第六章--汽油机燃烧过程及混合气的形成.

高速 混合 着火 燃烧 10 2ms 高温 2000 左右 高压 柴油机高达100bar以上 复杂过程 流动 喷雾 多相流 燃烧化学 内燃机燃烧所追求的目标 高 e i 高Pme Pmi 低污染 低噪声振动 发动机 内燃机 燃烧的特点 第六章汽油机燃烧过程及混合气的形成 V k 1 tFW T TW k 1 d 汽油机燃烧过程及分析 影响燃烧过程的因素 合理的燃烧放热规律 常用典型燃烧室结构分析方法 示功图 P f 燃烧速率 温度 燃室容积 放热速率ROHR RateofHeatRelease 2 kp dpd dQBd pVdk dV d 1 本章主要内容 汽油机着火和燃烧的高速摄影特点 均质透明火焰 前锋面皱褶 火核形成 1 1 汽油机的正常燃烧过程 通常根据高速摄影摄取的燃烧图或激光吸收光谱仪来分析燃烧过程 但最简便的方法是测取燃烧过程的展开示功图 展开示功图以发动机曲轴转角为横坐标 气缸内气体压力为纵坐标 图5 1为汽油机展开示功图 图中虚线表示只压缩不点火的压缩线 在燃烧压力线上 1点为火花塞跳火点 2点为燃烧压力线脱离压缩压力线点 3点为最高压力点 燃烧过程的进行是连续的 为分析方便 按其压力变化的特征 可人为地将汽油机的燃烧过程分为三个阶段 着火落后期 明显燃烧期 补燃期 1 1 1 着火落后期 A B 特性参数 着火落后期 i 10 20 CA 注意区别点火提前角 ig i相对稳定 相对柴油机 因此 ig对pmax相位有重要影响 现象 在 A点开始火花点火 高 温单阶段着火 在 B点产生稳定的火核 开始火焰传播 B点也可用CA05表示 即 累计放热5 的相位 但 pmax i Wi NOx 机械负荷及热负荷 pmax位置 c 10 15CA ATDC 1 1 2 明显燃烧期 B C 现象 由明显火核产生 火焰充满燃烧室 90 燃料在此期间被燃烧 也称为速燃期 放热速率特征值CA50 累计放热50 的相位 0 10CAATDC 主要控制参数1 最高爆发压力pmax 1 1 3 后燃期 C D 要求 燃期短 后燃期 i 排温 甚至 放炮 燃烧净 否则 HC CO 现象 燃烧剩余约10 燃料 主要存在于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧区域 壁面附近未燃混合气 1 2 汽油机的不规则燃烧 汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转情况下 各循环之间的循环变动和各缸之间的燃烧差异 在发动机设计中 应尽量保证不同工况时 每缸的不同循环之间的波动及不同缸之间差异最小 从而保证发动机处于最佳工作状况 但是 影响发动机工作的因素很多 对于各缸和各循环而言 混合气温度等都可能互不相同 点火提前角和化油器的调节不可能都处在最佳值 这就影响各缸和各循环初始火焰形成时刻的稳定性 导致各缸和各循环最大燃烧压力和平均指示压力的变化 1 2 1 各循环之间的燃烧差异 各循环间的燃烧差异主要是燃烧的不稳定性 表现为循环的压力波动 这种波动幅度越大 燃烧越不稳定 最高燃烧压力对曲轴转角的分布离散性越大 表5 1为某汽油机测取的18个相邻循环最大燃烧压力pmax及相应曲轴转角 的分布情况 影响循环变动的因素较多 如混合气浓度 发动机负荷 发动机转速 点火时刻 燃烧室的形状 火花塞位置 压缩比 配气定时等 为提高发动机功率 减少油耗 降低排放污染与噪声 应使燃烧变动降低到最小限度 如适当提高发动机转速及负荷 增大点火提前角 过量空气系数 