[0.21 O 2 0.79 N 2 ] → 13.883 CO 2 12.026 H 2 O 74.848 N 2 (6)

根據等式 (6)，摩爾 A/F 比為 94.744 kmol 空氣/kmol 燃料。在質量基礎上，A/F 比可以計算如下：

[94.744 kmol 空氣/kmol 燃料] × [28.97 kg 空氣/kmol 空氣] × [kmol 燃料/191 kg 燃料] = 14.37 kg 空氣/kg 燃料 (7)

許多研究人員研究了氣缸壓力軌迹以确定熱釋放率。為此，通常會分析基于開式燃燒室（透明）柴油發動機中獲得的壓力軌迹。圖 1 顯示了淨熱釋放率 (Qn )與氣缸壓力 (p) 和燃油噴射速率 ( mfi )的示例。熱釋放率的最初急劇上升是由于燃燒了燃料的預混部分。在點火延遲 (ID) 期間，來自噴射燃油的蒸發形成富含燃油的空氣混合物，首先在噴嘴周邊，然後在燃油噴射的尖端。燃料液滴的完全蒸發是很快的，并且發生的時間比 ID 短得多。噴射開始後，大約提前 20°TDC 時的負熱釋放主要是由于噴射到熱空氣中的液體燃油到氣态蒸發吸熱導緻。

圖 1 放熱率、氣缸壓力和燃油噴射率

(1000 rpm, bmep = 625 kPa)

從圖 1 可以看出，點火發生在 15°BTDC 左右，燃燒速率在 10°BTDC 左右達到峰值。該示例表示預混合燃料部分在氣缸中燃燒的速度。僅用了大約 3 度曲柄轉角 (500 µs) 即可達到峰值放熱率。ID 的結束，15°BTDC，與燃燒的開始重合。高達 10°BTDC 的火焰亮度非常低；表明燃燒以預混燃燒為主。

在最大熱釋放率點，累積熱釋放量約為總計算熱釋放量的 5%。這個百分比反映了在這種特殊情況下點火後不久燃燒的燃料的大緻比例。然而，這部分可能會根據燃料特性、發動機設計選擇和發動機運行條件而有所不同。

在大約 10°BTDC 觀察到第一次出現橙色發光火焰。這種火焰直到大約 7°BTDC 才蔓延到射流尖端周圍。在剩餘的燃燒過程中，由于存在碳顆粒，已觀察到火焰具有高亮度。高火焰光度是擴散型火焰的特征。

4.1 概述

柴油燃燒包括許多物理和化學步驟。燃燒過程通常用三個不同的階段來描述，圖 2：

a. 點火延遲 (a → b)

1. 預混燃燒 (b → c)
2. 速率控制燃燒 (c → d)

圖 2。柴油發動機的燃燒階段

4.2 點火延遲

柴油發動機燃燒中的點火延遲是從噴射開始到可檢測燃燒開始之間的時間（圖 2 中的 a → b）。用于量化燃燒開始的标準包括：

• 氣缸壓力突然變化
• 燃燒反應的光發射
• 燃燒引起的溫度升高
• 燃燒一定量的燃料
• 放熱率曲線上的固定點

點火延遲的一個常見定義是噴射開始 (SOI) 和淨熱釋放率恢複為零之間的時間。由于液體燃料加熱和蒸發，淨熱釋放率通常在噴射後不久為負（圖 1）。當燃燒過程釋放了足夠的熱量以産生正的淨熱釋放率時，則認為點火延遲期結束。換句話說，它是反應釋放的總熱量等于蒸發燃料吸收的熱量的時間。

根據噴射開始的測量方式，點火延遲可能包括噴射器的動作滞後——噴射器接收到驅動其打開的信号指令後與燃料離開噴射器噴嘴進入燃燒室之間的時間。例如，在一項使用最大噴射壓力為 142 MPa 的 HEUI (電控單體泵噴嘴)噴射器的研究中，測得噴射器延遲約為 1.5 ms 。這是從燃料離開噴射器到可檢測到的燃燒開始時測量的實際點火延遲期的數倍。其他人測量了共軌系統中的噴射延遲，範圍從 0.30 到 0.75 ms。

