混合气的形成和燃烧室

时间：2023-11-04 百科知识版权反馈

【摘要】：而气缸中空气的运动情况与柴油机燃烧室的结构是密切相关的。这样，加速了混合气的形成和燃烧，提高了空气利用率及气缸容积利用率。空气涡流运动是加速混合气形成的有效手段，也是保证直喷式燃烧室完善的重要条件。组织一定强度的进气涡流，加速混合气形成对直喷式燃烧室非常重要。因此，如何保证最小的流动阻力又获得高的涡流强度，是直喷式燃烧室进气道追求的目标。这些流动不影响充量系数，有助于燃油分布和混合，加速燃烧进行。

6.3　混合气的形成和燃烧室

6.3.1　柴油机混合气的形成特点和方式

1.柴油机混合气形成的特点

柴油机所用的燃料(柴油)黏度较大，不易挥发，必须借助喷油设备(喷油泵和喷油器等)将柴油在接近压缩行程终了的时刻，通过高压以细小的油滴形式(油滴直径在1～50μm之间)喷入气缸，与高温高压的热空气混合，经过一系列物理化学准备，然后着火燃烧。故柴油机是采用内部混合的方式形成可燃混合气。

柴油机可燃混合气的形成时间极为短促，一般全负荷时的供油持续时间只有15°～35°曲轴转角，仅相当于转速相同的汽油机的1/45～1/70。这就给柴油机中柴油与空气的良好混合和完全燃烧带来了大困难，而且喷油与燃烧重叠，出现边燃烧、边喷油、边混合的情况。因此混合气形成过程很复杂。

柴油机由于难以实现喷入气缸内的柴油与空气的完全均匀混合，因此要求空气对燃料的比例一般比汽油机大。柴油机的过量空气系数通常在标定工况下都大于1，一般在1.15～2.20范围内。

柴油机迅速形成混合气是由燃油的喷雾、燃油与空气的混合两个阶段形成的。而气缸中空气的运动情况与柴油机燃烧室的结构是密切相关的。所以，为获得燃油与空气迅速、良好的混合，必须使燃烧室结构、燃油的喷雾、缸内空气的运动三方面良好匹配。

直喷式燃烧室产生空气运动的方法有进气涡流和挤气涡流两种;分开式燃烧室产生空气运动的方法有压缩涡流和燃烧涡流两种。

2.柴油机可燃混合气的形成方式

(1)空间雾化混合。将燃油喷向燃烧室空间，形成雾状，雾状油滴从高温空气中吸热蒸发并扩散，与空气形成混合气。为了使混合均匀，要求喷出的燃油与燃烧室形状相配合，并利用燃烧室中空气的运动与其混合，如图6－10(a)所示。

图6－10　混合气形成方式

(2)油膜蒸发混合。将大部分燃油喷到燃烧室壁面上，形成一层油膜，油膜受热汽化蒸发，在燃烧室中强烈的涡流作用下，燃油蒸汽与空气形成均匀的可燃混合气，如图6－10(b)所示。

在车用柴油机中，燃油或多或少的会喷到燃烧室壁上，所以两种混合方式都兼而有之，只是多少、主次各有不同。目前多数柴油机(车用)仍以空间雾化混合为主，而有些车用球型燃烧室柴油机则以油膜蒸发混合为主。

6.3.2　缸内气流运动对混合气形成的影响

燃油的喷射雾化是形成混合气的首要步骤，其次是如何使雾化的油滴与空气进行有效的混合。

燃油喷入燃烧室后形成喷注，同时空气被卷入与油束燃油迅速混合形成混合气。喷注是从外部首先着火燃烧。即使采用多孔喷嘴形成多处喷注，以增加燃油与空气混合的机会，但在燃烧过程中，燃烧产物容易把未烧完的油滴包围起来，使两喷注之间的空气仍不能得到及时地利用，如图6－11(a)所示。有效地解决方法就是组织气缸内空气的涡流运动。喷注中油滴大小的不同，在涡流的作用下，其运动轨迹也不同，喷注核心部分的大油滴偏转较小，喷注外围部分细小的油滴偏转较大，因此增大了混合范围，使油滴与空气接触的机会增多，见图6－11(b)所示。同时，喷注着火后，旋转气流将燃烧产物吹走，并及时向未燃烧完的油滴提供新鲜空气。这样，加速了混合气的形成和燃烧，提高了空气利用率及气缸容积利用率。

