第六节 可燃混合气的形成与燃烧室

　　一、可燃混合气的形成 
　　燃料喷入气缸后与空气混合形成可燃混合气的质量，对燃烧过程起着决定性的作用。由于着火延迟时间很短，所以可燃混合气的形成是在极短的时间内完成的，为了提高柴油机可燃混合气形成的质量，通常采取下列措施：
　　１、喷入气缸的燃料应雾化良好，并具有一定的射程，即油粒微小而且均匀，并充满整个燃烧室空间。这样保证雾化的燃料与燃烧室的空气的接触面增大，可加速燃料发火前的预热、蒸发和氧化，即可缩短着火延迟期。 
　　２、燃料喷射的形状应与燃烧室的形状相适应，以便在燃烧室空间形成良好的混合气。
　　３、在燃烧室内造成强烈的空气涡流，促使燃料在发火前与空气充分地混合 
　　以上措施通过选择合适的燃烧室型式和喷油装置来实现。
　　二、燃烧室的型式 
　　在柴油机中由于燃烧室的型式不同，混合气形成的方法也不同，大致可分为：空气混合气形成、油膜混合气形成和复合式混合气形成。现代柴油机的燃烧室可以分为两大类：
　　１、直接喷射式燃烧室：这种燃烧室设在活塞顶上，是一个统一的空间。主要指喷射油束与燃烧室形状相互配合，使燃油与空气均匀地混合。直接喷射式燃烧室又可分为统一式、半分开式、球型油膜式及复合式等型式。 
　　２、分开式燃烧室：燃烧室被明显分隔成两部分，其一部分由活塞顶面及气缸盖底面组成；另一部分在气缸盖或气缸体中，两者以一条或数条通道相联接。分开式燃烧室主要包括涡流室和预燃室。 
１.统一式燃烧室 ［图片演示］
　　统一式燃烧室是由气缸盖底面、活塞顶面及缸壁所形成的统一容积所构成。这种燃烧室内涡流运动很微弱，为使燃料尽可能地分布到整个燃烧室空间，一般将活塞顶做成浅凹状，使其与油束形状很好地配合，避免油束和燃烧火焰直接与气缸壁接触。这种燃烧室属于空间形成混合气。它有如下特点： 
　　１、形状简单，结构紧凑，散热面积小，散热损失少，容易起动，柴油机的燃油消耗率比其它型式的燃烧室都低，因此应用较广泛。大、中、小型，高、中、低速柴油机均可采用这种燃烧室。 
　　２、对燃油喷射系统要求高。为保证良好的雾化质量，必须采用较高的喷射压力和多孔喷油器，其喷孔直径很小，加工制造比较费工时。 
　　３、柴油机的最高燃烧压力pz和压力升高率都较高，使曲柄连杆机构受力较大。
　　４、对柴油机转速变化及燃料质量特别敏感。因为转速变化和燃料质量直接影响着喷雾质量。

2．半分开式燃烧室［图片演示］
　　半分开式燃烧室是由两个分空间构成：一部分是活塞顶上较深的凹坑，有时还将凹坑处直径缩小，构成活塞顶燃烧室，另一部分是活塞顶部余隙2的空间。两部分之间没有缩小的通道明显地分开，故称为半分开式。
　　半分开式燃烧室是靠喷雾质量及压缩过程中空气在活塞顶的深凹坑内产生挤压涡流这两方面作用，促使燃油与空气均匀混合。
　　与统一式比较，半分开式燃烧室对燃油系统的要求较低，但仍保持燃油消耗率低、起动方便的优点，并使柴油机工作比较柔和。
3．球型油膜燃烧室［图片演示］ 
　　球型油膜燃烧室基本上是属于半分开式的一种型式。但工作过程与半分开式不同。半分开式燃烧室主要是空间雾化混合，而球型油膜燃烧室却为油膜蒸发形成混合气。 
　　该型式燃烧室是在活塞顶部加工有一深的球形空间。工作时，喷油器将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，使燃油摊布在燃烧室壁上，形成一层很薄的油膜，在较低的温度下蒸发，以控制燃油的裂解反应。蒸发出的油气与空气混合成均匀的混合气。喷油过程中，从油束中分散出的一小部分极细的油雾，在炽热的空气中首先完成着火准备，形成火源，靠此火源点燃由球型室壁上蒸发形成的可燃混合气。随着燃烧的进行，产生大量热量，形成火源，促使燃烧室壁上的油膜不断蒸发、燃烧。　　
　　球型油膜燃烧室的特点是：工作柔和，燃烧噪音小，排烟少，性能指标好，并能使用多种燃料。缺点是冷车起动困难，多用于小型高速柴油机。

