点燃式内燃机的燃烧室

1、第三节第三节 点燃式内燃机的燃烧室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、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。(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i 或指示燃油消耗率 bi或相对效率r 表示。是

2、指示效率i与等容循环理论热效率t 之比，即 r=i/t 。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c=911范围内，每增加一个单位， i 的改善为35。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。 bxf /bdxdfmax(/)bdxd /bdxdf平均指示压力 的循环变动mip10%mioimepmipC Vp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

3、期从100 (CA)减小到6 0 (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%。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，追求达到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。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

4、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表面沉积物。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6.27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89。近年来国外研究一种新型浴盆型燃烧室加上高强度

5、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，燃烧室表面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520a)。 4

6、) 压缩比高，排气温度低，使壁面温度降低(图520b)，粘附在壁面上的液态燃料难以汽化，增加了HC排放(图520c)，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FVFV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FV大，顶置气门燃烧室的FV要小得多，即使都是顶置气门，不同形状燃烧室的FV值也是有差别的。一般来说，FV大，火焰传播距离长，容易爆燃，HC排放高(图521)，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

7、扩展速率和燃烧速率。在特制形状的燃烧弹中的试验结果表明(图522)，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523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，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

8、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残余废气的影响，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 火花塞位置尽量移到靠近燃烧

9、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，燃烧室设计应遵循下列原则： 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。 (三三)典型燃烧室典型燃烧室 这是车用汽油机采用比较广泛的燃烧室(图525)。它布置在缸盖上，火花塞在楔形高处的进、排气门之间

10、，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910；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。6 30燃烧室形状如图526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56.5mm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

11、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52和表53)。燃烧室燃烧室投影面投影面积积/mm2挤气面挤气面积积/%燃烧室燃烧室高度高度/mm最大火最大火焰传播焰传播距离距离/mm进气门进气门壁距壁距/mm排气门排气门壁距壁距/mm燃烧室燃烧室容积容积/cm2原缸原缸盖盖7000 2522.5806.255.5145改进改进缸盖缸盖6300 32.626.27

12、06.255.5145差值差值7007.63.710000点火提点火提前角前角最高燃最高燃烧压力烧压力所在曲所在曲轴转角轴转角燃烧持燃烧持续角续角最大压最大压力升高力升高比比最高燃最高燃烧压力烧压力最大燃最大燃烧压力烧压力变动率变动率原缸原缸盖盖-3119500.183.611.5改进改进缸盖缸盖-27.512.5400.244.767.1差值差值3.56.5100.061.163.9浴盆形燃烧室的FV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。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

13、SD与压缩比之间的比例。若压缩比低而用大的SD，将使燃烧室凹人活塞内深度大；如用高压缩比小的SD，那么燃烧室变得很浅，这些都是不适宜的。较合适的比例是：c= 9，SD1；c=7；SD0.7；c=11，SD1.25。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。 在燃烧室中设置副室，并在喷孔部位配置火花塞(图529)，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530和图531。缸内直喷燃烧系统分为和(一) 分层燃烧前述汽油机采

14、用的工质是均匀的，是空燃比变化在非常狭窄的范围内(A/F12.617)的混合气，这样的燃烧系统本身具有以下缺点： (二二) 典型缸内直喷燃烧系统简介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 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部分负荷时，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。第四节第四节

15、压燃式内燃机的燃烧压燃式内燃机的燃烧一、着火与燃烧过程一、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536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。图537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。1) 在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与空

16、气的比例要在一定的范围内，这个范围称作(或着火界限)。着火界限可用表示(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，则燃料分子少，这两种情况的氧化反应速度都不够，因此。着火界限不是成不变的，分子运动速度增加，反应速度加快，。 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。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，(图538)。 在实际的柴油机中，燃料着火比上述情况要复杂。因为

17、燃料喷入气缸后分散成，油粒与空气有相对运动，而。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。首先着火的地方不在最小油粒的地方，而油束核心部分浓度过高也不会首先着火，。由于在气缸内形成合适浓度的混合气及温度条件相同的地方不止一个，因此，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