图6－11　涡流对混合气形成的作用

必须指出，燃烧室内的涡流并非越强越好。涡流过强会使燃烧产物与相邻的喷注重叠而影响燃烧，同时使进气阻力加大，充量系数下降。

6.3.3　柴油机燃烧室

1.车用柴油机的燃烧室应满足以下要求

(1)应在较小的过量空气系数φ_a下，燃油完全而迅速地燃烧，以保证柴油机的动力性和经济性。

(2)应有适度的平均压力升高率Δp/Δθ值和最高燃烧压力值p _max，以保证柴油机工作柔和、平稳、可靠。

(3)排气品质好。即排烟少、排气污染少。

(4)变工况适应性好，应在负荷、转速变化时，柴油机性能稳定。

(5)冷起动性好。

(6)对制造质量、外界环境、使用维修等条件不敏感。

以上要求是多方面的、苛刻的，要完全满足是相当困难的，因为它们往往相互矛盾，只能根据车辆对柴油机的要求有所侧重。

2.柴油机燃烧室的分类

根据混合气形成及燃烧室结构特点，柴油机的燃烧室基本上分为两类:①直接喷射式燃烧室:燃烧室布置在活塞顶与缸盖之间所形成的一个统一空间内，燃油直接喷入这一空间，并进行混合燃烧。车用柴油机常用的半开式燃烧室及球型油膜燃烧室属于该类燃烧室。②分开式燃烧室。燃烧室分为主燃烧室和副燃烧室两部分，主燃烧室设在活塞顶部，副燃烧室设在气缸盖上，主副燃烧室用狭窄通道相联通，燃油喷入副燃烧室中，车用柴油机常用的涡流室式燃烧室及预燃室式燃烧室属于该类燃烧室。

(1)直接喷射式燃烧室的空气涡流运动。在直喷式燃烧室中必须组织一定强度的空气涡流运动。随着柴油机转速的不断提高以及过量空气系数值的降低，混合气形成的条件更加困难。空气涡流运动是加速混合气形成的有效手段，也是保证直喷式燃烧室完善的重要条件。直喷式燃烧室产生空气涡流运动的方法有两种:

①进气涡流。它是在气缸盖上采用特殊形状的进气道，使空气进入气缸时，形成绕气缸中心线旋转的涡流运动。产生进气涡流的特殊进气道主要有切向进气道和螺旋进气道两种。

切向进气道。切向进气道如图6－12所示。气道的母线与气缸相切，气道形状较平值，在气门前强烈收缩，使气流通过进气道时流速越来越快，空气进入气缸后受到缸壁的约束便发生转向，形成涡流。它的优点是结构简单，在较低的涡流强度下，气流流动阻力小。缺点是需产生较强涡流时，气流流动阻力很快增加。因此这种进气道适用于要求进气涡流不高的柴油机;气门的位置对涡流强度影响很大，因而对制造工艺要求较高。

螺旋进气道。螺旋进气道如图6－13所示。把气门座上方的气道内腔做成螺旋形，布置于相对气缸中心的一定位置。空气流经进气道时形成绕气门中心的旋转运动，进入气缸后近于切向气流，沿气缸壁绕气缸中心旋转运动。这样当压缩行程终了时，形成强烈的绕气缸中心运动的涡流，其旋转速度可达曲轴转速的5～7倍。由于螺旋进气道能产生较强的进气涡流，因此广泛地应用于要求有较高涡流强度的高速度柴油机上。缺点是制造工艺要求高，调试工作量大。

