第五章内燃机混合气的形成和燃烧肖1

1、1第第 五章五章 内燃机混合气的形成和燃烧内燃机混合气的形成和燃烧 第一节第一节 内燃机缸内的气体流动内燃机缸内的气体流动 第二节第二节 点燃式内燃机的燃烧点燃式内燃机的燃烧 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 第四节第四节 压燃式内燃机的燃烧压燃式内燃机的燃烧 第五节第五节 压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室2组织良好的缸内空气运动组织良好的缸内空气运动对提高柴油机的燃油空气混合速率，提高对提高柴油机的燃油空气混合速率，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合(热混合作用热混合作用)有重要作用。有重要作用。内燃机缸

2、内空气运动内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程有决定性影响，对混合气形成和燃烧过程有决定性影响，因而也影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废因而也影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。气的排放。组织良好的缸内空气运动组织良好的缸内空气运动对提高汽油机的火焰传播速率、降低燃对提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃或层燃有重要作用。烧循环变动、适应稀燃或层燃有重要作用。3一、进气涡流：一、进气涡流：在柴油机上，进气涡流主要用于增强喷油油束与空气的在柴油机上，进气涡流主要用于增强喷油油束与空气的混合，提高燃油空气混合速率，这有助于柴油机的快速混合，提高燃油

3、空气混合速率，这有助于柴油机的快速燃烧。在汽油机上，进气涡流主要用于增加火焰传播速燃烧。在汽油机上，进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧。率，实现快速燃烧。 第一节第一节 内燃机缸内的气体流动内燃机缸内的气体流动进气涡流：进气涡流： 在进气过程中形成的绕气缸轴线有组织的气在进气过程中形成的绕气缸轴线有组织的气流运动，称进气涡流。流运动，称进气涡流。决定因素：决定因素：进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速决定。决定。进气涡流在压缩过程逐渐衰减。在压缩终了时，有进气涡流在压缩过程逐渐衰减。在压缩终了时，有l/41/3的初始动量矩损失掉。的初始动量矩

4、损失掉。进气涡流的作用：进气涡流的作用：4进气涡流的产生方法进气涡流的产生方法Swirl Generation during Induction5(1)采用带导气屏的进气门采用带导气屏的进气门强制空气从导气强制空气从导气屏的前面流出，依靠气缸壁面约束，产生旋转气屏的前面流出，依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。流。由于导气屏的存在，使在导气屏占据的气门周长范围内气流不进由于导气屏的存在，使在导气屏占据的气门周长范围内气流不进入气缸，增大了导气屏对面的气流速度，从而形成对气缸中心的入气缸，增大了导气屏对面的气流速度，从而形成对气缸中心的动量矩。动量矩。改变导气屏包角的大小和导气屏安装角，均可改变涡流

5、强度。改变导气屏包角的大小和导气屏安装角，均可改变涡流强度。导气屏在试验时调整比较方便，常在单缸机上作调试用，为导气屏在试验时调整比较方便，常在单缸机上作调试用，为新气道的设计提供参考数据。新气道的设计提供参考数据。6在气门座上方在气门座上方的气门腔内做成螺旋形，使气流在螺旋气道内就的气门腔内做成螺旋形，使气流在螺旋气道内就形成一定强度的旋转形成一定强度的旋转(2)切向气道切向气道切向气道形状切向气道形状比较平直，在气门座前强烈收缩，引导气流以单边切比较平直，在气门座前强烈收缩，引导气流以单边切线方向进入气缸，从而造成气门口速度分布的不均匀。线方向进入气缸，从而造成气门口速度分布的不均匀。(3

6、)螺旋气道：螺旋气道：7气道的评定方法气道的评定方法 Swirl Measurement气道的质量指标主要有：气道的质量指标主要有： 流动阻力和涡流强度，希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流动阻力和涡流强度，希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。流强度。一般采用叶片风速仪测量模拟气缸内涡流转速或用角动量矩直接测一般采用叶片风速仪测量模拟气缸内涡流转速或用角动量矩直接测出涡流的角动量，气体流量用流量计测定。测量方法一般采用定压出涡流的角动量，气体流量用流量计测定。测量方法一般采用定压差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。在稳流气道试验

7、台上评定涡流强度的方法：在稳流气道试验台上评定涡流强度的方法：用无量纲流量系数用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力，能力，用无量纲涡流数用无量纲涡流数评价不同气门升程下气道形成涡流的能力。评价不同气门升程下气道形成涡流的能力。89挤挤流流 Squish含义：含义：在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。挤所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。挤流强度主要由流强度主要由挤气面积挤气面积和和挤气间隙挤气间隙的大小决

8、定。的大小决定。逆挤逆挤流含义：流含义：当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，产生膨胀流动，称为逆挤流。缩口形燃烧室就是充产生膨胀流动，称为逆挤流。缩口形燃烧室就是充分利用了较强的挤流和逆挤流。分利用了较强的挤流和逆挤流。10滚流含义：滚流含义：在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动，称为在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动，称为滚流滚流。在涡流室柴油机的压缩过程中，气缸内的空气通过通道被压入在涡流室柴油机的压缩过程中，气缸内的空气通过通道被压入涡流室中，形成有组织的旋流运动，可促进燃料与空气的混合，涡流室中，形成有组织的旋流运动，可促进

