燃烧与燃烧室

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第3章燃燒與燃燒室
3-1 柴油燃燒
一、概述:
柴油引擎壓縮終了時,溫度高達400~650℃,此時噴入燃料(時間約1/300 秒),吸收熱量至著火點以上,而自行燃燒。

二、燃燒過程(圖3-1):
1.點火延遲時期:點火延遲時期又稱為燃燒準備時期或點火落後時期,此時 期由柴油噴入燃燒室後,吸收燃燒室內之高壓高溫空氣, 直至燃料吸收:溫度(熱量)到達燃點以上時,使產生自燃 點火,此時間距離極短,約為0.001~0.004秒之時間。

點 火延遲時與柴油著火性,燃燒室溫度及壓縮時溫度粘度、 粒子大小、噴霧狀況、渦動擾流程度有關。

2.火焰散播時期:火焰散播時期又稱放任燃燒時期。

當點火延遲時期結束時, 一部分柴油已著火開始燃燒而急遽散播,而在此一時期內噴 入燃燒室之柴油亦同時燃燒,在此一時間內壓力與溫度同時 急速升高恰似爆發,狄塞爾爆震在此時發生,相當於等容燃 燒。

圖3-1 柴油引擎燃燒時汽缸
內壓力之變化曲線圖
3.直接燃燒時期:直接燃燒時期又稱控制燃燒時間。

火焰散佈時期過後,燃 燒室內之溫度極高,因此,當柴油噴入燃燒室之後便立即 燃燒,但此時之活塞已過上死點,壓力上升緩慢,隨噴油 量之多寡而變化,相當於等壓燃燒。

4.後燃時期:噴油嘴噴油完畢之後,活塞繼續下行,此時燃燒室或汽缸中若 有尚未燃燒完之柴油,在此時期繼續燃燒,此時期即稱為後燃 時期。

後燃時期愈短愈好,過長則造成排氣過熱,熱效率降低。

三、狄塞爾爆震(Diesel Knocking):
1.柴油引擎在燃燒過程中,因點火延遲時期之時間過長,致使積存於燃燒室 內之混合氣在火焰散播時期同時燃燒。

此瞬間之同時燃燒,將使汽缸內之 燃燒壓力急遽升高對周圍之汽缸壁產生壓力而生音波,此音波與壓力波在 汽缸內混合而生敲擊聲,此即所謂迪塞爾爆震。

圖3-2
2.迪塞爾爆震所產生之結果如下:
(1)縮短機件之使用壽命。

(2)降低引擎馬力。

(3)排氣冒黑煙,燃料消耗率增加。

(4)引擎過熱致使汽缸之床墊,排氣門燒蝕。

(5)噴油嘴墊片燒蝕。

(6)副燃燒室易損壞。

3.柴油引擎爆震的原因:
(1)引擎壓縮比過低,引擎壓縮壓力過低。

(2)引擎轉速過低。

(3)柴油噴射量無變化。

(4)柴油噴射過早。

(5)柴油著火點過高。

(6)柴油粘度過大。

(7)柴油噴射霧粒過大。

(8)進氣壓力過低。

(9)進汽溫度過低,燃燒室溫度過低。

(10)燃燒室的設計不良。

圖3-2 迪塞爾爆震
4.為防止迪塞爾爆震,其方法有:
Ⅰ.縮短點火延遲時期
(1)升高進氣空氣之壓力及溫度。

(2)燃料霧化要完全。

(3)噴射時間要適當。

(4)提高引擎轉速及壓縮比。

(5)要使空氣產生良好的擾流作用。

(6)提高燃料之著火性能-即使用十六烷值較高者。

(7)控制燃料之噴入量。

Ⅱ.減少點火延遲時期中之柴油噴射率
(1)使用節流型噴油嘴。

(2)油邦柱塞使用二段式或二段式凸輪。

5.柴油引擎爆震與汽油引擎震之比較:
圖3-3 展開式燃燒室
3-2 燃燒室
一、展開室式燃燒室(圖3-3)
1.特點:又稱直接噴射式燃燒室,為達完全燃燒目的,故有其擾流設計有四:
(1)使噴油嘴設計成多孔形或改變噴油嘴之位置,由噴油嘴擔任擾動工作。

