柴油机混合气的形成和燃烧室

5．2　柴油机混合气的形成和燃烧室

5．2．1　可燃混合气的形成与燃烧

柴油机在进气行程中进入气缸的是纯净空气，在压缩行程接近终了时，将喷油器形成的雾状柴油以规定压力喷入气缸，随即在燃烧室内形成混合气，并在高温、高压的条件下，混合气自行着火燃烧，故混合气形成时间极短，而且存在喷油、蒸发、混合和燃烧重叠进行的过程。在柴油机压缩和作功过程中，气缸内气体压力P随曲轴转角变化的关系如图5－2所示。当曲轴转到上止点前O点的位置时，喷油泵开始供油；当曲轴转到稍后一些的A点位置时，喷油器开始喷油。O点到上止点之间所对应的曲轴转角称为供油提前角（图中虚线为不供油曲线）。

根据气缸中压力和温度的变化特点，可将混合气的形成与燃烧过程按曲轴转角划分为4个阶段：I－备燃期II－速燃期Ⅲ－缓燃期Ⅳ－后燃期

（1）备燃期。喷油始点A至燃烧始点B之间所对应的曲轴转角。在此期间，喷入气缸的雾状柴油从气缸内的高温空气中吸收热量，逐渐蒸发、扩散，与空气混合，并进行燃烧前的化学准备。若备燃期时间过长，缸内积存的油量增多，则一旦燃烧，会造成气缸内的压力急剧升高，致使发动机噪声增大、工作粗暴、机件磨损加剧。因此，备燃期的长短是影响柴油发动机工作粗暴程度的重要因素。

（2）速燃期。燃烧始点B与气缸内产生最大压力点C之间所对应的曲轴转角。从B点起，火焰自火源处向四周迅速传播，燃烧速度迅速增加，急剧放热，缸内温度和压力迅速上升，至C点时压力达到最高值。在此期间，早已喷入但尚未来得及蒸发的柴油以及在燃烧开始后陆续喷入的柴油，便能在已燃气体的高温作用下迅速蒸发、混合和燃烧。

图5－2　气缸压力与曲轴转角的关系

I－备燃期　II－速燃期　Ⅲ－缓燃期　Ⅳ－后燃期

（3）缓燃期。从最高压力点C至最高温度点D为止的曲轴转角。在此阶段，燃气温度继续升高，但由于氧气减少，废气增加，燃烧条件变差，故燃烧越来越慢。喷油过程一般在缓燃期内结束。

（4）后燃期。从D点起，燃烧在逐渐恶化的条件下于膨胀行程中缓慢进行，直到停止（E点）。在此期间，压力和温度均降低。

由于柴油的蒸发性和流动性较差，且柴油机混合气形成时间极短，使得柴油难以在燃烧前彻底雾化蒸发并同空气均匀混合，即柴油机可燃混合气的品质较差。因此，柴油机采用较大的过量空气系数，使喷入气缸的柴油能够燃烧得比较完全。

为改善混合气的形成条件，不致出现太长的备燃期，保证柴油机工作柔和，除了选用十六烷值较高的柴油，采用较高的压缩比（15～22）以提高气缸内空气温度、促进柴油蒸发等，还要求喷油器必须有足够的压力（一般在10MPa以上，以利于柴油的雾化）。此外，在燃烧室内形成强烈的空气运动，促进柴油与空气的均匀混合。

5．2．2　燃烧室

由于柴油机可燃混合气的形成和燃烧主要是在燃烧室内进行的，所以燃烧室的形状对可燃混合气的形成和燃烧有着直接的影响。

柴油机燃烧室按结构形式分为两大类：直喷式燃烧室和分隔式燃烧室。

1．直喷式燃烧室

直喷式燃烧室是由气缸盖底平面和活塞顶内的凹坑及气缸壁组成的。凹坑的形状多采用ω形和球形，如图5－3所示。根据凹坑深浅程度不同，分为开式和半开式两种（燃烧室口径与深度之比等于5～7的为开式，等于1．5～3．5的为半开式）。目前多采用半开式燃烧室，其结构特点是活塞顶部的凹坑直径较小、深度较深、多有缩口。

图5－3　直喷式燃烧室的形状及燃料喷射的状态

采用直喷式燃烧室时，喷油器直接向燃烧室内喷射柴油，借助油束形状与燃烧室形状的合理匹配，以及空气的涡流运动，迅速形成可燃混合气。

ω形燃烧室的活塞顶部凹坑的纵剖面为ω形，喷入的柴油绝大多数分布在燃烧室的空间，极少部分喷到燃烧室壁面上形成油膜。所以混合气的形成以空间雾化混合为主。为促进混合气的形成和改善燃烧状况，通常采用切向进气道或螺旋进气道（图5－4），以形成中等强度的进气涡流，并采用喷油压力较高的孔式喷油器与之匹配。由于空间混合的特点，总有一部分柴油在空间先形成可燃混合气而发火，因此柴油机的启动性能较好，所以ω形燃烧室在中小型高速柴油机上得到了广泛的应用。如解放CA6110系列、CA6DE系列和CA6DF系列及上海柴油机厂生产的6135Q型柴油机等，均采用ω形燃烧室。

