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1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2第三节点燃式内燃机的燃烧室(1)经济性好。（ηit，bi或ηr）(2)燃烧放热率曲线等容度高。(3)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。max(/)bdxd一、点燃式内燃机的燃烧室(一)燃烧室设计的一般要求相对热效率：指示效率ηi与等容循环理论热效率ηt之比。ηr=ηi/ηt'/bdxdf曲线下的面积形心的位置越靠近上止点越好平均指示压力的循环变动mip10%mioimepmipCVp3第三节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(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。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。上述要求中有些是相互促进的，有些是相互矛盾的。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。4第三节点燃式内燃机的燃烧室一、点燃式内燃机的燃烧室(二)燃烧室设计要点燃烧室的设计要点压缩比燃烧室面容比火花塞位置与性能燃烧室的优化途径燃烧室内气流运动5一、点燃式内燃机的燃烧室(二)燃烧室设计要点1、压缩比压缩比↑汽油机的功率与经济性↑爆燃的限制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——设计紧凑的燃烧室——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。6一、点燃式内燃机的燃烧室(二)燃烧室设计要点1、压缩比压缩比提高的危害：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。未燃HC增加，NOx增加7一、点燃式内燃机的燃烧室(二)燃烧室设计要点2、燃烧室面容比F／V面容比（F/V）值小,则结构紧凑。F/V——燃烧室表面积与其容积之比。优点：1）火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比。2）相对散热损失小，热效率高。3)熄火面积小，HC排量小。82、燃烧室面容比F／V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。9(二)燃烧室设计要点3、火花塞位置及其性能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。特制形状的燃烧弹中的试验：圆锥形底部点火开始燃烧速率大，后期缓慢；圆锥形顶部点火开始缓慢，后期快速燃烧；圆柱形（楔形燃烧室）（浴盆形燃烧室）介于两者之间10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。(二)燃烧室设计要点3、火花塞位置及其性能11(二)燃烧室设计要点3、火花塞位置及其性能确定火花塞位置时，应考虑以下几个方面：1）应使火焰传播距离短，如火花塞布置在燃烧室中央。2）使末端气体受热减少，如火花塞布置在排气门附近。3）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。4）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。12(二)燃烧室设计要点4、燃烧室内的气流运动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。进气涡流挤流13燃烧室的设计首先是选择燃烧室最佳几何形状。最佳几何形状将使发动机受益最大，损失最小。半球形或单坡屋顶式(用于缸内直喷式)缸头的燃烧室，使火焰前锋表面积迅速接近于最大值(燃烧迅速)，与燃气接触的表面积又最小(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。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。(二)燃烧室设计要点5、燃烧室的优化途径14第三节点燃式内燃机的燃烧室一、点燃式内燃机的燃烧室(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15(三)典型燃烧室1、楔形燃烧室结构较紧凑，火焰传播距离较短；气门倾斜6－30，使得气道转弯小，这种燃烧室气门直径较大，所以充气性能好；有一定的挤气面积，并且末端混合气冷却作用较强，故压缩比可达9.5－10.5；有较高的经济性、动力性。火花塞布置在楔形高处，对着进、排气门之间，有利于新鲜混合气扫除火花塞附近的废气，低速、低负荷性能稳定。优点：16(三)典型燃烧室1、楔形燃烧室曾是车用汽油机采用比较广泛的一种，但由于这种燃烧室进、排气门只能单行排列，采用多气门机构困难，故高性能轿车汽油机上较少应用。缺点：由于混合气过分集中在火花塞处，使得初期燃烧速度大，△p/△φ值较高，工作粗暴，NOx排出量较高；挤气面积内存在熄火现象，废气中HC的含量较多，应控制挤气面积。应用：17(三)典型燃烧室2、浴盆形燃烧室优点：△p/△φ值低，工作柔和，NOx的排放量较少，工艺性好。我国6100Q汽油机、BJ212汽油机采用。