直噴式燃燒室的柴油機有什么特點

【專家解說】：柴油機是用柴油作燃料的內(nèi)燃機。柴油機屬于壓縮點火式發(fā)動機，它又常以主要發(fā)明者狄塞爾的名字被稱為狄塞爾引擎。     柴油在工作時，吸入柴油機氣缸內(nèi)的空氣，因活塞的運動而受到較高程度的壓縮，達到500～700℃的高溫。然后燃油以霧狀噴入高溫空氣中，與空氣混合形成可燃混合氣，自動著火燃燒。燃燒中釋放的能量作用在活塞頂面上，推動活塞并通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械功。     法國出生的德裔工程師狄塞爾，在1897年研制成功可供實用的四沖程柴油機。由于它明顯地提高了熱效率而引起人們的重視。起初，柴油機用空氣噴射燃料，附屬裝置龐大笨重，只用于固定作業(yè)。二十世紀初，開始用于船舶，1905年制成第一臺船用二沖程柴油機。     1922年，德國的博施發(fā)明機械噴射裝置，逐漸替代了空氣噴射。二十世紀20年代后期出現(xiàn)了高速柴油機，并開始用于汽車。到了50年代，一些結(jié)構(gòu)性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油機發(fā)展起來，從此柴油機進入了專業(yè)化大量生產(chǎn)階段。特別是在采用了廢氣渦輪增壓技術(shù)以后，柴油機已成為現(xiàn)代動力機械中最重要的部分。     柴油機可按不同特征分類：按轉(zhuǎn)速分為高速、中速和低速柴油機；按燃燒室的型式分為直接噴射式、渦流室式和預燃室式柴油機等；按氣缸進氣方式分為增壓和非增壓柴油機；按氣體壓力作用方式分為單作用式、雙作用式和對置活塞式柴油機等；按用途分為船用柴油機、機車柴油機等。     柴油機燃料主要是柴油，通常高速柴油機用輕柴油；中、低速柴油機用輕柴油或重柴油。柴油機用噴油泵和噴油器將燃油以高壓噴入氣缸，噴入的燃油呈霧狀，與空氣混合燃燒。因此柴油機可用揮發(fā)性較差的重質(zhì)燃料或劣質(zhì)燃料，如原油和渣油等。     在燃用原油和渣油時，除須濾除雜質(zhì)和水分外，還要對供油系統(tǒng)進行預熱保溫，降低粘度，以便輸送和噴射。柴油機如采用某種合適的燃燒室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等輕質(zhì)燃料。為了改善輕質(zhì)燃料的著火性，可加入添加劑提高十六烷值，或與柴油混合使用。一些氣體燃料，如天然氣、液化石油氣、沼氣和發(fā)生爐煤氣等也可作為柴油機的燃料，但這時通常以氣體燃料為主，以少量柴油引燃，這種發(fā)動機稱為雙燃料內(nèi)燃機。 柴油發(fā)動機的燃燒過程一般分為著火延遲期、速燃期、緩燃期和后燃期四個階段。 著火延遲期是指從燃料開始噴射到著火，其間經(jīng)過噴散、加熱蒸發(fā)、擴散、混合和初期氧化等一系列物理的和化學的準備過程。它是燃燒過程的一個重要參數(shù)，對燃燒放熱過程的特性有直接影響。 在著火延遲期內(nèi)噴入燃燒室的燃料，在速燃期內(nèi)幾乎是同時燃燒的，所以放熱速度很高，壓力升高也特別快。 緩燃期階段中燃料的燃燒取決于混合的速度。因此，加強燃燒室內(nèi)的空氣擾動和加速空氣與燃料的混合，對保證燃料在上止點附近迅速而完全地燃燒有重要作用。 柴油機的混合和燃燒時間很短，以致有些燃料不能在上止點附近及時燒完，而拖到膨脹行程的后期放出的熱量不能得到充分利用，因此應盡量避免燃料在后燃期燃燒。 燃燒室的優(yōu)劣對柴油機的性能有決定性的作用，因此是柴油機設計的關(guān)鍵。