1、第三节 点燃式内燃机的燃烧室一、点燃式内燃机的燃烧室-均质混合气（一）燃烧室设计的一般要求燃烧室设计直接影响到发动机的充量系数，火焰传播速率、放热率，传热损失及爆燃，从而影响到发动机的性能。设计燃烧室时，有以下基本要求：（1）经济性高； （2）燃烧放热率曲线等容度高；（3）对大气污染小； （4）动力性高（较高的功率）； （5）不出现爆燃与表面点火等不正常燃烧；（6）燃烧循环变动小； （7）工作柔和，燃烧噪声小；（8）满足速燃要求； （9）稀燃能力强（降低排放）；（10）起动性好； （11）瞬态特性好；（12）EGR承受能力强（降低氮氧化物）。下面对1、2、6、8点，作些说明。,（1）经济性高经
2、济性一般用指示效率i或指示燃油消耗率bi或相对效率r表示。相对效率r的定义：指示效率i与等容循环理论热效率t之比，即r = i /t 对点燃式发动机而言，压缩比选取对经济性起着特别显著的作用。常用压缩比在c=911范围内，每增加一个单位， i的改善为3%5%。,（2）燃烧放热率曲线等容度高由实测的示功图可以方便地求出已燃质量百分比曲线xb=f( )以及质量燃烧率dxb/d =f( )曲线。其中有两个参数十分重要：1）最大质量燃烧率（dxb/d ）max的数值及其出现的相应曲轴转角位置，越靠近上止点越好。2）质量燃烧率dxb/d =f（ ）曲线的面积形心位置，也是离上止点越近越好。（6）燃烧循环
3、变动小一般要求平均示指压力pmi的循环变动（5-27）,（8）满足速燃要求所谓速燃，就是要缩短燃烧持续期。 一般把燃烧持续期控制在60（CA）之内，过分缩短燃烧持续期没有必要，会造成工作粗暴，对发动机经济性贡献不大。试验表明：燃烧持续期从100 CA减小到60CA（相当于从缓燃 变到具有合适燃烧速度的燃烧）， be可下降4%。但持续期持续从60 CA减小到20CA，be仅降低1.5%。燃烧室结构和火花塞位置影响：右图给出了比较，其中燃烧角度 比是指某燃烧室的燃烧角与最慢燃烧 速度燃烧室（盘形、侧置火花塞）燃 烧角度之比。可知，火花塞中置开式 燃烧室具有最短燃烧持续期，它比火花塞侧置盘形燃烧室缩
4、短了 22.5%。,燃烧室设计要求的变化：因为上述要求中有些是相互促进的，有些是相互矛盾的。所以，不同年代燃烧室设计的侧重点是不同的。50年代以前，燃烧室的设计主要着眼于提高发动机经济性和动力性；60年代后，由于发动机公害问题开始提出，追求达到排气法规指标成为压倒一切的要求；70年代后，尤其是近年来，由于排气净化研究取得了很大的进展，加上节约能源问题的提出，着眼于提高经济性并同时减少大气污染。,（二）燃烧室设计要点下面从五个方面进行讨论-压缩比、燃烧室面容比、火花塞位置及性能、燃烧室内气流运动、燃烧室的优化。1、压缩比压缩比是影响汽油机性能指标的最重要结构参数。从发动机动力性和经济性考虑，提高
5、压缩比是有利的。但过高的压缩比将使压力升高比增加，dp/d 将超过 0.2-0.25MPa/CA，使发动机噪声和振动较大，这是不允许的。同时，受到爆燃的限制，提高燃料的抗爆性就成为提高压缩比的关键。但是，压缩比过高对大气污染也是不利的，因为：,1）压缩比增加，燃烧室的狭缝、润滑油膜和沉积物处生成的未燃HC增加。2）压缩比增加，燃烧室表面积与体积之比（面容比）增加，相对增加了激冷面积，增加HC排放量。此因素在发动机稳定工况时对未燃HC排 放影响较小，在冷起动、怠速、暖机时对未 燃HC排放影响较大。3）压缩比增加，使最高燃烧温度增加， NOx增加。4）压缩比增加，膨胀比也大，膨胀后 期燃气温度下降
