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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,(一) 燃烧室设计的一般要求,(1)经济性好。 (2)燃烧放热率曲线等容度高。 (3)对大气的污染小。 (4)动力性高。 (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。 (10)起动性好。 (11)瞬态特性好。 (12)EGR的承受能力强。,经济性高,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， 以及质量燃烧率 曲线，其中有两个参数十分重要： 1) 的数值及其出现的相应曲轴转角位置，它越靠近上止点越好。 2) 曲线下的面
2、积形心的位置，当然也是离上止点越近越好。,燃烧循环变动小,满足速燃要求,图519示出了不同燃烧室结构和火花塞位置时的燃烧持续期比较，其中燃烧角度比是指某燃烧室的燃烧角度与具有最慢燃烧速度的燃烧室(盘形燃烧空，侧置火花塞)的燃烧角度之比。由图可知，火花塞中置的开式燃烧室具有最短的燃烧持续期，它比火花塞侧置的盘形燃烧室缩短了22.5%。,上述要求中有些是相互促进的，有些是相互矛盾的。 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； 近年来，由于排气净化研究的进展，再加上节约能源问题的提出，因此更着眼于提高经
3、济性并同时减少大气污染。,燃烧室设计要求的变化,（二）燃烧室的设计要点,燃烧室的设计要点,燃烧室的 优化途径,压缩比,燃烧室 面容比,火花塞位置 与性能,燃烧室内 气流运动,提高压缩比可以提高汽油机的功率与经济性，但提高压缩比受爆燃的限制，因此提高抗爆性就成为提高压缩比的关键。为既提高压缩比又不促使爆燃的发生，燃烧室设计应从以下几方面考虑： 缩短火焰传播距离设计紧凑的燃烧火花塞位置。 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。,1、压缩比,汽油机过去采用侧置气
4、门L型燃烧室，虽经各方面改进，但压缩比只能在6.27之间。现代汽油机广泛采用顶置气门燃烧室，使燃烧室更为紧凑，压缩可提高到89。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侧置楔型燃烧室，可将压缩比提高到12.5。,从提高功率和经济性考虑，提高压缩比是有利的，但过高的压缩比将使压力升高比增加 ，发动机的噪声与振动较大，这是不允许的。此外，提高压缩比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即面容比增加，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
5、较小，在冷起动、怠速和暖机时对末燃HC排放影响较大。 3) 压缩比高，膨胀比也大，膨胀后期燃气温度下降，HC氧化速率下降，使更多的燃料以未燃HC的形式排出(图520a)。,压缩比提高的危害,4) 压缩比高，排气温度低， 壁面温度降低(图520b)， 附在壁面上的液态燃料难以 汽化，增加了HC排放 (图520c)，但过高的壁面 温度会加热终燃混合气，诱 发爆燃，也是不利的。 5) 压缩比高，使最高燃烧温 度增加，NOx增加。,2、燃烧室面容比FV,FV在某种意义上可以表示燃烧室的紧凑性，它与燃烧室型式以及汽 油机的主要结构参数有关，侧置气门燃烧室的FV大，顶置气门燃烧室 的FV要小得多，即使都是
6、顶置气门，不同形状燃烧室的FV值也是有 差别的。一般来说，FV大，火焰传播距离长，容易爆燃，HC排放高 (图521)，相对散热面积大，热损失大。,火花塞的位置直接影响火焰传播距 离的长短，从而影响抗爆性，也影 响火焰面积扩展速率和燃烧速率。 在特制形状的燃烧弹中的试验结果 表明(图522)，圆锥形底部点火 时，开始燃烧速率大，后期缓慢； 圆锥形顶部点火时正好相反，开始 缓慢，后期快速燃烧；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。,3、火花塞位置及其性能,燃烧室中不同火花塞位置对燃料辛烷 值要求也不同，图523示出了顶置气 门燃烧室火花塞位置对辛烷值的
7、要求。,布置火花塞时需考虑的其他因素,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，这对暖机和低负荷性能作用较大。但不希望有过强的气流在点火瞬间直接吹向火花塞间隙，从而吹散火核，增加缸内压力的循环变动率，甚至导致失火。,火花塞的点火性能对发动机性能的影响,火花塞的点火性能对发动机性能与排污有重大影响。 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，另外，处于间隙内的混合气的绝对数量增加，着火的概率也增加。,火核形成过程中，电极将从火核中吸收能量，如果这部分热
8、量吸收过大，则火核可能不能形成，被称为电极的“消焰”作用。 当间隙增大时，消焰作用将减弱。因此，火花能点燃更稀的混合气，火花塞通常采用的间隙是0.50.8mm，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，一般点火系统由于不可能供给足够高的电压而引起失火。 对各种间隙火花塞的研究表明，火花能量增加时能点燃稀混合气，同时也发现，火花能量强，则要求火花间隙越宽，性能越好。 为了充分发挥宽间隙的优点，需发展高能点火系统。高能点火系统具有较大的一次电流，即较高的点火能量，二次电压也上升迅速，并能有比一般点火系统更高的电压，以适应宽间隙火花塞对击穿电压的
9、要求。,燃烧室内形成适当强度的气流运动的有利之处： 1) 增加火焰传播速度。 2) 扩大混合气的着火界限。 3) 降低循环变动率。 4) 降低HC排放。 不利之处：过强的气流将使热损失增加，还可能吹熄火核而失火，使HC排放增加，也是不利的。,4、燃烧室内的气流运动,5、燃烧室的优化途径,燃烧室的设计首先是选择燃烧室最佳几何形状。最佳几何形状将使发动机受益最大，损失最小。 半球形或单坡屋顶式(用于缸内直喷式)缸头的燃烧室，使火焰 前锋表面积迅速接近于最大值(燃烧迅速)，与燃气接触的表面积又最小(传热损失小)。 火花塞靠近燃烧室中心，对获得快速燃烧也是非常有利的。 为改善燃油、空气和EGR混合的均
10、匀性，燃烧室中应组织适当的空气运动，减少燃烧过程中的循环变动率，保证较高的燃烧速率。,(三)典型燃烧室,1、楔形燃烧室 2、浴盆形燃烧室 3、碗形燃烧室 4、半球形燃烧室 5、其他类型燃烧室,这是车用汽油机采用比较广泛的燃烧室(图525)。布置在缸盖上，火花塞在楔形高处的进、排气门之间，因此火焰距离较长。一般设置挤气面积，气门稍倾斜( )使气道转弯较少，减少进气阻力，提高充量系数，压缩比也可以有较高值，达910；这种燃烧室有较高的动力性和经济性。但由于混合气过分集中在火花塞处，使初期燃烧速率和压力升高比大，工作显得粗暴一些。,1、楔形燃烧室红旗CA72,如图，这种燃烧室的结构特点：浴盆形燃烧室
11、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。,2、浴盆形燃烧室-越野车25Y6100Q,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
12、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，NOx排放低。,3、碗形燃烧室,碗形燃烧室是布置在活塞中的一个回转体(图527)，采用平底气缸盖，工艺性好。燃烧室全部机加工而成，有精确的形状和容积。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。
13、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；c=11，S/D=1.25。,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。,火花塞位置：,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
14、、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600
15、0r/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90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，有代表性的其它燃烧室有：,（1）湍流辅助燃烧室 （TGP）-12T汽油机如图
16、，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：图532所示的燃烧室中，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)，因而火焰传播距离接近缩短了1/2，从而可推迟最佳点火定时，提高了点火时的混合气温度和压力，使着火性能改善，燃烧持续期缩短，提高了发动机的性能。,