球型燃烧室位于活塞顶部中央，形状大于半个球。与喷油器相对应的位置，开有缺口与球面相切，柴油从这里顺气流方向喷射到燃烧室壁面上形成油膜。在柴油喷射贯穿空气时或碰到燃烧室壁反射时，必然有少量油粒（约5%）脱离油束，呈雾状散布在燃烧室空间。这部分柴油在炽热的空气中，首先完成着火准备，形成火源，然后靠此火源点燃从燃烧室壁上已蒸发形成的可燃混合气，所以混合气的形成方式以油膜蒸发混合为主。这种混合气形成方式使发动机工作平稳、柔和、燃烧彻底。它的缺点是起动性能较差；低速、低负荷工作时，混合气质量差，排烟较重以及变工况的适应性差等。

图5－4　产生涡流的进气道

为改善混合气的形成和燃烧，宜采用强涡流螺旋进气道，在进气过程中使空气流形成绕气缸轴线的高速涡流。此涡流在压缩过程中又得到强化，所以它能持续到燃烧过程中。球形燃烧室要求燃油喷注具有一定的能量，喷射时尽量不分散，因此也必须采用喷油压力较高的孔式喷油器。

由于存在上述缺点，使球形燃烧室的应用受到限制，目前仅国产90系列及6120Q型柴油机采用。

2．分隔式燃烧室

分隔式燃烧室由两部分组成，即主燃烧室和副燃烧室。主燃烧室位于活塞顶与气缸盖底面之间，副燃烧室位于气缸盖内。主、副燃烧室之间用一个或几个直径较小的通道相连。燃油则是喷入到副燃烧室内的。分隔式燃烧室的结构型式有涡流室式和预燃室式两种（图5—5）。

图5－5　分隔式燃烧室

（1）涡流室式燃烧室作为副燃烧室的涡流室多为球形，也有圆柱形。其容积占燃烧室总容积的50%～80%，涡流室与主燃烧室用一个或数个通道连通，通道的面积一般为活塞面积的1．2%～1．5%，通道方向与活塞顶成一定角度并与涡流室相切。这样，在压缩行程中，空气从气缸内被挤入涡流室时，形成强烈的有规则的涡流运动，喷入涡流室内的燃油，在强烈的空气涡流作用下迅速与空气混合形成可燃混合气，混合气的形成属空间混合。着火后大部分柴油在涡流室内燃烧，未来得及燃烧的部分燃油在做功行程初期与高压燃气一起通过切向通道喷入主燃烧室，形成二次涡流，使之进一步与空气混合燃烧。

综上所述，由于在涡流室内及气缸内均能形成强烈的涡流运动，可以降低对柴油喷雾质量的要求，因此可以采用喷油压力较低的轴针式喷油器，可以在较小的过量空气系数（α＝1．2～1．3）下工作，平均有效压力较高；由于大部分柴油是在涡流室内燃烧的，再加上通道面积较小，对气体流动产生一定的节流作用，使主燃烧室内气体压力升高较平缓，发动机运转平稳，燃烧噪声小，排气污染少。但由于燃烧室的散热面积大和通道的节流作用，使散热损失和流动损失增加，所以经济性较差；此外，由于喷油压力低，油雾颗粒较大、蒸发慢，所以起动性能也较差。为了保证冷机起动，一般设置电热塞等起动辅助装置。

（2）预燃室式燃烧室作为副燃烧室的预燃室多是长体结构，一般用耐热钢单独制造，再镶入气缸盖内。预燃室容积约占燃烧室总容积的25%～45%，连通预燃室与主燃烧室的通道面积较小，一般只有活塞面积的0．25%～0．75%，且不与预燃室相切。在压缩行程中，气缸内的空气被挤入预燃室内形成强烈的无规则的紊流运动，喷入到预燃室内的柴油受空气紊流的扰动，与空气初步混合，形成可燃混合气，混合气的形成属空间混合。少部分的柴油在预燃室内着火燃烧后，预燃室内温度、压力急剧升高，未燃烧的大部分柴油及燃气高速喷入主燃烧室。由于窄小孔道的节流作用再次产生紊流，促使柴油进一步蒸发与空气混合而完全燃烧。

预燃室式燃烧室具有和涡流室式燃烧室类似的特点。