汽车发动机原理课件：混合气的形成及燃烧室

一、柴油机混合气的形成柴油机混合气的形成是指燃料喷入汽缸至着火及燃烧的整个阶段中所发生的破碎、雾化、汽化并与空气之间相互渗透和扩散的过程，其中部分过程是和燃烧过程重叠进行的，它直接决定着燃烧质量。由于柴油的蒸发性差，因此柴油机是采用高压喷射的方法，即在压缩冲程接近终了时，借助喷油器将柴油喷入燃烧室，与汽缸中高温、高压的空气混合形成可燃混合气。经过一系列物理化学准备后，着火燃烧，随后，混合气的形成和燃烧便重叠进行，即一边喷油，一边混合和燃烧。柴油机的混合气形成与汽油机相比有两个显著特点:其一是混合气的形成在汽缸内部进行。其二是混合气形成时间较短，从喷油到结束，占15°~30°曲轴转角，当柴油机转速为2000r/min时，15°的曲轴转角仅相当于1/8000s。在如此短的时间内，混合气的形成是极不充分的，也极不均匀。为了使喷入汽缸中的柴油尽可能燃烧完全，柴油机不得不采用较大的过量空气系数，使喷入燃烧室内的柴油能够燃烧得比较完全。理想的柴油机混合气形成过程应该是燃料喷入燃烧室后在尽可能短的时间内与周围空气均匀雾化、混合，形成可燃混合气。着火后继续喷入的燃料应及时得到足够的空气和混合能量，以便迅速混合，力求避免燃料直接进入高温缺氧区域，引起裂化。柴油机混合气形成主要依靠三方面作用:一是燃料喷雾。二是空气运动:组织必要的空气运动可以促使柴油很快在整个燃烧室空间得到均匀分布，加速混合气形成。三是与燃烧室形状的良好配合。柴油机可燃混合气的形成，按其形成原理可分为空间雾化混合和油膜蒸发混合两种方式。１.空间雾化混合方式该方式直接将柴油喷射到燃烧室空间，经雾化、蒸发与空气混合，形成雾状混合物。为了使混合迅速而均匀，要求采用雾化质量较好的多孔喷油器，并使喷射油束与燃烧室形状相配合，在燃烧室内组织适当的空气运动，燃油与空气的相对运动速度是形成较均匀的混合气的主要因素，它可以使油束中的油滴在运动中与空气分子之间产生摩擦和碰撞，进一步分裂细化，相对运动速度越高，这种摩擦和碰撞越激烈，分裂后的油滴直径越小，数量越多，总的蒸发表面积也越大，混合气也越均匀。空间雾化混合气的优点是混合气形成速度快，燃烧过程比较稳定，对转速范围的适应性强。其缺点是燃料在着火以前形成的混合气量较多，使燃烧过程较为粗暴，并生成较多的NOx，混合气在这一过程中混有尚未蒸发汽化的液态油粒，不完全是气相的。若油滴蒸发、雾化速度不及燃烧速度快，将产生不完全燃烧。在中低速柴油机中，几乎都是采用空间雾化方式组织混合气。中小型高速柴油机中，无论用何种燃烧系统组织混合气，空间雾化方式也占有一定的比例。２.油膜蒸发混合方式该方式是将绝大部分柴油喷射到较高温度的燃烧室壁面上，形成一层油膜，只有5％左右的柴油直接喷射在燃烧室空间的空气中，这一小部分柴油在空间雾化与蒸发，与空气混合而首先着火。着火后使燃烧室的温度迅速升高，使燃烧室壁面上的油膜在强烈的旋转气流作用下，以越来越快的速度蒸发并与空气形成均匀的可燃混合气。影响这种混合气质量的主要因素是燃烧室壁温、油膜厚度和空气与油膜相对运动的速度。燃烧室壁温过低，油膜蒸发缓慢。壁温过高会引起燃料裂化。油膜蒸发混合方式比空间雾化混合方式所得到的混合气更均匀。混合气在这一过程中完全是气相的。通过油膜的蒸发和气流的旋转运动还可以实现分层燃烧，做到既减少冒烟又可控制燃烧速度，防止工作粗暴。