9、燃料与空气的混合，涡流大小由涡流大小由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定。11滚流滚流(tumble)： 滚流较适宜于在四气门汽油机上使用，滚流在压缩过程中其滚流较适宜于在四气门汽油机上使用，滚流在压缩过程中其动量衰减较少，当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破动量衰减较少，当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡流，使湍流强度和湍流动能增加，大大裂成众多小尺度的涡流，使湍流强度和湍流动能增加，大大提高火焰传播速率，改善发动机性能。提高火焰传播速率，改善发动机性能。含义：含义： 在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线的有组织的空在进气过程中形

10、成的，绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流。气旋流，称为滚流或横轴涡流。12滚流滚流(tumble)13湍流湍流turbulence： 在气缸在气缸中形成的中形成的 无规则气流运动无规则气流运动 称为湍流。称为湍流。湍流在湍流在汽油机上主要汽油机上主要用于提高火焰传播速用于提高火焰传播速度，在柴油机上组织度，在柴油机上组织适当的湍流可改善燃适当的湍流可改善燃油与空气的混合。油与空气的混合。含义含义：14第二节第二节点燃式内燃机的燃烧点燃式内燃机的燃烧一、一、点火点火过程：过程：在点火时整个放电过程可分为下列三个阶段在点火时整个放电过程可分为下列三个阶段p86：（1）击穿击穿阶

11、段阶段（2）电弧电弧阶段阶段（3）辉光辉光放电阶段放电阶段15二、点燃式内燃机中的正常燃烧二、点燃式内燃机中的正常燃烧（一）（一）预混燃烧预混燃烧与扩散燃烧与扩散燃烧如果混合过程比燃烧反应要快得多或者在火焰到达之前燃料与如果混合过程比燃烧反应要快得多或者在火焰到达之前燃料与空气已充分混合，这种可燃混合气的燃烧称之为空气已充分混合，这种可燃混合气的燃烧称之为预混燃烧预混燃烧。汽。汽油机和气体燃料发动机的可燃混合气的燃烧基本上是预混燃烧。油机和气体燃料发动机的可燃混合气的燃烧基本上是预混燃烧。在柴油机中，若喷入气缸的燃料在着火前已蒸发并与空气混合，在柴油机中，若喷入气缸的燃料在着火前已蒸发并与空气

12、混合，那么这部分燃料的燃烧可以看作是预混燃烧。柴油机的大部分燃那么这部分燃料的燃烧可以看作是预混燃烧。柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的，它一边与空气混合、一边燃烧，由于料是在着火后喷入气缸的，它一边与空气混合、一边燃烧，由于混合过程比反应速率慢，因此，燃烧速率取决于混合速率。换句混合过程比反应速率慢，因此，燃烧速率取决于混合速率。换句话说，混合过程话说，混合过程(扩散过程扩散过程)控制了燃烧速率，这就是所谓的控制了燃烧速率，这就是所谓的扩散扩散燃烧。燃烧。16（二）点燃式发动机的燃烧过程（二）点燃式发动机的燃烧过程1）点燃式发动机点燃式发动机燃烧过程分成三个阶段：燃烧过程分成三个阶段：着

13、火阶段（滞燃期）着火阶段（滞燃期）:电火花跳火到形成火焰中心的阶段电火花跳火到形成火焰中心的阶段p88。急燃期急燃期:火焰由火焰中心至火焰由火焰中心至整个燃烧室的阶段，因此也可称整个燃烧室的阶段，因此也可称为火焰传播阶段为火焰传播阶段p88。后燃期后燃期:急燃期终点至燃料急燃期终点至燃料基本上完全燃烧点为止基本上完全燃烧点为止p89。172）影响滞燃期长短的因素：）影响滞燃期长短的因素：1)燃料本身的分子结构和物理化学性能。燃料本身的分子结构和物理化学性能。2)开始点火时气缸内气体的压力温度。它与压缩比有关，开始点火时气缸内气体的压力温度。它与压缩比有关，压缩比高，滞燃期短。压缩比高，滞燃期短

14、。3)过量空气系数过量空气系数 a0.80.9时，滞燃期最短。时，滞燃期最短。4)残余废气量增加，滞燃期增加。残余废气量增加，滞燃期增加。5)气缸内混合气运动强，则滞燃期稍有增加。此外，由于气流气缸内混合气运动强，则滞燃期稍有增加。此外，由于气流运动，火焰中心就不一定在电极间隙处，也可能在电极间隙附近。运动，火焰中心就不一定在电极间隙处，也可能在电极间隙附近。6)火花能量大，滞燃期缩短。火花能量大，滞燃期缩短。18193）最高燃烧压力，压力升高率（）最高燃烧压力，压力升高率（dp/d ） 为了保证汽油机工作柔和、动力性能良好，一般应使着火为了保证汽油机工作柔和、动力性能良好，一般应使着火在上止

15、点前在上止点前12150(CA)，最高燃烧压力点在上止点后，最高燃烧压力点在上止点后12150 (CA)到达，压力升高率到达，压力升高率0.175-0.25MPa/ (CA)。 p89一般用压力升高率代表发动机工作粗暴的程度。一般用压力升高率代表发动机工作粗暴的程度。 振动和噪声水平、火焰传播速率与压力升高率密切振动和噪声水平、火焰传播速率与压力升高率密切 相关，因此火焰传播速率高的可燃混合气均促使压相关，因此火焰传播速率高的可燃混合气均促使压 力升高率增加。力升高率增加。 急燃期终点一般为最高压力点或最高温度点，其位置可以急燃期终点一般为最高压力点或最高温度点，其位置可以用点火提前角来调整。

