2.3 柴油機燃燒

與點燃式汽油機不同，常規柴油機的混合氣形成和燃燒現象是不可分離的。在接近壓縮行程末期、預期的燃燒開始之前，霧化的柴油噴霧（參見5.2.2小節）從噴油器的幾個噴油孔噴入燃燒室。液態的燃油噴霧貫穿到燃燒室內的高溫高壓空氣中，繼而蒸發汽化，所產生的燃油蒸氣與空氣混合。在燃油噴射后的幾度曲軸轉角內，在噴霧外圍的混合氣會發生自燃（參見6.6.2小節），進而引發燃燒。由此升高的壓力會壓縮混合氣未燃的部分，并縮短混合氣的著火滯燃期，隨后混合氣會迅速燃燒開來。直到所需的全部燃油噴入氣缸前，噴油器將持續噴射。燃油霧化、蒸發汽化、燃油與空氣混合以及燃燒等過程將繼續，直到所有燃油都經歷了上述整個過程。同時在整個燃燒和膨脹過程中，氣缸中剩余的空氣與正在燃燒和已經燃燒的氣體繼續混合。

柴油機燃燒過程被稱為非預混燃燒或擴散燃燒，因為氣相燃油和空氣必須相互擴散，然后發生反應。由于柴油機的燃燒是由自燃引起的，所以它也被稱為壓燃燃燒。在柴油機的大部分燃燒過程中，燃油的燃燒速率是由燃油與空氣的混合速率控制的。在噴油開始后由氣缸內的高溫高壓導致的自燃和由空氣-燃油混合過程控制的燃燒速率是柴油機燃燒過程的顯著特征。如上所述，壓燃燃燒過程極其復雜。其燃燒過程的細節取決于燃油的特性、發動機燃燒室和燃油噴射系統的設計以及發動機工況等因素。它是一個伴有復雜化學反應的非定常、非均相燃燒過程。然而，可以根據混合過程控制反應速率這一機理來模擬其燃燒過程（參見6.2節）。

柴油機中沒有像汽油機中那樣由于末端混合氣區域預混混合氣自燃而產生的爆燃限制。因此，可以在柴油機中使用更高的壓縮比，從而相對于汽油機提高其熱效率。柴油機的非均相擴散燃燒特性會導致過量的碳顆粒物以黑煙的形式排出發動機，高溫反應也會導致過量的氮氧化物排放。

圖2-14（見彩插）展示了柴油機中的自燃和隨后的火焰擴散過程。利用化學發光成像技術，對一臺具有光學介入的重型直噴柴油機的自然發光進行了時間解析成像[29]。圖像顯示，柴油機自燃是一個漸進的過程，其同時發生在所有油束的下游區域。在噴射開始后不久（After Start of Injection，ASI）即1.0°～2.5°（CA）ASI時，第一次檢測到化學發光。隨著油束穿過燃燒室，它會變得更亮并向下游移動，直到碳煙的光度在放射源中占主導地位。在3.5°～4.0°ASI下，液相燃油從噴油器處沿油束標稱軸線的最大貫穿距約為24～25mm。此時，油束中已經混入足夠的熱空氣，足以蒸發所有燃油。隨著燃油蒸氣和空氣混合氣穿過燃燒室，噴霧液相油束長度保持相對恒定。隨后，在預混合的燃氣充分燃燒之后（在大約6.5°ASI時）形成擴散火焰，并且噴霧液相油束長度變短約4～5mm，這顯然是擴散火焰的局部加熱造成的。

早期微弱的化學發光主要是甲醛（CH₂O）和CH發光的結果，這對應于濃混合氣中的“冷焰”現象。柴油噴霧的前部區域包含相對混合良好的濃燃油蒸氣-空氣混合氣，其燃油空氣當量比在2～4的范圍內。大約4.0°～4.5°ASI時，碳煙顆粒輻射產生了更亮的發光圖像。在5.0°～5.5°ASI內，來自油束前端部分（液態燃油的下游）的發光要明亮得多，說明在該區域開始形成碳煙。這表明放熱化學反應早已在所有油束前部寬廣的燃油蒸氣區域中進行，此時燃油蒸氣已經分解，并且在液態燃油下游的主要化學發光區域的整個油束截面中形成了PAH_s（多環芳烴）。這表明在碳煙發光出現時，油束中的高溫預混燃燒反應已經開始了。

