第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件1

第五章内燃机混合气的形成和燃烧

Chapter5

MixturePreparationanditsCombustioninICEGasmotionwithintheenginecylinderisoneofthemajorfactorsthatcontrolsthecombustionprocessinspark-ignitionengineandthefuel-airmixingandcombustionprocessesindieselengines.Italsohasasignificantimpactonheattransfer.Theinitialin-cylinderflowpatternissetupbytheintakeprocess.Itmaythenbesubstantiallymodifiedduringcompression.第一节内燃机缸内的气体流动5.1Chargemotionwithinthecylinder第五章内燃机混合气的形成和燃烧

Chapter5Mi1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，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。组织良好的缸内空气运动对提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃或层燃有重要作用。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，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合有重要作用。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，因而也2一、进气涡流（IntakeSwirl）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。进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速决定。进气涡流在压缩过程逐渐衰减。在压缩终了时，有l/4~1/3的初始动量矩损失掉。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。一、进气涡流（IntakeSwirl）在进气过程中形成3IntakeSwirlSwirlisusuallydefinedasorganizedrotationofthechargeaboutthecylinderaxisSwirlisusedindieselenginestopromotemorerapidmixingbetweentheinductedairchargeandtheinjectedfuel.Swirlisalsousedtospeedupthecombustionprocessinspark-ignitionengines.IntakeSwirlSwirlisusuallyd4进气涡流的产生方法

SwirlGenerationduringInduction进气涡流的产生方法

SwirlGenerationdur51、切向气道（Tangentport）呈渐缩状气道，进气流动速度因流通截面积逐渐减小而增加。高速气流被切向引导进入气缸后，气流速度场不均，相当于在均匀速度分布的基础上，增加一个沿切向气道方向的速度场。切向气流在缸套壁面的导向作用下，形成绕气缸中心的进气涡流。切向气道结构简单，一般只能形成较低的进气涡流。进气涡流的形成机理(Inletswirlmechanism)1、切向气道（Tangentport）呈渐缩状气道，进气流62、螺旋气道（Helicalport）进气在流过气道螺旋腔后拥有绕气门中心线的角动量矩。进入气缸的出口速度场相当于在均匀径向速度分布的基础上，增加一个切向速度场。进入气缸扩散为绕气缸中心的动量矩。能形成不同强度的进气涡流。2、螺旋气道（Helicalport）进气在流过气道螺旋腔73、可调进气涡流(VARIABLEINLETSWIRL)螺旋气道＋直气道(切向气道)直气道内安装涡流控制阀(SCV)控制直气道的进气量直气道进气量的改变缸内进气涡流强度，即可变进气涡流。发动机在中低负荷工况下，减少直气道的进气量，提高缸内涡流强度，可以改善燃烧，提高动力性和经济性。在高速高负荷时，涡流控制阀全开，增加空气的吸入量，提高发动机的高速性能。1—直气道2—螺旋气道3—SCV4—排气道43、可调进气涡流(VARIABLEINLETSWIRL8气道的评定方法

SwirlMeasurement气道的质量指标流动阻力（流量系数）涡流强度（涡流数，涡流比）稳流气道试验台(steadyflowtest-bed)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差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。气道的评定方法SwirlMeasurement气道的质9二、挤流（Squish）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。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。

Squishisthenamegiventotheradiallyinwardortransversegasmotionthatoccurstowardtheendofthecompressionstokewhenaportionofthepistonfaceandcylinderheadapproacheachotherclosely.

二、挤流（Squish）在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和10第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件111二、挤流

（Squish）逆挤流：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。缩口形燃烧室就是充分利用了较强的挤流和逆挤流。压缩涡流：在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动。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，涡流大小由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定。二、挤流（Squish）逆挤流：当活塞下行时，燃烧室中的12三、滚流(Tumble)在进气过程中形成的，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。三、滚流(Tumble)在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线13三、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，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。Atumbleisalarge-scalerotationalairmotionaroundanaxisperpendiculartothecylinderaxis.Introducesuchrotationalflowintothecombustionhelpsincreasethecombustionrateandextendtheflammabilitylimits.Thusenginethermalefficiencyisincreased.

