1、1 第五章 内燃机混合气的形成和燃烧 5-35-3点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室 一、燃烧室一、燃烧室 1.1.设计要求：在提高经济性的同时降低排放污染是当前最主要的要设计要求：在提高经济性的同时降低排放污染是当前最主要的要求。求。2020世纪世纪5050年代以前的要求是提高经济性和动力性。年代以前的要求是提高经济性和动力性。1 1）经济性高，）经济性高，itit、b bi i.2 2）燃烧放热曲线接近等容曲线的程度要高。由曲线）燃烧放热曲线接近等容曲线的程度要高。由曲线x xb b=f(=f()、dxdxb b/d/d 考察考察 3 3）污染小。）污染小。4 4）动力性高）动力性高
2、 5 5）不出现爆燃与表面点火）不出现爆燃与表面点火 6 6）燃烧循环变动小）燃烧循环变动小 7 7）工作柔和，燃烧噪声小）工作柔和，燃烧噪声小 8 8）满足速燃的要求：）满足速燃的要求：z z600.6MPa/0.6MPa/CACA时，产生强烈燃烧噪声，我们时，产生强烈燃烧噪声，我们称这种现象为工作粗暴。称这种现象为工作粗暴。减少噪声的措施：减少噪声的措施：1.1.缩短滞燃期；缩短滞燃期；2.2.减少在滞减少在滞燃期内的喷油量；燃期内的喷油量；3.3.减少在滞燃期内形成可燃混合减少在滞燃期内形成可燃混合气的数量。常见的措施是采用高十六烷值燃料，采气的数量。常见的措施是采用高十六烷值燃料，采用
3、引导喷射（二级喷射）等。用引导喷射（二级喷射）等。40 第五章第五章 内内燃机混合气的形成和燃烧燃机混合气的形成和燃烧 5-5 5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 分为两大类：直接喷射燃烧室（开式）和分隔式燃烧室（间接）分为两大类：直接喷射燃烧室（开式）和分隔式燃烧室（间接）浅盆形浅盆形直喷直喷深坑形深坑形无涡流无涡流气流运动气流运动有涡流有涡流涡流室涡流室分隔式分隔式预燃室预燃室41 5-5 点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室42 5-5点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室直接喷射式燃烧室直接喷射式燃烧室 直接喷射式燃烧室具有结构简单、燃油消耗低1520%、启动容易等
4、优点。但也存在缺点，如进气系统和喷射系统要求高、喷油系统易出故障、最大燃烧压力较高、噪声及排放指标欠佳等。在柴油机中，由于它具有高的热效率，易于启动，加上近年来人们在进气道和燃油系统方面取得进展，它的应用占统治地位。43 5-5点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室分隔式分隔式燃烧室燃烧室 间喷式（或叫分开式）燃烧室柴油机的有效燃油消耗率高于直喷式柴油机，但由于它具有高速性能好、噪声和排气污染小及对喷油系统要求低等优点，因此在高速小型农用、车用柴油机上广泛应用。44 5-5点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室 1.1.特点：特点：a a混合气靠喷射雾化，对喷雾质量要求高（小直径多孔喷嘴，
