摘要： 燃烧室是柴油机的重要零部件，柴油机内混合气形成和燃烧都与燃烧室有着密切关系。因此，燃烧室的几何形状及结构尺寸对可燃混合气的形成和燃烧过程完善度有着直接的影响，从而导致对发动机的动力性、经济性、可靠性以及排放性能有着重要影响。由于柴油发电机可燃混合气的形成和燃烧主要是在燃烧室内进行的，而在余隙容积(包括活塞顶间隙容积、气门凹坑等)中的气体不能得到有效利用，所以应尽量减少余隙容积，扩大燃烧室内的容积，使空气尽可能集中在燃烧室内，以改善空气利用率。本文围绕柴油机的燃烧过程、燃烧室的分类及燃烧室结构特点三个方面，系统阐述滞燃期、急燃期、缓燃期与后燃期四个燃烧阶段的特征与影响因素，详细介绍统一式燃烧室与分隔式燃烧室的结构形式与工作特点，并从半球形、楔形、盆形、ω形与油膜式（球形）燃烧室五个方面说明燃烧室的结构特点，为柴油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、柴油机的燃烧过程
柴油机着火条件是燃料蒸气与空气的比例要在着火界限内；可燃混合气加热到着火温度。而燃烧阶段的划分为滞燃期、急燃期、缓燃期和后燃期四个阶段。
1. 滞燃期
（1）基本定义：喷油开始—压力线偏离压缩线。
（2）喷油提前角：喷油在上止点前—喷油提前角。
（3）温度条件：此时，气体温度在450—800℃，远高于该条件下燃油的自燃温度，但不能马上着火。因为如下原因：
① 物理准备：燃油的粉碎、分散、蒸发汽化和混合，在局部区域形成可燃混合气。
② 化学准备：混合气先期化学反应直到开始自燃，多级自燃。整体上而言，上述过程重叠在一起进行。
（4）影响意义：滞燃期直接影响第Ⅱ阶段的燃烧，对整个燃烧过程影响很大。
（5）滞燃期的影响因素：滞燃期的长短与燃油的十六烷值、喷油压力与雾化质量、进气温度与压缩比、发动机转速与负荷等因素有关。十六烷值高、雾化质量好、进气温度高、压缩比大、转速高时，滞燃期较短。
2. 急燃期
（1）基本特征：属于压力急剧上升的阶段。着火延迟期内准备好的可燃混合气一起燃烧，压力急剧上升，接近等容燃烧。
（2）平均压力升高率：△P/△φ=(P₃-P₂)/(φ₃-P₂)。
（3）参数限制：以上参数不适于大于0.65MPa/°CA，决定柴油机运转平稳性，过大，工作粗暴，产生燃烧噪声，运动零件受较大冲击负荷，可靠性、寿命下降，但燃烧快，功率上升、比油耗下降。
（4）影响因素：由于柴油机△P/△φ比汽油机大，其影响因素主要是着火延迟期内形成的可燃混合气数量。要使△P/△φ下降，应使上述形成的可燃混合气量减少。
（5）控制措施：通过优化喷油规律、采用预喷射、提高喷油压力与改善进气涡流等措施，可减少滞燃期内形成的可燃混合气量，降低压力升高率，改善燃烧粗暴与噪声。
3. 缓燃期
（1）基本特征：属于压力急剧增高的终点到压力急剧下降点。
（2）工作过程：工作过程中，边燃烧，活塞边下行，缸内压力几乎不变或稍有变化，燃烧条件不利，局部高温缺氧(冒黑烟)。
（3）解决办法：加快已燃气体与未燃气的分离及可燃混合气形成速度。
（4）影响因素：缓燃期的长短与喷油规律、进气涡流强度、燃烧室形状及燃油雾化质量有关。喷油规律合理、涡流强度适当、燃烧室形状匹配良好时，缓燃期较短，燃烧更充分。
4. 后燃期
（1）基本特征：属于缓燃期的终点到燃料基本上完全燃烧，但是其终点难确定。
（2）不利影响：放热膨胀比低，散热增加，指示热效率下降，排气温度增高，故应尽量缩短。
（3）影响因素：后燃期的长短与喷油持续期、混合气形成质量及燃烧室结构有关。喷油持续期过长、混合气形成质量差、燃烧室结构不合理时，后燃期延长，热效率下降。
（4）控制措施：通过优化喷油定时、提高喷油压力、改善混合气形成质量等措施，可缩短后燃期，提高热效率。
