2.3 静态环境下柴油机喷雾燃烧过程

本节将对柴油机类似静态工况下的油气混合过程和燃烧过程的各个阶段进行详细讨论。

2.3.1 雾化过程

柴油喷雾的雾化过程主要是指连续性的液态燃油从喷孔喷入到燃烧室中，破碎成液滴云的过程。雾化过程导致燃油和空气接触面增加，会对后续燃油蒸发和燃烧过程产生重要影响。在喷嘴内部，液相燃油的湍流波动以及空化现象诱发了高压燃油脱离喷嘴后初始的雾化，这就是所谓的初次雾化。随后，空气动力、表面剪切力和离心力等外力作用超过液滴表面张力引起液滴表面变形，进一步导致破碎。初次雾化产生的较大液滴由于不稳定，当它们超过一定的临界尺寸后会破碎成更小液滴，称为二次雾化[24]。雾化过程的示意图如图2.3所示。通常，喷雾区域可以分为稠密区和稀疏区，如图2.4所示。

1.稠密区

在喷油器喷孔附近一般存在一个完整的液核区，此液核区通过初次破碎机理形成初次雾化液滴，此部分区域被称为“稠密喷雾区”或者“近场区”。这些由初次雾化形成的液滴拥有特定的尺寸分布、位置分布和动量分布，这些都决定着喷雾的发展［25］。

目前，为了研究这部分喷雾区域，已经研发应用了大量的光学技术。根据文献[26-27]所述，可以通过“分子示踪测速法”（Molecular Tagging Velocimetry）重建较浓喷雾区域的速度场。初次雾化过程和喷雾结构，则可通过“弹道成像法”（Ballistic imaging）[28-29]、“X光成像法”（X-ray imaging）[30-31]和“扩散背景光成像法”（Diffused background illumination）[32-34]技术再现。然而，在真实稠密喷雾区域应用的光学技术还是十分有限的，仍然有待于进一步发展[35]。另一方面，目前已经研发出初次破碎计算模型，并应用到CFD数值计算中。早期的模型根据流体的雷诺数和奥内佐格数，把单一流体压力雾化划分为三个区域[36]。后来，考虑到空化效应对雾化的影响，更多的研究人员把空化效应也带到初次破碎模型中[37-38]。

2.稀疏区

在此区域，由于空气动力学作用的增强，两相相对速度导致的不稳定性使得液滴进一步破碎。这个过程就是上述的二次破碎［39］。韦伯［40］根据韦伯数定义了破碎的标准，并被广泛接受。此机理根据韦伯数和破碎时间尺度，可以把二次破碎分为袋状破碎（bag breakup）、剥离破碎（stripping breakup）和毁灭性破碎（catastrophic breakup），如图2.5所示。袋状破碎通常发生在韦伯数处于11～25，由于空气动力学，液滴形成相对扁平的圆盘，进而演变成薄膜，这些薄膜最终破裂形成大量小液滴；当韦伯数处于80～350时，发生剥离破碎，扁平圆盘向内发展导致形成的薄膜在边缘破碎成小液滴；当韦伯数超过850时，形成毁灭性破碎，气液面上超强剪切力导致液滴延长并最终由于瑞利不稳定性发生破碎［41］。

2.3.2 油气混合和蒸发过程

当喷雾持续卷吸周围环境高温气体时，环境气体带来的热量会传递到燃油的小液滴上，这些液滴由于将动量传递给气体，相对速度减小而温度上升。上升的温度导致液滴表面蒸气压力升高并开始蒸发，局部混合物逐步接近绝热饱和条件［42］。当液相贯穿到某一点，此时的全部燃油蒸发速率等于喷油率时，液相区域停止贯穿并在某一固定位置波动［43］。当燃油完全蒸发后，动量带动油气混合物持续向下游贯穿并卷吸入更多环境高温气体。此过程中涉及的一些重要的宏观、微观参数，将在此小节中详细阐述。

