【日】 川那辺洋

0 前言

由于柴油機(jī)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(jī)械、非道路車輛，乃至船舶的動力裝置，研究人員正在以進(jìn)一步提高效率和降低排放為目標(biāo)開展相關(guān)的研發(fā)工作。近年來，在汽車領(lǐng)域中，已開始應(yīng)用各種降低排放的技術(shù)，如捕集柴油機(jī)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(jī)缸內(nèi)燃燒過程來降低排放的研究依然是當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)然，在這種情況下，決不能以犧牲柴油機(jī)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(jī)燃燒過程中的各種現(xiàn)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(jī)燃燒過程中的自著火燃燒現(xiàn)象。

1 柴油噴霧的自著火燃燒過程

在近年的柴油機(jī)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(jìn)而形成燃油噴霧。燃油噴霧蒸發(fā)后，與周圍空氣混合，形成混合氣，之后經(jīng)過1 ms左右的延遲即產(chǎn)生自著火燃燒。圖1顯示了從基礎(chǔ)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(huán)境，以模擬柴油機(jī)缸內(nèi)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(qū)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(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈的自發(fā)光現(xiàn)象，并逐步擴(kuò)散延續(xù)至噴油結(jié)束。為了考察產(chǎn)生這種自著火現(xiàn)象的機(jī)理，對處于高溫環(huán)境下的燃油-空氣混合氣的自著火過程進(jìn)行了研究。一般情況下，如將這種直鏈高級碳?xì)浠旌蠚獗┞队诟邷丨h(huán)境中，經(jīng)過一定時間后，就會發(fā)生劇烈的放熱并最終達(dá)到平衡狀態(tài)。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(dāng)量比的對應(yīng)關(guān)系。在混合氣溫度恒定的情況下，觀察圖2所示當(dāng)量比范圍，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比越高，著火延遲期就越短。但是，在實際的柴油機(jī)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(dāng)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(dāng)量比為1時最短。

圖3表示利用激光誘導(dǎo)熒光法計測燃油噴霧中燃油濃度分布的結(jié)果。雖然氣體的環(huán)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(dāng)量比約為1的混合氣，這與著火延遲期最短的當(dāng)量比是一致的。雖不能一概而論，但通常，化學(xué)反應(yīng)是與混合氣形成同時進(jìn)行的，由于在當(dāng)量比1～2的區(qū)域內(nèi)著火延遲期會急劇縮短，因而可以認(rèn)為是在該區(qū)域發(fā)生著火的。

2 結(jié)語

本文介紹了關(guān)于柴油噴霧自著火燃燒過程的分析結(jié)果實例。基于這一計測與分析結(jié)果，將能為燃燒控制技術(shù)的研發(fā)提供幫助，同時，也有可能為利用計算流體動力學(xué)等的燃燒模型的建立提供相關(guān)數(shù)據(jù)。