机械工程内燃机解析PPT课件

1、1 2.2.设计要点：设计要点： 1 1）压缩比：）压缩比：设计抗爆性比较高的燃烧室以提高压缩比。设计抗爆性比较高的燃烧室以提高压缩比。 从以下几个方面考虑：从以下几个方面考虑： a.a.缩短火焰传播路程，设计紧凑性燃烧室，注意火花缩短火焰传播路程，设计紧凑性燃烧室，注意火花塞位置。塞位置。 b.b.易于形成湍流加快火焰传播速度。易于形成湍流加快火焰传播速度。 c.c.远离火花区域设计适当的冷却面积。远离火花区域设计适当的冷却面积。 d.d.减少易受高温影响的而产生的热点和表面沉积物的减少易受高温影响的而产生的热点和表面沉积物的产生。产生。5-3 点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室 从提

2、高功率和经济性角度来考虑，提高从提高功率和经济性角度来考虑，提高压缩比是有利的，但压缩比是有利的，但过大的压缩比会使发动过大的压缩比会使发动机压力升高率增加，振动和噪声增加，并且机压力升高率增加，振动和噪声增加，并且对降低大气污染也不利。对降低大气污染也不利。第1页/共55页2 2.2.设计要点：设计要点： 5-3 点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室2 2）燃烧室面容比）燃烧室面容比A AV V是指燃烧室表是指燃烧室表面积与体积之比即面容比，是燃烧室面积与体积之比即面容比，是燃烧室紧凑性参数。紧凑性参数。 侧置气门燃烧室的侧置气门燃烧室的A/VA/V大，顶置气大，顶置气门燃烧室的门燃烧室

3、的A/VA/V要小得多。即使同是要小得多。即使同是顶置气门燃烧室，不同形状的燃烧室，顶置气门燃烧室，不同形状的燃烧室，其其A/VA/V值也有差别。值也有差别。 一般来说，一般来说，A AV V大，火焰传播距大，火焰传播距离长，容易爆燃，离长，容易爆燃，HCHC排放高，相对散排放高，相对散热面积大，热损失大。热面积大，热损失大。第2页/共55页3 3 3）火花塞位置及对柴油机性能的影响：）火花塞位置及对柴油机性能的影响： 5-3 点燃式内燃机的燃烧点燃式内燃机的燃烧 a a 火花塞应靠近排气门处，热混合气能及早火花塞应靠近排气门处，热混合气能及早燃烧，不致发展为爆燃。燃烧，不致发展为爆燃。 b

4、b 火花塞间隙处的残余废气应能充分清扫，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，提高发动机在暖机和低负使混合气容易着火，提高发动机在暖机和低负荷时工作稳定性性能。荷时工作稳定性性能。 c c 不希望有过强的气流在点火瞬间直接吹向不希望有过强的气流在点火瞬间直接吹向火花塞间隙，吹散火核，导致失火。火花塞间隙，吹散火核，导致失火。 d d 火花塞的点火性能对发动机性能与排污有火花塞的点火性能对发动机性能与排污有重大影响重大影响. . 第3页/共55页4 4 4）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，可增加火焰传播的速度，扩大着火边界，燃烧室内形成适当强

5、度的气流运动，可增加火焰传播的速度，扩大着火边界，燃烧更稀的混合气；降低循环变动率，降低燃烧更稀的混合气；降低循环变动率，降低HCHC排放。但过强的气流将是热损失增排放。但过强的气流将是热损失增加，还可能吹灭火核而失火，从而使加，还可能吹灭火核而失火，从而使HCHC排放量增加。排放量增加。 5 5）燃烧室的优化途径）燃烧室的优化途径 燃烧室的设计首先是选择最佳几何形状。燃烧室的设计首先是选择最佳几何形状。 燃烧室的几何形状燃烧室的几何形状包含包含缸盖和活塞顶形状以及火花塞的位置缸盖和活塞顶形状以及火花塞的位置。半球形或单。半球形或单坡屋顶式燃烧室能是火焰前锋表面积迅速接近最大值（燃烧迅速），坡

6、屋顶式燃烧室能是火焰前锋表面积迅速接近最大值（燃烧迅速），A/VA/V小（传小（传热损失小）。火花塞应尽量靠近燃烧室中心，燃烧室应适当的组织气体运动。热损失小）。火花塞应尽量靠近燃烧室中心，燃烧室应适当的组织气体运动。 燃烧室应有最大的火焰前锋面积、最小的面容比、最大的气门尺寸，最佳的燃烧室应有最大的火焰前锋面积、最小的面容比、最大的气门尺寸，最佳的几何形状。能够改善混合气分布和均匀性。几何形状。能够改善混合气分布和均匀性。 5-3 点燃式内燃机的燃烧点燃式内燃机的燃烧第4页/共55页5 5-3 点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室第5页/共55页6 3. 3.典型燃烧室典型燃烧室： 1

7、1）楔形燃烧室：）楔形燃烧室： 车用汽油机广泛采用楔形燃烧室，其布置车用汽油机广泛采用楔形燃烧室，其布置在汽缸盖上。在汽缸盖上。 优点优点结构较紧凑，火焰距离较短，散结构较紧凑，火焰距离较短，散热损失小，进气阻力较小，充气系数较高，热损失小，进气阻力较小，充气系数较高，压缩比也较高，可达压缩比也较高，可达9-109-10。这种燃烧室具有。这种燃烧室具有较高的经济性和动力性。较高的经济性和动力性。 缺点缺点楔形燃烧室内的混合气过分集中楔形燃烧室内的混合气过分集中于火花塞处，使初期燃烧率大，压升率高，于火花塞处，使初期燃烧率大，压升率高，工作有些粗暴，而且燃烧温度较高，工作有些粗暴，而且燃烧温度较