图6－12　切向进气道

图6－13　螺旋进进气道

组织一定强度的进气涡流，加速混合气形成对直喷式燃烧室非常重要。但进气道质量指标除了涡流强度外，还有流动阻力。要获得强涡流并不困难，困难的是如何在尽可能小的流动阻力下有较高的涡流强度。因此，如何保证最小的流动阻力又获得高的涡流强度，是直喷式燃烧室进气道追求的目标。

②挤气涡流。挤气涡流的形成如图6－14所示。在压缩行程后期，活塞接近上止点时，活塞顶部的环形空间中的空气被挤入活塞顶部的燃烧室内，造成空气的涡流运动，这种流动称为挤气涡流，见图6－14(a)。而当活塞下行时，燃烧室内的空气又要流出而形成较强的逆挤流，见图6－14(b)。这些流动不影响充量系数，有助于燃油分布和混合，加速燃烧进行。

图6－14　挤气涡流的形成

燃烧室口径d_x越小、挤气间隙S_o越小，挤气涡流越强。

挤气涡流与进气涡流相比，涡流强度小，而且不能维持较长时间，随活塞下行很快减弱、消失，所以只能起辅助作用。

(2)半开式燃烧室。这种燃烧室形状很多，以ω型应用最广，其结构如图6－15所示。这种燃烧室的混合气形成是以空间雾化混合为主，燃油从多孔喷嘴喷出，大部分喷到燃烧室空间，并组织一定强度的进气涡流及挤气涡流，以加速混合气的形成。喷注的射程、燃烧室直径和涡流强度要良好配合，如喷注射程较大而进气涡流较弱时，就会有相当多的燃油喷到燃烧室壁上;如果喷注射程较小而进气涡流较强，喷注燃油在燃烧室中的分布过于集中，这些对加速形成混合气都有影响。

图6－15　ω型燃烧室

为了使直喷式柴油机工作柔和，并扩大它的适用转速范围，分析和研究小型直喷式柴油机燃烧室内空气紊流运动对燃烧过程的影响后结果认为，在组织适当进气涡流的同时，在燃烧室的适当部位或进气道外制造扰动，形成适当的空气紊流，依靠进气涡流、压缩挤流以及空气紊流的组合，将改善混合气形成的质量、缩短着火延迟期、提高扩散燃烧速度，从而降低燃油消耗率、最高燃烧压力、平均压力升高率及排气有害成分。

紊流燃烧室不采用传统的圆形，而是利用角形燃烧室的边与角的特征，限制或分离气流的运动，从而产生紊流。在实际柴油机中，角形燃烧室的形状如图6－16所示。

角形燃烧室中油束与燃烧室壁面的相对关系有自己的特点，如图6－17所示。喷注中大颗粒油束喷到圆形壁面时，易造成燃油的对称反弹和在落点处的堆集。因此，这种燃烧室不希望过多的燃油喷到壁面。面在角形燃烧室中油束与壁面有一倾角，有部分燃油直接喷射到壁面上;同时，由壁面反弹至空间的燃油量，顺涡流方向的将大于逆涡流方向的，在涡流作用下，这部分顺流反弹的油量可能在角及角附近的壁面上形成油膜。从而使滞燃期内形成的可燃混合气量减少，同时还减弱了新鲜混合气与废气的掺混。在主涡流和紊流双重作用下，油膜被迅速地剥离、蒸发和形成混合气。而在角形附近的空间内的大油粒也会很快细化、蒸发和雾化，从而改善了混合气形成的质量，加快扩散燃烧的速度。

其应用实例如日本五十铃公司采用四角形燃烧室;国产6l05QA柴油机采用花瓣形燃烧室;奔驰OM402柴油机采用的是平底浅圆柱形燃烧室，直喷式燃烧室已是车用柴油机的发展趋势之一。

