混合氣的形成與燃燒

第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室分層充量及缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)燃燒室設(shè)計(jì)的一般要求燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)典型燃燒室分層燃燒典型缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)介1第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室(1)經(jīng)濟(jì)性好。（ηit，bi或ηr）(2)燃燒放熱率曲線等容度高。(3)污染小。(4)動(dòng)力性高。(5)不出現(xiàn)爆燃與表面點(diǎn)火等不正常燃燒。(6)燃燒循環(huán)變動(dòng)小。一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室(一)燃燒室設(shè)計(jì)的一般要求相對(duì)熱效率：指示效率ηi與等容循環(huán)理論熱效率ηt之比。ηr=ηi/ηt曲線下的面積形心的位置越靠近上止點(diǎn)越好平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)2第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室(一)燃燒室設(shè)計(jì)的一般要求(7)工作柔和，燃燒噪聲小。(8)滿足速燃要求。(9)稀燃能力強(qiáng)。(10)起動(dòng)性好。(11)瞬態(tài)特性好。(12)EGR的承受能力強(qiáng)。把燃燒持續(xù)期控制在60(CA)之內(nèi)，過(guò)分縮短燃燒持續(xù)期沒有必要。上述要求中有些是相互促進(jìn)的，有些是相互矛盾的。近年來(lái)，由于排氣凈化研究的進(jìn)展，再加上節(jié)約能源問(wèn)題的提出，因此更著眼于提高經(jīng)濟(jì)性并同時(shí)減少大氣污染。3第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室(二)燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)燃燒室的設(shè)計(jì)要點(diǎn)壓縮比燃燒室面容比火花塞位置與性能燃燒室的優(yōu)化途徑燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)4一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室(二)燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)1、壓縮比壓縮比↑汽油機(jī)的功率與經(jīng)濟(jì)性↑爆燃的限制既提高壓縮比又不促使爆燃的發(fā)生，燃燒室設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾方面考慮：縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x——設(shè)計(jì)緊湊的燃燒室——也與火花塞位置有關(guān)。利用適當(dāng)強(qiáng)度的湍流，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｔ陔x火花塞較遠(yuǎn)的區(qū)域設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦鋮s面積，降低邊緣區(qū)域可燃混合氣溫度。4)燃燒室內(nèi)沒有易受高溫影響而產(chǎn)生的熱點(diǎn)和表面沉積物。5一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室(二)燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)1、壓縮比壓縮比提高的危害：過(guò)高的壓縮比將使壓力升高比增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲與振動(dòng)較大，這是不允許的。此外，提高壓縮比對(duì)大氣污染也是不利的。未燃HC增加，NOx增加6一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室(二)燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)2、燃燒室面容比F／V面容比（F/V）值小,則結(jié)構(gòu)緊湊。F/V——燃燒室表面積與其容積之比。優(yōu)點(diǎn)：1）火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x小，不易爆燃，可提高壓縮比。2）相對(duì)散熱損失小，熱效率高。3)熄火面積小，HC排量小。72、燃燒室面容比F／V一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)／V大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長(zhǎng)，容易爆燃，HC排放高(圖5—21)，相對(duì)散熱面積大，熱損失大。8(二)燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)3、火花塞位置及其性能火花塞的位置直接影響火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的長(zhǎng)短，從而影響抗爆性，也影響火焰面積擴(kuò)展速率和燃燒速率。特制形狀的燃燒彈中的試驗(yàn)：圓錐形底部點(diǎn)火開始燃燒速率大，后期緩慢；圓錐形頂部點(diǎn)火開始緩慢，后期快速燃燒；圓柱形（楔形燃燒室）（浴盆形燃燒室）介于兩者之間9燃燒室中不同火花塞位置對(duì)燃料辛烷值要求也不同，圖5—23示出了頂置氣門燃燒室火花塞位置對(duì)辛烷值的要求。(二)燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)3、火花塞位置及其性能10(二)燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)3、火花塞位置及其性能確定火花塞位置時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

1）應(yīng)使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短，如火花塞布置在燃燒室中央。

2）使末端氣體受熱減少，如火花塞布置在排氣門附近。

3）減少各循環(huán)之間的燃燒變動(dòng)，保證暖機(jī)和低速穩(wěn)定性好，如火花塞布置在進(jìn)、排氣門之間，便于利用新鮮混合氣掃除火花塞周圍的殘余廢氣，使混合氣易于點(diǎn)燃，同時(shí)應(yīng)控制氣流的強(qiáng)度，避免吹散火花。