8、高，NOxNOx生生成也较多。成也较多。5-3 点燃式内燃机的燃烧点燃式内燃机的燃烧第6页/共55页7 2 2）浴盆形燃烧室：形状像一个椭圆形的浴盆，）浴盆形燃烧室：形状像一个椭圆形的浴盆，这种燃烧室的高度是相同的，宽度允许略超出气这种燃烧室的高度是相同的，宽度允许略超出气缸范围来加大气门直径。缸范围来加大气门直径。 它具有一定的挤气面积，但挤流效果较差，它具有一定的挤气面积，但挤流效果较差，火焰传播路径也较长，使汽油机的高速动力性能火焰传播路径也较长，使汽油机的高速动力性能降低。降低。A/VA/V较大，对较大，对HCHC排放不利。排放不利。 但压力升高功率低，工作柔和，但压力升高功率低，工作

9、柔和，NOxNOx排放低。排放低。制造工艺性好，又便于使用维修，所以在载重车制造工艺性好，又便于使用维修，所以在载重车上应用相当广泛。近年的试验证明，适当增加其上应用相当广泛。近年的试验证明，适当增加其挤气面积比，可以使汽油机的性能得到一定程度挤气面积比，可以使汽油机的性能得到一定程度的改善。的改善。 5-3 点燃式内燃机的燃烧点燃式内燃机的燃烧第7页/共55页8 3 3）半球形燃烧室：）半球形燃烧室：燃烧室位于气缸燃烧室位于气缸盖上，形状大致呈半球形或篷形，一般配凸出的活塞顶。盖上，形状大致呈半球形或篷形，一般配凸出的活塞顶。 5-3 点燃式内燃机的燃烧点燃式内燃机的燃烧 燃烧室可机加工，保

10、证光滑表面、精确的形状燃烧室可机加工，保证光滑表面、精确的形状和容积；燃烧室结构紧凑，热损失小；和容积；燃烧室结构紧凑，热损失小；A/VA/V值小，值小，HCHC排排放低；火花塞布置在燃烧室中央、火布置在燃烧室中放低；火花塞布置在燃烧室中央、火布置在燃烧室中央、火焰传播路径短，充量系数大，在央、火焰传播路径短，充量系数大，在非常高的转速下仍能保持满意的充量系数，最高转速在非常高的转速下仍能保持满意的充量系数，最高转速在60006000转以上的车用汽油转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。 由于火花塞周围容积大，燃烧速率和压力升高率大，工作较为粗暴，最高由于火花塞周

11、围容积大，燃烧速率和压力升高率大，工作较为粗暴，最高温度高，温度高，NOxNOx排放较高。排放较高。 弧形汽缸盖，适合于二冲程汽油机扫气，故广泛应用。弧形汽缸盖，适合于二冲程汽油机扫气，故广泛应用。第8页/共55页9 4 4）碗形燃烧室）碗形燃烧室 燃烧室布置在活塞中的一个回转体，采用平底气燃烧室布置在活塞中的一个回转体，采用平底气缸盖。缸盖。 优点：工艺性好，燃烧室全部采用机械加工而成，优点：工艺性好，燃烧室全部采用机械加工而成，有精确的形状和容积，燃烧室表面光滑、接凑、挤流有精确的形状和容积，燃烧室表面光滑、接凑、挤流效果好；压缩比可高达效果好；压缩比可高达1111。 缺点：缺点：A/VA

12、/V较大，散热增加；需要恰当选择好较大，散热增加；需要恰当选择好S/DS/D与压缩比与压缩比c c的关系；因火花塞正好处于挤流流入燃烧的关系；因火花塞正好处于挤流流入燃烧室的通道上，所以需要仔细选择点火时刻，以保证点室的通道上，所以需要仔细选择点火时刻，以保证点火时流速不至于过大或者过小。火时流速不至于过大或者过小。 5-3 点燃式内燃机的燃烧点燃式内燃机的燃烧第9页/共55页10 5 5）其他类型燃烧室）其他类型燃烧室 汽油机目前一个重要的研究法方向是稀燃、速燃、汽油机目前一个重要的研究法方向是稀燃、速燃、层燃技术。采用稀薄混合气可以降低油耗和排放，提层燃技术。采用稀薄混合气可以降低油耗和排

13、放，提高压缩比，但稀燃会降低火焰传播速度，所以需要采高压缩比，但稀燃会降低火焰传播速度，所以需要采取相关措施来组织混合气快速燃烧。取相关措施来组织混合气快速燃烧。 （1 1）带湍流罐的燃烧室）带湍流罐的燃烧室 在燃烧室中设置在燃烧室中设置小副室，并在喷孔部位配置火花塞，混合气被点小副室，并在喷孔部位配置火花塞，混合气被点燃后流入副室。燃后流入副室。 在压缩过程中，一边对火花塞间隙进行扫在压缩过程中，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。气，一边使混合气产生适当的流速。 副室内的压力随火焰传播而升高，然后喷副室内的压力随火焰传播而升高，然后喷入主燃烧室，产生湍流，促进主燃烧室的燃

14、烧。入主燃烧室，产生湍流，促进主燃烧室的燃烧。 5-3 点燃式内燃机的燃烧点燃式内燃机的燃烧第10页/共55页11 （2 2）双火花塞燃烧室）双火花塞燃烧室 在右图所示的半球形燃烧室中，左右对称地布置在右图所示的半球形燃烧室中，左右对称地布置两只火花塞。两只火花塞。 这样，火焰传播距离缩短这样，火焰传播距离缩短1/21/2，从而可以推迟点，从而可以推迟点火正时，提高着火时混合气的温度和压力，使着火性火正时，提高着火时混合气的温度和压力，使着火性能得到改善，并且燃烧持续期将缩短，有利于提高发能得到改善，并且燃烧持续期将缩短，有利于提高发动机的性能。动机的性能。 5-3 点燃式内燃机的燃烧点燃式内