點火延遲的持續時間是一個重要的标準。它對燃燒過程、機械應力、發動機噪音和廢氣排放有重大影響。與火花點火發動機相比，在一個位置通過火花塞電激發的火花開始燃燒，而柴油發動機的燃燒則是通過燃燒室中多個位置的自燃開始。圖 3 總結了自燃前後的物理和化學步驟。

圖 3 自燃前後步驟總結

着火延遲期涉及的物理過程有：

• 噴射油霧分解和油滴形成
• 燃料和空氣混合
• 液體燃料的加熱和蒸發
• 燃油蒸汽和空氣混合形成可燃混合物

這些步驟可以稱為初始混合物制備。柴油發動機中的混合物制備是一個複雜的過程，貫穿于整個燃燒室。所指的初始混合物制備階段發生在燃料離開噴射器噴嘴直到點火時，此時建立了靜止的、富含燃料的預混合火焰。該燃燒初始階段的燃燒産物随後與空氣進一步混合，這也可以被認為是混合物制備。這将在下面進一步讨論。

在着火延遲期内發生的化學過程是：

• 分解碳氫化合物燃料并産生自由基的預點火反應
• 在燃燒室内的多個區域發生的局部着火。

雖然化學過程在燃料蒸汽與空氣接觸後開始，但在噴射的早期階段，經曆化學反應的燃料蒸汽質量太小，不會引起任何可檢測到的燃燒現象。可以認為早燃的早期階段主要是由導緻可燃混合物形成的物理過程和導緻自燃的化學變化的後期階段。

雖然由于物理和化學過程重疊，很難劃出一條明确的線來區分它們，但通常可以對化學過程開始占主導地位的點進行估計。圖 4 将點火延遲期分解為兩個可量化的時期。時間段τ 1表示放熱化學反應對氣缸壓力産生可測量影響之前的時間段。氣缸壓力的線性下降受點火延遲期物理延遲分量的因素影響。當反應噴霧的氣缸壓力（實線）與注入惰性氮氣的相同噴霧的氣缸壓力（下虛線）分開時，周期 τ 1結束。周期τ 2表示放熱反應接管并允許氣缸壓力從蒸發燃料吸收的熱量中恢複的時期。這兩個周期的組合，τ 1 τ 2，代表着火延遲周期。

圖 4 點火延遲的定義

除了燃料類型（化學結構）、溫度和壓力條件外，點火延遲還受噴射壓力和噴射器噴嘴孔直徑的影響。

點火延遲通常表示為以下形式的 Arrhenius 方程：

τ id = A p -n exp(E A /RT) (8)

其中 τ id是點火延遲時間，通常以 ms 表示，A 和 n 是常數，E A是自燃過程的表觀活化能，T 是燃料-空氣混合物的絕對溫度，R 是通用氣體常數。等式 (8) 中的參數值可在文獻中找到。

高濃度電荷稀釋實驗也表明，O 2濃度對點火延遲有顯着影響。

τ id = 12.254 p -1 X O 2 -1.2 exp(3242.4/T) (9)

其中 X O 2是進氣中 O 2的摩爾分數，p 以 kPa 為單位，T 以 K 為單位，τ 以 ms 為單位。對O 2的依賴性反映了稀釋混合物中化學反應的減慢以及由于稀釋劑分子的熱容量而導緻的早期低溫反應的溫升降低。

應謹慎使用此類相關性，因為它們不會将導緻點火延遲的物理和化學過程分開。雖然發動機設計的差異（例如燃油噴射系統的設計）在給定溫度和壓力下對化學延遲的影響可能較小，但對物理延遲的影響可能很大。應用于顯着不同的發動機設計會導緻這些方程估計的點火延遲出現顯着誤差。

燃料的十六烷值 通常用于量化燃料的點火延遲特性。低十六烷值燃料具有較長的點火延遲并且在點火發生之前噴射更多的燃料。一旦燃燒開始，這會産生大量的預混燃燒和非常快的燃燒速率，具有高壓力上升率和高峰值壓力。在大多數噴射燃料發生自燃的極端條件下，會出現可聽見的爆震聲（“柴油爆震”）。較高十六烷值的燃料具有較短的點火延遲并且點火發生在燃油主噴射之前。熱量釋放和壓力升高的速率主要由噴射和燃料空氣混合的速率控制，從而使發動機運行更平穩。

