4-4第四节 混合气的形成和燃烧

第四节混合气的形成和燃烧

在柴油机中燃油经过喷油器，以很高的压力喷入气缸，与气缸中的压缩空气混合，自行发火并燃烧。由于时间有限，要保证后续的燃烧完善，必须有一套完好的喷油设备，及与之配合的燃烧室。有些柴油机的燃烧必须有适当的空气运动，这就要求燃油雾化、空气运动及燃烧室这三要素之间有良好的配合。

一、燃油的雾化

燃油自喷油器喷孔中在高压下以高速（可达200m/s）喷出，被雾化成很微小的细粒，其直径从5μm到250μm不等。较大油粒在运动中根据空气压力和燃油表面张力及粘度之间的平衡，还可进一步分裂为微细的颗粒，这些油粒具有一定的贯穿力，使它们能够均匀地分布在燃烧室中。即燃油雾化靠的是（1）紊流，（2）空气分子的撞击、摩擦。燃油雾化成无数的细微油滴，增加了表面面积，加速了从空气中的吸热过程和油滴的气化过程，加快了燃烧和能量转化，对提高柴油机性能有极大的帮助。

1．油雾的形成

油束参数及周围空气情况如图4-4-1所示。

喷油初期，喷注前锋首先依靠自己的惯性力，然后依靠后续喷注对它的推进而向前飞驰。根据喷射过程的压力变化，初始喷注的速度并不是最高速度，而在最大喷射压力时，喷口处的喷注速度才是最高喷速。喷注在最高喷速下以最大的惯性力推动先头喷注前进。

喷油后期，缸内压力升高，而喷油压力却迅速下降。这时喷孔两端的压力差迅速减小。喷注尾部的速度低于其前面的喷注速度。

喷注前锋部分，实际上是不断补充和更新的。因为最早进入缸内的喷注，受迎面空气阻力最早也最大，同时受热时间也最长，因而气化也最早。

供油停止后，喷注失去了后续部分，Array由于喷孔两端压力差和喷速均较小，因而

向径向扩展较慢，密度较大，不易雾化和

汽化。此阶段的液相油注是最后参加燃烧

的燃油，其热效率较差，容易在高温中裂

解成碳烟。

喷注的前锋高速飞驰时，其后会形成

低压区。因而出现引射效应和四周空气补

充入内的卷吸效应。燃油的引射效应和空

气的卷吸效应对喷注的撕裂、破碎和雾化

起着加速和促进作用。

每束油注在燃烧室中的空间分布，形

成一个由许多油粒组成、外形与圆锥体相

图4-4-1 油束参数及周围空气情况

似的油束，如图4-4-1所示。在油束中间部

分油粒密集、直径大，称油雾核区；而外

围部分油粒直径小，且燃油蒸汽与油滴共存，故称油气混合区。

2．喷雾特性

喷雾特性通常包括雾化质量和油束的几何形状两方面。

表征雾化质量的主要指标有二个：

（1）雾化细度它表示油束中的油粒平均直径，其值越小则油雾喷得越细，越有利于可燃混合气的形成。

（2）雾化均匀度它表示油粒直径的变化范围，可用油粒的最大直径与平均直径之差来表示。其直径差越小，则说明雾化越均匀。

表征油束几何形状的参数也有二个：

（1）锥角β见图4-4-1。它表示油束的扩散能力和紧密程度。β大就说明油束扩散能力强、油粒细、散布好，因而燃油与空气接触表面积大，有利于混合气形成。

（2）射程L见图4-4-1。它表示油束的贯穿距离，并标志着油束前锋在压缩空气中贯穿的深度。如射程过短，油束就不能布满燃烧室的全部容积，距喷油器较远区域内的空气不能得到充分利用。如射程过长，则有一部分燃油将喷到燃烧室壁面上。这两种情况都会使燃烧恶化，柴油机的功率和经济性下降。

3．影响雾化的主要因素

影响雾化的主要因素有喷油压力、喷油器喷孔直径、燃油粘度和喷射背压。

1）喷油压力

当喷油压力增大时，雾化细度及均匀度提高，油束锥角和射程增大，雾化质量提高。这是因为当喷油压力提高时，燃油从喷孔喷出的速度增大，使油注本身的扰动加剧，燃油的引射效应以及空气的卷吸效应增强，同时燃油在压缩空气中的阻力与空气分子的撞击、摩擦也随之增大，故燃油雾化较好。

2）喷孔直径

当喷孔直径增大时，雾化细度和均匀度均下降，但油束射程增大而锥角减小。相反，当喷孔直径减小时，雾化细度及均匀度提高，油束锥角增大而射程减小。

3）燃油粘度

当燃油粘度增加时，由于其流动性差，分裂较困难，故雾化不良。为保证雾化良好，当使用粘度较高的燃油时应采取预热措施以降低燃油粘度。粘度对喷雾的影响参见图4-4-2。

图4-4-2 燃油粘度对喷雾的影响

4）喷射背压

当喷射背压增加时，即缸内压缩空气的密度增加，燃油喷射时受到的阻力与空气分子的撞击、摩擦增加，因此雾化质量提高，锥角变大，而射程缩短。

二、混合气的形成

混合气形成过程是控制和决定燃烧过程的关键因素。它在喷油过程与燃烧过程之间起着承上启下的纽带作用。

1．对混合气形成的要求

为保证后续的燃烧过程能取得良好的效果，柴油机对混合气形成过程有下列共同的要求：

（1）在柴油机所要求的极短时间内，燃油要能快速地破碎、雾化、吸热、汽化、扩散至空气中，并与空气混合成有一定浓度的可燃混合气。

（2）要适当减少着火前的供油量，以避免过高的放热峰值，最大压力升高率，最高爆炸压力。同时，要加速中、后期的混合和燃烧速度。

（3）要充分利用燃烧室内的一切空气，使之参与混合。要使活塞顶隙、气阀坑等处的空间尽量小，以提高实际的过量空气系数。

（4）在充分利用进气涡流的同时，要尽量组织挤压涡流，以便于组织燃烧室空间内的复合涡流。要使整个混合气形成过程和燃烧过程在各种涡流的促进下进行。

（5）在混合气形成过程中，要尽量发挥喷油过程，气流运动和燃烧室结构、形状的作用，并使三者配合，以便加速和完善油气混合。

2．混合气形成的方式及特点

柴油机混合气形成有许多种方式，但比较典型的方式有雾化混合型、油膜混合型及雾化油膜混合型三种。

1）雾化混合型

雾化混合型亦称空间混合型。这种混合气形成方式是在喷油压力较高的条件下，燃油高速喷入燃烧室空间。其喷油器的喷孔数较多，孔径相对来说较小，在无进气涡流或较弱涡流情况下将油喷成雾状。由于各油束均匀分布于燃烧室内，油雾弥散于燃烧室的空气中。

这种混合气体形成所需要的能量主要来自油束的动能。它是由喷油泵的压力能转化成油束的速度能而来。所以，在油与气的双方混合中，起主导作用的是油。因而，它可视为主要是油找气的混合方式。

雾化混合是一种传统的混合气形成方式，大多数柴油机目前仍采用此方式来形成混合气。尤其是船舶柴油机，绝大多数采用此方式。

雾化混合型的优点是：不必专门组织进气涡流，从而避免了复杂的进气道以及由此造成的充气效率的下降，因而柴油机的经济性较好。其缺点是：供油设备的制造水平和调试管理水平要求高，供油系统的故

障相对来说较多，发动机工

作易粗暴。

2）油膜混合型

油膜混合型又称M燃