4．复合式燃烧室［图片演示］ 
　　复合式燃烧室是一种介于球型油膜与半分开式燃烧室之间的型式。把空间雾化与油膜蒸发很好的结合在一起，实现燃油与空气的混合。 
　　燃烧室位于活塞顶正中心，呈"U"字型的凹坑。 喷油方向基本上与空气涡流方向垂直。有一个很小的顺气流趋势的偏角，使一部分燃油在涡流作用下沿燃烧室壁面分布为油膜；另一部分则产生空间雾化。两者比例与柴油机工况有关。当柴油机转速较高时，气流运动增强，油膜形成增多，具有油膜燃烧的特点。而在低速运转或起动时，气流速度低，使空间雾化燃烧增多，具有空间燃烧的特点，从而改善了冷机起动性能。此外，复合式燃烧系统还具有能适应多种燃料(如柴油、煤油、汽油、重油都能平稳运转)，对燃油系统要求低等特点。
5．涡流室式燃烧室［图片演示］ 
　　涡流室式燃烧室是由涡流室和主燃烧室两部分所组成。两部分之间通过一个或几个通道相连通。通道方向与活塞顶倾斜一角度，并与涡流室相切。涡流室容积约占整个压缩容积的60一80％。喷油器安装在涡流室内，燃油顺着涡流方向喷射。涡流室通常做成球形，在压缩过程中，气缸内的空气经通道被压入涡流室中，并产生强烈的有组织的旋转运动。当燃油喷入涡流室时，较强烈的涡流冲散形成均匀的可燃混合气，并发生燃烧，使涡流室内的气体压力和温度升高。在开始膨胀冲程时，涡流室中未燃烧的混合气和燃气一起，经通道冲入主燃烧室，与主燃室中的空气进一步混合燃烧。 
　　涡流室式燃烧室的特点是： 
(1)对燃油系统要求不高，因为它主要依靠强烈的涡流作用形成混合气，因此不需要很高的喷射压力。 
(2)柴油机工作平稳。由于初期燃烧过程是在涡流室内进行，不直接作用在活塞上，使主燃烧室的压力升高率较小。 
(3)对柴油机转速变化不敏感。由于压缩涡流随转速升高而增强，所以在较高转速时仍能保证较好的混合质量，因此涡流室式燃烧室适用于高速小型柴油机。 
　　涡流室式燃烧室的缺点是：相对散热面积大，而涡流室又直接与冷却水接触，使散热损失加大；由于气体从涡流室向主燃烧室流动时，产生的节流损失较大，因而使柴油机冷机起动困难，燃油消耗较高。
6．预燃室式燃烧室 ［图片演示］
　　它是由装于气缸盖的预燃室和活塞上部的主燃烧室两部分所构成。两者之间由一个或几个孔道相通。喷油器安装在预燃室中心线附近。　　预燃室式燃烧室与涡流室式的工作过程不同，预燃室的连接通道与内部空间不相切，因此，气流不会产生涡流，而是产生强大的紊流，依靠紊流的作用，使一部分燃料雾化混合。当部分燃料首先在预燃室内着火燃烧后，使预燃室中的压力和温度迅速升高，将预燃室中的混合气高速喷入主燃烧室内，造成强烈的气体扰动，使大部分燃料在主燃烧室里混合燃烧。 
　　预燃室的容积较小，一般只占总燃烧室面积的20％一40％。同时，与主燃烧室之间的通道面积较小，因此预燃室与主燃烧室之间的压差较大，流动损失也大。 
　　预燃室和涡流室两种燃烧室具有相似的特点：由于预燃室与主燃室之间通道面积很小，具有强烈的节流作用，使主燃烧室中压力升高缓慢，最高燃烧压力较低，柴油机运转平稳；对燃油系统的要求较低，可采用结构简单的单孔轴针式喷油器，喷油压力要求较低。燃油系统工作可靠；同时对柴油机转速变化、燃油品质的敏感性较小。预燃室燃烧室的缺点是：燃油消耗率高、起动困难。预燃室喷嘴由于在高温环境工作，容易损坏。