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使用說明書 |
發動機燃燒室的分類和結構特點 |
引言：燃燒室是柴油機的重要零部件，柴油機內混合氣形成和燃燒都與燃燒室有著密切關系。因此，燃燒室的幾何形狀及結構尺寸對可燃混合氣的形成和燃燒過程完善度有著直接的影響，從而導致對發動機的動力性、經濟性、可靠性以及排放性能有著重要影響。由于柴油發電機可燃混合氣的形成和燃燒主要是在燃燒室內進行的，而在余隙容積(包括活塞頂間隙容積、氣門凹坑等)中的氣體不能得到有效利用，所以應盡量減少余隙容積，擴大燃燒室內的容積，使空氣盡可能集中在燃燒室內，以改善空氣利用率。
一、柴油機的燃燒過程
柴油機著火條件是燃料蒸氣與空氣的比例要在著火界限內；可燃混合氣加熱到著火溫度。而燃燒階段的劃分為滯燃期、急燃期、緩燃期和后燃期四個階段。
I、滯燃期
● 噴油開始—壓力線偏離壓縮線
● 噴油在上止點前—噴油提前角
此時，氣體溫度在450—800℃，遠高于該條件下燃油的自燃溫度，但不能馬上著火。因為如下原因：
（1）物理準備：燃油的粉碎、分散、蒸發汽化和混合，在局部區域形成可燃混合氣。
（2）化學準備：混合氣先期化學反應直到開始自燃，多級自燃。整體上而言，上述過程重疊在一起進行。
滯燃期直接影響第Ⅱ階段的燃燒，對整個燃燒過程影響很大。
Ⅱ、急燃期
屬于壓力急劇上升的階段。著火延遲期內準備好的可燃混合氣一起燃燒，壓力急劇上升，接近等容燃燒。
平均壓力升高率：△P/△φ=(P?-P?)/(φ?-P?)
以上參數不適于大于0.65MPa/oCA，決定柴油機運轉平穩性，過大，工作粗暴，產生燃燒噪聲，運動零件受較大沖擊負荷，可靠性、壽命下降，但燃燒快，功率上升、比油耗下降。
由于柴油機△P/△φ比汽油機大，其影響因素主要是著火延遲期內形成的可燃混合氣數量。要使△P/△φ下降，應使上述形成的可燃混合氣量減少。
Ⅲ、緩燃期
屬于壓力急劇增高的終點到壓力急劇下降點。工作過程中，邊燃燒，活塞邊下行，缸內壓力幾乎不變或稍有變化，燃燒條件不利，局部高溫缺氧(冒黑煙)。
解決辦法：加快已燃氣體與未燃氣體的分離及可燃混合氣形成速度。
IV、后燃期
屬于緩燃期的終點到燃料基本上完全燃燒，但是其終點難確定。放熱膨脹比低，散熱增加，指示熱效率下降，排氣溫度增高，故應盡量縮短。
根據燃料和空氣混合氣形成的特點，柴油機燃燒過程又可以分成預混燃燒階段和擴散燃燒階段兩個階段，在本文中不再贅述。
二、燃燒室的分類
1、統一式燃燒室
統一式燃燒室又稱直接噴射燃燒室。其結構特點是只有一個燃燒室，位于活塞頂面與氣缸蓋底面之間，噴油器直接向燃燒室內噴射15～30MPa的高壓柴油，借助油束形狀與燃燒室形狀的合理匹配，以及空氣的渦流運動，迅速形成可燃混合氣燃燒，故這種燃燒室又稱為直噴式燃燒室。統一式燃燒室主要集中在活塞頂的凹坑內。統一式燃燒室要求燃油的噴射壓力高，一般與孔式噴油器配合使用。直接噴射式燃燒室又可分為開式( 有的稱為統一式) 和半開式兩種。
（1）開式直噴式燃燒室
主要特點是燃燒室中沒有渦流運動，混合氣形成上主要靠采用多孔噴油嘴，以較高的噴射力，利用油束的擴展及與活塞頂的淺 ω 形或淺盆形凹坑相配合來實現。這種燃燒室主要用于大型低、中速柴油機。
（2）半開式燃燒室
半開式燃燒室與開式燃燒室相比，活塞頂上凹坑較深，且口徑有收縮。整個燃燒室可以看成是由活塞上的凹坑部分和活塞頂上的容積( 余隙容積) 兩個部分組成。其混合氣的形成，一方面靠噴油器燃油的霧化質量，另一方面則利用進氣渦流( 如靠螺旋形進氣道形成) 及活塞上的凹坑在壓縮行程時形成的氣體旋轉運動來完成。半開式燃燒室按照其具體形狀主要分為深 ω 形、U 形和球形燃燒室三種。
2、分隔式燃燒室
分隔式燃燒室由兩部分組成，即主燃燒室和副燃燒室。主燃燒室位于活塞頂與氣缸蓋底面之間，副燃燒室位于氣缸蓋內。主、副燃燒室之間用一個或幾個直徑較小的通道相連。燃油則是噴人副燃燒室內的。分隔式燃燒室常見的結構形式有渦流室式和預燃室式兩種。
（1）預燃室式燃燒室
