柴油发动机匀速燃烧技术（发动机知识合集）

柴油机的燃烧

摘要：在柴油发动机中，燃料在压缩冲程接近尾声时喷入发动机气缸。在称为点火延迟的阶段，燃料喷雾雾化成小液滴，蒸发并与空气混合。随着活塞继续靠近上止点，混合物温度达到燃料的点火温度，导致一些预混合的燃料和空气着火。未参与预混合燃烧的剩余燃料在速率控制燃烧阶段被消耗。

• 燃烧过程的组成部分
• DI 发动机的热释放率
• 柴油燃烧的三个阶段
• 概念柴油燃烧模型
• 燃烧产生的噪音

1.燃烧过程的组成

柴油发动机的燃烧非常复杂，直到 1990 年代，其详细的机理还没有被很好地理解。几十年来，尽管有现代工具可用，例如用于“透明”发动机的高速摄影仪器、当代计算机的计算能力以及许多旨在模拟柴油燃烧的数学模型，但似乎它的复杂性一直吸引着研究人员试图解开其中秘密。在 1990 年代将激光片材成像应用于传统柴油燃烧过程是大大增加对该过程理解的关键。

本文将回顾传统 柴油发动机最成熟的燃烧模型。这种“传统”柴油燃烧主要是控制混合燃烧，可能由于着火前燃料和空气的混合而发生一些预混合燃烧。这与试图主动增加发生的预混燃烧比例的燃烧策略不同——例如低温燃烧。

柴油燃烧的基本前提是以其独特的方式释放储存在燃料中的化学能。要执行此过程，必须以特定方式使燃料可利用氧气以促进燃烧。这个过程最重要的方面之一是燃料和空气的混合，这通常被称为混合物制备。

在柴油发动机中，燃料通常在压缩冲程结束时喷射到发动机气缸中，即上止点前几度曲柄转角。 液体燃料通常作为一股或多股射流以高速喷射通过喷射器端部的小孔或喷嘴。它雾化成小液滴并进入燃烧室。雾化燃料从周围加热的压缩空气中吸收热量，蒸发并与周围的高温高压空气混合。随着活塞继续靠近上止点 (TDC)，混合物（主要是空气）温度达到燃料的着火温度。一些预混合燃料和空气的快速着火发生在着火延迟期之后。这种快速着火被认为是燃烧的开始（也是着火延迟期的结束），并且随着混合物的燃烧发生，气缸压力急剧增加。预混燃烧导致的压力增加会压缩和加热混合气中的未燃烧部分，并缩短其着火前的延迟。它还增加了剩余燃料的蒸发率。雾化、汽化、燃料蒸汽-空气混合和燃烧继续进行，直到喷射的所有燃料都燃烧完。

柴油燃烧的整体特点是空燃比大（A/F），属于稀薄燃烧。最低平均 A/F 比通常出现在峰值扭矩下。为了避免过多的碳烟形成，峰值扭矩下的 A/F 比通常保持在 25:1 以上，远高于约 14.4:1 的化学计量（理论）当量比。在涡轮增压柴油发动机中，怠速时的空燃比可能超过 160:1。因此，燃料燃烧后气缸中存在的过量空气在整个燃烧和膨胀过程中继续与燃烧和已经燃烧的气体混合。在排气门打开时，多余的空气与燃烧产物一起被排出，这解释了柴油废气的氧化特性。虽然在汽化的燃油与空气混合后发生燃烧，形成局部丰富可燃的混合物，并达到适当的着火温度，整体空燃比稀。换言之，即进入柴油发动机气缸的大部分空气被压缩和加热，但从不参与燃烧过程。过量空气中的氧气有助于氧化废气中的气态碳氢化合物和一氧化碳，将它们降低到极低浓度。

