第三章燃烧室与燃烧

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，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。

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。（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。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。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，气缸中的空气被活塞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.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。

(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。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).

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。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。

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。（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。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。

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。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。

球形燃烧室可保证工作柔和，燃烧噪声小，排烟少．对燃油品质的适应性强。但由于存在明显的缺点是起动性能差、变负荷性能差、高低速运转性能差，不适于大型机等)使这种燃烧室未得到推广使用，仅限于某些高速小型柴油机使用。3．涡流室式燃烧室涡流室式燃烧室由主、副两室所组成，主宝系压缩室(余隙容积室)；副室(即涡流室)设在气缸盖内，呈球形或圆柱形。二室以切向通道连通，通道面积远小于半开式燃烧室。这种燃烧室所形成的混合气主要依赖空气扰动(压缩涡流)。混合气形成主要利用涡动法(压缩涡动)，对燃油喷射系统及其工作质量的要求有所降低。这种燃烧室采用孔径较大的单孔喷油器和很低的喷射压力(启阀压力约为12MPa一15MPa)，所需过量空气系数也很小.由于压缩旋流随转速升高而加强，所以更能适应小型柴油机的高速化。

这种燃烧室有工作平稳、有害气体排放少、对燃油及其雾化不敏感等优点。但因热损失、节流损失和流动损失较大，存在着起动困难、油耗增加的缺点。为了改善起动性能，图中装有电热塞和保温块，以提高燃烧室的热状态.

4．预燃室式燃烧室预燃室式燃烧室也由主、副两室所组成。主室仍系压缩室。副室设在气缸盖内位置居中，称预燃室，形似瓶状。二室以单孔或多孔直通道相连，通道面积远小于涡流室式燃烧室。这种燃烧室形成混合气主要依赖燃烧涡流。

在预燃室中不组织压缩涡流，预燃室的主要作用是在主燃烧室中形成燃烧涡流。在预燃室中只燃烧少量燃油，利用这部分燃油的燃烧能量，将其中的混合气高速喷入主燃烧室，并在其中造成气体运动，促使大部分燃油在主燃烧室中混合并燃烧。这种燃烧室对燃油雾化质量要求也不高。

分隔式燃烧室的特点：（1）因空气流速高，燃油与空气混合良好，空气利用率高，因此过量空气系数小，烟色较好。（2）主燃烧室内压力升高率较低，因此工作平稳，噪音较低。（3）对转速与燃油品质不敏感。（4）散热损失，节流损失均较大，因而其经济性差，冷起动困难。

第四节燃油的燃烧自压缩行程末期燃油喷入气缸，直到在膨胀中燃烧结束的整个燃烧过程中，缸内燃油经历了以内部混合形成可燃混合气，以压缩发火方式形成自燃发火，以及火焰扩散形成燃烧的全部过程。这一过程是一个极为复杂的相互渗透的物理与化学变化过程，而且其进行时间极为短暂。一、可燃混合气的着火柴油机中的燃烧过程必须经历可燃混合气自行着火（自燃）和稳定燃烧（火焰的传播）两个阶段。自行着火是一个复杂的物理（燃油的喷射、雾化、蒸发和混合）与化学（焰前氧化反应）变化过程。首先着火的部位是在油束核心与外围之间混合气浓度适当（通常该局部α≈1）和温度适当处。

在缸内符合此要求的部位不止一处，所以可能是多点同时着火，而且各循环的着火点也不尽相同。当火核形成之后，火焰即向四周传播形成稳定的燃烧。传播路径与速度仍然取决于可燃混合气形成的状态以及空气的扰动。如果个别火焰中心在传播途中遇到不合适的可燃混合气(如浓度过浓或过稀)，火焰传播中断。同时其他部分的混合气可能形成火焰核心并向四周传播。

二、燃烧过程在燃烧过程中，气缸内气体的压力和温度不断变化，这个压力及温度是综合反映燃烧进行情况的最重要的参数，可以用来分析燃烧过程的进展情况，根据燃烧过程的进展特点，一般可把燃烧过程入为地划分为以下四个阶段：滞燃阶段1——自喷油始点A至着火点B；速燃阶段2——自着火点B至最高压力点C；缓燃阶段3—最高压力点C至最高温度点D；后燃阶段4——自最高温度点D至燃烧终点。1.滞燃阶段(A—B)

从喷油开始（A点）到缸内气体压力开始急剧上升的发火点（B点）为止称滞燃期，又称着火延迟期，此为燃烧过程的第一阶段。燃油从A点喷人气缸，这时虽然气缸中空气的温度高达600℃以上，高于在当时压力下燃油的自燃温度，此时因未满足燃油自燃着火的其它必要条件，燃油不立即燃烧。

在此期间，喷入气缸的燃油主要进行一系列的物理和化学准备，包括燃油的雾化、加热、蒸发、扩散与空气混合等物理准备阶段，以及着火前的预氧化等化学准备阶段。这种物理与化学准备阶段对每一个燃油分子来说，有先有后。实际上，在气缸内两种准备是交叉进行的。燃油在滞燃期内没有产生明显的燃烧，焰前氧化反应的放热量与物理准备的吸热量基本相等，因此，气缸内的压力和温度基本与压缩压力和温度相同。在这一阶段，气缸内的压力基本上与纯压缩线相重合。滞燃期气缸内的压力和温度取决于压缩终点的状态。滞燃阶段的长短可用滞燃时间i（s）或滞燃角i（曲柄转角CA）来表示，滞燃期的长短可用式：i=i/6n（s）柴油机的滞燃时间在0.001～0.005s。有些情况下可缩短到i＝0.0005s、但不可能使i＝0.

