当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第七章：柴油机的混合气形成与燃烧过程 > 7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性 > Video
同学们好
这节课我们学习
柴油机燃烧室的分类及其特点
首先介绍柴油机燃烧室的分类
柴油机燃烧室可分为两大类
一类是直喷式燃烧室
英文叫direct injection
简称DI
也称为统一式燃烧室
另一类是非直喷式燃烧室
英文叫indirect injection
简称IDI
也称为分隔式燃烧室
直喷式燃烧室是指
将燃油直接喷入主燃烧室
进行混合燃烧的各种燃烧室
主要用于车用柴油机
依据活塞顶凹坑形状不同
直喷式燃烧室可分为
浅盆形燃烧室
深坑形燃烧室
和球形燃烧室
非直喷式燃烧室
具有主 副两个燃烧室
燃油首先喷入副燃烧室内
进行一次混合燃烧
然后冲入主燃烧室
进行二次混合燃烧
根据在副燃烧室内
是形成涡流运动还是湍流运动
非直喷式燃烧室又分为
涡流室式燃烧室
和预燃室式燃烧室
主要用于非道路柴油机
如农用柴油机和船用柴油机
下面我们逐一对浅盆形燃烧室
深坑形燃烧室
球形燃烧室三种直喷式燃烧室
以及涡流室式燃烧室
预燃室式燃烧室
两种非直喷式燃烧室的特性进行介绍
浅盘形燃烧室的结构如图所示
在活塞顶部加工有开口大
深度浅的燃烧室凹坑
一般为ω形状
凹坑口径与活塞直径之比
约为0.7～0.9
凹坑口径与凹坑深度之比
约为5～7
一般不组织或
只组织很弱的进气涡流
混合气形成主要依靠
燃油喷射的运动和雾化
可以说是一种“油找气”的混合方式
因此均采用多孔
一般是5～8孔
小孔径0.15～0.25mm喷油器
喷油开启压力较高
一般为200～400bar
最高喷油压力可高达2000bar
以使燃油尽可能分布到
整个燃烧室空间
但又要避免油束喷到
燃烧室壁面产生积炭
由于采用高压和多孔喷油方式
浅盘形燃烧室在滞燃期内
形成较多的可燃混合气
因而最高燃烧压力
和压力升高率都很高
工作粗暴
燃烧温度高
NOx和炭烟排放较高
噪声 振动及机械负荷较大
这种“油找气”的被动混合方式
决定了浅盘式燃烧室的空气利用率差
必须在φa≥1.6以上
才能保证完全燃烧
但是它的优点也很突出
燃烧室设计和加工难度较小
气流运动速度低
使得散热和流动损失小
燃油经济性好
容易起动
浅盘形燃烧室
最初主要用于缸径较大
一般≥120mm
转速较低≤2000r/min
进气涡流较低的柴油机
但是 近年来
随着喷油压力的大幅度提高
浅盘形燃烧室有应用于
更小缸径柴油机的趋势
深坑形燃烧室采用
“油和气相互运动”的混合气形成方式
如图所示
以满足车用高速柴油机混合气形成
和燃烧速度更高的要求
有代表性的燃烧室如图所示的
深坑ω形燃烧室
和四角形燃烧室
深坑形燃烧室一般适用于
缸径D=80~140mm
最突出的特点就是适应转速高
最高可达4500r/min
因此在车用中小型高速柴油机上
得到了最广泛的应用
由于燃烧室形状复杂
需要对涡流强度 流场
喷油速率 喷孔数
喷孔直径 喷射角度
燃烧室的各项尺寸
进行大量的匹配优化工作
因而设计难度较大
ω形燃烧室在活塞顶部
设有比较深的凹坑
其中凹坑的中心凸起
是为了帮助形成涡流
以及排除气流运动很弱的
中心区域的空气而设置的
一般凹坑口径与活塞直径之比
为0.6～0.7
凹坑口径与凹坑深度之比
在1.5～3.5之间
采用4~6孔均布的
多孔喷油器中央布置
对4气门而言
或者是偏心布置
对2气门而言
喷雾贯穿率一般为1.05
空气运动以进气涡流为主
挤流为辅
进气涡流比Ω=1.5~2.5
介于浅盘形燃烧室
与球形燃烧室之间
通过减小dk/D
和余隙高度
可使挤流强度增加
由于利用上述燃油雾化
和空气运动两方面的作用
形成混合气
因而比浅盘形更容易
形成均匀的混合气
空气利用率提高
可在过量空气系数
φa =1.3～1.5的条件下
实现完全燃烧
我们在第5节中
介绍了燃烧室的缩口程度
对保持涡流强度和持续时间
有很大影响
同时也影响挤流强度
如图所示
在低速大负荷工况时
有缩口就是A型与无缩口B型的
ω形燃烧室都随喷油时间的推迟
而NOx降低
但无缩口燃烧室B的炭烟排放
和油耗也同时恶化
而有缩口燃烧室A基本不变
甚至略有改善
20世纪80年代
由英国Perkins公司
和奥地利AVL公司开发的
挤流口式燃烧室
可以说是一种典型的缩口ω燃烧室
其混合气形成原理
与ω形燃烧室基本相同
最大区别就是采用了很大的缩口
这使得挤流和逆挤流运动更强烈
涡流和湍流能保持较长时间
图所示给出了
挤流口式燃烧室的放热速率
其初期放热速率显然比
一般直喷式燃烧室要柔和得多
甚至低于非直喷式燃烧系统
并且在放热速率峰值最低的同时
燃烧持续期最短
这主要是因为
在燃烧初期
挤流口抑制了凹坑内
浓混合气的充分燃烧
和过早地流出凹坑
与新鲜空气进一步混合
而在燃烧中后期
涡流和湍流衰减慢的特点
有助于促进混合燃烧
因此
挤流口式燃烧系统
具有压力升高率低
燃烧柔和以及燃烧噪声低的特点
但也存在挤流口边缘
热负荷高容易烧损
以及加工一致性难以保证等不足
涡流和挤流都是尺度较大的气流运动
为了促进燃油与空气的微观混合
适当引进微涡流是十分有益的
这类燃烧室中最具代表性的
有日本五十铃公司
在20世纪70年代
首次推出的四角形燃烧室
和日本小松公司的
微涡流燃烧室这里称之为MTCC
也称为非回转体型燃烧室
图所示给出了
微涡流燃烧室的工作原理
以及对柴油机油耗
及排气烟度的改善效果
微涡流燃烧室的上部
也就是入口处为四角形
下部仍为回转体
在气缸内作涡流运动的气体
一边旋转一边进入燃烧室凹坑
在入口的四个角上