以下因素在柴油燃烧过程中起主要作用：

• 吸入的增压空气、温度和它在几个维度上的动能（可以理解为气流组织的涡流、滚流效果）。
• 喷射燃油 的雾化、喷雾渗透、温度和化学特性。

虽然这两个因素是最重要的，但还有其他参数可能会显著影响它们，因此在燃烧过程中起着次要但仍然重要的作用。例如：

• 进气口设计，对增压空气的运动（尤其是当它进入气缸时）以及最终在燃烧室中的混合率有很大的影响。进气口设计也可能影响增压空气温度。这可以通过从水套通过进气口表面区域到增压空气的热传递来实现。
• 进气门尺寸，它控制在有限时间内吸入气缸的空气总量。
• 压缩比，它影响燃油的汽化，从而影响混合率和燃烧质量。
• 喷射压力，它控制给定喷嘴孔尺寸的喷射持续时间。
• 喷嘴孔几何形状（长度/直径），它控制喷雾渗透和雾化。
• 喷射几何特性，通过空气利用率直接影响燃烧质量。例如，较大的喷射锥角可能会将燃油喷射在活塞顶部，导致燃油未进入活塞的碗形燃烧室内。这种情况会导致过多的碳烟（不完全燃烧），因为燃油无法接触到燃烧碗（室）中可用的空气。宽的喷射锥角还可能导致燃油喷在气缸壁上，而不是喷在碗型燃烧室内。喷在气缸壁上的燃油最终会被活塞环向下刮到油底壳，从而缩短润滑油的使用寿命。由于喷射角是影响喷射出口附近燃油和空气混合速率的变量之一，因此它会对整个燃烧过程产生重大影响。
• 气门结构，用于控制喷油器位置。双气门系统迫使喷射器位置倾斜，这意味着不均匀的喷射布置会导致燃料/空气混合受损。另一方面，四气门设计允许垂直喷油器安装、对称的燃油喷雾布置以及每个燃油喷雾可以均等地获取可用的空气。
• 顶部活塞环位置，它控制活塞火力岸（顶部活塞环槽和活塞顶顶部之间的区域）和缸套之间的死区。这个死区/体积捕获在压缩冲程期间被压缩的空气并在不参与燃烧过程的情况下膨胀。

因此，重要的是要认识到柴油发动机的燃烧系统不限于燃烧室、喷油器喷射及其周围环境。相反，它包括可能影响燃烧过程最终结果的任何部件、组件或系统。

2．燃烧化学计量

2.1燃料成分

在不深入了解燃烧过程细节的情况下，可以通过考虑诸如燃料（C x H y O z）和空气（主要是氮和氧）等反应物在适当的环境中相互反应来达到质量守恒的简化表达式，并且产生如下废气成分：

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) 的左侧表示燃料 (C x H y O z ) 与空气（20.99% 氧气和 79.01% 氮气）反应。对于碳氢燃料，z=0。大多数废气种类是CO 2、H 2 O 和N 2，以及稀燃发动机中的过量O 2。事实上，这些物质通常占发动机排气的 99% 以上，仅剩下不到 1% 的其他物质，主要是不受欢迎的排放物种类。

考虑柴油燃料的例子。以下计算基于柴油燃料的分子量（摩尔）为 191（根据万国油品公司375-86方法）。由于 z=0，碳的分子质量为 12.0111，氢的分子质量为 1.00797，柴油燃料的碳氢化合物名称可确定如下：

12.0111x 1.00797y = 191 (2)

根据实际燃料分析，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)

从等式（3）和等式（4），氢碳比

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

通过求解方程（2）和方程（5），我们可以定义柴油燃料为 C 13.883 H 24.053。由于柴油燃料是不同成分的碳氢化合物的混合物，因此在实际样品中会看到上述碳和氢名称的某些可变性。这种分析也可以扩展到汽油和其他燃料。

2.2 燃烧中的化学计量比

在上述示例中确定了柴油燃料的成分后，计算其化学计量比相对简单。根据定义，化学计量比是空气与燃料的比率，当完全燃烧时，只会产生 CO 2、H 2 O 和 N 2。它有时被称为化学上正确的比率。将此定义应用于上一节中的柴油燃料会产生以下结果：

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)