at控制在0 8 0 9左右 加强气体紊流 增加点火能量 采用多点点火等 1 2 2 各缸间的燃烧差异 各缸间燃烧差异主要是燃料分配不均使空气燃比不一致造成 进气空气量 进气速度 气流扰动强度 燃烧室形状 压缩比 火花塞位置的差异也有影响 各缸混合气成分不同 不能使各缸都处于经济混合气或功率混合气工作 使发动机功率下降 油耗上升 排放污染严重 甚至个别气缸出现活塞 气门过热 火花塞烧损等现象 CA6l02发动机在节气门75 开度下各缸间的燃烧差异如表5 2 表5 3所示 从燃烧示功图也可看出各缸燃烧的差异 图5 3为CA6102发动机节气门开度75 转速n 1400 r min 和3000 r min 时各缸燃烧示功图 影响混合气体分配不均的因素很多 其中影响最大的是化油器和进气管 为减少各缸混合气分配不均现象 化油器安装位置应适当 保证化油器至各缸气道有接近同样的路径 进气系统的零件设计要合适 保证进气管对各缸有相同的通道 包括管长 直径 对称性等 具有较强的紊流 光滑的内表面及弯道少等 在安装过程中 要保证各缸进气管与缸体进气孔连接处对正 避免由此引起进气阻力不同 采用进气管预热等万法可以改善燃料的蒸发 以利于分配均匀 如CA6102发动机将原单歧管进气结构改为双歧管进气结构后 改善了燃料的均匀分配 采用汽油喷射技术 可以改善雾化质量 使各缸间混合气的分配均匀 如多点喷射的汽油机燃料喷射系统在各缸的进气门前装一个喷油器 使各缸供油量保持一致 发动机性能得到改善 1 3 汽油机的不正常燃烧 在汽油机正常燃烧情况下 提高压缩比可以提高汽油机的动力性和燃油经济性 而当出现不正常燃烧时 热效率及功率均要下降 同时 由于不正常燃烧使零件磨损加剧 使用寿命下降 发动机振动及噪声增大 排放污染严重 发动机过热 汽油机的不正常燃烧主要有爆燃和表面点火 1 3 1 汽油机的爆燃 1 爆燃产生的原因 汽油机燃烧过程中 火焰前锋以正常的传播速度向前推进 使得火焰前方未燃的混合气 末端混合气 受到巳燃混合气强烈的压缩和热辐射作用 加速其先期反应 并放出部分热量 使本身的温度急剧升高 如果火焰前锋及时到达将其引燃 直到燃烧完为止 属正常燃烧 如果火焰前锋未到达前 末端混合温度达到了自燃温度 形成新的火焰中心 产生新的火焰快速传播 这种现象称爆燃 爆燃的火焰前锋面推进速度远远高于正常燃烧的火焰传播速度 轻微爆燃时 火焰传播速度约为l00 300m s 强烈爆燃时火焰传播速度可高达800 2000m s 它使未燃混合气体瞬时燃烧完毕 局部温度 压力猛烈增加 形成强烈的压力冲击波 冲击波以超音速传播撞击燃烧室壁 发出频率达3000 5000hz的尖锐的金属敲击声 试验表明 发动机总充量中只要有大于5 的部分进行自燃时 就足以引起剧烈爆燃 从图5 4可以清楚地反映出爆燃与正常燃烧的差异 爆燃时的压力升高率 p比正常燃烧时高 有时可高达65Mpa 出现最高压力后 压力波动很大 压力升高率 p忽大忽小 从而破坏了正常燃烧示功图 它使发动机功率下降 零件冲击载荷增加 使用寿命下降 发动机过热 2 爆燃的危害 由于爆燃时的压力波动 不能使燃气对活塞作功更多 汽车重载上坡时 允许有轻微的短时间的爆燃 因为轻微的爆燃可以使燃烧过程缩短 有利于提高有效热效率 但不允许严重的爆燃 严重爆燃会有下列危害 机件过载强烈爆燃时的冲击波能使缸壁 缸盖 活塞 连杆 曲轴等机件的机械负荷增加 使机件变形甚至损坏 机件烧损 汽油机燃烧终了的温度可达2000oc 2500oc 而活塞顶 燃烧室壁及缸壁的温度仅为200oc 300oc 除了冷却水的作用外 能够维特这样低温度的原因 