5、易混合气靠喷射雾化，对喷雾质量要求高（小直径多孔喷嘴，易堵塞），对燃油系统要求高。堵塞），对燃油系统要求高。b b要求油束与燃烧室形状相配合，燃料尽可能的分布整个空间。要求油束与燃烧室形状相配合，燃料尽可能的分布整个空间。c c一般不组织涡流的情况下，依靠油束的扩展促使燃油与空气混合形一般不组织涡流的情况下，依靠油束的扩展促使燃油与空气混合形成卷吸流动；所以，主要用于大缸径中低速柴油机。成卷吸流动；所以，主要用于大缸径中低速柴油机。d d结构紧凑，形状简单；面容比小，热损失小；不组织气流运动，无结构紧凑，形状简单；面容比小，热损失小；不组织气流运动，无节流损失；容易启动，且燃油消耗率低，经济性
6、好。节流损失；容易启动，且燃油消耗率低，经济性好。e e有均匀的空间混合，滞燃期内形成的可燃混合气较多，有均匀的空间混合，滞燃期内形成的可燃混合气较多，dp/ddp/d 升高升高很快，工作粗暴，燃烧室温度较高，易冒烟产生较多的很快，工作粗暴，燃烧室温度较高，易冒烟产生较多的NOxNOx。f f对转速和燃料较敏感。随转速降低燃油雾化质量变差，燃油粘度。对转速和燃料较敏感。随转速降低燃油雾化质量变差，燃油粘度。g g采用较大的过量空气系数。因混合气形成主要靠喷雾，热负荷高。采用较大的过量空气系数。因混合气形成主要靠喷雾，热负荷高。随着缸径和压缩比的增大，烟度、随着缸径和压缩比的增大，烟度、dp/d
7、dp/d 和和NOxNOx相对减少。相对减少。一、浅盆形燃烧室一、浅盆形燃烧室45 5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 2.2.燃烧的有效组织燃烧的有效组织 由于浅盆形燃烧室一般不组织气流运动，因而由于浅盆形燃烧室一般不组织气流运动，因而工作过程的组织关键是考虑工作过程的组织关键是考虑喷射喷射与与燃烧室形状之间燃烧室形状之间的合理配合。的合理配合。影响浅盆形燃烧室性能的主要因素是：供油提影响浅盆形燃烧室性能的主要因素是：供油提前角、供油规律、供油持续角、油束的雾化质量、前角、供油规律、供油持续角、油束的雾化质量、油束的数目和射程、油雾锥角、燃烧室的形状、配油束的数目和射程、油雾锥
8、角、燃烧室的形状、配气相位、压缩比等。气相位、压缩比等。适用于低速大缸径的发动机。适用于低速大缸径的发动机。46 5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 二、深坑形燃烧室二、深坑形燃烧室 1.1.特点：对燃油系统要求很低，组织进气涡流，提高空特点：对燃油系统要求很低，组织进气涡流，提高空气的利用率，同时利用一定的喷雾质量，过量空气系数较小气的利用率，同时利用一定的喷雾质量，过量空气系数较小（1.3-1.51.3-1.5），且油耗低易起动。），且油耗低易起动。广泛应用于小型高速柴油机广泛应用于小型高速柴油机。4747 5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 2.2.设计要点：
9、形状设计要点：形状以以形燃烧室为主，存在各种变形。形燃烧室为主，存在各种变形。（1 1）燃烧室尺寸）燃烧室尺寸喉口直径喉口直径d dk k和深度和深度h h；相对容积比；相对容积比V Vk k/V/Vc c 和和（Vc=VVc=Vk k+V+V）喉口直径与气缸直径之比）喉口直径与气缸直径之比d dk k/D/D。相对容积比相对容积比V Vk k/Vc/Vc 尽可能大点，因为尽可能大点，因为a a直接喷射式发动机混直接喷射式发动机混合气的形成和燃烧主要在燃烧室内进行，而余隙容积中的气体不合气的形成和燃烧主要在燃烧室内进行，而余隙容积中的气体不能有效利用，所以应尽可能减少余隙容积，使空气尽可能集中
