摘要： 实际发电用柴油机，由于其使用条件及要求不同，燃烧室结构参数及形状也有所不同。这种不同燃烧室的结构形状和参数，决定了燃烧室内特有的气流特性及其规律，也就决定了其所对应的最佳喷雾条件和燃烧过程。因此，如何精确测量、分析和评价燃烧室内的气流特性，对正确把握燃烧室内微观的流场特性及其对混合气形成和燃烧过程的影响，具有重要意义。本文系统阐述燃烧室的基本定义及其在活塞热强度与混合气形成中的双重作用；详细梳理开式燃烧室、半开式燃烧室（含深ω型、四角型、球型）以及涡流式和预燃式燃烧室的分类、结构特征、优缺点及发展历程；重点介绍缸内流场特性的试验法与模拟计算分析法，阐明压缩滚流强度、滚流强度保持性等核心评价指标的定义与计算方法，并结合不同缩口型燃烧室的对比分析，揭示燃烧室底部凸起形状对滚流保持性及排放特性的影响规律，为燃烧室优化设计提供理论依据。
一、燃烧室的定义与作用
1. 燃烧室的基本定义与空间范围
内燃机是目前应用最广泛、热效率最高的热动力源机械，在国民经济和国防的各个领域都占据重要的地位。如今，能源问题日益严峻，对内燃机的性能要求越来越苛刻，特别是在交通运输和发电领域。随着人类愈加清楚能源形势的变化，如何提高柴油机的效率、改善柴油机的热强度已经越来越受到人们的关注。经研究，改变活塞的燃烧室形状可以提高柴油机的效率，但是对活塞热强度有相当大的影响。
当活塞位于上止点时，活塞顶面以上、气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室。燃烧室是柴油机中燃料与空气混合并完成燃烧反应的核心区域，其几何形状、容积大小及空间分布直接决定了混合气形成质量、燃烧效率和排放特性。燃烧室不仅为燃气的混合和燃烧提供了空间，而且为得到良好的燃烧组织了合理的气流，其结构与燃油系统元件的匹配效果会直接影响柴油机的性能和工作效率。
2. 燃烧室对活塞热强度的影响
活塞作为柴油机最重要的零件之一，工作环境恶劣，不仅承受周期往返的冲击力，同时高温对其带来的热负荷也是需要重视的。燃烧室的形状和尺寸直接影响活塞顶部的受热面积和热流分布。凹坑较深的燃烧室会增加活塞顶部的热集中区域，使局部温度升高；而浅而宽的燃烧室则有利于热量均匀分布，但可能牺牲混合气形成质量。因此，在燃烧室设计中，必须兼顾燃烧效率与活塞热强度之间的平衡。
3. 燃烧室对混合气形成的作用
燃烧室的结构直接决定缸内气流的运动形式（涡流、滚流、挤流等），而气流运动是燃油喷雾与空气混合的主要驱动力。合理的燃烧室结构能够实现以下目标。
（1）促进燃油与空气的快速混合，缩短混合时间，提高燃烧速度。
（2）在燃烧室不同区域形成差异化的气流强度，适应不同负荷和转速下的燃烧需求。
（3）减少燃烧室内的死区容积，提高空气利用率，降低未燃碳氢和颗粒物排放。
（4）在压缩上止点附近产生足够的挤流和湍流，加速火焰传播，改善冷起动性能。
4. 燃烧室形状优化的工程意义
因此，为满足高效率、高强度活塞的市场要求，燃烧室形状的优化对内燃机的发展具有相当大的促进作用。现代燃烧室设计已从经验试错转向基于CFD模拟的数字化优化，通过系统地调整凹坑深度、口径比、底部凸起形状和缩口角度等参数，可在不牺牲活塞机械强度的前提下，显著改善燃烧过程。
二、燃烧室的分类与发展
柴油机按不同特征可以有不同的分类，如果按燃烧室的型式可分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机等，而燃烧室的型式按组织燃烧过程的特点和结构不同又分为开式、半开式、涡流式和预燃室式。