1.液相长度（Liquid length）

液相和气相的贯穿距在直喷式柴油机燃烧过程中都是重要的物理参数。燃油贯穿可以促使油气混合。然而，过度的液相贯穿会使液相撞击到活塞壁面，进而引发湿壁现象，导致污染物排放升高［42］。如前所述，液相长度（Liquid Length,LL）定义为液相贯穿稳定的最远距离。根据球形颗粒物米散射原理［44-45］，米散射成像法（Mie-scattering imaging）和扩散背景光成像法（Diffused background-illumination extinction imaging，DBI）是比较常用的测量液相长度的两种方法［43,46-52］。这两种方法不确定性分析参见文献［53］。由DBI测得的瞬态液相长度发展和纹影法测得的对应喷雾贯穿距（Spray penetration，S）的示意图如图2.6所示。环境变量、喷油压力和喷孔尺寸等各种参数对液相长度的影响，已经进行了大量研究。Siebers等人的研究表明，液相长度随环境温度和密度的升高而降低，然而敏感度随着两个参数的升高而降低［43］。燃油热力学特性的变化，在给定工况下也能带来液相长度的明显变化［54］。此外，Siebers等人还发现液相长度随喷孔直径呈线性增长，然而喷油压力并未对液相长度产生明显影响，如图2.7所示。

根据气相喷雾理论，喷入燃油质量与卷吸空气质量，在喷雾轴线任一位置呈现如下关系：

式中 ρ_a、ρ_f——分别表示环境气体密度、燃油密度；

d——喷孔直径；

U_f——喷入燃油速度；

x——喷孔x轴向距离；

θ——喷雾锥角。

根据以上两公式可以看出，喷油速度的增加将导致任意轴向位置同等的燃油质量流量和卷吸气体质量的增加。因此喷油压力不会对液相长度产生影响。Siebers等人根据此结论认为柴油机传统工况条件下的蒸发过程主要由湍流混合过程所控制［8］。通过此假设关系可以寻找喷雾中卷吸空气的热能足够使燃油完全蒸发的位置的当量比，来预测液相长度［8,55］。这些成功的预测结果表明高压柴油喷雾的蒸发过程取决于油气混合过程，而不是液滴的雾化和蒸发过程［5］。Pastor、Musculus等人［19,56-58］遵循“混合控制”的假设把柴油喷雾等同气相喷雾应用到了一维喷雾模型中。例如，通过一维模型在空间上状态参数的分析，Pastor等人［56］得到LL的关系式：

式中 K_u——取决于环境工况的常数；

d_eq——喷孔的当量出口直径；

Y_{f , evap} ——混合气的蒸发分数；

θ——喷雾锥角。

2.喷雾贯穿距（Spray penetration）和喷雾锥角（Spray Angle）

油气的喷雾贯穿距和对应的空气卷吸，可以促使直喷式柴油机有效利用缸内空气，对优化发动机性能十分重要。喷雾贯穿距定义为喷孔出口到喷雾最前端的距离，如图2.6中蓝色曲线所示。由图2.6可以看出，在液相贯穿距达到稳定的液相长度之前，喷雾贯穿距等于液相贯穿距。之后，在燃烧之前喷雾贯穿距等于气相贯穿距。另一方面，一般用喷雾的外围边界形成的锥形角来表征喷雾的扩散程度。高速纹影法为测量喷雾贯穿距和喷雾锥角［59-62］最常用的光学技术，如图2.8所示。后续章节将对此技术展开详细说明。

基于试验数据和湍流气相喷雾理论，对于计算喷雾贯穿距已经得到了很多经验公式。Hiroyasu等人[63]发现初始喷雾贯穿距与时间的平方根呈线性增长关系。在破碎前，喷油压力对初始动能有更重要的影响，破碎后环境气体密度则会产生重要影响。Dent[64]基于气体混合模型提出另外一个公式，此公式在喷雾贯穿距与环境气体密度关系上与Hiroyasu的公式一致，都是与成正相关关系。他们检测的环境气体密度达到30kg/m3，喷油压力达到80MPa。Naber和Sieber[6]基于非蒸发和蒸发工况下测得的大量试验数据，也提出了一个经验公式，他们发现在低密度工况下蒸发喷雾和非蒸发喷雾的贯穿距差别达到20%，推测蒸发工况下喷雾贯穿距减小是由于燃油蒸发导致冷却，使得局部混合气密度上升所致。在文献[58，65]中，作者基于轴线上的动量守恒和试验数据验证提出了分析求解方法。Kook和Pickett[46]对密度不同、沸点不同的六种燃油进行了纹影测量。他们认为燃油混合与燃油挥发性没有直接关系，不同燃油展现了相似的贯穿距和喷雾锥角。除了定常量，近些年的研究认为喷雾贯穿距与参数关系主要表现为如下形式[66-67]：

