柴油机燃烧室形状的演变历程

    孙磊

    摘 要：通过对柴油机燃烧室形状的发展历程的综述，加强对柴油机各类燃烧室形状的特点的认知，为今后提高柴油机功率和改善热强度提供理论基础。

    关键词：柴油机;燃烧室;演变历程

    中图分类号：U464.172文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.11.014

    柴油机从燃油开始喷入燃烧室到燃烧基本结束，整个过程是很短暂的，大约为千分之几秒。燃烧室的形状直接影响可燃混合气形成的方式、速度、质量及燃烧过程的进行。本人在前人研究的基础上，综述柴油机燃烧室形状的发展历程，并分析它们的优劣点，为今后提高柴油机功率和改善热强度提供理论基础。

    1 燃烧室的分类与演变

    根据燃烧室容积的分布情况，柴油机上常用的燃烧室基本上分为两类：一类是统一型燃烧室，其容积集中在一处。它包括直接喷射式（浅ω形、浅盆形）燃烧室、球形燃烧室、U形燃烧室、四角形燃烧室等;另一类是分隔型燃烧室，其容积分置在两处，它包括涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室。这些燃烧室的出现与发展，反映了人们对柴油机可燃混合气形成与燃烧的认识过程及科学技术的进步。

    1.1 直接喷射式燃烧室

    直接喷射式燃烧室可简称为直喷式燃烧室，它是各种燃烧室中出现最早的一种。“直接喷射”的最初概念是，柴油直接喷到燃烧室的空间，并与空气混合，随后进行燃烧。直喷式燃烧室的基本形式有浅ω形与浅盆形。

    浅盆形燃烧室位于活塞顶部中心，形状呈浅圆盆形，其特点是形状简单，结构紧凑，散热面积小;采用多孔喷油器;压缩比较小。浅盆形燃烧室虽早于浅ω形燃烧室问世，并具有动力性强、燃烧使用经济性好、启动容易等优点，但由于它的燃烧室形状与柴油喷注形状吻合性较差，致使可燃混合气形成与燃烧速度较慢，使柴油机最高转速较低、加速性能较差，并且因着火落后期较长，使柴油机工作粗暴程度加大。目前除船用柴油机仍有采用外，工程机械用柴油机上基本上已被浅ω形燃烧室所代替。

    燃烧室是由活塞顶部余隙部分和活塞上的ω形空间组成。工作时，多孔喷油器喷入的柴油大部分呈雾状均匀分布在燃烧室空间并吸收空气压缩得到的高温而蒸发，同时与空气混合（空间混合方式），有少量柴油被喷射在燃烧室壁上，形成油膜，在燃烧开始才蒸发燃烧。这种燃烧室散热面积小，热损失少，结构简单，经济性较好。由于大部分柴油喷置于燃烧室空间，故容易启动。缺点是多孔喷嘴容易堵塞，供油系容易发生故障。燃烧时压力增长率和最大爆发压力大，发动机工作较粗暴。

    国产l35系列柴油机采用的是ω型燃烧室。其上装置4孔喷嘴，喷孔夹角为150°。为了改善性能，减少噪音和污染，各国均在寻求新的途径，如日本五十铃公司采用的四角形ω型燃烧室（简称四角形燃烧室），活塞顶上的凹坑为正四角形，4个喷孔大致对着燃烧室凹坑的4个边。

    1.2 预燃室式燃烧室

    这种燃烧室的辅助燃烧室（预燃室）也设置在缸盖内，一般是用耐热钢制成圆筒状。预燃室与主燃烧室的通道不与预燃室相切，其轴线正对主燃烧室中心。在压缩行程时，预燃室中不产生有组织的涡流，而产生强烈紊流，空气紊流使喷入预燃室中的部分燃油雾化、混合并燃烧。初步燃烧使预燃室中压力迅速升高，使正在燃烧和尚未燃烧的燃油及空气以高速冲入主燃烧室进一步雾化、混合、燃烧。

    预燃室占整个燃烧室比例较小（仅有25%～40%），与主燃室通道的断面也较小，使预燃室与主燃室之间的压差较大，流动损失较大。这种燃烧室工作柔和、平稳，对柴油机转速、负荷变化适应性好。主要缺点是油耗高，启动性能差。我国预燃室式燃烧室主要用于机车、舰船等大缸径、大功率柴油机上。小型柴油机上也有应用。

    1.3 涡流室式燃烧室

    同样出于减轻直喷式燃烧室柴油机振动、噪声大的目的，科学家又发明了涡流室式燃烧室，它也是由两部组成：一部分位于活塞与汽缸之间，为主燃烧室;另一部分位于汽缸盖内，为涡流室，其形状为球形或近似球形，容积约为燃烧室容积的50%～80%。轴针式喷油器倾斜安装在涡流室上方的一侧。涡流室与主燃烧室之间用1～2个倾斜通道相连，通道与涡流室相切。为便于涡流室制造并保持较高的温度，涡流室的下半部分用耐热钢制成后压配在汽缸盖上。

    与预燃室式燃烧室相似，涡流室式燃烧室的主燃烧室内的压力升高率较小，使柴油机工作柔和、振动噪声小。涡流室式燃烧室内的气流运动强度随柴油机转速升高而加大;随着气流运动强度的提高，可燃混合气质量提高、燃烧速度加快，又促使柴油机转速提高，两者互相促进。因此，涡流室式燃烧室柴油机适合在高转速下运转，其最高转速可达5000 r/min，这是各种燃烧室柴油机中转速最高的一种。

    2 新型燃烧室

    为满足动力性强、经济性好、无污染等市场需求，燃烧室的研究前仆后继，从而也出现了若干所谓的新型燃烧室。例如由李玉山教授设计的超ω环山形燃烧室，实验证明这种新型燃烧室具有较好的卷涡流场，有效地改善了柴油机的燃烧，又避免了一般强涡流燃烧室所导致的涡流损失。

    还有一种应用比較多的是双卷流燃烧室，在20世纪末，北京理工大学车辆工程学院魏熔等人对双卷流燃烧系统进行了仔细的研究，通过单缸机和多缸机的重复试验，结果表明此种燃烧室具有耗油率低、载荷低、排气污染少的特点，有良好的推广前景，于是2010年李向荣等又对双卷流燃烧室的设计参数进行了优化，使结构更加合理化。

    3 结束语

    随着科技的发展，燃烧室的几何形状日趋复杂，但总体来说，都是朝着完善燃烧效率和排放指标这个统一的方向发展，哪一种燃烧室能实现两者的折衷，它就会得到广泛的应用。

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