还包括在这些壁面上形成了气体的附面层 它起到隔热的作用 而强烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面层 使机件直接与高温燃气接触 而严重爆燃时 局部燃气温度可高达4000oc以上 这样会使活塞头部和气门等机件烧损 同时热量传给冷却水引起过热 性能指标下降 严重爆燃时的局部高温及强烈的压力冲击波 破坏了附面层 气体向缸壁的传热量大大增加 使热效率下降 功率降低 耗油率增加 由于传热损失增加 使冷却水和润滑油温度增加 引起润滑油的润滑效果变差 零件磨损加剧 试验表明 严重爆燃时磨损量比正常燃烧时大27倍 爆燃时的局部高温引起热分解现象严重 使燃烧产物分解为CO H2 O2 NO 及游离碳的现象增多 排气冒烟严重 CO H2 O2等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加 排气温度增高 爆燃产生的炭碳粒形成积炭 破坏活寒环 火花塞 气门等零件的正常工作 使发动机可靠性下降 由于爆燃在气缸内形成的强烈的压力冲击波 在缸壁 活塞顶及缸盖底面之间的来回反射 强迫缸壁等零件振动 使噪声增大 为了提高发动机效率 可以采取提高压缩比的措施 但是 由于同时提高了缸内混合气的压力 温度 使末端混合气易自燃着火 引起爆燃 因而爆燃限制了压缩比的提高 进而限制了热效率的提高 3 减轻爆燃的措施 降低水温和进气温度 降低末端混合气温度 降低压缩比 推迟点火 增多残余废气 1 3 2 表面点火 1 表面点火现象 在汽油机中 凡是不靠电火花点火而由燃烧室炽热表面 如过热的火花塞绝缘体和电极 排气门 炽热的积炭等 点燃混合气而引起的不正常燃烧现象 称为表面点火 根据被炽热表面点火的火焰是否始终以正常速度进行传播 表面点火可分为非爆燃性表面点火和爆燃性表面点火 2 非爆燃性表面点火 如果表面点火发生在正常点火时刻之前称为早火 发生在正常点火时刻之后称为后火 图5 5为非爆燃性表面点火示功图 后火 火花塞跳火点燃混合气后 在火焰传播过程中 由于炽热表面使火焰前锋未扫过区域的混合气被点燃 但形成的火焰前锋仍以正常的火焰传播速度向未燃气体推进 称为后火 这种现象可在发动机断火后发现 发动机仍象有电火花点火一样 继续运转 直到炽热点温度下降到不能点燃混合气为止 发动机才停止转动 早火 早燃 高温炽热表面在火花塞跳火前点燃混合气的现象称为早火 发生早火时 炽热表面温度较高 由于混合气使进气和压缩行程中长期受到炽热表面加热 点燃的区域比较大 一经着火 势必使火焰传播速度较高 压力升高率过大 常使最高压力点出现在上止点之前 压缩功过大 发动机运转不平稳并发生沉闷的敲击声 同时 早燃的发生使散热损失增加 传给冷却水的热量增多 容易使发动机过热 有效功率下降 甚至在压缩过程末期的高温高压下会引起机件损坏 非爆燃性表面点火大体是发动机长时间高负荷运行致使火花塞绝缘体 电极或排气门温度过高而引起 3 爆燃性表面点火 激爆 激爆是一种表面点火现象 它是由燃烧室沉积物引起的爆燃性表面点火 是一种危害最大的表面点火现象 发动机低速低负荷 水平路上 汽车行驶速度低于20公里 小时 运转时 燃烧室表面极易形成热性很差的沉积物 它使高压缩比汽油机的表面温度更高 此外 沉积物颗粒被高温火焰包围 使其急剧氧化而白炽化 将混合气点燃 在发动机加速时 气流吹起已着火的碳粒 使混合气产生多火点燃的着火现象 致使混合气剧烈燃烧 压力升高率和最高燃烧压力急剧增加 试验证明 此时压力升高率比正常值高5倍 最高燃烧压力比正常值高l50 气缸内的高温 