內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

第三節(jié)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)燃燒室點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)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)普通要求燃燒室設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)經(jīng)典燃燒室分層燃燒經(jīng)典缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)介紹內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第1頁

一、點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第2頁(一)燃燒室設(shè)計(jì)普通要求(1)經(jīng)濟(jì)性高。(2)燃燒放熱率曲線等容度高。(3)對大氣污染小。(4)動力性高。(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)變動小。(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)起動性好。(11)瞬態(tài)特征好。(12)EGR承受能力強(qiáng)。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第3頁經(jīng)濟(jì)性高普通用指示效率ηi

或指示燃油消耗率bi或相對效率ηr

表示。相對效率定義是指示效率ηi與等容循環(huán)理論熱效率ηt

之比，即ηr=ηi/ηt

。對點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)而言，壓縮比選取對經(jīng)濟(jì)性起著尤其顯著作用，在慣用εc=9~11范圍內(nèi)，每增加一個單位，ηi改進(jìn)為3％~5％。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第4頁燃燒放熱率曲線等容度高由實(shí)測示功圖能夠方便地求出已燃質(zhì)量白分比曲線，以及質(zhì)量燃燒率曲線，其中有兩個參數(shù)十分主要：

1)數(shù)值及其出現(xiàn)對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角位置，它越靠近上止點(diǎn)越好。2)曲線下面積形心位置，當(dāng)然也是離上止點(diǎn)越近越好。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第5頁燃燒循環(huán)變動小平均指示壓力循環(huán)變動內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第6頁滿足速燃要求把燃燒連續(xù)期控制在60(CA)之內(nèi)，過分縮短燃燒連續(xù)期沒有必要。試驗(yàn)表明，燃燒連續(xù)期從100°(CA)減小到60°(CA)(相當(dāng)于從緩燃變到含有適當(dāng)燃燒速度燃燒)，be可下降4％，但連續(xù)期繼續(xù)從60°(CA)減小到20°(CA)，be僅降低1.5%。圖5—19示出了不一樣燃燒室結(jié)構(gòu)和火花塞位置時燃燒連續(xù)期比較，其中燃燒角度比是指某燃燒室燃燒角度與含有最慢燃燒速度燃燒室(盤形燃燒空，側(cè)置火花塞)燃燒角度之比。由圖可知，火花塞中置開式燃燒室含有最短燃燒連續(xù)期，它比火花塞側(cè)置盤形燃燒室縮短了22.5%。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第7頁上述要求中有些是相互促進(jìn)，有些是相互矛盾。50年代以前，燃燒室設(shè)計(jì)主要著眼于提升發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動力性；60年代后，因?yàn)楣栴}開始提出，追求到達(dá)排氣法規(guī)指標(biāo)成為壓倒一切要求；近年來，因?yàn)榕艢鈨艋芯窟M(jìn)展，再加上節(jié)約能源問題提出，所以更著眼于提升經(jīng)濟(jì)性并同時降低大氣污染。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第8頁（二）燃燒室設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第9頁燃燒室設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)燃燒室優(yōu)化路徑壓縮比燃燒室面容比火花塞位置與性能燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第10頁影響汽油機(jī)性能指標(biāo)最主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是壓縮比，提升壓縮比能夠提升汽油機(jī)功率與經(jīng)濟(jì)性，但提升壓縮比受爆燃限制，所以提升抗爆性就成為提升壓縮比關(guān)鍵。為既提升壓縮比又不促使爆燃發(fā)生，燃燒室設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾方面考慮：

1)縮短火焰?zhèn)鬏斁嚯x，除設(shè)計(jì)緊湊燃燒室外，也與火花塞位置相關(guān)。

2)利用適當(dāng)強(qiáng)度湍流，加緊火焰?zhèn)鬏斔俣取?/p>

3)在離火花塞較遠(yuǎn)區(qū)域設(shè)計(jì)適當(dāng)冷卻面積，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)生熱點(diǎn)和表面沉積物。1、壓縮比內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第11頁汽油機(jī)過去采取側(cè)置氣門L型燃燒室，雖經(jīng)各方面改進(jìn)，但壓縮比只能在6.2~7之間。當(dāng)代汽油機(jī)廣泛采取頂置氣門燃燒室，使燃燒室更為緊湊，壓縮可提升到8~9。近年來國外研究一個新型浴盆型燃燒室加上高強(qiáng)度擠氣旋流以及一個側(cè)置楔型燃燒室，可將壓縮比提升到12.5。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第12頁從提升功率和經(jīng)濟(jì)性考慮，提升壓縮比是有利，但過高壓縮比將使壓力升高比增加，發(fā)動機(jī)噪聲與振動較大，這是不允許。另外，提升壓縮比對大氣污染也是不利，因?yàn)椋?)壓縮比增加，燃燒室狹縫、潤滑油膜和沉積物處生成未燃HC增加。2)壓縮比增加，燃燒室表面積與體積之比即面容比增加，相對增加了激冷面積，增加HC排放量。此原因在發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工況時對未燃HC排放影響較小，在冷起動、怠速和暖機(jī)時對末燃HC排放影響較大。3)壓縮比高，膨脹比也大，膨脹后期燃?xì)鉁囟认陆担琀C氧化速率下降，使更多燃料以未燃HC形式排出(圖5—20a)。壓縮比提升危害內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第13頁4)壓縮比高，排氣溫度低，使壁面溫度降低(圖5—20b)，粘附在壁面上液態(tài)燃料難以汽化，增加了HC排放(圖5—20c)，但過高壁面溫度會加熱終燃混合氣，誘發(fā)爆燃，也是不利。5)壓縮比高，使最高燃燒溫度增加，NOx增加。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第14頁2、燃燒室面容比F／VF／V在某種意義上能夠表示燃燒室緊湊性，它與燃燒室型式以及汽油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，側(cè)置氣門燃燒室F／V大，頂置氣門燃燒室F／V要小得多，即使都是頂置氣門，不一樣形狀燃燒室F／V值也是有差異。普通來說，F(xiàn)／V大，火焰?zhèn)鬏斁嚯x長，輕易爆燃，HC排放高(圖5—21)，相對散熱面積大，熱損失大。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第15頁內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第16頁火花塞位置直接影響火焰?zhèn)鬏斁嚯x長短，從而影響抗爆性，也影響火焰面積擴(kuò)展速率和燃燒速率。在特制形狀燃燒彈中試驗(yàn)結(jié)果表明(圖5—22)，圓錐形底部點(diǎn)火時，開始燃燒速率大，后期遲緩；圓錐形頂部點(diǎn)火時恰好相反，開始遲緩，后期快速燃燒；圓柱形介于二者之間。楔形燃燒室與圓錐形底部點(diǎn)火類似，浴盆形燃燒室與圓柱形類似。3、火花塞位置及其性能內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第17頁內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第18頁

燃燒室中不一樣火花塞位置對燃料辛烷值要求也不一樣，圖5—23示出了頂置氣門燃燒室火花塞位置對辛烷值要求。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第19頁

1)火花塞應(yīng)靠近排氣門處，使受熾熱表面加熱混合氣能及早燃燒，從而不致發(fā)展為爆燃。2)火花塞間隙處殘余廢氣應(yīng)能充分清掃，使混合氣輕易著火，這對暖機(jī)和低負(fù)荷性能作用較大。但不希望有過強(qiáng)氣流在點(diǎn)火瞬間直接吹向火花塞間隙，從而吹散火核，增加缸內(nèi)壓力循環(huán)變動率，甚至造成失火。布置火花塞時需考慮其它原因內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第20頁火花塞點(diǎn)火性能對發(fā)動機(jī)性能影響火花塞點(diǎn)火性能對發(fā)動機(jī)性能與排污有重大影響。當(dāng)火花塞間隙增加時，火核形成位置將離開壁面，能夠避開停滯在壁面附近殘余廢氣影響，另外，處于間隙內(nèi)混合氣絕對數(shù)量增加，著火概率也增加。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第21頁內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第22頁火核形成過程中，電極將從火核中吸收能量，假如這部分熱量吸收過大，則火核可能不能形成，被稱為電極“消焰”作用。顯然，當(dāng)間隙增大時，消焰作用將減弱。所以，火花能點(diǎn)燃更稀混合氣，火花塞通常采取間隙是0.5~0.8mm，超出1.1mm稱為寬間隙火花塞。若采取更寬間隙火花塞，如1.5~2mm則火花塞要求擊穿電壓高，普通點(diǎn)火系統(tǒng)因?yàn)椴豢赡芄┙o足夠高電壓而引發(fā)失火。對各種間隙火花塞研究表明，火花能量增加時能點(diǎn)燃稀混合氣，同時也發(fā)覺，火花能量強(qiáng)，則要求火花間隙越寬，性能越好。為了充分發(fā)揮寬間隙優(yōu)點(diǎn)，需發(fā)展高能點(diǎn)火系統(tǒng)。高能點(diǎn)火系統(tǒng)含有較大一次電流，即較高點(diǎn)火能量，二次電壓也上升快速，并能有比普通點(diǎn)火系統(tǒng)更高電壓，以適應(yīng)寬間隙火花塞對擊穿電壓要求。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第23頁燃燒室內(nèi)形成適當(dāng)強(qiáng)度氣流運(yùn)動有利之處：1)增加火焰?zhèn)鬏斔俣取?)擴(kuò)大混合氣著火界限。3)降低循環(huán)變動率。4)降低HC排放。不利之處：過強(qiáng)氣流將使熱損失增加，還可能吹熄火核而失火，使HC排放增加，也是不利。4、燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第24頁5、燃燒室優(yōu)化路徑燃燒室設(shè)計(jì)首先是選擇燃燒室最正確幾何形狀。最正確幾何形狀將使發(fā)動機(jī)受益最大，損失最小。燃燒室?guī)缀涡螤畎最^和活塞頂形狀、火花塞位置。半球形或單坡屋頂式(用于缸內(nèi)直噴式)缸頭燃燒室，使火焰前鋒表面積快速靠近于最大值(燃燒快速)，與燃?xì)饨佑|表面積又最小(傳熱損失小)?；鸹ㄈ拷紵抑行?，對取得快速燃燒也是非常有利。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第25頁火花塞位置盡可能移到靠近燃燒室中心，以盡可能縮短火焰?zhèn)鬏斁嚯x，降低對燃料辛烷值要求。為改進(jìn)燃油、空氣和EGR混合均勻性，燃燒室中應(yīng)組織適當(dāng)空氣運(yùn)動，降低燃燒過程中循環(huán)變動率，確保較高燃燒速率。為滿足燃燒過程快速性、可重復(fù)性以及高充量系數(shù)、低熱損失、適當(dāng)燃料辛烷值等諸項(xiàng)指標(biāo)，燃燒室設(shè)計(jì)應(yīng)遵照以下標(biāo)準(zhǔn)：1）在最大火焰前鋒面積、最小面容積比、最大氣門尺寸(或發(fā)展多氣門)等設(shè)計(jì)參數(shù)限制范圍內(nèi)，優(yōu)化燃燒室?guī)缀涡螤睢?）改進(jìn)混合氣分布和均勻性，降低燃燒循環(huán)變動率，降低各缸不均勻性。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第26頁