根据等式 (6)，摩尔 A/F 比为 94.744 kmol 空气/kmol 燃料。在质量基础上，A/F 比可以计算如下：

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

3. 直喷发动机的热释放率

许多研究人员研究了气缸压力轨迹以确定热释放率。为此，通常会分析基于开式燃烧室（透明）柴油发动机中获得的压力轨迹。图 1 显示了净热释放率 (Qn )与气缸压力 (p) 和燃油喷射速率 ( mfi )的示例。热释放率的最初急剧上升是由于燃烧了燃料的预混部分。在点火延迟 (ID) 期间，来自喷射燃油的蒸发形成富含燃油的空气混合物，首先在喷嘴周边，然后在燃油喷射的尖端。燃料液滴的完全蒸发是很快的，并且发生的时间比 ID 短得多。喷射开始后，大约提前 20°TDC 时的负热释放主要是由于喷射到热空气中的液体燃油到气态蒸发吸热导致。

图 1 放热率、气缸压力和燃油喷射率

(1000 rpm, bmep = 625 kPa)

从图 1 可以看出，点火发生在 15°BTDC 左右，燃烧速率在 10°BTDC 左右达到峰值。该示例表示预混合燃料部分在气缸中燃烧的速度。仅用了大约 3 度曲柄转角 (500 µs) 即可达到峰值放热率。ID 的结束，15°BTDC，与燃烧的开始重合。高达 10°BTDC 的火焰亮度非常低；表明燃烧以预混燃烧为主。

在最大热释放率点，累积热释放量约为总计算热释放量的 5%。这个百分比反映了在这种特殊情况下点火后不久燃烧的燃料的大致比例。然而，这部分可能会根据燃料特性、发动机设计选择和发动机运行条件而有所不同。

在大约 10°BTDC 观察到第一次出现橙色发光火焰。这种火焰直到大约 7°BTDC 才蔓延到射流尖端周围。在剩余的燃烧过程中，由于存在碳颗粒，已观察到火焰具有高亮度。高火焰光度是扩散型火焰的特征。

4.柴油燃烧的三个阶段

4.1 概述

柴油燃烧包括许多物理和化学步骤。燃烧过程通常用三个不同的阶段来描述，图 2：

a. 点火延迟 (a → b)

1. 预混燃烧 (b → c)
2. 速率控制燃烧 (c → d)

图 2。柴油发动机的燃烧阶段

4.2 点火延迟

柴油发动机燃烧中的点火延迟是从喷射开始到可检测燃烧开始之间的时间（图 2 中的 a → b）。用于量化燃烧开始的标准包括：

• 气缸压力突然变化
• 燃烧反应的光发射
• 燃烧引起的温度升高
• 燃烧一定量的燃料
• 放热率曲线上的固定点

点火延迟的一个常见定义是喷射开始 (SOI) 和净热释放率恢复为零之间的时间。由于液体燃料加热和蒸发，净热释放率通常在喷射后不久为负（图 1）。当燃烧过程释放了足够的热量以产生正的净热释放率时，则认为点火延迟期结束。换句话说，它是反应释放的总热量等于蒸发燃料吸收的热量的时间。

根据喷射开始的测量方式，点火延迟可能包括喷射器的动作滞后——喷射器接收到驱动其打开的信号指令后与燃料离开喷射器喷嘴进入燃烧室之间的时间。例如，在一项使用最大喷射压力为 142 MPa 的 HEUI (电控单体泵喷嘴)喷射器的研究中，测得喷射器延迟约为 1.5 ms 。这是从燃料离开喷射器到可检测到的燃烧开始时测量的实际点火延迟期的数倍。其他人测量了共轨系统中的喷射延迟，范围从 0.30 到 0.75 ms。

点火延迟的持续时间是一个重要的标准。它对燃烧过程、机械应力、发动机噪音和废气排放有重大影响。与火花点火发动机相比，在一个位置通过火花塞电激发的火花开始燃烧，而柴油发动机的燃烧则是通过燃烧室中多个位置的自燃开始。图 3 总结了自燃前后的物理和化学步骤。

