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柴油機(jī)燃燒室的形狀、結(jié)構(gòu)分類和特點(diǎn)

 

摘要：根據(jù)混合氣形成方式及燃燒室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，柴油機(jī)的燃燒室可分為兩大類，即直接噴射式燃燒室和間接噴射式（或稱分開式）燃燒室。其中直接噴射式燃燒室又可分為開式燃燒室和半開式燃燒室；分開式（或分隔式）燃燒室可分為渦流室燃燒室和預(yù)燃室燃燒室。由于燃燒室結(jié)構(gòu)形狀對(duì)可燃混合氣的充分混合影響極大，康明斯公司在本文中通過對(duì)柴油發(fā)電機(jī)ω形燃燒室、球形燃燒室、渦流室式燃燒室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的介紹，提高用戶和康明斯經(jīng)銷商對(duì)柴油發(fā)電機(jī)燃燒室的認(rèn)識(shí)，以求更好的了解柴油發(fā)電機(jī)整個(gè)工作原理。

 

一、柴油機(jī)燃燒室的概述

 

      內(nèi)燃機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛，熱效率最高的熱動(dòng)力源機(jī)械，在國民經(jīng)濟(jì)和國防的各個(gè)領(lǐng)域，都占據(jù)重要的地位。如今，能源問題日益嚴(yán)峻，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能要求越來越苛刻，特別是在交通運(yùn)輸方面。隨著人類愈加清楚能源形勢(shì)的變化，如何提高柴油機(jī)的效率、改善柴油機(jī)的熱強(qiáng)度已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。經(jīng)研究，改變活塞的燃燒室形狀可以提高柴油機(jī)的效率，但是對(duì)活塞熱強(qiáng)度有相當(dāng)大的影響。作者在前人研究的基礎(chǔ)上，綜述了燃燒室形狀的發(fā)展歷程，并分析它們的優(yōu)劣點(diǎn)，為今后提高功率和改善熱強(qiáng)度提供了理論基礎(chǔ)。

1、 燃燒室的定義與作用

      活塞作為柴油機(jī)最重要的零件之一，工作環(huán)境惡劣，不僅承受周期往返的沖擊力，同時(shí)高溫對(duì)其帶來的熱負(fù)荷也是需要重視的。當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)時(shí)，活塞頂面以上、汽缸蓋底面以下所形成的空間稱為燃燒室，它不僅為燃?xì)獾幕旌虾腿紵峁┝丝臻g，而且為得到良好的燃燒組織了合理的氣流，其結(jié)構(gòu)與燃油系統(tǒng)元件的匹配效果會(huì)直接影響柴油機(jī)的性能和工作效率，所以為滿足高效率、高強(qiáng)度活塞的市場(chǎng)要求，燃燒室形狀的優(yōu)化對(duì)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展是有相當(dāng)大的促進(jìn)作用。燃燒室工作狀態(tài)如圖1所示，常見結(jié)構(gòu)形狀如圖2所示。

 

 

圖1  柴油機(jī)燃燒室工作狀態(tài)示意圖

圖2  柴油機(jī)燃燒室形狀分類示意圖

 

2、 燃燒室的縮口和偏置

      柴油機(jī)發(fā)明至今已有一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間了，經(jīng)過幾代人的研究開發(fā)，越來越向高速、輕量、高質(zhì)排氣進(jìn)化。而燃燒室的改進(jìn)方案也是層出不窮，其中論帶來效益比較大的當(dāng)屬縮口和偏置這兩項(xiàng)技術(shù)了。

（1）燃燒室的縮口

      燃燒室的縮口即表示燃燒室上口略小于燃燒室直徑，縮口的形式有很多種，典型形狀如圖3所示。縮口技術(shù)主要是配合不同的燃燒室形狀和進(jìn)氣系統(tǒng)而有所差異，而它們起的作用都是相同的?？得魉构緦?duì)直噴式縮口燃燒室的燃燒性能以及排放進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：恰當(dāng)?shù)目s口能促使燃燒室的氣流形成較大的擠流，能夠得到比較合理的渦流分布，使燃料和空氣混合更均勻，燃燒更徹底，在一定程度上增強(qiáng)了柴油機(jī)的動(dòng)力性和提高了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，它可以增長室內(nèi)渦流的持續(xù)期，有效地降低煙霧的排放。

