摘要：柴油发动机燃烧室是由活塞顶部及缸盖上相应的凹部空间组成。其混合气形成特点是在压缩行程接近终了时柴油由喷射系统直接喷入燃烧室内，时间短，难以形成均匀的混合气，燃烧室内的工质成分随时间和地点而变化；柴油本身粘度大，蒸发性不好；混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧，且混合过程、着火过程和燃烧过程共存。因此，燃烧室的基本要求是表面要光滑，结构尽可能紧凑，充气效率要高，以减小热量损失及缩短火焰行程；使混合气在压缩终了时具有一定压缩涡流，以提高混合气的混合质量，保证混合气得到及时和充分燃烧。本文围绕柴油可燃混合气的形成、燃烧室的形状与特点及燃烧系统匹配要点三个方面，系统阐述柴油混合气形成困难的原因、空间雾化混合与油膜蒸发混合两种形成方式的机理与对比，深入分析统一式燃烧室与分隔式燃烧室的结构形式与混合气形成机理，并从喷油器匹配、喷油压力匹配、进气涡流匹配与工况适应性匹配四个方面提出燃烧系统匹配要点，为柴油发电机燃烧系统的结构认知、选型设计与故障分析提供技术参考。
一、柴油可燃混合气的形成
柴油可燃混合气的形成和燃烧在燃烧室内进行，工作原理如图1所示。活塞接近压缩上止点时，柴油喷入气缸，与高压高温空气混合后燃烧。
1. 柴油混合差的原因
柴油混合气没有汽油混合气均匀，柴油混合差的原因是在缸内形成混合气，混合时间短。
（1）与汽油相比柴油本身粘度大，不易挥发，不利于混合气的形成。
（2）柴油的混合是在气缸内进行，靠高压喷射和空气涡流运动形成混合气，混合的时间短到0.0017～0.004秒。难以形成均匀的混合气。
（3）可燃混合气的形成和燃烧过程同时进行，边喷射边混合边燃烧。混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧。混合过程、着火过程、燃烧过程三种状态共存。
（4）混合气形成方式与汽油机不同。柴油机由于难以实现喷入气缸的柴油与空气的完全均匀混合，因此空气燃料的比例比汽油机大。空气利用率低于汽油机。
2. 柴油混合气的形成方式
柴油机混合气形成方式从原理上来分，有空间雾化混合和油膜蒸发混合两种。如图2所示。
（1）空间雾化混合
如图2（a）所示。空间雾化混合是将燃油喷向燃烧室空间，形成雾状，雾状油滴从高温空气中吸热蒸发并扩散，与空气形成混合气。
（2）油膜蒸发混合
如图2（b）所示。油膜蒸发混合是部分燃油喷向燃烧室壁面，形成一层油膜，油膜受热汽化蒸发，与空气形成混合气。
在柴油机中，以空间雾化混合为主，球形燃烧室柴油机以油膜蒸发混合方式为主。
3. 两种混合方式的对比
（1）空间雾化混合中，燃油的喷雾特性对混合起决定性的作用。喷雾细、均匀，有较多的油滴受热蒸发，大量可燃混合气在着火延迟期内形成，燃烧初期放热率过大，压力急剧升高，工作粗暴，NOx排放高。
（2）减小着火延迟期内混合气生成量，造成大量燃油在着火后的高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成碳烟。
（3）空间雾化混合方式有较高的热效率，但碳烟、NOx和燃烧噪声均较高。
（4）油膜蒸发混合利用燃油蒸发速率控制混合气生成速率，燃烧室壁面温度和空气旋流起了主要作用。
（5）油膜受热蒸发所需时间要比细小油滴长得多，加之燃烧室壁温控制较低，使油膜蒸发混合方式在期内生成的混合气量远小于空间雾化方式。
（6）随燃烧进行，在高温和火焰辐射作用下，油膜蒸发加速，使混合气生成速度加快。
（7）大部分燃料是在蒸发后以气体状态与空气或高温燃气接触，可以避免空间雾化混合时常有的液态燃油高温裂解问题，使碳烟特别是大颗粒碳烟排放降低。
4. 混合气形成的特点
柴油发电机的混合气是在汽缸内部形成的，进气冲程吸入新鲜空气，然后对空气进行压缩，直到压缩冲程接近终了时，柴油才开始喷入燃烧室，因此，柴油发电机混合气的形成具有以下特点：
（1）混合气形成的时间极短，一般仅千分之几秒，从喷油开始即混合开始起，到喷油结束为止，仅占曲轴转角（15°～35°）的位置。以柴油发电机的转速为1500r/min为例，在曲轴转角20°内喷油完毕时，其喷油时间仅为0.0022s。
（2）从喷油开始，约经（1～3）1000s时间，柴油便开始燃烧，柴油发电机混合气形成过程与燃烧过程几乎是同时进行的。