以及四角形与回转形的交界处
产生微涡流
将燃油喷向这些区域
可加快混合气形成和燃烧速度
由性能对比图b可以看出
四角形和微涡流燃烧室的炭烟排放
和燃油消耗率性能
均优于ω形燃烧室
并以微涡流燃烧室的性能为最佳
这种燃烧室的最大特点是
可以改善一般直喷式燃烧室
存在的低速涡流太弱
而高速涡流过强的问题
因而可在宽广的转速范围内
保持合适的气流运动强度
球形燃烧室是由德国MAN公司的
J.S.Meurer博士
在20世纪50年代提出的
也称为M燃烧过程
如图所示
这种燃烧方式
以油膜蒸发混合方式为主
活塞顶部的燃烧室凹坑为球形
喷油器孔数为1～2孔
单一喷孔
或一个主喷孔和一个副喷孔
启喷压力约170~190bar
低于浅盘形和深坑形燃烧室
喷油射束沿球形燃烧室壁面
并顺气流喷射
燃油被喷涂在壁面上形成油膜
为保证形成很薄的厚度均匀的油膜
需要很强的涡流
涡流比一般大于3
在较低壁温的控制下
一般壁温在200～350℃
燃料在着火前以较低速度蒸发
在着火落后期内生成的
混合气量较少
因而初期燃烧放热率
和压力升高率低
随着燃烧进行
缸内温度和火焰热辐射强度提高
使得油膜蒸发加速
燃烧也随之加速
图所示给出了
球形燃烧室与ω形燃烧室的示功图
燃烧放热率以及累计放热量的对比
球形燃烧室的预混合燃烧放热速率
和压力升高率明显低于ω形燃烧室
在理想的M燃烧过程中
燃料油膜按蒸发
被气流卷走 混合
着火燃烧的顺序进行混合燃烧
避免了较大燃油液滴
在高温下产生裂解
因而空气利用率好
可在φa=1.1的接近当量比条件下
正常燃烧
但球形燃烧室
也存在冷起动性能差
因为起动时燃烧室壁温比较低
随工况变化性能差别大
且由于对涡流强度敏感
工艺要求高等问题
目前用的非常少
涡流室式燃烧室的结构如图所示
作为副燃烧室的涡流室
设置在缸盖上
其容积Vk与整个燃烧室容积Vc之比
Vk/Vc=50%~70%
主燃烧室由活塞顶
与缸盖之间的空间构成
主燃烧室与副燃烧室之间有一连通道
其截面积Fk与活塞截面积F之比
Fk/F=1%～3.5%
与副燃烧室切向连接
在压缩过程中
受活塞挤压的空气
通过连通道由主燃烧室进入副燃烧室
形成强烈的有组织的压缩涡流
也是一次涡流
燃油以较低压力
启喷压力为100~120bar
顺涡流方向喷入副燃烧室
迅速扩散蒸发混合
浓混合气在副燃烧室内着火燃烧
这叫一次混合燃烧
随温度和压力的升高
燃气带着未完全燃烧的燃料
和中间产物经连通道
冲入主燃烧室
在活塞顶部导流槽引导下
再次形成强烈的涡流
就是二次涡流
与主燃烧室内的空气
进一步混合燃烧
称之为二次混合燃烧
这样就完成整个的
涡流燃烧室的一个燃烧过程
与直喷式燃烧室相比
涡流室式燃烧室具有下列特点
(1) 对喷雾质量要求不高
一般采用轴针式喷油器
和较低喷射压力
喷油系统成本低
(2) 由于副燃烧室内的燃烧
是过浓混合气的不完全燃烧
所以初期放热率低
因而压力升高率
和最高燃烧压力
均低于直喷式燃烧室
燃烧柔和
振动噪声小
(3) 压缩涡流随发动机转速升高而增强
也就是转速越高
混合气形成和燃烧速度越高
适合于高速柴油机
转速可高达5000r/min
(4) 缸内气流运动自始至终十分强烈
空气利用率好
可在φa =1.2的条件下正常工作
(5) 不需要进气涡流
进气道形状简单
加工制造成本低
同时充气系数高
(6) 涡流室式燃烧室的最大问题是
燃料消耗率
比直喷式燃烧室高10%～15%
其原因是由于
燃烧室面容比大造成散热损失大
另外 连通道节流造成流动损失也很大
燃烧分两段进行导致燃烧持续期过长
(7) 由于散热损失大和喷雾质量不高
冷起动性能不如直喷式燃烧室
为改善冷起动性能
一般通过提高压缩比
比如采用20以上
甚至到24压缩比
但这时对热效率已无益处
压缩比过高反而降低了机械效率
预燃室式燃烧室的结构如图所示
整个燃烧室由位于气缸盖内的预燃室
和活塞顶部的主燃烧室所组成
两者之间由一个或数个孔道相连
对于二气门布置
预燃室可偏置于气缸一侧
图(a)所示
对于四气门布置
预燃室可置于气缸中心线上
图(b)所示
预燃室的容积比Vk/Vc=35%~45%
连通道截面积比Fk/F=0.3%~0.6%
均小于涡流室式燃烧室
轴针式喷油器安装
在预燃室中心线附近
低压喷出的燃油
在强烈的空气湍流下扩散混合
着火燃烧后
随预燃室内的压力和温度升高
燃烧气体经狭小的连通道
高速喷入主燃烧室
产生强烈的燃烧涡流或湍流
进行二次混合燃烧
预燃室式燃烧室的工作原理
与涡流室式燃烧室相似
都是采用两次混合及燃烧
不同的是
由于连通道不与预燃室相切
所以压缩行程期间在预燃室内
形成的是无组织的湍流运动
图所示给出了一例预燃室
主副燃烧室的示功图
以及连通道中喷向主燃烧室的
气流速度
在压缩过程中
主燃烧室压力
始终高于副燃烧室压力
由连接通道流入预燃室的气体流速
在上止点前达到最高
着火后
副燃烧室压力很快超过
主燃烧室压力
并由于连接通道的节流作用
主副燃烧室之间
一直保持较大的压差
在此压差作用下
燃气以更高的速度
由预燃室喷向主燃烧室
瞬时流速可达600m/s
预燃室式燃烧室各项性能指标
与涡流室相近
但由于通道节流损失更大
因而燃油经济性更差一些
连通道的热负荷更高
造成使用寿命受限制
作为对以上各种燃烧室的
混合气形成及燃烧特性的总结
表列出了常用燃烧室的
主要结构参数和性能对比
表中数据一般是指
中小功率非增压柴油机而言
由表中数据的对比
可以总结出以下几点
(1) 燃油经济性
直喷式柴油机油耗明显低于
非直喷式柴油机
在能源问题已成为
全球性重大问题的今天
直喷式柴油机由过去主要用于
中重型卡车
变为现在基本占据
中小型卡车领域
并在轿车领域也有相当比例的应用
目前新研制的缸径D＞100mm的