16、用点火提前角来调整。20（三）燃烧速率（单位时间燃烧混合气的量）（三）燃烧速率（单位时间燃烧混合气的量） 可燃混合气着火后，即形成火焰中心，火焰由此中可燃混合气着火后，即形成火焰中心，火焰由此中心以一定的速率传播到整个燃烧室。心以一定的速率传播到整个燃烧室。 1.层流层流火焰传播速率火焰传播速率SL 定义：火焰前锋相对于未燃混合气的相对速率。定义：火焰前锋相对于未燃混合气的相对速率。 2.湍流湍流火焰传播速率火焰传播速率ST（p90） 3. 火焰火焰传播速率传播速率Sf（p90） 定义：火焰前锋相对燃烧室壁面传播的绝对速率。定义：火焰前锋相对燃烧室壁面传播的绝对速率。21（四）着火界限或可燃范

17、围（四）着火界限或可燃范围 当可燃混合气过浓或过稀时，在电火花放电以后，当可燃混合气过浓或过稀时，在电火花放电以后，并不能形成火焰中心及产生火焰传播。这两个界限的混并不能形成火焰中心及产生火焰传播。这两个界限的混合气浓度称为可燃范围或着火界限。合气浓度称为可燃范围或着火界限。各种燃料着火界限各种燃料着火界限的数值是不同的，所有影响可燃混合的数值是不同的，所有影响可燃混合气初期放热速率和散热速率的因素，都会影响着火界限。气初期放热速率和散热速率的因素，都会影响着火界限。P9122（五）不同工况下燃烧过程的特点（五）不同工况下燃烧过程的特点点火提前角不同时的燃烧过程点火提前角不同时的燃烧过程P。在

18、汽油机上，保持节气门开在汽油机上，保持节气门开度、转速以及混合气浓度一度、转速以及混合气浓度一定，记录功率、燃油消耗率、定，记录功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化排气温度随点火提前角的变化，称为汽油机点火提前特性。，称为汽油机点火提前特性。23混合气浓度不同时的燃烧过程。混合气浓度不同时的燃烧过程。在汽油机的转速在汽油机的转速、节气门、节气门开度保持一定，点火提前开度保持一定，点火提前角为最佳值时调节供油量角为最佳值时调节供油量，记录功率、燃油消耗率，记录功率、燃油消耗率、排气温度随过量空气系、排气温度随过量空气系数的变化曲线，称为汽油数的变化曲线，称为汽油机在某一转速和节气机在某一

19、转速和节气门开度下的调整特性。门开度下的调整特性。24负荷不同时的燃烧过程。负荷不同时的燃烧过程。当节气门关小时，充量系数急剧下降，但留在气缸内的残当节气门关小时，充量系数急剧下降，但留在气缸内的残余余废气量不变，使残余废气系数增加，滞燃期增加，火焰传废气量不变，使残余废气系数增加，滞燃期增加，火焰传播播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高比均速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高比均下下降，冷却水散热损失相对增加，因而燃油消耗率增加。随降，冷却水散热损失相对增加，因而燃油消耗率增加。随着负荷的减小，最佳点火提前角要提早。汽油机中用点火提着负荷的减小，最佳点火提前角要提早。汽

20、油机中用点火提前真空调节器来自动调整。前真空调节器来自动调整。25 当转速增加时，以秒计的滞燃期与转速的关系不当转速增加时，以秒计的滞燃期与转速的关系不大，但是按曲轴转角计的滞燃期却随转速的增加而大，但是按曲轴转角计的滞燃期却随转速的增加而增大。因此，在汽油机上均设有点火提前角的离心增大。因此，在汽油机上均设有点火提前角的离心自动调节装置，使在转速增加时，增大点火提前角。自动调节装置，使在转速增加时，增大点火提前角。转速不同时的燃烧过程：转速不同时的燃烧过程：26（六）燃烧的循环变动（六）燃烧的循环变动(cyclic variations in combustion ) 燃烧循环变动表现为在发

21、动机以某一工况稳定运行时，燃烧循环变动表现为在发动机以某一工况稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同。不相同。产生燃烧循环变动的原因产生燃烧循环变动的原因: 1)燃烧过程中气缸内气体运动状况的循环变动。燃烧过程中气缸内气体运动状况的循环变动。 2)每循环气缸内的混合气成分每循环气缸内的混合气成分(特别是在点火瞬间火特别是在点火瞬间火花塞附近花塞附近)，由于空气、燃料、，由于空气、燃料、EGR和残余废气之和残余废气之间混合情况

22、的变动而造成燃烧的变动。间混合情况的变动而造成燃烧的变动。 气流速度气流速度(平均参数和湍流参数平均参数和湍流参数)的变动，空燃比的的变动，空燃比的变动以及空气、变动以及空气、燃料和废气混合情况的变动，是造燃料和废气混合情况的变动，是造成燃烧循环变动的主要原因。成燃烧循环变动的主要原因。2728三、点燃式内燃机的不正常燃烧三、点燃式内燃机的不正常燃烧（一）爆燃（一）爆燃(knock)汽油机的燃烧不正常，压力曲线出现高频、大振幅波动，上止点汽油机的燃烧不正常，压力曲线出现高频、大振幅波动，上止点附近的附近的dp/d 值达值达65Mpa / CA之高，此时火焰传播速度和火焰前之高，此时火焰传播速度

