10内燃机学第五章(3节)燃烧(2学时)

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。
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6.2～7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8～11。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）
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、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。
为了能点燃更稀的混合气，火花塞通常0.5～0.8mm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1.5～2mm， 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。
（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 0.20.25MPa/°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：
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：εc=9， S/D=1； εc=7， S/D=0.7； εc=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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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，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。
CoVimep
pmi
pmi
10%
（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60°CA（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20°CA，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短了 22.5%。
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。
（三）典型燃烧室 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）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）燃烧循环变动小 一wenku.baidu.com要求平均示指压力pmi的循环变动
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，NOx排放低。
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，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）。
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。
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。
（1）经济性高 经济性一般用指示效率ηi或指示燃油消耗率bi或相对效率ηr表示。 相对效率ηr的定义： 指示效率ηi与等容循环理论热效率ηt之比，即 ηr = ηi /ηt 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εc=9～11范围内，每增加一个单位， ηi的改善为 3%～5%。