6、，HC氧化速率下降，使更 多的燃料以未燃HC的形式排出（右图a）。,5）压缩比增加，排气温度降低，使壁面温度降低，如图b所示。当壁面温度降低时，粘附在壁面上的液态燃料就难以汽化，增加了HC排放（如图c所示）。当然，过高壁面温度会加热终燃混合气，诱发爆燃，是不利的。,因此，为了达到既提高压缩比又不促使爆燃发生，同时改善排放特性，燃烧室设计应从以下几方面考虑：1）缩短火焰传播距离，除设计紧凑的燃烧室外，也与火花塞位置有关。2）利用适当强度的湍流，加快火焰传播速度。3）在离火花塞较远的区域设计适当的冷却面积，降低边缘区域可燃混合气温度。4）燃烧室内没有易受高温影响而产生的热点和表面沉积物。汽油机过去
7、多采用侧置气门L型燃烧室（主要优点是结构简单、维修方便），虽经各方面改进，但压缩比只能在6.27之间（因火焰传播路径长，容易爆震燃烧）。现代汽油机广泛采用顶置气门燃烧室，使燃烧室更为紧凑，压缩比可提高到811。采用缸内直喷技术，压缩比可以提高到12。近年来国外研究一种新型浴盆型燃烧室加上高强度挤气旋流以及一种楔型燃烧室，可将压缩比提高到12.5。（后面将谈到）,2、燃烧室面容比F/V从某种意义上，燃烧室面容比F/V代表燃烧室紧凑性（越小越紧凑）。F/V与燃烧室型式、汽油机主要结构参数有关。一般侧置气门燃烧室的F/V大；顶置气门燃烧室的F/V要小得多；但不同形状燃烧室的F/V值是有差别的（即使都
8、是顶置气门）。一般来说，F/V大， 火焰传播距离长，相对 散热面积大，热损失大， 并且，容易爆燃，HC排 放高，如图5-21所示。可见，开式和半球 型的F/V较小， HC排放 较低。,3、火花塞位置及其性能火花塞位置：它直接影响火焰传播距离的长短，因此，对抗爆性，火焰面积扩展速率和燃烧速率都有很大影响。根据圆锥形燃烧弹的试验结果表明（如图5-22所示）：圆锥形底部点火时， 燃烧速率先大后缓；圆锥形顶部点火时正 好相反，燃烧速率先缓后 急；圆柱形介于两者之间。楔形燃烧室与圆锥 形底部点火类似；浴盆形燃烧室与圆柱 形类似。,火花塞位置对燃料 辛烷值要求：不同火花塞位置对 燃料辛烷值要求是不同 的，
9、右图给出了顶置气 门燃烧室火花塞位置对 辛烷值的要求。可见，火花塞位于 排气门和进气门之间（ c图）和多火花塞（d图 ）时，对辛烷值要求较 低。,因此，在布置火花塞时，应考虑：1）火花塞应靠近排气门处，使受炽热表面加热的混合气能及早燃烧，从而不致发展为爆燃。2）火花塞间隙处的残余废气应能充分清扫，使混合气容易着火，特别是对暖机和低负荷性能更为重要。但过强的气流在点火瞬间直接吹向火花塞间隙时，会吹散火核， 增加缸内压力循环变动率，甚至导致失火。,火花塞点火性能：火花塞点火性能对发动机性能与排污有重要影响。当火花塞间隙增加时，火核形成的位置将离开壁面，可以避开停滞在壁面附近残余废气的影响。间隙内混