高压又促使爆燃的产生 发出强烈的震音 危害极大 爆燃和表面点火均属不正常燃烧现象 但两者是完全不同的不正常燃烧现象 图5 6为各种非正常燃烧过程的示功图 由上述分析可知 爆燃是火花塞跳火末端混合气的自燃现象 表面点火是火花塞跳火以前或跳火时刻以后由炽热表面或沉积物点燃混合气所致 爆燃时火焰以冲击的速度传播 有尖锐的敲缸声 表面点火时火焰传播速度正常 敲缸声比较沉闷 爆燃和表面点火之间又存在某种内在联系 严重的爆燃增加向缸壁的传热 使燃烧室内形成炽热点 导致表面点火 而早燃促使压力升高率和最高燃烧压力增大 使末端混合气受巳燃混合气的热辐射 又促使爆燃的发生 4 防止表面点火的主要措施 凡是能使缸内的T P降低的因素 都可预防表面点火 减少积炭等炽热点形成的因素都有助于防止表面点火 主要措施有 1选用低沸点的汽油 高沸点馏分尤其是重芳香烃含量要少 和成焦性小的润滑油 高分子量 低挥发性的成分要少 2 降低压缩比到8 5以下 3 避免长时间低负荷运行和汽车频繁加速行使 4 在燃料中加入抑制表面点火的添加剂 如添加磷化物可改变沉积物的物理化学性质 降低其着火能力 5 选用合格的火花塞 排气门 2 影响燃烧过程的因素 2 1 燃烧速度燃烧速度指单位时间燃烧的混合气量 可以表达为 式中 ut 火焰传播速度 at 火焰前锋面积 t 未燃混合气密度 要想使燃烧迅速 及时完成 需要有较高的燃烧速度且合理变化 燃烧速度的大小主要取决于火焰传播速度 火焰前锋面积及未燃混合气密度 2 1 1 火焰传播速度ut火焰传播速度取决于燃烧室中气体紊流运动 混合气成分和混合气初始温度 图5 7所示为气体紊流强度与火焰速度比之间的关系 紊流强度u指各点速度的均方根值 火焰速度比是紊流火焰传播与层流火焰传播速度之比 因此 加强燃烧室的紊流 是提高火焰传播速度的主要手段 采用过量空气系数 at 0 85 0 95时的混合气 可以提高混合气初始温度 有助于加速火焰传播 2 1 2火焰前锋面积at燃烧室形状与火花塞位置配合情况 对火焰前锋面分布规律有很大影响 图5 8所示为不同燃烧室火焰前锋面积变化情况 因此 合理设计燃烧室形状及合理布置火花塞的位置 可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积 使明显燃烧期相对曲轴转角的位置及压力升高率在合适的范围内 2 1 3 可燃混合气密度 t提高进气压力和压缩比 可以增大未燃混合气的密度 从而提高混合气的燃烧速度 2 2 使用因素的影响 2 2 1 混合气成份改变化油器主量孔的大小或改变通过断面可以改变混合气成分 若使用不当也很容易造成混合气成分改变 例如 空气滤清器堵塞 化油器空气量孔堵塞 会使混合气过浓 化油器浮子室油面调整过低 会使混合气体过稀等 混合气浓度改变对发动机的动力性 燃油经济性及爆燃倾向有很大影响 因此 分析混合气成分对燃烧过程的影响是非常重要的 燃料能否及时燃烧 取决于火焰传播速度 影响火焰传播速度的主要因素是混合气成分 火焰传播速度随过量空气系数的变化如图所示 当过量空气系数 at 0 85 0 95时 称为过浓混合气 此时由于火焰传播速度降低 功率减少 且由于缺氧 燃烧不完全 使热效率降低 耗油率增加 发动机怠速或低负荷运转时 节气门开度小 进入气缸的新鲜混合气量少 残余废气相对较多 可能引起断火现象 为维持发动机稳定运转 通常供给比大功率混合气更浓的混合气 一般 at 0 6左右 如果发动机中等负荷下也供给过浓混合气 由于火焰传播速度低 燃烧速度减慢 混合气在大容积下燃烧 发动机易过热 排气温度增高 