4.3 預混燃燒

主要是速率控制的柴油燃燒中的術語預混燃燒是指在點火延遲期間噴射的一部分燃料的快速預混燃燒。這一時期在圖 2 中用 b→c 表示。這部分燃料将經曆霧化、蒸發和預點火化學反應。它還會與空氣混合形成富含燃料的混合物，一旦達到适當的溫度（自燃溫度）就可以點燃。當發生自燃時，預混燃料以非常高的速率燃燒，在燃燒室中産生高溫和高速率的壓力升高。預混燃燒的速率主要受化學動力學控制。

柴油發動機的特征噪聲也與這種預混燃燒階段有關。通常，燃燒噪聲強度随着由預混燃燒引起的壓力上升率的增加而增加。但是，對于緊密耦合的引燃噴射，會出現一些例外情況。

發動機轉速、負載和噴射正時都會影響在這個預混合階段燃燒的燃料比例。對幾個相關性的檢查發現，在預混合燃燒階段燃燒的燃料質量 (m f-id ) 随着發動機轉速 (N) 和點火延遲時間的乘積線性增加：

m f-id ~ N · τ id (10)

這也可以表述為：

m f-id ~ θ id (11)

其中 θ id是以曲柄角度數表示的點火延遲。

4.4 速率控制燃燒(受控燃燒)

未參與預混燃燒階段的剩餘燃料代表了整個循環期間消耗的大部分燃料。在速率控制燃燒階段，這種燃料的消耗速率由其噴射速率和随後與空氣的混合來控制。該階段的特點是比預混階段達到的放熱速率低。速率控制的燃燒階段由圖 2 中 c→d 之間的曲線表示。

該階段也稱為混合控制燃燒 或擴散燃燒。後一個術語并不嚴格正确，因為預混燃燒也是該燃燒階段的一部分，如下所述。

圖 5 顯示了三種類型的混合物（富、化學計量和稀）的燃燒路徑。對于化學計量比，燃燒是完全的，其産物通常是水和二氧化碳。對于燃油豐富的混合物，有兩種可能性。如果混合物仍然很濃，燃燒将不完全，它會通過産生煙灰。第二種選擇是讓濃混合物找到更稀薄的混合物或額外的空氣與之混合，形成整體化學計量混合物以産生完全燃燒。

圖 5 從混合到燃燒的三個路徑

圖 5 中的第三種混合物開始時稀薄。這種混合也将有兩個潛在的路徑。如果它與稀薄的混合物或僅與空氣混合，則它不會有效燃燒，并且會産生最有可能處于氣相狀态的未燃燒碳氫化合物。但是，如果稀混合物與濃混合物或更多燃料混合并達到化學計量條件，則它将完全燃燒。

後期燃燒。還可以定義第四個燃燒後期階段，該階段描述了在噴射結束之後和打開排氣門之前的最後階段的活動。在這個最後階段，任何未消耗的剩餘燃料将繼續燃燒，可能以低得多的速率燃燒，如圖 2 (d → e) 所示。此外，一些可能在速率控制階段燃燒的燃料可能已經形成碳，如果被氧化，還有一些能量尚未釋放。從溫度分布和化學組成的角度來看，此階段的條件仍然不均勻。因此，隻要氣缸内仍然存在運動，混合就會繼續發生，并為燃料以及部分燃燒的産品提供完全燃燒的機會。

5.1 柴油燃燒模型的演變

在 1990 年代，對上述“常規”柴油燃燒過程各階段的詳細了解在 1990 年代取得了顯着進展，激光片可視化技術在研究發動機中得到應用，可通過光學方式進入燃燒室。在應用激光片材成像之前，假設柴油燃燒從點火後不久到噴射結束的準穩态部分與穩态反應射流密切相關，例如在熔爐和燃氣輪機中發現的反應射流. 這些早期的柴油燃燒模型将柴油燃燒過程描述為具有富含燃料的液體核心的燃料噴霧和随着半徑增加以類似高斯的方式下降的燃料分布，具有三個重要特征：

• 液相油很好地從噴射器中滲出，燃料液滴出現在燃燒區或燃燒區之内。
• 預混燃燒後，燃燒隻發生在擴散火焰中，并局限于射流的外圍區域。
• 煙灰主要出現在射流外圍的殼狀區域。