1. 开式燃烧室
开式和半开式燃烧室属于直接喷射式柴油机，其中开式燃烧室由活塞顶面与气缸盖平面组成一个浅而宽的凹坑，这个凹坑有很多形状，但主要采用的是平顶形和半球形。在20世纪50年代初，平顶形燃烧室还是绝大多数机型首选的柴油机燃烧室形状。它主要优势体现在结构简单、制造成本低，气缸盖结构也比较简单，不易发生热变形。它的缺点就是喷油压力要求比较高，最大喷油压力达到100 MPa。为满足燃油在燃烧室内的充分混合，它的燃烧压力比较大，产生较大的噪声，容易发生爆燃。
半球形英文表达为"hemispherical"，因此半球型燃烧室发动机又称为Hemi发动机。它的特点是进排气门均采用与活塞顶面不平行的角度布置，利用气体的流动提升气缸的进排气效率，从而提高发动机的燃烧效率，增加其产生的功率。而这种倾斜式缸盖结构一直沿用至今，它使柴油机进入了高速高动力时代。
2. 半开式燃烧室
半开式燃烧室是在活塞顶部有一个较深而窄的凹坑，并且缸盖顶部安装有多个喷孔的喷油器。燃烧室里面混合气的形成不再是像开式燃烧室一样，只依赖于喷射能量，而是由进气涡流、喷射能量以及凹坑的进气挤压三种气流相互作用而成的。半开式燃烧室按照其具体形状主要分为深ω型、四角型和球型燃烧室三种。
（1）深ω型燃烧室。深ω型燃烧室表示燃烧室为ω形状，它的空气利用率较开式燃烧室提高了不少，主要是由于凹坑中心的凸起修正了中心区域气流运动很弱的缺陷，并且使进来的燃油在燃烧室中形成了涡流，空气运动以进气涡流为主，挤压涡流为辅，确保燃烧室更容易形成均匀的混合气，故起动性能比较好。然而由于它对喷油器的要求比较高，喷孔比较容易堵塞，导致工作粗暴，排气污染比较严重。这种燃烧室广泛应用在中小型高速柴油机上。结构与形状如图1、图2所示。
（2）四角型燃烧室。四角型燃烧室是ω型燃烧室的变形和改进，其活塞顶凹坑的上部为四边形，下部为回转体，而连接处都是圆滑过渡。这一形状的设计，主要是利用了特殊的边角会对空气涡流有破碎、聚合、重组这一原理——上部的四边形的几个边就是为有利于产生微涡流而存在的，增强空气的涡流，有助于提高柴油机的转速适应性。相对于ω型燃烧室，它的排放得到相当大的改善。
（3）球型燃烧室。球型燃烧室是位于活塞顶部的类似球形的凹坑，结构形状如图3所示。深ω型和四角型燃烧室都是采用空间式燃烧原理，而球型燃烧室运用的是以油膜蒸发混合为主的燃烧机制，此类燃烧过程平稳，燃烧完全，缺陷就是低温起动比较困难。为解决这一问题，中国的史绍熙等在1964年发明了复合式燃烧室，它利用特殊形状的进气燃烧特点，在高速时具有油膜燃烧的特点，低速时则具有空间式燃烧的特点，于是彻底地改善了冷起动性能。
3. 涡流燃烧室和预燃式燃烧室
涡流式燃烧室由两个部分组成，分别是涡流室和主燃烧室。涡流室位于气缸盖上，一般呈球形或倒钟形，占总压缩容积的70%左右，而主燃烧室在活塞顶部，两者通过一个或若干个切向通道连接。它的原理就是首先利用空气的定向流动而产生涡流，而当涡流室的燃气流入主燃室时就会形成二次涡流，这样就能够使空间内的燃气充分燃烧，排气质量也提高，这就使小型发动机拥有更高的转速和转矩。
预燃室与涡流室有一点相似（如图4所示），也分布在气缸盖上，只是占的压缩容积较小。再者它的预燃室和主燃室不是相切连接，截面积也相对比较窄。它的燃烧特点是空气在预燃烧室内形成强烈的无组织的紊流，燃料先在预燃室与紊流空气混合部分燃烧，利用燃烧产生的能量把剩余的燃油喷入主燃烧室，同时形成了强烈的空气运动，促使燃料与空气混合均匀，燃烧充分。这种燃烧室适用于中小功率柴油机。