（2）燃燒室偏置

      燃燒室偏置就是指燃燒室中心不在活塞中心軸線上，致使整個(gè)活塞形成一個(gè)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖4所示。經(jīng)研究證明，燃燒室的偏置對(duì)柴油機(jī)的性能有一定的影響，康明斯公司對(duì)偏置燃燒室柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧性能的研究表明，燃燒室的偏置有利于氣流運(yùn)動(dòng)，同樣也增加了擠流作用，促進(jìn)燃燒完全。

      縮口和偏置在影響燃燒室燃燒過程中有異曲同工之效，都有利于燃?xì)饣旌希岣吡丝諝饫寐?。但是過大的縮口和偏置會(huì)使燃燒室部分溫度過高，局部應(yīng)力過大，也可能會(huì)使更靠近偏離一側(cè)的環(huán)岸燒蝕，影響活塞的壽命，其次還會(huì)造成渦流持續(xù)期過長，殘余廢棄系數(shù)增大，不利于增壓強(qiáng)化。所以縮口和偏置一般同時(shí)存在,而且合理分配參數(shù)，并與噴油系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)良好地配合，才能優(yōu)化燃燒室的燃燒過程。

 

圖3  柴油機(jī)活塞燃燒室縮口技術(shù)

圖4  柴油機(jī)活塞燃燒室偏置技術(shù)

 

二、燃燒室的分類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

 

1、直接噴射式燃燒室

      直接噴射式（簡(jiǎn)稱直噴式）燃燒室是因燃油直接噴射在燃燒室內(nèi)而得名的。這種燃燒室的結(jié)構(gòu)主要取決于活塞頂上的凹坑形狀。通常根據(jù)燃燒室深淺又劃分為開式燃燒室（燃燒室口徑與氣缸直徑之比（dk/D=0.8以上）和半開式燃燒室（燃燒室口徑與氣缸直徑之比（dk/D=0.35~0.65）兩類。

（1） 開式燃燒室。

      開式燃燒室是一種由活塞頂面及氣缸蓋底面之間形成的、中間沒有明顯分隔的燃燒室。這種燃燒室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，活塞頂上的凹坑直徑較大、深度較淺、沒有縮口、呈淺盆形或淺ω形，以適應(yīng)油束的形狀。與燃燒室相匹配的多孔噴油器裝置在氣缸蓋中央，噴孔數(shù)為6~12個(gè)，孔徑為0.25~0.80mm，噴油角度為140°~160°，噴油壓力較高，一般為20~40MPa，最高噴油壓力甚至高達(dá)100MPa以上。這種燃燒室內(nèi)一般不組織空氣渦流運(yùn)動(dòng)，其混合氣體的形成主要靠燃油的噴散霧化，對(duì)燃油霧化質(zhì)量要求較高。

      開式燃燒室的特點(diǎn)是形狀簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱面積小、無節(jié)流損失，因而燃油消耗率低，而且起動(dòng)較容易。由于這種燃燒室是均勻的空間混合，在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣體數(shù)量較多，因而最高燃燒壓力Pz和平均壓力升高率△P/△ρ較高，柴油機(jī)工作比較粗暴。而且易冒黑煙，排氣中NOx的生成量較高，對(duì)轉(zhuǎn)速和燃油品質(zhì)較敏感，且對(duì)燃油系統(tǒng)的要求較高。柴油機(jī)所使用的多孔噴油嘴孔徑小，容易堵塞。

（2） 半開式燃燒室。

      這種燃燒室在某種程度上被分為兩部分，其中一部分由設(shè)置在活塞頂部或氣缸蓋底面上的凹坑組成，另一部分由活塞頂面到氣缸蓋底面之間的空間組成，兩者間有較大的喉口相連通。與開式燃燒室相比，半開式燃燒室在活塞頂上的凹坑直徑略小、較深，有的有縮口，其形狀繁多。目前應(yīng)用的ω形、△形、球形、盆形燃燒室以及四角形燃燒室等均屬于半開式燃燒室。

      這種燃燒室配用單孔或多孔噴油器，并斜置一定角度安裝在氣缸蓋上。噴油壓力約為17~25MPa。這類燃燒室的混合氣體形成不單純依靠燃油的噴霧質(zhì)量，而且還借助進(jìn)氣渦流和擠壓渦流來促迸混合氣體的形成。與開式燃燒室相比較，它對(duì)供油系統(tǒng)的要求較低，但仍保持燃油消耗率低、起動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此這種燃燒室應(yīng)用較為廣泛，其中應(yīng)用最多的是。形燃燒室。