三、滚流(Tumble)滚流较适宜于在四气门汽油机上使用，滚14四、湍流（Turbulence）在气缸中形成的无规则气流运动称为湍流。湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度，在柴油机上组织适当的湍流可改善燃油与空气的混合。Forpre-mixedcombustiontheeffectofturbulenceistobreakup,orwrinkletheflamefront.Therecanbepocketsofburntgasintheunburntgasandviceversa.Thiscreasestheflamefrontareaandspeedsupcombustion.四、湍流（Turbulence）在气缸中形成的无规则气流运动15四、湍流（Turbulence）四、湍流（Turbulence）16第二节

点燃式内燃机的燃烧

5.2CombustionintheSIengines预混燃烧与扩散燃烧（Pre-mixedFlameandDiffusionFlame）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，该可燃混合气燃烧称之为预混燃烧。如汽油机和气体燃料发动机的燃烧。柴油机大部分燃料一边与空气混合、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。即混合过程（扩散过程）控制了燃烧速率，这就是所谓的扩散燃烧。第二节点燃式内燃机的燃烧

5.2Combusti17一、点火过程

(SparkIgnition)击穿阶段电弧阶段辉光放电阶段火花塞放电时两极电压达10~15kV，击穿电极间的混合气，造成电极间电流的通过。一般电火花能量多在30~50mJ，局部温度3000K，使电极附近混合气立即点燃，形成火焰中心。一、点火过程(SparkIgnition)击穿阶段18二、点燃式内燃机中的正常燃烧

(NormalCombustioninSIengines)（一）点燃式发动机的燃烧过程火焰核心形成跳火倒拖压力示功图θθ1θ2θ3ⅠⅡⅢ122’34压力曲线分离二、点燃式内燃机中的正常燃烧

(NormalCombust19滞燃期1-2第I阶段，着火阶段。火花塞跳火至形成火焰中心(压力脱离倒拖线)。急燃期2-3第II阶段，火焰传播阶段。火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段。(至缸内最高压力或温度处)后燃期3-4第III阶段，剩余未燃气体的燃烧。1）汽油机燃烧的3个阶段：滞燃期第I阶段，着火阶段。火花塞跳火至形成火焰中心急燃期第I20燃料分子结构和物理化学性能。开始点火时气缸内气体压力温度。与压缩比有关，压缩比高，滞燃期短。过量空气系数a＝0.8~0.9时，滞燃期最短。残余废气量增加，滞燃期增加。气缸内混合气运动强，则滞燃期稍有增加。由于气流运动，火焰中心也可能在电极间隙附近。火花能量大，滞燃期缩短。2）滞燃期(ignitiondelayperiod)影响因素燃料本身物化性能残余废气系数缸内混合气运动状态过量空气系数火花点火能量滞燃期的影响因素点火时刻缸内混合气压力、温度燃料分子结构和物理化学性能。2）滞燃期(ignitiond21第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件1223）急燃期用压力升高率（dp/d，therateofpressurerise）代表发动机工作粗暴的程度、振动和噪声水平。火焰传播速率高的可燃混合气均促使压力升高率增加。急燃期终点一般为最高压力点或最高温度点，其位置可以用点火提前角来调整。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点前12~150(CA)，最高燃烧压力点在上止点后12~150(CA)到达，压力升高率0.175-0.25MPa/(CA)]。点火过早，压缩负功增加，压力升高率增加，Pmax过大膨胀比小，高温期传热表面积增加最高燃烧压力点过早过迟3）急燃期用压力升高率（dp/d，therateof23湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料。狭缝容积、壁面油膜和积碳层释放的燃料。离温热解的复合反应放热。活塞向下止点加速移动，气缸中压力快速下降。火焰已传遍燃烧室，燃料基本耗尽。4）后燃期湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料。活塞向下止点加速移动24（二）燃烧速率（单位时间燃烧混合气的量）

1）火焰速度UT2）火焰前锋面积AT3）可燃混合气密度T

在汽油机中，组织适当强度的湍流有助于提高火焰传播速率，对燃烧过程有利，但太强的湍流不仅不利于提高火焰传播速率，反而会使传播中的火焰猝熄。（二）燃烧速率（单位时间燃烧混合气的量）

1）火焰速度UT25（三）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，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。各种燃料着火界限的数值是不同的，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。P.91（三）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26（四）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。在汽油机上，保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定，记录功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化，称为汽油机点火提前特性。（四）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。27（四）不同工况下燃烧过程的特点混合气浓度不同时的燃烧过程

在汽油机的转速、节气门开度保持一定，点火提前角为最佳值时调节供油量，记录功率、燃油消耗率、排气温度随过量空气系数的变化曲线，称为汽油机在某一转速和节气门开度下的燃料调整特性（四）不同工况下燃烧过程的特点混合气浓度不同时的燃烧过程28第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件129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，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数增加，滞燃期增加，火焰传播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高比均下降，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。汽油机中用点火提前真空调节器来自动调整。负荷不同时的燃烧过程30转速不同时的燃烧过程当转速增加时，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。点火时间的电子控制（影响点火提前角的多因素修正）转速不同时的燃烧过程31（五）燃烧的循环变动