10、合气绝对数量增加，着火概率也增加。-有利在火核形成过程中，电极将从火核中吸收能量，但如果热量吸收过大，火核可能不能形成，被称为电极的“消焰”作用。显然，当间隙增大时，消焰作用将减弱。为了能点燃更稀的混合气，火花塞通常0.50.8mm间隙。超过1.1mm称为宽间隙火花塞。若采用更宽间隙的火花塞，如1.52mm，则火花塞要求的击穿电压高，一般点火系统可能不能供给足够高的电压，引起失火。,下图给出了不同中心直径、不同着火极限空燃比所对应的合适的火花塞间隙值。可见，采用宽间隙可以提高着火空燃比。研究表明：增加火花能量能点燃较稀混合气；火花能量越强，要求的火花间隙越宽，性能也越好。所以，要发展高能点火系
11、统。高能点火系统：一般具有较大一次电流（较高点火能量），二次电压上升迅速，比一般点火系统有更高的电压，可以适应宽间隙火花塞对击穿电压的要求。,4、燃烧室内的气流运动适当强度缸内气流运动的作用： 1）增加火焰传播速度。-旋流2）扩大混合气的着火界限，可以燃烧更稀的混合气。-火花塞间隙废气易清扫3）降低循环变动率。-点火、燃烧稳定4）降低HC排放。-燃烧完善但过强的气流会使热损失增加，可能吹熄火核而失火，使HC排放增加，这是不利的。,5、燃烧室的优化途径燃烧室设计优化的基本原则（以满足燃烧迅速、循环波动小、充量系数高、热损失低、适当燃料辛烷值等指标的要求） ：1）在最大火焰前锋面积、最小面容积比、
12、最大气门尺寸（或发展多气门）等设计参数限制范围内，优化燃烧室几何形状。2）改善混合气分布和均匀性，减少燃烧循环变动率，减少各缸不均匀性。优化途径：1）、燃烧室最佳几何形状选择-包括缸盖、活塞顶形状、火花塞位置等，应使发动机受益最大，损失最小。缸盖：使火焰前锋表面积迅速接近于最大值（速燃），与燃气接触表面积最小（传热）-如半球或单坡屋顶型（缸内直喷）缸盖。火花塞位置：尽量移到燃烧室中心，缩短火焰传播距离，对获得快速燃烧是有利的，同时，可以降低对燃料辛烷值的要求。2）、组织适当的燃烧室中空气运动可以改善燃油、空气和EGR的混合均匀性，可以减少燃烧过程循环变动率，保证较高燃烧速率。,（三）典型燃烧室
13、1、楔形燃烧室-红旗CA72如图，这是目前车用汽油 机较广泛采用的一种燃烧室。结构特点：楔型燃烧室在 缸盖上；火花塞在楔形高处的 进排气门之间（火焰距离较长 ）；设置挤气面积；气门稍倾 斜（6-30）使气道转弯较少 （进气阻力小，充量系数高） ；压缩比有较高值，达9-10。性能：有较高动力性和经 济性；混合气过分集中在火花 塞处，初期燃烧速率和压力升 高比大，工作显得粗暴一些。,2、浴盆形燃烧室-越野车25Y6100Q如图，这种燃烧室的结构特点：浴盆形燃烧室高度相同；宽度允许略超出气缸来加大气门直径；从气流运动考虑，希 望在气门头部外径与燃烧 室壁面之间保持5-6.5mm壁 距，这样气门尺寸所
14、受限 制比楔形大；设有挤气面 积（受燃烧室形状限制， 挤气效果较差）；火花塞 在进排气门之间。性能：因火焰传播距 离较长，燃烧速率较低， 燃烧时间长，压力升高比 较低。,试验证明，适当增加挤气面积比，可以改善发动机的性能。表5-2和表5-3给出了6105汽油机燃烧室（挤气面积）改进前后的比较。 改进前，挤气面积比是25%，燃烧时间较长，压力升高比0.18 Mpa / CA，燃烧压力循环变动率11%。改进后，挤气面积比增大到32.6%和其他措施（高度增加、推迟点火），功率提高6.2%，转矩提高1.5%，燃油消耗率降低0.8%。浴盆形燃烧室F/V较大，对HC排放不利，但压力升高比低，工作柔和，NO