因此，用这种方式形成的混合气比例越高，燃烧越柔和，排气中NOx含量也越低。其缺点是油膜蒸发的速度受壁温、油膜厚度和气流运动的影响很大，燃烧不及空间雾化稳定。当燃烧室壁温较低时，混合气形成慢，冷起动困难，怠速及小负荷时HC排放高。因此，近年来单独使用这种混合气形成方式及其燃烧系统的发动机已日趋渐少。但对于小型高速柴油机来说，由于燃料或多或少地会喷到燃烧室壁上，所以两种混合方式都兼而有之。从这个意义上说油膜蒸发混合方式仍有重要的学术和实用价值。３.两种混合方式的对比表5-2列出了空间雾化混合和油膜蒸发混合的特点及对比。在空间雾化混合中，燃油的喷雾特性对混合起决定性的作用。为提高混合气形成速度，往往要将燃料尽可能喷得很细，分布均匀。这样就会使较多的油滴受热蒸发，在滞燃期内形成大量的可燃混合气，造成初期放热率过大，压力急剧升高，工作粗暴，NOx排放高。但如果减小滞燃期内混合气生成量，则势必造成大量燃油在着火后的高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成炭烟。因此，空间雾化混合方式尽管有较高的热效率，但炭烟、NOx和燃烧噪声均较高。油膜蒸发混合的指导思想是利用燃油蒸发速率控制混合气生成速率，燃烧室壁面和空气旋流起了主要作用。图5-16对两种混合方式的混合气生成速率作了比较。在着火延迟期内喷入燃烧室的燃料量相同的条件下，由于油膜受热蒸发所需时间要比细小油滴长得多，加之燃烧室壁温控制较低，使油膜蒸发混合方式在滞燃期内生成的混合气量远小于空间雾化方式。随燃烧进行，在高温和火焰辐射作用下，油膜蒸发加速，使混合气生成速度加快。另外，大部分燃料是在蒸发后以气体状态与空气或高温燃气接触，可以避免空间雾化混合时常有的液态燃油高温裂解问题，使炭烟特别是大颗粒炭烟排放降低。尽管由于油膜蒸发混合方式存在一些难以解决的问题而在实际中应用不多，但它的提出打破了空间雾化混合概念的束缚，开阔了发动机混合气形成和燃烧的思路，具有重要的理论意义。上述各种气流运动方式和混合气形成方式在实际柴油机中并不是单一存在的，往往是多种方式并存。以中、小型车用直喷式柴油机为例，在以空间雾化混合为主的同时，到达壁面的燃油又存在油膜蒸发混合方式，燃烧室中的热混合现象也是客观存在的。至于气流运动，则以进气涡流为主的同时，挤流、微涡流乃至多气门时专门组织的滚流都有。这充分反映了实际柴油机中混合气形成和燃烧的复杂性与多样性。二、柴油机燃烧室由于柴油机的混合气形成和燃烧都是在燃烧室内进行的，所占的时间又非常短促，因此，要使发动机具有良好的性能，不但要有良好的燃料喷射系统，较高的燃料喷雾质量，还必须有与燃料喷射配合恰当的燃烧室形状和气流运动，使燃料与空气混合均匀，提高空气利用率。柴油机燃烧室按结构形式，可分成两大类:直接喷射式和分隔式。１.直喷式燃烧室直喷式燃烧室是由活塞顶面，汽缸盖底平面及汽缸壁所包围的统一空间组成，活塞顶上均开有深浅不同、形状各异的凹坑，按凹坑深浅不同又分为开式和半开式燃烧室两种，通常把活塞顶凹坑口径与活塞直径之比大于0.7的称为开式燃烧室，而把活塞顶凹坑口径与活塞直径之比小于0.7的称为半开式燃烧室。(１)开式燃烧室。开式燃烧室如图5-17所示，结构十分简单。

活塞顶部的燃烧室有中心略有凸起的浅ω形和平底的浅盆形，凹坑较浅。开式燃烧室中的混合气形成主要依靠空间雾化混合方式，因此对雾化质量，也就是对喷射系统有很高的要求，开式燃烧室采用较多喷孔数目(常见的为6

