柴油機(jī)燃燒室形狀的演變歷程

孫磊

摘 要：通過對(duì)柴油機(jī)燃燒室形狀的發(fā)展歷程的綜述，加強(qiáng)對(duì)柴油機(jī)各類燃燒室形狀的特點(diǎn)的認(rèn)知，為今后提高柴油機(jī)功率和改善熱強(qiáng)度提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);燃燒室;演變歷程

中圖分類號(hào)：U464.172文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.11.014

柴油機(jī)從燃油開始噴入燃燒室到燃燒基本結(jié)束，整個(gè)過程是很短暫的，大約為千分之幾秒。燃燒室的形狀直接影響可燃混合氣形成的方式、速度、質(zhì)量及燃燒過程的進(jìn)行。本人在前人研究的基礎(chǔ)上，綜述柴油機(jī)燃燒室形狀的發(fā)展歷程，并分析它們的優(yōu)劣點(diǎn)，為今后提高柴油機(jī)功率和改善熱強(qiáng)度提供理論基礎(chǔ)。

1 燃燒室的分類與演變

根據(jù)燃燒室容積的分布情況，柴油機(jī)上常用的燃燒室基本上分為兩類：一類是統(tǒng)一型燃燒室，其容積集中在一處。它包括直接噴射式（淺ω形、淺盆形）燃燒室、球形燃燒室、U形燃燒室、四角形燃燒室等;另一類是分隔型燃燒室，其容積分置在兩處，它包括渦流室式燃燒室和預(yù)燃室式燃燒室。這些燃燒室的出現(xiàn)與發(fā)展，反映了人們對(duì)柴油機(jī)可燃混合氣形成與燃燒的認(rèn)識(shí)過程及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。

1.1 直接噴射式燃燒室

直接噴射式燃燒室可簡稱為直噴式燃燒室，它是各種燃燒室中出現(xiàn)最早的一種。“直接噴射”的最初概念是，柴油直接噴到燃燒室的空間，并與空氣混合，隨后進(jìn)行燃燒。直噴式燃燒室的基本形式有淺ω形與淺盆形。

淺盆形燃燒室位于活塞頂部中心，形狀呈淺圓盆形，其特點(diǎn)是形狀簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積小;采用多孔噴油器;壓縮比較小。淺盆形燃燒室雖早于淺ω形燃燒室問世，并具有動(dòng)力性強(qiáng)、燃燒使用經(jīng)濟(jì)性好、啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)，但由于它的燃燒室形狀與柴油噴注形狀吻合性較差，致使可燃混合氣形成與燃燒速度較慢，使柴油機(jī)最高轉(zhuǎn)速較低、加速性能較差，并且因著火落后期較長，使柴油機(jī)工作粗暴程度加大。目前除船用柴油機(jī)仍有采用外，工程機(jī)械用柴油機(jī)上基本上已被淺ω形燃燒室所代替。

燃燒室是由活塞頂部余隙部分和活塞上的ω形空間組成。工作時(shí)，多孔噴油器噴入的柴油大部分呈霧狀均勻分布在燃燒室空間并吸收空氣壓縮得到的高溫而蒸發(fā)，同時(shí)與空氣混合（空間混合方式），有少量柴油被噴射在燃燒室壁上，形成油膜，在燃燒開始才蒸發(fā)燃燒。這種燃燒室散熱面積小，熱損失少，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)性較好。由于大部分柴油噴置于燃燒室空間，故容易啟動(dòng)。缺點(diǎn)是多孔噴嘴容易堵塞，供油系容易發(fā)生故障。燃燒時(shí)壓力增長率和最大爆發(fā)壓力大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作較粗暴。

國產(chǎn)l35系列柴油機(jī)采用的是ω型燃燒室。其上裝置4孔噴嘴，噴孔夾角為150°。為了改善性能，減少噪音和污染，各國均在尋求新的途徑，如日本五十鈴公司采用的四角形ω型燃燒室（簡稱四角形燃燒室），活塞頂上的凹坑為正四角形，4個(gè)噴孔大致對(duì)著燃燒室凹坑的4個(gè)邊。