(三)經(jīng)典燃燒室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、其它類型燃燒室內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第27頁這是車用汽油機(jī)采取比較廣泛燃燒室(圖5—25)。布置在缸蓋上，火花塞在楔形高處進(jìn)、排氣門之間，所以火焰距離較長。普通設(shè)置擠氣面積，氣門稍傾斜()使氣道轉(zhuǎn)彎較少，降低進(jìn)氣阻力，提升充量系數(shù)，壓縮比也能夠有較高值，達(dá)9~10；這種燃燒室有較高動力性和經(jīng)濟(jì)性。但因?yàn)榛旌蠚膺^分集中在火花塞處，使早期燃燒速率和壓力升高比大，工作顯得粗暴一些。1、楔形燃燒室內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第28頁2、浴盆形燃燒室內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第29頁燃燒室形狀如圖5—26所表示。這種燃燒室高度是相同，寬度允許略超出氣缸范圍來加大氣門直徑。從氣流運(yùn)動考慮，希望在氣門頭部外徑與燃燒室壁面之間保持5~6.5mm壁距，這么使氣門尺寸所受限制比楔形大。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第30頁浴盆形燃燒室有擠氣面積，但因?yàn)槿紵倚螤睿箶D氣效果比較差，火焰?zhèn)鬏斁嚯x也較長，燃燒速率比較低，燃燒時間長，壓力升高比低。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第31頁試驗(yàn)證實(shí)，適當(dāng)增加擠氣面積比，能夠改進(jìn)發(fā)動機(jī)性能。6105汽油機(jī)原擠氣面積比是25%，燃燒時間較長，壓力升高比只有0.18MPa／[(°)(CA)]，燃燒壓力循環(huán)變動率達(dá)11%。采取擠氣面積比增大到32.6%及其它辦法后，性能指標(biāo)得到了改進(jìn)，功率提升了6.2%，轉(zhuǎn)矩提升了1.5%，燃油消耗率降低了0.8%(見表5—2和表5—3)。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第32頁6105汽油機(jī)燃燒室改進(jìn)前后參數(shù)表燃燒室投影面積/mm2擠氣面積/%燃燒室高度/mm最大火焰?zhèn)鬏斁嚯x/mm進(jìn)氣門壁距/mm排氣門壁距/mm燃燒室容積/cm2原缸蓋70002522.5806.255.5145改進(jìn)缸蓋630032.626.2706.255.5145差值7007.63.710000內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第33頁表5-36105汽油機(jī)原缸蓋與改進(jìn)缸蓋在最大轉(zhuǎn)矩時燃燒參數(shù)點(diǎn)火提前角最高燃燒壓力所在曲軸轉(zhuǎn)角燃燒連續(xù)角最大壓力升高比最高燃燒壓力最大燃燒壓力變動率原缸蓋-3119500.183.611.5改進(jìn)缸蓋-27.512.5400.244.767.1差值3.56.5100.061.163.9內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第34頁浴盆形燃燒室F／V較大，對HC排放是不利，但壓力升高比低，工作柔和，NOx排放低。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第35頁3、碗形燃燒室內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第36頁碗形燃燒室是布置在活塞中一個回轉(zhuǎn)體(圖5—27)，采取平底氣缸蓋，工藝性好。燃燒室全部機(jī)加工而成，有準(zhǔn)確形狀和容積。燃燒室表面光滑，緊湊，擠流效果好，壓縮比可高達(dá)11。燃燒室在活塞頂內(nèi)使活塞高度與質(zhì)量增加，但與普通平頂活塞相比，增加量在10%以內(nèi)，因?yàn)镕/V較大，散熱增加。碗形燃燒室要有恰當(dāng)S／D與壓縮比之間百分比。若壓縮比低而用大S／D，將使燃燒室凹人活塞內(nèi)深度大；如用高壓縮比小S／D，那么燃燒室變得很淺，這些都是不宜。較適當(dāng)百分比是：εc=9，S／D＝1；εc=7；S／D＝0.7；εc=11，S／D＝1.25?？傊?，碗形燃燒室要有適當(dāng)口徑、深度和頂隙。這些參數(shù)對擠流強(qiáng)度有較大影響。

碗形燃燒室火花塞恰好在擠氣流人燃燒室通道口上，剛且點(diǎn)火瞬間正處于擠流流速急劇改變時候。為此，點(diǎn)火時間微小變動，將引發(fā)點(diǎn)火瞬間流過火花塞間隙流速較大改變。所以，點(diǎn)火時間選擇應(yīng)比其它燃燒室更為仔細(xì)，不要在點(diǎn)火時使流速過大或過小。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第37頁4、半球形燃燒室內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第38頁半球形燃燒室也在氣缸蓋上，普通配凸出活塞頂(圖5—28)，燃燒室也可全部機(jī)械加工，保持光滑表面、準(zhǔn)確形狀與容積，燃燒室緊湊，只火花塞能布置在中間，是五種燃燒室中火焰?zhèn)鬏斁嚯x最短一個。進(jìn)、排氣門傾斜布置，兩氣門之間角度為50~75°。氣流進(jìn)人氣缸轉(zhuǎn)彎最小，充量系數(shù)大，在非常高轉(zhuǎn)速下仍能保持滿意充量系數(shù)，最高轉(zhuǎn)速在6000r／min以上車用汽油機(jī)幾乎都采取半球形燃燒室。這種燃燒室值F/V小，HC排放低。半球形燃燒室—般不組織擠流，假如要組織擠流，將使活塞頭部形狀復(fù)雜一些。因?yàn)榛鸹ㄈ車休^大容積，使燃燒速率和壓力升高比大，工作較粗暴。因?yàn)樽罡呷紵郎囟雀?，NOx排放較高，半球形燃燒室氣門布置較為復(fù)雜，多采取雙頂置凸輪軸。半球形燃燒室因?yàn)槠浜谢⌒螝飧咨w而尤其適合用于二沖程汽油機(jī)。所以各種用途二沖程汽油機(jī)都采取半球形燃燒室，四沖程汽油機(jī)也越來越多地采取半球形燃燒室。蓬形燃燒室性能與半球形相同，組織擠氣要比半球形輕易，燃燒室也可全部加工。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第39頁

5、其它類型燃燒室內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第40頁

汽油機(jī)當(dāng)前一個注目標(biāo)研究方向是采取稀燃、速燃、層燃技術(shù)。采取稀薄混合氣能夠降低油耗、降低排放和提升壓縮比。采取稀燃會降低火焰?zhèn)鬏斔俣?，所以往往需要采取辦法組織混合氣快速燃燒。層燃也是在汽油機(jī)中燃燒稀混合氣一個技術(shù)辦法。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第41頁(1)12T汽油機(jī)產(chǎn)生湍流輔助燃燒室(TGP)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第42頁在燃燒室中設(shè)置副室，并在噴孔部位配置火花塞(圖5—29)，混合氣被點(diǎn)燃后流入副室，在壓縮過程中，一邊對火花塞間隙進(jìn)行掃氣，一邊使混合氣產(chǎn)生適當(dāng)流速。副室內(nèi)壓力伴隨火焰?zhèn)鬏敹?，然后噴入主燃燒室，產(chǎn)生湍流，促進(jìn)主燃燒室燃燒。其燃燒特征見圖5—30和圖5—31。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第43頁(2)雙火花塞燃燒室內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第44頁圖5—32所表示燃燒室中，在離半球形中心兩邊等距離處布置兩只火花塞(相距1/2直徑)，因而火焰?zhèn)鬏斁嚯x靠近縮短了1/2，從而可推遲最正確點(diǎn)火定時，提升了點(diǎn)火時混合氣溫度和壓力，使著火性能改進(jìn)，燃燒連續(xù)期縮短，提升了發(fā)動機(jī)性能。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第45頁二、充量分層和

缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第46頁缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)分為缸內(nèi)直噴均質(zhì)混合氣燃燒系統(tǒng)和缸內(nèi)直噴分層燃燒系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第47頁