(2)進氣渦流法,使進入汽缸之空氣經由汽門之切面而產生擾動,或汽門設 計成面具式汽門,使進入之氣體產生擾動,但此式汽門之缺點為不產生 汽門自轉作用,圖3-4所示。

(3)利用進氣通道之設計,以產生空氣擾動。

(4)使用壓縮渦動法,利用活塞頂部之各種設計而於氣體被壓縮時產生擾動 。

圖3-4 面具式汽門
2.優點:
(1)構造簡單。

(2)燃燒室面積小,散熱少,熱效率高。

(3)燃燒壓力最高約80kg/c m2,可使用於馬力較大之引擎。

(4)冷車啟動容易,不需使用預熱塞,無副室,壓縮空氣熱量散失少。

(5)排氣溫度較低。

3.缺點:
(1)使用多孔型噴嘴、噴射壓力高(200kg/c m2),噴射泵、噴油嘴壽命較短。

(2)孔型噴嘴細小、較易堵塞,故障多。

(3)對燃料性質之要求較高,渦動性能較小,對於引擎迴轉數、負荷變化,
感覺敏銳。

(4)燃燒壓力較高,構造要堅固。

(5)排氣公害最高。

(6)最高轉速低。

(7)易起爆震。

二、預熱式燃燒室
1.特點:
(1)預熱室式燃燒室通常其副室(即預熱室)均設計於汽缸蓋內或汽缸壁內而 與主燃燒室分開,約佔30~50%,圖3-5所示。

(2)燃料先行噴入渦流預熱室先行燃燒,壓力溫度升高後以高速通過噴孔進 入主燃燒室,產生更大渦流燃燒,產生動力,圖3-6所示。

2.優點:
(1)燃料選擇性廣。

(2)運轉平穩,爆震少(燃料顆粒較大亦能霧化良好,可縮短點火延遲時間)。

(3)使用針型噴油嘴,噴射壓力較低(約為120kg/c m2),機件壽命較長。

(4)燃料與空氣之混合良好,空氣過剩率可小於1.2,污染少。

3.缺點:
(1)熱效率較差,燃料消耗率增加。

 
(2)低溫啟動性較差,需借助預熱塞(g r o w p l u g)。

(3)平均制動有效壓力較敞開式者為低。

三、渦動室式燃燒室(圖3-8)
1.特點:
(1)副室佔總面積50%~80%,通道設計,以切線方向設計目的產生較好之 渦動,圖3-9所示。

(2)噴孔面積佔活塞頂部面積2%~4%相連接。

(3)使用於中小型高速引擎,特性介於直接噴射式和預燃燒室式之間。

2.優點:
(1)引擎轉速範圍廣。

(2)空氣過剩率更低在1.3以下。

(3)渦流強、平均有效壓力高、燃料消耗率低。

(4)使用針型噴油咀(約100kg/c m2)故障少。

3.缺點:
(1)構造複雜,易變形破裂。

(2)低速時渦流小易生爆震。

(3)冷車需預熱塞幫助。

圖3-5 預燃室式燃燒室 圖3-6 噴油入預燃燒室式
與噴油嘴設計成一體
圖3-8 渦動室式 圖3-8 渦動室式
四、空氣室式燃燒室
1.特點:
(1)噴油咀裝在燃燒室內,對準副室而不噴入副室。

