点燃式内燃机的燃烧室

第三节点燃式内燃机的燃烧室

点燃式内燃机的燃烧室分层充量及缸内直喷燃烧系统燃烧室设计的一般要求燃烧室设计要点典型燃烧室分层燃烧典型缸内直喷燃烧系统简介

一、点燃式内燃机的燃烧室(一)燃烧室设计的一般要求(1)经济性高。(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)不出现爆燃与外表点火等不正常燃烧。(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。相对效率的定义是指示效率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，压缩比的选取对经济性起着特别显著的作用，在常用的εc=9~11范围内，每增加一个单位，ηi的改善为3％~5％。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白分比曲线，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。燃烧循环变动小平均指示压力的循环变动满足速燃要求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。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％，但持续期继续从60°(CA)减小到20°(CA)，be仅降低1.5%。图5—19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，追求到达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济性并同时减少大气污染。〔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影响汽油机性能指标最重要的结构参数是压缩比，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：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外表沉积物。1、压缩比汽油机过去采用侧置气门L型燃烧室，虽经各方面改进，但压缩比只能在6.2~7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8~9。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，燃烧室外表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5—20a)。压缩比提高的危害4)压缩比高，排气温度低，使壁面温度降低(图5—20b)，粘附在壁面上的液态燃料难以汽化，增加了HC排放(图5—20c)，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F／VF／V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F／V大，顶置气门燃烧室的F／V要小得多，即使都是顶置气门，不同形状燃烧室的F／V值也是有差异的。一般来说，F／V大，火焰传播距离长，容易爆燃，HC排放高(图5—21)，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说明(图5—22)，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5—23示出了顶置气门燃烧室火花塞位置对辛烷值的要求。1)火花塞应靠近排气门处，使受炽热外表加热的混合气能及早燃烧，从而不致开展为爆燃。2)火花塞间隙处的剩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。布置火花塞时需考虑的其他因素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剩余废气的影响，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。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正确几何形状。最正确几何形状将使发动机受益最大，损失最小。燃烧室几何形状包括缸头和活塞顶形状、火花塞位置。半球形或单坡屋顶式(用于缸内直喷式)缸头的燃烧室，使火焰前锋外表积迅速接近于最大值(燃烧迅速)，与燃气接触的外表积又最小(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。火花塞位置尽量移到靠近燃烧室中心，以尽可能缩短火焰传播距离，降低对燃料辛烷值的要求。为改善燃油、空气和EGR混合的均匀性，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。为满足燃烧过程的快速性、可重复性以及高充量系数、低热损失、适当的燃料辛烷值等诸项指标，燃烧室设计应遵循以下原那么：1〕在最大火焰前锋面积、最小面容积比、最大气门尺寸(或开展多气门)等设计参数限制范围内，优化燃烧室几何形状。2〕改善混合气的分布和均匀性，减少燃烧循环变动率，减少各缸的不均匀性。

(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5—25)。它布置在缸盖上，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9~10；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2、浴盆形燃烧室燃烧室形状如图5—26所示。这种燃烧室高度是相同的，宽度允许略超出气缸范围来加大气门直径。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的壁距，这样使气门尺寸所受的限制比楔形大。浴盆形燃烧室有挤气面积，但由于燃烧室的形状，使挤气的效果比较差，火焰传播距离也较长，燃烧速率比较低，燃烧时间长，压力升高比低。试验证明，适当增加挤气面积比，可以改善发动机的性能。6105汽油机原挤气面积比是25%，燃烧时间较长，压力升高比只有0.18MPa／[(°)(CA)]，燃烧压力循环变动率达11%。采用挤气面积比增大到32.6%及其他措施后，性能指标得到了改善，功率提高了6.2%，转矩提高了1.5%，燃油消耗率降低了0.8%(见表5—2和表5—3)。表5-26105汽油机燃烧室

改进前后的参数表燃烧室投影面积/mm2挤气面积/%燃烧室高度/mm最大火焰传播距离/mm进气门壁距/mm排气门壁距/mm燃烧室容积/cm2原缸盖70002522.5806.255.5145改进缸盖630032.626.2706.255.5145差值7007.63.710000表5-36105汽油机原缸盖与改进缸盖在最大转矩时的燃烧参数点火提前角最高燃烧压力所在曲轴转角燃烧持续角最大压力升高比最高燃烧压力最大燃烧压力变动率原缸盖-3119500.183.611.5改进缸盖-27.512.5400.244.767.1差值3.56.5100.061.163.9浴盆形燃烧室的F／V较大，对HC排放是不利的，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5—27)，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。燃烧室外表光滑，紧凑，挤流效果好，压缩比可高达11。燃烧室在活塞顶内使活塞的高度与质量增加，但与普通平顶活塞相比，增加量在10%以内，由于F/V较大，散热增加。碗形燃烧室要有恰当的S／D与压缩比之间的比例。假设压缩比低而用大的S／D，将使燃烧室凹人活塞内深度大；如用高压缩比小的S／D，那么燃烧室变得很浅，这些都是不适宜的。较适宜的比例是：εc=9，S／D＝1；εc=7；S／D＝0.7；εc=11，S／D＝1.25。总之，碗形燃烧室要有适当的口径、深度和顶隙。这些参数对挤流强度有较大影响。

碗形燃烧室的火花塞正好在挤气流人燃烧室的通道口上，刚且点火瞬间正处在挤流流速急剧变化的时候。为此，点火时间的微小变动，将引起点火瞬间流过火花塞间隙的流速的较大变化。因此，点火时间的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。4、半球形燃烧室半球形燃烧室也在气缸盖上，一般配凸出的活塞顶(图5—28)，燃烧室也可全部机械加工，保持光滑的外表、精确的形状与容积，燃烧室紧凑，只火花塞能布置在中间，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°。气流进人气缸转弯最小，充量系数大，在非常高的转速下仍能保持满意的充量系数，最高转速在6000r／min以上的车用汽油机几乎都采用半球形燃烧室。这种燃烧室值F/V小，HC排放低。半球形燃烧室—般不组织挤流，如果要组织挤流，将使活塞头部形状复杂一些。由于火花塞周围有较大的容积，使燃烧速率和压力升高比大，工作较粗暴。由于最高燃烧温度高，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。半球形燃烧室由于其具有弧形气缸盖而特别适用于二冲程汽油机。因此各种用途的二冲程汽油机都采用半球形燃烧室，四冲程汽油机也越来越多地采用半球形燃烧室。蓬形燃烧室的性能与半球形相似，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

汽油机目前一个注目的研究方向是采用稀燃、速燃、层燃技术。采用稀薄混合气可以降低油耗、降低排放和提高压缩比。采用稀燃会降低火焰传播速度，因此往往需要采取措施组织混合气的快速燃烧。层燃也是在汽油机中燃烧稀混合气的一种技术措施。(1)12T汽油机产生湍流的辅助燃烧室(TGP)在燃烧室中设置副室，并在喷孔部位配置火花塞(图5—29)，混合气被点燃后流入副室，在压缩过程中，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。副室内的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。其燃烧特性见图5—30和图5—31。(2)双火花塞燃烧室图5—32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，从而可推迟最正确点火定时，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。二、充量分层和