15、燃机的燃烧第11页/共55页12 5-4 压燃式内燃机的燃烧 柴油机燃烧是决定柴油机动力性、经济性和排柴油机燃烧是决定柴油机动力性、经济性和排放特性的关键。放特性的关键。 研究表明，研究表明，柴油机的燃烧过程包括预混合燃烧柴油机的燃烧过程包括预混合燃烧（占很小一部分）和扩散燃烧两部分。（占很小一部分）和扩散燃烧两部分。 混合速率控制着燃烧速率是扩散燃烧的显著特混合速率控制着燃烧速率是扩散燃烧的显著特征，因此征，因此组织迅速与完善的扩散燃烧对提高柴油机组织迅速与完善的扩散燃烧对提高柴油机燃油经济性和降低排放至关重要燃油经济性和降低排放至关重要。第12页/共55页13 5-4 压燃式内燃机的燃烧

16、预混燃烧预混燃烧: :喷油装置喷入气缸的燃料在着火前已蒸发喷油装置喷入气缸的燃料在着火前已蒸发并与空气混合。并与空气混合。 这部分混合气的燃烧（扩散燃烧）反映了这部分混合气的燃烧（扩散燃烧）反映了燃烧放热过燃烧放热过程的长短，空气燃料的混合程度以及柴油机碳烟生成情程的长短，空气燃料的混合程度以及柴油机碳烟生成情况，况，组织迅速与完善的扩散燃烧对提高柴油机燃油经济性组织迅速与完善的扩散燃烧对提高柴油机燃油经济性和降低排放至关重要。和降低排放至关重要。 这部分混合气的燃烧数量决定了燃烧过程中这部分混合气的燃烧数量决定了燃烧过程中缸内最高缸内最高燃烧压力、最大压力升高率、最大放热率和燃烧噪声。燃烧压

17、力、最大压力升高率、最大放热率和燃烧噪声。 扩散燃烧扩散燃烧: :大部分燃料（柴油）是在着火后喷大部分燃料（柴油）是在着火后喷入入气缸气缸的，它处于一边与空气混合、一边燃烧的情况下，由于混的，它处于一边与空气混合、一边燃烧的情况下，由于混合速率比反应速度慢，所以合速率比反应速度慢，所以混合速率控制着燃烧速率混合速率控制着燃烧速率。第13页/共55页14 5-4 压燃式内燃机的燃烧第14页/共55页15 一、着火与燃烧过程一、着火与燃烧过程 1.1.着火条件：由油滴在静止热空气中的着火可知，着火条件：由油滴在静止热空气中的着火可知，a.a.在形成的可燃混在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与空气的比例

18、要在着火界限内合气中，燃料蒸气与空气的比例要在着火界限内；b.b.必须被加热到某一必须被加热到某一临界温度才能自燃。临界温度才能自燃。通过研究静止于热空气中的油滴着火情况来对比。通过研究静止于热空气中的油滴着火情况来对比。 把燃料不用外部点燃而能自己着火的最低温度称为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着火温度或自燃温度。温度。不同燃料其自燃性能是不同的，并且其随着介质压力、加热条件不同燃料其自燃性能是不同的，并且其随着介质压力、加热条件及测试方法等因素的变化而变化。及测试方法等因素的变化而变化。5-4 压燃式内燃机的燃烧第15页/共55页16 5-4 压燃式内燃机的燃烧

19、 柴油机实际的燃烧非常复杂：柴油机实际的燃烧非常复杂： a.a.喷入气缸内的燃油分散为一群油粒，汽缸各处的温度也不相同，喷入气缸内的燃油分散为一群油粒，汽缸各处的温度也不相同，各个油粒经历不同的蒸发、混合机氧化等物理各个油粒经历不同的蒸发、混合机氧化等物理- -化学准备阶段，各个油粒化学准备阶段，各个油粒之间还相互干涉、渗透。之间还相互干涉、渗透。 b.b.喷入油缸的油束，喷入油缸的油束，首先着火的地方不在油束外围油粒最小的地方，首先着火的地方不在油束外围油粒最小的地方，也不在油束核心浓度过高的地方，而在油束核心与外围之间混合气浓度和也不在油束核心浓度过高的地方，而在油束核心与外围之间混合气浓

20、度和温度适当的地方温度适当的地方。 c.c.汽缸中适合形成火核的地方不止一个，所以首先着火的火核一般汽缸中适合形成火核的地方不止一个，所以首先着火的火核一般不止一个。火核在传播火焰期间遇到过稀或过浓的混合气可能中断，同时不止一个。火核在传播火焰期间遇到过稀或过浓的混合气可能中断，同时其他地方新的火核可能再次形成，并传播火焰。其他地方新的火核可能再次形成，并传播火焰。 d.d.各个循环火核形成的地方也不一定相同。各个循环火核形成的地方也不一定相同。第16页/共55页17 5-4 压燃式内燃机的燃烧 2.2.燃烧的阶段划分燃烧的阶段划分: : 柴油机的喷油、混合气形成和燃柴油机的喷油、混合气形成和

21、燃烧是在极短的时间内相继并且重叠在烧是在极短的时间内相继并且重叠在一起同时进行的。一起同时进行的。燃烧过程分为四个燃烧过程分为四个阶段。阶段。A A喷油开始喷油开始B B着火开始着火开始滞燃期滞燃期C C压力急剧升高终点压力急剧升高终点急燃期急燃期缓燃期缓燃期D D最大压力最大压力E E燃料燃烧完毕燃料燃烧完毕后燃期后燃期第17页/共55页18 5-4 压燃式内燃机的燃烧 （1 1）着火延迟期（滞燃期）着火延迟期（滞燃期） 自开始喷油（自开始喷油（A A点）到开始着点）到开始着火（火（B B点），或自开始喷油到缸内点），或自开始喷油到缸内压力脱离纯压缩线开始急剧上升为压力脱离纯压缩线开始急剧上

22、升为止的一段时期。止的一段时期。 滞燃期内，喷入气缸的燃料经滞燃期内，喷入气缸的燃料经历了一系列的物理历了一系列的物理- -化学变化过程，化学变化过程，包括燃料的雾化、加热、蒸发、扩包括燃料的雾化、加热、蒸发、扩散与空气混合等物理过程以及着火散与空气混合等物理过程以及着火前的化学准备阶段。前的化学准备阶段。 i i= 0.7-3ms= 0.7-3ms， i i= =（4.2-184.2-18）n/1000n/1000（）喷入油量一般为供油量的喷入油量一般为供油量的30-40% 30-40% 滞燃期直接影响急燃期的燃烧，对整个燃烧过程影响很大。滞燃期直接影响急燃期的燃烧，对整个燃烧过程影响很大。