图 3 自燃前后步骤总结

着火延迟期涉及的物理过程有：

• 喷射油雾分解和油滴形成
• 燃料和空气混合
• 液体燃料的加热和蒸发
• 燃油蒸汽和空气混合形成可燃混合物

这些步骤可以称为初始混合物制备。柴油发动机中的混合物制备是一个复杂的过程，贯穿于整个燃烧室。所指的初始混合物制备阶段发生在燃料离开喷射器喷嘴直到点火时，此时建立了静止的、富含燃料的预混合火焰。该燃烧初始阶段的燃烧产物随后与空气进一步混合，这也可以被认为是混合物制备。这将在下面进一步讨论。

在着火延迟期内发生的化学过程是：

• 分解碳氢化合物燃料并产生自由基的预点火反应
• 在燃烧室内的多个区域发生的局部着火。

虽然化学过程在燃料蒸汽与空气接触后开始，但在喷射的早期阶段，经历化学反应的燃料蒸汽质量太小，不会引起任何可检测到的燃烧现象。可以认为早燃的早期阶段主要是由导致可燃混合物形成的物理过程和导致自燃的化学变化的后期阶段。

虽然由于物理和化学过程重叠，很难划出一条明确的线来区分它们，但通常可以对化学过程开始占主导地位的点进行估计。图 4 将点火延迟期分解为两个可量化的时期。时间段τ 1表示放热化学反应对气缸压力产生可测量影响之前的时间段。气缸压力的线性下降受点火延迟期物理延迟分量的因素影响。当反应喷雾的气缸压力（实线）与注入惰性氮气的相同喷雾的气缸压力（下虚线）分开时，周期 τ 1结束。周期τ 2表示放热反应接管并允许气缸压力从蒸发燃料吸收的热量中恢复的时期。这两个周期的组合，τ 1 τ 2，代表着火延迟周期。

图 4 点火延迟的定义

除了燃料类型（化学结构）、温度和压力条件外，点火延迟还受喷射压力和喷射器喷嘴孔直径的影响。

点火延迟通常表示为以下形式的 Arrhenius 方程：

τ id = A p -n exp(E A /RT) (8)

其中 τ id是点火延迟时间，通常以 ms 表示，A 和 n 是常数，E A是自燃过程的表观活化能，T 是燃料-空气混合物的绝对温度，R 是通用气体常数。等式 (8) 中的参数值可在文献中找到。

高浓度电荷稀释实验也表明，O 2浓度对点火延迟有显着影响。

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

其中 X O 2是进气中 O 2的摩尔分数，p 以 kPa 为单位，T 以 K 为单位，τ 以 ms 为单位。对O 2的依赖性反映了稀释混合物中化学反应的减慢以及由于稀释剂分子的热容量而导致的早期低温反应的温升降低。

应谨慎使用此类相关性，因为它们不会将导致点火延迟的物理和化学过程分开。虽然发动机设计的差异（例如燃油喷射系统的设计）在给定温度和压力下对化学延迟的影响可能较小，但对物理延迟的影响可能很大。应用于显着不同的发动机设计会导致这些方程估计的点火延迟出现显着误差。

燃料的十六烷值 通常用于量化燃料的点火延迟特性。低十六烷值燃料具有较长的点火延迟并且在点火发生之前喷射更多的燃料。一旦燃烧开始，这会产生大量的预混燃烧和非常快的燃烧速率，具有高压力上升率和高峰值压力。在大多数喷射燃料发生自燃的极端条件下，会出现可听见的爆震声（“柴油爆震”）。较高十六烷值的燃料具有较短的点火延迟并且点火发生在燃油主喷射之前。热量释放和压力升高的速率主要由喷射和燃料空气混合的速率控制，从而使发动机运行更平稳。

4.3 预混燃烧

主要是速率控制的柴油燃烧中的术语预混燃烧是指在点火延迟期间喷射的一部分燃料的快速预混燃烧。这一时期在图 2 中用 b→c 表示。这部分燃料将经历雾化、蒸发和预点火化学反应。它还会与空气混合形成富含燃料的混合物，一旦达到适当的温度（自燃温度）就可以点燃。当发生自燃时，预混燃料以非常高的速率燃烧，在燃烧室中产生高温和高速率的压力升高。预混燃烧的速率主要受化学动力学控制。