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。

(一)分层燃烧前述汽油机采用的工质是均匀的，是空燃比变化在非常狭窄的范围内(A/F＝12.6~17)的混合气，这样的燃烧系统本身具有以下缺点：1)汽油机功率变化时，混合气仍必须维持在点火范围内的浓度，使得空燃比不可能变化很大，这就决定了汽油机功率不可能用变质调节，而只能用进气管节流的变量调节。由于节流引起较大的泵气损失，所以造成低负荷的经济性较差。2)容易爆燃。但凡火焰传播速度快的混合气，也是容易引起爆燃的因素，因此较浓的混合气(点火所需的混合气)要比较稀的混合气容易引起爆燃。3)汽油机始终以点火范围内的混合比工作，使热效率低，如果能以稀混合气工作，可提高循环的热效率。与化学计量比14.8比较，如采用空燃比20和27工作，那么发动机的热效率将相应提高8％和12％。4)排气污染严重。汽油机排气中有害成分(CO、HC、NOx)的数量与混合气的浓度有密切关系(图5—33)。一般汽油机所使用的混合比范围正是排放高的范围。如果汽油机能以稀的混合气工作，特别是空燃比超过23时能正常工作，就可以得到很低的排故指标。燃用过稀的、已进人一般汽油机失火范围的混合气的主要困难是难以形成火核。假设采用大能量点火，可以点燃较稀的混合气，但当混合气过稀时，大能量的电火花虽可点火，出现火核，但在微小体积内的燃料量太小，产生热量过少，缺乏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。分层燃烧的概念为合理组织燃烧室内的混合气分布，即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12~13.4左右；而在燃烧空的大局部区域是较稀的混合气。在两者之间，为了有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞开始由浓到稀逐步过渡，即形成所谓的分层燃烧系统。

(二)典型缸内直喷燃烧系统简介1、轴向分层燃烧系统2、福特缸内直喷燃烧系统(PROCO)3、三菱缸内直喷分层充量燃烧系统1、轴向分层燃烧系统燃烧系统中，由进气形成较强的进气涡流，燃油正在进气行程的后期通过喷油器直接喷入气缸，从而在气缸内部形成易于点燃的浓混合气，从上至下形成内浓到稀的分层混合气。研究说明，这种分层状态可以维持到压缩行程的末期。本田汽车公司成功地在一台4气门发动机上通过可变进气系统(VTEC-E)实现了轴向分层燃烧系统，其空燃比到达22：1，局部负荷时燃油消耗率降低12%，全负荷时采用理论空燃比配合EGR，同时采用三效催化转换器，最大功率时将空燃比控制在12.5：1。2、福恃缸内直喷燃烧系统(PROCO)福将缸内直喷燃烧系统燃用的是化学计量比均质混合气，并采用三效催化转换器，采用斜屋顶式活塞顶部及双顶置凸轮轴，发动机压缩比达11．5，最大转速6000r／min，利用涡流和滚流进行燃油-空气的混合，因燃油在缸内蒸发吸收一局部空气热量，使温度下降，充量系数提高。这种燃烧系统的主要特点是：1)由于直接喷射，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，由于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)由于压缩比的提高，局部负荷燃油消耗率降低5%；由于防止了燃油在进气管道或近气门处的附着，怠速时燃油消耗率降低12%。4)假设燃用稀混合气，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。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。3、三菱缸内直喷分层充量燃烧系统此燃烧系统在部分负荷时燃用分层混合气，全负荷时燃用均质混合气。采用电磁式低压旋流喷油器，喷射压力5MPa以实现合理的燃油雾化、贯穿以及油束扩散。在高负荷时，燃油在进气行程的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。三菱缸内直喷充量分层燃烧系统是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象在局部负荷时，燃油在压缩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方向运动，在缸内滚流的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。第四节压燃式内燃机的燃烧一、着火与燃烧过程二、放热规律三、燃烧噪声四、柴油机的冷启动性能

一、着火与燃烧过程自压缩过程的末期燃料喷入气缸，直到排气门开启，燃烧产物自气缸中排出的整个燃烧、膨胀时期，燃料在气缸内经历着极为复杂的物理化学变化过程(它们常常是交织在一起向时进行的)。由于柴油机燃烧过程时间的短暂和情况的复杂，虽然经历了将近一个世纪的研究，但至今仍不能对其中许多细节问题给出明确的答复。图5—36表示出柴油机燃烧过程中所进行的物理化学变化的大致情况。主要内容〔一〕着火现象〔二〕燃烧阶段的划分〔三〕滞燃期燃料喷入燃烧室后，分散成许多细小油滴，这些细小油滴经过加热、蒸发、扩散与窜气的混合等物理准备及分解、氧化等化学准备阶段后，即自行着火燃烧。我们先从试验中了解单一油滴的着火情况。

(一)着火现象图5—37是一个油滴置于静止热空气中的着火情况。空气的温度为T0

，油滴受空气加热本身温度升高，同时表面开始蒸发，并向四周扩散，与空气混合。经历一段时间，油粒变小，在油粒外形成一层燃料与空气的混合气，接近油粒外表的混合气燃空比较高，由于蒸发需要吸收汽化潜热，所以这里的温度T较低。随着离开油粒外表的距离增加，混合气的燃空比降低，温度升高，图5—37中的曲线分别表示燃空比和温度的变化情况。试验说明，发火地点不在燃空比较高的油粒外表附近，也不在远离油粒外表的稀混合气的地方，而是在离开油粒外表一定距离、混合气燃空比适当而温度足够高的地方，这里的反响速度w较高.温度浓度着火必须具备两个条件1)在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与空气的比例要在一定的范围内，这个范围称作着火范围(或着火界限)。着火界限可用混合气的浓度表示(也可用局部地区的过量空气系数表示)。由于混合气过浓，氧分子少，混合气过稀，那么燃料分子少，这两种情况的氧化反响速度都不够，因此混合气过浓或过稀均超出着火界限，不能着火。着火界限不是—成不变的，随着温度的升高，分子运动速度增加，反响速度加快，将使着火界限扩大。

2)可燃混合气必须加热到某一临界温度。低于这一温度，燃料就不能着火，我们把燃料不用外部点燃而能自己着火的最低温度称为着火温度或自燃温度。对于不同的燃料，其自燃性能是不同的。着火温度在一定程度上反映燃料的自燃性能，但并不是燃料本身所固有的物理常数。它与介质压力、加热条件及测试方法等因素有关。例如，当压力升高时，着火温度减小(图5—38)。

在实际的柴油机中，燃料着火比上述情况要复杂。因为燃料喷入气缸后分散成大小不同的一群油粒，油粒与空气有相对运动，而气缸内各点温度也有所差异。虽然每个油粒都要经历蒸发、混合及氧化等物理化学的淮备阶段，但准备的时间有长有短，而且相邻油粒形成的混合气区域会相互干扰、互相渗透。油束着火情况如图5—39所示，在油束外围直径很小的油粒，很短时间就蒸发完毕，这时虽然可以形成有适当浓度的混合气区域，但温度不够或化学准备缺乏还来不及使其着火，再经历一段时间，又出于扩散作用使混合气变稀，也难于着火。首先着火的地方不在最小油粒的地方，而油束核心局部浓度过高也不会首先着火，首先着火的地点是在油束核心与外围之间混合气浓度和温度适当的地方。由于在气缸内形成适宜浓度的混合气及温度条件相同的地方不止一个，因此首先着火的火核，—般也不止个，而是几处同时着火，而且柴油机各个循环中喷油情况与温度状况不可能完全相同，从而使各个循环的火核形成地点也不一定相同。火核形成后开始火焰传播，在火焰传播过程中如果遇不到合适的可燃混合气如混合气过浓或过稀，火焰传播将中断。同时，由于其他油粒混合气形成与准备的完成，又有新的火焰核心和火焰前锋形成。