23、和火焰前锋形状发生急剧的改变，称为爆燃。锋形状发生急剧的改变，称为爆燃。汽油机爆燃时一般表现为汽油机爆燃时一般表现为以下外部特征（以下外部特征（P97）：）：1)发出金属振音发出金属振音(敲缸敲缸)(knock)。2)在轻微爆燃时，发动机功率略有增加；强烈爆燃时，发动在轻微爆燃时，发动机功率略有增加；强烈爆燃时，发动机功率下降，工作变得不稳定，转速下降，发动机有较大振动。机功率下降，工作变得不稳定，转速下降，发动机有较大振动。3)冷却系统过热冷却系统过热(冷却水、润滑油温度均上升冷却水、润滑油温度均上升)。4)气缸盖温度上升。气缸盖温度上升。2930 电火花点燃以后，火焰以正常传播速率电火花点

24、燃以后，火焰以正常传播速率(3070m/s)向前向前推进，处于最后燃烧位置上的那部分终燃混合气推进，处于最后燃烧位置上的那部分终燃混合气(end gas)，在压缩温度的基础上进一步受到压缩和热辐射，加速其先期在压缩温度的基础上进一步受到压缩和热辐射，加速其先期反应，并放出部分热量，使本身的温度不断升高，以致在正反应，并放出部分热量，使本身的温度不断升高，以致在正常火焰未到达前，终燃混合气内部最适宜着火部位已出现一常火焰未到达前，终燃混合气内部最适宜着火部位已出现一个或数个火焰中心，并以个或数个火焰中心，并以100300m/s(轻微爆燃轻微爆燃)直到直到8001000m/s或更高的速率或更高的速

25、率(强烈爆燃强烈爆燃)传播火焰，迅速将终燃传播火焰，迅速将终燃混合气燃烧完毕。因此，汽油机的爆燃现象就是终燃混合气混合气燃烧完毕。因此，汽油机的爆燃现象就是终燃混合气的自燃现象的自燃现象(autoignition)，它与柴油机的工作粗暴性在燃烧它与柴油机的工作粗暴性在燃烧本质上是一致的，均是可燃混合气的自燃结果，但两者发生本质上是一致的，均是可燃混合气的自燃结果，但两者发生的时间和气缸内的状况是有差异的。柴油机的工作粗暴性发的时间和气缸内的状况是有差异的。柴油机的工作粗暴性发生在急燃期始点，压力升高比大，但气缸内压力还是均匀的；生在急燃期始点，压力升高比大，但气缸内压力还是均匀的；而汽油机的爆

26、燃是发生在急燃期的终点，气缸内有压力波冲而汽油机的爆燃是发生在急燃期的终点，气缸内有压力波冲击现象。这样，对汽油机而言是优良的燃料，对柴油机就是击现象。这样，对汽油机而言是优良的燃料，对柴油机就是最差的燃料，反之亦然。最差的燃料，反之亦然。发生爆燃的原因如下：发生爆燃的原因如下：31爆燃的发生与以下条件有关：爆燃的发生与以下条件有关：1)取决于终燃混合气的温度取决于终燃混合气的温度压力压力时间历程。时间历程。2)终燃混合气的温度达到自燃温度以上，也不能立即着火。由于终燃混合气的温度达到自燃温度以上，也不能立即着火。由于有滞燃期，在此期间，火焰如通过了终燃混合气，就不会引起有滞燃期，在此期间，火

27、焰如通过了终燃混合气，就不会引起爆爆燃。因此，如火焰传播速度快，或是火焰传播距离短，即使是燃。因此，如火焰传播速度快，或是火焰传播距离短，即使是着着火温度低的燃料也来不及发生自燃。火温度低的燃料也来不及发生自燃。32 3)在终燃混合气中，从压缩行程就产生缓慢的氧化反应，由此在终燃混合气中，从压缩行程就产生缓慢的氧化反应，由此 可产生热量，焰前反应的多少和程度对自燃产生影响，这一点可产生热量，焰前反应的多少和程度对自燃产生影响，这一点 主要与燃料化学成分和组成有关。主要与燃料化学成分和组成有关。爆燃最容易在燃烧室中离开正常燃烧最远的地方以及具有高温爆燃最容易在燃烧室中离开正常燃烧最远的地方以及具

28、有高温的地方的地方(如排气门和积碳处如排气门和积碳处)发生。爆燃发生前，正常燃烧的混合发生。爆燃发生前，正常燃烧的混合气数量越少，爆燃就在更大的容积中进行，爆燃也就越强烈。试气数量越少，爆燃就在更大的容积中进行，爆燃也就越强烈。试验表明，发动机总充量中只要有大于验表明，发动机总充量中只要有大于5的部分自燃时，就足以引的部分自燃时，就足以引起剧烈的爆燃。起剧烈的爆燃。33（二）燃料抗爆性能的评定（二）燃料抗爆性能的评定研究法辛烷值研究法辛烷值(RON, Research Octane Number )和和马达法辛烷值马达法辛烷值(MON, Motor Octane Number )用马达法试验时

29、发动机运转参数定得比研究法高，因此所求出用马达法试验时发动机运转参数定得比研究法高，因此所求出的辛烷值比较低，两者的差值称为燃料的灵敏度，用以反映燃的辛烷值比较低，两者的差值称为燃料的灵敏度，用以反映燃料抗爆性能随发动机运转工况改变料抗爆性能随发动机运转工况改变(转速提高、点火提前、进气转速提高、点火提前、进气温度提高等温度提高等)而降低的情况。而降低的情况。燃料的灵敏度燃料的灵敏度(Fuel sensitivity)RONMON抗爆指数抗爆指数(Antiknock index)(RON十十MON)234（三）发动机结构因素与运转因素对爆燃的影响（三）发动机结构因素与运转因素对爆燃的影响1运转

