柴油机混合气的形成-汽车发动机维护技巧

1.柴油机混合气形成特点

柴油机使用的燃料是柴油，由于其蒸发性和流动性比汽油差，而自燃点又比汽油低，所以只能采用在压缩上止点前直接喷入气缸，靠压缩着火燃烧。

由于柴油机混合气形成时间极短，只占15°～35°曲轴转角（按发动机转速3000r/min计，只占8.3×10^-4～1.9×10^-3s），可燃混合气形成十分困难；而且边燃烧边喷油，气缸内各处混合气浓度很不均匀，极易造成燃烧不完全，排气冒黑烟，动力性、经济性能下降等不良后果。

为此，现代柴油机除采用前面所述的高压燃油喷射外，还需要组织空气在气缸中高速流动，同时设计出各种燃烧室，促进可燃混合气形成和快速燃烧。

2.柴油机混合气形成方式

根据柴油机混合气形成特点，可以分为空间雾化混合和油膜蒸发混合两种基本方式。

空间雾化混合是将柴油高压喷向燃烧室空间，形成雾状，与空气进行混合。为了使混合均匀，要求喷出的燃油与燃烧室形状相配合，并充分利用燃烧室中空气的运动。

油膜蒸发混合是将大部分柴油喷射到燃烧室壁面上，形成一层油膜，受热蒸发，在燃烧室中强烈的旋转气流作用下，燃料蒸气与空气形成均匀的可燃混合气。

在柴油实际喷射中，很难保证燃料完全喷到燃烧室空间或燃烧室壁面，所以两种混合方式都兼而有之，只是多少、主次有所不同。

为了促进柴油与空气更好混合，一般都要组织适当的空气涡流，常见的有以下3种：

图5-37 螺旋形进气道和切向进气道

a）螺旋形进气道 b）切向进气道

（1）进气涡流 进气涡流是指在进气行程中，使进入气缸的空气形成绕气缸中心高速旋转的气流。它一直持续到燃烧膨胀过程。

产生进气涡流的方法一般是将进气道设计成螺旋气道（如图5-37a所示）或切向气道（如图5-37b所示）。切向气道在气门座前强烈收缩，引导气流以单边切线方向进入气缸，造成进气涡流。螺旋气道是在气门座上方的气门腔里制成螺旋形，使气流在螺旋气道内就形成一定强度的旋转，造成较强的进气涡流，涡流速度可以达到曲轴转速的6～10倍。

（2）挤压涡流 挤压涡流（挤流）是指在压缩过程中形成的空气运动。当活塞接近压缩上止点时，活塞顶上部的环形空间中的气体被挤入活塞顶部的凹坑内，如图5-38a所示，形成了气体的运动。当活塞下行时，活塞顶部凹坑内的气体向外流到环形空间（如图5-38b所示），称为逆挤流。挤压涡流的产生与活塞顶凹坑（燃烧室）设计有很大关系，柴油机活塞顶凹坑多种多样，目的就是促进燃油与空气的混合与燃烧。

（3）燃烧涡紊流 燃烧涡紊流是指利用柴油燃烧的能量，冲击未燃的混合气，造成混合气涡流或紊流。其目的也是进一步促进燃油与空气的混合与燃烧。燃烧涡紊流的程度与柴油机燃烧室的形状密切相关。

3.柴油机燃烧室

燃烧室是柴油机的燃烧场所。它对燃烧有重要影响，其结构多种多样，基本分为直喷式燃烧室和分隔式燃烧室两大类，如图5-39所示。

图5-38 挤压涡流

a）挤流 b）逆挤流

图5-39 柴油机燃烧室(www.xing528.com)

a）直喷式燃烧室 b）分隔式燃烧室

1—喷油器 2—副燃烧室 3—连接通道 4—活塞 5—双涡流凹坑 6—凹坑

（1）直喷式燃烧室 直喷式燃烧室的结构特点是只有一个燃烧室，位于活塞顶面和气缸盖底平面之间，燃料直接喷入该燃烧室中与空气进行混合燃烧。

直喷式燃烧室的活塞顶设计极具独创性，如图5-40所示，不同的涡流凹坑，产生不同的气体运动，混合气形成也不同，导致发动机性能的差异。

如图5-40a所示的浅盆形燃烧室，凹坑较浅，底部较平，空气压缩涡流小，主要靠喷油器高压喷油到燃烧室空间与空气混合，属于空间雾化混合方式。这种燃烧室，结构简单、紧凑，由于空间小，传热少，动力性、经济性与起动性都较好。但对喷油系统要求高，需要较高的喷油压力，喷油器的喷孔也要求小而多，工作起来也比较粗暴。