(二)燃烧阶段的划分柴油机的燃烧过程，可以从不同的角度用各种方法进行研究，如高速摄影、光谱分析、采样分析等，但最简便、应用最多的方法是从展开的示功图上分析燃烧过程。因为燃料燃烧后，气缸中压力和温度不断升高，它们是反映燃烧进行情况的重要参数。典型的示功图如图5—40所示，曲线ABCDE表示气缸中进行正常燃烧的压力曲线，ABF表示气缸内不进行燃烧时的纯压缩膨胀曲线，图中还画出了喷油嘴针阀的升程曲线。根据燃烧过程进行的实际特征，一般把燃烧过程划分为四个阶段。着火延迟阶段急燃期缓燃期后燃期第I阶段为着火延迟阶段(AB段)。在压缩过程中，气缸中空气压力和温度不断升高，燃料的着火温度因压力升高而不断下降。在上止点前A点喷油嘴针阀开启，向气缸喷入燃料，这时气缸中空气温度高达600℃，远远高于燃料在当时压力下的自燃温度，但燃料并不是马上着火，而是稍有落后，即到B点才开始着火燃烧，压力才开始急剧升高，B点相当于气体压力曲线与纯压缩曲线分离的地方。从喷油开始(A点)到压力开始急剧升高时(B点)为止，这一段时间称为滞燃期。在滞燃期内，喷入气缸的燃料经历一系列物理化学的变化过程，包括燃料的雾化、加热、蒸发、扩散与空气混合等物理准备阶段以及着火前的化学准备阶段。滞燃期以τi或φi表示，可以从示功图上直接测定。第II阶段为压力急剧上升的见段，称为急燃期。在这一阶段中，由于在滞燃期内喷入气缸的燃料几乎一起燃烧，而且是在活塞靠近上止点、气缸容积较小的情况下燃烧，因此气缸中压力升高特别快。一般用平均压力升高比来表示压力升高的急剧程度。即压力升高速度决定了柴油机运转的平稳性，如果压力升高速度太大，则柴油机工作粗暴，运动零件受到很大的冲击负荷，发动机寿命就要减少。为了保证柴油机运转的平稳性，平均压力升高比不宜超过0.4MPa／[()(CA)]。第III阶段从压力急剧升高的终点(C点)到压力开始急剧下降的D点为止，称为缓燃期。这一阶段的燃烧是在气缸容积不断增加的情况下进行的，所以燃烧必须很快才能使气缸压力稍有上升或几乎保持不变。有些发动机在缓燃期内燃料仍在继续喷射，如果所喷入的燃料是处在高温废气区域，那么燃料得不到氧气，容易裂解而形成碳烟；如果燃料喷到有氧气的地方，那么此时由于气缸中温度很高，化学反响很快，滞燃期很短，喷人燃料很快着火燃烧，但这时如果氧气渗透不充分，过浓的混合气也容易裂解形成碳烟。因此，在缓燃期内如果加强空气运动，加速混合气形成，对保证在上止点附近迅速而完全燃烧有重要作用。第III阶段结束时，燃气温度可高达1700~2000℃。第IV阶段从缓燃期的终点(D点)到燃料根本上完全燃烧时(E点)为止，称为后燃期。在柴油机中，由于燃烧瞬间短促，燃料和空气的混合又不均匀，总有一些燃料不能及时烧完，拖到膨胀线上继续燃烧，特别是在高速、高负荷时，由于过量空气少，后燃现象比较严重，有时甚至一直继续到排气过程之中。在后燃期，因活塞正处在下行运动，燃料在较低的膨胀比下放热，所放出的热量不能有效利用，并增加了散往冷却水的热损失，使柴油机经济性下降。此外，后燃增加活塞组的热负荷以及使排气温度增高，所以应尽量减少过后燃烧。根据燃料和空气混合气形成的特点，柴油机燃烧过程又可分成以下两个阶段：预混燃烧阶段和扩散燃烧阶段。在预混燃烧阶段，放热速率较快，其大小取决于滞燃期中燃油与空气的混合数量；在扩散燃烧阶段，放热速率一般比预混燃烧慢。主要是因为这时燃烧放热速率由空气和燃料形成可燃混合气的速率控制。

(三)滞燃期从上面对燃烧过程的进展情况分析中已经看出滞燃期是燃烧过程的一个重要参数，滞燃期虽然很短，但对燃烧过程有极大影响，特别是在空间混合气形成的燃烧系统中影响更大。滞燃期越长，那么在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就越多，在着火前形成的可燃混合气就越多。这些燃料在第II阶段中几乎一起燃烧，使压力升高比和最高燃烧压力较高，运动零件受到强烈的冲击负荷，发动机运转粗暴，影响发动机的使用寿命。如果滞燃期过长，在滞燃期内已喷入全部燃料，那么随后的燃烧就难以控制，柴油机在高转速时有可能产生这种情况。图5—4l是各种非增压直喷高速柴油机的最高燃烧压力和最大压力升高比与滞燃期的关系。由图可知，最高燃烧压力和最大压力升高比随滞燃期的增加而增加，因此为了能控制燃烧过程，降低柴油机的机械负荷并使之运转平稳，应该设法缩短滞燃期，但是，假设滞燃期极短，又对混合气形成不利，反过来又使柴油机性能恶化。影响滞燃期的因素很多，在正常运转情况下，压缩温度和压力是影响滞燃期的主要因素。此外，喷油提前角、转速以及燃料性质等对滞燃期也有较大影响。压缩温度和压力对滞燃期影响的试验结果如图5—42所示，纵坐标为滞燃期的对数，横坐标是压缩温度。随着压缩温度和压力提高，滞燃期减小。从图5—42还可以看出燃料性质对滞燃期的影响，十六烷值为50~55的柴油与着火性好的燃料(十六烷值为70)，在较高的压缩温度和压力的情况下，它们的滞燃期差异较小，随着压缩温度下降，差异增大。十六烷值高的燃料滞燃期较小，而汽油(其十六烷值为15)的着火性能较差，所以滞燃期大得多。由于压缩温度和压力随曲轴转角而变化，所以喷油定时对滞燃期的影响通过压缩温度和压力而起作用。如果喷油早，即燃料进入气缸时的空气温度和压力较低，使滞燃期长；如果喷油迟，虽然初始温度和压力升高，但作用的时间缩短，可能着火前活塞已开始下行，使空气温度和压力降低，也使滞燃期增加。因此，存在一个使滞燃期最短的喷油提前角。试验发发现，对应于最短滞燃期的喷泊提前角，在高转速时位于上止点前10°~15°(CA)之间(图5—43)，而在怠速的情况下为上止点前5°~10°(CA)。为了保证有较好的功率和经济指标，一般希望在上止点前5°~10°(CA)开始着火燃烧，以保证燃烧在上止点附近完成。因此，获得较好功率和经济指标的最正确喷油提前角与对应于最短滞燃期的喷油提前角并不一致，通常最正确喷油提前角是根据功率和经济性能来调整的，它要大于滞燃期最短的喷油提前角。转速对滞燃期的影响是通过压缩压力、温度、喷油压力以及空气扰动等因素起作用。转速升高时，由于通过活塞环的漏气损失及散热损失减小，使压缩温度、压力增高；转速升高会使喷油压力有所提高，使燃油雾化得到改善，促使着火准备过程加快；转速升高使燃烧室中的空气扰动加速，促使燃料蒸发，不过在正常运转条件下，空气扰动对滞燃期只有次要的影响。转速升高时，上述这些因素都提高混合气形成的速度，使滞燃期减小。如图5—44所示，随着转速增加，滞燃期τi(以s计)缩短；如以曲轴转角计，那么滞燃期φ=6nτi，视τi减小的程度可能随转速升高而增加，也可能随转速的升高而减小。

