功能說(shuō)明與康明斯知識

柴油機燃燒室的形狀、結構分類(lèi)和特點(diǎn)

 

摘要：根據混合氣形成方式及燃燒室的結構特點(diǎn)，柴油機的燃燒室可分為兩大類(lèi)，即直接噴射式燃燒室和間接噴射式（或稱(chēng)分開(kāi)式）燃燒室。其中直接噴射式燃燒室又可分為開(kāi)式燃燒室和半開(kāi)式燃燒室；分開(kāi)式（或分隔式）燃燒室可分為渦流室燃燒室和預燃室燃燒室。由于燃燒室結構形狀對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(guò)對柴油發(fā)電機ω形燃燒室、球形燃燒室、渦流室式燃燒室結構特點(diǎn)的介紹，提高用戶(hù)和康明斯經(jīng)銷(xiāo)商對柴油發(fā)電機燃燒室的認識，以求更好的了解柴油發(fā)電機整個(gè)工作原理。

 

一、柴油機燃燒室的概述

 

      內燃機是目前應用最廣泛，熱效率最高的熱動(dòng)力源機械，在國民經(jīng)濟和國防的各個(gè)領(lǐng)域，都占據重要的地位。如今，能源問(wèn)題日益嚴峻，對內燃機的性能要求越來(lái)越苛刻，特別是在交通運輸方面。隨著(zhù)人類(lèi)愈加清楚能源形勢的變化，如何提高柴油機的效率、改善柴油機的熱強度已經(jīng)越來(lái)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的效率，但是對活塞熱強度有相當大的影響。作者在前人研究的基礎上，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度提供了理論基礎。

1、 燃燒室的定義與作用

      活塞作為柴油機最重要的零件之一，工作環(huán)境惡劣，不僅承受周期往返的沖擊力，同時(shí)高溫對其帶來(lái)的熱負荷也是需要重視的。當活塞位于上止點(diǎn)時(shí)，活塞頂面以上、汽缸蓋底面以下所形成的空間稱(chēng)為燃燒室，它不僅為燃氣的混合和燃燒提供了空間，而且為得到良好的燃燒組織了合理的氣流，其結構與燃油系統元件的匹配效果會(huì )直接影響柴油機的性能和工作效率，所以為滿(mǎn)足高效率、高強度活塞的市場(chǎng)要求，燃燒室形狀的優(yōu)化對內燃機的發(fā)展是有相當大的促進(jìn)作用。燃燒室工作狀態(tài)如圖1所示，常見(jiàn)結構形狀如圖2所示。

 

 

圖1  柴油機燃燒室工作狀態(tài)示意圖

圖2  柴油機燃燒室形狀分類(lèi)示意圖

 

2、 燃燒室的縮口和偏置

      柴油機發(fā)明至今已有一個(gè)世紀的時(shí)間了，經(jīng)過(guò)幾代人的研究開(kāi)發(fā)，越來(lái)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(lái)效益比較大的當屬縮口和偏置這兩項技術(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?？s口技術(shù)主要是配合不同的燃燒室形狀和進(jìn)氣系統而有所差異，而它們起的作用都是相同的?？得魉构緦χ眹娛娇s口燃燒室的燃燒性能以及排放進(jìn)行了試驗研究，試驗結果表明：恰當的縮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，在一定程度上增強了柴油機的動(dòng)力性和提高了柴油機的經(jīng)濟性，同時(shí)，它可以增長(cháng)室內渦流的持續期，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(xiàn)上，致使整個(gè)活塞形成一個(gè)非對稱(chēng)結構，如圖4所示。經(jīng)研究證明，燃燒室的偏置對柴油機的性能有一定的影響，康明斯公司對偏置燃燒室柴油機缸內噴霧性能的研究表明，燃燒室的偏置有利于氣流運動(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(guò)程中有異曲同工之效，都有利于燃氣混合，提高了空氣利用率。但是過(guò)大的縮口和偏置會(huì )使燃燒室部分溫度過(guò)高，局部應力過(guò)大，也可能會(huì )使更靠近偏離一側的環(huán)岸燒蝕，影響活塞的壽命，其次還會(huì )造成渦流持續期過(guò)長(cháng)，殘余廢棄系數增大，不利于增壓強化。所以縮口和偏置一般同時(shí)存在,而且合理分配參數，并與噴油系統和進(jìn)氣系統良好地配合，才能優(yōu)化燃燒室的燃燒過(guò)程。

 

圖3  柴油機活塞燃燒室縮口技術(shù)

圖4  柴油機活塞燃燒室偏置技術(shù)

 

二、燃燒室的分類(lèi)與結構特點(diǎn)

 

1、直接噴射式燃燒室

      直接噴射式（簡(jiǎn)稱(chēng)直噴式）燃燒室是因燃油直接噴射在燃燒室內而得名的。這種燃燒室的結構主要取決于活塞頂上的凹坑形狀。通常根據燃燒室深淺又劃分為開(kāi)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(kāi)式燃燒室（燃燒室口徑與氣缸直徑之比（dk/D=0.35~0.65）兩類(lèi)。

（1） 開(kāi)式燃燒室。

      開(kāi)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(méi)有明顯分隔的燃燒室。這種燃燒室的結構特點(diǎn)是，活塞頂上的凹坑直徑較大、深度較淺、沒(méi)有縮口、呈淺盆形或淺ω形，以適應油束的形狀。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100MPa以上。這種燃燒室內一般不組織空氣渦流運動(dòng)，其混合氣體的形成主要靠燃油的噴散霧化，對燃油霧化質(zhì)量要求較高。

