2.2 柴油机喷雾燃烧过程简介
本节将通过一个二冲程单缸发动机的放热率曲线（Apparent Heat Release Rate, AHRR）对传统柴油机燃烧过程给出简单介绍，如图2.1所示，此发动机安装有一个单孔喷油器。图2.2展示的为与图2.1相对应的燃烧状态下的高速纹影图像，提供了不同燃烧阶段的喷雾宏观形状。放热率曲线是应用缸压曲线根据热力学第一定律获得的［1］。如文献［4］中所述，一般将柴油机燃烧过程从喷油开始（Start of Injection, SOI）到燃烧结束（End of Combustion,EOC）划分为着火延迟期、预混燃烧和扩散燃烧三个阶段，如图2.1中竖直虚线所示。下面对这三个阶段做简要介绍。
● 着火延迟期：此阶段定义为从开始喷油时刻（SOI）到高温燃烧开始时刻（Start of Combustion，SOC）的时间间隔。高温燃烧发生后伴随自发的高温着火和明显的放热现象。此阶段开始时，液相燃料喷入到高温环境中经历了一系列的物理过程。首先，连续的液体燃料破碎成小液滴，缸内高温环境气体被卷入到油束中，整个喷雾呈锥形发展[5]。卷吸统计[6，7]表明，喷雾轴线上的当量比与距喷孔出口距离成反比。卷吸气体带来的热能对液相燃油进行加热促使其蒸发，使得在距离喷嘴的某一位置后，所有液相燃油全部变成了气相状态[6，8]，我们把此位置距离喷嘴的长度定义为液相长度（Liquid Length，LL），如图2.2中竖直蓝色虚线所示。图2.2所述工况在喷油开始420μs ASOI（After Start of Injection）后，液相长度下游的燃油就变成了气相状态。随着混合气持续向下游贯穿，喷雾持续卷吸周围环境高温气体，导致有关低温着火的一系列化学变化[9-11]。进而冷焰燃烧的放热导致喷雾前端局部温度接近环境气体温度，使得密度接近环境气体，密度梯度减小，纹影效应减弱，喷雾前端开始变得透明[12-14]，如图2.2中687μs ASOI时刻图片所示。
图2.1 二冲程单缸发动机放热率曲线（黑色）和喷油率曲线（蓝色）。喷油持续期为1.5ms
[Tg=870K，ρg=22.8kg/m3，O2=21%（体积分数）]
图2.2 工况与图2.1一致条件下的纹影图像。竖直蓝色线和红色线分别表示液相长度和火焰浮起长度
● 预混燃烧阶段：在第一阶段着火后很短时间内，就会进入高温燃烧阶段，导致放热率曲线的快速上升。此高温燃烧使得喷雾形状出现迅速膨胀，如图2.2中753μs ASOI时刻图片所示。在此阶段，生成了一些最终燃烧产物（二氧化碳和水）。与此同时，由于高温燃烧，在一些富油贫氧区域快速生成了大量碳烟的前驱物（如多环芳香烃），进而在喷雾下游形成碳烟[5，15]。
● 扩散燃烧阶段：在着火延迟期预混的燃油和空气被消耗完后，喷雾下游的油高温区域开始形成扩散燃烧火焰。此时放热率主要由可燃混合气的混合速率决定[1-5]。扩散火焰并没有扩展到喷嘴附近，而是和喷嘴保持了一定的距离，这段距离被称为火焰浮起长度（flame lift-off length，LOL）[16-17]，如图2.2中竖直红色虚线所示。如果喷油时间足够长，火焰前端将稳定在某一距离。在初始喷雾和着火过程之后，喷油截止之前，柴油喷雾进入到准稳态阶段，此时燃烧喷雾的状态不会发生明显变化。在喷油结束后，由于卷吸波的作用继续卷吸大量环境气体，导致喷雾动量迅速减小，进而使得一些未燃碳氢停滞在喷嘴附近，形成不完全燃烧或者发生回火现象[18-22]。是否可形成回火主要取决于环境的热力学状态、喷油器参数，以及喷油结束后的瞬态过程[23]。