柴油机增压后，进人气缸的空气充量密度增加，而且随进气压力和温度的提高使压缩终了的压力和温度升高，这都直接影响燃料着火燃烧的条件。图5—45是增压压力对滞燃期的影响。由图可见，随着增压压力提高，滞燃期显著缩短。当增压比为2时，不使用中冷器进气温度约为100℃，但高增压一般采用中间冷却，将进气温度冷却到40~60℃。在这个温度范围内，进气温度变化对缩短滞燃期的影响较小(图5—46)。一般来说，增压后使滞燃期缩短，减缓初期燃烧速度，使压力升高比有所降低，但燃烧持续时间要拉长一些。例如135柴油机，增压压力从0.162MPa增加到0.225MPa时，由于滞燃期缩短，使压力升高比由0.332MPa／[(°)(CA)]下降到0.216MPa／[(°)(CA)]。

发动机起动时，由于转速及气缸中压力、温度较低，混合气形成的情况对滞燃期就有较大的影响，因此空气运动、喷嘴结构、燃烧室壁温等因素在起动条件下就转化为影响滞燃期的重要因素了。在柴油机中，燃料燃烧放出的热量一局部传给工质(气缸中的气体)，使工质的内能增加并对外做功，一局部传到燃烧室壁上，根据热力学第一定律，有:式中，QB为燃料燃烧放出的热量；Q为工质吸收的热量；QW为传给气缸壁面的热量；△U为工质内能的变化；W为工质对活塞所作的机械功。二、放热规律(5-29)QB，Q和QW均随曲轴转角φ变化，将式(5-29)对曲轴转角φ微分，得式中，dQB/dφ为燃料燃烧的瞬时燃烧率(或称放热率)，dQB/dφ亦随φ而变，通常将

dQB/dφ随曲轴转角的变化关系称为燃烧规律、放热规律或放热率曲线；dQ/dφ为对工质的瞬时加热速率(简称加热率)，将dQ/dφ随曲轴转角的变化关系称为加热规律；dQw/dφ为工质对燃烧室壁面的传热速率(简称传热率)，将dQw/dφ随曲轴转角的变化关系称为传热规律；m为工质的质量；u为工质的比内能，P为气缸中的气体压力；V为气缸容积。(5-30)有了一张实测的示功图，也就是知道了气缸压力随曲轴转角的变化关系：由状态方程式计算缸内气体温度T,由T和工质成分再应用有关公式计算出工质的比内能，这样就可直接应用式(5—30)计算燃烧放热率。至于放热率数值计算的细节，例如对工质质量的处理及比内能的计算公式等，可参阅有关参考书。图5—47是根据实测示功图进行数值计算而得到的燃烧放热规律，图中瞬时累积放热是用百分比x画出的，x=QB/QB0，QB0为每循环燃料燃烧的放热量。从理论上讲，燃烧前，QB=0，x=0；燃烧结束时，QB=QB0，x=1。如果x的计算结果不符合这一条件，那意味着某些计算和测量误差较大。对放热率计算精度影响最大的因素有：压力测量精度，上止点位置精度，压缩比测量精度，燃油质量流量和空气质量流量测量精度以及所采用的示功图曲线的光顺方法等。由于传热局部所占的比例很小，所以也可用加热规律分析燃烧过程的进展情况。由式(5-30)知〔5-31〕在燃烧期间，工质质量m变化很小，假定m不变，并忽略工质成分比照内能的影响即工质的比内能仅是温度的函数，那么（5-32）应用理想气体的状态方程，及和等关系式，代入式(5-30)就可导出气缸压力的变化率为（5-33）以及气缸压力对曲轴转角的二阶导数（5-34）式中，为比热比；为比定压热容；为比定容热容。由式(5-33)、式(5-34)可知，当发动机结构参数确定后，气缸压力变化特性主要由燃烧规律(或加热规律)所决定。从而燃烧放热规律强烈影响平均有效压力、燃油消耗率、最高燃烧压力、燃烧噪声等性能指标。实际柴油机的放热规律是很复杂的，为了便于分析，假定四个简单的放热规律进行分析计算，计算结果如图5—48所示。四种放热规律都是在上止点开始放热，而在上止点后40°(CA)结束，即燃烧持续时间为40°(CA)。图中曲线a初期放热多，压力迅速上升，最高燃烧压力为8MPa，此时热效率为52.9%；曲线d初期放热少，由于是在容积不断增大的情况下放热，放热使气体压力升高小于膨胀使气体压力下降，所以压力反而下降，此时热效率最小，为45.4%；曲线b、c则介于两者之间。如果放热规律相同，而放热开始的时刻或放热持续时间不同，也可进行分析计算。计算表明，它们对工作过程的参数也有较大影响。如果燃烧持续时间为40°(CA)，而不论放热规律如何，皆在其最有利时刻放热，则热效率差别很小，只是△p/△φ变化较大。以上分析和试验研究使人们认识到，开始放热的时刻、放热规律和放热持续时间是燃烧过程的三个主要要素，它们对性能的影响主要表现在循环热效率和最高燃烧压力两个方面；为了减少燃烧噪声及降低机械负荷，希望降低压力升高比及最高燃烧压力；而欲使柴油机有较高的热效率，希望燃料尽量在上止点附近燃烧。降低Δp/Δφ，就意味着较多的燃料不在上止点附近燃烧，其结果使燃烧拉长，柴油机热效率下降，燃油消耗率增加。因此，降低燃烧噪声(使柴油机工作平稳)与提高经济性(使柴油机经济运行)之间往往发生矛盾。如何解决这个矛盾，保证柴油机运转既平稳又经济，是组织柴油机燃烧过程所要解决的主要问题之一；比较适宜的放热规律是希望燃烧先缓后急，即开始放热要适中，压力升高比不超过0.4MPa／[(°)(CA)]，以满足运转柔和的要求；随后燃烧要加快，使燃料尽量接近上止点附近燃烧，一般燃烧持续时间不应超过上止点后40°(CA)，以满足经济运转的要求。这个原那么说起来是容易的，而定量解决却有许多困难。例如，适宜的放热规律要求适宜的喷油规律与之配合，即喷油也要先少后多，这在高速柴油机中用喷油规律来控制燃烧规律是难以做到的。不过放热开始时刻和放热持续时间可由喷油时刻和喷油持续时间在一定程度上予以控制。燃烧噪声的形成：柴油机在滞燃期内喷入气缸的燃料，其滞燃期不一样，先喷入的燃料滞燃期较长，随后喷入的燃料滞燃期较短(因气缸中空气压力、温度不断升高)，因此往往是多处着火，一旦着火，就有较多的燃料参加燃烧，燃烧是冲击性的，使燃烧初期的压力急剧升高。急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活塞曲轴零件产生强烈振动，并通过气缸壁面传至外部，从而形成燃烧噪声。三、燃烧噪声