喷雾锥角通常定义为喷雾两侧拟合的两条直线的夹角，如图2.8所示，通常用以表征喷雾在径向方向上的扩散能力。但是，不同学者对于喷雾锥角的具体定义并不总是一致的。Naber和Siebers[6]应用的拟合范围为喷嘴到喷雾贯穿距一半的距离，他们把此喷雾上游区域边界拟合成一个三角形，使三角形面积与喷雾区域相等，三角形的夹角定义为瞬态喷雾锥角。Pastor等人[68]则是基于对喷雾边界上到喷雾贯穿距60% 线性拟合的夹角来定义喷雾锥角。在其他参考文献[69-72]中可以查看有关喷雾锥角不同的拟合关系式。一般来说喷雾锥角主要与如下参数相关：燃油/环境密度比、喷油器几何形状和喷孔内的空化效应。然而，定量测量这些参数对喷雾锥角的影响仍然十分困难：首先是由于融合了湍流和气体动力学不稳定性，喷雾过程本身就比较复杂；其次，测试过程中喷雾锥角的度量与实验光学设备的布置、图片处理方式等都有直接的关系[53，73]。另外，Pick-ett[53]通过一维模型和试验数据验证，发现喷雾锥角在距离喷油器附近发生了改变，在距离喷油器附近一定位置由一个较小的锥角向远处一个较大锥角进行过渡。

3.燃油混合分数

燃料和氧化剂的混合程度决定着燃烧质量。在内燃机中，混合气的分布影响着火焰温度、污染物排放、未燃碳氢和燃烧效率。定量测量燃料和氧化剂的混合程度可以使我们对不同的燃烧策略，以及它们对污染物排放的影响有着更好的理解［74］。多数光学诊断技术无法测量液相稠密区的分布。在稠密区下游区域，很多学者已经通过拉曼散射技术（Raman scattering）［75-76］、激光诱导荧光法/激光诱导复合荧光法技术（laser-induced fluorescence/exciplex fluorescence，LIF/LIEF）［77-78］、米散射技术［60，79］和瑞利散射技术（Rayleigh scattering）［74，80］等对蒸发态的柴油喷雾浓度进行了研究。每种技术都有它们的优缺点。例如，米散射和瑞利散射这种弹性散射会受到目标物之外的其他散射体的干扰，而拉曼散射会受到信号强度低和空间分辨率差（通常为一维或者二维）的限制。对于LIF/LIEF技术，虽然弹性散射干扰较小，但是荧光通常受到环境温度、压力、气体组分的影响，使得对瞬态过程的混合分数变化的定量测量十分困难。除了上述技术外，紫外-可见光吸收散射技术（UV-VIS LAS）可以同时得到液相和气相的燃油浓度［81］。

2.3.3 着火过程

如前面章节所述，液相燃油和环境气体混合带来的热能会促使燃油蒸发。因此燃油蒸发过程会减少环境气体热能，进而使得缸内压力较未喷雾蒸发时降低。因此，在着火延迟期燃油蒸发过程会导致放热率的减小。当油气混合物卷吸更多热量后，化学反应放热速率最后超过了蒸发能量速率。此时，放热率开始迅速增长，并定义此时刻为着火延迟期的结束和燃烧阶段的开始[5]。可以看出，着火过程在极短的时间内包含了大量复杂的物理化学过程。依靠多种光学诊断技术，研究人员在主燃烧项之前检测到一个低强度的反应阶段[10，11，14，82-85]。此阶段的燃烧放热率非常低，甚至有些时候不能被检测到。另一方面，通过光学实验台架，能够检测到此阶段的化学荧光，通常这些荧光非常弱，只能通过增强器相机进行检测。由于此阶段对后续高温燃烧具有重要影响，学者们对此阶段荧光的发展过程也进行了大量研究。

