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功能说明与康明斯知识 |
柴油机燃烧室的形状、结构分类和特点 |
摘要：根据混合气形成方式及燃烧室的结构特点，柴油机的燃烧室可分为两大类，即直接喷射式燃烧室和间接喷射式（或称分开式）燃烧室。其中直接喷射式燃烧室又可分为开式燃烧室和半开式燃烧室；分开式（或分隔式）燃烧室可分为涡流室燃烧室和预燃室燃烧室。由于燃烧室结构形状对可燃混合气的充分混合影响极大，康明斯公司在本文中通过对柴油发电机ω形燃烧室、球形燃烧室、涡流室式燃烧室结构特点的介绍，提高用户和康明斯经销商对柴油发电机燃烧室的认识，以求更好的了解柴油发电机整个工作原理。
一、柴油机燃烧室的概述
内燃机是目前应用最广泛，热效率最高的热动力源机械，在国民经济和国防的各个领域，都占据重要的地位。如今，能源问题日益严峻，对内燃机的性能要求越来越苛刻，特别是在交通运输方面。随着人类愈加清楚能源形势的变化，如何提高柴油机的效率、改善柴油机的热强度已经越来越受到人们的关注。经研究，改变活塞的燃烧室形状可以提高柴油机的效率，但是对活塞热强度有相当大的影响。作者在前人研究的基础上，综述了燃烧室形状的发展历程，并分析它们的优劣点，为今后提高功率和改善热强度提供了理论基础。
1、 燃烧室的定义与作用
活塞作为柴油机最重要的零件之一，工作环境恶劣，不仅承受周期往返的冲击力，同时高温对其带来的热负荷也是需要重视的。当活塞位于上止点时，活塞顶面以上、汽缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室，它不仅为燃气的混合和燃烧提供了空间，而且为得到良好的燃烧组织了合理的气流，其结构与燃油系统元件的匹配效果会直接影响柴油机的性能和工作效率，所以为满足高效率、高强度活塞的市场要求，燃烧室形状的优化对内燃机的发展是有相当大的促进作用。燃烧室工作状态如图1所示，常见结构形状如图2所示。
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图1 柴油机燃烧室工作状态示意图 |
图2 柴油机燃烧室形状分类示意图 |
2、 燃烧室的缩口和偏置
柴油机发明至今已有一个世纪的时间了，经过几代人的研究开发，越来越向高速、轻量、高质排气进化。而燃烧室的改进方案也是层出不穷，其中论带来效益比较大的当属缩口和偏置这两项技术了。
（1）燃烧室的缩口
燃烧室的缩口即表示燃烧室上口略小于燃烧室直径，缩口的形式有很多种，典型形状如图3所示。缩口技术主要是配合不同的燃烧室形状和进气系统而有所差异，而它们起的作用都是相同的。康明斯公司对直喷式缩口燃烧室的燃烧性能以及排放进行了试验研究，试验结果表明：恰当的缩口能促使燃烧室的气流形成较大的挤流，能够得到比较合理的涡流分布，使燃料和空气混合更均匀，燃烧更彻底，在一定程度上增强了柴油机的动力性和提高了柴油机的经济性，同时，它可以增长室内涡流的持续期，有效地降低烟雾的排放。
（2）燃烧室偏置
燃烧室偏置就是指燃烧室中心不在活塞中心轴线上，致使整个活塞形成一个非对称结构，如图4所示。经研究证明，燃烧室的偏置对柴油机的性能有一定的影响，康明斯公司对偏置燃烧室柴油机缸内喷雾性能的研究表明，燃烧室的偏置有利于气流运动，同样也增加了挤流作用，促进燃烧完全。
缩口和偏置在影响燃烧室燃烧过程中有异曲同工之效，都有利于燃气混合，提高了空气利用率。但是过大的缩口和偏置会使燃烧室部分温度过高，局部应力过大，也可能会使更靠近偏离一侧的环岸烧蚀，影响活塞的寿命，其次还会造成涡流持续期过长，残余废弃系数增大，不利于增压强化。所以缩口和偏置一般同时存在,而且合理分配参数，并与喷油系统和进气系统良好地配合，才能优化燃烧室的燃烧过程。
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图3 柴油机活塞燃烧室缩口技术 |
图4 柴油机活塞燃烧室偏置技术 |
二、燃烧室的分类与结构特点
1、直接喷射式燃烧室
