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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