(一)分層燃燒前述汽油機(jī)采取工質(zhì)是均勻，是空燃比改變在非常狹窄范圍內(nèi)(A/F＝12.6~17)混合氣，這么燃燒系統(tǒng)本身含有以下缺點(diǎn)：1)汽油機(jī)功率改變時，混合氣仍必須維持在點(diǎn)火范圍內(nèi)濃度，使得空燃比不可能改變很大，這就決定了汽油機(jī)功率不可能用變質(zhì)調(diào)整，而只能用進(jìn)氣管節(jié)流變量調(diào)整。因?yàn)楣?jié)流引發(fā)較大泵氣損失，所以造成低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性較差。2)輕易爆燃。凡是火焰?zhèn)鬏斔俣瓤旎旌蠚?，也是輕易引發(fā)爆燃原因，所以較濃混合氣(點(diǎn)火所需混合氣)要比較稀混合氣輕易引發(fā)爆燃。3)汽油機(jī)一直以點(diǎn)火范圍內(nèi)混合比工作，使熱效率低，假如能以稀混合氣工作，可提升循環(huán)熱效率。與化學(xué)計(jì)量比14.8比較，如采取空燃比20和27工作，則發(fā)動機(jī)熱效率將對應(yīng)提升8％和12％。4)排氣污染嚴(yán)重。汽油機(jī)排氣中有害成份(CO、HC、NOx)數(shù)量與混合氣濃度有親密關(guān)系(圖5—33)。普通汽油機(jī)所使用混合比范圍正是排放高范圍。假如汽油機(jī)能以稀混合氣工作，尤其是空燃比超出23時能正常工作，就能夠得到很低排故指標(biāo)。燃用過稀、已進(jìn)人普通汽油機(jī)失火范圍混合氣主要困難是難以形成火核。若采取大能量點(diǎn)火，能夠點(diǎn)燃較稀混合氣，但當(dāng)混合氣過稀時，大能量電火花雖可點(diǎn)火，出現(xiàn)火核，但在微小體積內(nèi)燃料量太小，產(chǎn)生熱量過少，不足以聚集形成火焰而傳輸。從而造成失火。不過只要一旦形成火焰，在火焰?zhèn)鬏斶^程中，即使是相當(dāng)稀混合氣，還是能夠正常燃燒。分層燃燒概念為合理組織燃燒室內(nèi)混合氣分布，即在火花間隙周圍局部形成含有良好著火條件較濃混合氣，空燃比在12~13.4左右；而在燃燒空大部分區(qū)域是較稀混合氣。在二者之間，為了有利于火焰?zhèn)鬏?，混合氣濃度從火花塞開始由濃到稀逐步過渡，即形成所謂分層燃燒系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第48頁

(二)經(jīng)典缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)介紹內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第49頁1、軸向分層燃燒系統(tǒng)2、福特缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(PROCO)3、三菱缸內(nèi)直噴分層充量燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第50頁1、軸向分層燃燒系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)中，由進(jìn)氣形成較強(qiáng)進(jìn)氣渦流，燃油正在進(jìn)氣行程后期經(jīng)過噴油器直接噴入氣缸，從而在氣缸內(nèi)部形成易于點(diǎn)燃濃混合氣，從上至下形成內(nèi)濃到稀分層混合氣。研究表明，這種分層狀態(tài)能夠維持到壓縮行程末期。本田汽車企業(yè)成功地在一臺4氣門發(fā)動機(jī)上經(jīng)過可變進(jìn)氣系統(tǒng)(VTEC-E)實(shí)現(xiàn)了軸向分層燃燒系統(tǒng)，其空燃比到達(dá)22：1，部分負(fù)荷時燃油消耗率降低12%，全負(fù)荷時采取理論空燃比配合EGR，同時采取三效催化轉(zhuǎn)換器，最大功率時將空燃比控制在12.5：1。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第51頁2、福恃缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)(PROCO)福將缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)燃用是化學(xué)計(jì)量比均質(zhì)混合氣，并采取三效催化轉(zhuǎn)換器，采取斜屋頂式活塞頂部及雙頂置凸輪軸，發(fā)動機(jī)壓縮比達(dá)11．5，最大轉(zhuǎn)速6000r／min，利用渦流和滾流進(jìn)行燃油-空氣混合，因燃油在缸內(nèi)蒸發(fā)吸收一部分空氣熱量，使溫度下降，充量系數(shù)提升。這種燃燒系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：

1)因?yàn)橹苯訃娚?，使缸?nèi)充量得到冷卻，能夠使用較大壓縮比。2)與進(jìn)氣管單點(diǎn)噴射式汽油機(jī)相比，因?yàn)樘嵘巳加挽F化質(zhì)量和降低了泵吸損失，低速時功率可增加5%~10%。

3)因?yàn)閴嚎s比提升，部分負(fù)荷燃油消耗率降低5%；因?yàn)榉乐沽巳加驮谶M(jìn)氣管道或近氣門處附著，怠速時燃油消耗率降低12%。

4)若燃用稀混合氣，燃油消耗率可深入下降。

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時HC排放。7)穩(wěn)定工作最大空燃比可達(dá)25：1。

內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第52頁3、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)荷時燃用分層混合氣，全負(fù)荷時燃用均質(zhì)混合氣。采取電磁式低壓旋流噴油器，噴射壓力5MPa以實(shí)現(xiàn)合理燃油霧化、貫通以及油束擴(kuò)散。在高負(fù)荷時，燃油在進(jìn)氣行程早期噴入氣缸形成化學(xué)計(jì)量比或稍濃均質(zhì)混合氣，油束不接觸活塞頂面，燃油蒸發(fā)將使缸內(nèi)充量溫度下降，充量系數(shù)提升，所需辛烷值下降，壓縮比可達(dá)12，發(fā)動機(jī)整體性能顯著提升，同時采取EGR降低NOx排放。三菱缸內(nèi)直噴充量分層燃燒系統(tǒng)是采取縱向直進(jìn)氣口形成缸內(nèi)強(qiáng)烈滾流，其滾流旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r針，這與通常橫向進(jìn)氣口產(chǎn)生缸內(nèi)滾流方向恰好相反。故稱之為反向滾流。燃燒室為半球屋頂形，借助于滾流運(yùn)動形成火花塞周圍濃混合氣，火花塞至燃燒室空間形成由濃至稀混合氣分層現(xiàn)象在部分負(fù)荷時，燃油在壓縮行程后期噴向半球形活塞凹坑，噴到凹坑燃油向火花塞方向運(yùn)動，在缸內(nèi)滾流幫助下在火花塞附近形成濃混合氣，燃燒室空間為整體較稀分層混合氣，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)空燃比可達(dá)40：1，燃油消耗率大幅度降低。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第53頁第四節(jié)壓燃式內(nèi)燃機(jī)燃燒一、著火與燃燒過程二、放熱規(guī)律三、燃燒噪聲四、柴油機(jī)冷開啟性能內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第54頁

一、著火與燃燒過程自壓縮過程末期燃料噴入氣缸，直到排氣門開啟，燃燒產(chǎn)物自氣缸中排出整個燃燒、膨脹時期，燃料在氣缸內(nèi)經(jīng)歷著極為復(fù)雜物理化學(xué)改變過程(它們經(jīng)常是交織在一起向時進(jìn)行)。因?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒過程時間短暫和情況復(fù)雜，即使經(jīng)歷了快要一個世紀(jì)研究，但至今仍不能對其中許多細(xì)節(jié)問題給出明確回復(fù)。圖5—36表示出柴油機(jī)燃燒過程中所進(jìn)行物理化學(xué)改變大致情況。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第55頁內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第56頁主要內(nèi)容（一）著火現(xiàn)象（二）燃燒階段劃分（三）滯燃期內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第57頁燃料噴入燃燒室后，分散成許多細(xì)小油滴，這些細(xì)小油滴經(jīng)過加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散與竄氣混合等物理準(zhǔn)備及分解、氧化等化學(xué)準(zhǔn)備階段后，即自行著火燃燒。我們先從試驗(yàn)中了解單一油滴著火情況。

(一)著火現(xiàn)象內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第58頁圖5—37是一個油滴置于靜止熱空氣中著火情況?？諝鉁囟葹門0

，油滴受空氣加熱本身溫度升高，同時表面開始蒸發(fā)，并向四面擴(kuò)散，與空氣混合。經(jīng)歷一段時間，油粒變小，在油粒外形成一層燃料與空氣混合氣，靠近油粒表面混合氣燃空比較高，因?yàn)檎舭l(fā)需要吸收汽化潛熱，所以這里溫度T較低。伴隨離開油粒表面距離增加，混合氣燃空比降低，溫度升高，圖5—37中曲線分別表示燃空比和溫度改變情況。試驗(yàn)表明，發(fā)怒地點(diǎn)不在燃空比較高油粒表面附近，也不在遠(yuǎn)離油粒表面稀混合氣地方，而是在離開油粒表面一定距離、混合氣燃空比適當(dāng)而溫度足夠高地方，這里反應(yīng)速度w較高.溫度濃度著火必須具備兩個條件內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第59頁1)在形成可燃混合氣中，燃料蒸氣與空氣百分比要在一定范圍內(nèi)，這個范圍稱作著火范圍(或著火界限)。著火界限可用混合氣濃度表示(也可用局部地域過量空氣系數(shù)表示)。因?yàn)榛旌蠚膺^濃，氧分子少，混合氣過稀，則燃料分子少，這兩種情況氧化反應(yīng)速度都不夠，所以混合氣過濃或過稀均超出著火界限，不能著火。著火界限不是一成不變，伴隨溫度升高，分子運(yùn)動速度增加，反應(yīng)速度加緊，將使著火界限擴(kuò)大。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第60頁

2)可燃混合氣必須加熱到某一臨界溫度。低于這一溫度，燃料就不能著火，我們把燃料不用外部點(diǎn)燃而能自己著火最低溫度稱為著火溫度或自燃溫度。對于不一樣燃料，其自燃性能是不一樣。著火溫度在一定程度上反應(yīng)燃料自燃性能，但并不是燃料本身所固有物理常數(shù)。它與介質(zhì)壓力、加熱條件及測試方法等原因相關(guān)。比如，當(dāng)壓力升高時，著火溫度減小(圖5—38)。

