第六章柴油机燃烧
由于能源短缺和人类对环境保护的日益关切，使得内燃机技术工作者对柴油机燃烧、经济性以及排放产生极大的兴趣。然而，柴油机的燃烧过程是相当复杂的，它的详细机理还不十分清楚。柴油与空气的可燃混合气在燃烧室内若干部位产生自燃，而与此同时，一些其他地方燃油可能仍处于液态。许多发动机在运行条件下，着火开始而燃油仍在继续向燃烧室内喷射。此时燃烧室内的燃油同全部喷射油量之比对燃烧过程有相当大的影响。而燃油在燃烧室内的分布规律对燃烧的组织及其形态、对排放的形成都有重要影响。本章就柴油机燃烧的基本内容及其目前发展做一分析论述。 § 1 燃料的喷射与蒸发
燃料在高压下经喷油器孔入燃烧室内，随着时间进展，燃料油束向前伸展和扩张。为了解喷雾发展过程，人们通过等容模型燃烧室对单个油束的观察，得到有关喷射特性的认识。
1．高压、室温条件下喷射的油束
日本学者藤本等人用高压等容模型燃烧室在室温条件下做试验。燃烧室内压力为p0=0.098~9.91MPa，喷孔直径为0.27mm，喷油量取0.09g，喷油器开启压力p j=33.7MPa。试验表明，从喷射开始后约0.5ms
IKRTV
至喷射结束时，油束形态有类似模式，如图6-1所示。一个充分发展的油束，可将其分成各具特征的若干部分。
主流区：位于油束核心部分，单位体积内油滴量多，粒度大，流速大，动量大，为高密度的主流部分。 混流区：燃料油滴数量少，粒度也小，流速低，在油滴间卷吸入大量空气形成浓度减小的混合流域，它处于主流区的周围。
初始部分l s：油束刚离喷口具有较明显的圆锥形部分的长度。
混合部分l c：从初始部分末端至油束边界成湍流状态部分的长度。
穿透部分l p：为l s+l c，即基本保持圆锥形部分的长度。
稀释部分l d：油束的顶端，燃油稀疏部分。
通过观察和测量得知，喷射油束卷吸周围空气进入穿透部分。而油束顶端在向前伸展中一方面排开周围空气，同时也卷吸进一些空气形成不断增长的逐渐稀薄的可燃混合气。
2．高压、高温条件下喷射的油束
高压、高温(400~960K)模型燃烧室内进行的喷射试验，所观察到的油束形状与图6-1不同。相比之下，油束侧边外廓缩小。初始温度越
高，油束的明晰度就越低。当温度超过750K时，很难区分油束与它周围的介质。由于燃油与周围高温
介质热交换增强，促进了燃油蒸发和同周围空气介质的混合。而主流区内的油滴具有较大动量以至可以延伸到接近油束顶端。
图 6-2给出高温高压介质中，初始压力P0=6.28MPa，初始温度T0=530~800K情况下的油束的贯穿距离。温度升高，贯穿距离缩短。
试验表明，介质的状态对初始部分长度的影响小，其l s度在喷射期间不论初始压力与温度如何，都近似定值。即l s≈10mm。在高温高压介质中，穿透部分长度l p和油束贯穿距离l之间的关系与室温高压室中所观察情况相同，即l p≈0.6l。喷雾锥角随介质压力增加而增大。
3．有进气旋流时喷射的油束
施克特(Scott)通过对有空气旋流时的喷射过程油束形态研究，给出如图6-3所示的情形。油滴之间的距离随油束的位置不同而不等，从喷射油束中心到空气旋流方向的下游边缘为止，其间距逐渐增大。亦即油滴浓度分布不对称。在下游边缘处有大量细小油滴，成为最稀薄的
地方。在其后面部位浓度增大，油束的核心部浓度最大。每个地方的燃油-空气比Φ都不相同，其横过油束方向的变化情形如图上阴影线所示。可以认为，在有旋流作用的情况下，从油束核心所分离出的大量油滴，被卷入下游的油束边缘附近，在着火前已全部蒸发形成燃油蒸汽-空气的预混合气。
图6-4上给出有旋流作用下，喷射油束及油雾在燃烧室内扩展的高速摄影结果。试验条件为进气旋流速度ω=100~200rad/s，喷射速度为W0=218m/s和378m/s，在低的燃油喷射速度(W0=218m/s)及低的空气旋流速度(ω=100 rad/s)情况下，油束稍有偏斜。燃油集中于燃烧室的中间部位，这里气流速度很低，所形成的油雾团块移动缓慢，造成可燃混合气只在燃烧室内较小的区域形成。
水力模块当将空气旋流速度增加一倍(ω=100 rad/s，W0=218m/s)，油束与油雾在很短时间内便被加速到相当高速度而与空气速度接近，从而能够在较大的燃烧室区域内形成可燃混合气。
当油束以速度队W0=378m/s喷射时，几乎不受空气旋流(ω=100
表面曝气机rad/s)影响，可直接穿透到燃烧室中心附近。由于油束的速度大，贯穿程度增加，足以将油雾推入较高的空气旋流作用区域，在此区域，受旋流作用的油雾被加速。
如将空气旋流速度增加一倍，从100 rad/s 升到200 rad/s ，即使油
皮尔斯电子束在喷射速度W 0=378m/s 的相当高动量下，
在中等空气旋流强度区域内将产生偏斜。但主油束在高的喷射动量作用下，仍将保持轴向运动且能将油送到燃烧室周边的高旋流作用区域。
1.2 喷射油束的蒸发
对柴油机来说，每循环燃烧所占的时间是相当短。在此非常有限的时间里，要使燃烧及时而完善、良好的蒸发和雾化是十分重要的。在燃烧室内，油束的蒸发是靠周围高温空气的加热。在温差一定条件下，提高液态油滴被加热的速率的最有效办法就是使燃烧油滴细化。这样，不仅能极大地增加油滴表面积与体积之比，增加受热面和蒸发表面，而且也增大了对流换热系数。例如，考虑一个油滴的直径为200μm ，如将其破碎成20μm ，则表面积与体积之比将增加10000倍。把油滴看作球体，在空气中作对流换热的简单情况下，兰茨(RanZ)和马歇尔(Marshall)建议用下列准则公式，
地锚机2==λ
αD Nu （6-1） 式中，Nu 为努谢尔特数，α为对流换热系数，D 为液滴直径，λ为导热系数。由(6-1)式看出，换热系数α是与油滴直径成反比。由所举例看，当油滴直径从200μm 减少到20μ
网络大容量存储空间
m 时，换热系数α将增加10倍。很显然，油滴细化，即雾化程度增加，可以极大地促进燃油的蒸发。
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