30、因素的影响运转因素的影响(1)点火提前角的影响。随点火提前角增加，爆燃倾向加大。点火提前角的影响。随点火提前角增加，爆燃倾向加大。(2)转速的影响。转速增加时，爆燃倾向减小转速的影响。转速增加时，爆燃倾向减小。(3)负荷的影响负荷的影响 负荷减小时，爆燃倾向减小。负荷减小时，爆燃倾向减小。(4)混合气浓度的影响混合气浓度的影响 a0.8-0.9时爆燃倾向最大，过浓或时爆燃倾向最大，过浓或过稀的混合气有助于减小爆燃。过稀的混合气有助于减小爆燃。(5)燃烧室沉积物的影响燃烧室沉积物的影响 在发动机工作过程中，燃烧室内壁产在发动机工作过程中，燃烧室内壁产生一层沉积物，通常称之为积碳。由于燃烧室中形成

31、沉积物，生一层沉积物，通常称之为积碳。由于燃烧室中形成沉积物，造成如下现象：沉积物温度较高，在进气、压缩过程中不断加造成如下现象：沉积物温度较高，在进气、压缩过程中不断加热混合气；沉积物是热的不良导体，从而提高了终燃混合气的热混合气；沉积物是热的不良导体，从而提高了终燃混合气的温度；沉积物本身占有一定的体积，因而提高了压缩比。其综温度；沉积物本身占有一定的体积，因而提高了压缩比。其综合效果为沉积物的存在使爆燃倾向增加。合效果为沉积物的存在使爆燃倾向增加。35 (4)燃烧室结构燃烧室结构 :这是影响爆燃最主要的结构参数。燃烧室形状影这是影响爆燃最主要的结构参数。燃烧室形状影响到火焰传播距离、湍流

32、强度、向冷却水的散热量以及终燃混合响到火焰传播距离、湍流强度、向冷却水的散热量以及终燃混合气的数量和温度。凡是火焰传播距离短、湍流强度高、火焰传播气的数量和温度。凡是火焰传播距离短、湍流强度高、火焰传播速度高的燃烧室结构，均有助于减小爆燃倾向。速度高的燃烧室结构，均有助于减小爆燃倾向。2结构因素的影响结构因素的影响(1)气缸直径气缸直径:气缸直径大，火焰传播距离长，燃烧室面积与容积之气缸直径大，火焰传播距离长，燃烧室面积与容积之比减小，使爆燃倾向增大。比减小，使爆燃倾向增大。(2)火花塞位置火花塞位置 : 火花塞位置影响火焰传播距离，也影响终燃混合气火花塞位置影响火焰传播距离，也影响终燃混合气

33、在气缸内所处部位上的变动，从而影响终燃混合气的温度。在气缸内所处部位上的变动，从而影响终燃混合气的温度。(3)气缸盖与活塞的材料气缸盖与活塞的材料 :在应用同一辛烷值燃料时，由于轻合金导在应用同一辛烷值燃料时，由于轻合金导热好，因而用轻合金活塞可提高压缩比。气缸盖改用轻合金，压缩热好，因而用轻合金活塞可提高压缩比。气缸盖改用轻合金，压缩比也可提高。比也可提高。36（四）防止爆燃的方法（四）防止爆燃的方法防止发动机爆燃的方法很多，如使用抗爆性高的燃料，降低终燃防止发动机爆燃的方法很多，如使用抗爆性高的燃料，降低终燃混合气温度，提高火焰传播速度或缩短火焰传播距离，缩短终燃混合气温度，提高火焰传播速

34、度或缩短火焰传播距离，缩短终燃混合气暴露在高温中的时间等。混合气暴露在高温中的时间等。 具体措施有：具体措施有：1)推迟点火。推迟点火。2)缩短火焰传播距离，利用火花塞恰当布置及燃烧室合理形状等缩短火焰传播距离，利用火花塞恰当布置及燃烧室合理形状等方法使火焰传播距离最小。方法使火焰传播距离最小。3)终燃混合气的冷却，使离火花塞最远处的可燃混合气冷却得较好，终燃混合气的冷却，使离火花塞最远处的可燃混合气冷却得较好，如减小终燃混合气部分的余隙高度。如减小终燃混合气部分的余隙高度。4)增加流动，火焰传播速度增加，终燃混合气的散热也好。增加流动，火焰传播速度增加，终燃混合气的散热也好。5)燃烧室扫气燃

35、烧室扫气(加大进、排气重叠期加大进、排气重叠期)的冷却作用可减轻爆燃。的冷却作用可减轻爆燃。37（五）表面点火（五）表面点火（surface ignition） 在点燃式发动机中，凡是不依靠电火花在点燃式发动机中，凡是不依靠电火花点火，而是由于炽热表面点火，而是由于炽热表面(如过热的火如过热的火花塞绝缘体和电极、排气门，更多的是花塞绝缘体和电极、排气门，更多的是燃烧室表面炽热的沉积物燃烧室表面炽热的沉积物)点燃混合气点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，称为表面点而引起的不正常燃烧现象，称为表面点火或炽热点火。表面点火大致可分以下火或炽热点火。表面点火大致可分以下两种两种:正常正常表面点火、激爆表

36、面点火、激爆。382)早火早火( Preignition )在炽热点温度较高时，常常在电火花正常点在炽热点温度较高时，常常在电火花正常点燃以前，炽热点就点燃混合气。使压缩行程末期的负功很大并增燃以前，炽热点就点燃混合气。使压缩行程末期的负功很大并增加向气缸壁的散热，这进一步促使炽热点的温度升高，更早点燃加向气缸壁的散热，这进一步促使炽热点的温度升高，更早点燃混合气。这样，在单缸汽油机上的早火，往往导致停车；在多缸混合气。这样，在单缸汽油机上的早火，往往导致停车；在多缸汽油机上，一个气缸的早火不致停车，但压缩行程末期的高温、汽油机上，一个气缸的早火不致停车，但压缩行程末期的高温、高压会引起发生早