內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第61頁

在實(shí)際柴油機(jī)中，燃料著火比上述情況要復(fù)雜。因?yàn)槿剂蠂娙霘飧缀蠓稚⒊纱笮〔灰粯右蝗河土＃土Ｅc空氣有相對運(yùn)動，而氣缸內(nèi)各點(diǎn)溫度也有所差異。即使每個油粒都要經(jīng)歷蒸發(fā)、混合及氧化等物理化學(xué)淮備階段，但準(zhǔn)備時間有長有短，而且相鄰油粒形成混合氣區(qū)域會相互干擾、相互滲透。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第62頁油束著火情況如圖5—39所表示，在油束外圍直徑很小油粒，很短時間就蒸發(fā)完成，這時即使能夠形成有適當(dāng)濃度混合氣區(qū)域，但溫度不夠或化學(xué)準(zhǔn)備不足還來不及使其著火，再經(jīng)歷一段時間，又出于擴(kuò)散作用使混合氣變稀，也難于著火。首先著火地方不在最小油粒地方，而油束關(guān)鍵部分濃度過高也不會首先著火，首先著火地點(diǎn)是在油束關(guān)鍵與外圍之間混合氣濃度和溫度適當(dāng)?shù)胤?。因?yàn)樵跉飧變?nèi)形成適當(dāng)濃度混合氣及溫度條件相同地方不止一個，所以首先著火火核，—般也不止個，而是幾處同時著火，而且柴油機(jī)各個循環(huán)中噴油情況與溫度情況不可能完全相同，從而使各個循環(huán)火核形成地點(diǎn)也不一定相同?；鸷诵纬珊箝_始火焰?zhèn)鬏?，在火焰?zhèn)鬏斶^程中假如遇不到適當(dāng)可燃混合氣如混合氣過濃或過稀，火焰?zhèn)鬏攲⒅兄?。同時，因?yàn)槠渌土；旌蠚庑纬膳c準(zhǔn)備完成，又有新火焰關(guān)鍵和火焰前鋒形成。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第63頁

(二)燃燒階段劃分柴油機(jī)燃燒過程，能夠從不一樣角度用各種方法進(jìn)行研究，如高速攝影、光譜分析、采樣分析等，但最簡便、應(yīng)用最多方法是從展開示功圖上分析燃燒過程。因?yàn)槿剂先紵?，氣缸中壓力和溫度不停升高，它們是反?yīng)燃燒進(jìn)行情況主要參數(shù)。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第64頁經(jīng)典示功圖如圖5—40所表示，曲線ABCDE表示氣缸中進(jìn)行正常燃燒壓力曲線，ABF表示氣缸內(nèi)不進(jìn)行燃燒時純壓縮膨脹曲線，圖中還畫出了噴油嘴針閥升程曲線。依據(jù)燃燒過程進(jìn)行實(shí)際特征，普通把燃燒過程劃分為四個階段。著火延遲階段急燃期緩燃期后燃期第I階段為著火延遲階段(AB段)。在壓縮過程中，氣缸中空氣壓力和溫度不停升高，燃料著火溫度因壓力升高而不停下降。在上止點(diǎn)前A點(diǎn)噴油嘴針閥開啟，向氣缸噴入燃料，這時氣缸中空氣溫度高達(dá)600℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃料在當(dāng)初壓力下自燃溫度，但燃料并不是馬上著火，而是稍有落后，即到B點(diǎn)才開始著火燃燒，壓力才開始急劇升高，B點(diǎn)相當(dāng)于氣體壓力曲線與純壓縮曲線分離地方。從噴油開始(A點(diǎn))到壓力開始急劇升高時(B點(diǎn))為止，這一段時間稱為滯燃期。在滯燃期內(nèi)，噴入氣缸燃料經(jīng)歷一系列物理化學(xué)改變過程，包含燃料霧化、加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散與空氣混合等物理準(zhǔn)備階段以及著火前化學(xué)準(zhǔn)備階段。滯燃期以τi或φi表示，能夠從示功圖上直接測定。第II階段為壓力急劇上升見段，稱為急燃期。在這一階段中，因?yàn)樵跍计趦?nèi)噴入氣缸燃料幾乎一起燃燒，而且是在活塞靠近上止點(diǎn)、氣缸容積較小情況下燃燒，所以氣缸中壓力升高尤其快。普通用平均壓力升高比來表示壓力升高急劇程度。即壓力升高速度決定了柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，假如壓力升高速度太大，則柴油機(jī)工作粗暴，運(yùn)動零件受到很大沖擊負(fù)荷，發(fā)動機(jī)壽命就要降低。為了確保柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，平均壓力升高比不宜超出0.4MPa／[()(CA)]。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第65頁第III階段從壓力急劇升高終點(diǎn)(C點(diǎn))到壓力開始急劇下降D點(diǎn)為止，稱為緩燃期。這一階段燃燒是在氣缸容積不停增加情況下進(jìn)行，所以燃燒必須很快才能使氣缸壓力稍有上升或幾乎保持不變。有些發(fā)動機(jī)在緩燃期內(nèi)燃料仍在繼續(xù)噴射，假如所噴入燃料是處于高溫廢氣區(qū)域，則燃料得不到氧氣，輕易裂解而形成碳煙；假如燃料噴到有氧氣地方，則此時因?yàn)闅飧字袦囟群芨撸瘜W(xué)反應(yīng)很快，滯燃期很短，噴人燃料很快著火燃燒，但這時假如氧氣滲透不充分，過濃混合氣也輕易裂解形成碳煙。所以，在緩燃期內(nèi)假如加強(qiáng)空氣運(yùn)動，加速混合氣形成，對確保在上止點(diǎn)附近快速而完全燃燒有主要作用。第III階段結(jié)束時，燃?xì)鉁囟瓤筛哌_(dá)1700~℃。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第66頁第IV階段從緩燃期終點(diǎn)(D點(diǎn))到燃料基本上完全燃燒時(E點(diǎn))為止，稱為后燃期。在柴油機(jī)中，因?yàn)槿紵查g短促，燃料和空氣混合又不均勻，總有一些燃料不能及時燒完，拖到膨脹線上繼續(xù)燃燒，尤其是在高速、高負(fù)荷時，因?yàn)檫^量空氣少，后燃現(xiàn)象比較嚴(yán)重，有時甚至一直繼續(xù)到排氣過程之中。在后燃期，因活塞正處于下行運(yùn)動，燃料在較低膨脹比下放熱，所放出熱量不能有效利用，并增加了散往冷卻水熱損失，使柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降。另外，后燃增加活塞組熱負(fù)荷以及使排氣溫度增高，所以應(yīng)盡可能降低過后燃燒。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第67頁依據(jù)燃料和空氣混合氣形成特點(diǎn)，柴油機(jī)燃燒過程又可分成以下兩個階段：預(yù)混燃燒階段和擴(kuò)散燃燒階段。在預(yù)混燃燒階段，放熱速率較快，其大小取決于滯燃期中燃油與空氣混合數(shù)量；在擴(kuò)散燃燒階段，放熱速率普通比預(yù)混燃燒慢。主要是因?yàn)檫@時燃燒放熱速率由空氣和燃料形成可燃混合氣速率控制。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第68頁

(三)滯燃期從上面對燃燒過程進(jìn)展情況分析中已經(jīng)看出滯燃期是燃燒過程一個主要參數(shù)，滯燃期即使很短，但對燃燒過程有極大影響，尤其是在空間混合氣形成燃燒系統(tǒng)中影響更大。

滯燃期越長，則在滯燃期內(nèi)噴入燃燒室燃料就越多，在著火前形成可燃混合氣就越多。這些燃料在第II階段中幾乎一起燃燒，使壓力升高比和最高燃燒壓力較高，運(yùn)動零件受到強(qiáng)烈沖擊負(fù)荷，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)粗暴，影響發(fā)動機(jī)使用壽命。假如滯燃期過長，在滯燃期內(nèi)已噴入全部燃料，則隨即燃燒就難以控制，柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速時有可能產(chǎn)生這種情況。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第69頁圖5—41是各種非增壓直噴高速柴油機(jī)最高燃燒壓力和最大壓力升高比與滯燃期關(guān)系。由圖可知，最高燃燒壓力和最大壓力升高比隨滯燃期增加而增加，所以為了能控制燃燒過程，降低柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷并使之運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，應(yīng)該設(shè)法縮短滯燃期，不過，若滯燃期極短，又對混合氣形成不利，反過來又使柴油機(jī)性能惡化。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第70頁影響滯燃期原因很多，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，壓縮溫度和壓力是影響滯燃期主要原因。另外，噴油提前角、轉(zhuǎn)速以及燃料性質(zhì)等對滯燃期也有較大影響。壓縮溫度和壓力對滯燃期影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5—42所表示，縱坐標(biāo)為滯燃期對數(shù)，橫坐標(biāo)是壓縮溫度。伴隨壓縮溫度和壓力提升，滯燃期減小。從圖5—42還能夠看出燃料性質(zhì)對滯燃期影響，十六烷值為50~55柴油與著火性好燃料(十六烷值為70)，在較高壓縮溫度和壓力情況下，它們滯燃期差異較小，伴隨壓縮溫度下降，差異增大。十六烷值高燃料滯燃期較小，而汽油(其十六烷值為15)著火性能較差，所以滯燃期大得多。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第71頁

因?yàn)閴嚎s溫度和壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角而改變，所以噴油定時對滯燃期影響經(jīng)過壓縮溫度和壓力而起作用。假如噴油早，即燃料進(jìn)入氣缸時空氣溫度和壓力較低，使滯燃期長；假如噴油遲，即使初始溫度和壓力升高，但作用時間縮短，可能著火前活塞已開始下行，使空氣溫度和壓力降低，也使滯燃期增加。所以，存在一個使滯燃期最短噴油提前角。試驗(yàn)發(fā)發(fā)覺，對應(yīng)于最短滯燃期噴泊提前角，在高轉(zhuǎn)速時位于上止點(diǎn)前10°~15°

(CA)之間(圖5—43)，而在怠速情況下為上止點(diǎn)前5°

~10°(CA)。為了確保有很好功率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，普通希望在上止點(diǎn)前5°~10°(CA)開始著火燃燒，以確保燃燒在上止點(diǎn)附近完成。所以，取得很好功率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最正確噴油提前角與對應(yīng)于最短滯燃期噴油提前角并不一致，通常最正確噴油提前角是依據(jù)功率和經(jīng)濟(jì)性能來調(diào)整，它要大于滯燃期最短噴油提前角。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第72頁

