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新闻主题	康明斯柴油发电机混合气的形成方式

 

摘要：柴油发电机混合气的形成方式，大体上分为空间雾化混合方式和油膜蒸发混合方式两种。而实际发电用柴油发电机上混合气形成的特点是这两种基本方式的不同组合。由于柴油黏性比较大，不易挥发，而且柴油发电机的混合气形成时间相对汽油机非常短。因此，混合气形成的条件和方式对柴油发电机的燃烧过程至关重要。

 

一、混合气燃烧与形成过程

 

1、燃烧方式

      柴油机以油滴扩散形式燃烧，燃烧过程如图1所示。柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时，燃油在高压下成雾状喷入燃烧室，与空气形成可燃混合气。油滴的着火要满足两个条件：

（1）混合气的温度要高于着火临界温度。

（2）混合气的浓度要适当，混合气的浓度要在着火界限之内。

2、柴油机混合气的形成

      柴油机混合气形成方式和过程如表1所列，而影响可燃混合气形成的因素如图2所示。

（1）柴油机混合气形成靠三方面的相互作用，一是燃烧室的结构，二是燃料的油雾状态，三是缸内适当的空气运动。

（2）混合气形成特点是在缸内形成、形成时间极短、空气不能全部利用。

（3）燃烧室、油雾、空气涡流的配合形成混合气。加快混合气的形成速度，能保证燃烧完全、及时。

表1    柴油机混合气形成方式和过程

 

3、柴油机对混合气的要求

      柴油发电机的混合比的量与质都必须适应发动机各种工况的要求，小负荷要求稍浓的混合气，中负荷要求稍稀的混合气，大负荷要求稍浓的混合器，全负荷工况要求极浓的混合气。

（1）必须要有足够的空气量和适当的柴油量

      柴油燃烧是柴油和空气中的氧气在一定温度和压力条件下产生化学作用的结果，空气与柴油是放热的两个重要因素。空气与柴油的比例不同，可燃混合气成分不同，一般要求空气量要多一些，以保证柴油不被浪费。

（2）喷油时刻要准确，混合气形成的规律应合适

      气缸中燃烧过程的主要放热阶段应该是上止点稍后，热效率高，热损失小，所以要求喷油时刻要准确。喷油过早过晚都不利于发动机的工作。喷油时刻通常用曲轴距活塞到达上止点的转角表示，称为喷油提前角。

（3）喷油质量应与燃烧室形状相适应，形成均匀的混合气。

（4）气流的搅动与燃料的性能

      燃烧室的形状，切向进气，形成涡流，有利于混合，柴油的十六烷值高，自燃点低，滞燃期短。为改善混合气的形成和燃烧，宜采用强涡流螺旋进气道，在进气过程中使空气流形成绕气缸轴线的高速涡流。

 

图1  柴油机燃烧过程

图2  影响柴油机混合气形成的因素

 

二、空间雾化混合方式的条件和优点

 

      空间雾化混合方式是通过多孔式喷油器将燃料向燃烧室空间喷射强制雾化，并利用燃油相对空气的运动方式形成混合气。所以，燃油与空气之间的相对运动速度是影响混合气形成的主要因素。相对运动速度越高，油滴与空气之间的摩擦和碰撞越激烈，分散后的油粒也越细小，混合气越均匀。影响燃油与空气的相对速度的主要因素有喷雾特性和燃烧室内的空气密度（压力）、温度及气流特性。提高喷射压力以及组织适当的燃烧室内的气流运动，是提高燃油与空气之间相对速度的有效途径；同时，提高空气密度和温度，不仅可改善燃油和空气的相对速度，而且使喷注贯穿距离缩短，喷雾锥角增大，使油束更稀疏，加之温度的提高，更有利于燃油的蒸发，促进混合气的形成。

1、进气涡流

      进气涡流的作用是利用弱涡流切向进气道或强涡流螺旋进气道，可以在进气行程中使空气绕气缸轴线旋转运动。使用弱涡流切向进气道或强涡流螺旋进气道，在进气行程中形成绕气缸中心高速旋转的气流。进气涡流会引起进气阻力加大。

      进气涡流靠切向进气道和螺旋进气道形成的，原理如图3所示。过程如下：

（1）如图3（a）所示。切向进气道的气道母线与气缸相切，气流进入气缸后形成涡流。

（2）如图3（b）所示。螺旋进气道的气道在气门座上方呈螺旋状，偏离气缸中心，气流形成绕气门中心的旋转运动。

2、挤压涡流

      挤压涡流的作用是利用活塞顶部的特殊形状，在压缩行程中和膨胀行程初期，使空气在燃烧室中产生强烈的旋转，出现在上止点附近，持续时间短。转速越高涡流越强，对油束的吹散作用越大。空气涡流能加速火焰的传播，使燃烧速率提高。形成条件如下：

（1）无进气涡流或涡流不强时的挤流。

（2）进气涡流强时的挤流。

（3）逆挤流。

3、燃烧涡紊流

      燃烧涡紊流作用是利用柴油燃烧的能量，冲击未然的混合气，造成混合气涡流或紊流，促进混合。为了更有效地利用燃烧室内的空气，空间雾化混合方式需要喷注与燃烧室空间进行优化匹配。值得提出的是，这种混合气形成方式的混合气形成时间，取决于雾化速率和燃油与空气之间的相对速度。当喷雾条件和燃烧室内气流状态一定时，这种方式的混合气形成条件就确定了。