~12孔)的孔式喷油器和较高的喷射压力，最大喷射压力达到100MPa以上，一般不组织或只有很弱的空气涡流运动，在混合气形成中空气运动所起的作用相对很小。混合气在燃烧室的空间内形成，避免油束直接喷到燃烧室的壁面上(油束贯穿率要求小于或约等于1)。对于开式燃烧室，希望通过油束与燃烧室形状的配合，使燃油尽可能均匀细微地分布到整个燃烧室的空间中，它空气利用率相对较低，一般均采用增压来保证较大的过量空气系数(α为1.5~2.2)，以实现完善的燃烧，开式燃烧室一般适用于缸径较大(≥140mm)，转速较低(≤2000r/min)的柴油机中。(２)半开式燃烧室，若将开式燃烧室应用于占车用柴油机大部分的小缸径高速柴油机中，会遇到很大的困难。由于转速高，混合气形成和燃烧的时间极短，单靠燃油的喷散雾化，则不但喷孔直径要很小，喷射压力要很高，使制造困难，使用可靠性下降，而且也不能实现在较小的过量空气系数下有较好的混合气形成和燃烧。这种情况下，就可以应用半开式燃烧室，如图5-18所示。半开式燃烧室的活塞顶部有较深的凹坑，形状有很多种，常见的有中心凸起的ω形和平底的深坑形，凹坑有缩口的，也有不缩口的，凹坑口径与活塞直径之比一般在0.35~0.7。半开式燃烧室中的混合气形成依靠燃油的喷散雾化和空气运动两方面的作用。它采用孔式喷油器，常见的喷孔数目为４~６孔，并有较高的喷射压力，对喷射系统有较高的要求。与开式燃烧室相比，半开式燃烧室中的空气利用率有所提高，在过量空气系数为1.3~1.5时，可以实现完善的燃烧。因一般空气运动的强度随着转速的提高而增大，而涡流强度过强或过弱会造成油束贯穿不足或过度，均会影响混合气形成和燃烧，故半开式燃烧室对转速的变化较为敏感。半开式燃烧室一般适用于缸径80~140mm(甚至更小)、转速低于4500r/min的中、小型高速柴油机中。由于开式燃烧室与半开式燃烧室相比，具有经济性更好，微粒排放量较低的突出优点，使近年来在缸径相对较大的半开式燃烧室中出现了向开式燃烧室方向发展的趋势，即提高喷射压力、缩小喷孔直径、增多喷孔数目、增大活塞顶部凹坑喉口直径并减弱空气涡流强度。当然，这要以制造技术水平的提高以及增压技术的采用作为其前提条件。(３)半开式燃烧室中的空气运动。如上所述，半开式燃烧室中的空气运动对混合气形成有重要影响，合理的气流运动是加速混合气形成的有效手段，也是保证半开式燃烧室燃烧完全的重要条件，其产生空气运动的方法有两种:一种是进气涡流，是利用进气道内腔和气阀形状以及气阀相对于汽缸壁的位置使气流沿限定方向运动而形成的，另一种是压缩涡流(或挤压涡流)，在压缩行程上止点附近产生，持续时间较短。①进气涡流。切向进气道:如图5-19所示，进气道与汽缸盖底平面夹角较小，气道断面收缩较大，进气道中心线与汽缸轴线空间相错，使空气沿切向进入汽缸，产生绕汽缸中心线的旋转涡流，切向进气道结构简单，在进气涡流要求低时，流动阻力不大。螺旋进气道:如图5-20所示，进气道呈螺旋形，空气经过螺旋气道的导流，在进入汽缸前就形成绕气阀中心的旋转运动，并在进入汽缸后继续保持旋转。另一方面，由于气阀中心与汽缸中心的不重合，在进入汽缸后会产生沿汽缸壁绕汽缸中心的旋转运动。为增加进气充量，希望气道的流动阻力越小越好，而进气涡流会增加进气阻力，一般阻力随涡流强度增加而增大。