轉(zhuǎn)速對滯燃期影響是經(jīng)過壓縮壓力、溫度、噴油壓力以及空氣擾動等原因起作用。轉(zhuǎn)速升高時，因?yàn)榻?jīng)過活塞環(huán)漏氣損失及散熱損失減小，使壓縮溫度、壓力增高；轉(zhuǎn)速升高會使噴油壓力有所提升，使燃油霧化得到改進(jìn)，促使著火準(zhǔn)備過程加緊；轉(zhuǎn)速升高使燃燒室中空氣擾動加速，促使燃料蒸發(fā)，不過在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，空氣擾動對滯燃期只有次要影響。轉(zhuǎn)速升高時，上述這些原因都提升混合氣形成速度，使滯燃期減小。如圖5—44所表示，伴隨轉(zhuǎn)速增加，滯燃期τi(以s計(jì))縮短；如以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)，則滯燃期φ=6nτi

，視τi減小程度可能隨轉(zhuǎn)速升高而增加，也可能隨轉(zhuǎn)速升高而減小。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第73頁

柴油機(jī)增壓后，進(jìn)人氣缸空氣充量密度增加，而且隨進(jìn)氣壓力和溫度提升使壓縮終了壓力和溫度升高，這都直接影響燃料著火燃燒條件。圖5—45是增壓壓力對滯燃期影響。由圖可見，伴隨增壓壓力提升，滯燃期顯著縮短。當(dāng)增壓比為2時，不使用中冷器進(jìn)氣溫度約為100℃，但高增壓普通采取中間冷卻，將進(jìn)氣溫度冷卻到40~60℃。在這個溫度范圍內(nèi)，進(jìn)氣溫度改變對縮短滯燃期影響較小(圖5—46)。普通來說，增壓后使滯燃期縮短，減緩早期燃燒速度，使壓力升高比有所降低，但燃燒連續(xù)時間要拉長一些。比如135柴油機(jī)，增壓壓力從0.162MPa增加到0.225MPa時，因?yàn)闇计诳s短，使壓力升高比由0.332MPa／[(°)(CA)]下降到0.216MPa／[(°)(CA)]。

內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第74頁

發(fā)動機(jī)起動時，因?yàn)檗D(zhuǎn)速及氣缸中壓力、溫度較低，混合氣形成情況對滯燃期就有較大影響，所以空氣運(yùn)動、噴嘴結(jié)構(gòu)、燃燒室壁溫等原因在起動條件下就轉(zhuǎn)化為影響滯燃期主要原因了。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第75頁在柴油機(jī)中，燃料燃燒放出熱量一部分傳給工質(zhì)(氣缸中氣體)，使工質(zhì)內(nèi)能增加并對外做功，一部分傳到燃燒室壁上，依據(jù)熱力學(xué)第一定律，有:式中，QB為燃料燃燒放出熱量；Q為工質(zhì)吸收熱量；QW為傳給氣缸壁面熱量；△U為工質(zhì)內(nèi)能改變；W為工質(zhì)對活塞所作機(jī)械功。二、放熱規(guī)律(5-17)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第76頁QB，Q和QW均隨曲軸轉(zhuǎn)角φ改變，將式(5-17)對曲軸轉(zhuǎn)角φ微分，得式中，dQB/dφ為燃料燃燒瞬時燃燒率(或稱放熱率)，dQB/dφ亦隨φ而變，通常將

dQB/dφ隨曲軸轉(zhuǎn)角改變關(guān)系稱為燃燒規(guī)律、放熱規(guī)律或放熱率曲線；dQ/dφ為對工質(zhì)瞬時加熱速率(簡稱加熱率)，將dQ/dφ隨曲軸轉(zhuǎn)角改變關(guān)系稱為加熱規(guī)律；dQw/dφ為工質(zhì)對燃燒室壁面?zhèn)鳠崴俾?簡稱傳熱率)，將dQw/dφ隨曲軸轉(zhuǎn)角改變關(guān)系稱為傳熱規(guī)律；m為工質(zhì)質(zhì)量；u為工質(zhì)比內(nèi)能，P為氣缸中氣體壓力；V為氣缸容積。(5-18)有了一張實(shí)測示功圖，也就是知道了氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角改變關(guān)系：由狀態(tài)方程式計(jì)算缸內(nèi)氣體溫度T,由T和工質(zhì)成份再應(yīng)用相關(guān)公式計(jì)算出工質(zhì)比內(nèi)能，這么就可直接應(yīng)用式(5—30)計(jì)算燃燒放熱率。至于放熱率數(shù)值計(jì)算細(xì)節(jié)，比如對工質(zhì)質(zhì)量處理及比內(nèi)能計(jì)算公式等，可參閱相關(guān)參考書。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第77頁內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第78頁對放熱率計(jì)算精度影響最大原因有：壓力測量精度，上止點(diǎn)位置精度，壓縮比測量精度，燃油質(zhì)量流量和空氣質(zhì)量流量測量精度以及所采取示功圖曲線光順方法等。因?yàn)閭鳠岵糠炙及俜直群苄?，所以也可用加熱?guī)律分析燃燒過程進(jìn)展情況。由式(5-18)知（5-19）內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第79頁氣缸壓力改變率為（5-21）式中，為比熱比；為比定壓熱容；為比定容熱容。由式(5-21)可知，當(dāng)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，氣缸壓力改變特征主要由燃燒規(guī)律(或加熱規(guī)律)所決定。從而燃燒放熱規(guī)律強(qiáng)烈影響平都有效壓力、燃油消耗率、最高燃燒壓力、燃燒噪聲等性能指標(biāo)。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第80頁實(shí)際柴油機(jī)放熱規(guī)律是很復(fù)雜，為了便于分析，假定四個簡單放熱規(guī)律進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5—48所表示。四種放熱規(guī)律都是在上止點(diǎn)開始放熱，而在上止點(diǎn)后40°(CA)結(jié)束，即燃燒連續(xù)時間為40°(CA)。圖中曲線a早期放熱多，壓力快速上升，最高燃燒壓力為8MPa，此時熱效率為52.9%；曲線d早期放熱少，因?yàn)槭窃谌莘e不停增大情況下放熱，放熱使氣體壓力升高小于膨脹使氣體壓力下降，所以壓力反而下降，此時熱效率最小，為45.4%；曲線b、c則介于二者之間。假如放熱規(guī)律相同，而放熱開始時刻或放熱連續(xù)時間不一樣，也可進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算表明，它們對工作過程參數(shù)也有較大影響。假如燃燒連續(xù)時間為40°(CA)，而不論放熱規(guī)律怎樣，皆在其最有利時刻放熱，則熱效率差異很小，只是△p/△φ改變較大。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第81頁開始放熱時刻、放熱規(guī)律、放熱連續(xù)時間。它們對性能影響主要表現(xiàn)在:循環(huán)熱效率、最高燃燒壓力為了降低燃燒噪聲及降低機(jī)械負(fù)荷，希望降低壓力升高比及最高燃燒壓力；而欲使柴油機(jī)有較高熱效率，希望燃料盡可能在上止點(diǎn)附近燃燒。所以，降低燃燒噪聲(使柴油機(jī)工作平穩(wěn))與提升經(jīng)濟(jì)性(使柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行)之間往往發(fā)生矛盾。燃燒過程三要素內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第82頁比較適當(dāng)放熱規(guī)律是希望燃燒先緩后急，即開始放熱要適中，壓力升高比不超出0.4MPa／[(°)(CA)]，以滿足運(yùn)轉(zhuǎn)柔和要求；隨即燃燒要加緊，使燃料盡可能靠近上止點(diǎn)附近燃燒，普通燃燒連續(xù)時間不應(yīng)超出上止點(diǎn)后40°(CA)，以滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)要求。適當(dāng)放熱規(guī)律要求適當(dāng)噴油規(guī)律與之配合，即噴油也要先少后多，需要控制噴油規(guī)律來控制燃燒規(guī)律。辦法：控制噴油始點(diǎn)以控制放熱開始時刻；采取電子控制屢次噴射實(shí)現(xiàn)噴油規(guī)律。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第83頁燃燒噪聲形成：柴油機(jī)在滯燃期內(nèi)噴入氣缸燃料，其滯燃期不一樣，先噴入燃料滯燃期較長，隨即噴入燃料滯燃期較短(因氣缸中空氣壓力、溫度不停升高)，所以往往是多處著火，一旦著火，就有較多燃料參加燃燒，燃燒是沖擊性，使燃燒早期壓力急劇升高。急劇升高壓力直接使燃燒室壁面及活塞曲軸零件產(chǎn)生強(qiáng)烈振動，并經(jīng)過氣缸壁面?zhèn)髦镣獠?，從而形成燃燒噪聲。三、燃燒噪?/p>

內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第84頁

燃燒噪聲與壓力升高比有親密關(guān)系，假如壓力升高比過大，則產(chǎn)生強(qiáng)烈震音，我們稱這種現(xiàn)象為柴油機(jī)工作粗暴(或敲缸)。普通當(dāng)壓力升高比在0.5MPa／[(°)(CA)]以上，就顯著感到有強(qiáng)烈震音。為了確保柴油機(jī)穩(wěn)靜運(yùn)轉(zhuǎn)，希望壓力升高比控制在0.4MPa／[(°)(CA)]以下。另外，壓力升高比過大，使柴油機(jī)運(yùn)動零件受到強(qiáng)烈沖擊負(fù)荷，從而降低使用壽命。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第85頁內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第86頁降低燃燒噪聲根本辦法是適當(dāng)降低壓力升高比，而壓力升高比取決于滯燃期和在滯燃期內(nèi)形成可燃混合氣數(shù)量，所以降低燃燒噪聲主要路徑有下述三個。1、縮短滯燃期2、減小滯燃期內(nèi)噴油量