      由于燃燒室結(jié)構(gòu)形狀的不同和混合氣體形成的差異，半開式燃燒室又可分為很多種。下面介紹幾種常用的半開式燃燒室。

① ω形燃燒室。

      這種燃燒室的活塞頂部剖面輪廓為近似的ω形，它利用螺旋進(jìn)氣道在進(jìn)氣時(shí)形成的繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的迸氣渦流和壓縮過程中形成的擠壓渦流，來促進(jìn)混合氣體的形成。這種燃燒室仍采用多孔噴油器（3~5孔）。當(dāng)燃油以較高的噴油壓力噴入氣缸時(shí)，一部分噴散在燃燒室空間；另一部分由于空氣渦流的作用，噴射到燃燒室壁面上，形成油膜，后者受熱蒸發(fā)，油蒸氣被空氣渦流帶走，并迅速與空氣形成可燃混合氣體。但是，混合氣體的形成仍以空間混合為主。

      ω形燃燒室形狀較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積小，所以燃油經(jīng)濟(jì)性好。同時(shí)，由于它總有一部分燃油在燃燒室空間先形成混合氣體而著火，故起動(dòng)性能也較好。但是，它對(duì)燃油系統(tǒng)要求較高，多孔噴油器的噴孔容易堵塞，柴油機(jī)工作比較粗暴，排氣污染較嚴(yán)重。

② 球形燃燒室。

      活塞頂部的燃燒室呈球形，它具有一個(gè)或兩個(gè)噴孔的噴油器，裝在燃燒室邊緣切口處，并沿燃燒室壁噴油，使絕大部分燃油噴到燃燒室壁面上，在氣流作用下形成一層薄油膜。油膜從燃燒室壁面吸取熱量，迅速蒸發(fā)并與燃燒室中高速旋轉(zhuǎn)的空氣混合，形成可燃混合氣體。從油束中分散出少量霧化燃油，在燃燒室熾熱的空氣中形成火源，點(diǎn)燃從壁面油膜蒸發(fā)形成的可燃混合氣體。

      球形燃燒室的特點(diǎn)是，具有較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流；有利于油膜蒸發(fā)的壁面溫度（約為300~350℃）；合理的結(jié)構(gòu)尺寸；氣流與油束很好地配合。這種以油膜蒸發(fā)混合為主的燃燒系統(tǒng)（又稱M燃燒系統(tǒng)），使柴油機(jī)具有工作柔和、燃燒噪聲低、高負(fù)載時(shí)煙度較小、空氣利用率較高、燃油消耗率較低，能使用多種燃料等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是冷起動(dòng)困難，低負(fù)載時(shí)燃燒室壁溫低、排煙較大，活塞熱負(fù)載較高，對(duì)增壓適應(yīng)性差，在大缸徑上應(yīng)用有困難，低速性能不好，對(duì)氣道、噴油嘴質(zhì)量等因素很敏感，設(shè)計(jì)、制造要求高。

③ 四角形燃燒室。

      這種燃燒室以活塞頂上呈四角形的凹坑而得名。斜置的四孔噴油器對(duì)著燃燒室的四個(gè)角落噴油。由于喉口呈四角方形，空氣渦流和邊部之間的摩擦隨轉(zhuǎn)速的升高而劇增。因此，抑制了高速時(shí)渦流的增強(qiáng)，燃油的分布受轉(zhuǎn)速的影響也就減弱，從而使燃袖與空氣在各種轉(zhuǎn)速下均能較好地混合。由于在四個(gè)圓角處產(chǎn)生微渦流，進(jìn)一步促進(jìn)了混合氣體的形成和燃燒，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度值、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)均獲得了改善。

2、分開式燃燒室

      這種燃燒室被明顯地分隔成兩部分，一部分由活塞頂面和氣缸蓋底面組成，稱為主燃燒室；另一部分在氣缸蓋或氣缸體內(nèi)，稱為輔助燃燒室。兩者以一條或數(shù)條通道相連接。分開式燃燒室常以輔助燃燒室的特征不同分為兩類，即渦流室燃燒室和預(yù)燃室燃燒室。

（1）渦流室燃燒室。

      渦流室燃燒室由主燃燒室和輔助燃燒室（即渦流室）組成，兩者間以通道相連。結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