根据燃料和空气混合气形成的特点，柴油机燃烧过程又可以分成预混燃烧阶段和扩散燃烧阶段两个阶段，在本文中不再赘述。
二、燃烧室的分类
1. 统一式燃烧室
统一式燃烧室又称直接喷射燃烧室。其结构特点是只有一个燃烧室，位于活塞顶面与气缸盖底面之间，喷油器直接向燃烧室内喷射15～30MPa的高压柴油，借助油束形状与燃烧室形状的合理匹配，以及空气的涡流运动，迅速形成可燃混合气燃烧，故这种燃烧室又称为直喷式燃烧室。统一式燃烧室主要集中在活塞顶的凹坑内。统一式燃烧室要求燃油的喷射压力高，一般与孔式喷油器配合使用。直接喷射式燃烧室又可分为开式(有的称为统一式)和半开式两种。
（1）开式直喷式燃烧室
① 基本特点：主要特点是燃烧室中没有涡流运动，混合气形成上主要靠采用多孔喷油嘴，以较高的喷射力，利用油束的扩展及与活塞顶的浅ω形或浅盆形凹坑相配合来实现。
② 适用场合：这种燃烧室主要用于大型低、中速柴油机。
③ 优缺点：开式燃烧室结构简单、散热面积小、热效率高，但对喷油压力与雾化质量要求高，对转速变化较敏感。
（2）半开式燃烧室
① 基本特点：半开式燃烧室与开式燃烧室相比，活塞顶上凹坑较深，且口径有收缩。整个燃烧室可以看成是由活塞上的凹坑部分和活塞顶上的容积(余隙容积)两个部分组成。
② 混合气形成：其混合气的形成，一方面靠喷油器燃油的雾化质量，另一方面则利用进气涡流(如靠螺旋形进气道形成)及活塞上的凹坑在压缩行程时形成的气体旋转运动来完成。
③ 具体形状：半开式燃烧室按照其具体形状主要分为深ω形、U形和球形燃烧室三种。
④ 优缺点：半开式燃烧室兼具开式与分隔式的部分优点，对喷油压力要求适中，对转速变化适应性较好，但结构相对复杂。
2. 分隔式燃烧室
分隔式燃烧室由两部分组成，即主燃烧室和副燃烧室。主燃烧室位于活塞顶与气缸盖底面之间，副燃烧室位于气缸盖内。主、副燃烧室之间用一个或几个直径较小的通道相连。燃油则是喷入副燃烧室内的。分隔式燃烧室常见的结构形式有涡流室式和预燃室式两种。
（1）预燃室式燃烧室
① 基本结构：预燃室式燃烧室的副燃烧室多是长体结构，连通预燃室与主燃烧室的通道面积较小。
② 工作过程：燃料通过喷油器喷入预燃室，预燃室着火后温度、压力迅速上升，利用这部分燃料的燃烧能量将集中于下部通道口附近已预热的燃油高速喷向主燃烧室。
③ 喷油要求：预燃室式燃烧室要求的喷射压力比统一式燃烧低，一般也与轴针式喷油器配合使用，柴油发电机启动时一般需要电热塞先预热。
④ 优缺点：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、燃油消耗率偏高。
（2）涡流室式燃烧室
① 基本结构：涡流室式燃烧室的副燃烧室多为球形或锥形。涡流室与主燃烧室用一个或数个通道连通。
② 工作过程：在压缩行程中，空气从气缸内被挤入涡流室时，形成强烈的有规则的涡流运动，喷入涡流室内的燃油，在强烈的空气涡流作用下迅速与空气混合形成可燃混合气。着火后大部分柴油在涡流室内燃烧，未燃烧的部分燃油在做功行程初期与高压燃气一起通过通道喷入主燃烧室，形成二次涡流，使之进一步与空气混合燃烧。
③ 优点：涡流室式燃烧室的优点是能形成强烈的涡流运动，对柴油喷雾质量要求低，可以采用喷油压力较低的轴针式喷油器。
④ 冷启动措施：为了保证冷机起动，一般设置电热塞等起动辅助装置。
⑤ 优缺点：涡流室式燃烧室工作柔和、噪声低、对喷油压力要求低，但散热损失较大、冷启动性能较差、燃油消耗率偏高。
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图1 柴油机统一式燃烧室示意图 |
图2 柴油机分隔式燃烧室类别 |
三、燃烧室结构特点