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图1 柴油机深ω型燃烧室结构位置图 |
图2 柴油机深ω型燃烧室形状剖面图 |
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图3 柴油机球形燃烧室结构位置图 |
图4 柴油机预燃式燃烧室结构位置图 |
三、气缸内流场特性的分析
缸内流场特性的分析方法有试验法和模拟计算分析法两大类。两类方法各有优缺点，在实际研究中通常互为补充。
1. 试验法
为了测量实际流场特性，采用光学柴油机利用示踪粒子的激光高速摄影法。其特点是可直观地展示气缸内流场的瞬态分布特性和流动特性。但是设备昂贵，且光学柴油机与实际柴油机在结构上很难实现完全一致。
（1）激光高速摄影法的基本原理。在光学柴油机的进气和压缩过程中，向气缸内引入微小的示踪粒子（如氧化镁或二氧化钛微粒），利用片状激光光源照亮燃烧室某一截面，通过高速相机连续拍摄粒子的运动轨迹，从而获得流场的速度分布。
（2）试验法的主要优势。试验法能够直接获取真实流场数据，无需依赖数学模型假设，对于验证CFD计算结果的准确性具有不可替代的作用。
（3）试验法的主要局限。光学发动机需要加装石英玻璃缸套和透明活塞，其几何结构和热边界条件与实际金属发动机存在差异；试验成本高、周期长，难以大规模用于参数优化研究。
2. 模拟计算分析法
缸内流场的模拟计算分析法是采用计算流体力学（CFD）专用软件，基于一定的数学模型，对燃烧室空间的三维流场进行模拟计算，由此计算气缸内流场的三维空间瞬态分布特性，并以此为基础计算出表示流场特性的各种物理量。典型的CFD软件有KIVA-II、FIRE和STAR-CD等。需要指出的是，这些软件虽然功能强大，但不是万能的，只不过是功能强大、计算信息量多和能控制一定计算精度的计算工具而已。因此，根据所研究的内容不同，计算模型不同，计算侧重点也不同，而且计算精度取决于模型和边界条件的正确选择和调试。
（1）CFD模拟的基本步骤。首先建立燃烧室的三维几何模型并划分计算网格；然后设定初始条件和边界条件（如进气温度、壁温、转速、喷油参数等）；选择湍流模型（如k-ε模型或RNG k-ε模型）和燃烧模型；求解Navier-Stokes方程组，获得各曲轴转角下缸内速度场、压力场和温度场的分布。
（2）滚流与涡流的定义。为了便于评价燃烧室内的气流特性，在如图5所示的燃烧室纵断面上以气缸中心线为分截面取其1/2断面，并以绕其1/2断面形心旋转的纵向气流的平均值作为滚流；而将燃烧室某一横截面上绕燃烧室中心（轴线）旋转的气流作为涡流进行模拟计算分析。
（3）湍流特性的描述。在实际压缩和膨胀过程中，燃烧室内的纵断面和横截面上的气流特性并非为规整的压缩滚流和涡流，而是一种有宏观趋势的湍流状态。CFD软件根据有限网格，可计算出任一瞬间燃烧室空间任一点上的速度矢量和质量。所以，根据任一瞬间（曲轴转角位置）燃烧室计算断面上的速度分布和质量分布特性（即各网格点上的瞬态物理参数），由动量矩守恒原理可计算出该瞬间围绕该计算断面形心的当量角速度，由此求得当量压缩滚流强度，即单位时间内绕燃烧室1/2纵断面形心的气流旋转次数。这些气流特性参数均由CFD软件（如FIRE）直接计算求得。
图5 柴油机燃烧室纵断面示意图
3. 滚流强度保持性的评价方法