1.2 預(yù)燃室式燃燒室

這種燃燒室的輔助燃燒室（預(yù)燃室）也設(shè)置在缸蓋內(nèi)，一般是用耐熱鋼制成圓筒狀。預(yù)燃室與主燃燒室的通道不與預(yù)燃室相切，其軸線正對(duì)主燃燒室中心。在壓縮行程時(shí)，預(yù)燃室中不產(chǎn)生有組織的渦流，而產(chǎn)生強(qiáng)烈紊流，空氣紊流使噴入預(yù)燃室中的部分燃油霧化、混合并燃燒。初步燃燒使預(yù)燃室中壓力迅速升高，使正在燃燒和尚未燃燒的燃油及空氣以高速?zèng)_入主燃燒室進(jìn)一步霧化、混合、燃燒。

預(yù)燃室占整個(gè)燃燒室比例較小（僅有25%～40%），與主燃室通道的斷面也較小，使預(yù)燃室與主燃室之間的壓差較大，流動(dòng)損失較大。這種燃燒室工作柔和、平穩(wěn)，對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷變化適應(yīng)性好。主要缺點(diǎn)是油耗高，啟動(dòng)性能差。我國預(yù)燃室式燃燒室主要用于機(jī)車、艦船等大缸徑、大功率柴油機(jī)上。小型柴油機(jī)上也有應(yīng)用。

1.3 渦流室式燃燒室

同樣出于減輕直噴式燃燒室柴油機(jī)振動(dòng)、噪聲大的目的，科學(xué)家又發(fā)明了渦流室式燃燒室，它也是由兩部組成：一部分位于活塞與汽缸之間，為主燃燒室;另一部分位于汽缸蓋內(nèi)，為渦流室，其形狀為球形或近似球形，容積約為燃燒室容積的50%～80%。軸針式噴油器傾斜安裝在渦流室上方的一側(cè)。渦流室與主燃燒室之間用1～2個(gè)傾斜通道相連，通道與渦流室相切。為便于渦流室制造并保持較高的溫度，渦流室的下半部分用耐熱鋼制成后壓配在汽缸蓋上。

與預(yù)燃室式燃燒室相似，渦流室式燃燒室的主燃燒室內(nèi)的壓力升高率較小，使柴油機(jī)工作柔和、振動(dòng)噪聲小。渦流室式燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升高而加大;隨著氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的提高，可燃混合氣質(zhì)量提高、燃燒速度加快，又促使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提高，兩者互相促進(jìn)。因此，渦流室式燃燒室柴油機(jī)適合在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)5000 r/min，這是各種燃燒室柴油機(jī)中轉(zhuǎn)速最高的一種。

2 新型燃燒室

為滿足動(dòng)力性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、無污染等市場需求，燃燒室的研究前仆后繼，從而也出現(xiàn)了若干所謂的新型燃燒室。例如由李玉山教授設(shè)計(jì)的超ω環(huán)山形燃燒室，實(shí)驗(yàn)證明這種新型燃燒室具有較好的卷渦流場，有效地改善了柴油機(jī)的燃燒，又避免了一般強(qiáng)渦流燃燒室所導(dǎo)致的渦流損失。

還有一種應(yīng)用比較多的是雙卷流燃燒室，在20世紀(jì)末，北京理工大學(xué)車輛工程學(xué)院魏熔等人對(duì)雙卷流燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了仔細(xì)的研究，通過單缸機(jī)和多缸機(jī)的重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明此種燃燒室具有耗油率低、載荷低、排氣污染少的特點(diǎn)，有良好的推廣前景，于是2010年李向榮等又對(duì)雙卷流燃燒室的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)更加合理化。

3 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，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。

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