早期的激光片材成像研究顯示出與這些早期概念模型相沖突的特征，例如：

• 煙灰分布在柴油射流下遊部分的整個橫截面上。
• 射流中沒有液體燃料液滴。
• 射流上遊部分的碳煙顆粒遠小于頭部渦流區域的碳煙顆粒。

進一步的成像研究提供了更多細節，因此，傳統柴油燃燒過程的概念模型發生了顯着變化，圖 6。具體而言：

• 事實證明，點火發生在外圍的幾個位置的概念并非如此。點火實際上發生在射流下遊區域的多個點。
• 射流核心的液體部分的長度實際上在正常燃燒中非常短。而不是穿透到反應射流的末端，
• 即使在預混燃燒階段結束後，在燃料到達燃燒完成的擴散火焰之前，燃料通過濃預混燃燒消耗掉部分燃料。

圖 6。“舊”和“新”柴油燃燒模型的比較

雖然舊模型的許多方面都是正确的，并且這些模型可能已經捕捉到在模型開發時常見的舊技術柴油發動機燃燒過程的獨特特征，但現代 柴油發動機燃燒的三個基本方面并未得到充分認識：

1. 現代發動機中的燃料噴射速度非常高，這導緻火焰遠離噴射器，并在擴散火焰區的上遊允許夾帶大量空氣。
2. 液體噴霧尖端上遊的混合速率必須非常高，因為該位置下遊的混合物相對均勻。
3. 瞬時畫面可能與平均畫面有很大不同。早期測量是時間平均的，顯示出高斯分布。實際的梯度可能會更陡峭。

5.2 常規柴油燃燒的概念模型

圖 7 總結了傳統柴油燃燒的預混部分的概念模型。由于描述是針對在中等負載條件下運行的特定柴油發動機設計，因此定量信息僅适用于正在考慮的情況。其他發動機和運行條件的值可能不同。

圖 7.傳統柴油燃燒從預混燃燒階段到混合控制燃燒階段開始的概念模型 1° = 139 µs

1. 液體射流從噴射器尖端出現。空氣被夾帶形成空氣和燃料液滴的混合物。
2. 燃料蒸汽/空氣混合物開始沿着噴射的側面發展。
3. 液體射流達到最大程度 - 被夾帶的熱空氣蒸發。
4. 出現化學發光。
5. 從預混燃燒開始快速壓力上升。
6. 富燃料蒸氣/空氣（φ=2-4）區域發展到液體射流之外。化學發光仍在繼續，但幾乎沒有燃料分解的證據。
7. 噴射氣流前導部分的燃料分解和多環芳烴形成。預混燃燒導緻壓力迅速上升。
8. 出現小的煙灰顆粒。擴散火焰開始在外圍發展。
9. 液體射流變短。
10. 擴散火焰圍繞射流的下遊部分。小的煙灰顆粒填充射流的前導部分。較大的煙灰顆粒恰好出現在外圍。
11. 預混燃燒完成。
12. 煙炱濃度随着噴射器前端最大顆粒的增加而增加。
13. 下一個最大的煙灰顆粒留在外圍附近。
14. 混合控制燃燒完全占主導地位。頭部渦流中的煙灰濃度最高。
15. 此位置上遊沒有煙灰。煙塵顆粒大小在頭部渦流中最大，在外圍其餘部分中等，在中心最小。

當液體燃料射流在噴射開始 (ASI) 後從噴射器尖端出現時，它會沿其整個長度 (1.0-3.0°ASI) 夾帶通過壓縮過程 (~950 K) 加熱的空氣。夾帶的空氣加熱液體燃料并使其開始蒸發。随着這種液體燃料液滴的混合物繼續滲入燃燒室，它會夾帶更多的熱空氣，最終達到一個點，夾帶的空氣提供的能量速率等于蒸發從噴射器噴出的所有燃料所需的能量。此時，液尖滲透穩定并達到最大程度（比較：液體射流長度在噴霧形成中）。這可以在任何顯着的熱釋放發生之前發生，并表明液體燃料穿透距離不受燃燒加熱的限制，而是受壓縮加熱空氣夾帶進入燃料射流的限制。

在最大液相滲透之前，蒸氣-燃料區域沿着液體-燃料射流的側面形成，該區域在噴射器處非常薄或不存在，并且在下遊逐漸變厚。在此期間氣相燃料的程度與液相燃料的程度相同（≤3.0°ASI）。在液相達到最大程度後，氣相繼續穿透燃燒室 (>3.0°ASI)（比較：噴霧形成中的蒸汽穿透）。