18、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540所示，曲线ABCDE表示气缸中进行正常燃烧的压力曲线，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。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。/dp dCBCBppdpd/dp d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。这一阶段的燃烧是在气缸容积不断增加的情况下进

19、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，则燃料得不到氧气，容易裂解而形成碳烟；如果燃料喷到有氧气的地方，则此时由于气缸中温度很高，化学反应很快，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17002000。第IV阶段从缓燃期的终点(D点)到燃料基本上完全燃烧时(E点)为止，称为。在柴油机中，由于燃烧瞬间短促，燃料和空气的混合又不

20、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

21、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。 ，则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，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，则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54l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，因此为了能控制燃烧过程，降低柴油机

22、的机械负荷并使之运转平稳，应该设法缩短滞燃期，但是，若。 影响滞燃期的因素很多，在正常运转情况下，是影响滞燃期的主要因素。此外，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542所示，纵坐标为滞燃期的对数，横坐标是压缩温度。从图542还可以看出，十六烷值为5055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，它们的滞燃期差别较小，随着压缩温度下降，差别增大。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。 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

23、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1015 (CA)之间(图543)，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佳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 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；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；使燃

24、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。，随着转速增加，滞燃期i (以s计)缩短；如以曲轴转角计，则滞燃期=6ni ，视i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。 图545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4060。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546)。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

25、0.162MPa增加到0.225MPa时，由于滞燃期缩短，使压力升高比由0.332 MPa( )(CA)下降到0.216 MPa( )(CA)。 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部分传给工质(气缸中的气体)，使工质的内能增加并对外做功，一部分传到燃烧室壁上，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、放热规律二、放热规律BWWQ

26、QQUWQ (5-29) QB ， Q和QW均随曲轴转角变化，将式(5-29)对曲轴转角微分，得 式中，dQB/d为燃料燃烧的瞬时燃烧率(或称放热率)， dQB/d亦随而变，通常将随曲轴转角的变化关系称为； 为对工质的瞬时加热速率(简称加热率)，将 dQ/d随曲轴转角的变化关系称为加热规律； dQw/d为工质对燃烧室壁面的传热速率(简称传热率)，将 dQw/d随曲轴转角的变化关系称为；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。WWBd mudQdQdQdQdVpdddddd(5-30) 图547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

27、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。由于传热部分所占的比例很小，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 WBd mudQdQdQdVpddddd（5-31） 在燃烧期间，工质质量m变化很小，假定m不变，并忽略工质成分对比内能的影响即工质的比内能仅是

28、温度的函数，则Vm dum c dT（5-32） 应用理想气体的状态方程， 及 和p Vm R TpVRccpVcc等关系式，代入式(5-30)就可导出气缸压力的变化率为1d pd Qp d VdVdVd（5-33） 以及气缸压力对曲轴转角的二阶导数2222222222111dpd QdVpdVp d VdVdVdVdVd（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。pcVc实际柴油

29、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548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)。 以上分析和试验研究使人们认识到，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两个方面； 降低 p/ ，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；比较合适的放热规律是希望

30、燃烧，即。这个原则说起来是容易的，而定量解决却有许多困难。例如，合适的放热规律要求合适的喷油规律与之配合，即，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。 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 ，如果压力升高

31、比过大，则产生强烈的震音，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549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

32、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，在燃烧室内造成着火热区等。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，否则影响经济性。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

33、定的改进。此外，还可采用引导喷射(Pilot Injection)，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，用这种方法来达到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 将燃料大部分喷到燃烧室壁上，只有很小部分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。

34、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) ，即 。 为在气缸内某种燃料有可能开

35、始着火的最低临界温度； 为燃料的自燃温度。minsttmintst 2) 。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。试验表明，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，而靠油膜表面的蒸发形成混合气，因此，若把起动转速定得很低，则 ，低，但蒸发时间增长；相反，若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佳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175200 rmin之间；对于缸径较小 的Vh=1-2L的柴油机，相应的起动

