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燃烧系统，见图4-4-3b），它用喷油嘴将大部分燃油喷到球型燃烧室的壁面上，形成一定厚度的油膜，另有一小部分燃油直接喷入燃烧室中引燃。

同时，进气采用螺旋进气道，造成强烈的进气涡流，活塞上行时又在球型燃烧室中形成挤压涡流，将燃烧室壁面上的油膜吹拂扩展到相当大的面积，扩大了油的汽化面积。

油膜从燃烧壁面和热空气中吸热，并在强劲气流吹拂下分层汽化、分批投入燃烧。

这种混合气形成所需要的能量主要来自进气的涡流，因而可以将其视为气找油的一种混合气形成方式。

油膜混合型的优点是：工作柔和，缸内最高燃烧压力和最高燃烧温度不太高，NOx排放较低。

另外，由于以油膜蒸发为混合气形成方式，因而对喷射系统的要求较低；喷射压力也不高，故喷射系统故障较少。

其缺点是：受供油系统和进气系统变动的影响较大，因而燃烧过程的稳定性较差，且冷起动较困难。

此外，对活塞壁面的温度控制要求较高。

尽管油膜混合型方式在实用上有局限性，主要用于高速小型柴油机，但在加深对燃烧理论的研究上却具有十分重大的价值。

3）雾化油膜混合型鉴于雾化混合型和油膜混合型混合气形成方式存在着互相相反的优缺点，现代中小型柴油机，在吸取这两种混合气形成方式优点的同时，力图避免或减小这二者各自的缺点，从而形成雾化油膜混合型方式。

具体做法是：将喷注的前锋涂布到燃烧室一定部位的壁面上，让其吸取壁热和热空气中的热量，并在空气涡流的吹拂下分层汽化，分批地投入混合和燃烧，而大部分的燃油仍以传统的雾化混合型方式形成混合气，见图4-4-3a）。

这种方式可以使在着火前喷入气缸的部分燃油附在燃烧室壁上，而不先燃烧；待以雾化混合型方式形成的混合气着火、缸内温度上升后，再分层分批地投入燃烧。

这样既可以减少着火前的混合气形成量，又可以提高中后期混合速度。

以前大功率中速机往往也不组织进气涡流，后来有些机型开始组织弱进气涡流，例如进气道带有螺旋形。

油束中心油粒大，是富油区，惯性大，随扰动气流偏转小，油束中心裸露，加快受热、蒸发、与空气混合。

改善燃油的空间分布。

提高了经济性。

如PC2-6有效燃油消耗率因此下降了3～4g/kW·h。

涡流强弱应与燃烧室尺寸及燃油的喷射配合好，涡流强，油束贯穿能力也应强。

如涡流太强，且不说进气道因螺旋形厉害，进气阻力损失大。

还会造成燃烧室外围成了贫油区，使此处空气得不到充分利用。

3．影响混合气形成的因素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。

开式燃烧室对雾化程度要求最高，使用喷嘴的孔数最多，喷油压力最高；半开式燃烧室要求雾化程度次之，使用较多孔喷嘴，喷油压力较高；分隔式燃烧室要求雾化程度最低，可用单孔喷嘴和使用较低的喷油压力。

高速机采用涡流室式燃烧室或半开式燃烧室要求雾化质量相对较低，而低速机采用开式燃烧室要求雾化质量则相对较高。

但对绝大部分船舶柴油机来讲，由于采用开式燃烧室，采用雾化混合型方式来形成可燃混合气，故雾化质量是极其关键的。

（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。

涡流越强，气流对油束的吹散作用也较大。

空气涡流对于采用气找油的油膜混合型方式来说，具有重要意义。

（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。

如果涡流强，则孔数少，一般4～6个，甚至单孔；涡流弱，则孔数多，如7～8个；如完全无涡流，则孔数更多，如9～12个。

总之，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。

（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。

三、燃烧室燃油、空气和燃烧室是研究柴油机燃烧过程的三大内容。

它们三者的最佳匹配是改善燃烧过程的关键所在。

所以，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的相互关系，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。