3、降低滯燃期內(nèi)形成可燃混合氣數(shù)量降低燃燒噪聲辦法內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第87頁1、縮短滯燃期如選取十六烷值高燃料，在燃燒室內(nèi)造成著熾熱區(qū)等。圖5-50是在相同噴油提前角下燃燒不一樣燃料展開示功圖。由圖可見，十六烷值高燃料，壓力升高平緩，最高燃燒壓力也低。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第88頁2、減小滯燃期內(nèi)噴油量使早期燃燒油量降低，從而使壓力升高比和最高壓力減小。欲減小早期噴油量，就要求早期噴油速率小，但整個噴油連續(xù)時間又不得拉長，不然影響經(jīng)濟(jì)性。在大型低速柴油機(jī)上，能夠用雙凸起油泵凸輪，使早期噴油量降低，對運(yùn)行穩(wěn)定性有一定改進(jìn)。另外，還可采取引導(dǎo)噴射(PilotInjection)，又稱二級噴射，即在壓縮行程后期，在主噴射之前先噴入一定燃油量，用這種方法來到達(dá)噴油量先少后多并可縮短主噴射期燃油著火延遲，降低燃燒噪聲。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第89頁柴油機(jī)怠速敲缸柴油機(jī)冷起動或怠速時，氣缸中溫度較低，燃料滯燃期較長，此時潤滑油粘度較高，柴油機(jī)摩擦損失較大，盡管無負(fù)荷，每循環(huán)噴油量仍相當(dāng)大，所以壓力升高比也較大，產(chǎn)生較強(qiáng)震音。這種噪聲是在低速運(yùn)轉(zhuǎn)特殊條件下產(chǎn)生，普通稱怠速敲缸。伴隨轉(zhuǎn)速升高及帶負(fù)荷運(yùn)行，柴油機(jī)熱狀態(tài)正常，怠速噪聲即自行消失。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第90頁

四、柴油機(jī)冷起動性能不加特殊冷起動辦法(比如加裝電熱塞、起動液、進(jìn)氣空氣預(yù)熱等)，大致均可在10~-5℃環(huán)境下順利起動，但溫度再低，起動就會困難。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第91頁柴油機(jī)低溫開啟困難原因1)氣缸內(nèi)壓縮始點(diǎn)溫度下降、氣缸壁傳熱增大以及因?yàn)槠饎愚D(zhuǎn)速低而引發(fā)漏氣量增加，從而使壓縮終點(diǎn)溫度、壓力下降。2)低溫時燃料粘性增大、起動轉(zhuǎn)速低，使燃料蒸發(fā)和霧化均惡化形成。3)潤滑油粘度增加，蓄電池性能下降等。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第92頁實(shí)踐證實(shí)，要使柴油機(jī)順利起動，必須滿足以下條件：1)壓縮溫度必須足夠高，即。為在氣缸內(nèi)某種燃料有可能開始著火最低臨界溫度；為燃料自燃溫度。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第93頁

2)必須形成易于著火混合氣。柴油機(jī)有一最正確最低起動轉(zhuǎn)速存在，此時起動功率消耗最少，又能確保順利起動（為何？）對圖5-50直噴式高速柴油機(jī)，要在-10~-20℃環(huán)境下順利起動，對應(yīng)起動轉(zhuǎn)速大約在175~200r／min之間；對于缸徑較小Vh=1-2L柴油機(jī)，對應(yīng)起動轉(zhuǎn)速要提升到200~300r／min左右。增加每循環(huán)供油量，從而使燃料蒸發(fā)數(shù)量增加，也會改進(jìn)起動性能，圖上曲線1表示全供油量情況，曲線2表示增大每循環(huán)供油量情況。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第94頁因?yàn)榈蜏仄饎訒r首先著火燃料主要是柴油中輕餾分部分，再加上，pc、Tc均低，所以滯燃期很長，使起動時最高暴發(fā)壓力和壓力升高比要比全負(fù)荷時值還高(圖5-54)。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第95頁第五節(jié)壓燃式內(nèi)燃機(jī)燃燒室混合氣形成和燃燒與燃燒室有親密關(guān)系，假如燃燒室設(shè)計(jì)不好，則燃油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)也難以與其配合得到良好性能指標(biāo)。在改進(jìn)燃燒系統(tǒng)時，也往往從燃燒室形狀、尺寸著手。依據(jù)混合氣形成和燃燒室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，壓燃式內(nèi)燃機(jī)燃燒室基本上分為兩大類：直接噴射式燃燒室和分隔式燃燒室。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第96頁燃燒室分類對于直接噴射式柴油機(jī)，按燃燒室形狀、氣流運(yùn)動和燃油噴射方式又可組成各種燃燒系統(tǒng)；按燃燒室深淺不一樣，直噴式燃燒室又可分為淺盆形和深坑形兩類；按氣流運(yùn)動則又可分為無渦流直噴式和有渦流直噴式兩種。普通來說，氣缸直徑越大，燃燒室就越淺。淺盆形燃燒室不組織進(jìn)氣渦流或利用弱進(jìn)氣渦流，而深坑形燃燒室普通都組織進(jìn)氣渦流。分隔式燃燒室慣用有：渦流室和預(yù)燃室。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第97頁一、淺盆形燃燒室(一)混合氣形成特點(diǎn)(二)燃燒有效組織內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第98頁整個燃燒室是由氣缸蓋底平面、活塞頂面及氣缸壁所形成統(tǒng)一容積，如圖5-55所表示。燃油直接噴人氣缸，混合氣形成是空間混合。

(一)混合氣形成特點(diǎn)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第99頁淺盆形燃燒室混合氣形成特點(diǎn)1)混合氣形成主要靠燃油噴散霧化，對噴霧質(zhì)量要求高，為此采取多孔噴嘴，孔數(shù)較多，為6~12個；噴孔直徑很小，在0.2~0.4mm之間；針閥開啟壓力較高，為20~40MPa，最高噴油壓力甚至高達(dá)180MPa以上。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第100頁淺盆形燃燒室混合氣形成特點(diǎn)2)要求油束與燃燒室形狀相配合，燃料要盡可能地分布到整個燃燒室空間。四沖程柴油機(jī)般是在活塞頂上做成淺形狀或淺盆形與油束配合，并防止油束直接接觸氣缸壁，因?yàn)闅飧妆跍囟容^低，燃油噴到氣缸壁上不但不能快速蒸發(fā)燃燒，而且燃油可能沿缸壁流入曲軸箱，稀釋潤滑油并使它變質(zhì)。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第101頁淺盆形燃燒室混合氣形成特點(diǎn)3)燃澆室中普通不組織空氣渦流運(yùn)動，依靠油束擴(kuò)展促使燃油與空氣混合如圖5-56所表示。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第102頁淺盆形燃燒室混合氣形成特點(diǎn)4)燃燒室基本上是一個空間，形狀簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，相對散熱面積小(為燃燒室表面積，為燃燒室容積)，傳熱損失??；又因?yàn)槿紵抑胁唤M織氣流運(yùn)動，無節(jié)流損失，所以淺盆形燃燒室最大優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性好，輕易起動。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第103頁淺盆形燃燒室混合氣形成特點(diǎn)5)因?yàn)槭蔷鶆蚩臻g混合，在滯燃期內(nèi)形成可燃混合氣較多，所以最高燃燒壓力及壓力升高比較高，工作粗暴；而且燃燒直接在活塞頂上進(jìn)行，使運(yùn)動零件直接承受較大機(jī)械負(fù)荷，燃燒室溫度高也輕易冒煙和產(chǎn)生較多NOx。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第104頁淺盆形燃燒室混合氣形成特點(diǎn)6)對轉(zhuǎn)速和燃料較敏感，因?yàn)閲婌F質(zhì)量隨轉(zhuǎn)速而變，轉(zhuǎn)速降低，燃油霧化質(zhì)量變差，而燃料品質(zhì)改變也會影響混合氣形成和燃燒，如燃油粘度大，則燃料霧化不好，使滯燃期增加，dp/dφ增大。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第105頁淺盆形燃燒室混合氣形成特點(diǎn)7)過量空氣系數(shù)較大，普通1.6~2.2。這是因?yàn)榛旌蠚庑纬芍饕繃婌F質(zhì)量，為了確保燃燒，需要用較大過量空氣系數(shù)；另外，大型發(fā)動機(jī)普通都采取增壓，缸徑大加之增壓，使每循環(huán)供油量較大，而相對散熱面積Fk/Vk又較小，所以燃燒室熱負(fù)荷較高。為了減輕熱負(fù)荷，也需要過量空氣系數(shù)用得較大一些。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第106頁淺盆形燃燒室混合氣形成特點(diǎn)由上可見，大型柴油機(jī)應(yīng)用淺盆形燃燒室，燃燒本身問題不大，而且伴隨缸徑增大和增壓比提升，煙度、dp/dφ、pz/pme和NOx均相對減小，優(yōu)點(diǎn)能充分發(fā)揮出來，而缺點(diǎn)并不突出，因而對這類柴油機(jī)主要處理熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷、燃油系統(tǒng)及高增壓問題。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第107頁

(二)燃燒有效組織因?yàn)闇\盆形燃燒室普通不組織氣流運(yùn)動，因而工作過程組織關(guān)鍵是燃油噴射和燃燒室形狀之間求得合理配合。影響淺盆形燃燒室性能主要原因是：供油規(guī)律、供油連續(xù)角、油束霧化質(zhì)量、油束數(shù)目和射程、噴霧錐角、燃燒室形狀、壓縮比、供油提前角、配氣相位等內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第108頁

