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可燃混合氣的形成方式和燃燒室特點
發(fā)布時間:2024-03-23 03:15:55  ▏閱讀:

 

使用說明書

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。


柴油機(jī)可燃混合氣形成原理.png

圖1  柴油機(jī)可燃混合氣形成原理

柴油機(jī)混合氣的形成方式.png

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。

(1)渦流室式燃燒室

      渦流室一般為球形、圓柱形或鐘罩形,以引導(dǎo)氣流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。它占燃燒室總?cè)莘e的 50% ~ 80%,設(shè)置在缸蓋內(nèi),主燃燒室在活塞頂以上的工作汽缸內(nèi)。渦流室和主燃燒室的通道與渦流室相切,空氣在壓縮行程時,從汽缸中被擠入渦流室,并形成有規(guī)則的強(qiáng)烈渦流。噴入渦流室中的燃油,被強(qiáng)烈渦流沖散并與空氣形成均勻混合氣著火燃燒。隨著燃油燃燒汽缸溫度、壓力的升高,氣流帶著尚未燃燒完全的燃料沖出通道進(jìn)入主燃燒室形成第二次渦流———燃燒渦流,與主燃燒室中的空氣進(jìn)一步混合燃燒。有的渦流室直接在缸蓋中鑄出 ,有的是用耐熱鋼等材料加工后鑲嵌到缸蓋上( 渦流室上部直接鑄出、下部制成鑲塊) 。鑲塊與缸蓋之間應(yīng)保持有 0. 1 mm 左右的間隙,使其表面具有較高的溫度,以減少氣流通過鑲塊時的散熱損失。

(2)預(yù)燃室式燃燒室

      預(yù)燃室式燃燒室由預(yù)燃室和主燃燒室兩部分組成。預(yù)燃室在氣缸蓋內(nèi),占壓縮容積的25~40%,有一個或數(shù)個通孔與主燃燒室連通。燃料噴入預(yù)燃室中,著火后部分燃料燃燒,將未燃的混合物高速噴入主燃燒室,與空氣進(jìn)一步混合燃燒。預(yù)燃室用耐熱鋼單獨制成,裝入氣缸蓋不和冷卻水直接接觸。這種燃燒室適用于中小功率柴油機(jī)。

 

ω形和球形燃燒室-柴油發(fā)動機(jī).png

圖3  統(tǒng)一式燃燒室示意圖

渦流室式燃燒室-柴油發(fā)動機(jī).png

圖4  渦流室式燃燒室示意圖

 

總結(jié):

      實際上,柴油機(jī)中混合氣形成方式是復(fù)雜和多樣的,即本文上述混合氣形成方式在實際柴油機(jī)中并不是單一存在的,往往是多種方式并存。以直噴式柴油機(jī)為例,在以空間霧化混合為主的同時,到達(dá)壁面的燃油又存在撞擊和油膜蒸發(fā)混合方式;氣流運(yùn)動則以進(jìn)氣渦流為主的同時,擠流、微渦流乃至多氣門時專門組織的滾流都有。


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