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1、高速高速（混合着火燃烧210ms） 高温高温（2000 左右） 高压高压（柴油机高达100bar 以上） 复杂过程复杂过程：流动、喷雾、传热、多相流、燃烧化学：流动、喷雾、传热、多相流、燃烧化学发动机（内燃机）燃烧所追求的目标：发动机（内燃机）燃烧所追求的目标： 高高e e(i i) ) 、高高P Pmeme（P Pmimi）、）、低污染、低噪声振动低污染、低噪声振动内燃机燃烧的特点：内燃机燃烧的特点：第7章 柴油机的混合气形成及燃烧发动机性能发动机性能受控于受控于燃烧特性燃烧特性 受控于受控于混合气形成混合气形成扩散燃烧速度着火落后期dp/d混合气形成速度气流运动气流运动燃烧室形状燃烧室形状
2、喷油规律喷油规律7.27.2柴油机的燃烧室及其特性柴油机的燃烧室及其特性7.3 7.3 柴油机的燃烧室及其特性柴油机的燃烧室及其特性柴油机燃烧室分类：柴油机燃烧室分类：直喷式直喷式（DI,Direct Injection）燃油燃油直接直接喷入主燃烧室内进行喷入主燃烧室内进行 混合燃烧混合燃烧非直喷式非直喷式（IDI, Indirect Injection）燃油燃油不直接不直接喷入主燃烧室内进喷入主燃烧室内进 行混合燃烧行混合燃烧7.3.1 7.3.1 直喷式（直喷式（DIDI）燃烧室）燃烧室浅盘型浅盘型深坑型深坑型球型球型 特点特点： 燃烧室凹坑开口大、深度浅燃烧室凹坑开口大、深度浅 （dk/
3、D0.720.88; dk/h=57） 多孔油嘴（多孔油嘴（612孔）、高压喷射孔）、高压喷射 无涡流或弱进气涡流无涡流或弱进气涡流 性能：性能： 滞燃期内形成较多混合气，滞燃期内形成较多混合气， dp/d高，高，NOx、噪声高；噪声高； 空气利用率差，空气利用率差， a1.6； dp/d高，流动及散热损失小，高，流动及散热损失小，be低，易起动。低，易起动。应用范围：应用范围： 适用于缸径大（适用于缸径大（ 120mm）转速低（转速低（ 2000r/min）的的 柴油机。近年，随高压喷射采用，向小缸径拓展。柴油机。近年，随高压喷射采用，向小缸径拓展。“油找气油找气”方式方式1 1、浅盘型燃烧
4、室、浅盘型燃烧室 特点特点： dk/D0.6; dk/h=1.5dk/D0.6; dk/h=1.53.5; 3.5; 较强涡流较强涡流=1.5=1.53 3；有中心凸起，引；有中心凸起，引 导涡流，消除流动弱区；导涡流，消除流动弱区；喷孔少（喷孔少（4 46 6），喷压较高；），喷压较高；形状：形状：形、挤流口形、四角形。形、挤流口形、四角形。性能：性能：空气利用率较高，最小空气利用率较高，最小aa 1.31.3；随随n n提高而涡流强度提高，适于高速；提高而涡流强度提高，适于高速；dp/ddp/d较浅盆形低，燃烧较柔和较浅盆形低，燃烧较柔和。 应用范围：应用范围： 小缸径（小缸径（ 1201
5、20mmmm） 高转速柴油机高转速柴油机 （中、轻、轿车）（中、轻、轿车）油气相互运动油气相互运动2 2、 深坑形燃烧室深坑形燃烧室S0影响影响顶隙顶隙S0减小，可使：减小，可使：空气集中在燃烧室凹坑内，利空气集中在燃烧室凹坑内，利 用率高；用率高；燃油不要分散在燃油不要分散在S0内，此处混内，此处混 合不好；合不好；S0内的燃烧受壁面淬冷，燃烧内的燃烧受壁面淬冷，燃烧 慢，不完全。慢，不完全。因此，所有柴油机燃烧室都应因此，所有柴油机燃烧室都应 尽量减小尽量减小S0燃室设计参数对性能的影响燃室设计参数对性能的影响通过改变通过改变dk/D 、 dk/h 、 Vk/Vc、 S0、 e1、 e2