柴油发动机的特征噪声也与这种预混燃烧阶段有关。通常，燃烧噪声强度随着由预混燃烧引起的压力上升率的增加而增加。但是，对于紧密耦合的引燃喷射，会出现一些例外情况。

发动机转速、负载和喷射正时都会影响在这个预混合阶段燃烧的燃料比例。对几个相关性的检查发现，在预混合燃烧阶段燃烧的燃料质量 (m f-id ) 随着发动机转速 (N) 和点火延迟时间的乘积线性增加：

m f-id ~ N · τ id (10)

这也可以表述为：

m f-id ~ θ id (11)

其中 θ id是以曲柄角度数表示的点火延迟。

4.4 速率控制燃烧(受控燃烧)

未参与预混燃烧阶段的剩余燃料代表了整个循环期间消耗的大部分燃料。在速率控制燃烧阶段，这种燃料的消耗速率由其喷射速率和随后与空气的混合来控制。该阶段的特点是比预混阶段达到的放热速率低。速率控制的燃烧阶段由图 2 中 c→d 之间的曲线表示。

该阶段也称为混合控制燃烧 或扩散燃烧。后一个术语并不严格正确，因为预混燃烧也是该燃烧阶段的一部分，如下所述。

图 5 显示了三种类型的混合物（富、化学计量和稀）的燃烧路径。对于化学计量比，燃烧是完全的，其产物通常是水和二氧化碳。对于燃油丰富的混合物，有两种可能性。如果混合物仍然很浓，燃烧将不完全，它会通过产生烟灰。第二种选择是让浓混合物找到更稀薄的混合物或额外的空气与之混合，形成整体化学计量混合物以产生完全燃烧。

图 5 从混合到燃烧的三个路径

图 5 中的第三种混合物开始时稀薄。这种混合也将有两个潜在的路径。如果它与稀薄的混合物或仅与空气混合，则它不会有效燃烧，并且会产生最有可能处于气相状态的未燃烧碳氢化合物。但是，如果稀混合物与浓混合物或更多燃料混合并达到化学计量条件，则它将完全燃烧。

后期燃烧。还可以定义第四个燃烧后期阶段，该阶段描述了在喷射结束之后和打开排气门之前的最后阶段的活动。在这个最后阶段，任何未消耗的剩余燃料将继续燃烧，可能以低得多的速率燃烧，如图 2 (d → e) 所示。此外，一些可能在速率控制阶段燃烧的燃料可能已经形成碳，如果被氧化，还有一些能量尚未释放。从温度分布和化学组成的角度来看，此阶段的条件仍然不均匀。因此，只要气缸内仍然存在运动，混合就会继续发生，并为燃料以及部分燃烧的产品提供完全燃烧的机会。

5.柴油燃烧模型概念

5.1 柴油燃烧模型的演变

在 1990 年代，对上述“常规”柴油燃烧过程各阶段的详细了解在 1990 年代取得了显着进展，激光片可视化技术在研究发动机中得到应用，可通过光学方式进入燃烧室。在应用激光片材成像之前，假设柴油燃烧从点火后不久到喷射结束的准稳态部分与稳态反应射流密切相关，例如在熔炉和燃气轮机中发现的反应射流. 这些早期的柴油燃烧模型将柴油燃烧过程描述为具有富含燃料的液体核心的燃料喷雾和随着半径增加以类似高斯的方式下降的燃料分布，具有三个重要特征：

• 液相油很好地从喷射器中渗出，燃料液滴出现在燃烧区或燃烧区之内。
• 预混燃烧后，燃烧只发生在扩散火焰中，并局限于射流的外围区域。
• 烟灰主要出现在射流外围的壳状区域。