4）確保發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，火花塞的位置應(yīng)能使從火花塞傳播開的火焰面逐漸擴(kuò)大。11(二)燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)4、燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)燃燒室內(nèi)形成適當(dāng)強(qiáng)度的氣流運(yùn)動(dòng)的有利之處：增加火焰?zhèn)鞑ニ俣取?)擴(kuò)大混合氣的著火界限。3)降低循環(huán)變動(dòng)率。4)降低HC排放。進(jìn)氣渦流擠流12

燃燒室的設(shè)計(jì)首先是選擇燃燒室最佳幾何形狀。最佳幾何形狀將使發(fā)動(dòng)機(jī)受益最大，損失最小。半球形或單坡屋頂式(用于缸內(nèi)直噴式)缸頭的燃燒室，使火焰前鋒表面積迅速接近于最大值(燃燒迅速)，與燃?xì)饨佑|的表面積又最小(傳熱損失小)。

火花塞靠近燃燒室中心，對(duì)獲得快速燃燒也是非常有利的。為改善燃油、空氣和EGR混合的均勻性，燃燒室中應(yīng)組織適當(dāng)?shù)目諝膺\(yùn)動(dòng)，減少燃燒過(guò)程中的循環(huán)變動(dòng)率，保證較高的燃燒速率。(二)燃燒室設(shè)計(jì)要點(diǎn)5、燃燒室的優(yōu)化途徑13第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室(三)典型燃燒室1、楔形燃燒室2、浴盆形燃燒室3、碗形燃燒室4、半球形燃燒室5、其他類型燃燒室14(三)典型燃燒室1、楔形燃燒室結(jié)構(gòu)較緊湊，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x較短；氣門傾斜6－30，使得氣道轉(zhuǎn)彎小，這種燃燒室氣門直徑較大，所以充氣性能好；有一定的擠氣面積，并且末端混合氣冷卻作用較強(qiáng)，故壓縮比可達(dá)9.5－10.5；有較高的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性?；鸹ㄈ贾迷谛ㄐ胃咛?，對(duì)著進(jìn)、排氣門之間，有利于新鮮混合氣掃除火花塞附近的廢氣，低速、低負(fù)荷性能穩(wěn)定。優(yōu)點(diǎn)：15(三)典型燃燒室1、楔形燃燒室曾是車用汽油機(jī)采用比較廣泛的一種，但由于這種燃燒室進(jìn)、排氣門只能單行排列，采用多氣門機(jī)構(gòu)困難，故高性能轎車汽油機(jī)上較少應(yīng)用。缺點(diǎn)：由于混合氣過(guò)分集中在火花塞處，使得初期燃燒速度大，△p/△φ值較高，工作粗暴，NOx排出量較高；擠氣面積內(nèi)存在熄火現(xiàn)象，廢氣中HC的含量較多，應(yīng)控制擠氣面積。應(yīng)用：16(三)典型燃燒室2、浴盆形燃燒室優(yōu)點(diǎn)：△p/△φ值低，工作柔和，NOx的排放量較少，工藝性好。我國(guó)6100Q汽油機(jī)、BJ212汽油機(jī)采用。缺點(diǎn)：具有一定的擠氣面積，但擠流效果差；F／V較大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x較大，燃燒速度較低，使整個(gè)燃燒時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性能、動(dòng)力性能不高，HC排量多。應(yīng)用：17(三)典型燃燒室4、半球形燃燒室優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，火花塞位于中間，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x是最短的；進(jìn)排氣門傾斜布置，使氣門直徑較大，氣道轉(zhuǎn)彎較小，充氣效率高，對(duì)轉(zhuǎn)速變化不敏感；具有較好的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能，由于面容比小，HC排放量低。18(三)典型燃燒室4、半球形燃燒室缺點(diǎn)：由于火花塞附近容積較大，易使壓力升高率過(guò)大，工作粗暴，紊流相對(duì)較弱，低速低負(fù)荷穩(wěn)定性差，氣門雙行排列，使配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這種燃燒室沒有擠氣面，被壓縮的混合氣渦流較弱，易在低速大負(fù)荷時(shí)發(fā)生爆燃。應(yīng)用：半球形燃撓室由于其弧形缸蓋，特別適用于二行程汽油機(jī)。因其面容比小，對(duì)排氣凈化有利，近來(lái)被國(guó)外小轎車上采用。最高轉(zhuǎn)速在6000r／min以上的車用汽油機(jī)幾乎都采用半球形燃燒室。19多氣門發(fā)動(dòng)機(jī)均采用多球形燃燒室，以能充分利用燃燒室表面積布置氣門。20(三)典型燃燒室5、其他類型燃燒室