燃烧室的形状对发动机的工作影响很大，由于汽油机和柴油机的燃烧方式不同，其汽缸盖上组成燃烧室的部分差别较大。汽油机的燃烧室主要在汽缸盖上，而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑。
1. 半球形燃烧室
（1）结构特点：半球形燃烧室结构紧凑，火花塞布置在燃烧室中央，火焰行程短。
（2）性能优势：故燃烧速率高，散热少，热效率高。
（3）气门布置：这种燃烧室结构上也允许气门双行排列，进气口直径较大，故充气效率较高。
（4）优缺点：虽然使配气机构变得较为复杂，但有利于排气净化，在发动机上被广泛应用。
2. 楔形燃烧室
（1）结构特点：楔形燃烧室结构简单、紧凑，散热面积小，热损失也小。
（2）混合气形成：能保证混合气在压缩行程中形成良好的涡流运动，有利于提高混合气的混合质量。
（3）充气效率：进气阻力小，提高了充气效率。
（4）优缺点：其气门排成一列，使配气机构简单，但火花塞置于楔形燃烧室高处，火焰传播距离较长。
3. 盆形燃烧室
（1）结构特点：盆形燃烧室的汽缸盖工艺性好，制造成本低。
（2）性能局限：但因气门直径易受限制，进、排气效果要比半球形燃烧室差。
（3）适用场合：盆形燃烧室适用于对制造成本敏感、对进排气效果要求不极端的场合。
4. ω形燃烧室
（1）结构特点：ω形燃烧室由汽缸盖底面和剖面轮廓为ω形的活塞顶部构成，ω形凹坑偏离活塞中心。
（2）喷油器布置：喷油器倾斜安装在气缸盖上，以便气门头有较大的直径，有利于充气，并使柴油喷注形状与燃烧室形状吻合，柴油在燃烧室中的空间分布比较均匀。
（3）喷油参数：为获得满意的柴油喷注贯穿深度和空间分布效果，其喷油器的喷射压力较高(约20 MPa左右)，并采用小直径的多孔喷油器(喷孔数为4～8个，喷孔直径为0.25～0.40 mm，喷孔轴线间夹角为140°～160°)。
（4）优点：浅ω形燃烧室具有形状简单，结构紧凑，散热面积小，热效率高(动力性、燃料使用经济性好)，启动容易等优点。
（5）缺点：其缺点是对供油装置(主要指喷油泵、喷油器等精密偶件)要求高；喷油器的喷孔小，容易被积碳等污物堵塞，使柴油机工作可靠性差，使用中要特别注意对柴油的滤清与喷油器的维护。
（6）工作粗暴问题：由于多孔喷射，在着火落后期内形成的可燃混合气较多，因而使速燃期内同时参与燃烧的油量较多，汽缸内气体压力升高率较大，柴油机工作仍比较粗暴。
5. 油膜式（球形）燃烧室
（1）结构特点：燃烧室位于活塞顶内，呈球形。
（2）混合气形成：燃油喷向燃烧室壁面，大部分燃油在强涡流作用下喷涂在燃烧室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油雾化分布在燃烧室空间并首先着火，随后即引燃从壁面上蒸发的燃料。
（3）性能特点：油膜式燃烧室工作柔和、噪声低、碳烟排放少，但冷启动性能相对较差，对燃烧室壁温与进气涡流要求较高。
（4）适用场合：油膜式燃烧室多用于对噪声与排放要求较高的柴油机。
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图3 柴油机燃烧室形状图 |
图4 柴油机ω 形燃烧室结构外形图 |
总结
燃烧室尺寸对柴油机压缩过程中气体流动特性影响很大，这部分气体流动直接影响到后面的油气混合。综上所述，我们得知，燃烧室内部容积增大即相对容积比增大有利于燃烧室内部气体的流动，而这些在混合气形成过程中起着重要作用。此外，燃烧室中心的凸台起着导流作用，帮助气体绕着燃烧室中心流动，高度降低将不利于燃烧室中心位置气体的流动。
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