37、火的气缸的活塞连杆损坏及气门、火花塞、活高压会引起发生早火的气缸的活塞连杆损坏及气门、火花塞、活塞等零件的过热。塞等零件的过热。1)后火后火(postignition) 在炽热点的温度较低时，电火花点燃混合气在炽热点的温度较低时，电火花点燃混合气后，在火焰传播的过程中，炽热点点燃其余混合气，但这时形成的后，在火焰传播的过程中，炽热点点燃其余混合气，但这时形成的火焰前锋仍以正常的速度传播，称为后火。这种现象可以在发动机火焰前锋仍以正常的速度传播，称为后火。这种现象可以在发动机断火以后发现，发动机仍像有电火花点火一样继续运转，直到炽热断火以后发现，发动机仍像有电火花点火一样继续运转，直到炽热点温度

38、下降以后，发动机才停转，点温度下降以后，发动机才停转，后火对发动机影响不大。后火对发动机影响不大。1.正常正常(非爆燃非爆燃)表面点火表面点火39激爆是由燃烧室沉积物引起的爆燃性炽热点火，其形成过程为当发激爆是由燃烧室沉积物引起的爆燃性炽热点火，其形成过程为当发动机在低速负荷运转时，在燃烧室表面很快形成一层沉积物，它的动机在低速负荷运转时，在燃烧室表面很快形成一层沉积物，它的传热性很差，在高压缩比汽油机中，其表面温度很高。在沉积物中传热性很差，在高压缩比汽油机中，其表面温度很高。在沉积物中或多或少含炭，混合气中又有氧气，于是在高温下，炭粒急剧氧化或多或少含炭，混合气中又有氧气，于是在高温下，炭

39、粒急剧氧化和白炽化并将混合气点燃。和白炽化并将混合气点燃。2.激爆：激爆：3.影响表面点火的因素：影响表面点火的因素：1）压缩比增加；）压缩比增加；2）进气终点压力增加（节气门开大）；）进气终点压力增加（节气门开大）；3）进气温度增加；）进气温度增加；4）转速增加；）转速增加； 5）大气湿度下降；）大气湿度下降；4.影响表面点火的防止措施影响表面点火的防止措施 ：1）降低压缩比；）降低压缩比；2）选用挥发性好的汽油和成焦性好的润滑油；）选用挥发性好的汽油和成焦性好的润滑油；3）避免发动机长时间低负荷运行和汽车频繁加速行驶；）避免发动机长时间低负荷运行和汽车频繁加速行驶；40第三节点燃式内燃机的

40、燃烧室第三节点燃式内燃机的燃烧室(1)经济性高。经济性高。 (2)燃烧放热率曲线等容度高燃烧放热率曲线等容度高(3)对大气的污染小。对大气的污染小。 (4)动力性高。动力性高。(5)不出现爆燃与表面点火等不正常燃烧。不出现爆燃与表面点火等不正常燃烧。(6)燃烧循环变动小。燃烧循环变动小。 (7)工作柔和，燃烧噪声小。工作柔和，燃烧噪声小。(8)满足速燃要求。满足速燃要求。 (9)稀燃能力强。稀燃能力强。(10)起动性好。起动性好。 (11)瞬态特性好。瞬态特性好。(12)EGR的承受能力强。的承受能力强。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（一）燃烧室设计

41、的一般要求(Design objectives)41（二）燃烧室设计要点（二）燃烧室设计要点 Design points 1压缩比：压缩比：为既提高压缩比又不促使爆燃的发生，燃烧室设计应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：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。有关。2)利用适当强度的湍流，加快火焰传播速度。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，在离火花塞较远的区域设计适当的冷却面积，降低温度降低温度。4)燃烧室内没有热点和表面

42、沉燃烧室内没有热点和表面沉积物积物。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。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。且对排放不利。且对排放不利。422、燃烧室面容比、燃烧室面容比A/V（surface-volume ratio）A/V在某种意义上可以表示燃烧室的紧凑性。一般来说，在某种意义上可以表示燃烧室的紧凑性。一般来说，A/V大，大，火焰传播距离长，容易爆燃，火焰传播距离长，容易爆燃，HC排放高，相对散热面积大，热排放高，相对散热面积大，热损失

43、大。损失大。3、火花塞位置及其性能、火花塞位置及其性能(the location of the spark plug)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。影响火焰面积扩展速率和燃烧速率。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，从而不致发展为烧，从而不致发展为爆燃爆燃。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。

44、但不希望有过强的气流在点火瞬间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，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。甚至导致失火。434、燃烧室内的气流运动、燃烧室内的气流运动燃烧室内形成适当强度的气流运动可以：燃烧室内形成适当强度的气流运动可以：1)增加火焰传播速度。增加火焰传播速度。2)扩大混合气的着火界限，可以燃烧更稀的混合气。扩大混合气的着火界限，可以燃烧更稀的混合气。3)降低循环变动。降低循环变动。4)降低降低HC排放。排放。442)改善混合气的分布和均匀性，减少燃烧循环变动率，