汽油機(jī)目前一個(gè)注目的研究方向是采用稀燃、速燃、層燃技術(shù)。采用稀薄混合氣可以降低油耗、降低排放和提高壓縮比。采用稀燃會(huì)降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，因此往往需要采取措施組織混合氣的快速燃燒。層燃也是在汽油機(jī)中燃燒稀混合氣的一種技術(shù)措施。速燃層燃稀燃只要空燃比α>17，且保證動(dòng)力性能，就可以稱為稀薄燃燒汽油機(jī)。均質(zhì)混合氣，一般在空燃比α＝12.6－17范圍內(nèi)工作。21(三)典型燃燒室5、其他類型燃燒室(1)帶湍流罐的燃燒室(TGP)在燃燒室中設(shè)置副室，該副室為一擾動(dòng)發(fā)生囊，其容積較小，與主燃燒室容積之比不大于20%，兩者間用通道相連，在副室噴口處布置火花塞，在壓縮過(guò)程中，新鮮混合氣經(jīng)通道進(jìn)入副室，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臏u流并對(duì)火花塞凹坑處進(jìn)行掃氣，在副室內(nèi)，火焰核心點(diǎn)燃混合氣，壓力迅速升高，然后高溫高壓火焰噴入主燃燒室，使主燃燒室氣體產(chǎn)生強(qiáng)烈紊流，加快了燃燒速度。這種燃燒室可燃用稀混合氣。低負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)性較好。2223(三)典型燃燒室5、其他類型燃燒室(2)雙火花塞燃燒室離半球形燃燒室中心的兩邊等距離布置兩只火花塞，（相距，直徑）。因而火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x等于缸徑的1/2。這樣可以適當(dāng)推遲點(diǎn)火時(shí)間，提高了點(diǎn)火時(shí)混合氣的溫度和壓力，使著火性能得到改善，燃燒持續(xù)時(shí)間縮短，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。24第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(一)分層燃燒前述汽油機(jī)采用的工質(zhì)是均勻的，是空燃比變化在非常狹窄的范圍內(nèi)(α＝12.6~17)的混合氣，這樣的燃燒系統(tǒng)本身具有以下缺點(diǎn)：1)汽油機(jī)功率變化時(shí)，混合氣仍必須維持在點(diǎn)火范圍內(nèi)的濃度，使得空燃比不可能變化很大，這就決定了汽油機(jī)功率不可能用變質(zhì)調(diào)節(jié)，而只能用進(jìn)氣管節(jié)流的變量調(diào)節(jié)。由于節(jié)流引起較大的泵氣損失，所以造成低負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性較差。2)容易爆燃。凡是火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓幕旌蠚?，也是容易引起爆燃的因素，因此較濃的混合氣(點(diǎn)火所需的混合氣)要比較稀的混合氣容易引起爆燃。25二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(一)分層燃燒前述汽油機(jī)采用的工質(zhì)是均勻的，是空燃比變化在非常狹窄的范圍內(nèi)(α＝12.6~17)的混合氣，這樣的燃燒系統(tǒng)本身具有以下缺點(diǎn)：3)汽油機(jī)始終以點(diǎn)火范圍內(nèi)的混合比工作，使熱效率低，如果能以稀混合氣工作，可提高循環(huán)的熱效率。與化學(xué)計(jì)量比14.8比較，如采用空燃比20和27工作，則發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率將相應(yīng)提高8％和12％。4)排氣污染嚴(yán)重。汽油機(jī)排氣中有害成分(CO、HC、NOx)的數(shù)量與混合氣的濃度有密切關(guān)系。一般汽油機(jī)所使用的混合比范圍正是排放高的范圍。如果汽油機(jī)能以稀的混合氣工作，特別是空燃比超過(guò)23時(shí)能正常工作，就可以得到很低的排放指標(biāo)。26二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(一)分層燃燒燃用過(guò)稀的、已進(jìn)人一般汽油機(jī)失火范圍的混合氣的主要困難是難以形成火核。若采用大能量點(diǎn)火，可以點(diǎn)燃較稀的混合氣，但當(dāng)混合氣過(guò)稀時(shí)，大能量的電火花雖可點(diǎn)火，出現(xiàn)火核，但在微小體積內(nèi)的燃料量太小，產(chǎn)生熱量過(guò)少，不足以聚集形成火焰而傳播。從而導(dǎo)致失火。但是只要一旦形成火焰，在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，即使是相當(dāng)稀的混合氣，還是能夠正常燃燒的。