燃烧噪声与压力升高比有密切的关系，如果压力升高比过大，那么产生强烈的震音，我们称这种现象为柴油机的工作粗暴(或敲缸)。一般当压力升高比在0.5MPa／[(°)(CA)]以上，就明显感到有强烈的震音。为了保证柴油机稳静运转，希望压力升高比控制在0.4MPa／[(°)(CA)]以下。此外，压力升高比过大，使柴油机运动零件受到强烈的冲击负荷，从而降低使用寿命。图5—49给出了发动机噪声实测值的例子。由图可知，对中等排量(5L)的涡流式车用柴油机，燃烧噪声所占的比例显著地表现在低速范围，在高速范围主要是机械噪声的影响，但对较大排量(13.5L)的直喷式柴油机，燃烧噪声在整个转速范围内的影响都是很大的。降低燃烧噪声的根本措施是适当降低压力升高比，而压力升高比取决于滞燃期和在滞燃期内形成的可燃混合气数量，因此降低燃烧噪声的主要途径有下述三个。1、缩短滞燃期2、减小滞燃期内的喷油量

3、减少滞燃期内形成的可燃混合气数量降低燃烧噪声的措施1、缩短滞燃期如选用十六烷值高的燃料，在燃烧室内造成着炽热区等。图5-50是在相同喷油提前角下燃烧不同燃料的展开示功图。由图可见，十六烷值高的燃料，压力升高平缓，最高燃烧压力也低。2、减小滞燃期内的喷油量使初期燃烧的油量减少，从而使压力升高比和最高压力减小。欲减小初期喷油量，就要求初期喷油速率小，但整个喷油持续时间又不得拉长，否那么影响经济性。在大型低速柴油机上，可以用双凸起的油泵凸轮，使初期喷油量减少，对运行稳定性有一定的改进。此外，还可采用引导喷射(PilotInjection)，又称二级喷射，即在压缩行程后期，在主喷射之前先喷入一定燃油量，用这种方法来到达喷油量先少后多并可缩短主喷射期燃油的着火延迟，降低燃烧噪声。3、减少滞燃期内形成的可燃混合气数量将燃料大局部喷到燃烧室壁上，只有很小局部分散在热空气中形成少量可燃混合气首先着火，保证初期放热较小，这就是油膜混合气形成所采用的方法。柴油机的怠速敲缸柴油机冷起动或怠速时，气缸中温度较低，燃料滞燃期较长，因此时润滑油粘度较高，柴油机的摩擦损失较大，尽管无负荷，每循环的喷油量仍相当大，因此压力升高比也较大，产生较强的震音。这种噪声是在低速运转的特殊条件下产生的，一般称怠速敲缸。随着转速升高及带负荷运行，柴油机热状态正常，怠速噪声即自行消失。

四、柴油机的冷起动性能冷起动的难易也是柴油机的一个重要性能指标，对大多数使用者来说，甚至可能是最重要的性能指标。对一般柴油机而言，不加特殊的冷起动措施(例如加装电热塞、起动液、进气空气预热等)，大致均可在10~-5℃的环境下顺利起动柴油机低温启动困难的原因1)气缸内压缩始点温度下降、气缸壁传热增大以及由于起动转速低而引起漏气量增加，从而使压缩终点温度、压力下降。2)低温时燃料粘性增大、起动转速低，使燃料的蒸发和雾化均恶化的形成。3)润滑油粘度增加，蓄电池性能下降等。实践证明，要使柴油机顺利起动，必须满足以下条件：1)压缩温度必须足够高，即。为在气缸内某种燃料有可能开始着火的最低临界温度；为燃料的自燃温度。2)必须形成易于着火的混合气。燃料本身的蒸发性对起动时可燃混合气的形成起看决定性的作用。试验说明，在低温起动时，由于燃料雾化情况极差，柴油在燃烧室壁上形成油膜，而靠油膜外表的蒸发形成混合气，因此，假设把起动转速定得很低，那么，低，但蒸发时间增长；相反，假设把起动转速定得太高，虽然高了，但蒸发时间缩短了。因此，对任一柴油机均有一最正确的最低起动转速存在，此时起动功率消耗最少，又能保证顺利起动：对图5-53的直喷式高速柴油机，要在-10~-20℃的环境下顺利起动，相应的起动转速大约在175~200r／min之间；对于缸径较小的Vh=1-2L的柴油机，相应的起动转速要提高到200~300r／min左右。同样，增加每循环供油量，从而使燃料蒸发的数量增加，也会改善起动性能，图上曲线1表示全供油量的情况，曲线2表示增大每循环供油量的情况。由于低温起动时首先着火的燃料主要是柴油中的轻馏分局部，再加上，pc、Tc均低，因此滞燃期很长，使起动时的最高爆发压力和压力升高比要比全负荷时的值还高(图5-54)。第五节压燃式内燃机的燃烧室混合气形成和燃烧与燃烧室有密切关系，如果燃烧室设计不好，那么燃油系统、进气系统也难以与其配合得到良好的性能指标。在改进燃烧系统时，也往往从燃烧室的形状、尺寸着手。根据混合气形成和燃烧室结构特点，压燃式内燃机的燃烧室根本上分为两大类：直接喷射式燃烧室和分隔式燃烧室。燃烧室分类对于直接喷射式柴油机，按燃烧室形状、气流运动和燃油喷射方式又可组成各种燃烧系统；按燃烧室深浅不同，直喷式燃烧室又可分为浅盆形和深坑形两类；按气流运动那么又可分为无涡流直喷式和有涡流直喷式两种。一般来说，气缸直径越大，燃烧室就越浅。浅盆形燃烧室不组织进气涡流或利用弱进气涡流，而深坑形燃烧室一般都组织进气涡流。分隔式燃烧室常用的有：涡流室和预燃室。一、浅盆形燃烧室(一)混合气形成特点(二)燃烧的有效组织整个燃烧室是由气缸盖底平面、活塞顶面及气缸壁所形成的统一容积，如图5-55所示。图5-55a为大型二冲程柴油机用的燃烧室，因为二冲程柴油机的气缸盖上无气门，所以在缸盖底面可形成凹坑；图5-55b、c为中型四冲程柴油机的燃烧室。燃油直接喷人气缸，混合气形成是空间混合。