23、第18页/共55页19 5-4 压燃式内燃机的燃烧 （2 2）急燃期（）急燃期（BCBC）从开从开始着火到始着火到压力急剧升高终点压力急剧升高终点的阶段。的阶段。 特点：火源迅速形成，特点：火源迅速形成，喷入气喷入气缸的燃料几乎全部燃烧，还使急燃缸的燃料几乎全部燃烧，还使急燃期进入气缸而又完成燃烧准备的部期进入气缸而又完成燃烧准备的部分燃料进行燃烧，分燃料进行燃烧，活塞靠近上止点，活塞靠近上止点，气缸容积又比较小，所以，气缸中气缸容积又比较小，所以，气缸中压力升高极快。压力升高极快。 一般用一般用平均压力升高率平均压力升高率p/p/来表示压力升高的急剧程来表示压力升高的急剧程度。度。 如果平均

24、压力升高率太大，则如果平均压力升高率太大，则柴油机工作粗暴，柴油机的运动部柴油机工作粗暴，柴油机的运动部件受到冲击负荷较大，寿命就会缩件受到冲击负荷较大，寿命就会缩短，一般平均压力升高率不超过短，一般平均压力升高率不超过0.6MPa0.6MPa。第19页/共55页20 5-4 压燃式内燃机的燃烧 （3 3）缓燃期（）缓燃期（CDCD）从从压力急剧升高终点压力急剧升高终点到出现最高到出现最高压力的阶段。压力的阶段。 这一阶段的燃烧是在气缸这一阶段的燃烧是在气缸容积不断增加的情况下进行的，容积不断增加的情况下进行的，所以燃烧必须很快才能使气缸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。压

25、力稍有上升或几乎保持不变。 有些发动机在缓燃期内仍有燃有些发动机在缓燃期内仍有燃料喷射。料喷射。在缓燃期内加强空气运动，在缓燃期内加强空气运动，加速混合气形成，对保证混合气在上加速混合气形成，对保证混合气在上止点附近迅速和完全燃烧有重要作用止点附近迅速和完全燃烧有重要作用（逆挤流逆挤流）。）。 缓燃期结束时，燃气最高温度可达缓燃期结束时，燃气最高温度可达1700-20001700-2000C C。第20页/共55页21 5-4 压燃式内燃机的燃烧 （4 4）后燃期（）后燃期（DEDE）从最高压力点开始到从最高压力点开始到燃料基本燃烧完毕为止。燃料基本燃烧完毕为止。 这一阶段的终点很难确定，实际

26、上很可能一这一阶段的终点很难确定，实际上很可能一直延续到排气开始，尤其是在高速、大负荷时。直延续到排气开始，尤其是在高速、大负荷时。 后燃产生的负面影响：后燃产生的负面影响：a.a.在后燃期内，燃料在后燃期内，燃料在较低的膨胀比下放热，所放出的热量难于有效在较低的膨胀比下放热，所放出的热量难于有效地利用；地利用；b.b.使柴油机零件的热负荷增加；使柴油机零件的热负荷增加；c.c.排气排气温度升高，传给冷却水的热损失也增加，柴油机温度升高，传给冷却水的热损失也增加，柴油机的经济性下降。的经济性下降。所以后燃期应尽可能地缩短所以后燃期应尽可能地缩短。 缩短后燃期的措施：缩短后燃期的措施：加强燃烧室

27、内的气流运动，改善混合气的形成，减少缓加强燃烧室内的气流运动，改善混合气的形成，减少缓燃期内的喷油量，并提高缓燃阶段的燃烧速度，使燃烧尽可能在上止点附近基本完燃期内的喷油量，并提高缓燃阶段的燃烧速度，使燃烧尽可能在上止点附近基本完成。成。 第21页/共55页22 5-4 压燃式内燃机的燃烧3.3.滞燃期滞燃期 i i：是控制燃烧过程的关键参数，影响发动机的性能。是控制燃烧过程的关键参数，影响发动机的性能。 i i过长，过长，则滞燃期内喷入的燃料量就多，这些预混合燃料在急燃期内几乎同时燃则滞燃期内喷入的燃料量就多，这些预混合燃料在急燃期内几乎同时燃烧，使缸内压力迅速增高，发动机运转粗暴，振动噪声

28、增加，甚至燃烧难以控制，严烧，使缸内压力迅速增高，发动机运转粗暴，振动噪声增加，甚至燃烧难以控制，严重影响发动机的使用寿命。重影响发动机的使用寿命。 i i过小时过小时，对混合气形成不利，性能恶化。，对混合气形成不利，性能恶化。总体来说，为总体来说，为了控制燃烧过程，降低机械负荷以使发动机平稳运转，应尽量减小滞燃期。了控制燃烧过程，降低机械负荷以使发动机平稳运转，应尽量减小滞燃期。 从右图可以看出：最高燃烧压力和最从右图可以看出：最高燃烧压力和最大压力升高率随滞燃期的增加而增加。大压力升高率随滞燃期的增加而增加。第22页/共55页23 5-4 压燃式内燃机的燃烧 滞燃期的影响因素：滞燃期的影响

29、因素：压缩温度和压力、喷油提前角、转速、燃料的压缩温度和压力、喷油提前角、转速、燃料的性质、空燃比等因素。性质、空燃比等因素。 压缩温度和压力压缩温度和压力：是影响滞燃期的直接（主要）因素，其他一些因素：是影响滞燃期的直接（主要）因素，其他一些因素是通过压缩温度和压力而间接影响滞燃期的。是通过压缩温度和压力而间接影响滞燃期的。随着压缩温度和压力提高，随着压缩温度和压力提高，滞燃期减小。滞燃期减小。 右图中，纵坐标为滞燃期的对数，右图中，纵坐标为滞燃期的对数，横坐标为压缩温度的倒数。横坐标为压缩温度的倒数。第23页/共55页24 5-4 压燃式内燃机的燃烧 喷油提前角：喷油提前角：如果喷油早，如