在顯着放熱（4.0-4.5°ASI）之前，燃料蒸汽與夾帶的空氣充分混合，在液體燃料區域的下遊，燃料-空氣當量比為 2-4。這種豐富但可燃的混合物存在于整個射流橫截面，并且在液體射流尖端的下遊沒有純燃料或幾乎純燃料的區域。這個相當均勻的預混合區域與周圍的空氣通過一個明确的邊界分開。接近化學計量的混合物僅出現在邊緣的非常狹窄的區域中，并且僅包含非常小部分的預混合燃料。

預燃反應（低溫放熱）發生在預混合蒸汽區域的多個位置，并在體積上均勻分布。來自這些低溫反應的化學發光首先出現在液體射流的側面，在點火之前和氣相穿透液體射流 (3.5°ASI) 之前。然後它們出現在液體射流下遊的預混合蒸汽區域中。

在化學發光出現後約 70 µs（在 5.0°ASI）整個預混合的富燃料混合物中的燃料分解與表觀熱釋放率的初始快速上升相吻合。這表明最初的預混燃燒是富含燃料的。煙灰前體 (PAH) 的形成幾乎與燃料分解的開始同時開始，而煙灰的形成則在約 140 µs 後開始。

這些最初的煙灰顆粒非常小，并且在預混合區域的橫截面的整個部分中都可以檢測到。然後約 70 µs 後（在 6.5°ASI），煙灰顆粒位于射流下遊部分的整個橫截面中，并且在預混合區域的外圍檢測到較大的煙灰顆粒。較大煙灰顆粒的出現與在同一外圍位置形成擴散火焰相吻合——然而，煙灰體積濃度與煙灰顆粒較小區域中心的濃度相似。擴散火焰中的碳煙顆粒比中心以更快的速度增長。在預混燃燒結束時，射流反應部分的所有區域的碳煙濃度都顯着增加，外圍的大顆粒區域由于傳輸而變得更厚。然而，反應區域的中心部分仍然不存在大顆粒。

當溫度和自由基濃度變得足夠時（5.5-6.5°ASI），擴散火焰開始在反應射流的富含燃料的預混合部分的外圍形成。該火焰蔓延以不僅吞沒射流的下遊部分，而且部分圍繞液體射流下遊和周圍的燃料-空氣蒸汽區域。向擴散火焰供給部分反應的燃料、CO和H 2 ，這些燃料在一側的富預混燃燒區和另一側的周圍空氣中形成。擴散燃燒在點火後不久開始，而預混燃燒仍在進行中。因此預混合燃燒和混合限制擴散燃燒不以順序方式進行。相反，擴散燃燒在預混合開始後不久開始，但在結束之前很久。

随着擴散火焰的開始，液體燃料射流的局部加熱使其略微縮短。

在預混燃燒階段的剩餘時間裡，射流繼續增長，整個射流下遊部分的煙灰濃度增加，在前緣（8.0°ASI）增加最大。由擴散火焰産生的較大尺寸的煙灰顆粒略微向内擴散，但沿周邊保留。射流頭部的煙塵顆粒比側面的還要大。

這種煙灰分布表明煙灰形成的曆史，其中煙灰最初在反應區的上遊位置形成為小顆粒，随着煙灰沿着射流向下移動進入頭部渦流，額外的形成和生長繼續。這種模式一直持續到燃料噴射結束——大約是混合控制燃燒階段的一半。

由于大部分富含燃料的預混燃料-空氣混合物被消耗，燃燒的燃料射流從以富含燃料的預混燃燒為主的預混燃燒階段過渡到混合控制燃燒為主的混合控制燃燒階段（9.0°ASI）（插圖圖 7）。

混合受控（擴散）火焰。圖 8 表示預混合階段結束後混合控制的常規柴油燃燒的概念模型。在時間上，它遵循圖 7 的最後一張圖像，并表示直到噴射結束的混合控制燃燒過程。

圖 8 混合控制燃燒階段的概念模型

重要的是要注意，在預混燃燒結束時，煙灰會突然出現在從燃料蒸汽/空氣混合物區域到反應區域過渡的薄區域中。在這個位置，已經形成了一種靜止的富含燃料的預混合火焰，它部分地消耗了由蒸發的液體射流産生的燃料-空氣混合物。這種富集的預混火焰的産物主要是：H 2、水、CO 2、CO、甲烷、煙灰前體和較小的燃料碎片。這個薄火焰區的能量釋放主要是由于水的形成，它産生了大約 1600 K 的溫度。