高温废气中未完全燃烧的成分在排气管口与空气相遇 剧烈氧化 形成排气管放炮现象 当 at 0 4 0 5时 由于严重缺氧 火焰不能传播 混合气不能燃烧 因此 at 0 4 0 5的混合气成分称为火焰传播上限 当过量空气系数 at 1 05 1 15时 火焰传播速度仍较高 且此时空气相对充足 燃油能完全燃烧 所以热效率最高 有效耗油率最低 此浓度混合气体称为最经济混合气 汽车行驶的大多数情况是处于中等负荷工况工作 为减少燃油消耗 化油器应供给最经济混合气成分 当过量空气系数 at 1 05 1 15时 称为过稀混合气 此时火焰传播速度降低很多 燃烧缓慢 使燃烧过程进行到排气行程终了 补燃增多 使发动机功率下降 油耗增多 由于燃烧过程的时间延长 在排气行程终了进气门已开启 含氧过剩的高温废气可以点燃进气管内新气 造成化油器放炮 当 at 1 3 1 4时 由于燃料热值过低 混合气不能传播 造成缺火或停车现象 此时混合气浓度为火焰传播的下限 由此可见 为保证发动机稳定可靠工作 有利的混合气成分一般在 at 0 85 1 2范围内 当使用功率混合气时 火焰传播速度最快 从火焰中心形成到火焰传播到末端混合气的火焰传播时间缩短 使爆燃倾向减小 同时缸内压力 温度较高 压力升高率较大 使从火焰中心形成到末端混合气自燃发火的准备时间也缩短 又使爆燃倾向增大 实践证明 后者是影响的主要方面 因此 在各种混合气成分中 以供给最大功率混合气时最易燃烧 如汽车满载爬坡时容易爆燃 2 2 2 点火提前角 点火提前角大小对汽油机性能有很大影响 图5 10为气门全开 额定转速下混合气成分不变时 改变点火提前角 燃烧示功图的变化 由 a 图可见 曲线1的示功图点火提前角为 ig1 相比之下 ig1过大 点火过早 使经过着火落后期后 最高燃烧压力出现在压缩行程的上止点以前 最高压力及压力升高率过大 活塞上行消耗的压缩功增加 发动机容易过热 有效功率下降 工作粗暴程度增加 同时由于混合气体的压力 温度过高 爆燃倾向增加 在这种情况下 只要适当减小点火提前角 就可以消除爆燃 曲线2的示功图对应的点火提前角 ig2过小 点火过迟 经过着火落后期后 燃烧开始时 活塞已向下止点移动相当距离 使混合气燃烧在较大容积下进行 炽热的燃气与缸壁接触面积大 散热损失增多 最高压力降低 且膨胀不充分 使排气温度过高 发动机过热 功率下降 耗油量增多 曲线3的示功图对应的点火提前角 ig3比较适当 因而 压力升高率不是过高 最高压力出现在上止点后合适的角度内 从 b 图的比较可以看出 示功图1比示功图3多做了一部分压缩功又减少了一部分膨胀功 示功图2的膨胀线虽然比示功图3的高些 但最高压力点低 只有示功图3的面积最大 完成的循环最多 发动机的动力性 经济性最好 综上所述 过大过小的点火提前角都不好 只有选择合适的点火提前角才能得到合适的最高压力及压力升高率 使最高压力出现在上止点后12 15 曲轴转角内 保证发动机运转平稳 功率大 油耗低 这种点火提前角称为最佳点火提前角 使用中 随发动机工况的变化最佳点火提前角相应改变 因此 必须随使用情况及时调整点火提前角 点火调整特性 在一定的发动机转速 一定的节气门开度下 Pe与be随点火提前角的改变而变化的规律 a 节气门全开b 转速n 1600r min 2 2 3 发动机转速 在汽油机一定的油门开度下 随负荷的变化 转速相应变化 转速增加时 气缸中紊流增强 火焰传播速度加快 如图5 11所示 为便于分析 假定 t1 从火焰中心形成起到火焰前锋传到末端混合气为止的时间 t2 从火焰中心形成起到末端混合气自行着火的时间 所以 当t1t2 