直接喷射式（简称直喷式）燃烧室是因燃油直接喷射在燃烧室内而得名的。这种燃烧室的结构主要取决于活塞顶上的凹坑形状。通常根据燃烧室深浅又划分为开式燃烧室（燃烧室口径与气缸直径之比（dk/D=0.8以上）和半开式燃烧室（燃烧室口径与气缸直径之比（dk/D=0.35~0.65）两类。
（1） 开式燃烧室。
开式燃烧室是一种由活塞顶面及气缸盖底面之间形成的、中间没有明显分隔的燃烧室。这种燃烧室的结构特点是，活塞顶上的凹坑直径较大、深度较浅、没有缩口、呈浅盆形或浅ω形，以适应油束的形状。与燃烧室相匹配的多孔喷油器装置在气缸盖中央，喷孔数为6~12个，孔径为0.25~0.80mm，喷油角度为140°~160°，喷油压力较高，一般为20~40MPa，最高喷油压力甚至高达100MPa以上。这种燃烧室内一般不组织空气涡流运动，其混合气体的形成主要靠燃油的喷散雾化，对燃油雾化质量要求较高。
开式燃烧室的特点是形状简单、结构紧凑、散热面积小、无节流损失，因而燃油消耗率低，而且起动较容易。由于这种燃烧室是均匀的空间混合，在滞燃期内形成的可燃混合气体数量较多，因而最高燃烧压力Pz和平均压力升高率△P/△ρ较高，柴油机工作比较粗暴。而且易冒黑烟，排气中NOx的生成量较高，对转速和燃油品质较敏感，且对燃油系统的要求较高。柴油机所使用的多孔喷油嘴孔径小，容易堵塞。
（2） 半开式燃烧室。
这种燃烧室在某种程度上被分为两部分，其中一部分由设置在活塞顶部或气缸盖底面上的凹坑组成，另一部分由活塞顶面到气缸盖底面之间的空间组成，两者间有较大的喉口相连通。与开式燃烧室相比，半开式燃烧室在活塞顶上的凹坑直径略小、较深，有的有缩口，其形状繁多。目前应用的ω形、△形、球形、盆形燃烧室以及四角形燃烧室等均属于半开式燃烧室。
这种燃烧室配用单孔或多孔喷油器，并斜置一定角度安装在气缸盖上。喷油压力约为17~25MPa。这类燃烧室的混合气体形成不单纯依靠燃油的喷雾质量，而且还借助进气涡流和挤压涡流来促迸混合气体的形成。与开式燃烧室相比较，它对供油系统的要求较低，但仍保持燃油消耗率低、起动方便等优点，因此这种燃烧室应用较为广泛，其中应用最多的是。形燃烧室。
由于燃烧室结构形状的不同和混合气体形成的差异，半开式燃烧室又可分为很多种。下面介绍几种常用的半开式燃烧室。
① ω形燃烧室。
这种燃烧室的活塞顶部剖面轮廓为近似的ω形，它利用螺旋进气道在进气时形成的绕气缸轴线旋转的迸气涡流和压缩过程中形成的挤压涡流，来促进混合气体的形成。这种燃烧室仍采用多孔喷油器（3~5孔）。当燃油以较高的喷油压力喷入气缸时，一部分喷散在燃烧室空间；另一部分由于空气涡流的作用，喷射到燃烧室壁面上，形成油膜，后者受热蒸发，油蒸气被空气涡流带走，并迅速与空气形成可燃混合气体。但是，混合气体的形成仍以空间混合为主。
ω形燃烧室形状较简单，结构紧凑，散热面积小，所以燃油经济性好。同时，由于它总有一部分燃油在燃烧室空间先形成混合气体而着火，故起动性能也较好。但是，它对燃油系统要求较高，多孔喷油器的喷孔容易堵塞，柴油机工作比较粗暴，排气污染较严重。
② 球形燃烧室。
活塞顶部的燃烧室呈球形，它具有一个或两个喷孔的喷油器，装在燃烧室边缘切口处，并沿燃烧室壁喷油，使绝大部分燃油喷到燃烧室壁面上，在气流作用下形成一层薄油膜。油膜从燃烧室壁面吸取热量，迅速蒸发并与燃烧室中高速旋转的空气混合，形成可燃混合气体。从油束中分散出少量雾化燃油，在燃烧室炽热的空气中形成火源，点燃从壁面油膜蒸发形成的可燃混合气体。
球形燃烧室的特点是，具有较强的进气涡流；有利于油膜蒸发的壁面温度（约为300~350℃）；合理的结构尺寸；气流与油束很好地配合。这种以油膜蒸发混合为主的燃烧系统（又称M燃烧系统），使柴油机具有工作柔和、燃烧噪声低、高负载时烟度较小、空气利用率较高、燃油消耗率较低，能使用多种燃料等优点。其缺点是冷起动困难，低负载时燃烧室壁温低、排烟较大，活塞热负载较高，对增压适应性差，在大缸径上应用有困难，低速性能不好，对气道、喷油嘴质量等因素很敏感，设计、制造要求高。
③ 四角形燃烧室。