车用柴油机基本
都采用直喷式燃烧室
以直喷和增压为技术特征的
轿车柴油机
在欧洲轿车市场的占有率超过50%
(2) 排放特性
非直喷式柴油机在原理上是低NOx
低炭烟排放的燃烧方式
比直喷式柴油机有优势
但近年来发展的电控高压喷射
和增压等技术
弥补了直喷式柴油机排放的弱点
(3) 功率密度
非直喷式燃烧柴油机
高于直喷式柴油机
因为前者空气利用率高
并适应高转速
(4) 噪声振动性能
非直喷式柴油机比
直喷式柴油机有显著优势
(5) 制造成本
非直喷式柴油机
具有制造成本低的特点
而随着直喷式柴油机
采用高压喷油等技术
两者在成本上的差距进一步增大
非直喷式燃烧系统目前
在非道路车用
和船用柴油机上仍有应用
关于柴油机燃烧室的分类
及其特点就介绍到这里
同学们 再见
-0.1 总论
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-0.2 车用发动机的种类
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-1.1 示功图及其测取
--Video
-1.2 四冲程发动机示功图分析
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-1.3 二冲程发动机示功图分析
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-1.4 性能指标分类与循环指示功
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-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
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-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
--Video
-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
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-2.1 燃料的分类
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-2.2 汽油、柴油的炼制
--Video
-2.3 汽油的理化特性
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-2.4 柴油的理化特性
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-2.5 燃料构成与理化特性
--Video
-2.6 汽油、柴油质量标准
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-2.7 燃料与发动机工作模式
--Video
-2.8 工质主要热力参数
--Video
-2.9 燃烧热化学
--Video
-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
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-3.1 热力过程与热机循环的简化
--Video
-3.2 理论循环分类及循环热效率
--Video
-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
--Video
-3.4 工质对循环热效率的影响
--Video
-3.5 真实循环对热效率的影响
--Video
-3.6 机械损失的构成
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-3.7 机械损失的测量方法
--Video
-3.8 机械效率的影响因素
--Video
-3.9 发动机的能量分配与转化效率
--Video
-3.10 发动机的节能途径与技术
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-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
--Video
-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
--Video
-4.2 配气相位对发动机性能的影响
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-4.3 充量系数的解析式
--Video
-4.4 进气阻力对充量系数的影响
--Video
-4.5 其他因素对充量系数的影响
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-4.6 充量系数的速度特性
--Video
-4.7 压力波及其传播特性
--Video
-4.8 单缸机的进排气动态效应
--Video
-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
--Video
-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
--Video
-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
--Video