(一)混合气形成特点浅盆形燃烧室混合气形成特点1)混合气形成主要靠燃油的喷散雾化，对喷雾质量要求高，为此采用多孔喷嘴，孔数较多，为6~12个；喷孔直径很小，在0.2~0.4mm之间；针阀开启压力较高，为20~40MPa，最高喷油压力甚至高达100MPa以上。浅盆形燃烧室混合气形成特点2)要求油束与燃烧室形状相配合，燃料要尽可能地分布到整个燃烧室空间。四冲程柴油机般是在活塞顶上做成浅的形状或浅盆形与油束配合，并防止油束直接接触气缸壁，因为气缸壁温度较低，燃油喷到气缸壁上不但不能迅速蒸发燃烧，而且燃油可能沿缸壁流入曲轴箱，稀释润滑油并使它变质。浅盆形燃烧室混合气形成特点3)燃浇室中一般不组织空气涡流运动，依靠油束的扩展促使燃油与空气混合如图5-56所示。浅盆形燃烧室混合气形成特点4)燃烧室根本上是一个空间，形状简单，结构紧凑，相对散热面积小(为燃烧室外表积，为燃烧室容积)，传热损失小；又由于燃烧室中不组织气流运动，无节流损失，因此浅盆形燃烧室的最大优点是经济性好，容易起动。浅盆形燃烧室混合气形成特点5)由于是均匀的空间混合，在滞燃期内形成的可燃混合气较多，因此最高燃烧压力及压力升高比较高，工作粗暴；而且燃烧直接在活塞顶上进行，使运动零件直接承受较大的机械负荷，燃烧室温度高也容易冒烟和产生较多的NOx。浅盆形燃烧室混合气形成特点6)对转速和燃料较敏感，因为喷雾质量随转速而变，转速降低，燃油雾化质量变差，而燃料品质改变也会影响混合气形成和燃烧，如燃油粘度大，那么燃料雾化不好，使滞燃期增加，dp/dφ增大。浅盆形燃烧室混合气形成特点7)过量空气系数较大，一般1.6~2.2。这是因为混合气形成主要靠喷雾质量，为了保证燃烧，需要用较大的过量空气系数；此外，大型发动机一般都采用增压，缸径大加之增压，使每循环供油量较大，而相对散热面积Fk/Vk又较小，因此燃烧室热负荷较高。为了减轻热负荷，也需要过量空气系数用得较大一些。浅盆形燃烧室混合气形成特点由上可见，大型柴油机应用浅盆形燃烧室，燃烧本身的问题不大，并且随着缸径的增大和增压比的提高，烟度、dp/dφ、pz/pme和NOx均相对减小，优点能充分发挥出来，而缺点并不突出，因而对这类柴油机主要解决热负荷、机械负荷、燃油系统及高增压问题。

(二)燃烧的有效组织由于浅盆形燃烧室一般不组织气流运动，因而工作过程组织的关键是燃油喷射和燃烧室形状之间求得合理的配合。影响浅盆形燃烧室性能的主要因素是：供油规律、供油持续角、油束雾化质量、油束的数目和射程、喷雾锥角、燃烧室形状、压缩比、供油提前角、配气相位等，而在单缸试验机上进行调试时，一般采用改变油泵柱塞直径、油泵凸轮型线、喷孔的有效总面积(孔数、孔径)、喷孔长度和孔径比、夹角、喷油器弹簧预紧力等来影响喷雾质量、喷雾锥角和油束射程。

(二)燃烧的有效组织1、燃烧室的结构尺寸2、供油系统3、空气涡流1、燃烧室的结构尺寸2、供油系统(1)柱塞直径和柱塞平均速度(2)喷孔的直径、数目和喷射角度(1)柱塞直径和柱塞平均速度随着发动机每循环供油量的增加，为了不使全负荷时供油持续期过分增加(一船希望供油持续角小于40)，一般采用大柱塞直径，提高凸轮供油段的平均速度以及相应增大喷孔总有效面积的方法来改善全负荷性能，但是这些措施对低负荷或空车性能是不利的，因为这时供油系统每循环供油的均匀性和工作稳定性较差，因而在选用供油系统参数时必须兼顾两种要求。(2)喷孔的直径、数目和喷射角度

喷口数目及孔径对燃油在燃烧室中的分市有很大的影响。为了使燃料能喷到足够远的地方，油束要有一定的射程。在喷孔总面积不变的情况下，喷口数目减少，油束射程增加，但雾化不好，油滴平均直径较大，油滴间的空气利用率不好，性能不良；如果喷孔数目多，喷雾变细，同时着火燃烧的燃油增多，使压力迅速升高，工作粗暴，所以从改善燃油雾化和分布情况来提高经济性，一般会带来工作组暴的后果。3、空气涡流在中、小功率柴油机上，空气涡流对混合气形成和燃烧有很大的作用；在大型柴油机上，一般认为：采用D＞200mm、n＜500~1000r/min的涡盆形燃烧室时，以不组织涡流为宜，其原因是组织进气涡流将使充量系数下降，散热损失增加，反而使性能变坏，但近年来，缸径D＝200~280mm、n＝900~1500r／min的大功率中、高速浅盆形燃烧室的柴油机上也开始应用弱涡流或中等强度涡流。实践证明，仔细地进行进气系统多种方案的试验比较，有可能形成既具有高的流通能力，又具有中等强度涡流的进气道，再配上适宜的供油系统(油束射程增大)，可对柴油机的性能有较大的改进。

二、深坑形燃烧室(一)混合气的形成特点(二)燃烧室设计要点(一)混合气的形成特点浅盆形燃烧室虽然有经济性好、易于起动的优点，但在小型高速柴油机上应用就会碰到许多问题。因为小型高速柴油机转速高(有的高达4000r／min)，混合气形成和燃烧的时间极短，每循环供油量又很小，单靠雾化混合，那么必须将喷孔直径做得很小，喷油压力很高，使燃油系统制造困难。由于转速高，为了获得较好的性能指标，就要求在较小的过量空气系数时有较好的燃烧过程。显然浅盆形燃烧室达不到这一要求，于是出现了有涡流的深坑形燃烧室。

