功能說明與康明斯知識

柴油機燃燒室的形狀、結(jié)構(gòu)分類和特點

 

摘要：根據(jù)混合氣形成方式及燃燒室的結(jié)構(gòu)特點，柴油機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燃室燃燒室。由于燃燒室結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特點的介紹，提高用戶和康明斯經(jīng)銷商對柴油發(fā)電機燃燒室的認識，以求更好的了解柴油發(fā)電機整個工作原理。

 

一、柴油機燃燒室的概述

 

      內(nèi)燃機是目前應用最廣泛，熱效率最高的熱動力源機械，在國民經(jīng)濟和國防的各個領域，都占據(jù)重要的地位。如今，能源問題日益嚴峻，對內(nèi)燃機的性能要求越來越苛刻，特別是在交通運輸方面。隨著人類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)越來越受到人們的關注。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，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，同時高溫對其帶來的熱負荷也是需要重視的。當活塞位于上止點時，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(jié)構(gòu)與燃油系統(tǒng)元件的匹配效果會直接影響柴油機的性能和工作效率，所以為滿足高效率、高強度活塞的市場要求，燃燒室形狀的優(yōu)化對內(nèi)燃機的發(fā)展是有相當大的促進作用。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  柴油機燃燒室工作狀態(tài)示意圖

圖2  柴油機燃燒室形狀分類示意圖

 

2、 燃燒室的縮口和偏置

      柴油機發(fā)明至今已有一個世紀的時間了，經(jīng)過幾代人的研究開發(fā)，越來越向高速、輕量、高質(zhì)排氣進化。而燃燒室的改進方案也是層出不窮，其中論帶來效益比較大的當屬縮口和偏置這兩項技術了。

（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。縮口技術主要是配合不同的燃燒室形狀和進氣系統(tǒng)而有所差異，而它們起的作用都是相同的。康明斯公司對直噴式縮口燃燒室的燃燒性能以及排放進行了試驗研究，試驗結(jié)果表明：恰當?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，在一定程度上增強了柴油機的動力性和提高了柴油機的經(jīng)濟性，同時，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，致使整個活塞形成一個非對稱結(jié)構(gòu)，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(nèi)噴霧性能的研究表明，燃燒室的偏置有利于氣流運動，同樣也增加了擠流作用，促進燃燒完全。

      縮口和偏置在影響燃燒室燃燒過程中有異曲同工之效，都有利于燃氣混合，提高了空氣利用率。但是過大的縮口和偏置會使燃燒室部分溫度過高，局部應力過大，也可能會使更靠近偏離一側(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，不利于增壓強化。所以縮口和偏置一般同時存在,而且合理分配參數(shù)，并與噴油系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)良好地配合，才能優(yōu)化燃燒室的燃燒過程。

 

圖3  柴油機活塞燃燒室縮口技術

圖4  柴油機活塞燃燒室偏置技術

 

二、燃燒室的分類與結(jié)構(gòu)特點

 

1、直接噴射式燃燒室

      直接噴射式（簡稱直噴式）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，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(nèi)一般不組織空氣渦流運動，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。

      開式燃燒室的特點是形狀簡單、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，柴油機工作比較粗暴。而且易冒黑煙，排氣中NOx的生成量較高，對轉(zhuǎn)速和燃油品質(zhì)較敏感，且對燃油系統(tǒng)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，它對供油系統(tǒng)的要求較低，但仍保持燃油消耗率低、起動方便等優(yōu)點，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(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，它利用螺旋進氣道在進氣時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，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形燃燒室形狀較簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積小，所以燃油經(jīng)濟性好。同時，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，故起動性能也較好。但是，它對燃油系統(tǒng)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，它具有一個或兩個噴孔的噴油器，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。

      球形燃燒室的特點是，具有較強的進氣渦流；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)），使柴油機具有工作柔和、燃燒噪聲低、高負載時煙度較小、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。其缺點是冷起動困難，低負載時燃燒室壁溫低、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燃燒室的四個角落噴油。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，抑制了高速時渦流的增強，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。由于在四個圓角處產(chǎn)生微渦流，進一步促進了混合氣體的形成和燃燒，從而使發(fā)動機的煙度值、經(jīng)濟性和排放指標均獲得了改善。

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(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(guī)律的渦流運動。壓縮接近結(jié)束時，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一步混合和燃燒。

      這種燃燒室的特點是，最高燃燒壓力和平均壓力升高率較低，柴油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲較低；空氣利用率較高，使柴油機能在α=1.15~1.25時無煙工作，排氣污染?。粚θ加拖到y(tǒng)的要求較低，改善了供油裝置的工作條件；形成的混合氣體對柴油機轉(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，導致燃油消耗率較高，冷起動也較困難。

      為了改善起動性能，有時需在渦流室上加裝輔助起動裝置（如電熱塞等）。有的柴油機則在鑲塊上增加一個對準噴油器的小錐孔（起動孔）。

（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用耐熱鋼制成的單獨零件）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，預燃室容積較小，約為燃燒室總?cè)莘e的25%~40%。預燃室與主燃燒室的連接通道通常由一至數(shù)個稱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(jié)束時，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與結(jié)構(gòu)圖

圖6  柴油機預燃式燃燒室特點與結(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上來設計幾何參數(shù)的，這就給未來柴油發(fā)電機組的內(nèi)燃機設計提供了原則性的指導。隨著科技的發(fā)達，燃燒室的幾何形狀日趨復雜，但總體來說，都是朝著完善燃燒效率和排放指標這個統(tǒng)一的方向發(fā)展，哪一種燃燒室能實現(xiàn)兩者的折衷，它就會得到廣泛的應用。燃燒室?guī)缀涡螤顚θ細饬鲌鲇邢喈敶蟮挠绊懀瑥亩绊懭紵业娜紵阅?，進而影響了柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放質(zhì)量。

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