（3）柴油的粘度较大，不易蒸发。
上述特点也是柴油发电机可燃混合气形成的困难之点。为了使柴油与空气能迅速地形成混合气，除了要求燃油喷射系统保证柴油的雾化质量外，还需要燃烧室的帮助。
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图1 柴油机可燃混合气形成原理 |
图2 柴油机混合气的形成方式 |
二、燃烧室的形状与特点
柴油发电机可燃混合气在燃烧室内的形成，虽然与燃料的雾化状况有密切关系，但还需要有适当形状的燃烧室相配合，合理地形成燃烧室内气流运动，促进燃料迅速而均匀地与空气混合，并迅速地分布到整个燃烧室的每一角落，从而使燃烧过程更为完善。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。在气缸盖底面通常铸有形状各异的凹坑，习惯上称这些凹坑为燃烧室。按柴油发电机结构特点和混合气形成的方法不同，燃烧室可分为两大类型：
1. 统一式燃烧室
统一式燃烧室又称直接喷射式燃烧室，它由活塞顶与汽缸盖内壁所包围形成的单一内腔，结构如图3所示。采用这类燃烧室时，一般配用多孔喷油器，将燃料直接喷射到燃烧室中，借助喷出油束的形状与燃烧室的形状相吻合，以及燃烧室内的空气涡流运动，迅速形成混合气。统一式燃烧室常用的有下面几种：
（1）ω形燃烧室
① 结构特点。ω形燃烧室由气缸盖内壁和活塞顶的ω形深凹坑构成。
② 混合气形成过程。燃油的大部分由多孔喷油器以19600kPa的压力喷入燃烧室后，均匀地以雾状分布在燃烧室空间，吸收室内高温空气的热量而蒸发，并与空气混合。另有少量燃油被喷射到燃烧室壁面，形成油膜，在燃烧开始后才加速蒸发参与燃烧，因此，这种燃烧室要求喷油压力较高。
③ 性能特点。ω形燃烧室形状比较简单，结构紧凑，散热面积小，热效率高，有利于冷车启动。
④ 工作粗暴问题。但由于一部分燃油直接喷散在空腔中，在着火延迟期内形成的混合气多，同时参加燃烧的油量也很多，因而导致汽缸内压力升高较大，工作比较粗暴。
⑤ 适用场合。ω形燃烧室广泛应用于中小功率直喷式柴油机，如康明斯B系列、C系列等机型。
（2）球形燃烧室
① 结构特点。球形燃烧室位于活塞顶中央，在活塞顶部加工成深凹状球形空间，汽缸盖上有螺旋道或切向进气道，可使进气时形成绕汽缸轴线转动的高速空气流。
② 混合气形成过程。工作时，喷油器将柴油顺气流旋转方向沿燃烧室切线方向喷射，在强烈的进气涡流作用下，使燃油分布在燃烧室壁表面，形成一层很薄的油膜，在较低的温度下蒸发，蒸发出的油气与空气混合成均匀的混合气。
③ 性能特点。球形燃烧室以油膜蒸发混合为主，工作柔和，噪声低，碳烟排放少，但冷启动性能相对较差。
④ 适用场合。球形燃烧室多用于对噪声与排放要求较高的柴油机，如部分奔驰OM系列机型。
（3）其他统一式燃烧室
① 盆形燃烧室。盆形燃烧室活塞顶凹坑呈盆状，结构简单，混合气形成以空间雾化为主，适用于中等功率柴油机。
② 四角形燃烧室。四角形燃烧室活塞顶凹坑呈四角形，可组织挤流与涡流，改善混合气形成质量，适用于对排放要求较高的柴油机。
2. 分隔式燃烧室
分隔式燃烧室由两个部分组成。一部分是位于活塞顶面与缸盖下平面之间的称之为主燃烧室的部分，另一部分则在缸盖里面，称之为辅助燃烧室（也称副燃烧室）。主、副燃烧室之间由一个或几个孔道连通，燃油先喷入副燃烧室，部分燃烧后，随同未燃的油气一起冲入主燃烧室进一步混合燃烧。分隔式燃烧室目前较多应用涡流室式和预燃室式两种。
（1）涡流室式燃烧室
① 结构特点。涡流室一般为球形、圆柱形或钟罩形，以引导气流的旋转运动，典型结构示意图如图4所示。它占燃烧室总容积的50%～80%，设置在缸盖内，主燃烧室在活塞顶以上的工作汽缸内。
② 混合气形成过程。涡流室和主燃烧室的通道与涡流室相切，空气在压缩行程时，从汽缸中被挤入涡流室，并形成有规则的强烈涡流。喷入涡流室中的燃油，被强烈涡流冲散并与空气形成均匀混合气着火燃烧。随着燃油燃烧汽缸温度、压力的升高，气流带着尚未燃烧完全的燃料冲出通道进入主燃烧室形成第二次涡流———燃烧涡流，与主燃烧室中的空气进一步混合燃烧。
③ 镶块结构。有的涡流室直接在缸盖中铸出，有的是用耐热钢等材料加工后镶嵌到缸盖上（涡流室上部直接铸出、下部制成镶块）。镶块与缸盖之间应保持有0.1mm左右的间隙，使其表面具有较高的温度，以减少气流通过镶块时的散热损失。