爆燃 n 缸内混合气的涡流运动 紊流 燃料与空气的混合得到改善 压缩过程的放热量 缸内压力 温度 火焰传播速度 n t1 v 缸内r 末端混合气的焰前反应 t2 爆燃倾向 所以发动机在低速运转时最易发生爆燃 n 最佳点火提前角 见点火调整特性 所以发动机上装有离心式点火自动提前装置 原因 随转速增加 压缩过程所用时间缩短 散热及漏气损失减少 压缩终了工质的温度和压力较高 使以曲轴转角计的着火落后期增长 为此 汽油机装有离心提前调节装置 使得在转速增加时 自动增大点火提前角 以保证燃烧过程在上止点附近完成 随转速增加 爆燃倾向减小 主要是转速的增加加快了火焰传播 使燃烧过程占用的时间缩短 未燃混合气受巳燃部分压缩和热辐射作用减弱 不容易形成自燃点 转速增加 循环充量系数下降 残余废气相对增多 终燃混合气温度较低 对未燃部分的自燃起阻碍作用 因此 使用中若低速时发生爆燃 待转速提高后爆燃倾向可自行消失 2 2 4 发动机负荷 负荷 缸内温度 压力 滞燃期 t1 末端混合气的焰前反应 t2 爆燃倾向 负荷 燃烧所占的曲轴转角 最佳点火提前角 见点火调整特性图 所以发动机上装有真空式点火提前装置 低负荷时 爆燃倾向减小 主要是负荷低时 进气量少 残余废气相对较多 燃烧最高温度和压力下降 阻止自燃产生 综上所述 发动机在高转速 低负荷时 应增大点火提前角 据统计 如果点火提前角偏离最佳值5 热效率将下降l 偏离最佳值10 热效率将下降5 偏离最佳值20 热效率下降16 传统的真空和离心提前调节装置只能随负荷和转速两个影响因素的变化对点火提前角作近似控制 不能实现点火提前角随多参数的变化 如压力 温度 湿度 空燃比 燃料辛烷值 残余废气量等 的精确控制 近年来发展了微处理机控制的点火系统 如无分电器点火系统 该系统中 点火提前角的设置和随工况变化的自动调整 初级线圈的通断 都是由微处理机控制的 它可根据点火提前角随工况变化的规律 已事先存人机内 确定每一工况下的最佳点火时刻 实现精确控制 2 2 5 其他因素 进气温度 冷却水温度 燃烧室壁积碳 进气压力 爆燃倾向 总之 发动机在低速 大负荷时 最易发生爆燃 在使用中 调整点火提前角应在低速 大负荷工况下进行 2 2 5 1 冷却水温度 发动机冷却水温度应控制在80 90 范围内 水温过高 过低均影响混合气的爆燃和发动机的正常使用 冷却水温不同时的示功图如图5 13所示 冷却水温度过高时 会使燃烧室壁过热 爆燃及表面点火倾向增加 同时 进入气缸的混合气因温度升高 密度下降 充量减少 使发动机机动性 经济性下降 所以 在使用维护中 应注意及时清除水道内的水垢 使水流通畅 注意利用百叶窗调整发动机冷却水温度 经常检查水温表 节温器等装置 使其工作正常 冷却水温度过低时 传给冷却水热量增多 发动机热效率降低 功率下降 耗油率增加 润滑油粘度增大 流动性差 润滑效果变差 摩擦损失及机件磨损加剧 容易使燃烧中的酸根和水蒸气结合成酸类物质 使气缸腐蚀磨损增加 燃烧不良易形成积炭 不完全燃烧现象严重 使排放污染增大 因此 使用中应注意控制好冷却水温 水温不能太低 2 2 5 2 燃烧室积炭 发动机工作过程中 由于燃烧不完全的燃油和窜入燃烧室的机油在氧气和高温作用下 凝聚在燃烧室壁面及活塞顶部 形成积炭 其厚度可达几毫米 积炭不宜传热 温度较高 在进气 压缩过程中不断加热混合气 使温度升高很快 积炭本身有体积 减小了燃烧室的容积 因而提高了压缩比 这些都促使爆燃倾向增加 积炭表面温度很高 形成炽热表面或炽热点 易引起表面点火 因此 使用保修中应注意及时清除积炭 2 3 结构因素的影响 