(2)空氣室容積佔總面積20%~70%。

(3)燃燒時間長。

2.優點:
(1)使用針型噴嘴,故障少。

(2)燃燒壓力低約40~60kg/c m2,燃燒速度慢,引擎運轉安靜。

(3)冷車發動不用預熱塞。

3.缺點:
(1)耗油率大。

(2)構造較為複雜。

(3)噴射時期之變化,影響引擎性能大。

(4)易產生後燃,排氣溫度高。

圖3-9 噴油入渦動室式 圖3-10 空氣室式燃料室
五、能量室式燃燒室
1.特點:
(1)為預燃室式與渦動室式之混合設計,通常用於小型高速柴油引擎。

(2)主燃燒室佔90%,而能量室有二個大小不同空氣室只佔10%,內室較
外室小。

(3)利用燃燒運動產生渦動。

(4)主室與副室之間以文氏管相通,噴油咀裝於能量室反方向,燃料霧化 後直接噴入能量室。

(5)能量室燃燒回流至主燃燒室,使燃燒時間增長,並均勻燃燒,活塞逐
漸受壓,運轉穩定。

2.優點:
(1)使用針型噴油嘴,故障較少。

(2)燃燒壓力低,運轉平穩。

(3)冷車發動不用預熱塞。

 
(4)燃燒室壽命較長。


3.缺點:
(1)燃料噴射時間之變化,對引擎性能影響較大。

(2)容易產生後燃,排氣溫度較高。

(3)構造複雜。

(4)燃料消耗率大。

 圖3-11 能量室燃燒室
3-3 柴油車的污染與控制
一、柴油車的排出污染物
1.排放白煙:發生在剛起動時,若持續性白煙,則是柴油內混入空氣,有 未燃燒柴油。

2.排放藍煙:機油混入柴油燃燒。

3.排放黑煙:
(1)暫時性黑煙:駕駛操作不良,急踩油門或不正常超負載運轉。

(2)連續性黑煙:保養維護不良,進排氣系統阻塞或噴油正時之誤差、噴 油量過多、柴油來不及完全燃燒或空氣量不足等。

4.NOx:壓縮比過高或燃燒室溫度過高,易產生直接噴射式較高。

5.HC/CO:柴油混合比相當廣,進氣是純空氣放排氣量較少。

二、黑煙檢測
1.目測:
(1)剛可見:0~25%
(2)可見:25~50%
(3)黑煙:50~75%
(4)濃黑煙:75~100% 
2.林格曼驗煙卡之測:
(1)林格曼驗煙卡分1~5號,中央對正排氣管,每號20%遞增。

(2)我國規定不得超過林格曼驗煙卡2號,即不得超過40%。

三、污染防制對策(圖3-12)
1.進氣系統:在進氣系統中,變更進氣歧管的形狀,改良進氣口及變更汽 門正時或加裝增壓器,減少進氣阻力以提高空氣的容積效率
,確保燃燒所需的空氣,並使空氣產生適度的渦流使與燃料 混合良好等,以得到良好的燃燒,可降低HC、CO黑煙排量。

2.燃料系統:改善噴射時期使之延遲主要目的減少NOx排放,但易造成HC及 黑煙,故要適當,噴油咀改良亦可減低HC、CO黑煙。

3.燃燒室:
(1)直接噴射式壓縮比高,壓縮壓力大熱效率高,NOx易排出但HC、CO黑 煙排量較少,而非直接噴射式反之。

(2)燃燒室中,可變更活塞頂凹孔的形狀,或設計利用活塞頂與汽缸蓋間
隙造成擠流效應以改善燃燒,圖3-13所示。

4.降低排放黑煙方法:
(1)使用高壓縮比及或使用直接噴射式以增加熱效率,促進完仕燃燒,降 低排煙。

(2)提高噴射油壓。

(3)適當噴油正時。

(4)設計空氣燃料快速混合之進氣系統及燃燒室。

(4)定期清潔空氣濾清器。

(6)定期敲擊排氣系統、積碳。

(7)調整正確之汽門正時。

5.NOx降低方法:
EGR
(1)加裝EGR,回流率=───────×100%,應低於50%
EGR+新鮮空氣量
(2)延遲噴油正時
(3)促進油滴分佈均勻
6.EGR控制:柴油引擎EGR還流需精確控制,潤滑油濾清器加裝碳過濾濾清
器,防止潤滑劣化。

7.使用黑煙捕集器:減少黑煙排放,捕集器需有再生裝置,否則要經常性
更換,目前捕集器都附有燃燒裝置。

圖3-14、圖3-15
圖3-12 柴油車低公害引擎排放廢氣之改變裝置
圖3-13 新型柴油引擎燃燒室 圖3-14 陶瓷黑煙捕集器之構造
圖3-15 直流燃燒器式捕集器構造。

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