为了定量地评价膨胀过程中燃烧室内瞬态气流运动强度的变化特性，引入滚流（或挤流）强度保持性的概念。即如公式（1）所示，从上止点附近压缩滚流强度出现峰值点的曲轴转角位置 φ1 开始，到扩散燃烧基本结束的曲轴转角位置 φ2 的区间内，压缩滚流强度对曲轴转角的积分值与 φ1 处的压缩滚流强度峰值和该区间的乘积之比。
式中，为出现压缩滚流强度峰值所对应的曲轴转角；为上止点后扩散燃烧基本结束点所对应的曲轴转角，一般 （CA）； 为 点上的压缩滚流强度峰值；
需要指出的是，CFD软件（如FIRE）只提供各曲轴转角位置上所计算的离散的滚流值。所以通过这些对应于各曲轴转角位置的离散计算结果，可用曲线拟合等手段求出滚流强度随曲轴转角变化的函数 。而当量滚流强度是根据该计算断面上各网格点相对形心的动量矩之和来计算求得的。所以，可以认为滚流强度保持性实际上就是在各瞬间计算断面上微观湍流动能分布结果的宏观当量化评价。
为了求得扩散燃烧过程中静态滚流强度的衰减程度，将式（1）中的积分上限 取区间 （），则可得任意曲轴转角位置上的滚流强度保持性，即
4. 不同燃烧室结构的对比分析
图6所示为用这种评价方法对不同燃烧室结构的滚流强度保持性进行比较的结果。其中，I型燃烧室代表传统的“ω”形直喷式燃烧室。可见传统的直喷式燃烧室其混合气形成和燃烧过程对发动机转速的适应性差的主要原因，是在扩散燃烧阶段燃烧室内的气流强度衰减很快，从而造成在扩散燃烧过程中混合气的形成和燃烧速度缓慢。
而II型、III型燃烧室表示不同缩口型燃烧室结构形状对气流特性的影响。当缩口比 一定时，燃烧室底部不同的凸起形状直接影响燃烧室内的滚流强度保持性。如图7所示，II型燃烧室通过燃烧室底部凸起形状对燃烧室内气流的节流作用，提高其压缩滚流强度保持性，从而在1500 r/min时改善膨胀过程中的扩散燃烧过程，使得HC和烟度排放得到改善，而NOx排放基本保持不变。
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图6 不同燃烧室结构及其滚流强度保持性 |
图7 不同缩口型燃烧室底部凸起形状对排放特性的影响 |
总结： 缸内空气运动的宏观流动以及湍流运动能显著影响燃油与空气的混合、传热以及燃烧速度。现代内燃机的燃烧系统需要一个完善理想并经校准的涡流/滚流环境，以便获得优化的发动机性能。因此，出于对排气污染以及发动机效率的考虑，缸内空气运动的检测变得越来越重要。对气缸盖、进气管进行流动试验可帮助发动机设计师们加深理解并优化流动性能和缸内气流运动。燃烧室形状的演变历程表明：从开式燃烧室到半开式深ω型、四角型、球型，再到涡流式与预燃式燃烧室，每一次结构改进均围绕增强气流运动、改善混合气形成和提高燃烧效率展开。其中，深ω型燃烧室通过中心凸起强化涡流，广泛用于中小型高速柴油机；四角型燃烧室利用边角破碎涡流改善排放；球型燃烧室以油膜蒸发混合机制实现平稳燃烧，复合式设计解决了冷起动难题。在流场分析方面，CFD模拟计算为燃烧室优化提供了强大的分析工具，滚流强度保持性 作为定量评价指标，有效揭示了不同燃烧室结构在扩散燃烧阶段的气流衰减特性——传统ω型燃烧室滚流衰减快、转速适应性差，而通过底部凸起节流作用优化后的缩口型燃烧室可显著提高滚流保持性，从而在1500 r/min工况下改善HC和烟度排放，同时NOx基本不变。对气缸盖和进气管进行流动试验，结合CFD模拟分析，可帮助设计者深入理解并优化缸内气流运动，为开发高效率、低排放的燃烧系统提供有力支撑。
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