缺点：具有一定的挤气面积，但挤流效果差；F／V较大，火焰传播距离较大，燃烧速度较低，使整个燃烧时间长，经济性能、动力性能不高，HC排量多。应用：18(三)典型燃烧室3、碗形燃烧室优点：缺点：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。燃烧室表面光滑，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。19(三)典型燃烧室3、碗形燃烧室若压缩比低而用大的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。较合适的比例是：εc=9，S／D＝1；εc=7；S／D＝0.7；εc=11，S／D＝1.25。碗形燃烧室要有恰当的S／D与压缩比之间的比例。20(三)典型燃烧室3、碗形燃烧室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。21(三)典型燃烧室4、半球形燃烧室优点：结构紧凑，火花塞位于中间，火焰传播距离是最短的；进排气门倾斜布置，使气门直径较大，气道转弯较小，充气效率高，对转速变化不敏感；具有较好的动力性能和经济性能，由于面容比小，HC排放量低。22(三)典型燃烧室4、半球形燃烧室缺点：由于火花塞附近容积较大，易使压力升高率过大，工作粗暴，紊流相对较弱，低速低负荷稳定性差，气门双行排列，使配气机构结构复杂。这种燃烧室没有挤气面，被压缩的混合气涡流较弱，易在低速大负荷时发生爆燃。应用：半球形燃挠室由于其弧形缸盖，特别适用于二行程汽油机。因其面容比小，对排气净化有利，近来被国外小轿车上采用。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。23多气门发动机均采用多球形燃烧室，以能充分利用燃烧室表面积布置气门。24(三)典型燃烧室5、其他类型燃烧室(1)带湍流罐的燃烧室(TGP)在燃烧室中设置副室，该副室为一扰动发生囊，其容积较小，与主燃烧室容积之比不大于20%，两者间用通道相连，在副室喷口处布置火花塞，在压缩过程中，新鲜混合气经通道进入副室，产生适当的涡流并对火花塞凹坑处进行扫气，在副室内，火焰核心点燃混合气，压力迅速升高，然后高温高压火焰喷入主燃烧室，使主燃烧室气体产生强烈紊流，加快了燃烧速度。这种燃烧室可燃用稀混合气。低负荷下经济性较好。2526(三)典型燃烧室5、其他类型燃烧室(2)双火花塞燃烧室离半球形燃烧室中心的两边等距离布置两只火花塞，（相距，直径）。因而火焰传播距离等于缸径的1/2。这样可以适当推迟点火时间，提高了点火时混合气的温度和压力，使着火性能得到改善，燃烧持续时间缩短，提高了发动机性能。27(三)典型燃烧室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。速燃层燃稀燃只要空燃比α17，且保证动力性能，就可以称为稀薄燃烧汽油机。均质混合气，一般在空燃比α＝12.6－17范围内工作。28第三节点燃式内燃机的燃烧室二、充量分层和缸内直喷燃烧系统(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(α＝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。凡是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。29二、充量分层和缸内直喷燃烧系统(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(α＝12.6~17)的混合气，这样的燃烧系统本身具有以下缺点：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，则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。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放指标。30二、充量分层和缸内直喷燃烧系统(一)分层燃烧燃用过稀的、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。若采用大能量点火，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，不足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。31二、充量分层和缸内直喷燃烧系统(一)分层燃烧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；而在燃烧室的大部分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。32二、充量分层和缸内直喷燃烧系统(一)分层燃烧实现汽油机分层燃烧进气道喷射的分层燃烧方式缸内直喷的分层燃烧方式轴向分层燃烧系统横向分层燃烧系统33二、充量分层和缸内直喷燃烧系统(一)分层燃烧轴向分层燃烧系统34二、充量分层和缸内直喷燃烧系统(一)分层燃烧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。研究表明，这种分层状态可以维持到压缩行程的末期。35二、充量分层和缸内直喷燃烧系统(一)分层燃烧横向分层燃烧系统在一个进气道喷射的汽油生成浓混合气，在滚流的引导下经过设置在气缸中央的火花塞，在两侧为纯空气，活塞顶做成有助于生成滚流的曲面。经济性提高，NOX下降。36美国德士古燃烧系统TCCS燃烧室37本田公司的CVCC分层燃烧