如下图，将活塞顶上的凹坑加深，凹坑口径缩小，这样燃烧室根本上分成两个空间：活塞中的燃烧室容积及活塞顶上的余隙容积，采用4~6孔的多孔喷油器，喷孔的直径较大(0.35mm左右)。混合气形成一方面利用一定的喷雾质量，一方面组织进气涡流及形成挤流促进混合气形成和燃烧。深坑形燃烧室对燃油系统的要求较低。由于利用进气涡流加强混合气的形成，使空气利用率大大提高，一般过量空气系数为1.3~1.5，并保持燃油消耗率低和起动容易的优点，所以在小型高速柴油机上获得广泛应用。(二)燃烧室设计要点1、燃烧室形状2、燃烧室尺寸3、燃烧室的布置4、燃烧室、油束和涡流强度的配合5、喷油嘴伸出气缸盖的距离6、提高喷油率，缩短喷油持续期7、提高喷油压力8、利用湍流1、燃烧室形状深坑形燃烧室的形状很多，但应用最多的是ω形燃烧室，其中又有各种变型，如图5-61a、b所示。燃烧室底部中心有一个凸起，目的是想帮助形成挤流，并使燃烧室形状与油束配合，将空气集中在油束附近，以便更好地利用燃烧室中的空气有的燃烧室做成平底(如图5-61c)，以便于加工。图5—61d为椭圆形燃烧室，主要用于小缸径的农用柴油机上，其喉口直径较小以加强挤流作用，混合气形成主要靠挤流，可以使用单孔轴针式喷油嘴。2、燃烧室尺寸燃烧室主要结构尺寸是喉口直径dk及深度h。dk与h根本上决定了燃烧室的容积Vk。对性能影响较大的结构参数是相对容积比Vk/Vc(Vc为压缩室容积)及喉口直径与气缸直径之比dk/DVk/Vc要尽可能大,一般Vk/Vc=0.75~0.85dk/D要适宜，要与油束射程配合。一般dk/D＝0.4~0.6，dk/h＝1.5~3.5。3、燃烧室的布置四冲程柴油机的深坑形燃烧室总是布置在活塞上，这样燃烧室外表不与冷却水直接接触，可以减少散热损失。对于四气门发动机，燃烧室布置与喷油嘴及气缸在同—轴线上，这样对称布置使热流、气流都较均匀，油束贯穿度与喷孔到燃烧室壁面之间的距离易于优化匹配，有利于提高发动机性能与降低排放。对于二气门发动机、由于进、排气门的布置，往往不得不将燃烧室、喷油嘴及气缸三者的中心线相互错开。4、燃烧室、油束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，影响燃料的空间分布和壁面分布的比例及油束的落点位置，从而影响混合气形成和燃烧过程。当燃燃烧室口径较小，油束射程较大(喷油压力高、喷孔数目少及喷孔直径大等，都可使油束射程增加)而进气涡流较弱时，就有相当多的燃油直接喷到燃烧室壁上。如果进气涡流较强，或者燃烧室口径较大，油束射程较小，那么喷到壁面上的燃油减少，甚至油束达不到壁面，这时空间分布的燃料增多。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，油束仍有足够的射程。使燃油冲击壁面，并能反弹出来，造成燃油的再分布，以此促进混合和燃烧。油束与燃烧室壁的碰撞程度可用所谓的穿透率ζ表示，即ζ=L/L’式中，L为计算着火时刻的油束射程；L’为喷油嘴喷孔至燃烧室壁面的直线距离。为了增加油束射程，可将喷孔直径加大，喷孔数目减少。深坑形燃烧室一般采用4~6个喷孔，其中采用4孔喷油嘴最多，喷射角度在140~160之间。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，油束间的空气仍能充分利用。图5-64是稳流试验所得的平均涡流强度对性能的影响。图中1%、2%的损失是因涡流缺乏或涡流过强而使燃油消耗率增高的百分数。如果涡流过弱，混合气形成和燃烧不好，性能下降；如果涡流过强，一方面增加热损失，另一方面使相邻油束之间发生干扰，即从涡流上游方向吹来的燃烧产物会阻碍位于下游的油束充分燃烧，也要使性能下降，因此对于每一工况有一最正确涡流强度。最正确涡流强度随发动机转速升高而降低。对于车用发动机，转速变化范围较大，涡流强度的选择也要顾及局部工况的性能。根据经验，对于铸造的进气道，最正确拆衷的平均涡流比在2.5~3.5之间。5、喷油嘴伸出气缸盖的距离喷油嘴伸出气缸盖底平面的距离h(图5-65)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。喷油嘴伸出距离h过小，那么燃油喷在燃烧室上方，油束可能落在活塞顶面上；h过大，那么油束落在燃烧室底部，并且喷油嘴在喉口处受炽热燃气的冲刷，热负荷较高，容易烧坏卡死。5、喷油嘴伸出气缸盖的距离对于某一燃烧室，在一定的气流强度下，有一个适宜的伸出高度，伸出高度可由垫片厚度来调整。通常喷油嘴伸出距离以3mm左右为最正确，图5-66是135柴油机的试验结果。6、提高喷油率，缩短喷油持续期喷油率一般以单位气缸工作容积每度曲轴转角的供油量表示，喷油率应与穿透率以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，采用提高喷油率缩短喷油持续时间，可以增强混合气形成速率。为此，全负荷时喷油持续期不应大于25，一般取为15~20，将燃烧持续期控制在40内。如果穿透率过大，油束个的液体燃料与燃烧室壁相碰，一局部燃油滞留在燃烧室壁上，此时假设增加喷油率，只是增加油膜厚度而己。在这种情况下，只有适当加大涡流比，才能有效地增加混合气形成速率。一般可采用增大柱塞直径，改变油泵凸轮廓线形状或合理选择凸轮外表工作段等措施来提高喷油率。7、提高喷油压力在中等缸径(D＝120~160mm)的高速车用柴油机上，除了大量采用上述强涡流中等喷射压力的深坑形燃烧室外，还有采用无涡流高压喷射浅盆形燃烧室的，两者均表现出各自的优缺点。柴油机的燃烧情况主要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的动能。提高喷油压力使燃油流速增加，从而得到较高的燃油与空气之间的相对速度，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，所以近年来在中、小型高速直喷式柴油机上也有提高喷油压力的趋势，最高喷油压力已达140~150MPa左右。由于最高喷油压力的出现是瞬时的，因此应用平均有效喷油压力(即在喷油持续期内，通过喷孔的平均压降)来判断格更为合理。试验证明，随着平均有效喷油压力的提高，燃油消耗率和烟度下降，但燃烧噪声由于压力升高比的增加而有所提高。8、利用湍流关于湍流对柴油机燃烧的影响，目前存在着不同的观点，有人认为湍流对燃烧有很大的影响，主张研究湍流气道；有人那么认为湍流对柴油机燃烧影响不大，进气过程中形成的湍流无法保持到压缩行程的末期。下面介绍小松105系列柴油机MTCC燃烧室(MicroTurbulenceCombustionChamber)，它是一种湍流燃烧室。图5-67a是其结构示意图，凹坑的上部为四角形，下部为圆形，上下部连接处经切削加工，过渡圆滑。设计的主要目的是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，使预混合燃烧阶段的放热尖峰减小，NOx下降，使燃油消耗率和NOx的矛盾得到解决。图5-67b是燃烧室内空气运动的示意图，进气涡流在燃烧室上部和下部产生大涡流A和C，在四角局部产生小涡流，小涡流的旋转方向与大涡流相反，因而在交界处存在速度差，这就是湍流源，而且大那么大涡流强度大，小涡流强度小，尖角处的涡流极不稳定，形成以后很快被主流带走，在主流中成为扰动核心。在燃烧室的纵剖面上，四角形凹坑和圆形凹坑的交界面上，一方面燃烧室底部的气流旋转速度高(原因是先进入气缸的空气流速最大，在压缩过程中来不及均匀混合，使燃烧室上、下部存在速度差)；另一方面，燃烧室上部气流旋转受到四角形的阻碍，使旋转速度下降，因而在交界面上也存在着气流速度差，这又是一个湍流源。燃油油束对着交界面喷射，它最先通过低速大涡流区，然后通过湍流区，最后到达下部高速大涡流区。由于油束直接喷向交界面，所以通过湍流区的时间最长、油气混合最好，加上这种燃烧室内到处存在涡流，空气运动充分，能保证获得较高的燃烧效率。与常规深坑形燃烧室相比，燃油消耗率下降，烟度下降，在低速时性能的改善尤为明显。三、球形油膜燃烧方式结构混合气的形成优点缺点与空间雾化混合方式的比较结构球形油膜燃烧室是在活塞上，形状为球形，如图5-68所示。球形燃烧室是属于深坑形燃烧室的一种，但其混合气主要是油膜蒸发混合形成。将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，将燃油摊布在燃烧室壁上，形成一层很薄的油膜。燃烧室壁温控制在200~350℃，使喷到壁面上的燃料在比较低的温度下蒸发，以控制燃料的裂解反响。蒸发的油气与空气混合形成均匀混合气，从油束中分散出来的一小局部燃料是极细的油雾，在炽热的空气中首先完成着火准备，形成火核，然后靠此火核点燃从壁面巳蒸发形成的可燃混合气。随着燃烧进行，大量热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，不断提供新鲜混合气，保证迅速地燃烧。混合气的形成球形燃烧室采用油膜蒸发混合最显著的效果是：发动机工作柔和，燃烧噪声小，排烟少，性能指标好。目前非增压的球形油膜燃烧室发动机平均有效压力可达0.88~0.98MPa，过量空气系数己降低到1.1，燃油消耗率可达．最高燃烧压力与平均有效压力之比＝6。此外，球形油膜燃烧室便于使用轻质燃料，从柴油机到汽油机都能平稳运转。优点1)冷起动比较困难，这是因为空间雾化燃料少，起动时燃烧室壁温低，壁面蒸发混合少，对起动不利。2)对负荷突变反响慢，主要是空气涡流跟不上。3)低负荷时冒蓝烟，HC大量增加。4)高、低速性能差异大。5)对增压适应性差，因每循环供油量增大将使油膜变厚，影响混合气形成的速率。6)在大缸径上应用困难。因为当缸径增大时，每循环供油量增多，而燃烧室的相对外表积减小，使油膜变厚，影响混合气形成速率。目前球形燃烧室应用的缸径在75~130mm范围内，主要应用在小型高速柴油机上。缺点两种混合方式的特点空间雾化混合油膜蒸发混合1大部分燃料喷射雾化，分布到空气中利用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布到壁面上2燃料在空气中是细小油滴燃料在壁面上形成油膜3细小油滴与热空气混合形成不均匀的混合气，然后小油滴的高温下蒸发（液相混合）油膜受壁面温度在较低温度下蒸发，然后燃料蒸发与空气混合，形成均匀混合气（气相混合）4在着火延迟期间形成的可燃混合气数量较多，多处着火散布在空气的少量雾化燃油局部着火5燃烧开始时的放热速度很高，以后逐渐减慢初期放热速率不高，而随着燃烧的进行，火焰辐射使蒸发增强加上热力混合作用，中、后期的燃烧速度很高四、涡流室燃烧室(一)混合气的形成(二)涡流室的设计要点(一)混合气的形成及特点1、结构要素2、混和气的形成3、涡流室柴油机的主要特点1、结构要素涡流室燃烧室的构造如图5-69所示，整个压缩容积分为两局部：一局部在气缸盖与活塞顶之间，称为主燃烧室；另一局部容积在气缸盖上，形状呈球形或圆柱形等，称为涡流室。两者之间用一个或数个通道相连，通道方向与活塞顶成一定角度并与涡流室相切。涡流室容积约占整个压缩容积的50%~80%，连接通道的面积一般为活塞面积的1.2%~3.5%。喷油嘴安装在祸流室内，燃油顺涡流方向喷射。2、混合气的形成通道在压缩过程中，气缸中的空气被活塞推挤，经过通道流入涡流室，形成强烈的有组织的旋转运动，促使喷入涡流室中的燃油分布和混合。当涡流室中着火燃烧后，其中的气体压力、温度迅速升高；在膨胀行程期间，涡流室中末燃烧的燃料、空气及燃气一起经过通道流入主燃烧室中(即形成所谓二次涡流)，与主燃烧室的空气进一步混合燃烧。涡流室柴油机主要特点混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈的压缩涡流，因此对喷雾质量要求不高，—般采用轴针式喷油嘴，喷油压力较低。由于压缩涡流随转速升高而加强，所以在转速较高时仍能保证较好的混合质量。混合气形成质量对转速变化不敏感；又由于涡流室是偏离气缸中心线布置，而喷油嘴也随涡流室偏置，使气门布置的位置充裕，进气门直径可以做得较大，即使转速较高，仍可获得较高的充量系数；因此，涡流室适用于高转速的发动机中，目前转速可高达5000r／min。因为有强烈的压缩涡流保证较好的混合质量，使涡流室发动机中的空气能较充分利用，因此过量空气系数较小，平均有效压力较高。初期燃烧在涡流室进行，因此，压力升高比较小，运转平稳。涡流室的相对散热面积较大，而且又直接与冷却水接触，使散热损失较大；在涡流室发动机中，气体经过通道流动，节流损失也较大，因此使冷起动困难，燃油消耗率较高，一般be=258~286g/(kW.h)，比直喷式柴油机通常要高出10%~15%。由于主燃烧室最高温度相对较低，因此可减少NOx排放量，此外，HC和微粒排放量均比直喷式柴油机低。(二)涡流室的设计要点1、涡流室的形状2、连接通道的位置3、涡流室的结构参数4、主燃烧室中的燃烧5、油束与空气涡流的配合6、冷起动7、涡流室镶块和壁温1、涡流室的形状涡流室形状比较统一，根本形状是球形或近似球形。一般涡流室由两局部组成，其上部是在气缸盖上，而下部是带有通道的保温镶块，涡流室的内外表和通道都可以进行机械加工，涡流室的容积也较易准确控制。通过镶块形状和尺寸的变化，可以得到各种涡流室的变形。

