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改善射流燃烧性能的研究 |
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作者：山西柴油机厂 马海生 |
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摘要 介绍了射流燃烧系统的主要结构特点及燃烧机理，针对其使用中存在的问题，适当降低压缩比，设计了“麦氏导槽”的新结构，使射流燃烧形成有了新的变化，从而改善了发动机的性能和可靠性。
关键词： 汽油机 射流燃烧系统 麦氏导槽
1 结构特点
大同北岳汽油机厂生产的BY492QS汽油机，采用的是高压缩比，稀混合气射流燃烧系统，其结构特点是在排气门下方呈倒圆锥形燃烧室(见图1)，并带有与气门中心线成夹角的射流孔。该燃烧系统在压缩行程燃烧前会产生强紊流，可以加速燃气的混合，使混合气充分燃烧。可以加速燃气的混合，使混合气充分燃烧。燃烧时主燃室和射流孔喷出的火焰在燃烧室内能形成两个燃烧区，其中从射流孔喷出的火焰对整个燃烧过程的早燃有明显的抑制作用，以至于可以适当地提高发动机的压缩比，使用较稀的混合气。由于燃烧温度和压力的增高，燃烧速率的变化，使得整个燃烧过程短。
图1 倒圆锥形燃烧室结构
2 问题的提出
2.1 采用射流燃烧系统的汽油机，压缩比在9.7：1以上时，不宜直接燃用70＃辛烷值的汽油，而且对点火提前角的变化也较为敏感，燃烧温度比不采用射流技术的发动机有较大的增高，使发动机的机械负荷、热负荷增高，以至发动机的工作可靠性下降。
2.2 由于在高压缩比的情况下，从燃烧室射流孔高速喷出的火焰对气缸盖燃烧室表面的冲刷，造成气缸垫、气缸盖表面以及燃烧室部分边缘形成早期燃烧穴蚀。发动机在改变负荷状态时，易在低负荷大扭矩下出现爆燃现象，造成气缸盖鼻梁区的损坏。
2.3 采用射流燃烧技术后，按GB 14761.1～7－93的规定测试发动机的尾气排放，CO和HC排放量都比较低，NOx的排放量超标。
3 改善措施
3.1 加大射流燃烧室的容积
经试验研究证明，使其比原燃烧室容积增大7 %左右，在保持原有结构的燃烧速度变化不大的情况下，可以适当地降低发动机的最大爆发压力、压力升高率和最高燃烧温度，以减小发动机的机械负荷和热负荷，这样不仅能提高发动机的工作可靠性，而且还能有效地减小NOx的生成量。这是因为在燃烧室内的可燃混合气中，空气中的N2和O2在高温高压下形成的化合物，在混合气比值为15：1～18：1，燃烧效率最高时，NOx的生成量接近最大。发动机的燃烧越趋于完全，NOx的生成量就越多。试验证明，适当调低发动机的压缩比后，在汽车的常用工况下，NOx的排放量明显地减小。
3.2 改变燃烧室形状
将原有的圆锥形射流燃烧室改为椭圆柱形燃烧室，并在进气门与排气门之间的鼻梁区开通一宽25 mm深2.5 mm的导向槽，称之为“麦氏导槽”(见图2)。该“麦氏导槽”在进气开始至终了都能起到加强进气过程的旋流作用，它将在椭圆柱体的燃烧室内形成高速环状旋转的气流，起到易于点火和有利于燃烧的作用。
图2 椭圆柱形燃烧室结构
特别是提出的是，在鼻梁区开通了“麦氏导槽”后，使得燃烧室鼻梁区内最薄弱的部位高度尺寸变小，宽度尺寸加大，使原燃烧室结构强度得到明显的改善，同时使气缸盖鼻梁区的温度梯度也有所下降，加强了该部位的承载能力。
3.3 点火提前特性的改进
点火提前角是影响汽油机燃烧的重要参数，原射流燃烧系统设计的离心提前角和真空提前角分别见表1。
表1 原射流燃烧系统的主要参数
经过大量发动机台架试验和装车道路试验，现将提前角改进后的参数示于表2
表2 改进后的参数
在原设定的点火提前特性图中可以看到(见图3)，这样的点火特性在大批量生产中，制造工艺不易满足使用要求，较难保证特性参数的准确性，况且尚不能完全发挥发动机动力性和经济性的优势。经改进后的点火提前特性，不仅在批量生产质量方面能较好地得到保证，而且更有效地结合了射流燃烧的特点，使其与燃烧过程相匹配。改进后的点火提前特性，不仅适宜普通有触点分电器，而且也适用于高能无触点分电器。
图3 点火特性曲线对比
3.4 “麦氏导槽”的作用
在不改变原燃烧系统挤气面积又保持了原机较高的压缩比优势的情况下，“麦氏导槽”改变了该系统的挤气间隙，但却保持了原结构的挤压能量。由于“麦氏导槽”的特殊功能，它能减轻燃烧火焰和气流对燃烧室表面的冲刷。使得从射流孔喷出的火焰对活塞及气缸盖表面的早期燃烧穴蚀得到很好的改善。在不增加CO和HC排放量的同时，使NOx的排放量得到有效的控制。
4 实施后效果
4.1 通过对原有射流燃烧系统所作的3项主要改进，构成了新的带有“麦氏导槽”的射流燃烧系统，该系统具有明显的稀燃、速燃和充分燃烧的特点。这种带有射流孔“麦氏导槽”的燃烧室，在燃烧前产生的紊流可以加快燃烧速度，使混合气得到更充分的燃烧；由于射流孔喷出的火焰快速传播，起到对爆燃的抑制作用；“麦氏导槽”已改善了燃烧室内双燃区边界的燃烧挤压的程度，使之稳定地累积起足够多的热量并形成强烈的火焰核心，柔和地点燃“双燃区”周围的混合气，以多面燃烧形式逐渐向外挤压燃烧；由于传播的火焰加热和膨胀作用 ，燃烧室内气体的压力迅速增高，使得燃烧后期缸内仍能保持一定的压力和温度，这样可以使发动机压缩比在9.5：1时正常地燃烧混合气。在保持原有燃烧热效率变化不大的情况下，有效地保证了原发动机的动力性和经济性，同时也较好地保持了原发动机具有的“机内净化”的特点，有较好的低排污性。
4.2 采用“麦氏导槽”结构后，不仅有利于射流燃烧室的燃烧过程，而且加强了气缸盖鼻梁区的冷却，降低了该部位的热负荷，同时也改善了燃烧室表面的早期燃烧穴蚀，减轻了燃烧气流对气缸盖表面形成的环状冲刷，改善了气缸鼻梁区的承载能力，提高了气缸盖的可靠性和使用寿命。
4.3 采用了上述主要措施后，经验证，不论是发动机台架可靠性试验，还是汽车道路可靠性试验，“麦氏导槽”射流燃烧系统均未发现异常，经过大同北岳汽油机厂万台BY492QS汽油机的生产和销售，目前在用户的售后服务信息反馈中，均未发现燃烧系统方面产生的问题和故障。
总之，采用“麦氏导槽”的射流燃烧系统能够保持较好的动力性、经济性的改善排放性能，并能有效地提高发动机的可靠性。(end)
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(11/11/2004) |
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