④ 性能特点。涡流室式燃烧室工作柔和，噪声低，对喷油压力要求较低，但散热损失较大，冷启动性能较差，燃油消耗率偏高。
⑤ 适用场合。涡流室式燃烧室多用于中小功率柴油机，如部分农机与工程机械用柴油机。
（2）预燃室式燃烧室
① 结构特点。预燃室式燃烧室由预燃室和主燃烧室两部分组成。预燃室在气缸盖内，占压缩容积的25～40％，有一个或数个通孔与主燃烧室连通。
② 混合气形成过程。燃料喷入预燃室中，着火后部分燃料燃烧，将未燃的混合物高速喷入主燃烧室，与空气进一步混合燃烧。
③ 材料与冷却。预燃室用耐热钢单独制成，装入气缸盖不和冷却水直接接触。
④ 性能特点。预燃室式燃烧室工作柔和，噪声低，对喷油压力要求低，但散热损失大，冷启动性能差，燃油消耗率较高。
⑤ 适用场合。这种燃烧室适用于中小功率柴油机。
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图3 统一式燃烧室示意图 |
图4 涡流室式燃烧室示意图 |
三、燃烧系统匹配要点
1. 喷油器与燃烧室的匹配
（1）喷油器形式选择。统一式燃烧室一般配用多孔喷油器，孔数与喷孔角度应与燃烧室形状相适应；分隔式燃烧室一般配用轴针式或单孔喷油器，喷注方向应与副燃烧室通道位置协调。
（2）喷注与燃烧室形状吻合。喷出油束的形状应与燃烧室形状相吻合，使燃油能够均匀分布到燃烧室空间或壁面，避免局部过浓或燃油喷到壁面上形成油膜。
（3）喷油器安装位置。喷油器安装位置应使喷注中心与燃烧室中心对齐，避免偏斜导致各喷孔油束分布不均。
2. 喷油压力与燃烧室的匹配
（1）统一式燃烧室的喷油压力要求。统一式燃烧室要求较高的喷油压力（如ω形燃烧室要求19600kPa），以保证燃油雾化质量与贯穿距离。
（2）分隔式燃烧室的喷油压力要求。分隔式燃烧室对喷油压力要求较低，因副燃烧室内的涡流有助于燃油与空气混合。
（3）喷油压力与喷孔孔径的匹配。喷油压力越高，喷孔孔径应相应减小，以保持适当的喷注贯穿距离与喷雾锥角。
3. 进气涡流与燃烧室的匹配
（1）进气涡流的产生方式。进气涡流可通过切向进气道、螺旋进气道或导气屏等方式产生，涡流强度应与燃烧室形式相匹配。
（2）涡流强度与燃烧室形式。ω形燃烧室以挤流为主，进气涡流为辅；球形燃烧室与涡流室式燃烧室则依赖较强的进气涡流。
（3）涡流与喷注的协调。喷注方向应与气流旋转方向协调，使燃油能够被气流带向燃烧室各角落，避免燃油直接冲击壁面。
4. 工况适应性匹配
（1）低速工况匹配。低速工况下进气涡流较弱，应适当提高喷油压力或减小喷孔孔径，以保证雾化质量。
（2）高速工况匹配。高速工况下进气涡流较强，应适当控制喷油持续期，避免后燃严重导致排温升高。
（3）变工况适应性。燃烧系统应在全工况范围内保持较好的混合气形成质量与燃烧稳定性，避免部分工况出现冒黑烟或工作粗暴。
5. 燃烧系统与燃油系统的协同
（1）喷油定时匹配。喷油定时应与燃烧室形式相匹配，统一式燃烧室宜适当提前喷油定时，分隔式燃烧室可适当延迟。
（2）喷油规律匹配。喷油规律应与燃烧室内的混合气形成过程相协调，宜采用先缓后急的喷油规律以降低燃烧噪声与NOx排放。
（3）电控系统协同。电控高压共轨系统可根据工况实时调节喷油压力、喷油定时与喷油规律，与燃烧室形成最佳匹配。
总结
实际上，柴油机中混合气形成方式是复杂和多样的，即本文上述混合气形成方式在实际柴油机中并不是单一存在的，往往是多种方式并存。以直喷式柴油机为例，在以空间雾化混合为主的同时，到达壁面的燃油又存在撞击和油膜蒸发混合方式；气流运动则以进气涡流为主的同时，挤流、微涡流乃至多气门时专门组织的滚流都有。在燃烧系统匹配方面，应从喷油器与燃烧室的匹配、喷油压力与燃烧室的匹配、进气涡流与燃烧室的匹配、工况适应性匹配及燃烧系统与燃油系统的协同五个方面综合考虑，通过合理选择喷油器形式、确定喷油压力、组织进气涡流、适应变工况需求及优化喷油定时与喷油规律，使燃烧系统在各种工况下均能实现良好的混合气形成与高效清洁燃烧，为柴油发电机的动力性、经济性与排放性能提供保障。
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