6、、燃室形状、喷雾贯穿燃室形状、喷雾贯穿 距离、涡流比等，可改变燃烧特性距离、涡流比等，可改变燃烧特性2 2、 深坑形燃烧室深坑形燃烧室2 2、 深坑形燃烧室深坑形燃烧室形状影响形状影响：实际中在实际中在A形与形与B形中间，可有多种方案，形中间，可有多种方案，A燃烧室，有缩口形状，烟度及燃烧室，有缩口形状，烟度及be明显改善；明显改善；随喷油推迟，随喷油推迟，A燃烧室的烟度及燃烧室的烟度及be优势更加明显优势更加明显气流运动，结合讲义图气流运动，结合讲义图716分析原因分析原因2 2、 深坑形燃烧室深坑形燃烧室大众捷达柴油机大众捷达柴油机船用柴油船用柴油 机活塞机活塞形状影响（续）形状影响（续）
7、：作为极端例子：泼金斯的挤流口式燃烧室，作为极端例子：泼金斯的挤流口式燃烧室， 初期放热速率明显低于一般直喷式燃烧室。初期放热速率明显低于一般直喷式燃烧室。2 2、 深坑形燃烧室深坑形燃烧室 四角形燃烧室四角形燃烧室 （非回转体燃烧室）（非回转体燃烧室）大尺度涡流局部微大尺度涡流局部微 涡流和湍流；涡流和湍流；解决低速涡流太弱而解决低速涡流太弱而 高速过强的问题高速过强的问题局部微涡流，可加速局部微涡流，可加速 混合燃烧，混合燃烧，PM低低；问题：问题： 难以加工，工艺性差；难以加工，工艺性差； 缩口部热负荷过高易开裂。缩口部热负荷过高易开裂。2 2、 深坑形燃烧室深坑形燃烧室 特点特点：球形
8、燃烧室，高涡流比（球形燃烧室，高涡流比（3 ）单孔（或单孔（或1主主1副）喷油嘴，副）喷油嘴，沿壁面顺气流喷油，形成油膜，沿壁面顺气流喷油，形成油膜，蒸发混合速度受控于壁温和涡流强度蒸发混合速度受控于壁温和涡流强度 性能：性能：dp/d低，放热率呈前低后高，低，放热率呈前低后高，NOx低、轻声低烟、空气利用率高，低、轻声低烟、空气利用率高， a 1但难以兼顾所用工况，工艺要求高，但难以兼顾所用工况，工艺要求高，冷起动困难。冷起动困难。 应用：应用：6070年代曾有不少应用，目前已绝迹；年代曾有不少应用，目前已绝迹；其理论意义重大，相对空间雾化的传统理论是一个创新其理论意义重大，相对空间雾化的传
9、统理论是一个创新3 3、 球形燃烧室（球形燃烧室（M M燃烧过程）燃烧过程）油膜蒸发混合油膜蒸发混合 对比对比ROHR（M比比） 预混燃烧峰值下降预混燃烧峰值下降 扩散燃烧峰值上升扩散燃烧峰值上升 燃烧持续期基本相同（燃燃烧持续期基本相同（燃 烧不拖后）烧不拖后） 对比示功图（对比示功图（M比比） dp/d下降（下降（NOx和燃烧和燃烧 噪声低）噪声低）球形燃烧室与球形燃烧室与燃烧室的燃烧特性对比燃烧室的燃烧特性对比球形燃烧室是由球形燃烧室是由MANMAN公司的公司的 MeurerMeurer先生（先生（19561956年）发明年）发明 的，也称的，也称M M燃烧过程燃烧过程。7.3.2 非直
10、喷式燃烧室非直喷式燃烧室 主要特征：主要特征： 两个燃烧室（空间）两个燃烧室（空间） 两个燃烧阶段两个燃烧阶段 不利用进气涡流不利用进气涡流IDI预燃室预燃室 （Pre-combustion Chamber）涡流室涡流室 （Swirl Chamber）也称为：也称为： 分隔式燃烧室分隔式燃烧室 主副燃烧室主副燃烧室 烧室设计烧室设计：主副室之间有一个或数个孔道相连，压缩气流在预燃室中形成湍流，主副室之间有一个或数个孔道相连，压缩气流在预燃室中形成湍流，单孔轴针式喷油器（参见图单孔轴针式喷油器（参见图611）与预燃室轴线重合，低压喷射，）与预燃室轴线重合，低压喷射，容积比容积比Vk/Vc=354
11、5% ；连通道截面比；连通道截面比Fk/F=0.3%0.6%1 1、预燃室式燃烧室、预燃室式燃烧室 工作过程：工作过程：（参见右图）（参见右图）压缩过程中，在预燃室内形成湍流，压缩过程中，在预燃室内形成湍流，湍流强度高于主室；湍流强度高于主室；第一次燃烧在预燃室内的浓混合气气第一次燃烧在预燃室内的浓混合气气氛中进行，燃烧不完全，氛中进行，燃烧不完全， dp/d小；小；第二次混合气及燃烧在主燃烧室内稀第二次混合气及燃烧在主燃烧室内稀混合气气氛中进行：浓稀两阶段燃烧混合气气氛中进行：浓稀两阶段燃烧低低dp/d 低低NOx（右下图）右下图） 特点特点：dp/d小，小，NOx低，空气利用率高，低，空气
