柴油发电机燃烧室的形状规格、用途及气流特性

　　导读：实际发电用柴油发电机，因为其使用要素及要点不同，燃烧室结构数据及形状也有所不一样。这种不一样燃烧室的结构形状和参数，决定了燃烧室内特有的气流特点及其规律，也就决定了其所对应的最佳喷雾要素和燃烧过程。因此，如何精确测量、分析和评价燃烧室内的气流特征，对准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。同时康明斯公司在本文中简述了燃烧室形状的发展历程，并剖析它们的优劣点，为今后提高功率和改善热强度提供了理论基本。

　　      内燃机是目前运用最广泛，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，特别是在交通运输方面。随着人类愈加清楚能源形势的变化，如何提升柴油发电机的效率、改善柴油发电机的热强度已经越来越受到人们的关注。经研讨，改变活塞的燃烧室形状可以提升柴油发电机的效率，但是对活塞热强度有相当大的危害。

　　      活塞作为柴油发电机最重要的零件之一，作业环境恶劣，不仅承受周期往返的冲击力，同时过热对其带来的热负荷也是需要重视的。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，它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，其结构与燃油装置元件的匹配效果会直接危害柴油发电机的性能和作业效率，故而为满足有效率、高强度活塞的市场要点，燃烧室形状的优化对内燃机的发展是有相当大的促进用途。

　　      柴油发电机按不同特征可以有不同的类别，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发电机等，而燃烧室的型式按组织燃烧过程的特性和组成不一样又分为开式、半开式、涡流式和预燃室式。

　　      开式和半开式燃烧室是属于直接喷射式柴油发电机的，其中开式燃烧室是由活塞顶面与汽缸盖平面构成一个浅而宽的凹坑，这个凹坑有很多形状，但具体采取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发电机燃烧室形状。它具体亮点体现在结构简易，制造成本低，气缸盖结构也比较大概，不常见生热变形。它的短处就是喷油压力要点比过高，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，发生较大的噪声，容易发生爆燃。

　　      半球形英文表达为hemispherical，因此半球型燃烧室发电机又称为Hemi发电机，它的特征是进排烟门均选用与活塞顶面不平行的角度布置，利用气体的流动提高汽缸的进排气效率，从而提升发电机的燃烧效率，增加其产生的容量。而这种倾斜式缸盖结构一直沿用至今，它使柴油发电机进入了高速高动力时代。

　　      半开式燃烧室是在活塞顶部有一个较深而窄的凹坑，并且缸盖顶部装配有多个喷孔的喷油咀。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3种气流相互功能而成的。半开式燃烧室按照其具体形状详细分为深ω型、四角型和球型燃烧室3种。

　　      深ω型燃烧室就是表示燃烧室为ω形状，它的空气利用率较开式燃烧室提升了不少，详细是因为凹坑中心的凸起修正了中心区域气流运动很弱的短处，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，确使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点比较高，喷孔比较容易堵塞，引起工作粗暴，排烟污染比较严重。这种燃烧室广泛应用在中小型高速柴油发电机上。构造与形状如图1、图2所示。

　　      四角型燃烧室是ω型燃烧室的变形和改良，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。这一形状的规划，详细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，例如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，提高空气的涡流，有助于提高柴油发电机的速度适应性，相对于ω型燃烧室，它的排放得到相当大的改善。

　　      球型燃烧室是位于活塞顶部的类似球形的凹坑，构成形状如图3所示。深ω型和四角型燃烧室都是选取空间式燃烧机理，而球型燃烧室运用的是以油膜蒸发混合为主的燃烧制度，此类燃烧步骤平稳，燃烧完全，缺点就是低温启动比较困难。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，故而彻底地改良了冷起动性能。

　　      涡流式燃烧室由两个部分组成，分别是涡流室和主燃烧室。涡流室位于汽缸盖上，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，两者是通过一个或若干个切向通道连接。它的机理就是首先利用空气的定向流动而发生涡流，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，排气品质也提高。这就使小型发电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），也分布在汽缸盖上，只是占的压缩容积就比较小，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惠州康明斯发电机。它的燃烧特性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。这种燃烧室适合于中小功率柴油发电机。

　　      缸内流场特征的解析方法有试验法和模拟计算分析法。

　　       为了测量实际流场特征，采用光学柴油发电机利用示踪粒子的激光高速摄影法。其特性是可直观地展示汽缸内流场的瞬态分布特性和流动特征。但是装置昂贵，且光学柴油发电机与实际柴油发电机在构成上很难实现完全一致。

　　      缸内流场的模拟计算剖析法是选取计算流体力学（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，并以此为基本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，这些软件虽然功用强大，但不是万能的，只不过是作用强大、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，计算模型不一样，计算侧重点也不一样，而且计算精度取决于模型和边界因素的正确采取和调试。

　　      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汽缸中心线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解析。

　　      在实际压缩和膨胀步骤中，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，是一种有宏观趋势的湍流状态。CFD软件根据有限网格，可计算出任一瞬态燃烧室空间任一点上的速度矢量和品质。故而，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品质分布特征（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态围绕该计算断面形心的当量角转速，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。这些气流特点数据均由CFD软件（如FIRE）直接计算求得。

　　      为了定量地评价膨胀过程中燃烧室内瞬间气流运动强度的变化特征，引入滚流（或挤流）强度保持性的概念。即如式（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主轴转角位置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。

　　φ2为上止点后扩散燃烧基本结束点所对应的主轴转角，通常φ2＝45°（CA）；scgφ1为φ1点上的压缩滚流强度峰值；

　　      需要指出的是，CFD软件（如FIRE）只供应各主轴转角位置上所计算的离散的滚流值。故而通过这些对应于各曲轴转角位置的离散的计算结果，可用曲线拟合等方法求出滚流强度随主轴转角变化的函数scg（φ）。之后再根据式（公式1），求出滚流强度保持性Sw。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。

　　      为了求得扩散燃烧程序中静态滚流强度的衰减程度，将式（公式1）中的积分上限φ2取区间［φ1，φ2］中的任一值φ（φ1＜φ＜φ2），则可得任意主轴转角位置上的滚流强度保持性，即

　　      图6所示为用这种评价步骤，对不一样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程序对发电机速度的适应性差的具体原由，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流程中混合气的形成和燃烧转速缓慢徐州康明斯发电机。

　　      而II、皿型燃烧室表示不一样缩口型燃烧室组成形状对气流特征的危害，当缩口比D2/D1一定时，燃烧室底部不同的凸起形状直接危害燃烧室内的滚流强度保持性。所以，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用途，提升其压缩滚流强度保持性，从而在1500转/分时改进膨胀程序中的扩散燃烧步骤，使得HC和烟度排放得到改良，而NOx排放基本保持不变。

　　      缸内空气运动的宏观流动以及湍流运动能显着的影响燃油与空气的混合，传热以及燃烧转速。现代内燃机的燃烧装置需要一个完善理想的经过校准了的涡流/滚流以便获得优化的发电机性能，因此，出于对排气污染以及发电机效率的考虑铜陵康明斯发电机，缸内空气运动的测定变得越来越重要。对气缸盖，进气管进行流动试验可帮助发电机规划师们加深理解并优化流动性能和缸内气流运动。

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