30、果喷油早，燃料进入气缸时的空气温度燃料进入气缸时的空气温度和压力较低，使滞燃期长；和压力较低，使滞燃期长；如果喷油迟如果喷油迟，作用的时间缩短，作用的时间缩短，着火前活塞已开始下行，使空气温度和压力降低，也会使滞着火前活塞已开始下行，使空气温度和压力降低，也会使滞燃期增加；因此，燃期增加；因此，存在一个使滞燃期最短的喷油提前角。存在一个使滞燃期最短的喷油提前角。 从右图试验数据可以发现，怠从右图试验数据可以发现，怠速时最短滞燃期喷油提前角为上止速时最短滞燃期喷油提前角为上止点前点前5-105-10，高转速时最短滞燃期，高转速时最短滞燃期喷油提前角为上止点前喷油提前角为上止点前10-1510-1

31、5。 但是，为了保证较好的功率和但是，为了保证较好的功率和经济指标，一般希望在上止点前经济指标，一般希望在上止点前5-5-1010开始着火燃烧，以保证燃烧在开始着火燃烧，以保证燃烧在上止点附近完成。上止点附近完成。 通常最佳喷油提前角是根据功通常最佳喷油提前角是根据功率和经济性能来调整的，它要大于率和经济性能来调整的，它要大于滞燃期最短的喷油提前角。滞燃期最短的喷油提前角。第24页/共55页25 5-4 压燃式内燃机的燃烧 转速：转速对滞燃期的影响是通过压缩压力、温度、转速：转速对滞燃期的影响是通过压缩压力、温度、喷油压力以及空气扰动等因素起作用。喷油压力以及空气扰动等因素起作用。转速升高时，

32、通过活转速升高时，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，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；使燃烧室中的空气扰动加速，促使燃料蒸发，备过程加快；使燃烧室中的空气扰动加速，促使燃料蒸发，提高混合气形成的速度，使滞燃期变短。提高混合气形成的速度，使滞燃期变短。第25页/共55页2626 5-4 压燃式内燃机的燃烧 柴油机增压：进入气缸的空气充量密度增加，进气压力柴油机增压：进入气缸的空气充量密度增加，进气压力和温度的提高使压缩终了的压力和温度升高，

33、滞燃期显著缩短。和温度的提高使压缩终了的压力和温度升高，滞燃期显著缩短。但有的采用增压中冷技术使得滞燃期减少不是很大。但有的采用增压中冷技术使得滞燃期减少不是很大。但一般来但一般来说，增压后使滞燃期缩短，减缓初期燃烧速度，使压力升高率说，增压后使滞燃期缩短，减缓初期燃烧速度，使压力升高率有所下降，但燃烧持续时间要拉长一些。有所下降，但燃烧持续时间要拉长一些。 发动机起动时，由于发动机起动时，由于转速及气缸压力、温度较转速及气缸压力、温度较低，混合气形成情况对滞低，混合气形成情况对滞燃期有较大的影响，因此，燃期有较大的影响，因此，空气运动、喷嘴结构、燃空气运动、喷嘴结构、燃烧室壁温等因素在起动条

34、烧室壁温等因素在起动条件下成为影响滞燃期的重件下成为影响滞燃期的重要因素要因素。第26页/共55页27 5-4 压燃式内燃机的燃烧 二、内燃机的放热率 放热规律的分析是认识和改进燃烧过程的重要手段，也为模拟发动机工作过程提供边界条件。目前，计算燃烧放热规律的方法有三种： 第27页/共55页28 5-4 压燃式内燃机的燃烧（1）根据喷油规律求算放热规律，（2）由燃烧过程的放热模型(包括经验和半经验数学模型，以及准维和多维燃烧模型)预测柴油机的放热规律；（3）从实测示功图计算出放热规律， 这种方法计算过程简捷，且示功图容易获得，是应用广泛的一种方法。( )ffdmdQfddfdQpd第28页/共5

35、5页29 5-4 压燃式内燃机的燃烧 1. 由示功图（由示功图（p-图）进行放热率计算的方法图）进行放热率计算的方法 根据热力学第一定律（能量守恒方程式）： 式中：Qf 该瞬时前燃料燃烧放出的累计热量；Q 该瞬时前缸内气体吸收的累计热量；Qw 该瞬时前传给气缸壁的累计热量； U 缸内气体内能的增量，U=U-U0， U0为计算始点气体的内能； W从计算始点至该瞬时气体所作的功。fwwQQQUWQ 第29页/共55页30 5-4 压燃式内燃机的燃烧 对于某瞬时（或某一计算步长）有： 式中， 燃料放热率，kJ/()CA； 燃料燃烧时对气体的加热率， kJ/()CA； 气体与燃烧室壁间的传热率，kJ/

36、()CA；p 瞬时气体压力，MPa； V 瞬时气缸容积，单位m3。fwwdQdQdQdQdUdVpddddddwdQdfdQddQd第30页/共55页31 5-4 压燃式内燃机的燃烧 2. 2.放热率的阶段划分（直喷式燃烧室）放热率的阶段划分（直喷式燃烧室）燃料喷入气缸内吸热，有一小段放热为负（相当于滞燃期）；放热率曲线(即放热率)明显地可以划分为以下三个阶段。 第31页/共55页32 5-4 压燃式内燃机的燃烧 第一阶段第一阶段 （a ab b） 预混合燃烧阶段（急燃阶段）预混合燃烧阶段（急燃阶段）特点：着火从几个发火点开始，随后迅速燃烧滞燃期内已准备好特点：着火从几个发火点开始，随后迅速燃

