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發(fā)動機(jī)分隔式和統(tǒng)一式燃燒室混合氣形成的特點

 

摘要：柴油發(fā)動機(jī)燃燒室是由活塞頂部及缸蓋上相應(yīng)的凹部空間組成。其混合氣形成特點是在壓縮行程接近終了時柴油由噴射系統(tǒng)直接噴入燃燒室內(nèi)，時間短，難以形成均勻的混合氣，燃燒室內(nèi)的工質(zhì)成分隨時間和地點而變化；柴油本身粘度大，蒸發(fā)性不好；混合氣在高溫、高壓下多點自燃著火燃燒，且混合過程、著火過程和燃燒過程共存。因此，燃燒室的基本要求是表面要光滑，結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，充氣效率要高，以減小熱量損失及縮短火焰行程；使混合氣在壓縮終了時具有一定壓縮渦流，以提高混合氣的混合質(zhì)量，保證混合氣得到及時和充分燃燒。

 

一、柴油可燃混合氣的形成

 

      柴油可燃混合氣的形成和燃燒在燃燒室內(nèi)進(jìn)行，工作原理如圖1所示?；钊咏鼔嚎s上止點時，柴油噴入氣缸，與高壓高溫空氣混合后燃燒。

1、柴油混合差的原因

      柴油混合氣沒有汽油混合氣均勻，柴油混合差的原因是在缸內(nèi)形成混合氣，混合時間短。

（1）與汽油相比柴油本身粘度大，不易揮發(fā)，不利于混合氣的形成。

（2）柴油的混合是在氣缸內(nèi)進(jìn)行，靠高壓噴射和空氣渦流運(yùn)動形成混合氣，混合的時間短到0.0017～0.004秒。難以形成均勻的混合氣。

（3）可燃混合氣的形成和燃燒過程同時進(jìn)行，邊噴射邊混合邊燃燒?；旌蠚庠诟邷?、高壓下多點自燃著火燃燒。混合過程、著火過程、燃燒過程三種狀態(tài)共存。

（4）混合氣形成方式與汽油機(jī)不同。柴油機(jī)由于難以實現(xiàn)噴入氣缸的柴油與空氣的完全均勻混合，因此空氣燃料的比例比汽油機(jī)大?？諝饫寐实陀谄蜋C(jī)。

2、柴油混合氣的形成方式

      柴油機(jī)混合氣形成方式從原理上來分，有空間霧化混合和油膜蒸發(fā)混合兩種。如圖2所示。

（1）空間霧化混合

      如圖2（a）所示?？臻g霧化混合是將燃油噴向燃燒室空間，形成霧狀，霧狀油滴從高溫空氣中吸熱蒸發(fā)并擴(kuò)散，與空氣形成混合氣。

（2）油膜蒸發(fā)混合

      如圖2（b）所示。油膜蒸發(fā)混合是部分燃油噴向燃燒室壁面面，形成一層油膜，油膜受熱汽化蒸發(fā)，與空氣形成混合氣。

      在柴油機(jī)中，以空間霧化混合為主，球形燃燒室柴油機(jī)以油膜蒸發(fā)混合方式為主。

3、兩種混合方式的對比

（1）空間霧化混合中，燃油的噴霧特性對混合起決定性的作用。√噴霧細(xì)、均勻，有較多的油滴受熱蒸發(fā)，大量可燃混合氣在著火延遲期內(nèi)形成，燃燒初期放熱率過大，壓力急劇升高，工作粗暴，NOx排放高。

（2）減小著火延遲期內(nèi)混合氣生成量，造成大量燃油在著火后的高溫高壓下蒸發(fā)混合，容易因空氣不足而裂解成碳煙。

（3）空間霧化混合方式有較高的熱效率，但碳煙、NOx和燃燒噪聲均較高。

（4）油膜蒸發(fā)混合利用燃油蒸發(fā)速率控制混合氣生成速率，燃燒室壁面溫度和空氣旋流起了主要作用。

（5）油膜受熱蒸發(fā)所需時間要比細(xì)小油滴長得多，加之燃燒室壁溫控制較低，使油膜蒸發(fā)混合方式在期內(nèi)生成的混合氣量遠(yuǎn)小于空間霧化方式。

（6）隨燃燒進(jìn)行，在高溫和火焰輻射作用下，油膜蒸發(fā)加速，使混合氣生成速度加快。

（7）大部分燃料是在蒸發(fā)后以氣體狀態(tài)與空氣或高溫燃?xì)饨佑|，可以避免空間霧化混合時常有的液態(tài)燃油高溫裂解問題，使碳煙特別是大顆粒碳煙排放降低。