图5-70是三种有代表性的涡流室形状，5-70a为球形，5-70b和c的上半部是半球形，下半部为圆锥形底面和圆柱平底形，其中以圆柱平底形的镶块最简单，为一圆盘，最易加工；涡流室的形状和尺寸及连接通道的形状、尺寸和位置等，影响涡流室气流运动的形态和强度。不同形状的涡流室，所产生的压缩涡流强度不一样。如图5-71所示，球形涡流室中涡流强度最高，圆柱形平底的涡流强度最小，圆锥形平底那么介于两者之间。实践也证明，将涡流室做成平底，对涡流强度有减弱作用，使气流造成局部死区，不仅便于起动，而且能够提高性能。球形涡流室中的速度分布是由刚体旋转和势涡流两局部合成起来的。在接近涡流室中心局部，气流速度随涡流室半径的增加而增加，符合刚体旋转运动的规律；而在壁面附近，气流速度随涡流室半径的增加而减小，呈势涡流规律；在涡流室某一半径处，气流速度最高。由于连接通道和燃烧室壁的影响，涡流中心通常都偏离涡流室的几何中心。高速摄影还证明涡流室中的气流始终是—个方向旋转的，即使在膨胀过程中，涡流室中气体喷向主燃烧室时也不改变涡流室中的流旋转方向(这点与深坑形燃烧室的逆挤流情况不同)。2、连接通道的位置连接通道的截面形状一般有长圆形、豆形和弯月形等，其中以长圆形应用较多。通道形状、尺寸和位置对涡流室中的气流运动影响也很大，图5-72是通道方向对涡流强度的影响。2、连接通道的位置当通道位置与涡流室相切时，压缩涡流较强；而通道靠近涡流室中央布置时，涡流速度明显减小，但此时流出路径短，涡流室中气体容易流出。从主燃烧室的燃烧考虑，希望涡流室中的未燃燃油能尽快流出，所以通道布置靠近涡流室中心附近往往获得较好的性能。通道的倾斜角一般在30°~50°之间。当柴油机转速较高时，长圆形通道的最正确长短比为2~2.5。3、涡流室的结构参数涡流室的主要结构参数是涡流室容积Vk与压缩容积Vc之比Vk/Vc及通道截面积A与活塞面积Fp之比A/Fp，它们对压缩涡流影响很大。Vk/Vc越大或A/Fp越小，那么压缩涡流越强。最初涡流室发动机的设计思想是希望喷入涡流室的燃料能在涡流室中完全燃烧，因此Vk/Vc取得较大，一般为70%~80%，此时通道面积比也相应较大，A/Fp=2%~3.5%。Vk/Vc大，进入涡流室的空气量多，压缩涡流强度高，混合能量大，对高负荷时的燃烧有利，可以提高输出功率，但是Vk/Vc增大，流动损失和散热损失也大，使经济性变差，起动困难。对于小缸径的发动机，当压缩比较高时，由于活塞顶隙的限制，也难以加大。为了减少流动损失和散热损失，提高经济性，改善起动性能，Vk/Vc限制在50%左右。Vk/Vc减小，进入涡流室中的空气量也随之减少，这样在涡流室中不能使喷人的燃料完全燃烧，需要采取措施，加强主燃烧室中的混合和燃烧过程，