如图5-40c所示的球形燃烧室，凹坑呈球状，较深，同时组织较强的空气涡流，喷油器顺气流喷射，在强涡流气流的带动下，燃油被涂布到球形燃烧室壁面上，形成一层油膜。只有一小部分从油束中分散出来的燃油以油雾分散在燃烧室空间，在炽热的空气中，首先完成着火准备，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的可燃混合气。随着燃烧进行，产生大量热量，辐射在油膜上，又使油膜加速蒸发，不断地和室壁附近高速旋转气流混合，达到迅速燃烧。所以这种燃烧方式属于油膜蒸发混合方式。由于空气的强烈涡流，空气利用率较高；燃料燃烧是逐层蒸发燃烧，所以工作起来比较柔和。它对燃油系统要求不高，可以使用单喷孔喷油器，喷油压力也较低。但它的起动性能不好，因为起动时机体温度低，油膜较难蒸发燃烧，低速性能也不好。

图5-40 不同直喷式燃烧室

a）浅盆形燃烧室 b）浅ω形燃烧室 c）球形燃烧室 d）U形燃烧室 e）四角形燃烧室 f）八角形燃烧室 g）花瓣形燃烧室

（2）分隔式燃烧室 分隔式燃烧室的结构特点是燃烧室被分隔为主、副二个燃烧室，二者用一个或数个通道相通。副燃烧室在气缸盖内，容积占总压缩容积的50%～80%，主燃烧室在气缸盖底平面与活塞顶面之间。燃料先喷入气缸盖中的副燃烧室进行预燃烧，再经过通道喷到活塞顶上的主燃烧室进一步燃烧。

分隔式燃烧室根据结构的不同分为涡流室式和预燃室式两种。

1）涡流室式燃烧室的副燃烧室有球形（如图5-41a所示）、吊钟形（如图5-41b所示）和组合形（如图5-41c所示由一段球形、一段柱形和一段锥形组成）等形状，主燃烧室的活塞顶也有不同凹坑，如双涡流凹坑（如图5-42a所示）、铲击形凹坑（如图5-42b所示）等。

图5-41 涡流室式燃烧室的副燃烧室

a）球形 b）吊钟形 c）组合形

1—主通道 2—副喷孔

图5-42 涡流室式燃烧室的主燃烧室

a）双涡流凹坑 b）铲击形凹坑

1—导流槽 2—双涡流凹坑

不同的燃烧室结构，其工作情况也不同。如图5-41c所示组合型副燃烧室，在压缩过程，气缸中的空气被活塞挤压，经过通道流入涡流室形成有组织的强烈涡流。接近压缩上止点时，喷油器开始顺气流喷油，在强涡流气流带动下，燃油被涂布到燃烧室壁面上，形成油膜。同时有少部分油雾分散在燃烧室空间，着火形成火源，并点燃从壁面蒸发出来的可燃混合气，迅速燃烧，使副燃烧室内的温度和压力迅速升高，高温、高压气体经通道喷入主燃烧室。若主燃烧室活塞顶上的凹坑是双涡流凹坑（如图5-42a所示），则喷入主燃烧室的混合气就会形成二次涡流，与主燃烧室内的空气进一步混合燃烧。这种燃烧室，由于采取强烈有组织的气体二次涡流，空气利用率高，对喷雾质量要求不高，可采用单喷孔喷油器，喷油压力较低，喷油器故障少，调整方便，同时由于燃烧先在副燃烧室内进行，使主燃烧室压力升高趋缓，工作比较柔和。缺点是副燃烧室相对散热面积大，又直接与冷却液接触，加上主副燃烧室之间的通道节流，使热利用率减低，经济性较差，起动也较困难。

为了改善起动性能，有的增加了副喷孔（起动喷孔），使得在起动时，由于空气涡流不强，从喷油器喷出的燃油可通过副喷孔，直接喷入活塞顶的主燃烧室温度较高处，燃料容易着火燃烧。

2）预燃室式燃烧室（如图5-43所示）的副燃烧室与主燃烧室的通道截面较小，而且方向与喷油方向相对。压缩时，空气经通道被压向副燃烧室，形成强烈的紊流，燃料逆气流方向喷射，与空气相撞混合，并着火预燃烧，所以副燃烧室也称预燃室。随后不完全燃烧的混合气经通道到主燃烧室，与主燃烧室内的空气进一步混合燃烧。这种燃烧室工作比涡流室式燃烧室更柔和，而且可以燃用多种燃料，但它的节流损失比涡流室式更大，所以经济性能较差。