图6－16　角形燃烧室

(a)四角形燃烧室　(b)三角形燃烧室　(c)缩口四角形燃烧室　(d)凸面梅花形燃烧室

图6－17　四角形与圆形燃烧室油线的落点和反弹

球形油膜燃烧室，如图6－18所示。在活塞顶上挖一较深的呈球形的凹坑，采用单孔或双孔喷嘴，一般均配有螺旋进气道，产生强进气涡流。这种燃烧室混合气的形成是以油膜蒸发混合的方式(或称M过程)进行的，将大部分燃油顺涡流方向喷到燃烧室壁面上，在涡流的作用下燃油均匀地涂在燃烧室壁上，形成一层很薄的油膜，只有一小部分从喷注中分散出来的燃油以雾状分散在燃烧室空间，在高温空气中着火，形成火源。然后靠此火源点燃从壁面已蒸发出来并和空气混合成混合气。随着燃烧进行，产生大量热，辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，不断地与高速旋转的气流混合，达到迅速燃烧。

图6－18　球形燃烧室

(3)这种燃烧室面容比较小，对外传热相对较少，经济性能较高，燃烧初期放热低(见图6－19)，平均压力升高率Δp/Δθ较小，工作柔和，噪声较小，对燃油的品质及雾化质量要求较低等优点，在以前较大功率的载重汽车用的柴油机多采用这种燃烧室。但由于存在冷起动较难、加速困难、冒黑烟、变工况适应性较差等问题，多年来，这种燃烧室在柴油机上并未得到很大发展。

图6－19　不同形式燃烧室的放热规律示意图

(4)复合式燃烧室。如图6－20所示。被国产新105系列柴油机采用。燃烧室位于活塞顶上正中心，形状如缩口“U”字形。采用轴针式喷油器，喷油方向基本上与空气涡流运动方向垂直，只有一个很小角度(水冷系列为7)的顺气流趋向配有螺旋进气道。混合气形成是油膜蒸发混合和空气雾化混合两者的结合。两者的比例与发动机工况有关。当柴油机转速较高时，气体涡流运动较强，在气流带动下，沿壁面分布的燃油增多。具有油膜燃烧的特点;而在低速运转或起动时，进气涡流减弱，空间分布的燃油增多，就较多地具有空间燃烧过程的特点，改善了冷起动性能和低速烟度特性。

图6－20　复合式燃烧室

(5)涡流室式燃烧室。如图6－21所示。在气缸盖和活塞顶之间的空间即为主燃烧室，而在气缸盖中的容积即副燃烧室——涡流室。涡流室与主燃烧室之间有一个或数个狭窄通道相联通，通道的方向与涡流室相切，并与活塞顶成一定角度。喷油器安装在涡流室中，一般采用轴针式，燃油顺空气涡流方向喷射。

图6－21　涡流室式燃烧室

在压缩行程中，气缸中的空气被活塞推挤，到上止点时，大部分空气经过通道挤入涡流室。由于通道与涡流室相切，空气在涡流室内形成强烈的有组织的涡流，其方向始终不变;此涡流促使喷入涡流室内的燃油迅速混合燃烧。当燃油在涡流室内着火燃烧后，使该室中气体的温度和压力迅速升高。在膨胀行程开始，涡流室中末燃烧的燃油、空气及燃气一起经过通道流到主燃烧室中，喷出的气体在活塞顶部的凹槽中形成强烈的紊流(不规则的流动)，即所谓二次流动，进一步与主燃烧室中的空气混合燃烧。

由于这种燃烧室具有工作柔和、噪音小、高速性能良好等优点，所以广泛用于高速小型柴油机。例如汽车用的485Q、495Q、6l05Q等柴油机上采用。

(6)预燃室式燃烧室。如图6－22所示。在气缸盖中的容积即副燃烧室——预燃室，常用长圆筒或阶梯形，在预燃室和主燃烧室之间用一个或几个小孔相联通，喷油器安装在预燃室中心线附近。在压缩行程中，部分空气通过通道孔进入预燃室。由于通孔不与预燃室相切，空气在预燃室中产生强烈的紊流。喷油后，紊流的空气与一部分燃料混合，着火后，预燃室内的气体压力和温度迅速上升，于是预燃室内尚未完全燃烧的混合物随燃烧产物一起，经预燃室通孔高速喷入主燃烧室，并在主燃烧室造成涡流，称为燃烧涡流。该涡流促使大部分燃油在主燃烧室内混合燃烧。