圍繞燃燒射流的薄擴散火焰在站立的預混合火焰的上遊延伸。擴散火焰鞘的最上遊範圍與燃料噴射器噴嘴之間的距離稱為升空長度。升空長度——一個決定濃預混火焰空燃比的關鍵參數——會對燃燒過程中的排放物形成産生深遠的影響。這将在柴油噴霧形成和混合下進一步讨論。

在升空長度的上遊，液體燃料射流的溫度通過與熱空氣混合而從約 350 K 的噴射溫度上升到約 650 K 的溫度。當它進入被包圍的升空長度下遊區域時通過擴散火焰，部分燃燒的再循環産物被夾帶到射流中，進一步将溫度提高到約 825 K。

噴射結束後，在燃燒過程中較早形成的大部分煙灰已被射流外圍的 OH 自由基攻擊氧化。在噴射器關閉時，離開噴射器的最後燃料量的速度會顯着降低，并且離開噴射器的最後燃料中的一些可能難以到達燃料射流的前緣。它可能不能很好地霧化并且混合可能很差，從而導緻碳煙形成，這可能會優先導緻排氣管碳煙排放。

還應注意，在注射結束後，會形成一個夾帶增加的區域。這種現象被稱為“夾帶波”，以兩倍于初始射流傳播速度向下遊傳播。夾帶波将混合增加多達三倍，并導緻（i）過度混合區域和（ii）噴射器附近混合物的快速停滞，（iii）碳煙形成開始位置的空間變化， (iv) 噴射結束後碳煙氧化增加，(v) 短時間噴射的滲透減少，以及 (vi) 蒸發燃料噴霧的液體部分的分離、後退和分裂。噴射結束時噴射速率的更快下降會産生更強的夾帶波，從而更快地在噴射器附近形成更稀薄的混合物。

從開始到結束的整個熱量釋放過程在視頻 1 中進行了總結，該視頻顯示了燃燒燃料噴霧中碳煙顆粒的自然光度（相同的燃燒事件以不同的速度播放兩次）。

發動機産生的噪音有很多來源。發動機噪音的一些重要來源包括：燃燒過程、氣門機構、活塞、齒輪系以及進氣和排氣流。燃燒是大多數自然吸氣直噴柴油發動機的主要噪聲源。在渦輪增壓柴油發動機中，燃燒噪聲在高速和高負載穩态條件下不太占主導地位，但在怠速、輕載或加速時會變得占主導地位。

燃燒噪聲與最大氣缸壓力梯度（壓力升高率）有關，圖 9 。在柴油發動機中，這通常發生在預混燃燒階段。直接受點火延遲持續時間控制的高氣缸壓力梯度的持續時間也有影響。在柴油機燃燒中，最大氣缸壓力梯度足夠高，以引起氣缸體結構振動并發出噪音的振蕩沖擊波。

圖 9 最大放熱率對燃燒噪聲的影響

最大放熱率和最大氣缸壓力梯度（壓力升高率）相關

區分柴油發動機中的穩态和瞬态發動機噪聲非常重要。瞬态噪聲可以超過穩态滿載噪聲高達 6 dB(A)。差異主要受點火延遲差異的影響。如果車輛在一段時間的怠速或低負載運行後加速，則加速期間的噪聲将由于較長的點火延遲和導緻較高的氣缸壓力梯度而高于穩态條件下遇到的噪聲。較長的點火延遲可能由多種因素引起，包括：較低的進氣溫度、由于渦輪增壓器滞後導緻的較低增壓壓力、較低的燃燒室壁溫和更先進的動态噴射正時。因此，瞬态發動機噪聲取決于瞬态事件之前的發動機運行狀态 。

雖然最大氣缸壓力梯度是影響燃燒噪聲的主要因素，但存在燃燒噪聲與最大氣缸壓力梯度之間的相關性較差的情況。在非常緊密耦合的引燃噴射的情況下觀察到了一個這樣的例子。在這種情況下，來自引燃噴射量和主噴射量的壓力波相互幹擾并部分相互抵消。

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