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發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的分類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) |
引言：燃燒室是柴油機(jī)的重要零部件，柴油機(jī)內(nèi)混合氣形成和燃燒都與燃燒室有著密切關(guān)系。因此，燃燒室的幾何形狀及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)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(dǎo)致對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及排放性能有著重要影響。由于柴油發(fā)電機(jī)可燃混合氣的形成和燃燒主要是在燃燒室內(nèi)進(jìn)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(yīng)盡量減少余隙容積，擴(kuò)大燃燒室內(nèi)的容積，使空氣盡可能集中在燃燒室內(nèi)，以改善空氣利用率。
一、柴油機(jī)的燃燒過程
柴油機(jī)著火條件是燃料蒸氣與空氣的比例要在著火界限內(nèi)；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(gè)階段。
I、滯燃期
● 噴油開始—壓力線偏離壓縮線
● 噴油在上止點(diǎn)前—噴油提前角
此時(shí)，氣體溫度在450—800℃，遠(yuǎn)高于該條件下燃油的自燃溫度，但不能馬上著火。因?yàn)槿缦略颍?/span>
（1）物理準(zhǔn)備：燃油的粉碎、分散、蒸發(fā)汽化和混合，在局部區(qū)域形成可燃混合氣。
（2）化學(xué)準(zhǔn)備：混合氣先期化學(xué)反應(yīng)直到開始自燃，多級(jí)自燃。整體上而言，上述過程重疊在一起進(jìn)行。
滯燃期直接影響第Ⅱ階段的燃燒，對(duì)整個(gè)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(nèi)準(zhǔn)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(shù)不適于大于0.65MPa/oCA，決定柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，過大，工作粗暴，產(chǎn)生燃燒噪聲，運(yùn)動(dòng)零件受較大沖擊負(fù)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(jī)△P/△φ比汽油機(jī)大，其影響因素主要是著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量。要使△P/△φ下降，應(yīng)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(diǎn)到壓力急劇下降點(diǎn)。工作過程中，邊燃燒，活塞邊下行，缸內(nèi)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?xì)怏w與未燃?xì)怏w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(diǎn)到燃料基本上完全燃燒，但是其終點(diǎn)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(yīng)盡量縮短。
根據(jù)燃料和空氣混合氣形成的特點(diǎn)，柴油機(jī)燃燒過程又可以分成預(yù)混燃燒階段和擴(kuò)散燃燒階段兩個(gè)階段，在本文中不再贅述。
二、燃燒室的分類
1、統(tǒng)一式燃燒室
統(tǒng)一式燃燒室又稱直接噴射燃燒室。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一個(gè)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(nèi)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(yùn)動(dòng)，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(tǒng)一式燃燒室主要集中在活塞頂?shù)陌伎觾?nèi)。統(tǒng)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(tǒng)一式) 和半開式兩種。
（1）開式直噴式燃燒室
主要特點(diǎn)是燃燒室中沒有渦流運(yùn)動(dòng)，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(kuò)展及與活塞頂?shù)臏\ ω 形或淺盆形凹坑相配合來實(shí)現(xiàn)。這種燃燒室主要用于大型低、中速柴油機(jī)。
（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(gè)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(gè)部分組成。其混合氣的形成，一方面靠噴油器燃油的霧化質(zhì)量，另一方面則利用進(jìn)氣渦流( 如靠螺旋形進(jìn)氣道形成) 及活塞上的凹坑在壓縮行程時(shí)形成的氣體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(nèi)。主、副燃燒室之間用一個(gè)或幾個(gè)直徑較小的通道相連。燃油則是噴人副燃燒室內(nèi)的。分隔式燃燒室常見的結(jié)構(gòu)形式有渦流室式和預(yù)燃室式兩種。
（1）預(yù)燃室式燃燒室
預(yù)燃室式燃燒室的副燃燒室多是長體結(jié)構(gòu)，連通預(yù)燃室與主燃燒室的通道面積較小。燃料通過噴油器噴人預(yù)燃室，預(yù)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(yù)熱的燃油高速噴向主燃燒室。預(yù)燃室式燃燒室要求的噴射壓力比統(tǒng)一式燃燒低，一般也與軸針式噴油器配合使用，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)一般需要電熱塞先預(yù)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(gè)或數(shù)個(gè)通道連通。在壓縮行程中，空氣從氣缸內(nèi)被擠人渦流室時(shí)，形成強(qiáng)烈的有規(guī)則的渦流運(yùn)動(dòng)，噴人渦流室內(nèi)的燃油，在強(qiáng)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(nèi)燃燒，未燃燒的部分燃油在做功行程初期與高壓燃?xì)庖黄鹜ㄟ^通道噴人主燃燒室，形成二次渦流，使之進(jìn)一步與空氣混合燃燒。渦流室式燃燒室的優(yōu)點(diǎn)是能形成強(qiáng)烈的渦流運(yùn)動(dòng)，對(duì)柴油噴霧質(zhì)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(jī)起動(dòng)，一般設(shè)置電熱塞等起動(dòng)輔助裝置。
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圖1 柴油機(jī)統(tǒng)一式燃燒室示意圖 |
圖2 柴油機(jī)分隔式燃燒室類別 |
三、燃燒室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
燃燒室的形狀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作影響很大，由于汽油機(jī)和柴油機(jī)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(jī)的燃燒室主要在汽缸蓋上，而柴油機(jī)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上也允許氣門雙行排列，進(jìn)氣口直徑較大，故充氣效率較高，雖然使配氣機(jī)構(gòu)變得較為復(fù)雜，但有利于排氣凈化，在發(fā)動(dòng)機(jī)上被廣泛應(yīng)用。
2、楔形燃燒室
楔形燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)，有利于提高混合氣的混合質(zhì)量，進(jìn)氣阻力小，提高了充氣效率。其氣門排成一列，使配氣機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但火花塞置于楔形燃燒室高處，火焰?zhèn)鞑ゾ?/span>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(jìn)、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(gòu)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(shù)為 4 ～ 8 個(gè)，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(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積小，熱效率高( 動(dòng)力性、燃料使用經(jīng)濟(jì)性好) ，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是對(duì)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(jī)工作可靠性差，使用中要特別注意對(duì)柴油的濾清與噴油器的維護(hù)。由于多孔噴射，在著火落后期內(nèi)形成的可燃混合氣較多，因而使速燃期內(nèi)同時(shí)參與燃燒的油量較多，汽缸內(nèi)氣體壓力升高率較大，柴油機(jī)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(nèi)，呈球形。燃油噴向燃燒室壁面，大部分燃油在強(qiáng)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(fā)的燃料。
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圖3 柴油機(jī)燃燒室形狀圖 |
圖4 柴油機(jī)ω 形燃燒室結(jié)構(gòu)外形圖 |
總結(jié)：
燃燒室尺寸對(duì)柴油機(jī)壓縮過程中氣體流動(dòng)特性影響很大，這部分氣體流動(dòng)直接影響到后面的油氣混合。綜上所述，我們得知，燃燒室內(nèi)部容積增大即相對(duì)容積比增大有利于燃燒室內(nèi)部氣體的流動(dòng)，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(tái)起著導(dǎo)流作用，幫助氣體繞著燃燒室中心流動(dòng)，高度降低將不利于燃燒室中心位置氣體的流動(dòng)。
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