早期的激光片材成像研究显示出与这些早期概念模型相冲突的特征，例如：

• 烟灰分布在柴油射流下游部分的整个横截面上。
• 射流中没有液体燃料液滴。
• 射流上游部分的碳烟颗粒远小于头部涡流区域的碳烟颗粒。

进一步的成像研究提供了更多细节，因此，传统柴油燃烧过程的概念模型发生了显着变化，图 6。具体而言：

• 事实证明，点火发生在外围的几个位置的概念并非如此。点火实际上发生在射流下游区域的多个点。
• 射流核心的液体部分的长度实际上在正常燃烧中非常短。而不是穿透到反应射流的末端，
• 即使在预混燃烧阶段结束后，在燃料到达燃烧完成的扩散火焰之前，燃料通过浓预混燃烧消耗掉部分燃料。

图 6。“旧”和“新”柴油燃烧模型的比较

虽然旧模型的许多方面都是正确的，并且这些模型可能已经捕捉到在模型开发时常见的旧技术柴油发动机燃烧过程的独特特征，但现代 柴油发动机燃烧的三个基本方面并未得到充分认识：

1. 现代发动机中的燃料喷射速度非常高，这导致火焰远离喷射器，并在扩散火焰区的上游允许夹带大量空气。
2. 液体喷雾尖端上游的混合速率必须非常高，因为该位置下游的混合物相对均匀。
3. 瞬时画面可能与平均画面有很大不同。早期测量是时间平均的，显示出高斯分布。实际的梯度可能会更陡峭。

5.2 常规柴油燃烧的概念模型

图 7 总结了传统柴油燃烧的预混部分的概念模型。由于描述是针对在中等负载条件下运行的特定柴油发动机设计，因此定量信息仅适用于正在考虑的情况。其他发动机和运行条件的值可能不同。

图 7.传统柴油燃烧从预混燃烧阶段到混合控制燃烧阶段开始的概念模型 1° = 139 µs

1. 液体射流从喷射器尖端出现。空气被夹带形成空气和燃料液滴的混合物。
2. 燃料蒸汽/空气混合物开始沿着喷射的侧面发展。
3. 液体射流达到最大程度 - 被夹带的热空气蒸发。
4. 出现化学发光。
5. 从预混燃烧开始快速压力上升。
6. 富燃料蒸气/空气（φ=2-4）区域发展到液体射流之外。化学发光仍在继续，但几乎没有燃料分解的证据。
7. 喷射气流前导部分的燃料分解和多环芳烃形成。预混燃烧导致压力迅速上升。
8. 出现小的烟灰颗粒。扩散火焰开始在外围发展。
9. 液体射流变短。
10. 扩散火焰围绕射流的下游部分。小的烟灰颗粒填充射流的前导部分。较大的烟灰颗粒恰好出现在外围。
11. 预混燃烧完成。
12. 烟炱浓度随着喷射器前端最大颗粒的增加而增加。
13. 下一个最大的烟灰颗粒留在外围附近。
14. 混合控制燃烧完全占主导地位。头部涡流中的烟灰浓度最高。
15. 此位置上游没有烟灰。烟尘颗粒大小在头部涡流中最大，在外围其余部分中等，在中心最小。

当液体燃料射流在喷射开始 (ASI) 后从喷射器尖端出现时，它会沿其整个长度 (1.0-3.0°ASI) 夹带通过压缩过程 (~950 K) 加热的空气。夹带的空气加热液体燃料并使其开始蒸发。随着这种液体燃料液滴的混合物继续渗入燃烧室，它会夹带更多的热空气，最终达到一个点，夹带的空气提供的能量速率等于蒸发从喷射器喷出的所有燃料所需的能量。此时，液尖渗透稳定并达到最大程度（比较：液体射流长度在喷雾形成中）。这可以在任何显着的热释放发生之前发生，并表明液体燃料穿透距离不受燃烧加热的限制，而是受压缩加热空气夹带进入燃料射流的限制。

在最大液相渗透之前，蒸气-燃料区域沿着液体-燃料射流的侧面形成，该区域在喷射器处非常薄或不存在，并且在下游逐渐变厚。在此期间气相燃料的程度与液相燃料的程度相同（≤3.0°ASI）。在液相达到最大程度后，气相继续穿透燃烧室 (>3.0°ASI)（比较：喷雾形成中的蒸汽穿透）。