      主燃燒室包括活塞頂上各種形狀的導(dǎo)流槽和凹坑。一般多采用雙渦流凹坑。輔助燃燒室為渦流室，一般設(shè)在氣缸蓋內(nèi)，形狀有球形、球錐形（彗星-V形）和球柱形等，其容積約為全部燃燒室容積的50%~80%。一般渦流室上半部鑄在氣缸蓋內(nèi)（呈半球形），下半部則通過鑲塊的變化而獲得各種變形。采用鑲塊結(jié)構(gòu)，可使渦流室承受更高的熱負(fù)載，便于渦流室內(nèi)表面和通道的加工，以及使渦流室容積易于準(zhǔn)確控制。鑲塊常用耐熱鋼或耐熱合金鑄鐵制成。渦流室采用切向連接通道與主燃燒室相通。通道形狀多采用圓形、橢圓形。通道截面積約為活塞面積的1%~3%。通道對(duì)準(zhǔn)活塞頂上的導(dǎo)流槽。噴油器采用單孔軸針式，斜裝在渦流室里，其噴油壓力為10~15MPa。

      這種燃燒室中的混合氣體形成，主要是利用壓縮渦流、燃燒渦流、燃油油束和渦流的互相配合而獲得的。在壓縮行程中，空氣從主燃燒室被壓入渦流室，形成強(qiáng)烈的、有規(guī)律的渦流運(yùn)動(dòng)。壓縮接近結(jié)束時(shí)，燃油順渦流方向噴入渦流室，在壓縮渦流作用下，使燃油和空氣均勻混合并形成混合氣體。當(dāng)混合氣體在渦流室中著火燃燒后，由于壓力升高，室中末燃的燃油、空氣和燃?xì)庖黄鸾?jīng)通道沖入主燃燒室，并借助活塞頂上的雙渦流凹坑產(chǎn)生二次渦流和燃燒渦流，與主燃燒室中的空氣進(jìn)一步混合和燃燒。

      這種燃燒室的特點(diǎn)是，最高燃燒壓力和平均壓力升高率較低，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲較低；空氣利用率較高，使柴油機(jī)能在α=1.15~1.25時(shí)無煙工作，排氣污染小；對(duì)燃油系統(tǒng)的要求較低，改善了供油裝置的工作條件；形成的混合氣體對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化不敏感，高速性能好；但其散熱損失和節(jié)流損失較大，導(dǎo)致燃油消耗率較高，冷起動(dòng)也較困難。

      為了改善起動(dòng)性能，有時(shí)需在渦流室上加裝輔助起動(dòng)裝置（如電熱塞等）。有的柴油機(jī)則在鑲塊上增加一個(gè)對(duì)準(zhǔn)噴油器的小錐孔（起動(dòng)孔）。

（2）預(yù)燃室燃燒室。

      預(yù)燃室燃燒室分為兩部分，即預(yù)燃室（通常是裝在氣缸蓋中的一個(gè)用耐熱鋼制成的單獨(dú)零件）和主燃燒室（活塞頂部空間），結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。與渦流室相比，預(yù)燃室容積較小，約為燃燒室總?cè)莘e的25%~40%。預(yù)燃室與主燃燒室的連接通道通常由一至數(shù)個(gè)稱為噴孔的圓形通道組成。噴油器一般安裝在氣缸蓋的預(yù)燃室中心附近，噴油壓力約為8~13MPa。

      這種燃燒室的混合氣體形成特點(diǎn)是，在壓縮行程中，主燃燒室的部分空氣經(jīng)噴孔被壓入預(yù)燃室，形成強(qiáng)烈紊流；當(dāng)壓縮行程接近結(jié)束時(shí)，噴油器將燃油噴入預(yù)燃室并直達(dá)噴孔附近。

 

圖5  柴油機(jī)渦流式燃燒室特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)圖

圖6  柴油機(jī)預(yù)燃式燃燒室特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)圖

 

總結(jié)：

      總而言之，所謂的燃燒室，都是在改善燃燒過程的基礎(chǔ)上來設(shè)計(jì)幾何參數(shù)的，這就給未來柴油發(fā)電機(jī)組的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)提供了原則性的指導(dǎo)。隨著科技的發(fā)達(dá)，燃燒室的幾何形狀日趨復(fù)雜，但總體來說，都是朝著完善燃燒效率和排放指標(biāo)這個(gè)統(tǒng)一的方向發(fā)展，哪一種燃燒室能實(shí)現(xiàn)兩者的折衷，它就會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。燃燒室?guī)缀涡螤顚?duì)燃?xì)饬鲌?chǎng)有相當(dāng)大的影響，從而影響燃燒室的燃燒性能，進(jìn)而影響了柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放質(zhì)量。

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