在最后兩幅圖像中，即在6.5°和7.0°ASI時，隨著碳煙濃度的升高，發光明顯變得更亮。這些圖像顯示了各個噴霧油束周圍擴散火焰的發展。這些擴散火焰位于具有濃混合氣的噴霧邊緣，由火焰內部的燃油蒸氣，部分反應的燃油分子、多環芳烴、碳煙顆粒、CO和H₂以及火焰外部的空氣組成，這構成了柴油混合過程控制燃燒第二個階段，大部分熱量在這個階段釋放。

基于大量的研究[30]，人們對柴油燃燒和碳煙/NO_x生成有了更全面的理解。圖2-15（見彩插）給出了直噴柴油機燃燒的理論模型。液相燃油被噴入氣缸后，霧化形成的噴霧迅速和熱空氣以及其它物質混合。存在一個噴霧液相油束長度，當超過這個長度時，燃油蒸氣-空氣混合氣持續卷吸高溫氣體，并最終經過預混燃燒過程，在其濃混合氣燃燒中的高溫產物中產生大量的碳煙前體產物（PAH_s和C₂H₂）。這些碳煙前體產物繼續反應并形成碳煙顆粒。同時，圍繞高溫產物的擴散火焰繼續向上游擴展。噴霧液相油束長度決定了燃油噴霧的射程，繼而影響混合氣的卷吸。在此長度之外，擴散燃燒繼續在燃燒區域的外部發展，在氧濃度較低的下游區域繼續形成碳煙。由于擴散火焰區域的溫度和氧氣濃度較高，因此NO_x的形成主要發生在這些區域里。總結起來，燃油和空氣首先在濃混合氣中反應，導致碳煙生成，然后這些濃混合氣在油束邊緣的高溫擴散火焰中燃燒掉，從而形成NO_x。值得注意的是，此處闡述的概念是基于弱氣體流動的大缸徑重型柴油機的燃燒。對于車用高速柴油機，情況可能會發生變化，因為采用的強氣體渦流會影響燃油及混合氣的物理和化學場分布。

由于柴油機燃燒是多點自燃的，并且沒有爆燃燃燒限制，因此柴油機的缸徑范圍跨度為70mm至900mm。不同的噴油系統和燃燒室設計適用于不同尺寸的柴油機，如圖2-16所示。對于車用高速柴油機而言，實現燃燒室的形狀、進氣流動（渦流運動）和噴油策略良好匹配以實現高效和清潔燃燒很具有挑戰性[31]。通常使用螺旋進氣道形成強烈的渦流運動，并采用縮口型ω燃燒室生成湍流以實現更好的混合和燃燒，如圖2-16c所示。

柴油機燃燒的一個重要研究方向是優化噴油策略以提升發動機性能。利用電控共軌噴射技術實現的多次噴射具有很多優越性。已經證實預噴射可以有效地控制柴油機燃燒噪聲并且減少NO_x排放[32]，分段噴射或多次噴射可以同時減少碳煙和NO_x排放[33]。因為柴油機的碳煙和NO_x排放具有此消彼長的特性，同時減少它們很具挑戰性。

韓志玉等[34]對使用分段噴射降低碳煙和NO生成的機理進行了研究（參見8.1.1小節）。他們發現NO生成減少的機理與推遲噴油的單次噴射相似。就碳煙生成機理而言，在第一次噴射間隔后，碳煙的生成減少，這是因為噴霧前端產生碳煙的濃混合氣區域不再得到燃油補充。在兩次噴油之間的間隔內，混合氣變得更稀。采用分段噴射時，燃燒室內會形成多個生成碳煙的區域，但由于隨后的燃油被噴入第一次噴射的燃燒高溫環境中，燃油會燃燒得更快，所以碳煙生成率降低，并且總的碳煙生成量會大大減少。

近年來，多達5個噴油脈沖的多次噴射策略已在量產柴油機上應用。每個噴油脈沖的目的有所不同。每個噴油脈沖中的燃油量和脈沖之間的間隔時間必須通過試驗標定仔細調整。在噴油脈沖中，主噴射發生在上止點附近，這是為了產生轉矩。主噴射前的預噴射是為了降低預混燃燒率，從而控制發動機噪聲和NO_x排放，后噴射的目的是減少碳煙排放，原理如上所述。在后噴射之后，有兩個晚噴射用以輔助發動機排放后處理裝置。其中一個晚噴射發生在膨脹行程中期，旨在提高排氣溫度，激活柴油機DPF中的顆粒再生過程。最后一次晚噴射發生在排氣門開啟（Exhaust Valve Opening，EVO）前附近，以滿足SCR系統使用還原劑（碳氫化合物）還原NO_x時的需求。