37、烧滞燃期内已准备好的可燃混合气，放热率迅速达到第一个尖峰。当把滞燃期内已准备好的可燃混合气，放热率迅速达到第一个尖峰。当把滞燃期内已准备好的可燃混合气全部燃烧完毕，放热率迅速下降到的可燃混合气全部燃烧完毕，放热率迅速下降到b b点。点。a ab b段约占段约占5 57 7CACA，累计放热量约占循环总热量的，累计放热量约占循环总热量的20%20%。峰值的高低由滞燃期内峰值的高低由滞燃期内形成的可燃混合气的数量决定形成的可燃混合气的数量决定。第32页/共55页33 5-4 压燃式内燃机的燃烧 第二阶段第二阶段 （b bc c）扩散燃烧阶段（缓燃阶段）扩散燃烧阶段（缓燃阶段） 此阶段放热率受燃料与

38、空气混合速率的控制。此阶段放热率受燃料与空气混合速率的控制。一边喷油一边混合燃烧一边喷油一边混合燃烧。随着火。随着火焰前锋面积的扩大，燃烧速度也有所提高，因此，放热率曲线出现第二峰值。焰前锋面积的扩大，燃烧速度也有所提高，因此，放热率曲线出现第二峰值。此阶段延续约此阶段延续约4040CACA，其间放出的热量约占整个循环放热量的，其间放出的热量约占整个循环放热量的60%60%。第33页/共55页34 5-4 压燃式内燃机的燃烧 第三阶段第三阶段 （c cd d） 尾部燃烧阶段（后燃期）尾部燃烧阶段（后燃期） 其延续约其延续约6060CACA，放热量约占循环总热量的，放热量约占循环总热量的20%2

39、0%。第34页/共55页35 5-4 压燃式内燃机的燃烧其中其中(A)(A)为直喷式高速柴油机，为直喷式高速柴油机，(B)(B)为为M M燃烧燃烧系统，系统，(C)(C)为泼金斯公司的挤流口燃烧系统，为泼金斯公司的挤流口燃烧系统，(D)(D)为电火花点燃的直喷式德士古燃烧系统为电火花点燃的直喷式德士古燃烧系统 柴油机类型及工况不同，放热率曲线的形状柴油机类型及工况不同，放热率曲线的形状也会有很大的不同。也会有很大的不同。不同燃烧系统放热比较第35页/共55页36 5-4 压燃式内燃机的燃烧 二、放热规律与发动机性能的关系二、放热规律与发动机性能的关系气缸压力的变化主要由放热规律所决定。因此，燃

40、烧放热规律对平均有效压力pme、有效燃油消耗率be、最高燃烧压力和燃烧噪声等性能指标影响很大。四种简单的放热规律分析计算，其结果如图所示。zp不同放热率对发动机性能的影响这4种放热规律均是在上止点开始放热，而在上止点后40结束。其中a初期放热量多，压力升高速度快，最高燃烧压力8MPa，此时热效率为52.9%。曲线d初期放热少，由于是在容积不断增大的情况下放热，放热使气体压力升高小于膨胀使气体压力下降，所以压力反而下降，此时热效率最小，为45.4%。第36页/共55页37 5-4 压燃式内燃机的燃烧 通过试验及分析发现，通过试验及分析发现，开始放热的时刻开始放热的时刻、放热规律放热规律和和放热持

41、续时间放热持续时间是燃烧过程的三个要素。是燃烧过程的三个要素。 为了降低燃烧噪音及机械负荷，希望降低压力升高率和最高燃烧压为了降低燃烧噪音及机械负荷，希望降低压力升高率和最高燃烧压力，这就意味着较多的燃料不在上止点附近燃烧，其结果是燃烧时间拉力，这就意味着较多的燃料不在上止点附近燃烧，其结果是燃烧时间拉长，柴油机热效率与经济性下降；为了提高热效率，实现较好的经济性长，柴油机热效率与经济性下降；为了提高热效率，实现较好的经济性，希望燃料尽量在上止点附近燃烧。，希望燃料尽量在上止点附近燃烧。 最佳的最佳的放热规律是放热规律是燃烧先缓后急燃烧先缓后急，即适当减少预混合燃烧阶段的放，即适当减少预混合燃

42、烧阶段的放热高峰，放热适中，降低噪声和热高峰，放热适中，降低噪声和NOxNOx排放，运转温和；随后加速扩散燃烧排放，运转温和；随后加速扩散燃烧阶段的放热率，使尽量在上止点附近将热量阶段的放热率，使尽量在上止点附近将热量烧完。烧完。 先缓后急的燃烧规律在一定程度上可通过控制喷油正时，喷油持续先缓后急的燃烧规律在一定程度上可通过控制喷油正时，喷油持续期和喷油规律来实现。期和喷油规律来实现。第37页/共55页38 5-4 压燃式内燃机的燃烧 三、燃烧噪音三、燃烧噪音 较多燃料同时燃烧时，气缸压力急剧上升产生较多燃料同时燃烧时，气缸压力急剧上升产生的冲击波，使燃烧室壁面及活塞曲轴零件产生强烈的冲击波，

43、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形成燃烧噪声。当振动，并通过气缸壁面传至外部形成燃烧噪声。当dp/d dp/d 0.6MPa/0.6MPa/CACA时，产生强烈燃烧噪声，我们时，产生强烈燃烧噪声，我们称这种现象为工作粗暴。称这种现象为工作粗暴。 减少噪声的措施：减少噪声的措施：1.1.缩短滞燃期；缩短滞燃期；2.2.减少在滞减少在滞燃期内的喷油量；燃期内的喷油量；3.3.减少在滞燃期内形成可燃混合减少在滞燃期内形成可燃混合气的数量。常见的措施是采用高十六烷值燃料，采气的数量。常见的措施是采用高十六烷值燃料，采用引导喷射（二级喷射）等。用引导喷射（二级喷射）等。第3

44、8页/共55页39 第五章 内燃机混合气的形成和燃烧燃机混合气的形成和燃烧 5-5 5-5 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：直接喷射燃烧室（开式）和分隔式燃烧室（间接）分为两大类：直接喷射燃烧室（开式）和分隔式燃烧室（间接）浅盆形浅盆形直喷直喷深坑形深坑形无涡流无涡流气流运动气流运动有涡流有涡流涡流室涡流室分隔式分隔式预燃室预燃室第39页/共55页40 5-5 点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室第40页/共55页41 5-5 点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室 直接喷射式燃烧室直接喷射式燃烧室 直接喷射式燃烧室具有结构简单、燃油消耗低1520%、启动容易等优点