2 3 1 压缩比 1 时 缸内燃烧的最高温度 最高压力 i be 但爆燃倾向 表面点火倾向 2 Pe be 但受到爆燃的限制 要防止爆燃 a 改进燃烧室的设计 b 提高汽油的辛烷值 2 3 2 燃烧室 2 3 2 1 燃烧室设计原则汽油机燃烧室的设计对发动机动力性 经济性 工作稳定性及排放特性有很大影响 为此 燃烧室的设计应满足以下要求 1 应具有良好的抗爆性A 结构尽量紧凑用燃烧室的面容比 燃烧室表面积与其容积之比来表征燃烧室的紧凑性 面容比小 燃烧室结构紧凑 火焰传播距离短 燃烧可在短时间内完成 使爆燃倾向减小 还可以提高发动机压缩比 同时 由于单位体积的表面积较小 相对散热面积小 热损失减小 发动机热效率高 面容比小 使缸壁激冷区减小 HC排放量减少 燃烧室面容比大小取决于气缸直径与然烧室的形状 在采用小燃烧室情况下 为减少单位体积的表面积 多用半球形燃烧室 B 燃烧室内的混合气要有适当的涡流强度 进气涡流 挤气涡流 燃烧室内形成适当强度的气体流动可以加快火焰传播 增加末端混合气的冷却 减少循环间燃烧变动 扩大混合气体着火界限 利于燃烧更稀混合气 减少HC排放量 但紊流过强 向缸壁传热损失增加 还可能吹熄火核而失火 反而使HC排放增多 图5 27所示为紊流适宜和紊流过强时燃烧压力变化的比较 可见 紊流过强时 即使点火提前角减小 压力升高率仍较高 使工作粗暴 热效率降低 实践证明 紊流强度使压力升高率为196 245 千帕 度 时 发动机热效率最高 汽油机产生紊流的方法有进气涡流和挤流两种 a 进气涡流进气涡流是利用进气口和进气道的形状在进气过程中造成气流绕气缸中心线的旋转运动 由于进气涡流加快了火焰传播速度 提高了燃烧速率 使热效率提高 图5 28所示为天津7100轿车用发动机组织进气涡流的实例 组织进气涡流的同时会使进气阻力增加 充气效率下降 在低速低负荷时难以获得良好的进气涡流 故只依靠进气涡流的燃烧室非常少 通常配合组织进气挤流 b 挤流挤流是当活塞接近压缩行程终点时 利用其顶部和缸盖底面之间的狭小间隙 称挤气间隙 将混合气挤入主燃烧室内而产生 可利用燃烧室形状来控制涡流的大小和发生位置以及在燃烧室内扰动的形成及其强度 图5 29为挤流式燃烧室 压缩挤流的最大速度出现在压缩行程上止点前 因而加快了明显期内的火焰传播 使燃烧迅速 同时离火花塞最远的边缘气体因受两个冷表面的影响 容易散热 对抗爆性有利 但挤气间隙过小时会增加HC排放量 一般挤气涡流不会引起充量系数下降 且可在节气门开度小时获得良好的紊流效果 燃烧室的容积分布情况反映了混合气体的分布情况 与火花塞位置相配合 决定了燃烧的放热规律 压力上升速度及工作稳定性等 用不同形状的燃烧室试验结果如图所示 放热规律 燃油燃烧时的放热率随曲轴转角而变化的规律 适宜的放热规律能够使燃油释放的热量充分利用 发动机工作柔和 运转平稳 燃烧初期压力升高率小 工作柔和 燃烧中期急剧放热 循环功大 燃烧后期补燃少 i 2 容积分布要合理 要有适宜的放热规律 3 火花塞位置适当火花塞位置不同 火焰传播距离和燃烧速度的变化率也不同 从而影响汽油机的工作性能 为此 确定火花塞位置时 应考虑以下几个方面 a 应使火焰传播距离短 如火花塞布置在燃烧室中央 b 使末端气体受热减少 如火花塞布置在排气门附近 c 减少各循环之间的燃烧变动 保证暖机和低速稳定性好 如火花塞布置在进 排气门之间 便于利用新鲜混合气扫除火花塞周围的残余废气 使混合气易于点燃 同时应控制气流的强度 避免吹散火花 d 确保发动机运转平稳 火花塞的位置应能使从火花塞传播开的火焰面逐渐扩大 4 