(二)燃燒有效組織1、燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸2、供油系統(tǒng)3、空氣渦流內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第109頁1、燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第110頁2、供油系統(tǒng)(1)柱塞直徑和柱塞平均速度(2)噴孔直徑、數(shù)目和噴射角度內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第111頁(1)柱塞直徑和柱塞平均速度伴隨發(fā)動機(jī)每循環(huán)供油量增加，(一船希望供油連續(xù)角小于40)，普通采取大柱塞直徑，提升凸輪供油段平均速度以及對應(yīng)增大噴孔總有效面積方法來改進(jìn)全負(fù)荷性能，不過這些方法對低負(fù)荷或空車性能是不利，因?yàn)檫@時供油系統(tǒng)每循環(huán)供油均勻性和工作穩(wěn)定性較差，因而在選取供油系統(tǒng)參數(shù)時必須兼顧兩種要求。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第112頁(2)噴孔直徑、數(shù)目和噴射角度

噴口數(shù)目及孔徑對燃油在燃燒室中分布有很大影響。為了使燃料能噴到足夠遠(yuǎn)地方，油束要有一定射程。在噴孔總面積不變情況下，噴口數(shù)目降低，油束射程增加，但霧化不好，油滴平均直徑較大，油滴間空氣利用率不好，性能不良；假如噴孔數(shù)目多，噴霧變細(xì)，同時著火燃燒燃油增多，使壓力快速升高，工作粗暴，所以從改進(jìn)燃油霧化和分布情況來提升經(jīng)濟(jì)性，普通會帶來工作組暴后果。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第113頁

二、深坑形燃燒室(一)混合氣形成特點(diǎn)(二)燃燒室設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第114頁(一)混合氣形成特點(diǎn)淺盆形燃燒室即使有經(jīng)濟(jì)性好、易于起動優(yōu)點(diǎn)，但在小型高速柴油機(jī)上應(yīng)用就會碰到許多問題。因?yàn)樾⌒透咚俨裼蜋C(jī)轉(zhuǎn)速高(有高達(dá)4000r／min)，混合氣形成和燃燒時間極短，每循環(huán)供油量又很小，單靠霧化混合，則必須將噴孔直徑做得很小，噴油壓力很高，使燃油系統(tǒng)制造困難。因?yàn)檗D(zhuǎn)速高，為了取得很好性能指標(biāo)，就要求在較小過量空氣系數(shù)時有很好燃燒過程。顯然淺盆形燃燒室達(dá)不到這一要求，于是出現(xiàn)了有渦流深坑形燃燒室。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第115頁

如圖所表示，將活塞頂上凹坑加深，凹坑口徑縮小，這么燃燒室基本上分成兩個空間：活塞中燃燒室容積及活塞頂上余隙容積，采取4~6孔多孔噴油器，噴孔直徑較大(0.35mm左右)。混合氣形成首先利用一定噴霧質(zhì)量，首先組織進(jìn)氣渦流及形成擠流促進(jìn)混合氣形成和燃燒。深坑形燃燒室對燃油系統(tǒng)要求較低。因?yàn)槔眠M(jìn)氣渦流加強(qiáng)混合氣形成，使空氣利用率大大提升，普通過量空氣系數(shù)為1.3~1.5，并保持燃油消耗率低和起動輕易優(yōu)點(diǎn)，所以在小型高速柴油機(jī)上取得廣泛應(yīng)用。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第116頁(二)燃燒室設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)1、燃燒室形狀2、燃燒室尺寸3、燃燒室布置4、燃燒室、油束和渦流強(qiáng)度配合5、噴油嘴伸出氣缸蓋距離6、提升噴油率，縮短噴油連續(xù)期7、提升噴油壓力8、利用湍流內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第117頁1、燃燒室形狀深坑形燃燒室形狀很多，但應(yīng)用最多是ω形燃燒室，其中又有各種變型，如圖5-61a、b所表示。燃燒室底部中心有一個凸起，目標(biāo)是想幫助形成擠流，并使燃燒室形狀與油束配合，將空氣集中在油束附近，方便更加好地利用燃燒室中空氣有燃燒室做成平底(如圖5-61c)，方便于加工。圖5—61d為橢圓形燃燒室，主要用于小缸徑農(nóng)用柴油機(jī)上，其喉口直徑較小以加強(qiáng)擠流作用，混合氣形成主要靠擠流，能夠使用單孔軸針式噴油嘴。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第118頁2、燃燒室尺寸燃燒室主要結(jié)構(gòu)尺寸是喉口直徑dk及深度h。dk與h基本上決定了燃燒室容積Vk。對性能影響較大結(jié)構(gòu)參數(shù)是相對容積比Vk/Vc(Vc為壓縮室容積)及喉口直徑與氣缸直徑之比

dk/DVk/Vc要盡可能大,普通Vk/Vc=0.75~0.85dk/D要適當(dāng)，要與油束射程配合。普通dk/D＝0.4~0.6，dk/h＝1.5~3.5。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第119頁3、燃燒室布置四沖程柴油機(jī)深坑形燃燒室總是布置在活塞上，這么燃燒室表面不與冷卻水直接接觸，能夠降低散熱損失。對于四氣門發(fā)動機(jī)，燃燒室布置與噴油嘴及氣缸在同—軸線上，這么對稱布置使熱流、氣流都較均勻，油束貫通度與噴孔到燃燒室壁面之間距離易于優(yōu)化匹配，有利于提升發(fā)動機(jī)性能與降低排放。對于二氣門發(fā)動機(jī)、因?yàn)檫M(jìn)、排氣門布置，往往不得不將燃燒室、噴油嘴及氣缸三者中心線相互錯開。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第120頁4、燃燒室、油束和渦流強(qiáng)度配合

燃燒室尺寸、油束射程及渦流強(qiáng)度之間配合，影響燃料空間分布和壁面分布百分比及油束落點(diǎn)位置，從而影響混合氣形成和燃燒過程。當(dāng)燃燃燒室口徑較小，油束射程較大(噴油壓力高、噴孔數(shù)目少及噴孔直徑大等，都可使油束射程增加)而進(jìn)氣渦流較弱時，就有相當(dāng)多燃油直接噴到燃燒室壁上。假如進(jìn)氣渦流較強(qiáng)，或者燃燒室口徑較大，油束射程較小，則噴到壁面上燃油降低，甚至油束達(dá)不到壁面，這時空間分布燃料增多。深坑形燃燒室是以空間混合為主，普通應(yīng)確保在進(jìn)氣渦流作用下，油束仍有足夠射程。使燃油沖擊壁面，并能反彈出來，造成燃油再分布，以此促進(jìn)混合和燃燒。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第121頁油束與燃燒室壁碰撞程度可用所謂穿透率ζ表示，即ζ=L/L’式中，L為計(jì)算著火時刻油束射程；L’為噴油嘴噴孔至燃燒室壁面直線距離。為了增加油束射程，可將噴孔直徑加大，噴孔數(shù)目降低。深坑形燃燒室普通采取4~6個噴孔，其中采取4孔噴油嘴最多，噴射角度在140~160之間。噴孔數(shù)目降低，油束間間隔增大，但在渦流作用下確保快速混合，油束間空氣仍能充分利用。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第122頁圖5-64是穩(wěn)流試驗(yàn)所得平均渦流強(qiáng)度對性能影響。圖中1%、2%損失是因渦流不足或渦流過強(qiáng)而使燃油消耗率增高百分?jǐn)?shù)。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第123頁如果渦流過弱，混合氣形成和燃燒不好，性能下降；如果渦流過強(qiáng)，一方面增加熱損失，其次使相鄰油束之間發(fā)生干擾，即從渦流上游方向吹來燃燒產(chǎn)物會妨礙位于下游油束充分燃燒，也要使性能下降，所以對于每一工況有一最佳渦流強(qiáng)度。最正確渦流強(qiáng)度隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高而降低。對于車用發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)速改變范圍較大，渦流強(qiáng)度選擇也要顧及部分工況性能。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于鑄造進(jìn)氣道，最正確拆衷平均渦流比在2.5~3.5之間。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第124頁5、噴油嘴伸出氣缸蓋距離