45、。但也存在缺点，如进气系统和喷射系统要求高、喷油系统易出故障、最大燃烧压力较高、噪声及排放指标欠佳等。 在柴油机中，由于它具有高的热效率，易于启动，加上近年来人们在进气道和燃油系统方面取得进展，它的应用占统治地位。第41页/共55页42 5-5 点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室分隔式分隔式燃烧室燃烧室 间喷式（或叫分开式）燃烧室柴油机的有效燃油消耗率高于直喷式柴油机，但由于它具有高速性能好、噪声和排气污染小及对喷油系统要求低等优点，因此在高速小型农用、车用柴油机上广泛应用。第42页/共55页43 5-5 点燃式内燃机的燃烧室点燃式内燃机的燃烧室 1.1.特点：特点： a a混合气靠喷射

46、雾化，对喷雾质量要求高（小直径多孔喷嘴，易混合气靠喷射雾化，对喷雾质量要求高（小直径多孔喷嘴，易堵塞），对燃油系统要求高。堵塞），对燃油系统要求高。 b b要求油束与燃烧室形状相配合，燃料尽可能的分布整个空间。要求油束与燃烧室形状相配合，燃料尽可能的分布整个空间。 c c一般不组织涡流的情况下，依靠油束的扩展促使燃油与空气混合形一般不组织涡流的情况下，依靠油束的扩展促使燃油与空气混合形成卷吸流动；所以，主要用于大缸径中低速柴油机。成卷吸流动；所以，主要用于大缸径中低速柴油机。 d d结构紧凑，形状简单；面容比小，热损失小；不组织气流运动，无结构紧凑，形状简单；面容比小，热损失小；不组织气流运动

47、，无节流损失；容易启动，且燃油消耗率低，经济性好。节流损失；容易启动，且燃油消耗率低，经济性好。 e e有均匀的空间混合，滞燃期内形成的可燃混合气较多，有均匀的空间混合，滞燃期内形成的可燃混合气较多，dp/ddp/d 升高升高很快，工作粗暴，燃烧室温度较高，易冒烟产生较多的很快，工作粗暴，燃烧室温度较高，易冒烟产生较多的NOxNOx。 f f对转速和燃料较敏感。随转速降低燃油雾化质量变差，燃油粘度。对转速和燃料较敏感。随转速降低燃油雾化质量变差，燃油粘度。 g g采用较大的过量空气系数。因混合气形成主要靠喷雾，热负荷高。采用较大的过量空气系数。因混合气形成主要靠喷雾，热负荷高。 随着缸径和压缩

48、比的增大，烟度、随着缸径和压缩比的增大，烟度、 dp/ddp/d 和和NOxNOx相对减少。相对减少。一、浅盆形燃烧室一、浅盆形燃烧室第43页/共55页44 5-5 压燃式内燃机的燃烧室 2.2.燃烧的有效组织燃烧的有效组织 由于浅盆形燃烧室一般不组织气流运动，因而由于浅盆形燃烧室一般不组织气流运动，因而工作过程的组织关键是考虑工作过程的组织关键是考虑喷射喷射与与燃烧室形状之间燃烧室形状之间的合理配合。的合理配合。 影响浅盆形燃烧室性能的主要因素是：供油提影响浅盆形燃烧室性能的主要因素是：供油提前角、供油规律、供油持续角、油束的雾化质量、前角、供油规律、供油持续角、油束的雾化质量、油束的数目和

49、射程、油雾锥角、燃烧室的形状、配油束的数目和射程、油雾锥角、燃烧室的形状、配气相位、压缩比等。气相位、压缩比等。 适用于低速大缸径的发动机。适用于低速大缸径的发动机。第44页/共55页45 5-5 压燃式内燃机的燃烧室 二、深坑形燃烧室二、深坑形燃烧室 1.1.特点：对燃油系统要求很低，组织进气涡流，提高空特点：对燃油系统要求很低，组织进气涡流，提高空气的利用率，同时利用一定的喷雾质量，过量空气系数较小气的利用率，同时利用一定的喷雾质量，过量空气系数较小（1.3-1.51.3-1.5），且油耗低易起动。），且油耗低易起动。广泛应用于小型高速柴油机广泛应用于小型高速柴油机。 第45页/共55页4

50、646 5-5 压燃式内燃机的燃烧室 2.2.设计要点：形状设计要点：形状以以形燃烧室为主，存在各种变形。形燃烧室为主，存在各种变形。 （1 1）燃烧室尺寸）燃烧室尺寸喉口直径喉口直径d dk k和深度和深度h h；相对容积比；相对容积比V Vk k/V/Vc c 和和（Vc=VVc=Vk k+V+V）喉口直径与气缸直径之比）喉口直径与气缸直径之比d dk k/D/D。 相对容积比相对容积比V Vk k/Vc /Vc 尽可能大点，因为尽可能大点，因为a a直接喷射式发动机混直接喷射式发动机混合气的形成和燃烧主要在燃烧室内进行，而余隙容积中的气体不合气的形成和燃烧主要在燃烧室内进行，而余隙容积中

51、的气体不能有效利用，所以应尽可能减少余隙容积，使空气尽可能集中在能有效利用，所以应尽可能减少余隙容积，使空气尽可能集中在燃烧室内，以改善空气利用率；燃烧室内，以改善空气利用率；b b增加增加V Vk k/Vc/Vc使燃烧室的相对散热使燃烧室的相对散热面积减小，挤流加强，有利于混合气形成和燃烧。面积减小，挤流加强，有利于混合气形成和燃烧。 d dk k/D/D要合适，要与油束要合适，要与油束射程配合。射程配合。d dk k/D/D大则燃烧室深，大则燃烧室深，可降低最高燃烧压力；但过大可降低最高燃烧压力；但过大则排气不净，活塞高度增加，则排气不净，活塞高度增加，喉口、活塞、喷油器容易过热。喉口、活