12、利用率高， 最小最小a 1.3制造工艺成本低，适用高速柴油机。制造工艺成本低，适用高速柴油机。 适用：适用：轿车轿车，轻型车，大功率柴油机，轻型车，大功率柴油机1 1、预燃室式燃烧室、预燃室式燃烧室2 2、 涡流室式燃烧室涡流室式燃烧室特点特点：主副室之间有主副室之间有1个连通道，与副室个连通道，与副室 切向连接，形成压缩涡流，切向连接，形成压缩涡流， Vk/Vc=5070% ，Fk/F=1%3.5%，有多种形状（如下图）原理相同有多种形状（如下图）原理相同性能：性能：对比预燃室式，更适合小型柴油机，对比预燃室式，更适合小型柴油机， 转速高，油耗低（对照表转速高，油耗低（对照表7-2）区别：区
13、别：预燃室式预燃室式 涡流室式涡流室式-湍流湍流 -涡流涡流小结： 柴油机混合气形成方式分类：分类： 空间雾化混合、空间雾化混合、壁面油膜蒸发混合壁面油膜蒸发混合1 1、空间雾化混合、空间雾化混合静止或弱旋流场多孔高压喷油静止或弱旋流场多孔高压喷油：“油找气”“油找气”，如开式燃烧室，如开式燃烧室强旋流场强旋流场 3 35 5孔高压喷射：孔高压喷射：油气相互运动油气相互运动，如，如 燃烧室燃烧室热混合作用：热混合作用：在涡流作用下，在涡流作用下， 密度较大的燃油颗粒及空气向外密度较大的燃油颗粒及空气向外 运动，密度较小的废气向内运动运动，密度较小的废气向内运动 ，有利于油气混合。，有利于油气混
14、合。热锁现象：热锁现象：当涡流过弱时，离当涡流过弱时，离 心力过小，燃油颗粒无法被抛向心力过小，燃油颗粒无法被抛向 周围，而被“锁定”在中心区域周围，而被“锁定”在中心区域 ，被废气包围。，被废气包围。过涡流（过涡流（Over SwirlOver Swirl）：）：当涡当涡 流过强时，上游油束的已燃气体流过强时，上游油束的已燃气体 会混入下游油束的未燃混合气区会混入下游油束的未燃混合气区 域，妨碍混合及燃烧。域，妨碍混合及燃烧。小结： 柴油机混合气形成方式强旋（湍）流场低压单孔喷嘴：强旋（湍）流场低压单孔喷嘴：涡流室和预燃室柴油机，两次混涡流室和预燃室柴油机，两次混 合，对喷油和进气涡流要求低
15、；合，对喷油和进气涡流要求低；但燃烧慢，热效率低。但燃烧慢，热效率低。1 1、空间雾化混合、空间雾化混合 静止或弱旋流场多孔高压喷油静止或弱旋流场多孔高压喷油： “油找气”“油找气”，如开式燃烧室，如开式燃烧室强旋流场强旋流场 3 35 5孔高压喷射：孔高压喷射：油气相互运动油气相互运动，如，如 燃烧室燃烧室小结： 柴油机混合气形成方式 小插曲小插曲德国人的骄傲德国人的骄傲： Otto EngineOtto Engine Diesel EngineDiesel Engine Wankel EngineWankel Engine M M- -EngineEngine 全部由德国人发明全部由德国人发明小结：柴油机混合气形成方式壁面蒸发控制强旋流场壁面蒸发控制强旋流场：喷射形成壁面油膜，控制初期蒸发速喷射形成壁面油膜，控制初期蒸发速 率；随燃烧温度提高，燃油蒸发混合速率；随燃烧温度提高，燃油蒸发混合速 率加快，形成率加快，形成“前缓后急前缓后急”的燃烧方式的燃烧方式2 2、油膜蒸发混合、油膜蒸发混合滞燃期滞燃期空间雾化混合空间雾化混合油膜蒸发混合油膜蒸发混合1. 绝大部分燃料以较高的压力被喷射到绝大部分燃料以较高的压力被喷射到 燃烧室空间中，散布于空气中燃烧室空间中，散布于空气中 2. 燃料