45、减少各缸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。的不均匀性。燃烧室的设计首先是选择燃烧室最佳几何形状。燃烧室设计应燃烧室的设计首先是选择燃烧室最佳几何形状。燃烧室设计应遵循下列原则：遵循下列原则：1)在最大火焰前锋面积、最小面容积比、最大气门尺寸等设计在最大火焰前锋面积、最小面容积比、最大气门尺寸等设计参数限制范围内，优化燃烧室几何形状。参数限制范围内，优化燃烧室几何形状。45（三）典型燃烧室（三）典型燃烧室Typical Combustion Chamber1楔形燃烧室楔形燃烧室(wedge chamber) 它布置在缸盖上，火花塞在它布置在缸盖上，火花塞在楔形高处

46、的进、排气门之间，楔形高处的进、排气门之间，因此火焰距离因此火焰距离较长较长。一般设。一般设置挤气面积，气门稍倾斜使置挤气面积，气门稍倾斜使气道转弯较少，减少进气阻气道转弯较少，减少进气阻力，提高充量系数，压缩比力，提高充量系数，压缩比也可以有较高值，达也可以有较高值，达910。这种燃烧室有较高的动力性这种燃烧室有较高的动力性和经济性。但由于混合气过和经济性。但由于混合气过分集中在火花塞处，使初期分集中在火花塞处，使初期燃烧速率和压力升高比大，燃烧速率和压力升高比大，工作显得粗暴一些。工作显得粗暴一些。462浴盆形燃烧室浴盆形燃烧室(bath-tub head) 燃烧室的形状使挤气燃烧室的形状

47、使挤气的效果比较差，火焰的效果比较差，火焰传播距离也较长，燃传播距离也较长，燃烧速率比较低，燃烧烧速率比较低，燃烧时间长，压力升高比时间长，压力升高比低。低。 A/V较大，对较大，对HC排放排放是不利的，但压力升是不利的，但压力升高比低，工作柔和，高比低，工作柔和，NOx排放低。排放低。473碗形燃烧室碗形燃烧室(bowl in piston chamber) 碗形燃烧室是布置在碗形燃烧室是布置在活塞中的一个回转体，活塞中的一个回转体，采用平底气缸盖，工艺采用平底气缸盖，工艺性好。燃烧室全部机加性好。燃烧室全部机加工而成，有精确的形状工而成，有精确的形状和容积，和容积，燃烧室表面光燃烧室表面光

48、滑，紧凑，挤流效果好，滑，紧凑，挤流效果好，压缩比可高达压缩比可高达11。484半球形燃烧室半球形燃烧室(hemispherical head) 燃烧室光滑表面、精确的形燃烧室光滑表面、精确的形状与容积，紧凑，且火花塞状与容积，紧凑，且火花塞布置在中间，火焰传播距离布置在中间，火焰传播距离最短。进、排气门倾斜布置，最短。进、排气门倾斜布置，气流进人气缸转弯小，充气气流进人气缸转弯小，充气系数大，最高转速系数大，最高转速6000r/min以上的车用汽油以上的车用汽油机几乎都采用半球形燃烧室。机几乎都采用半球形燃烧室。A/V值小，值小，HC低。一般不组低。一般不组织挤流。由于火花塞周围有织挤流。由

49、于火花塞周围有较大的容积，使燃烧速率和较大的容积，使燃烧速率和压力升高比大，工作较粗暴。压力升高比大，工作较粗暴。由于最高燃烧温度高，由于最高燃烧温度高，NOx排放较高，半球形燃烧室气排放较高，半球形燃烧室气门布置较为复杂，多采用双门布置较为复杂，多采用双顶置凸轮轴。顶置凸轮轴。49第四节压燃式内燃机的燃烧第四节压燃式内燃机的燃烧2)温度条件：可燃混合气必须加热到某一临界温度，低于这一温度，温度条件：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。它与介质

50、压力、加热条件及测试温度称为着火温度或自燃温度。它与介质压力、加热条件及测试方法等因素有关。方法等因素有关。一、着火与燃烧过程一、着火与燃烧过程（一）着火现象（一）着火现象(ignition)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热、蒸发蒸发vaporization、扩散扩散diffusion与空气的混合等物理准备与空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。及分解、氧化等化学准备阶段后，即自行着火燃烧。着火需要具备两个条件：着火需要具备两个条件：1)浓度条件：在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与空气

51、的比例要在浓度条件：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一定的范围内，这个范围称作着火范围(或着火界限或着火界限)。着火界限不。着火界限不是一成不变的，随着温度的升高，分子运动速度增加，反应速度是一成不变的，随着温度的升高，分子运动速度增加，反应速度加快，将使着火界限扩大。加快，将使着火界限扩大。50（二）燃烧阶段的划分（二）燃烧阶段的划分柴油机的燃烧过柴油机的燃烧过程，可以从不同程，可以从不同的角度用各种方的角度用各种方法进行研究，如法进行研究，如高速摄影、光谱高速摄影、光谱分析、采样分析分析、采样分析等，但最简便、等，但最简便、应用最多的方法应用

52、最多的方法是从展开的示功是从展开的示功图上分析燃烧过图上分析燃烧过程。程。51燃烧过程划分为四个阶段燃烧过程划分为四个阶段第第1阶段为阶段为着火延迟阶段着火延迟阶段(AB段段)(ignition delay)。从喷油开始从喷油开始(A点点)到压力开始急剧升高时到压力开始急剧升高时(B点点)为止，这一段时间称为为止，这一段时间称为滞燃期滞燃期。第第2阶段为压力急剧上阶段为压力急剧上升的升的BC段，称为段，称为急燃急燃期期。滞燃期内喷入气缸。滞燃期内喷入气缸的燃料几乎一起燃烧，的燃料几乎一起燃烧，而且是在活塞靠近上而且是在活塞靠近上止点、气缸容积较小止点、气缸容积较小的情况下燃烧，因此的情况下燃烧