在显着放热（4.0-4.5°ASI）之前，燃料蒸汽与夹带的空气充分混合，在液体燃料区域的下游，燃料-空气当量比为 2-4。这种丰富但可燃的混合物存在于整个射流横截面，并且在液体射流尖端的下游没有纯燃料或几乎纯燃料的区域。这个相当均匀的预混合区域与周围的空气通过一个明确的边界分开。接近化学计量的混合物仅出现在边缘的非常狭窄的区域中，并且仅包含非常小部分的预混合燃料。

预燃反应（低温放热）发生在预混合蒸汽区域的多个位置，并在体积上均匀分布。来自这些低温反应的化学发光首先出现在液体射流的侧面，在点火之前和气相穿透液体射流 (3.5°ASI) 之前。然后它们出现在液体射流下游的预混合蒸汽区域中。

在化学发光出现后约 70 µs（在 5.0°ASI）整个预混合的富燃料混合物中的燃料分解与表观热释放率的初始快速上升相吻合。这表明最初的预混燃烧是富含燃料的。烟灰前体 (PAH) 的形成几乎与燃料分解的开始同时开始，而烟灰的形成则在约 140 µs 后开始。

这些最初的烟灰颗粒非常小，并且在预混合区域的横截面的整个部分中都可以检测到。然后约 70 µs 后（在 6.5°ASI），烟灰颗粒位于射流下游部分的整个横截面中，并且在预混合区域的外围检测到较大的烟灰颗粒。较大烟灰颗粒的出现与在同一外围位置形成扩散火焰相吻合——然而，烟灰体积浓度与烟灰颗粒较小区域中心的浓度相似。扩散火焰中的碳烟颗粒比中心以更快的速度增长。在预混燃烧结束时，射流反应部分的所有区域的碳烟浓度都显着增加，外围的大颗粒区域由于传输而变得更厚。然而，反应区域的中心部分仍然不存在大颗粒。

当温度和自由基浓度变得足够时（5.5-6.5°ASI），扩散火焰开始在反应射流的富含燃料的预混合部分的外围形成。该火焰蔓延以不仅吞没射流的下游部分，而且部分围绕液体射流下游和周围的燃料-空气蒸汽区域。向扩散火焰供给部分反应的燃料、CO和H 2 ，这些燃料在一侧的富预混燃烧区和另一侧的周围空气中形成。扩散燃烧在点火后不久开始，而预混燃烧仍在进行中。因此预混合燃烧和混合限制扩散燃烧不以顺序方式进行。相反，扩散燃烧在预混合开始后不久开始，但在结束之前很久。

随着扩散火焰的开始，液体燃料射流的局部加热使其略微缩短。

在预混燃烧阶段的剩余时间里，射流继续增长，整个射流下游部分的烟灰浓度增加，在前缘（8.0°ASI）增加最大。由扩散火焰产生的较大尺寸的烟灰颗粒略微向内扩散，但沿周边保留。射流头部的烟尘颗粒比侧面的还要大。

这种烟灰分布表明烟灰形成的历史，其中烟灰最初在反应区的上游位置形成为小颗粒，随着烟灰沿着射流向下移动进入头部涡流，额外的形成和生长继续。这种模式一直持续到燃料喷射结束——大约是混合控制燃烧阶段的一半。

由于大部分富含燃料的预混燃料-空气混合物被消耗，燃烧的燃料射流从以富含燃料的预混燃烧为主的预混燃烧阶段过渡到混合控制燃烧为主的混合控制燃烧阶段（9.0°ASI）（插图图 7）。

混合受控（扩散）火焰。图 8 表示预混合阶段结束后混合控制的常规柴油燃烧的概念模型。在时间上，它遵循图 7 的最后一张图像，并表示直到喷射结束的混合控制燃烧过程。

图 8 混合控制燃烧阶段的概念模型

重要的是要注意，在预混燃烧结束时，烟灰会突然出现在从燃料蒸汽/空气混合物区域到反应区域过渡的薄区域中。在这个位置，已经形成了一种静止的富含燃料的预混合火焰，它部分地消耗了由蒸发的液体射流产生的燃料-空气混合物。这种富集的预混火焰的产物主要是：H 2、水、CO 2、CO、甲烷、烟灰前体和较小的燃料碎片。这个薄火焰区的能量释放主要是由于水的形成，它产生了大约 1600 K 的温度。