52、塞、喷油器容易过热。第46页/共55页4747 5-5 压燃式内燃机的燃烧室 （2 2）燃烧室的布置）燃烧室的布置: : 1 1）通常布置在活塞上，这样燃烧室表面不与冷却水直接接触，可减少散热损）通常布置在活塞上，这样燃烧室表面不与冷却水直接接触，可减少散热损失。失。 2 2）对于）对于4 4气门发动机，燃烧室、喷油器及气缸在同一轴线上，这样对称布置使气门发动机，燃烧室、喷油器及气缸在同一轴线上，这样对称布置使热流、气流都较均匀，油束贯穿度与喷孔到燃烧室壁面之间距离易于优化匹配，有热流、气流都较均匀，油束贯穿度与喷孔到燃烧室壁面之间距离易于优化匹配，有利于提高发动机性能与降低排放。利于提高发动

53、机性能与降低排放。 3 3）对于）对于2 2气门发动机，由于要尽可能加大进、排气门尺寸，不得不将燃烧室、气门发动机，由于要尽可能加大进、排气门尺寸，不得不将燃烧室、喷油器及气缸三者的中心线相互错开。此时要相应改变喷孔位置，以使喷油器及气缸三者的中心线相互错开。此时要相应改变喷孔位置，以使n n股油束相股油束相对于燃烧室仍是对称的。对于燃烧室仍是对称的。第47页/共55页48 5-5 压燃式内燃机的燃烧室 （3 3）燃烧室、油束射程和涡流强度的配合）燃烧室、油束射程和涡流强度的配合 燃烧室尺寸、油束射程及涡流强度之间的配合影响燃烧室尺寸、油束射程及涡流强度之间的配合影响燃料的空间分布燃料的空间分

54、布和和壁面分布的比例壁面分布的比例及及油束的落点位置油束的落点位置，从而影响混合气的形成和燃烧过，从而影响混合气的形成和燃烧过程。如，燃烧室口径较小，油束射程较大，而近期涡流较弱时，就有相程。如，燃烧室口径较小，油束射程较大，而近期涡流较弱时，就有相当多的燃油直接喷到燃烧室壁上。当多的燃油直接喷到燃烧室壁上。 深坑形燃烧室是以空间混合为主深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，一般应保证在进气涡流的作用下，油束仍有足够的射程，使燃料冲击壁面，并能反弹回来，造成燃油的再油束仍有足够的射程，使燃料冲击壁面，并能反弹回来，造成燃油的再分布，以此促进混合和燃烧。分布，以此促进混合和

55、燃烧。 油束与燃烧室的碰撞程度可用所谓的油束与燃烧室的碰撞程度可用所谓的穿透率穿透率=L/L=L/L（L-L-着火时刻的着火时刻的油束射程，油束射程，L L- -喷油器喷孔至燃烧室壁面的直线距离）表示。对于深坑形喷油器喷孔至燃烧室壁面的直线距离）表示。对于深坑形燃烧室，燃烧室，一般为一般为1.051.05左右。左右。 为了增加油束射程，可将喷孔直径加大，喷孔数目减小。喷孔数目为了增加油束射程，可将喷孔直径加大，喷孔数目减小。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。深坑形燃烧室一般采用气仍

56、能充分利用。深坑形燃烧室一般采用4-64-6个喷孔，其中采用个喷孔，其中采用4 4孔喷油孔喷油器最多。器最多。 要适当控制涡流强度，过小或过大都会使发动机性能降低。要适当控制涡流强度，过小或过大都会使发动机性能降低。第48页/共55页49 5-5 压燃式内燃机的燃烧室 （4 4）喷油器伸出缸盖距离：）喷油器伸出缸盖距离：3mm 3mm 喷油器伸出汽缸盖底平面的距离喷油器伸出汽缸盖底平面的距离h h影响油束与燃烧室及气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。过小易于将油喷到活流的配合，从而对性能有明显的影响。过小易于将油喷到活塞顶面上；过大油束易于落到燃烧室底部，喷油器热负荷大，塞

57、顶面上；过大油束易于落到燃烧室底部，喷油器热负荷大，易于烧坏卡死。易于烧坏卡死。 (5)(5)提高喷射率，缩短喷油持续期提高喷射率，缩短喷油持续期 喷射率喷射率单位工作容积每曲轴转角的供油量单位工作容积每曲轴转角的供油量mm3/cm3mm3/cm3* *( ()。喷油率应与穿透率及涡流强度等因素相。喷油率应与穿透率及涡流强度等因素相配合。对于穿透率适当的深坑形燃烧室，采用提高燃油喷射配合。对于穿透率适当的深坑形燃烧室，采用提高燃油喷射率缩短喷油持续时间，以加强混合气形成的速率。率缩短喷油持续时间，以加强混合气形成的速率。 全负荷时喷油持续期不应大于全负荷时喷油持续期不应大于2525，一般为，一

58、般为15-2015-20，使，使燃烧持续期控制在燃烧持续期控制在4040内。内。第49页/共55页50 5-5 压燃式内燃机的燃烧室 6. 6.提高喷油压力提高喷油压力 柴油机的燃烧情况取决于混合气的生成速率，混合过程柴油机的燃烧情况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燃油和空气动能。所需的能量来自喷射到燃烧室中的燃油和空气动能。提高喷提高喷油压力使燃油流速增加，得到较高的燃油与空气之间的相对油压力使燃油流速增加，得到较高的燃油与空气之间的相对速度速度，喷油细化，蒸发速度加快，并使混合气形成更加均匀，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的要求，使充量系数增加。当前，从而可以降低对空气涡流的要求，使充量系数增加。当前，最高喷油压力已达最高喷油压力已达140140160MPa160MPa左右。左右。 7.7.利用湍流利用湍流 柴油机燃烧室中的湍流对燃烧油很大影响，右图柴油机燃烧室中的湍流对燃烧油很大影响，右图为小松柴油机为小松柴油机MTCCMTCC燃烧室，其利用湍流来增加扩散燃燃烧室，其利用湍