Higgins等人［82］在静态定容燃烧弹中进行了一系列测试，他们将着火过程划分为三个阶段：燃油蒸发和油气混合阶段（物理延迟期），低温放热阶段（着火第一阶段）和高温放热（着火第二阶段）阶段。下面对这三个阶段进行详细阐述。

物理延迟期：这一阶段涉及从喷油开始到同时出现压力升高和化学荧光。此阶段主要涉及燃油雾化、空气卷吸和燃油蒸发等物理过程。燃油蒸发导致喷雾区域的温度降低，而随着喷雾贯穿和高温气体卷吸，油气混合物的温度持续升高，弥补并超过了蒸发导致的温度下降的影响。当温度达到某一固定值，第一着火阶段开始，也同时意味着物理延迟过程的结束。当然，这一着火初始时刻的准确性与诊断技术的敏感度和时间分辨率也存在很大关系。

第一着火阶段:这一阶段涉及初次检测到压力升高和化学荧光到快速放热开始。在这一阶段开始时，连锁反应由于消耗燃油产生自由基而释放的少量热能导致压力升高。一些研究团队通过应用高速纹影法观测到了柴油喷雾的低温着火过程［12，14，61，68］。这些实验中，低温着火现象是通过喷雾头部局部折射率梯度的退化过程观测到的。这主要是由于燃油气相的消耗产生燃烧中间产物并释放部分热量，进而使得局部温度接近环境气体温度。进一步，局部的折射率与环境气体折射率变得接近，因此纹影效应降低［14，86］，如图2.9中240μs ASOI时刻图像所示。图2.9表明，所研究的工况条件下，低温化学反应在喷雾头部后部的油束边缘发生。Higgins等人［82］研究说明第一着火阶段的化学反应发生在液相长度和喷雾贯穿距之间。在此区域，化学荧光分布相对均匀。通过光学诊断技术可以轻易捕捉甲醛，以深入理解第一着火阶段空间和时间的发展过程［83，87］。Kosaka［83，87］通过应用激光诱导荧光技术成功捕捉到着火阶段甲醛的存在。Skeen等人［14］同时应用高速纹影法和PLIF技术检测了着火过程。他们发现，PLIF能比纹影更早捕捉到低温着火的存在。

第二着火阶段：此阶段以大量放热导致迅速的预混燃烧热力升高为起始标志。第一着火阶段的放热和空气卷吸，使得温度达到一定值后，过氧化氢分解反应主导了化学反应过程，释放出大量热量，此过程触发了预混燃烧[82]。与此同时，燃烧传播到在着火延迟期内积累的蒸发混合物区域，这些区域还未能实现自燃。这些区域附近温度升高后也导致这些混合物达到燃烧条件进而释放大量热量[2]。这些热量会导致喷雾内部密度降低和更高的折射率梯度。因此，纹影图像中喷雾头部再次变暗并开始膨胀，如图2.9中390μs ASOI时刻图像所示。此外，在390μs ASOI之后的图像中可以看出，甲醛一直存在于喷嘴附近（与其他文献结果一致[9，88]），说明低温着火在一定程度上也影响着准稳态火焰的位置。

如前所述，喷油开始时刻到高温燃烧这一时间间隔，定义为柴油燃烧的着火延迟期（Ignition Delay,ID），这一时间内包含了物理过程和第一着火阶段。柴油喷雾的着火延迟期对发动机性能起着关键作用，两者存在如下几个方面的关系：着火延迟期与预混燃烧放热率峰值相关，决定着发动机的燃烧噪声；与预混燃烧达到的高温相关，决定着氮氧化物的排放；着火的位置也强烈影响着后续燃烧的发展［55］。

影响燃油和充气状态的物理因素会对着火延迟期产生重要影响。这就取决于燃油喷射系统的设计、燃烧室设计和工况条件[1]。另一方面，燃油的物化属性也对着火延迟期产生重要影响。之前学者已经对这些参数对着火延迟期的影响做了大量研究[89-92]。Pickett等人[91]通过在一个定容燃烧弹中的大量试验，提出一个基于Arrhenius形式的方程：