具有高的充气效率 进气口 进气道的布置尽量减小进气阻力 提高进气充量 燃烧室的形状应考虑允许有较大的进气门直径 如果楔形燃烧室可安排直径较大的进气门 混合气流经处应尽量光滑 转弯少 图5 26为半球形和斜浴盆形燃烧室充量系数的比较 半球形燃烧室的进气通道弯道少 且燃烧室弓高稍高 斜面积大 利于布置较大面积的进排气门 因此性能好 充量效率高 5 末端混合气要适当的冷却 对末端混合气适当冷却 可以避免燃烧室局部热点 降低终燃混合温度 减少爆燃倾向 同时要注意冷却强度不可过大 否则会使HC排放量增多 2 3 3 气缸直径dd 面容比 传热损失 经济性 但火焰传播距离 t1 爆燃倾向 对车用汽油机 d一般小于100mm 2 3 4 气缸盖和活塞的材料常用铸铁 铝 铝的导热性好 铝制汽缸盖的表面温度低 热负荷小 爆燃倾向 许用的压缩比 2 3 5 冷却方式水冷比风冷的爆燃倾向小 许用的压缩比高 汽油机燃烧室 由活塞顶部气缸壁及缸盖上相应的凹部空间组成 汽油机燃烧室形状有以下几种 1 浴盆形燃烧室 结构简单 气门与气缸轴线平行 进气道弯度较大 压缩行程终了能产生挤气涡流 2 楔形燃烧室 结构比较紧凑 气门相对气缸轴线倾斜 进气道比较平直 进气阻力小 压缩行程终了时能产生挤气涡流 3 半球形燃烧室 结构最紧凑 燃烧室表面积与其容积之比 面容比 最小 进排气门呈两列倾斜布置 气门直径较大 气道较平直 火焰传播距离较短 不能产生挤气涡流 4 多球形燃烧室是由两个以上半球形凹坑组成的 其结构紧凑 面容比小 火焰传播距离短 气门直径较大 气道比较平直 且能产生挤气涡流 5 篷形燃烧室是近年来在高性能多气门轿车发动机上广泛应用的燃烧室 2 3 2 2 常用典型燃烧室结构特点 1 浴盆形燃烧室 如图为25y 6100q型汽车发动机的浴盆形燃烧室 浴盆形燃烧室具有以下特点 l 燃烧室形状像椭圆形浴盆 高度相同 宽度略大于气缸范围 以便于加大气门直径 为防止壁面对气流的遮蔽作用 气门头部外形与燃烧室壁面之间应保持一定的距离 6 8mm 因而 气门尺寸受限制 2 挤气面积比楔形的小 挤流效果比较差 适当增加挤气面积可改善发动机性能 3 燃烧室的面容比较大 火焰传播距离相对较长 不便于采用高的压缩比 由于燃烧时间拖长 使压力升高率较低 其动力性 经济性不高 对HC排放不利 但NOx排放较少 4 制造工艺好 便于维修 2 楔形燃烧室图5 31所示为CA 72型汽车发动机楔形燃烧室 楔形燃烧室具有以下特点 1 燃烧室较紧凑 火焰传播距离较短 2 挤气面积较大 对末端混合气冷却作用较强 爆燃倾向减小 可采用较高的压缩比 一般可达9 5 10 5左右 但同时由于挤气面积内的熄火区增大 hc排放量较多 设计时应控制挤气面积的大小 3 气门斜置 6 30 有利于增大气门直径 气道转弯较少 使进气阻力减小 提高了充气性能 4 火花塞布置在楔形高处 便于利用新气清除火花塞附近的废气 保证低速低负荷性能良好 但因混合气过分集中于火花塞处 使燃烧初期压力升高率较大 工作粗暴 no 排出量较高 总之 楔形燃烧室具有较高的动力性 经济性 是目前汽油机广为采用的燃烧室 3 半球形燃烧室 图5 33为半球燃烧室结构图 半球形燃烧室具有以下特点 1 形状大致呈半球形或篷形 结构紧凑 与前两种相比 面容比最小 加之火花塞布置于燃烧室中央 火焰传播距离最短 2 进 排气门均斜置 允许较大气门直径 进气道转弯最小 充气效率最高 半球形燃烧室动力性 经济性好 NO排放量少 高速适应性强 转速为6000r min以上的汽油机均用此类燃烧室 但由于火花塞附近容积较大 易使压力升高率过