燃燒室按組織燃燒過程的特點和結(jié)構(gòu)不同分為開式、半開式、預燃室式和渦流室式四類。前兩類屬于直接噴射式燃燒室；后兩類屬于分隔式燃燒室。 低速柴油機和部分中、高速柴油機主要用無渦流的開式燃燒室。燃燒室由氣缸蓋底面和活塞頂面形成，具有一定形狀的整體空間。多孔噴油器(6～10孔)能使燃油霧化良好，并均勻分布在燃燒室空間。因此，開式燃燒室中的燃燒屬于典型的空間式燃燒過程，要求燃燒室與油束形狀和分布相配合。它的優(yōu)點是燃料消耗率低，起動容易；缺點是燃料霧化要求高，難于適應變轉(zhuǎn)速工作。 小型高速柴油機大多采用有渦流的半開式燃燒室。這種燃燒室又分為多種類型，主要有油膜式燃燒室和復合式燃燒室等。 油膜式燃燒室是1956年由德國的莫勒所發(fā)明。燃燒室位于活塞頂內(nèi)，呈球形。燃料噴向燃燒室壁面，大部分燃油在強渦流作用下噴涂在燃燒室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油霧化分布在燃燒室空間并首先著火，隨后即引燃從壁面上蒸發(fā)的燃料。這種燃燒室可使工作過程柔和，燃燒完全，聲輕無煙，并可使用輕質(zhì)燃料；缺點是低溫時起動較困難。 復合式燃燒室是1964年由中國的史紹熙等發(fā)明，燃燒室在活塞頂內(nèi)呈深盆形，口部略有收縮，用特殊形狀的進氣道形成進氣渦流，采用單孔軸針式噴油器。噴油器軸線與燃燒室壁面基本平行，燃料噴向燃燒室的周邊空間。在渦流作用下，粗大的油粒散落在燃燒室壁面上形成油膜，細小的油粒在空間與空氣混合。當轉(zhuǎn)速較高時，燃燒室渦流速度高，壁面上的油膜燃料增多，具有油膜燃燒的特點；而在低轉(zhuǎn)速和起動時，渦流速度低，空間混合的燃料量增多，具有空間式燃燒的特點，能改善冷起動性能。 復合式燃燒室把油膜蒸發(fā)混合燃燒與空間混合燃燒合理地結(jié)合起來，兼有兩者的優(yōu)點，故又稱為復合式燃燒系統(tǒng)，其工作過程柔和，可燃用多種燃料，對噴油系統(tǒng)要求低，而且起動容易。缺點是低負荷排氣中未燃的碳氫化物含量較高。 預燃式燃燒室由預燃室和主燃燒室兩部分組成。預燃室在氣缸蓋內(nèi)，占壓縮容積的25～40％，有一個或數(shù)個通孔與主燃燒室連通。燃料噴入預燃室中，著火后部分燃料燃燒，將未燃的混合物高速噴入主燃燒室，與空氣進一步混合燃燒。這種燃燒室適用于中小功率柴油機。 渦流式燃燒室由渦流室和主燃燒室組成。渦流室位于氣缸蓋上，呈球形或倒鐘形，占總壓縮容積的50～80％，有切向通道與主燃燒室相通。在壓縮行程時，壓入渦流室的空氣產(chǎn)生強烈的渦流運動，促使噴入其中的燃料與空氣混合。著火后混合物流入主燃燒室，形成二次流動，進一步與主燃燒室內(nèi)的空氣混合燃燒。 渦流室燃燒室和預燃室燃燒室都用軸針式噴油器，噴油壓力較低，工作可靠；由于渦流室內(nèi)渦流隨轉(zhuǎn)速增高而加強，柴油機高轉(zhuǎn)速時柴油和空氣仍能很好地混合。 渦流室式柴油機的轉(zhuǎn)速可達4000轉(zhuǎn)/分以上，工作過程柔和，排氣中有害成分較少。但散熱損失和氣體流動損失大，而且后燃較嚴重，故燃料消耗率較高；冷車起動困難，往往需要加裝預熱塞。 柴油機具有熱效率高的顯著優(yōu)點，其應用范圍越來越廣。隨著強化程度的提高，柴油機單位功率的重量也顯著降低。為了節(jié)能，各國都在注重改善燃燒過程，研究燃用低質(zhì)燃油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦損失、廣泛采用廢氣渦輪增壓并提高增壓度、進一步輕量化、高速化、低油耗、低噪聲和低污染，都是柴油機的重要發(fā)展方向。