这种燃烧室以活塞顶上呈四角形的凹坑而得名。斜置的四孔喷油器对着燃烧室的四个角落喷油。由于喉口呈四角方形，空气涡流和边部之间的摩擦随转速的升高而剧增。因此，抑制了高速时涡流的增强，燃油的分布受转速的影响也就减弱，从而使燃袖与空气在各种转速下均能较好地混合。由于在四个圆角处产生微涡流，进一步促进了混合气体的形成和燃烧，从而使发动机的烟度值、经济性和排放指标均获得了改善。
2、分开式燃烧室
这种燃烧室被明显地分隔成两部分，一部分由活塞顶面和气缸盖底面组成，称为主燃烧室；另一部分在气缸盖或气缸体内，称为辅助燃烧室。两者以一条或数条通道相连接。分开式燃烧室常以辅助燃烧室的特征不同分为两类，即涡流室燃烧室和预燃室燃烧室。
（1）涡流室燃烧室。
涡流室燃烧室由主燃烧室和辅助燃烧室（即涡流室）组成，两者间以通道相连。结构示意图如图5所示。
主燃烧室包括活塞顶上各种形状的导流槽和凹坑。一般多采用双涡流凹坑。辅助燃烧室为涡流室，一般设在气缸盖内，形状有球形、球锥形（彗星-V形）和球柱形等，其容积约为全部燃烧室容积的50%~80%。一般涡流室上半部铸在气缸盖内（呈半球形），下半部则通过镶块的变化而获得各种变形。采用镶块结构，可使涡流室承受更高的热负载，便于涡流室内表面和通道的加工，以及使涡流室容积易于准确控制。镶块常用耐热钢或耐热合金铸铁制成。涡流室采用切向连接通道与主燃烧室相通。通道形状多采用圆形、椭圆形。通道截面积约为活塞面积的1%~3%。通道对准活塞顶上的导流槽。喷油器采用单孔轴针式，斜装在涡流室里，其喷油压力为10~15MPa。
这种燃烧室中的混合气体形成，主要是利用压缩涡流、燃烧涡流、燃油油束和涡流的互相配合而获得的。在压缩行程中，空气从主燃烧室被压入涡流室，形成强烈的、有规律的涡流运动。压缩接近结束时，燃油顺涡流方向喷入涡流室，在压缩涡流作用下，使燃油和空气均匀混合并形成混合气体。当混合气体在涡流室中着火燃烧后，由于压力升高，室中末燃的燃油、空气和燃气一起经通道冲入主燃烧室，并借助活塞顶上的双涡流凹坑产生二次涡流和燃烧涡流，与主燃烧室中的空气进一步混合和燃烧。
这种燃烧室的特点是，最高燃烧压力和平均压力升高率较低，柴油机运转平稳、噪声较低；空气利用率较高，使柴油机能在α=1.15~1.25时无烟工作，排气污染小；对燃油系统的要求较低，改善了供油装置的工作条件；形成的混合气体对柴油机转速的变化不敏感，高速性能好；但其散热损失和节流损失较大，导致燃油消耗率较高，冷起动也较困难。
为了改善起动性能，有时需在涡流室上加装辅助起动装置（如电热塞等）。有的柴油机则在镶块上增加一个对准喷油器的小锥孔（起动孔）。
（2）预燃室燃烧室。
预燃室燃烧室分为两部分，即预燃室（通常是装在气缸盖中的一个用耐热钢制成的单独零件）和主燃烧室（活塞顶部空间），结构示意图如图5所示。与涡流室相比，预燃室容积较小，约为燃烧室总容积的25%~40%。预燃室与主燃烧室的连接通道通常由一至数个称为喷孔的圆形通道组成。喷油器一般安装在气缸盖的预燃室中心附近，喷油压力约为8~13MPa。
这种燃烧室的混合气体形成特点是，在压缩行程中，主燃烧室的部分空气经喷孔被压入预燃室，形成强烈紊流；当压缩行程接近结束时，喷油器将燃油喷入预燃室并直达喷孔附近。
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图5 柴油机涡流式燃烧室特点与结构图 |
图6 柴油机预燃式燃烧室特点与结构图 |
总结：
总而言之，所谓的燃烧室，都是在改善燃烧过程的基础上来设计几何参数的，这就给未来柴油发电机组的内燃机设计提供了原则性的指导。随着科技的发达，燃烧室的几何形状日趋复杂，但总体来说，都是朝着完善燃烧效率和排放指标这个统一的方向发展，哪一种燃烧室能实现两者的折衷，它就会得到广泛的应用。燃烧室几何形状对燃气流场有相当大的影响，从而影响燃烧室的燃烧性能，进而影响了柴油机的动力性、经济性和排放质量。
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