53、，因此气缸中压力升高特别气缸中压力升高特别快。平均压力升高比快。平均压力升高比不宜超过不宜超过0.4MPa/(CA)52第第4阶段从缓燃期的终点阶段从缓燃期的终点(D点点)到燃料基本上完全燃烧时到燃料基本上完全燃烧时(E点点)为止，为止，称为称为后燃期后燃期(burning on the expansion stroke)。后燃期所放出后燃期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；增加活塞组的热负荷以及使排气温度增高，所以应经济性下降；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。尽量减少

54、过后燃烧。第第3阶段从压力急剧阶段从压力急剧升高的终点升高的终点(C点点)到到压力开始急剧下降压力开始急剧下降的的D点为止，称为点为止，称为缓缓燃期燃期(controlled pressure rise)。加强缓燃期内空加强缓燃期内空气运动，加速混合气运动，加速混合气形成，对保证在气形成，对保证在上止点附近迅速而上止点附近迅速而完全燃烧有重要作用。完全燃烧有重要作用。53（三）滞燃期（三）滞燃期 滞燃期越长，则在滞滞燃期越长，则在滞燃期内喷入燃烧室的燃期内喷入燃烧室的燃料就越多，在着火燃料就越多，在着火前形成的可燃混合气前形成的可燃混合气就越多。就越多。这些燃料在这些燃料在第第2阶段中几乎一起

55、燃阶段中几乎一起燃烧，使压力升高比和烧，使压力升高比和最高燃烧压力较高，最高燃烧压力较高，运动零件受到强烈的运动零件受到强烈的冲击负荷，发动机运冲击负荷，发动机运转粗暴，影响发动机转粗暴，影响发动机的使用寿命。的使用寿命。543）随着增压压力提高，）随着增压压力提高，滞燃期显著缩短。滞燃期显著缩短。影响滞燃期的因素：影响滞燃期的因素：压缩温度压缩温度和和压力压力是影响滞燃期的主要因素。此外，喷油提前角、转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。速以及燃料性质等对滞燃期也有较大影响。1）随着压缩温度和压力提高，滞）随着压缩温度和压力提高，滞燃期减小。燃期

56、减小。2）喷油定时对滞燃期的影响通）喷油定时对滞燃期的影响通过压缩温度和压力而起作用。存过压缩温度和压力而起作用。存在一个使滞燃期最短的喷油提前在一个使滞燃期最短的喷油提前角。为了保证有较好的功率和经角。为了保证有较好的功率和经济指标，希望在上止点前济指标，希望在上止点前5-10(CA)开始着火燃烧，保证燃烧在开始着火燃烧，保证燃烧在上止点附近完成。上止点附近完成。55二、燃烧噪声二、燃烧噪声(combustion noise)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，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，则产生强烈的震音，我们称这种现象为柴油机的工作粗暴则产生强烈

57、的震音，我们称这种现象为柴油机的工作粗暴(或或敲缸敲缸knock)。降低燃烧噪声的主要途径有：降低燃烧噪声的主要途径有：1缩短滞缩短滞燃期燃期。2减小滞燃期内的喷油量；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。减少滞燃期内形成的可燃混合气数量。 将燃料大部分喷到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。用的方法。 柴油机冷起动或怠速时，温度较低，滞燃期较长，润滑油粘柴油机冷起动或怠

58、速时，温度较低，滞燃期较长，润滑油粘度较高，摩擦损失较大，尽管无负荷，每循环的喷油量仍相当度较高，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，这种噪声称怠大，因此压力升高比也较大，产生较强的震音，这种噪声称怠速敲缸；随着转速升高及带负荷运行，怠速噪声即自行消失。速敲缸；随着转速升高及带负荷运行，怠速噪声即自行消失。56三、柴油机的冷起动性能三、柴油机的冷起动性能（cold starting ）3)润滑油粘度增加，蓄电池性能下降等。润滑油粘度增加，蓄电池性能下降等。要使柴油机顺利起动，必须满足以下条件：要使柴油机顺利起动，必须满足以下条件： 1)压缩温

59、度必须足够高，起动转速大于压缩温度必须足够高，起动转速大于200r/min。 2)必须形成易于着火的混合气。燃料本身的蒸发性必须形成易于着火的混合气。燃料本身的蒸发性及增加每循环供油量对起动起着决定性的作用。及增加每循环供油量对起动起着决定性的作用。一般柴油机不加特殊的冷起动措施一般柴油机不加特殊的冷起动措施(如电热塞、起动液、进气空气如电热塞、起动液、进气空气预热等预热等)，均可在，均可在10-5的环境下顺利起动，但在更低的环境温的环境下顺利起动，但在更低的环境温度下，冷起动遇到困难，这是由于：度下，冷起动遇到困难，这是由于：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气缸内

60、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、压力而引起漏气量增加，从而使压缩终点温度、压力下降下降。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，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，从而影响混合气的从而影响混合气的形成形成。57分隔式燃烧室常用的有：分隔式燃烧室常用的有：涡流室和预燃室。涡流室和预燃室。第五节压燃式内燃机的燃烧室第五节压燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧室分为两大类：压燃式内燃机的燃烧室分为两大类：直接喷射式燃烧室和分隔式直接喷射式燃烧室和分隔式燃烧室。燃烧室。直接喷射式柴油机，又可分为浅盆形和