15、x排放低。,3、碗形燃烧室如图，这种燃烧室的结构特点：碗形燃烧室布置在活塞中；平底气缸盖；燃烧室形状为回转体，全部机加工而成，有精确形状和容积；燃烧室表面光滑，紧凑，挤流效果好，压缩比可高达11。虽然活塞高度与质量增加（ 第一环岸高），但可控制在10% 以内（与平顶活塞相比）。F/V较大，散热增加。碗形燃烧室要求：要有适当口径、深度和顶隙， 这些参数对挤流强度有较大影响。 因此，应选择好恰当S/D与压缩比 之间比例。,若用低压缩比、大S/D，燃烧室凹入活塞内的深度就必须大；如用高压缩比，小S/D，那么燃烧室变得很浅，这些都是不适宜的。较合适比例是：c=9， S/D=1；c=7， S/D=0.7
16、；c=11，S/D=1.25。火花塞位置：火花塞在挤气流入燃烧室的通道口上，点火瞬间在挤流流速急速变化的时候。所以，点火时间的微小变动，会引起点火瞬间通过火花塞间隙的挤流流速有较大变化。因此，点火时间选择应比其他燃烧室更为仔细，不要在点火时使流速过大或过小。碗形燃烧室的性能：由于压缩比提高和挤流增加，滞燃期缩短、火焰传播速度增加，可采用点火推迟，燃用稀混合气，燃料经济性明显提高、排气污染减低（HC除外）。,4、半球形燃烧室如图，这种燃烧室的结构特点：半球形燃烧室在气缸盖上；一般 配置凸出的活塞顶；燃烧室可全部机 械加工，保持光滑表面、精确形状与 容积；燃烧室紧凑且火花塞布置在中 间（是五种燃烧
17、室中火焰传播距离最 短的一种）；进、排气门倾斜布置， 两气门之间角度为50-75；气流进 入气缸转弯最小，充量系数大（即使 在非常高转速）；一般不组织挤流， 如果要组织，活塞头部形状要复杂一些。性能：这种燃烧室F/V值小，HC排放低。火花塞周围有较大的容积，燃烧速率和压力升高比大，工作较粗暴。最高燃烧温度高，NOx排放较高，半球形燃烧室气门布置较为复杂，多采用双顶置凸轮轴。,应用：目前半球形燃烧室在6000r/mim以上车用汽油机几乎都采用； 各种用途的二冲程汽油机都采用半球形燃烧室（因其具有弧形气缸盖而特别适用于二冲程）；其它四冲程汽油机也越来越多地采用半球形燃烧室。另外一种称为蓬形（顶角9
18、0度）的燃烧室，其性能与半球形相似，组织挤气要比半球形容易，燃烧室也可全部加工。5、其他类型燃烧室目前汽油机研究方向之一是稀燃、速燃、层燃技术。稀薄混合气燃烧可以降低油耗、降低排放和提高压缩比；但稀燃会降低火焰传播速度，因此需要组织混合气快速燃烧；层燃是汽油机燃烧稀混合气的一种技术措施（后面介绍）。伴随着稀燃、速燃技术的广泛应用，有代表性的燃烧室有：,（1）湍流辅助燃烧室 （TGP）-12T汽油机如图，这种燃烧室的 结构特点：在燃烧室中设置副室； 在喷孔部位配置火花塞； 混合气被点燃后流入副室； 压缩过程中，一边对火花塞 间隙进行扫气，一边使混合 气产生适当的流速；副室内 压力随着火焰传播而升
19、高， 然后喷入主燃烧室，产生湍 流，促进主燃烧室的燃烧。,燃烧特性：如图5-30和图5-31所示。可见，与常规燃烧室相比，TGP燃烧室放热率前期上升很快，但峰值放热率降低，后半部放热率维持较高。所以，在相同空燃比下，NOX得到降低。,（2）双火花塞燃烧室 结构特点：如图5-32所示，在离半球形 中心的两边等距离处布置两只火 花塞（相距1/2直径）；火焰传播 距离接近缩短了1/2；推迟最佳点 火定时。性能：提高了点火时混合气温度和 压力，着火性能改善，燃烧持续 期缩短，加速燃烧，发动机性能 得到提高。,二、缸内直喷燃烧系统缸内直喷燃烧系统分为缸内直喷均质混合气燃烧系统和缸内直喷分层燃烧系统。这里
