第三章燃烧室与燃烧

把燃油喷到燃烧室壁面上以及存在强 烈空气混流外，尚需严格控制燃烧室 表面的温度，而且要求上述三方面因 素应有最佳匹配。这在实践中存在较 大困难，因而仅用在某些小型高速柴 油机上(使用后述的球形燃烧室)，尚未 得到广泛使用。
•
• 在某些高速小型柴油机中，燃油 或多或少会喷到燃烧室表面上，以 油雾法发火，之后以油膜蒸发混合 法燃烧，可称雾化油膜混合法，也 没有发生燃烧恶化现象。这说明上 述两种混合方式可以兼而有之，只 是主次不同而己。
• 1)进气祸流 • 在空气进入气缸的过程中借助
于它所具有的动能形成绕气缸中心 线旋转的运动称为进气涡流。 • 如在四冲程柴油机上采用带导气屏 的进气阀，采用切向进气道、螺旋 进气道，以及在二冲程柴油机上采 用具有切向倾斜角的进气口等。
• 2)挤压涡流
•
在压缩行程期间，当活塞接近上止点时， 活塞顶上部环形空间的空气被挤入活塞顶 中部的凹坑容积中，这种空气流动称挤压 涡流，简称挤流。同理，当活塞下行时凹 坑容积内的气体又向外流向环形空间而产 生膨胀流动(或称逆挤流)。在实际柴油机中， 由于活塞环漏气及空气的粘性、传热损失 等原因，挤流对混合的作用不明显，而逆 挤流对混合与燃烧的影响却较为明显。
• 3)压缩涡流
•
在压缩行程中，气缸中的空气被 活ຫໍສະໝຸດ Baidu挤压经过通道进入祸流室中，形 成强烈的有规律的旋转运动，称压缩 涡流。为此，燃烧室必须分为主、副 (涡流室)两室.
• 4)燃烧涡流 • 利用在预燃室中部分燃油燃烧
产生的能量，使预燃室中的混合气 高速喷入主燃室造成主燃室空气的 强烈涡动称燃烧涡流。此种涡流可 显著加速主燃室中的混合与燃烧。 为此，燃烧室领分为主、副(预燃 室)两室.
• 第四节 可燃混合气的形成 • 可燃混合气是指出气态燃油与
空气组成的一种混合气，其组成和 状态应保证它易于在气缸内发火燃 烧。根据柴油机的工作原理可知、 它必须采用内部混合方法形成可燃 混合气，即燃油的喷射、雾化、蒸 发与空气混合形成可燃混合气的全 过程均发生在气缸内部。
• 混合气形成过程是控制和决定燃烧过
• 不同类型的柴油机对这两方面因素的
依赖程度不同： • 船用大、中型柴油机和低速机主要依 赖于燃油的喷雾(可称为油雾法)．而 较少依赖空气涡动。所以这种柴油机 对喷射设备的工作要求较高(如要求高 压喷射、多孔喷射等)，对喷射设备工 作的变化极为敏感.
•
中、小型和高速柴油机主要依 赖于空气涡动(可称涡动法)、而较 少依赖燃油喷雾。由此，在这种柴 油机的燃烧室中必须形成某种形式 的空气涡动，而对燃油的喷射质量 要求不高(如可采用较低压力的单 孔喷射).