围绕燃烧射流的薄扩散火焰在站立的预混合火焰的上游延伸。扩散火焰鞘的最上游范围与燃料喷射器喷嘴之间的距离称为升空长度。升空长度——一个决定浓预混火焰空燃比的关键参数——会对燃烧过程中的排放物形成产生深远的影响。这将在柴油喷雾形成和混合下进一步讨论。

在升空长度的上游，液体燃料射流的温度通过与热空气混合而从约 350 K 的喷射温度上升到约 650 K 的温度。当它进入被包围的升空长度下游区域时通过扩散火焰，部分燃烧的再循环产物被夹带到射流中，进一步将温度提高到约 825 K。

喷射结束后，在燃烧过程中较早形成的大部分烟灰已被射流外围的 OH 自由基攻击氧化。在喷射器关闭时，离开喷射器的最后燃料量的速度会显着降低，并且离开喷射器的最后燃料中的一些可能难以到达燃料射流的前缘。它可能不能很好地雾化并且混合可能很差，从而导致碳烟形成，这可能会优先导致排气管碳烟排放。

还应注意，在注射结束后，会形成一个夹带增加的区域。这种现象被称为“夹带波”，以两倍于初始射流传播速度向下游传播。夹带波将混合增加多达三倍，并导致（i）过度混合区域和（ii）喷射器附近混合物的快速停滞，（iii）碳烟形成开始位置的空间变化， (iv) 喷射结束后碳烟氧化增加，(v) 短时间喷射的渗透减少，以及 (vi) 蒸发燃料喷雾的液体部分的分离、后退和分裂。喷射结束时喷射速率的更快下降会产生更强的夹带波，从而更快地在喷射器附近形成更稀薄的混合物。

从开始到结束的整个热量释放过程在视频 1 中进行了总结，该视频显示了燃烧燃料喷雾中碳烟颗粒的自然光度（相同的燃烧事件以不同的速度播放两次）。

6．燃烧产生的噪音

发动机产生的噪音有很多来源。发动机噪音的一些重要来源包括：燃烧过程、气门机构、活塞、齿轮系以及进气和排气流。燃烧是大多数自然吸气直喷柴油发动机的主要噪声源。在涡轮增压柴油发动机中，燃烧噪声在高速和高负载稳态条件下不太占主导地位，但在怠速、轻载或加速时会变得占主导地位。

燃烧噪声与最大气缸压力梯度（压力升高率）有关，图 9 。在柴油发动机中，这通常发生在预混燃烧阶段。直接受点火延迟持续时间控制的高气缸压力梯度的持续时间也有影响。在柴油机燃烧中，最大气缸压力梯度足够高，以引起气缸体结构振动并发出噪音的振荡冲击波。

图 9 最大放热率对燃烧噪声的影响

最大放热率和最大气缸压力梯度（压力升高率）相关

区分柴油发动机中的稳态和瞬态发动机噪声非常重要。瞬态噪声可以超过稳态满载噪声高达 6 dB(A)。差异主要受点火延迟差异的影响。如果车辆在一段时间的怠速或低负载运行后加速，则加速期间的噪声将由于较长的点火延迟和导致较高的气缸压力梯度而高于稳态条件下遇到的噪声。较长的点火延迟可能由多种因素引起，包括：较低的进气温度、由于涡轮增压器滞后导致的较低增压压力、较低的燃烧室壁温和更先进的动态喷射正时。因此，瞬态发动机噪声取决于瞬态事件之前的发动机运行状态 。

虽然最大气缸压力梯度是影响燃烧噪声的主要因素，但存在燃烧噪声与最大气缸压力梯度之间的相关性较差的情况。在非常紧密耦合的引燃喷射的情况下观察到了一个这样的例子。在这种情况下，来自引燃喷射量和主喷射量的压力波相互干扰并部分相互抵消。

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