27二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(一)分層燃燒分層燃燒的概念為合理組織燃燒室內(nèi)的混合氣分布，即在火花間隙周圍局部形成具有良好著火條件的較濃混合氣，空燃比在12~13.4左右；而在燃燒室的大部分區(qū)域是較稀的混合氣。在兩者之間，為了有利于火焰?zhèn)鞑ィ旌蠚鉂舛葟幕鸹ㄈ_始由濃到稀逐步過(guò)渡，即形成所謂的分層燃燒系統(tǒng)。28二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(一)分層燃燒實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)分層燃燒進(jìn)氣道噴射的分層燃燒方式缸內(nèi)直噴的分層燃燒方式軸向分層燃燒系統(tǒng)橫向分層燃燒系統(tǒng)29二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(一)分層燃燒軸向分層燃燒系統(tǒng)30二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(一)分層燃燒軸向分層燃燒系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)中，由進(jìn)氣形成較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流，燃油正在進(jìn)氣行程的后期通過(guò)噴油器直接噴入氣缸，從而在氣缸內(nèi)部形成易于點(diǎn)燃的濃混合氣，從上至下形成內(nèi)濃到稀的分層混合氣。研究表明，這種分層狀態(tài)可以維持到壓縮行程的末期。31二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(一)分層燃燒橫向分層燃燒系統(tǒng)在一個(gè)進(jìn)氣道噴射的汽油生成濃混合氣，在滾流的引導(dǎo)下經(jīng)過(guò)設(shè)置在氣缸中央的火花塞，在兩側(cè)為純空氣，活塞頂做成有助于生成滾流的曲面。經(jīng)濟(jì)性提高，NOX下降。32二、充量分層和缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(二)典型缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)介汽油機(jī)的缸內(nèi)直接噴射（GDI）在空燃比很稀時(shí)，可在接近點(diǎn)火時(shí)刻才開始噴油，即壓縮過(guò)程后期噴油，使火花塞周圍的濃混合氣來(lái)不及稀釋就被點(diǎn)燃了，一般可在α大于等于25～50范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。GDI燃燒系統(tǒng)明顯改善燃油消耗率，但還需要解決一些技術(shù)問(wèn)題，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看終將取代傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)。33(二)典型缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)介1、福特缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(PROCO)1)由于直接噴射，使缸內(nèi)充量得到冷卻，可以使用較大的壓縮比。2)與進(jìn)氣管單點(diǎn)噴射式汽油機(jī)相比，由于提高了燃油霧化質(zhì)量和降低了泵吸損失，低速時(shí)功率可增加5%~10%。3)由于壓縮比的提高，部分負(fù)荷燃油消耗率降低5%；由于避免了燃油在進(jìn)氣管道或近氣門處的附著，怠速時(shí)燃油消耗率降低12%。4)若燃用稀混合氣，燃油消耗率可進(jìn)一步下降。5)與單點(diǎn)噴射式汽油機(jī)相比，NOx低、HC高。6)可大幅度降低冷起動(dòng)時(shí)的HC排放。7)穩(wěn)定工作的最大空燃比可達(dá)25：1。

342、三菱缸內(nèi)直噴分層充量燃燒系統(tǒng)此燃燒系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)燃用分層混合氣，全負(fù)荷時(shí)燃用均質(zhì)混合氣。采用電磁式低壓旋流噴油器，噴射壓力5MPa以實(shí)現(xiàn)合理的燃油霧化、貫穿以及油束擴(kuò)散。在高負(fù)荷時(shí)，燃油在進(jìn)氣行程的早期噴入氣缸形成化學(xué)計(jì)量比或稍濃的均質(zhì)混合氣，油束不接觸活塞頂面，燃油的蒸發(fā)將使缸內(nèi)充量溫度下降，充量系數(shù)提高，所需辛烷值下降，壓縮比可達(dá)12，發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能明顯提高，同時(shí)采用EGR降低NOx排放。三菱缸內(nèi)直噴充量分層燃燒系統(tǒng)是采用縱向