燃烧前的油气混合范围，改善了燃油 的空间分布。但扰动过强会使油束贯 穿力下降，可能使靠近燃烧室壁面的 空气得不到较好的利用。 • 气流扰动促使油束分散，增大混合范 围，增强热混合作用，促进了油气的 混合，改善了燃烧的完善程度。
• 1．空气涡流的形式 • 柴油机气缸内空气绕气缸轴线有规
则地流动称空气涡流(或称旋流)。通常， 在燃烧室中的空气总是多少有些运动， 但这种自然形成的空气流动很弱而且 没有规律，对混合气的形成没有明显 的影响。因此，为了形成空气的涡流， 必须采取专门的措施。目前在柴油机 中采用的空气涡流主要有以下几种形 式。
雾化混合。 • 半开式燃烧室的经济性较好、起动 性较好、过量空气系数a较小，不 同程度地克服了开式燃烧室工作粗 暴、机械负荷大的缺点。多用在小 型高速柴油机中。
• 3。球型燃烧室 • 球形燃烧室(亦称<S.Meurer>M过程燃烧
室)也是半开式燃烧室的一种.采用油膜蒸 发混合方法形成可燃混合气，燃油顺气 流方向大部分喷到凹坑容积表面，并利 用气体涡流把燃油展成薄膜。小部分燃 油在燃烧室空间中作为发火引燃油.燃烧 室壁温控制在200℃一350℃使燃油膜在 低温下蒸发，然后与旋转的气流混合成 可燃混合气。
• 目前绝大多数柴油机仍以空间雾化
混合法为主。
• 三、燃烧室
•
在柴油机中，混合气形成与燃烧均 与燃烧室的类型、结构有密切关系。 燃油的雾化、空气的扰动和燃烧室的 形状是研究柴油机燃烧过程的三大内 容要素。它们三者的最佳匹配是改善 燃烧过程的关键所在。
• 对燃烧室应与油、气配合研究。燃烧
室的几何形状，相对于气缸中心线的 位置以及与油泵、喷油器的相互关系 配合，对于燃烧过程的完善程度以及 柴油机性能的优劣极为重要。 • 对燃烧室要求：①有利于混合气的形 成；②能量损失少；③使柴油机工作 平稳；④有较好的起动性能。
• 开式燃烧室在大、中型柴油机及船用
低速柴油机中得到了广泛的使用。 • 开式燃烧室适用于缸径D≥160mm的 柴油机，船舶主机、发电副机均采用 这种燃烧室。
• 2．半开式燃烧室 • 半开式燃烧室是由活塞顶面到 气缸盖底面之间的余隙容积以及位 于活塞顶部或气缸盖底部的凹坑容 积两部分组成，而且两者以较大的 通道相连。 • 根据凹坑容积的不同形状，可分 为ω形（图a）、倒ω形（图b）、 球形（图c）；W形、半球形、Δ形 等。
• 其特点是：
（1）工作柔和、无烟、性能指标好。 • (2）空气利用率高，过量空气系数较 低，已降至1.1。 （3）冷起动比较困难。因为空间雾化 燃油量少，起动时燃烧室壁温低，壁 面上蒸发混合的燃油少，对起动不利。
• （4）对增压适应性差。因增压后
每循环供油量大使油膜变厚，影响 可燃混合气形成的速度。 • （5）在大缸径柴油机上应用困难。 因为当缸径增大时每循环供油量增 多，而燃烧室的相对表面积减小， 这样使油膜变厚，影响混合气形成 的速度。
• 根据混合气形成及燃烧室结构特点，
柴油机燃烧室基本上分为直接喷射式 燃烧室和分隔式(分开式)燃烧室两类。 直接喷射式燃烧室(燃油直接喷射到燃 烧室中)按其结构特点又可分为开式和 半开式燃烧室；分隔式燃烧室(燃油不 直接喷射到主燃烧室中)通常有涡流室 和预燃室燃烧室两种。
• 1．开式燃烧室 • 开式燃烧室是由气缸盖底面、活塞顶面
• （4）压缩终点的缸内热状态。压缩
终点的缸内热状态即为压缩终点缸 内空气压力、温度以及空气涡流等， 对燃油的雾化质量、可燃混合气的 形成都有影响。 • （5）燃烧室类型。燃烧室的类型是 多种多样的，对不同的燃烧室，其 形成的空气涡流的强弱及涡动方式 会有很大区别，因而在形成可燃混 合气时也有显著差异。
• (2)热混合作用。在发生燃烧之后，
燃烧室中空气的旋转涡流可使新鲜 空气与燃气在密度差作用下发生分 离运动。密度较小的燃气趋向燃烧 室中心运动，而把密度较大的新鲜 空气由燃烧室中心挤向燃烧室外缘。 以此促进空气与未燃燃油混合。这 种混合作用称为热混合。
• 二、可燃混合气形成方法
• •
1．空间雾化混合法 可燃混合气是在燃烧室空间形成的。因 此，燃油必须喷射到燃烧室空间并与燃烧 室形状相适应。不允许燃油喷射到燃烧室 壁面上，否则会冒黑烟和结炭。显然，使 燃烧室中的油束尽快蒸发、混合，主要取 决于燃油的油束特性(雾化质量和油束几 何形状)和空气的涡动状态两方面因素。
• （3）不组织进气涡流或组织弱进