20、先介绍后者。（一）分层燃烧提出1、均质混合气燃烧系统的问题前述汽油机采用的工质是均匀的，由于点火的需要，这种混合气的空燃比在非常狭窄范围内（A/F=12.617）变化。这种燃烧系统本身具有以下缺点：1）功率采用量调节汽油机功率变化时，混合气仍必须维持在点火范围内浓度，使空燃比不能变化很大，它决定了汽油机功率必须用进气管节流的方法调节。因节流引起较大泵吸损失，所以，使低负荷经济性变差。2）容易爆燃因使火焰传播速度快的混合气，也是容易引起爆燃的因素，所以，较浓混合气（点火所需的）要比较稀混合气容易引起爆燃。,3）热效率较低以点火范围内的混合比（较浓）工作，使热效率低，如果能以稀混合气工作，可提高循
21、环热效率。计算表明，相对化学计量比14.8，采用空燃比20和27进行工作，发动机热效率可相应提高8%和12%。4）排气污染严重汽油机排气中有害成分（CO、HC、 NOx）数量与混合气浓度有密切关系， 如图所示。可见，一般汽油机所使用的 混合比范围正是排放高的范围。如果汽油机能以稀混合气工作，特 别是空燃比超过23时，就可以得到很低 的排放指标。所以，燃用稀混合气可以避免汽油 机上述缺点，同时得到良好的性能。,燃用过稀混合气主要困难：-难以形成火核和导致失火因过稀混合气已进入一般汽油机的失火范围。若采用大能量点火，可以点燃较稀的混合气；但当混合气过稀时，大能量电火花虽可点火，出现火核，但微小体积
22、内的燃烧量太小，产生热量过少，不足以聚集形成火焰而传播，从而导致失火。但是只要一旦形成火焰，在火焰传播过程中，即使是相当稀的混合气，还是能够正常燃烧的。2、分层燃烧概念 合理组织燃烧室内的混合气分布：在火花间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气，空燃比在1213.4左右；-有利于点火在燃烧室的大部分区域形成较稀混合气；-有利于性能在两者之间，混合气浓度由浓到稀逐步过渡，即形成所谓的分层燃烧系统。-有利于火焰传播,（二）典型缸内直喷分层燃烧系统简介1、轴向分层燃烧系统-沿气缸轴线分层结构特点：由进气形成较强的进气涡流；燃油在进气行程后期能过喷油器直接喷入气缸；在气缸上部形成浓混合气，由上至
23、下形成由浓到稀的分层混合气；分层状态可维持到压缩行程末期。应用：VTEC (Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control )本田汽车公司在一台4气门发动机上通过 可变进气定时系统（VTEC-E）实现了该功能。 性能：空燃比达到22:1，部分负荷燃油消耗率降 低12%。全负荷时采用理论空燃比（配合EGR，采 用三效催化转换器），最大功率空燃比控制在 12.5:1。,2、福特缸内直喷分层燃烧系统（PROCO）结构特点：如图所示，采用斜屋顶 式活塞顶部；双顶置凸轮轴； 气缸中心布置喷油嘴；在喷 油嘴附近安装火花塞（单或 双）；火花塞间