10、在能有效利用，所以应尽可能减少余隙容积，使空气尽可能集中在燃烧室内，以改善空气利用率；燃烧室内，以改善空气利用率；b b增加增加V Vk k/Vc/Vc使燃烧室的相对散热使燃烧室的相对散热面积减小，挤流加强，有利于混合气形成和燃烧。面积减小，挤流加强，有利于混合气形成和燃烧。d dk k/D/D要合适，要与油束要合适，要与油束射程配合。射程配合。d dk k/D/D大则燃烧室深，大则燃烧室深，可降低最高燃烧压力；但过大可降低最高燃烧压力；但过大则排气不净，活塞高度增加，则排气不净，活塞高度增加，喉口、活塞、喷油器容易过热。喉口、活塞、喷油器容易过热。4848 5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式
11、内燃机的燃烧室 （2 2）燃烧室的布置）燃烧室的布置:1 1）通常布置在活塞上，这样燃烧室表面不与冷却水直接）通常布置在活塞上，这样燃烧室表面不与冷却水直接接触，可减少散热损失。接触，可减少散热损失。2 2）对于）对于4 4气门发动机，燃烧室、喷油器及气缸在同一轴线气门发动机，燃烧室、喷油器及气缸在同一轴线上，这样对称布置使热流、气流都较均匀，油束贯穿度与喷孔上，这样对称布置使热流、气流都较均匀，油束贯穿度与喷孔到燃烧室壁面之间距离易于优化匹配，有利于提高发动机性能到燃烧室壁面之间距离易于优化匹配，有利于提高发动机性能与降低排放。与降低排放。3 3）对于）对于2 2气门发动机，由于要尽可能加大
12、进、排气门尺寸，气门发动机，由于要尽可能加大进、排气门尺寸，不得不将燃烧室、喷油器及气缸三者的中心线相互错开。此时不得不将燃烧室、喷油器及气缸三者的中心线相互错开。此时要相应改变喷孔位置，以使要相应改变喷孔位置，以使n n股油束相对于燃烧室仍是对称的。股油束相对于燃烧室仍是对称的。49 5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 （3 3）燃烧室、油束射程和涡流强度的配合）燃烧室、油束射程和涡流强度的配合 燃烧室尺寸、油束射程及涡流强度之间的配合影响燃烧室尺寸、油束射程及涡流强度之间的配合影响燃料的空间分布燃料的空间分布和和壁面分布的比例壁面分布的比例及及油束的落点位置油束的落点位置，从
13、而影响混合气的形成和燃烧过，从而影响混合气的形成和燃烧过程。如，燃烧室口径较小，油束射程较大，而近期涡流较弱时，就有相程。如，燃烧室口径较小，油束射程较大，而近期涡流较弱时，就有相当多的燃油直接喷到燃烧室壁上。当多的燃油直接喷到燃烧室壁上。深坑形燃烧室是以空间混合为主深坑形燃烧室是以空间混合为主，一般应保证在进气涡流的作用下，一般应保证在进气涡流的作用下，油束仍有足够的射程，使燃料冲击壁面，并能反弹回来，造成燃油的再油束仍有足够的射程，使燃料冲击壁面，并能反弹回来，造成燃油的再分布，以此促进混合和燃烧。分布，以此促进混合和燃烧。油束与燃烧室的碰撞程度可用所谓的油束与燃烧室的碰撞程度可用所谓的穿
14、透率穿透率=L/L=L/L（L-L-着火时刻的着火时刻的油束射程，油束射程，L L-喷油器喷孔至燃烧室壁面的直线距离）表示。对于深坑形喷油器喷孔至燃烧室壁面的直线距离）表示。对于深坑形燃烧室，燃烧室，一般为一般为1.051.05左右。左右。为了增加油束射程，可将喷孔直径加大，喷孔数目减小。喷孔数目为了增加油束射程，可将喷孔直径加大，喷孔数目减小。喷孔数目减少，油束间的间隔增大，但在涡流作用下保证迅速混合，油束间的空减少，油束间的间隔增大，但在涡流作用下保证迅速混合，油束间的空气仍能充分利用。深坑形燃烧室一般采用气仍能充分利用。深坑形燃烧室一般采用4-64-6个喷孔，其中采用个喷孔，其中采用4