4、混合氣形成的特點

      柴油發(fā)電機(jī)的混合氣是在汽缸內(nèi)部形成的，進(jìn)氣沖程吸入新鮮空氣，然后對空氣進(jìn)行壓縮，直到壓縮沖程接近終了時，柴油才開始噴入燃燒室，因此，柴油發(fā)電機(jī)混合氣的形成具有以下特點：

（1）混合氣形成的時間極短，一般僅千分之幾秒，從噴油開始即混合開始起，到噴油結(jié)束為止，僅占曲軸轉(zhuǎn)角（15°～35°）的位置。以柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min為例，在曲軸轉(zhuǎn)角20°內(nèi)噴油完畢時，其噴油時間僅為0.0022s。

（2）從噴油開始，約經(jīng)（1～3）1000s時間，柴油便開始燃燒，柴油發(fā)電機(jī)混合氣形成過程與燃燒過程幾乎是同時進(jìn)行的。

（3）柴油的粘度較大，不易蒸發(fā)。

      上述特點也是柴油發(fā)電機(jī)可燃混合氣形成的困難之點。為了使柴油與空氣能迅速地形成混合氣，除了要求燃油噴射系統(tǒng)保證柴油的霧化質(zhì)量外，還需要燃燒室的幫助。

圖1  柴油機(jī)可燃混合氣形成原理

圖2  柴油機(jī)混合氣的形成方式

 

二、燃燒室的形狀與特點

 

      柴油發(fā)電機(jī)可燃混合氣在燃燒室內(nèi)的形成，雖然與燃料的霧化狀況有密切關(guān)系，但還需要有適當(dāng)形狀的燃燒室相配合，合理地形成燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動，促進(jìn)燃料迅速而均勻地與空氣混合，并迅速地分布到整個燃燒室的每一角落，從而使燃燒過程更為完善。當(dāng)活塞位于上止點時,活塞頂面以上、氣缸蓋底面以下所形成的空間稱為燃燒室。在氣缸蓋底面通常鑄有形狀各異的凹坑,習(xí)慣上稱這些凹坑為燃燒室。按柴油發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點和混合氣形成的方法不同，燃燒室可分為兩大類型：

1、統(tǒng)一式燃燒室

      統(tǒng)一式燃燒室又稱直接噴射式燃燒室，它由活塞頂與汽缸蓋內(nèi)壁所包圍形成的單一內(nèi)腔，結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用這類燃燒室時，一般配用多孔噴油器，將燃料直接噴射到燃燒室中，借助噴出油束的形狀與燃燒室的形狀相吻合，以及燃燒室內(nèi)的空氣渦流運(yùn)動，迅速形成混合氣。統(tǒng)一式燃燒室常用的有下面幾種：

（1）ω形燃燒室：

      ω形燃燒室由氣缸蓋內(nèi)壁和活塞頂?shù)?/span>ω形深凹坑構(gòu)成。燃油的大部分由多孔噴油器以19600kPa的壓力噴入燃燒室后，均勻地以霧狀分布在燃燒室空間，吸收室內(nèi)高溫空氣的熱量而蒸發(fā)，并與空氣混合。另有少量燃油被噴射到燃燒室壁面，形成油膜，在燃燒開始后才加速蒸發(fā)參與燃燒，因此，這種燃燒室要求噴油壓力較高。

      ω形燃燒室形狀比較簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積小，熱效率高，有利于冷車啟動，但由于一部分燃油直接噴散在空腔中，在著火延遲期內(nèi)形成的混合氣多，同時參加燃燒的油量也很多，因而導(dǎo)致汽缸內(nèi)壓力升高較大，工作比較粗暴。

（2）球形燃燒室

      球形燃燒室位于活塞頂中央，在活塞頂部加工成深凹狀球形空間，汽缸蓋上有螺旋道或切向進(jìn)氣道，可使進(jìn)氣時形成繞汽缸軸線轉(zhuǎn)動的高速空氣流。工作時，噴油器將柴油順氣流旋轉(zhuǎn)方向沿燃燒室切線方向噴射，在強(qiáng)烈的進(jìn)氣渦流作用下，使燃油分布在燃燒室壁表面，形成一層很薄的油膜，在較低的溫度下蒸發(fā)，蒸發(fā)出的油氣與空氣混合成均勻的混合氣。

2、分隔式燃燒室

      分隔式燃燒室由兩個部分組成。一部分是位于活塞頂面與缸蓋下平面之間的稱之為主燃燒室的部分，另一部分則在缸蓋里面，稱之為輔助燃燒室（ 也稱副燃燒室） 。主、副燃燒室之間由一個或幾個孔道連通，燃油先噴入副燃燒室，部分燃燒后，隨同未燃的油氣一起沖入主燃燒室進(jìn)一步混合燃燒。分隔式燃燒室目前較多應(yīng)用渦流室式和預(yù)燃室式兩種。

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