在滞燃期中，燃油进行着一系列发火前的物理和化学准备。此间喷入气缸的燃油量称为滞燃量Δi，低速机的Δi＝(15％～30％)Δgi，高速机可使Δi＝(80％～100％)Δgi

（Δgi为循环喷油量）。

滞燃期内形成的可燃混合气的数量决定了后续速燃期燃烧的急剧程度。当滞燃期结束时，滞燃量将立即全部投入燃烧，而且这时活塞接近上止点，气缸容积很小，致使气缸内压力偏离压缩线并迅速达到最高爆发压力。τi愈长，Δi愈多，一旦发火燃烧，压力就会突然增高，使柴油机工作粗暴、表现在曲线BC段上特别陡峭，而且C点也格外地高。严重时会造成敲缸和机件的损坏。

τi被视为柴油机运转的重要参数。从避免敲缸和减轻机件负荷的角度出发，τi应愈短愈好。但是τi必须有一个最小限度，当τi过短时也会发生不正常燃烧。燃油喷柱刚离开喷油器就立即燃烧，使油气和火焰过分集中在喷油器附近，进而造成混合气不均匀而无法实现完全燃烧。严重时造成部分燃油分子在高温下热裂生成炭烟，致使柴油机发不出标定功率。理想的滞燃期应是至少允许燃油喷柱在混合气发火前有穿过燃烧室空间到达（或接近）燃烧室壁面的时间。滞燃期过长是引起柴油机燃烧过程恶化的通病，应力求缩短柴油机的滞燃期。滞燃期对燃烧过程有着决定性的影响，

2．速燃阶段(B—C)

从气缸内燃油发火燃烧到出现最高压力为止的这段时期称为速燃期(急燃期)。亦称预混合燃烧阶段。柴油机的发火点一般在上止点前几度曲轴转角，而最高爆发压力点约为上止点后10℃A—15℃A。这一燃烧时期的特点是气缸中的压力迅速上升至最高爆发压力Pz。压力之所以迅速上升、一是由于燃烧急剧进行，二是由于活塞的位移极微。

在速燃期中，不但烧掉了滞燃期形成的可燃混合气，滞燃期内形成的大量可燃混合气几乎同时燃烧，还烧掉了速燃期喷人气缸并已完成了燃烧准备的部分燃油，燃烧近乎在等容状态下进行。

评价速燃期的重要参数是平均压力增长率dA／dg，它表示本阶段内气缸内相应于单位曲轴转角的平均压力增长量。此值决定了柴油机燃烧过程的柔和性。

Δp/Δ小的柴油机工作柔和．燃烧平稳，无敲击声。Δp/Δ大的柴油机工作粗暴，常伴有敲击声。此种敲击是由于τi过长，Δi过多，气缸中积累了过多的已完成燃烧准备的可燃混合气而瞬间同时燃烧的缘故。这种燃烧在气缸内产生激波并传向气缸四壁，往复反射产生的敲击声，称为燃烧敲缸。燃烧敲缸是由管理者以听觉主观判断的。敲缸对于柴油机的可靠性和寿命构成了威胁。虽然敲缸时柴油机的经济性较好，但仍须竭力避免。通常，为保证柴油机的运转乎稳性与经济性，其平均压力增长率Δp/Δ不宜超过0.4~0.6MPa／CA。

速燃期的燃烧速率很难直接用控制该燃烧期燃油与空气混合速度的办法来加以控制，故亦称不可控燃烧期。由于速燃期的可燃混合气主要是滞燃期喷入气缸的燃油所准备的，为了使柴油机工作平稳，应通过滞燃期来影响速燃期，力求缩短滞燃期、减少滞燃量、控制可燃混合气的形成量。滞燃期对燃烧质量起决定作用，因此控制滞燃期是影响燃烧过程的重要手段。

3．缓燃阶段(C—D)

从气缸内工质出现最高压力到出现最高温度这段燃烧期称为缓燃期。最高温度一般出现在上止点后20℃A一35℃A。在缓燃期中燃烧速度仍然很快，工质温度可迅速上升至最高温度(约l700℃一2000℃瞬时温度)。在缓燃期中由于燃烧室内己充满燃烧产物和正在燃烧的火焰，燃油油滴喷人气缸即行蒸发燃烧。由于活塞已离开上止点下行，气缸容积迅速扩大，故燃烧燃油量虽多而工质压力却缓慢下降(近似于等压燃烧)。该燃烧期的燃烧速度取决于喷入气缸的燃油分子寻找氧分子的速度，故亦称扩散燃烧阶段。缓燃期比速燃期的燃烧速率变缓，是由于燃烧室中的废气和燃烧中间产物增多而氧分子变少，燃油分子与氧分子进行反应的机会减少的缘故。在这一时期中燃油分子有可能在氧分子不充分的条