可燃混合气的形成与燃烧室-汽车构造

1.可燃混合气的形成

柴油机可燃混合气的形成与燃烧条件要差得多。柴油机在进气行程进入气缸的是纯空气,在压缩行程终了时,才将高压柴油喷入燃烧室,混合气立刻在燃烧室内形成,在高温、高压条件下,柴油自行着火燃烧。喷油持续时间只占15°～35°曲轴转角,所形成的可燃混合气很不均匀,在燃烧室的不同区域以及不同时期,可燃混合气的浓度相差很大。

目前柴油机可燃混合气的形成方法基本上有两种:

(1)空间雾化混合:将柴油以雾状喷向燃烧室中,利用喷射油柱的形状和燃烧室形状以及燃烧室内空气涡流运动的配合,迅速形成可燃混合气。

(2)油膜蒸发混合:将柴油大部分喷到燃烧室壁面上形成油膜,油膜受热并在强烈的旋转气流作用下,逐渐蒸发,与空气形成比较均匀的可燃混合气。

此外,在中小型高速柴油机中,使用了空间雾化和油膜蒸发两种方式兼用的组合方法,只是多少、主次各有不同。目前,多数柴油机仍以空间雾化混合为主,仅球形燃烧室以油膜蒸发混合为主。

2.燃烧室

柴油机燃烧室通常可分为统一式和分开式两大类。统一式燃烧室由活塞凹顶与气缸盖底面之间的单一内腔所组成,柴油直接喷射到燃烧室中,其大部分容积都在活塞顶凹坑内。因此这种燃烧室通常称作直喷式燃烧室,车用柴油机多采用此种燃烧室。常见的形状有ω形、四角形、球形、U形燃烧室等。

目前车用柴油机大多采用ω形燃烧室及其改进型,康明斯B系列及斯太尔WD615系列柴油机均采用了ω形燃烧室。它由气缸盖底面和活塞顶内的ω形凹坑及气缸壁组成。这种燃烧室主要采用4～6孔均布的多孔喷油器,使喷注形状与燃烧室形状相符,空气运动以进气涡流为主,同时也利用了压缩过程中的挤流作用,在空间形成可燃混合气。

ω形燃烧室结构紧凑、热损失小、热效率高、容易起动。由于混合气直接在空间雾化混合,因此燃烧初期同时着火的油量较多,其最高燃烧压力和压力升高率都比较高,噪声大。这种燃烧室对转速的变化比较敏感,通常适用于缸径80～140mm,转速低于4500r/min的柴油机中。压缩比较小(一般为15～18),以此来降低最高燃烧压力,减轻机械负荷。

四角形燃烧室的上部为四方形,下部仍为回转体,在气缸内做涡流运动的气体边旋转边进入燃烧室凹坑,四方形的四个角以及四角形与回转体的交界处,出现了气流运动的“摩擦碰壁”现象。其程度随气流旋转速度的加大而增强,限制了涡流的增强,抑制了燃烧速度和温度的增加,控制了NOx的生成量。(www.xing528.com)

球形燃烧室活塞顶部的燃烧室凹坑为球形,工作时空气通过螺旋气道,形成强烈的进气涡流,加上压缩过程中的挤流作用,空气在燃烧室内产生很强的涡流运动,燃料油膜迅速蒸发、混合、燃烧。随着燃烧的进行,燃烧室内温度和空气流速越来越高,保证了燃油以较高的速度蒸发并与空气混合,使燃烧过程得以及时进行。正常燃烧的最小过量空气系数可降到1.1,能适用于从汽油到柴油的各种燃料。

球形燃烧室在燃烧初期压力升高慢,柴油机工作柔和,噪音小、低烟、低NOx。在燃烧后期,燃烧加快,动力性和经济性都比较好,其缺点是冷启动困难。

分开式燃烧室由两部分组成,一部分位于活塞顶面与缸盖底面,称为主燃烧室;另一部分在气缸盖中,称为副燃烧室,两者中间由通道连接。根据通道结构的不同及形成涡流的差别,分隔式燃烧室又可分为涡流室式燃烧室及预燃室式燃烧室两种,如图6-2所示。

图6-2　分开式燃烧室

(a)涡流室式;(b)预燃室式
1—电热塞;2—喷油器;3—喷注;4—通道;5—主燃室;6—涡流室;7—预燃室

涡流室式燃烧室由在气缸盖内的球形或钟形的副燃烧室以及在活塞顶部的主燃烧室两部分组成,两者之间借与内壁相切的孔道相通。涡流室容积占气缸总容积的50%～80%。在压缩行程中,气缸内被压缩的空气沿着切向通道进入涡流室,形成强烈的有规则的压缩涡流。喷入涡流室的燃油靠这种强烈的涡流与空气迅速混合,部分燃油在涡流室内燃烧,未燃部分在作功行程初期与高压燃气一起通过切向通道喷入主燃烧室,借助活塞顶的双涡流凹坑形成二次涡流,与空气进一步混合而燃烧。由于转速越高,压缩涡流越强,混合气形成越快,因此,涡流室式燃烧室适用于高速柴油机。

预燃室式燃烧室也由两部分组成,即气缸盖上的预燃室与活塞顶部的主燃烧室,它的预燃室容积约为燃烧室总容积的25%～40%,两者之间由一个或几个小孔相连。涡流室是利用压缩过程产生的强烈的压缩涡流,加速空气与燃油的混合,并在涡流室内烧去较多的燃油。而预燃室式燃烧室则是先在预燃室内烧去少量燃油,利用燃烧产生的高压将燃油喷入主燃烧室,在主燃烧室内形成强烈的燃烧紊流,促使大部分燃料在主燃烧室内与空气混合燃烧。

分开式燃烧室由于燃烧先在副燃烧室内进行,主燃烧室内压力升高要延迟很多,因此气缸内压力升高率明显比直喷式要低。与直喷式相比,它具有噪声小、缸内温度低、NOx排放量少的特点。分开式燃烧室主要利用强烈的压缩涡流或燃烧紊流形成可燃混合气,对空气的利用比统一式充分,促进了油和气的良好混合,可改善高速性能,对喷油系统要求不高。由于燃烧室散热面积较大以及通道的节流损失,因此经济性和启动性较差。为了解决启动困难,需把压缩比适当加大。其压缩比一般为17～22,并且通常装有启动电热塞。