柴油機燃燒室形狀的演變歷程

孫磊

摘 要：通過對柴油機燃燒室形狀的發展歷程的綜述，加強對柴油機各類燃燒室形狀的特點的認知，為今后提高柴油機功率和改善熱強度提供理論基礎。

關鍵詞：柴油機;燃燒室;演變歷程

中圖分類號：U464.172文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.11.014

柴油機從燃油開始噴入燃燒室到燃燒基本結束，整個過程是很短暫的，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、質量及燃燒過程的進行。本人在前人研究的基礎上，綜述柴油機燃燒室形狀的發展歷程，并分析它們的優劣點，為今后提高柴油機功率和改善熱強度提供理論基礎。

1 燃燒室的分類與演變

根據燃燒室容積的分布情況，柴油機上常用的燃燒室基本上分為兩類：一類是統一型燃燒室，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燃室式燃燒室。這些燃燒室的出現與發展，反映了人們對柴油機可燃混合氣形成與燃燒的認識過程及科學技術的進步。

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，其特點是形狀簡單，結構緊湊，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，并具有動力性強、燃燒使用經濟性好、啟動容易等優點，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，使柴油機最高轉速較低、加速性能較差，并且因著火落后期較長，使柴油機工作粗暴程度加大。目前除船用柴油機仍有采用外，工程機械用柴油機上基本上已被淺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，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，同時與空氣混合（空間混合方式），有少量柴油被噴射在燃燒室壁上，形成油膜，在燃燒開始才蒸發燃燒。這種燃燒室散熱面積小，熱損失少，結構簡單，經濟性較好。由于大部分柴油噴置于燃燒室空間，故容易啟動。缺點是多孔噴嘴容易堵塞，供油系容易發生故障。燃燒時壓力增長率和最大爆發壓力大，發動機工作較粗暴。

國產l35系列柴油機采用的是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個噴孔大致對著燃燒室凹坑的4個邊。

1.2 預燃室式燃燒室

這種燃燒室的輔助燃燒室（預燃室）也設置在缸蓋內，一般是用耐熱鋼制成圓筒狀。預燃室與主燃燒室的通道不與預燃室相切，其軸線正對主燃燒室中心。在壓縮行程時，預燃室中不產生有組織的渦流，而產生強烈紊流，空氣紊流使噴入預燃室中的部分燃油霧化、混合并燃燒。初步燃燒使預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沖入主燃燒室進一步霧化、混合、燃燒。

預燃室占整個燃燒室比例較小（僅有25%～40%），與主燃室通道的斷面也較小，使預燃室與主燃室之間的壓差較大，流動損失較大。這種燃燒室工作柔和、平穩，對柴油機轉速、負荷變化適應性好。主要缺點是油耗高，啟動性能差。我國預燃室式燃燒室主要用于機車、艦船等大缸徑、大功率柴油機上。小型柴油機上也有應用。

1.3 渦流室式燃燒室

同樣出于減輕直噴式燃燒室柴油機振動、噪聲大的目的，科學家又發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，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。渦流室與主燃燒室之間用1～2個傾斜通道相連，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。

與預燃室式燃燒室相似，渦流室式燃燒室的主燃燒室內的壓力升高率較小，使柴油機工作柔和、振動噪聲小。渦流室式燃燒室內的氣流運動強度隨柴油機轉速升高而加大;隨著氣流運動強度的提高，可燃混合氣質量提高、燃燒速度加快，又促使柴油機轉速提高，兩者互相促進。因此，渦流室式燃燒室柴油機適合在高轉速下運轉，其最高轉速可達5000 r/min，這是各種燃燒室柴油機中轉速最高的一種。

2 新型燃燒室

為滿足動力性強、經濟性好、無污染等市場需求，燃燒室的研究前仆后繼，從而也出現了若干所謂的新型燃燒室。例如由李玉山教授設計的超ω環山形燃燒室，實驗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的燃燒，又避免了一般強渦流燃燒室所導致的渦流損失。

還有一種應用比較多的是雙卷流燃燒室，在20世紀末，北京理工大學車輛工程學院魏熔等人對雙卷流燃燒系統進行了仔細的研究，通過單缸機和多缸機的重復試驗，結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，有良好的推廣前景，于是2010年李向榮等又對雙卷流燃燒室的設計參數進行了優化，使結構更加合理化。

3 結束語

隨著科技的發展，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一的方向發展，哪一種燃燒室能實現兩者的折衷，它就會得到廣泛的應用。

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