15、4孔喷油孔喷油器最多。器最多。要适当控制涡流强度，过小或过大都会使发动机性能降低。要适当控制涡流强度，过小或过大都会使发动机性能降低。50 5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 （4 4）喷油器伸出缸盖距离：）喷油器伸出缸盖距离：3mm 3mm 喷油器伸出汽缸盖底平面的距离喷油器伸出汽缸盖底平面的距离h h影响油束与燃烧室及气影响油束与燃烧室及气流的配合，从而对性能有明显的影响。过小易于将油喷到活流的配合，从而对性能有明显的影响。过小易于将油喷到活塞顶面上；过大油束易于落到燃烧室底部，喷油器热负荷大，塞顶面上；过大油束易于落到燃烧室底部，喷油器热负荷大，易于烧坏卡死。易于烧坏卡死。
16、(5)(5)提高喷射率，缩短喷油持续期提高喷射率，缩短喷油持续期 喷射率喷射率单位工作容积每曲轴转角的供油量单位工作容积每曲轴转角的供油量mm3/cm3mm3/cm3*()。喷油率应与穿透率及涡流强度等因素相。喷油率应与穿透率及涡流强度等因素相配合。对于穿透率适当的深坑形燃烧室，采用提高燃油喷射配合。对于穿透率适当的深坑形燃烧室，采用提高燃油喷射率缩短喷油持续时间，以加强混合气形成的速率。率缩短喷油持续时间，以加强混合气形成的速率。全负荷时喷油持续期不应大于全负荷时喷油持续期不应大于2525，一般为，一般为15-2015-20，使，使燃烧持续期控制在燃烧持续期控制在4040内。内。51 5-5
17、 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 6.6.提高喷油压力提高喷油压力 柴油机的燃烧情况取决于混合气的生成速率，混合过程柴油机的燃烧情况取决于混合气的生成速率，混合过程所需的能量来自喷射到燃烧室中的燃油和空气动能。所需的能量来自喷射到燃烧室中的燃油和空气动能。提高喷提高喷油压力使燃油流速增加，得到较高的燃油与空气之间的相对油压力使燃油流速增加，得到较高的燃油与空气之间的相对速度速度，喷油细化，蒸发速度加快，并使混合气形成更加均匀，喷油细化，蒸发速度加快，并使混合气形成更加均匀，从而可以降低对空气涡流的要求，使充量系数增加。当前，从而可以降低对空气涡流的要求，使充量系数增加。当前，最高喷油
18、压力已达最高喷油压力已达140140160MPa160MPa左右。左右。7.7.利用湍流利用湍流 柴油机燃烧室中的湍流对燃烧油很柴油机燃烧室中的湍流对燃烧油很大影响，右图为小松柴油机大影响，右图为小松柴油机MTCCMTCC燃烧室，燃烧室，其利用湍流来增加扩散燃烧阶段的混合其利用湍流来增加扩散燃烧阶段的混合速率，以便推迟喷油提前角，使预混合速率，以便推迟喷油提前角，使预混合燃烧阶段的放热尖峰减小，燃烧阶段的放热尖峰减小，NOxNOx含量下降，含量下降，缓和燃油消耗率和缓和燃油消耗率和NOxNOx的矛盾。的矛盾。52 5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 三、球形油膜燃烧室三、球形油膜
19、燃烧室 1.1.特点：燃烧室在活塞上形状为球形，属于深坑形燃烧室的一种；混特点：燃烧室在活塞上形状为球形，属于深坑形燃烧室的一种；混合气靠油膜蒸发混合形成；燃烧室壁面温度保证在合气靠油膜蒸发混合形成；燃烧室壁面温度保证在200-350200-350C C，控制裂解。，控制裂解。2.2.优点：工作柔和，燃烧噪声小，排烟少，性能指标好。优点：工作柔和，燃烧噪声小，排烟少，性能指标好。3.3.缺点：冷起动困难，负荷突变时反应慢，低负荷时缺点：冷起动困难，负荷突变时反应慢，低负荷时HCHC增大，高低速增大，高低速性能差别大，增压适应性差，大缸径应用困难。性能差别大，增压适应性差，大缸径应用困难。53
