燃烧室的喷油方式及类型介绍

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：开放式为在1个燃烧室内直接喷射燃油，因此称为直接喷射式。分离式是分别设计有主燃烧室和副燃烧室，主副燃烧室通过小孔连接的形状，把燃油喷射在副燃烧室内，因此称为间接喷射式，分为预燃烧室类型和涡流室类型等。这仅适用于分离式燃烧室发动机上。预热塞设置在预燃烧室内。燃油以相对较低的压力通过轴针式喷油器向设置在预燃烧室中央的挡板喷射。

柴油机根据燃烧室的形状分为开放式（Open chamber）和分离式（Divided chamber）。开放式为在1个燃烧室内直接喷射燃油，因此称为直接喷射式。分离式是分别设计有主燃烧室和副燃烧室，主副燃烧室通过小孔连接的形状，把燃油喷射在副燃烧室内，因此称为间接喷射式，分为预燃烧室类型和涡流室类型等。

无论哪一种类型，都要在压缩过程末期高温、高压的空气中喷射燃油，并在极短的时间内完成完全燃烧。要做到这点，首先要保证形成良好的混合气，因此进气系统和活塞头部的形状设计相当重要。这关系到气缸内的空气流动要形成湍流并加以利用，主要方法有：

①进气涡流：把进气口设计15°左右倾斜，使进入到气缸内的空气流直接产生涡流，通常使用在直喷式发动机上。

②挤压涡流：直喷式在气缸与活塞头部之间设计有挤压领域，分离式把主燃烧室与副燃烧室之间的连接通道设计为副燃烧室的切线方向，以此在压缩过程中产生挤压涡流或连接通道中产生喷射涡流。

③燃烧涡流：在副燃烧室中燃烧产生的高压燃烧气体向低压主燃烧室喷出产生涡流的方式。这仅适用于分离式燃烧室发动机上。

1.燃烧室的种类

柴油机的燃烧室分为直喷式、预燃烧室式和涡流室式等，这些类型如图6-4所示。

（1）直喷式直喷式燃烧室大部分如图6-4a所示，在活塞头部加工有很薄的凹面形状（ω型）空间。燃油通过安装在气缸盖中央位置的多孔喷油器以相对较高的压力（100MPa以上）直接向燃烧室内均匀喷射。喷射的燃油快速雾化、加热、气化和与空气混合，并自发着火开始燃烧。

直喷式没有通过连接通道的挤压涡流，是通过进气通道形成进气涡流并加以利用，从喷油器喷孔到活塞头部的喷雾到达距离相对长，使从喷射燃油到开始燃烧的时间相对较长，因此燃油与空气很好地混合在一起，并能形成良好的燃烧。早期直喷式使用在气缸内径在200mm以上的大中型中低速发动机上，200mm以下的小型高速发动机上多使用分离式燃烧室。这是因为，因小型发动机从喷油器喷孔到活塞头部之间的距离较短，不能形成良好的燃油-空气混合气，会导致最大输出功率小，增大炭烟和氮氧化物（NO_x）的排放量，不仅振动和噪声大，还会导致点火延迟。但是，随着高压喷射、精密电子控制、产生涡流的进气系统和燃烧室等柴油机电控技术的发展，在小型发动机上也开始采用直喷式燃油系统。

直喷式燃烧室的特性如下：

①燃烧室的形状简单，表面积小，使热损失小。因没有连接通道的节流损失和热损失，比分离式燃烧室热效率高，燃油消耗率低。此外，因没有连接通道，使不均匀温度上升导致的热障碍小，因此适合于大功率发动机。

②压缩时的热损失小，压缩温度高，不需要预热塞，小型发动机在压缩比为15左右的冷起动性能也良好。

③对燃油的着火性很敏感，必须使用高质量燃油。

④燃油的雾化状态给发动机性能带来很大的影响，因此燃油喷射压力高，燃烧最高压力也高。

（2）预燃烧室类型预燃烧室类型如图6-4b所示，设置在主燃烧室上部，两个燃烧室通过小孔（活塞面积的0.3%～0.6%）互相连接。预热塞设置在预燃烧室内。

图6-4 柴油机的燃烧室

预燃烧室式发动机在压缩过程中约以100m/s速度的挤压涡流通过连接通道进入副燃烧室（预燃烧室）。燃油以相对较低的压力（45MPa）通过轴针式喷油器向设置在预燃烧室中央的挡板喷射。燃油与挡板发生碰撞与空气形成混合气。如果没有挡板，燃油的喷射方向要避免与进入副燃烧室的空气直接碰撞，向燃油通道附近的空气流背后喷射。一旦部分混合气开始燃烧，预燃烧室内的高温、高压气体在高压作用下向主燃烧室以高速喷出，并与主燃烧室内的空气混合，剩余的未燃混合气会完全燃烧。

预燃烧室式点火延迟时间较短，通过副燃烧室和主燃烧室阶段性燃烧的噪声低、氮氧化物排放少。通常，在预燃烧室中燃烧喷射燃油的30%～40%，在主燃烧室中燃烧喷射燃油的60%～70%。因此，预燃烧室式通过连接通道的空气流强度和方向很重要。预热塞为了加热从主燃烧室进入副燃烧室的空气，安装在空气流动方向上，操作时间为冷起动后1min左右，对降低有害废气的排放和噪声、缩短暖机时间等起着很大的作用。