預燃室式燃燒室的副燃燒室多是長體結構，連通預燃室與主燃燒室的通道面積較小。燃料通過噴油器噴人預燃室，預燃室著火后溫度、壓力迅速上升，利用這部分燃料的燃燒能量將集中于下部通道口附近已預熱的燃油高速噴向主燃燒室。預燃室式燃燒室要求的噴射壓力比統一式燃燒低，一般也與軸針式噴油器配合使用，柴油發電機啟動時一般需要電熱塞先預熱。
（2）渦流室式燃燒室
渦流室式燃燒室的副燃燒室多為球形或錐形。渦流室與主燃燒室用一個或數個通道連通。在壓縮行程中，空氣從氣缸內被擠人渦流室時，形成強烈的有規則的渦流運動，噴人渦流室內的燃油，在強烈的空氣渦流作用下迅速與空氣混合形成可燃混合氣。著火后大部分柴油在渦流室內燃燒，未燃燒的部分燃油在做功行程初期與高壓燃氣一起通過通道噴人主燃燒室，形成二次渦流，使之進一步與空氣混合燃燒。渦流室式燃燒室的優點是能形成強烈的渦流運動，對柴油噴霧質量要求低，可以采用噴油壓力較低的軸針式噴油器。為了保證冷機起動，一般設置電熱塞等起動輔助裝置。
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圖1 柴油機統一式燃燒室示意圖 |
圖2 柴油機分隔式燃燒室類別 |
三、燃燒室結構特點
燃燒室的形狀對發動機的工作影響很大，由于汽油機和柴油機的燃燒方式不同，其汽缸蓋上組成燃燒室的部分差別較大。汽油機的燃燒室主要在汽缸蓋上，而柴油機的燃燒室主要在活塞頂部的凹坑。
1、半球形燃燒室
半球形燃燒室結構緊湊，火花塞布置在燃燒室中央，火焰行程短，故燃燒速率高，散熱少，熱效率高。這種燃燒室結構上也允許氣門雙行排列，進氣口直徑較大，故充氣效率較高，雖然使配氣機構變得較為復雜，但有利于排氣凈化，在發動機上被廣泛應用。
2、楔形燃燒室
楔形燃燒室結構簡單、緊湊，散熱面積小，熱損失也小，能保證混合氣在壓縮行程中形成良好的渦流運動，有利于提高混合氣的混合質量，進氣阻力小，提高了充氣效率。其氣門排成一列，使配氣機構簡單，但火花塞置于楔形燃燒室高處，火焰傳播距離較長。
3、盆形燃燒室
盆形燃燒室的汽缸蓋工藝性好，制造成本低，但因氣門直徑易受限制，進、排氣效果要比半球形燃燒室差。
4、ω 形燃燒室
ω 形燃燒室由汽缸蓋底面和剖面輪廓為 ω 形的活塞頂部構成，ω 形凹坑偏離活塞中心。噴油器傾斜安裝在氣缸蓋上，以便氣門頭有較大的直徑，有利于充氣，并使柴油噴注形狀與燃燒室形狀吻合，柴油在燃燒室中的空間分布比較均勻。為獲得滿意的柴油噴注貫穿深度和空間分布效果，其噴油器的噴射壓力較高( 約20 MPa 左右) ，并采用小直徑的多孔噴油器( 噴孔數為 4 ～ 8 個，噴孔直徑為0. 25 ～0. 40 mm，噴孔軸線間夾角為 140° ～160°) 。淺 ω 形燃燒室具有形狀簡單，結構緊湊，散熱面積小，熱效率高( 動力性、燃料使用經濟性好) ，啟動容易等優點。其缺點是對供油裝置( 主要指噴油泵、噴油器等精密偶件) 要求高; 噴油器的噴孔小，容易被積碳等污物堵塞，使柴油機工作可靠性差，使用中要特別注意對柴油的濾清與噴油器的維護。由于多孔噴射，在著火落后期內形成的可燃混合氣較多，因而使速燃期內同時參與燃燒的油量較多，汽缸內氣體壓力升高率較大，柴油機工作仍比較粗暴。
5、油膜式（球形）燃燒室
燃燒室位于活塞頂內，呈球形。燃油噴向燃燒室壁面，大部分燃油在強渦流作用下噴涂在燃燒室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油霧化分布在燃燒室空間并首先著火，隨后即引燃從壁面上蒸發的燃料。
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圖3 柴油機燃燒室形狀圖 |
圖4 柴油機ω 形燃燒室結構外形圖 |
總結：
燃燒室尺寸對柴油機壓縮過程中氣體流動特性影響很大，這部分氣體流動直接影響到后面的油氣混合。綜上所述，我們得知，燃燒室內部容積增大即相對容積比增大有利于燃燒室內部氣體的流動，而這些在混合氣形成過程中起著重要作用。此外，燃燒室中心的凸臺起著導流作用，幫助氣體繞著燃燒室中心流動，高度降低將不利于燃燒室中心位置氣體的流動。
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