20、5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 四、涡流室燃烧室四、涡流室燃烧室 1.1.混合气的形成：燃烧室由两部分组成主燃烧室与涡流室，如图混合气的形成：燃烧室由两部分组成主燃烧室与涡流室，如图 特点：（特点：（1 1）混合气的形成和燃烧是利用有组织的强烈压缩涡流，对）混合气的形成和燃烧是利用有组织的强烈压缩涡流，对喷雾质量要求不高。（喷雾质量要求不高。（2 2）较高的转速可以得到较好的混合质量，气门大）较高的转速可以得到较好的混合质量，气门大充气效率高，充气效率高，适于高速发动机适于高速发动机。（。（3 3）燃烧室空气利用率充分、过量空气）燃烧室空气利用率充分、过量空气系数较小，工作平
21、稳。（系数较小，工作平稳。（4 4）燃烧室散热损失大，节流损失大，）燃烧室散热损失大，节流损失大，冷起动困冷起动困难，油耗高难，油耗高。（。（5 5）最高燃烧温度较低，）最高燃烧温度较低，HCHC、NOxNOx和微粒排放比直喷低。和微粒排放比直喷低。2.2.设计要点：设计要点：（1 1）涡流室形状如图）涡流室形状如图球形或近似球形，易加工。三种形状涡流。球形或近似球形，易加工。三种形状涡流。54 5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 （2 2）连接通道位置）连接通道位置通道截面为长圆形，当其位置与涡流室相切涡通道截面为长圆形，当其位置与涡流室相切涡流较强，节流损失大。当其位置布于中
22、央、涡流强度下降，节流损失小。流较强，节流损失大。当其位置布于中央、涡流强度下降，节流损失小。（3 3）涡流室结构参数：涡流室容积）涡流室结构参数：涡流室容积V Vk k与压缩容积与压缩容积V Vc c之比，通道面积之比，通道面积A Af f与活塞面积与活塞面积A Ap p之比。之比。V Vk k/V/Vc c越大或越大或A Af f/A/Ap p越小，则压缩涡流越强，涡流使空气越小，则压缩涡流越强，涡流使空气量增加，输出功率大。但是量增加，输出功率大。但是V Vk k/V/Vc c增大，流动损失增大，经济性变差，冷增大，流动损失增大，经济性变差，冷起动困难。起动困难。一般一般 V Vk k/
23、V/Vc c=50%A=50%Af f/Ap=1.2-1.5%/Ap=1.2-1.5%55 5-5 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室 五、预燃室燃烧室五、预燃室燃烧室 由位于气缸盖内的预燃室和活塞上方由位于气缸盖内的预燃室和活塞上方的主燃烧室所组成，两者之间由一个或数的主燃烧室所组成，两者之间由一个或数个孔道相连，喷油嘴安装在预燃室中心线个孔道相连，喷油嘴安装在预燃室中心线附近。附近。通道不与预燃室相切，不产生有组织通道不与预燃室相切，不产生有组织的强烈涡流，空气流过通道产生强烈湍流，的强烈涡流，空气流过通道产生强烈湍流，使一部分燃料雾化混合。使一部分燃料雾化混合。着火燃烧后，预燃室中的压力、温度着火燃烧后，预燃室中的压力、温度迅速升高，利用这部分燃料燃烧的能量将迅速升高，利用这部分燃料燃烧的能量将预燃室中的混合气高速喷入主燃烧室，并预燃室中的混合气高速喷入主燃烧室，并在主燃烧室内造成空气运动，促使大部分在主燃烧室内造成空气运动，促使大部分燃料在主燃烧室内混合燃烧。燃料在主燃烧室内混合燃烧。由于预燃室柴油机起动性能与经济性由于预燃室柴油机起动性能与经济性差，从节能角度考虑，预燃室在现代压燃差，从节能角度考虑，预燃室在现代压燃式发动机中基本上不被采用式发动机中基本上不被采用。