-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
--Video
-5.1 发动机运行工况
--Video
-5.2 发动机特性曲线分类
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-5.3 发动机速度特性
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-5.4 发动机负荷特性
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-5.5 发动机全特性
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-5.6 发动机外特性与整车动力性
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-5.7 发动机全特性与整车经济性
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-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
--Video
-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
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-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
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-6.4 均质混合气中的火焰传播
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-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
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-6.7 示功图与燃烧放热率
--Video
-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
--Video
-7.2 柴油机燃烧放热规律
--Video
-7.3 柴油机燃油喷射系统
--Video
-7.4 柴油机喷油过程
--Video
-7.5 柴油机缸内气流运动
--Video
-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
--Video
-7.7 柴油机混合气形成方式
--Video
-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
--Video
-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
--Video
-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
--Video
-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
--Video
-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
--Video
-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
--Video
-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
--Video
-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
--Video
-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
--Video
-9.2.3 PM和Soot的生成机理
--Video
-9.3 有害排放物生成的影响因素
--Video
-9.4 汽油机机内净化技术
--Video
-9.5 柴油机机内净化技术
--Video
-9.6 汽油机后处理技术
--Video
-9.7 柴油机后处理技术
--Video
-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
--Video
-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
--Video
-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
--Video
-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
--Video
-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
--Video
-10.6 天然气发动机
--Video
-10.7 氢燃料发动机
--Video
-10.8 二甲醚发动机
--Video
-10.9 甲醇发动机
--Video
-10.10 乙醇发动机
--Video
-10.11 生物柴油发动机
--Video
-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