36、转速要提高到200300rmin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。 cpctcp 由于低温起动时首先着火的燃料主要是柴油中的轻馏分部分，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)。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，则燃油系统、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基本上分为两大类：直接喷射式燃烧室和分

37、隔式燃烧室。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；按气流运动则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

38、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612个；喷孔直径很小，在0.20.4mm之间；针阀开启压力较高，为2040MPa，最高喷油压力甚至高达100 MPa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，并避免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

39、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) 燃烧室基本上是一个空间，形状简单，结构紧凑，相对散热面积小 ( 为燃烧室表面积， 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

40、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，则燃料雾化不好，使滞燃期增加，dp/d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1.62.2 。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，

41、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/d 、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

42、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0.72 0.88;0.60 0.68;5 7KKcKdDVVdh2、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办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

43、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D200mm、n5001000r/min的涡盆形燃烧室时，以不组织

44、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D200280mm、n9001500rmin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，再配上合适的供油系统(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4000

45、rmin)，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，则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。 如图所示，将活塞顶上的凹坑加深，凹坑口径缩小，这样燃烧室基本上分成两个空间：活塞中的燃烧室容积及活塞顶上的余隙容积，采用46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

46、合气的形成，使空气利用率大大提高，一般过量空气系数为1.31.5，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、燃烧室形状有的燃烧室做成平底(如图5-61c)，以便于加工。图561d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燃烧室主要结构尺寸是喉口直径口直径d dk k

47、及深度及深度h h。d dk k与与h h基本上决定了燃烧室的容基本上决定了燃烧室的容积积VkVk。对性能影响较大的。对性能影响较大的结构参数是相对容积比结构参数是相对容积比Vk/VcVk/Vc ( (VcVc为压缩室容积为压缩室容积) )及喉口直径与气缸直径之及喉口直径与气缸直径之比比 dkdk/D/Ddk/D要合适，要与油束射程配合。要合适，要与油束射程配合。一般一般dk/D0.40.6，dk/h1.53.5。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，这样燃烧室表面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

48、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 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，则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

49、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表示，即=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46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%的损失是因涡流不足或涡流过强而使燃油消耗

50、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妨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佳涡流强度。最佳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部分工况的性能。根据经验，对于铸造的进气道，最佳拆衷的平均涡流比在2.53.5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。，则燃油喷在燃烧室上方，油束可能落在活塞顶面上；，则油束落在燃

51、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，有一个合适的伸出高度，伸出高度可由垫片厚度来调整。通常喷油嘴伸出距离以3mm左右为最佳，图5-66是135柴油机的试验结果。6、提高喷油率，缩短喷油持续期一般以单位气缸工作容积每度曲轴转角的供油量 表示，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1520 ，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，一部分燃油滞留在燃烧室壁

52、上，此时若增加喷油率，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表面工作段等措施来提高喷油率。 33/mmcmCACACACA7、提高喷油压力 在中等缸径(D120160mm)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。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

53、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140150MPa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；有人则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(Micro Tur

54、bulence Combustion Chamber)，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。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

55、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

56、成一层很薄的油膜。燃烧室壁温控制在200350，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应。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部分燃料是极细的油雾，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0.880.98MPa，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

57、 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。mep217/()gkw hzp/zmepp 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) 对负荷突变反应慢，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、低速性能差别大。 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，而燃烧室的相对表面积减小，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75130mm范围内，主

58、要应用在小型高速柴油机上。液相混合液相混合气相混合气相混合(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 涡流室燃烧室的构造如图5-69所示，整个压缩容积 分为两部分：一部分在气缸盖与活塞顶之间，称为；另一部分容积 在气缸盖上，形状呈球形或圆柱形等，称为。两者之间用一个或数个相连，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%。安装在祸流室内，燃油顺涡流方向喷射。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

59、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1) 1)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，雾质量要求不高，般采用轴针式喷油嘴，喷油压力较低。般采用轴针式喷油嘴，喷油压力较低。2) 2)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

60、于涡流室是的混合质量。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，目前转速可高达高达5000r5000rminmin。3) 3)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