24、隙处于喷雾 锥角之内（较浓混合气）； 压缩比高达11.5；最大转速 6000r/min；利用进气涡流和 滚流进行燃油-空气混合，因 燃油在缸内蒸发吸收一部分 空气热量，使温度下降，充 量系数提高；采用三效催化 转换器。,这种燃烧系统主要特点：1）缸内直接喷射，使缸内充量得到冷却，可以使用较大的压缩比。2）与进气管单点喷射式汽油机相比，提高了燃油雾化质量和降低了泵吸损失，低速时功率可增加5%10%。3）压缩比提高，使部分负荷燃油消耗率降低5%；避免了燃油在进气管道或进气门处的附着，怠速时燃油消耗率降低12%。4）若燃用稀混合气，燃油消耗率可进一步下降。5）与单点喷射式汽油机相比，NOx低、HC高
25、。6）可大幅度降低冷起动时的HC排放。7）稳定工作的最大空燃比可达25:1。8）部分负荷燃用分层混合气，全负荷燃用均质混合气。,3、三菱缸内直喷分层充量燃烧系统结构特点：如图所示，采用纵向直进气口形成缸内强烈的滚流，其滚流旋转方向为顺时针，这与通常的横向进气口产生的缸内滚流方向正好相反，故称之为反向滚 流；燃烧室为半球屋顶 形，借助于滚流运动形 成火花塞周围的浓混合 气；火花塞至燃烧室空 间形成由浓至稀的混合 气分层现；采用电磁式 低压旋流喷油器，喷射 压力5MPa，实现合理 燃油雾化、贯穿度以及 油束扩散。,主要特点：部分负荷时，燃油在进气行程后期喷向半球形的活塞凹坑，喷到凹坑的燃油向火花塞
26、方向运动，在缸内滚流帮助下在火花塞附近形成浓混合气，燃烧室空间为整体较稀的分层混合气，稳定运转的空燃比可达40:1，燃油消耗率大幅度降低。所以，燃烧系统在部分负荷时燃用分层混合气。高负荷时，燃油在进气行程早期喷入气缸形成化学计量比或稍浓的均质混合气，油束不接触活塞顶面，燃油的蒸发将使缸内充量温度下降，充量系数提高，所需辛烷值下降，压缩比可达12，发动机的整体性能明显提高，同时采用EGR降低NOx排放。所以，燃烧系统在全负荷时燃用均质混合气。,（三）分层燃烧汽油机遇到的问题富氧条件下，NOX排放后处理比较困难。因为在化学计量空燃比下，三元催化器对Nox转化效率可达99 %以上。而分层燃烧的空燃比
27、远大于化学计量空燃比，采用三元催化器时不能有效降低Nox排放。若采用选择性催化转化器，由于转化效率较低，不能满足日益严格的排放法规要求。目前采用Nox吸附器技术，为使吸附器饱和时及时再生，需要用HC、CO来还原。所以，发动机根据负荷变化，周期性地从分层转化为均质燃烧，以还原被吸附器的Nox。此时，需要关小节气门，及时提供略浓混合气，结果发动机热效率和动力性均会降低。另外，必须使用超低硫汽油，以防止吸附器的硫化物中毒。（吸附硫化物后，吸附器吸附Nox的效率大幅度降低）所以，缸内直喷分层燃烧汽油机虽然具有高的热效率，但由于无法满足新的更加严格的排放法规，其发展受到搁浅。,（四）缸内直喷汽油机的目前
28、发展直喷均质混合燃烧系统（所有工况下），NOX排放后处理容易。均质混合气的形成-采用压缩初期（进气门关闭后）喷射。虽然对热效率提高作用较小，但是容易解决排放问题（三元催化器）。优点：1、充量系数高-雾化燃油不占进气容积，可提高动力性。2、降低爆震倾向-燃油雾化吸热效应，可以提高压缩比1-1.5单位，从而提高热效率。3、改进发动机的冷起动，降低冷启动和暖机过程的排放。4、容易与VVT、增压技术联合，利用各自优点，组合成优化的发动机燃烧系统。如，VVT泵气损失小可以弥补直喷均质混合燃烧系统不能减少泵气损失（有节气门）的缺点，直喷均质混合的吸热效应可以降低缸内温度，解决增压易爆震的问题，可以显著提高发动机动力性和经济性。,