预燃烧室类型发动机的特性如下：

①因利用在压缩过程中通过连接通道高速进入的挤压涡流，空气与燃油混合良好，点火延迟时间较短，通过在预燃烧室中喷射燃油的30%～40%，在主燃烧室中喷射燃油的60%～70%的阶段性燃烧，降低了NO_x的排放量也降低了振动及噪声。

②对雾化特性的良好与否不敏感，喷油器的直径大也可以，使用轴针式喷油器，喷射压力约为45MPa。

③气缸盖的构造较复杂。

④因多了预燃烧室，热损失大，压缩温度低，因此起动时需要预热系统。起动后，预热塞电源切断，处于自运行状态。

⑤热效率、燃油消耗率方面均不如直接喷射式。

（3）涡流室类型涡流室类型如图6-4c所示，在气缸盖或气缸壁位置上设计有全燃烧室容积60%～70%的球形或圆筒形涡流室，在两个燃烧室之间有1个较大直径的连接通道（活塞面积的2%～3.5%）从切线方向贯通。喷油器使用与预燃烧室式相同的轴针式。

涡流室式的混合气形成过程与预燃烧室式的类似。即，在压缩过程时，被活塞压缩的空气通过连接通道以切线方向进入涡流室，并在涡流中喷射燃油和进行燃烧。大部分燃烧在涡流室进行，部分未燃混合气通过连接通道喷到主燃烧室进行完全燃烧。因此，此类型为了在涡流室内形成完整的混合气，要把涡流室形状、燃油喷雾状态、预热塞位置等良好匹配，以在所有运行条件下能形成良好的混合气。此外，在冷起动时尽快加热涡流室也很重要。

涡流室式发动机副燃烧室的大小、连接通道的端面积均比预燃烧室式的大，通过连接通道的涡流流速为60～80m/s，比预燃烧室式小。此外，涡流室式的燃油效率比预燃烧室式高，但噪声较大。涡流室式发动机特性方面处于直喷式与预燃烧室式的中间。

涡流室式发动机的特性如下：

①因利用压缩空气的涡流，空气与燃油的混合良好，即使空气充气系数小，也可以提高平均有效压力。

②适合于较高的转速。

③因配置涡流室，气缸盖或气缸体的结构会比较复杂。

④热效率、燃油消耗率方面次于直喷式发动机，但优于预燃烧室式发动机。

2.随燃烧室的性能

柴油机的压力上升率比汽油机（或噪声）大，还会生成炭烟。另外，柴油机的最大负荷受限于排气炭烟的浓度。因此，柴油机的燃烧研究以如何减小排气中的炭烟量为主，即如何提高空气利用效果方面。但是，类似的燃烧改善会相伴着氮氧化物（NO_x）的增加，因此除了研究简单的空气燃油混合性能的改善外，还要研究整个燃烧期间的精密燃烧改良，以及在全局上不降低燃油效率的前提下降低氮氧化物（NO_x）和炭烟排放量的技术。

（1）燃烧性能直喷式发动机的混合气形成如图6-5a所示，虽然受到燃烧室形状、进气涡流或湍流的影响，但最根本的影响因素还是喷雾自身的动量和微粒化特性、喷油器喷射和雾化特性。因此，直喷式的燃油喷射率和喷射压力比间接式重要得多。近年来使用了为降低燃油消耗率和氮氧化物（NO_x）的高压喷射系统。这主要是通过缩短喷射时间和燃烧时间提高燃油效率实现的。

图6-5 燃烧室形态比较

间接喷射式柴油机把燃油喷射在形成强力挤压涡流（旋转流、射流）的副燃烧室内，这样容易形成混合气。燃烧过程是在副燃烧室中部分混合气进行燃烧，并通过连接通道向主燃烧室喷射强力火焰射流，以此能实现良好的阶段性完全燃烧。间接类型虽然排气性能良好，但因气流要通过2个燃烧室之间的连接通道，节流损失会增大，并且要通过2个阶段进行燃烧，燃烧时间较长，以及通过强力气流的燃烧室壁面热损失会增大，因此在燃油效率方面比直接喷射类型发动机低。如表6-1所示为柴油机各种燃烧室对应的特性及用途。

（2）发动机性能间接喷射式柴油机虽然因主燃烧室与副燃烧室之间存在节流损失，导致燃油效率不良，但容易形成混合气，并且噪声低，排放特性良好，因此多使用在小型车辆（乘用车、轻型商用车）上。与此相反，直喷式发动机虽然噪声大，排放特性不好，但燃油效率较好，因此多使用在中型、大型车辆上。

近来，直喷式柴油机通过高压喷射，同时预喷射、主喷射、后喷射等多级精密喷射，降低了噪声，提高了排放性能，达到了间接喷射式发动机的水平。因此，最近开发的新型柴油汽车，连小型乘用车发动机也采用直喷式，与间接喷射式相比提高了20%～30%的燃油效率。表6-2显示了各种柴油机的性能比较。

表6-1 柴油机各种燃烧室对应的特性及用途

表6-2 各种柴油机的性能比较

①平均压力p_e是通过转矩T/（N·m），以下式进行计算：p_e=25/（π/T）。

②燃油消耗率b_e是最大燃油消耗率值。

燃烧室的喷油方式及类型介绍

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