噴油嘴伸出氣缸蓋底平面距離h(圖5-65)影響油束與燃燒室及氣流配合，從而對性能有顯著影響。噴油嘴伸出距離h過小，則燃油噴在燃燒室上方，油束可能落在活塞頂面上；h過大，則油束落在燃燒室底部，而且噴油嘴在喉口處受熾熱燃?xì)鉀_刷，熱負(fù)荷較高，輕易燒壞卡死。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第125頁5、噴油嘴伸出氣缸蓋距離對于某一燃燒室，在一定氣流強(qiáng)度下，有一個適當(dāng)伸出高度，伸出高度可由墊片厚度來調(diào)整。通常噴油嘴伸出距離以3mm左右為最正確，圖5-66是135柴油機(jī)試驗(yàn)結(jié)果。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第126頁6、提升噴油率，縮短噴油連續(xù)期噴油率普通以單位氣缸工作容積每度曲軸轉(zhuǎn)角供油量表示，噴油率應(yīng)與穿透率以及渦流強(qiáng)度等原因相配合。對于穿透率適當(dāng)深坑形燃燒室，采取提升噴油率縮短噴油連續(xù)時間，能夠增強(qiáng)混合氣形成速率。為此，全負(fù)荷時噴油連續(xù)期不應(yīng)大于25，普通取為15~20，將燃燒連續(xù)期控制在40內(nèi)。假如穿透率過大，油束個液體燃料與燃燒室壁相碰，一部分燃油滯留在燃燒室壁上，此時若增加噴油率，只是增加油膜厚度而己。在這種情況下，只有適當(dāng)加大渦流比，才能有效地增加混合氣形成速率。普通可采取增大柱塞直徑，改變油泵凸輪廓線形狀或合理選擇凸輪表面工作段等辦法來提升噴油率。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第127頁7、提升噴油壓力在中等缸徑(D＝120~160mm)高速車用柴油機(jī)上，除了大量采取上述強(qiáng)渦流中等噴射壓力深坑形燃燒室外，還有采取無渦流高壓噴射淺盆形燃燒室，二者均表現(xiàn)出各自優(yōu)缺點(diǎn)。柴油機(jī)燃燒情況主要取決于混合氣生成速率，混合過程所需能量來自噴射到燃燒室中燃油和空氣動能。提升噴油壓力使燃油流速增加，從而得到較高燃油與空氣之間相對速度，噴油細(xì)化，蒸發(fā)速度加緊，并使混合氣形成愈加均勻，從而能夠降低對空氣渦流要求，使充量系數(shù)增加，所以近年來在中、小型高速直噴式柴油機(jī)上也有提升噴油壓力趨勢，最高噴油壓力已達(dá)140~150MPa左右。因?yàn)樽罡邍娪蛪毫Τ霈F(xiàn)是瞬時，所以應(yīng)用平都有效噴油壓力(即在噴油連續(xù)期內(nèi)，經(jīng)過噴孔平均壓降)來判斷更為合理。試驗(yàn)證實(shí)，伴隨平都有效噴油壓力提升，燃油消耗率和煙度下降，但燃燒噪聲因?yàn)閴毫ι弑仍黾佣兴嵘?。?nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第128頁8、利用湍流關(guān)于湍流對柴油機(jī)燃燒影響，當(dāng)前存在著不一樣觀點(diǎn)，有些人認(rèn)為湍流對燃燒有很大影響，主張研究湍流氣道；有些人則認(rèn)為湍流對柴油機(jī)燃燒影響不大，進(jìn)氣過程中形成湍流無法保持到壓縮行程末期。下面介紹小松105系列柴油機(jī)MTCC燃燒室(MicroTurbulenceCombustionChamber)，它是一個湍流燃燒室。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第129頁圖5-67a是其結(jié)構(gòu)示意圖，凹坑上部為四角形，下部為圓形，上下部連接處經(jīng)切削加工，過渡圓滑。設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是利用湍流來增加擴(kuò)散燃燒階段混合速率，方便推遲噴油提前角，使預(yù)混合燃燒階段放熱尖峰減小，NOx下降，使燃油消耗率和NOx矛盾得到處理。圖5-67b是燃燒室內(nèi)空氣運(yùn)動示意圖，進(jìn)氣渦流在燃燒室上部和下部產(chǎn)生大渦流A和C，在四角部分產(chǎn)生小渦流，小渦流旋轉(zhuǎn)方向與大渦流相反，因而在交界處存在速度差，這就是湍流源，而且大則大渦流強(qiáng)度大，小渦流強(qiáng)度小，尖角處渦流極不穩(wěn)定，形成以后很快被主流帶走，在主流中成為擾動關(guān)鍵。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第130頁在燃燒室縱剖面上，四角形凹坑和圓形凹坑交界面上，一方面燃燒室底部氣流旋轉(zhuǎn)速度高(原因是先進(jìn)入氣缸空氣流速最大，在壓縮過程中來不及均勻混合，使燃燒室上、下部存在速度差)；其次，燃燒室上部氣流旋轉(zhuǎn)受到四角形阻礙，使旋轉(zhuǎn)速度下降，因而在交界面上也存在著氣流速度差，這又是一個湍流源。燃油油束對著交界面噴射，它最先經(jīng)過低速大渦流區(qū)，然后經(jīng)過湍流區(qū)，最后到達(dá)下部高速大渦流區(qū)。由于油束直接噴向交界面，所以經(jīng)過湍流區(qū)時間最長、油氣混合最好，加上這種燃燒室內(nèi)到處存在渦流，空氣運(yùn)動充分，能保證獲得較高燃燒效率。與常規(guī)深坑形燃燒室相比，燃油消耗率下降，煙度下降，在低速時性能改善尤為明顯。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第131頁三、球形油膜燃燒方式結(jié)構(gòu)混合氣形成優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)與空間霧化混合方式比較內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第132頁1、結(jié)構(gòu)球形油膜燃燒室是在活塞上，形狀為球形，如圖5-68所表示。球形燃燒室是屬于深坑形燃燒室一個，但其混合氣主要是油膜蒸發(fā)混合形成。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第133頁將燃油順氣流方向沿燃燒室壁面噴射，在強(qiáng)烈進(jìn)氣渦流作用下，將燃油攤布在燃燒室壁上，形成一層很薄油膜。燃燒室壁溫控制在200~350℃，使噴到壁面上燃料在比較低溫度下蒸發(fā)，以控制燃料裂解反應(yīng)。蒸發(fā)油氣與空氣混合形成均勻混合氣，從油束中分散出來一小部分燃料是極細(xì)油霧，在熾熱空氣中首先完成著火準(zhǔn)備，形成火核，然后靠此火核點(diǎn)燃從壁面巳蒸發(fā)形成可燃混合氣。伴隨燃燒進(jìn)行，大量熱量輻射在油膜上，使油膜加速蒸發(fā)，不停提供新鮮混合氣，確?？焖俚厝紵?、混合氣形成內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第134頁球形燃燒室采取油膜蒸發(fā)混合最顯著效果是：發(fā)動機(jī)工作柔和，燃燒噪聲小，排煙少，性能指標(biāo)好。當(dāng)前非增壓球形油膜燃燒室發(fā)動機(jī)平都有效壓力可達(dá)0.88~0.98MPa，過量空氣系數(shù)己降低到1.1，燃油消耗率可達(dá)．最高燃燒壓力與平都有效壓力之比＝6。另外，球形油膜燃燒室便于使用輕質(zhì)燃料，從柴油機(jī)到汽油機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。3、優(yōu)點(diǎn)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第135頁1)冷起動比較困難，這是因?yàn)榭臻g霧化燃料少，起動時燃燒室壁溫低，壁面蒸發(fā)混合少，對起動不利。

2)對負(fù)荷突變反應(yīng)慢，主要是空氣渦流跟不上。

3)低負(fù)荷時冒藍(lán)煙，HC大量增加。

4)高、低速性能差異大。

5)對增壓適應(yīng)性差，因每循環(huán)供油量增大將使油膜變厚，影響混合氣形成速率。6)在大缸徑上應(yīng)用困難。因?yàn)楫?dāng)缸徑增大時，每循環(huán)供油量增多，而燃燒室相對表面積減小，使油膜變厚，影響混合氣形成速率。當(dāng)前球形燃燒室應(yīng)用缸徑在75~130mm范圍內(nèi)。4、缺點(diǎn)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第136頁兩種混合方式特點(diǎn)空間霧化混合油膜蒸發(fā)混合1大部分燃料噴射霧化，分布到空氣中利用強(qiáng)烈空氣旋流將大部分燃料涂布到壁面上2燃料在空氣中是細(xì)小油滴燃料在壁面上形成油膜3細(xì)小油滴與熱空氣混合形成不均勻混合氣，然后小油滴高溫下蒸發(fā)（液相混合）油膜受壁面溫度在較低溫度下蒸發(fā)，然后燃料蒸發(fā)與空氣混合，形成均勻混合氣（氣相混合）4在著火延遲期間形成可燃混合氣數(shù)量較多，多處著火散布在空氣少許霧化燃油局部著火5燃燒開始時放熱速度很高，以后逐步減慢早期放熱速率不高，而伴隨燃燒進(jìn)行，火焰輻射使蒸發(fā)增強(qiáng)加上熱力混合作用，中、后期燃燒速度很高內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第137頁四、渦流室燃燒室(一)混合氣形成(二)渦流室設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第138頁(一)混合氣形成及特點(diǎn)1、結(jié)構(gòu)要素2、混合氣形成3、渦流室柴油機(jī)主要特點(diǎn)內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第139頁1、結(jié)構(gòu)要素渦流室燃燒室結(jié)構(gòu)如圖5-69所表示，整個壓縮容積分為兩部分：一部分在氣缸蓋與活塞頂之間，稱為主燃燒室；另一部分容積在氣缸蓋上，形狀呈球形或圓柱形等，稱為渦流室。二者之間用一個或數(shù)個通道相連，通道方向與活塞頂成一定角度并與渦流室相切。渦流室容積約占整個壓縮容積50%~80%，連接通道面積普通為活塞面積1.2%~3.5%。噴油嘴安裝在禍流室內(nèi)，燃油順渦流方向噴射。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第140頁2、混合氣形成燃燒后T、p提升膨脹燃燒壓縮壓縮產(chǎn)生壓縮渦流，混合著火膨脹，產(chǎn)生二次渦流，深入混合、燃燒內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第141頁渦流室柴油機(jī)主要特點(diǎn)混合氣形成和燃燒主要是利用有組織強(qiáng)烈壓縮渦流，所以對噴霧質(zhì)量要求不高，—般采取軸針式噴油嘴，噴油壓力較低。因?yàn)閴嚎s渦流隨轉(zhuǎn)速升高而加強(qiáng)，所以在轉(zhuǎn)速較高時仍能確保很好混合質(zhì)量?；旌蠚庑纬少|(zhì)量對轉(zhuǎn)速改變不敏感；又因?yàn)闇u流室是偏離氣缸中心線布置，而噴油嘴也隨渦流室偏置，使氣門布置位置充裕，進(jìn)氣門直徑能夠做得較大，即使轉(zhuǎn)速較高，仍可取得較高充量系數(shù)；所以，渦流室適合用于高轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)中，當(dāng)前轉(zhuǎn)速可高達(dá)5000r／min。因?yàn)橛袕?qiáng)烈壓縮渦流確保很好混合質(zhì)量，使渦流室發(fā)動機(jī)中空氣能較充分利用，所以過量空氣系數(shù)較小，平都有效壓力較高。早期燃燒在渦流室進(jìn)行，所以，壓力升高比較小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。渦流室相對散熱面積較大，而且又直接與冷卻水接觸，使散熱損失較大；在渦流室發(fā)動機(jī)中，氣體經(jīng)過通道流動，節(jié)流損失也較大，所以使冷起動困難，燃油消耗率較高，普通be=258~286g/(kW.h)，比直噴式柴油機(jī)通常要高出10%~15%。因?yàn)橹魅紵易罡邷囟认鄬^低，所以可降低NOx排放量，另外，HC和微粒排放量均比直噴式柴油機(jī)低。內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒第142頁(二)渦流室設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)1、渦流室形狀2、連