式中 τ_ig——着火延迟期；

E——反应的总体活化能；

R——气体常数；

Z_st——化学当量比的混合分数。

2.3.4 混合控制燃烧过程

当上述所有物理过程和化学反应过程完成后，燃烧开始进入混合控制燃烧或者扩散燃烧阶段，此阶段一直延续到喷入燃油被完全消耗。扩散燃烧阶段，油气未提前混合，因此，此过程中混合和燃烧同时发生。在此阶段，火焰前锋发展，并受燃料和氧气对流扩散作用稳定在某一最大自然长度。在喷雾过程中，由于喷雾动量作用，对火焰燃烧起主导作用的是对流。当喷油结束后，扩散作用决定了后续的反应过程。

1.概念模型

以往文献中已提出多种概念模型［5,9,15,93,94］来描述直喷式柴油机喷雾燃烧过程。其中，Dec提出的模型［15］被广泛接受，并且后续被Flynn等人进一步拓展［93］。图2.10所示为混合控制燃烧阶段的概念模型的示意图。

从图2.10中可以看出，从喷嘴到开始出现放热率这一区间，和未燃烧工况下的喷雾特性一样。此外，由于较高的局部速度、低温和高当量比，可以观测到浮起的火焰[95]。从喷嘴位置到扩散火焰最上游的起始位置之间的距离，被称为火焰浮起长度（flame lift-off length，LOL）。LOL处燃油当量比较高，此处卷入的氧气在初始位置的预混燃烧阶段发生反应。然而，由于燃油浓度太高，反应产物包含典型的富油燃烧成分：无氧、富一氧化碳，以及部分已燃烃类，这些形成了后续的碳烟。在LOL下游就是典型的扩散火焰结构，内部充满燃烧的中间产物，外部被火焰反应面包裹阻止氧气的进入。Dec和Coy[96]的实验研究表明，反应面的厚度小于120μm，LIF试验结果说明此反应面就是氮氧化物的生成区域[97]。

2.火焰浮起长度

着火过程结束后，喷油结束前，在静态条件下，柴油火焰会在扩散火焰阶段稳定在距喷嘴某一固定位置。虽然会因为湍流产生波动，LOL会呈现一个准稳态的值［17，98，99］。LOL把燃烧喷雾分成两个部分，未燃烧部分（LOL上游）和燃烧部分（LOL下游）。OH*在高温放热处会产生化学荧光，一般用来表征LOL的位置［16，98］。

大量研究表明LOL在柴油机燃烧和排放过程起着重要作用，对柴油机是一个非常重要的参数。研究人员通过不同工况环境、不同喷嘴结构和不同燃油特性对LOL的影响进行了大量研究［86，99，100-103］。Siebers和Higgins提供了一个经验公式，如式（2-6）所示：

式中 d——喷嘴出口直径；

U——为喷油速率；

Z_st——化学计量的混合分数；

C——比例常数；

T_a和ρ_a——分别为环境温度和密度。

Pickett等人［91］和Payri等人［104］还研究了不同十六烷值柴油着火延迟期和火焰浮起长度之间的关系。他们发现高十六烷值柴油较低的着火延迟期，通常也会导致更短的LOL。Pickett还推断LOL与冷焰燃烧的位置更加相关，且LOL的稳定并不是火焰向上游贯穿所致。此外，随着光学诊断技术的发展，通过高速OH*化学发光，还可以获得LOL和火焰瞬态的发展过程［105］，这样就可以对LOL进行时域上的分析。

3.碳烟生成

发动机碳烟排放反映了不完全燃烧和较低的热效率，这就促使人们研究如何减少碳烟生成和增加碳烟氧化。虽然碳烟的生成过程没有被充分理解，但是被人熟知的是它对环境和人类健康都会产生不良影响。因此，环境中颗粒物的流行病学和毒性学成为研究热点[106]。