气涡流。因燃烧室空间统一，容积 较大，油束可以较长。油束前进过 程中，空气促进燃油雾化，燃油运 动带动空气运动，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 的速度能而来的。不组织进气涡流 也能达到较好混合。
• （4）由于完全依靠空间混合，在滞
• 2．油膜蒸发混合法
•
油膜蒸发混合法与空间雾化混 合法不同：这种混合方法要求把大 部分燃油(约占95％循环喷泊量)喷 到燃烧室表面(如活塞顶部表面)并 形成一层薄油膜。油膜受热蒸发气 化，在燃烧室中强烈的空气涡流下， 油膜逐层蒸发与空气混合成可燃混 合气。
• • 这种混合方法除了要求按一定方向
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。 • 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，
• 一.缸内气体的流动 • 燃油经喷油孔喷在静止空气中的雾化
状态及混合。 • 扰动的影响：受扰动气流作用后，油 粒所走的轨迹发生了不同变化，中心 部分大油粒惯性大，随扰动气流偏转 小；小油粒则相反，易被携带，油束 中心的燃油就易裸露在空气中，加速 与空气的混合。
• 因此，空气扰动吹散了油束，扩大了
• 由于柴油机机型不同，有不同的燃 烧室和不同的转速，因而影响可燃 烧混合气形成的因素亦有区别，现 综合主要影响因素如下： （1）燃油的雾化质量。良好的雾化质 量对于形成可燃混合气具有重要作 用，喷射系统必须使喷入气缸的燃 油达到燃烧室所要求的雾化质量。
• （2）燃烧室空气涡流。燃烧室空气涡动
可促使油束分散，增大混合的范围，改 善燃油的空间分布状态。空气运动能促 使油粒分散到更大的空间里去。 • （3）喷油器喷孔数目及孔径。喷油器喷 孔数目及孔径大小，不但与雾化质量有 关，而且还与空气涡流的强度有关。喷 油孔数目及孔径要根据缸内涡流情况及 所要求的雾化质量来确定。
• 5).湍流 • 在气缸中形成的无规则的气流
运动称为湍流.在柴油机上组织适 当的湍流可以改善燃油(特别是在 壁面附近的燃油)与空气的混合.
• 2.空气涡流的作用 • 在燃烧室中空气涡流对混合气形成
的作用主要有： • (1)可促使油束分散，增大混合 范围。空气的涡流可使油束外围的 细小油粒偏向空气涡流轨迹，从而 使油粒分散到更大的容积去。涡流 越强，气流对油束的吹散作用越大， 即加速燃前混合。 •
燃期内形成的可燃混合气较多，因此 燃烧温度高，压力升高率较大，且直 接作用在活塞上，使得工作较粗暴， 机械负荷大。 • （5）过量空气系数α必须较大。因为 混合气形成主要靠喷雾质量，为油找 气的方式，故为了保证燃烧完善，必 须选用较大的过量空气系数。
• （6）经济性好。由于燃烧迅速，且燃
烧室空间统一，燃烧过程中气流流动 损失小。燃油消耗率ge低。 • （7）对燃油品质及转速较敏感。因雾 化质量随转速而变化（喷油压力随转 速而变化），转速降低则雾化质量变 差，燃烧不良。如燃油粘度较大，则 雾化不良，燃烧恶化。 • （8）起动性能好。相对散热面积F/V 小，易起动。
• 半开式燃烧室中混合气的形成一方面 利用喷雾，另一方面利用进气涡流和 挤压涡流所形成的涡流。与开式燃烧 室相比，半开式对喷雾的要求有所降 低，但对空气涡流的要求明显增强。
• 半开式燃烧室的特点是： • （1）组织空气涡流。 • （2）对燃油喷射系统的要求较低，启
阀压力较低。
• （3）可燃混合气形成主要靠空间
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。
及气缸壁面形成的统一空间。图中(a)为平 顶活塞、倒钟形气缸盖，适用于大型低速 二冲程弯流扫气式柴油机；图(b)为浅盅 形凹顶活塞、倒盅形气缸盖，适用于大型 低速二冲程气阀一气口直流扫气柴油机。 图(c)和图(d)分别为浅盆形和浅ω形活塞顶、 平底气缸盖，适用于大、中型四冲程柴油 机。
• 开式燃烧室的特点是： • （1）可燃混合气形成主要靠空间 雾化混合。混合气形成主要靠燃油 的喷射，要求喷油压力较高，采用 多孔（6～12孔）喷嘴，喷孔直径 相对较小（d=0.25～1.2mm）， 对燃油净化处理要求严格。 • （2）喷注形状与燃烧室要很好配 合，以充分利用燃烧室中的空气， 防止燃油喷到燃烧室壁上。