      開(kāi)式燃燒室的特點(diǎn)是形狀簡(jiǎn)單、結構緊湊、散熱面積小、無(wú)節流損失，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，在滯燃期內形成的可燃混合氣體數量較多，因而最高燃燒壓力Pz和平均壓力升高率△P/△ρ較高，柴油機工作比較粗暴。而且易冒黑煙，排氣中NOx的生成量較高，對轉速和燃油品質(zhì)較敏感，且對燃油系統的要求較高。柴油機所使用的多孔噴油嘴孔徑小，容易堵塞。

（2） 半開(kāi)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(kāi)式燃燒室相比，半開(kāi)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(kāi)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(lèi)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(lái)促迸混合氣體的形成。與開(kāi)式燃燒室相比較，它對供油系統的要求較低，但仍保持燃油消耗率低、起動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此這種燃燒室應用較為廣泛，其中應用最多的是。形燃燒室。

      由于燃燒室結構形狀的不同和混合氣體形成的差異，半開(kāi)式燃燒室又可分為很多種。下面介紹幾種常用的半開(kāi)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(xiàn)旋轉的迸氣渦流和壓縮過(guò)程中形成的擠壓渦流，來(lái)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，結構緊湊，散熱面積小，所以燃油經(jīng)濟性好。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(zhù)火，故起動(dòng)性能也較好。但是，它對燃油系統要求較高，多孔噴油器的噴孔容易堵塞，柴油機工作比較粗暴，排氣污染較嚴重。

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℃）；合理的結構尺寸；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（又稱(chēng)M燃燒系統），使柴油機具有工作柔和、燃燒噪聲低、高負載時(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，低負載時(shí)燃燒室壁溫低、排煙較大，活塞熱負載較高，對增壓適應性差，在大缸徑上應用有困難，低速性能不好，對氣道、噴油嘴質(zhì)量等因素很敏感，設計、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著(zhù)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速的升高而劇增。因此，抑制了高速時(shí)渦流的增強，燃油的分布受轉速的影響也就減弱，從而使燃袖與空氣在各種轉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)機的煙度值、經(jīng)濟性和排放指標均獲得了改善。

2、分開(kāi)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(chēng)為主燃燒室；另一部分在氣缸蓋或氣缸體內，稱(chēng)為輔助燃燒室。兩者以一條或數條通道相連接。分開(kāi)式燃燒室常以輔助燃燒室的特征不同分為兩類(lèi)，即渦流室燃燒室和預燃室燃燒室。

（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。結構示意圖如圖5所示。

      主燃燒室包括活塞頂上各種形狀的導流槽和凹坑。一般多采用雙渦流凹坑。輔助燃燒室為渦流室，一般設在氣缸蓋內，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（呈半球形），下半部則通過(guò)鑲塊的變化而獲得各種變形。采用鑲塊結構，可使渦流室承受更高的熱負載，便于渦流室內表面和通道的加工，以及使渦流室容積易于準確控制。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%。通道對準活塞頂上的導流槽。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，形成強烈的、有規律的渦流運動(dòng)。壓縮接近結束時(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。當混合氣體在渦流室中著(zhù)火燃燒后，由于壓力升高，室中末燃的燃油、空氣和燃氣一起經(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，柴油機運轉平穩、噪聲較低；空氣利用率較高，使柴油機能在α=1.15~1.25時(shí)無(wú)煙工作，排氣污染??；對燃油系統的要求較低，改善了供油裝置的工作條件；形成的混合氣體對柴油機轉速的變化不敏感，高速性能好；但其散熱損失和節流損失較大，導致燃油消耗率較高，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）。有的柴油機則在鑲塊上增加一個(gè)對準噴油器的小錐孔（起動(dòng)孔）。

（2）預燃室燃燒室。

      預燃室燃燒室分為兩部分，即預燃室（通常是裝在氣缸蓋中的一個(gè)用耐熱鋼制成的單獨零件）和主燃燒室（活塞頂部空間），結構示意圖如圖5所示。與渦流室相比，預燃室容積較小，約為燃燒室總容積的25%~40%。預燃室與主燃燒室的連接通道通常由一至數個(gè)稱(chēng)為噴孔的圓形通道組成。噴油器一般安裝在氣缸蓋的預燃室中心附近，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)噴孔被壓入預燃室，形成強烈紊流；當壓縮行程接近結束時(shí)，噴油器將燃油噴入預燃室并直達噴孔附近。

 

圖5  柴油機渦流式燃燒室特點(diǎn)與結構圖

圖6  柴油機預燃式燃燒室特點(diǎn)與結構圖

 

總結：

      總而言之，所謂的燃燒室，都是在改善燃燒過(guò)程的基礎上來(lái)設計幾何參數的，這就給未來(lái)柴油發(fā)電機組的內燃機設計提供了原則性的指導。隨著(zhù)科技的發(fā)達，燃燒室的幾何形狀日趨復雜，但總體來(lái)說(shuō)，都是朝著(zhù)完善燃燒效率和排放指標這個(gè)統一的方向發(fā)展，哪一種燃燒室能實(shí)現兩者的折衷，它就會(huì )得到廣泛的應用。燃燒室幾何形狀對燃氣流場(chǎng)有相當大的影響，從而影響燃燒室的燃燒性能，進(jìn)而影響了柴油機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和排放質(zhì)量。

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