Tree和Sensson对碳烟的形成机理进行了研究［107］，燃油从液相/气相演变成碳烟固体颗粒物主要分为以下几个过程：高温热解、成核、合并、表面生长、团聚和氧化过程。图2.11列出了五个过程的示意图。高温热解指的是燃料在高温环境下不经过明显的氧化反应而改变分子结构的过程。这个过程通常会生成碳烟的一些前驱物，如不饱和碳氢化合物（C₂H₂、C₂H₄、C₃H₆）和多环芳香烃（PAH）等。碳烟的成核过程为前驱物——这些气相的反应物初始形成颗粒物的过程，这些可探测到的初始碳烟颗粒直径在1.5～2nm，颗粒物开始脱氢并形成石墨状的碳原子结构。此过程发生在温度区间为1300～1600K的富自由基区域。接下来，大多数碳烟形成于“表面生长”过程。碳烟由于核心的碰撞合并形成初始球形颗粒（15～20nm）。因此，颗粒数减少但是质量保持恒定。这个阶段表面驻留时间对总体碳烟质量和碳烟体积分数具有重大影响。总之，碳烟生成过程取决于当量比、混合过程温度路径和碳烟的驻留时间［108-109］。

通过LIF技术可以检测到柴油喷雾燃烧过程中的OH自由基、碳烟前驱物（PAH）和碳烟颗粒。除了上文提到的Dec的概念模型，Kosaka等人［87］和Bruneaux［9］根据LIF检测结果分别提出了类似的碳烟生成模型，如图2.12所示。由于富油燃烧，碳烟前驱物（PAH）在扩散火焰初始区域的喷雾中心迅速生成。Kosaka等人指出火焰边缘的碳烟前驱物也会形成初始碳烟。当达到准稳态扩散火焰阶段，碳烟前驱物和新生碳烟持续在喷雾中间的富油区域生成，并被OH区域包围。碳烟颗粒被头部涡旋传送到上游，进而被重新卷吸到富氧火焰区域，又被大量OH自由基迅速氧化。

随着光学诊断技术的发展，大量技术开始应用于研究不同变量对柴油喷雾碳烟生成特性的影响。Pickett和Siebers[110]应用LEM技术在高温、高压定容燃烧弹中研究了环境温度、密度和喷油压力对碳烟生成特性的影响。他们的结果显示火焰中碳烟峰值随环境温度和环境密度的增加而增加，随喷油压力的增加而减小。他们还发现碳烟的生成与火焰浮起长度处横截面平均当量比密切相关。文献[108，111]研究了氧含量对碳烟生成特性的影响。Idicheria和Pickett提到碳烟净生成率是碳烟生成速率和氧化速率相互竞争的结果。较低的氧含量由于较低的温度有可能降低碳烟生成，但是低氧含量下火焰更宽，贯穿更远，这使得碳烟在低氧环境中的驻留时间更长，需要更多的时间卷吸环境气体对其进行氧化。此外，一些学者[112-117]还研究了燃料对碳烟生成的影响。较高的碳氢比、高硫含量和高芳烃含量有可能增加碳烟的生成，而如果燃料里含氧则会降低碳烟的生成。

4.回火过程

最近的研究发现，低温燃烧工况条件下的未燃碳氢排放与喷油结束后喷嘴附近混合物的燃烧瞬态过程相关。喷油结束后，浮起火焰下游持续燃烧，而其上游形成了大量未燃或者部分燃烧区域［18，118］。然而，传统燃烧中浮起火焰在喷油结束后会向喷嘴附近传播［13］，如图2.13所示。理解和控制回火过程可以为控制发动机未燃碳氢排放提供一种有效途径。

Genzale等人对环境工况，以及燃油结束后的瞬态过程对回火的影响做了大量研究［21，23，119］。他们发现燃烧回火现象发生的概率随环境温度和氧含量的降低而降低。如果喷油压力增加，燃烧回火到喷嘴需要的时间略微增加。在不利于发生回火的工况条件下，增加喷油结束的瞬态持续过程可以促进回火现象发生。在高温或者高氧浓度条件下，发生回火现象同时还可以观测到碳烟的回火现象。在相对稀油燃烧工况条件下，回火可以减少未燃碳氢化合物，但是如果混合物太浓，回火也能增加碳烟生成。