      传统直喷式燃烧室如图4所示，有开式和半开式两种，主要靠空间雾化混合的方式形成混合气，因此采用多孔喷油器高压喷射的方式。虽然这种燃烧室的散热面积小，热效率高，经济性好，易起动，但是由于燃烧室内气流的组织方式不得当，对转速的适应性差，而且喷射压力有限（18～24MPa），因此混合气形成速度相对缓慢，不能适应柴油发电机的高转速。同时，这种空间雾化混合方式，在着火延迟期内形成的可燃混合气量较多，且不可控制，因此在燃烧过程中压力升高率高，柴油发电机工作粗暴，NOx排放高，因而已被淘汰。但是，上述高压共轨等时间控制式喷射系统，由于喷射压力很高，所以燃油雾化迅速，结合燃烧室内空气运动的组织可以控制喷油规律，而且有效地缩短了混合气的形成时间，提高了现代直喷式燃烧室对高转速的适应性。高压共轨等电控高压喷射方式，使得空间雾化混合方式在高速发电用柴油发电机上得以继续发展，能充分发挥直喷柴油发电机经济性好的优点。

 

图3  燃烧室产生涡流的进气道

图4  柴油机传统直喷式燃烧室

 

三、油膜蒸发混合方式的条件和优点

 

      油膜蒸发混合方式是燃烧室内喷射的燃油首先在燃烧室壁面形成油膜后，再通过燃烧室壁面的加热蒸发，配合燃烧室内定向流动的气流（涡流）形成混合气。因此，在这种方式中，影响混合气形成的主要因素是油膜的蒸发速度、燃烧室内空气相对油膜的运动速度和油膜的厚度。油膜的蒸发速度取决于燃烧室壁面的温度，油膜的厚度取决于喷雾特性及油束在燃烧室壁面的着壁程度。一般喷注的贯穿距离越大，着壁现象越严重。而相对油膜的空气运动一般都是专门组织的涡流，这种涡流强度随柴油发电机转速的提高而增强。因此，这种混合气的形成方式对柴油发电机转速的适应性好。

      传统分隔式燃烧室工作原理如图2所示，有涡流室式和预燃室式两种。这种分隔式燃烧室的混合气形成方式的主要特点是，一部分燃料空间雾化直接形成可燃混合气，而大部分燃料则以油膜蒸发的形式配合空气流动而形成混合气。分隔式燃烧室将燃烧室分为设在活塞顶上的主燃烧室和设在气缸盖上的副燃烧室。对涡流室式，将副燃烧室设计成近似球形或半球形状，并用基本与涡流室相切形状的连接通道与主燃烧室连通。喷油器采用轴针式，布置在涡流室上，并向涡流室壁面顺着气流方向喷射形成油膜。 

1、涡流式燃烧室

      涡流式燃烧室结构如图6（a）所示。在压缩过程中，缸内的空气经通道进入涡流室，在通道的导向作用下，随压缩行程在涡流室内形成强烈的压缩涡流，不断将空气送往油膜处，与油膜表面蒸发的燃料形成混合气。为了可靠着火，喷油器喷射时使小部分燃料空间雾化，使得涡流室内的局部地方首先着火。着火后涡流室内的压力和温度迅速升高，使得已燃气体、未燃的燃料和空气一起经通道高速喷入主燃烧室内，形成强烈的二次涡流，促进主燃烧室内混合气的形成和燃烧。这种涡流室式燃烧室，在涡流室内混合气的形成方式是以油膜蒸发为主，加上部分空间雾化，而在主燃烧室内是通过二次涡流以扩散方式进行混合燃烧的。当柴油发电机转速增加时，涡流室内的压缩涡流随之加强，改善了混合条件，所以这种混合气形成方式的特点就是对转速的适应性好。

2、预燃式燃烧室

       预燃式燃烧室结构如图6（b）所示。通过单孔或多孔通道与主燃烧室连接，在压缩过程中缸内的气流经通孔进入到预燃室内形成强烈的湍流。喷油器采用轴针式沿预燃室中心向底部喷射，此时部分燃油在空间雾化混合，而喷注的大部分喷向预燃室底部形成油膜。在预燃室空间形成的可燃混合气首先着火燃烧后，将预燃室内的燃气和未燃气体一起喷入主燃烧室，在主燃烧室内形成强烈的燃烧涡流，促进主燃烧室内未燃燃油迅速混合燃烧。当柴油发电机转速增加时，预燃室内的湍流强度随之加强，更容易形成混合气，所以其混合气形成对转速的适应性也较好。

      与传统的直喷式燃烧室相比，这种分隔式燃烧室具有空气利用率好，高速性能得到保证，同时对喷雾的要求低，工作粗暴程度和NOx排放低，而且成本低等优点。但是，由于燃烧室结构复杂，散热面积大，而且主、副燃烧室之间的通道节流损失大，所以热效率低，冷起动性差。为了保证冷起动性，这种分隔式燃烧室的压缩比ε＝20～24，普遍比直喷式的压缩比（ε＝14～18）大。尽管传统的直喷式和分隔式燃烧室曾分别在中重型柴油发电机和轻型高速柴油发电机上广泛得到应用，但随着节能和排放法规的日趋严格，由于这种燃烧室各自存在的致命缺陷，不得不逐渐被淘汰。

 

图5  传统分隔式燃烧室工作原理图

图6  柴油机分隔式燃烧室类型和结构图

 

总结：

      综上所述，由于柴油的蒸发性和流动性都比汽油差，因此柴油相比汽油在气缸外部形成可燃混合气较为困难。柴油机的混合气只能在气缸内部形成，即在接近压缩行程终点时，通过喷油器把柴油喷入气缸内。柴油油滴在炽热的空气中受热、蒸发、扩散，并与空气混合形成可燃混合气，最终自行发火燃烧。与汽油机相比，柴油机混合气形成的时间极短，只占15°~35°曲轴转角。

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