合理的进气道应在首先保证所要求涡流强度的前提条件下，尽可能地提高流通性能，降低流动阻力，这往往需要进行仔细调试和反复改进，但保证一定的涡流强度往往是以进气阻力的提高为代价的。②挤压涡流。在压缩行程后期活塞接近上止点时，活塞顶上部的环形空间中的空气被挤入活塞顶凹坑的燃烧室内，形成空气的涡流运动称为挤压涡流，如图5-21所示。当活塞下行时燃烧室中的空气向外流到环形空间产生膨胀流动，称逆挤压涡流。这些流动不影响充气效率，有助于燃料的分布和混合气的形成，随着活塞顶部凹坑喉口直径和活塞顶间隙越小，则挤压涡流的强度越大。与进气涡流相比，挤压涡流持续的时间较短(仅在上止点附近)，强度较小，在混合气形成和燃烧中起到配合、辅助作用，对混合气形成和燃烧起主导作用的是进气涡流和逆挤压涡流。２.分隔式燃烧室分隔式燃烧室由两个空间组成，即主燃烧室和副燃烧室。主燃烧室设在活塞顶与缸盖底面之间，副燃烧室在汽缸盖内，两室由一个或几个孔道相连。燃油不直接喷入主燃烧室内，而是喷入副燃烧室内。按其气流运动方式又分为涡流室和预燃室两种燃烧室。(１)涡流室燃烧室。如图5-22所示，在汽缸盖内呈球形的涡流室，借与其内壁相切的孔道和主燃烧室连通。孔道直径较大，截面积为活塞截面积的1％~3.5％，可以减少流动损失，孔道方向与活塞顶成一定的倾斜角度，其截面形状也有许多种。混合气形成与燃烧特点:在压缩行程中，活塞迫使空气从主燃烧室经过孔道挤入涡流室，形成强烈的有规则的压缩涡流运动，压缩涡流在涡流室燃烧室柴油机的混合气形成中起主要作用。燃料顺涡流方向喷射到涡流室后，较小的油滴随空气运动，在空间蒸发与空气混合，较大的油滴在气流作用下被带向燃烧室外围，其中部分燃料分布在壁面上。混合气在孔道口附近靠近壁面处首先着火，在强烈涡流作用下，密度较小的燃烧产物被卷入涡流室中央，密度较大的新鲜空气不断压向四周形成良好的“热混合”。涡流室中着火燃烧后，室内气体压力和温度迅速升高，大部分燃料在涡流室中燃烧，未燃部分与高压燃气一起通过切向孔道喷入主燃室，并在活塞顶的浅凹槽内形成二次涡流，加速燃料与空气混合，继续完成燃烧。(２)预燃室燃烧室，如图5-23所示，主燃烧室在活塞顶上，作为副燃烧室的预燃室在汽缸盖内。连通主、副两燃烧室的孔道直径较小，截面积为活塞截面积的0.3％~0.6％，预燃定容积占整个燃烧室压缩容积的35％~45％，喷油器安装在预燃室中心线附近。混合气形成与燃烧特点:在压缩行程中部分空气经连接孔道被压入预燃室，由于连接孔道截面积很小，且不与预燃室相切，因此在预燃室中形成强烈的无规则的紊流运动。燃料喷到预燃室通孔附近后，依靠空气紊流的扰动与空气初步混合。气流只将一部分小油粒带向预燃室的上部空间，并在那里着火。着火后使预燃室内压力和温度迅速升高，高温、高压的燃气携带未燃的燃料高速经孔道喷入主燃室。三、不同燃烧室的性能比较与选用不同类型的燃烧室有着各自的性能特点与适用场合。表5-3给出了主要的几种燃烧室的结构特点和性能对比。由表中数据的对比可以总结出以下几点:(１)在燃油经济性方面，直喷式燃烧室柴油机明显优于分隔式燃烧室柴油机。在能源问题已成为全球性重大问题的今天，直喷式燃烧室柴油机由过去主要用于中重型货车变为现在日益向中小型货车以及轿车领域扩展，目前新研制的缸径D>100mm的高速柴油机几乎都采用直喷式燃烧室，而在D<100mm柴油机上采用直喷式燃烧室的机型也逐渐增多。