(CyclicVariationsinCombustion)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。采用稀燃或低负荷、低速时，循环变动会加剧。（五）燃烧的循环变动

(CyclicVariations32第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件133（五）燃烧的循环变动

(CyclicVariationsinCombustion)产生燃烧循环变动的原因气体运动状况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花塞附近)，由于空气、燃料、EGR和残余废气之间混合情况的变动而造成燃烧的变动。多点点火有利于减小压力的循环变动加大点火能量，优化放电方式采用速燃技术，组织一定进气涡流，加强湍流扰动采用燃油电控喷射技术各缸充量一致性（空气、废气、燃料）采用化学计量或略浓空燃比降低燃烧循环变动的措施（五）燃烧的循环变动

(CyclicVariations34三、点燃式内燃机的不正常燃烧

(AbnormalCombustion)

（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，上止点附近的dp/d值达65MPa/CA之高，此时火焰传播速度和火焰前锋形状发生急剧的改变，称为爆燃。三、点燃式内燃机的不正常燃烧

(AbnormalComb35第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件136三、点燃式内燃机的不正常燃烧

(AbnormalCombustion)

汽油机爆燃时一般表现为以下外部特征：发出金属振音(敲缸)(knock)。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。冷却系统过热(冷却水、润滑油温度均上升)。气缸盖温度上升。三、点燃式内燃机的不正常燃烧

(AbnormalComb37汽油机的爆燃现象就是终燃混合气(endgas)的自燃现象(autoignition)。火焰正常传播速率：30~70m/s轻微爆燃：100~300m/s强烈爆燃：800~1000m/s或更高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的地方(如排气门和积碳处)发生注：柴油机工作粗爆发生爆燃的原因：汽油机的爆燃现象就是终燃混合气(endgas)的自燃现象(38强烈爆燃对发动机的不利影响：(1)输出功率、热效率均降低压力波冲击破坏气缸壁面的层流边界层，使向气缸壁面的传热量大大增加，冷却损失增加，输出功率降低，因而热效率下降。(2)发动机过热爆燃时，破坏附面层，气缸盖、活塞顶面的温度上升，排气温度下降。(3)零件的应力增加爆燃时，压力增长率和最高压力都增加，故有关零件上的作用力也增加，使受力件损坏。(4)爆燃促使积碳形成，破坏活塞环、气门和火花塞的正常工作；压力波冲击缸壁表面，使之不易形成油膜，会导致机件加速磨损。爆燃成为限制汽油机动力性、经济性的一个重要因素。强烈爆燃对发动机的不利影响：39（二）发动机运转因素与结构因素对爆燃的影响为便于分析，对发动机产生爆燃的条件作如下简化：在火花放电以后，火焰开始传播，同时终燃混合气进行焰前反应，为着火作准备。如果由火焰中心形成至正常火焰传播到终燃混合气为止所需的时间为t1，由火焰中心形成至终燃混合气自燃所需的时间为t2，当t1

＜t2时，就不发生爆燃；当t1

＞t2时，则发生爆燃。因此，凡是t1减小、t2增加的因素均可减少爆燃倾向；反之，均使爆燃倾向增加。（二）发动机运转因素与结构因素对爆燃的影响为便于401．运转因素的影响(1)点火提前角的影响。点火提前角增加，t1、t2均减小，但t2减小起决定作用。随点火提前角增加，爆燃倾向加大。采用推迟点火办法，可增加压缩比。1．运转因素的影响411．运转因素的影响(2)转速的影响。转速增加时，火焰传播速度提高，

t1减小；同时，c下降，t2增加，爆燃倾向减小。(3)负荷的影响

负荷减小时，r增加，最高压力下降，爆燃倾向减小。(4)混合气浓度的影响

a=0.8~0.9时爆燃倾向最大，过浓或过稀的混合气有助于减小爆燃。(5)燃烧室沉积物的影响

沉积物的存在使爆燃倾向增加。1．运转因素的影响422．结构因素的影响

(1)气缸直径气缸直径大，火焰传播距离长，使爆燃倾向增大。(2)火花塞位置火花塞位置影响火焰传播距离，从而影响终燃混合气的温度。(3)气缸盖与活塞的材料由于轻合金导热好，因而用轻合金活塞可提高压缩比。(4)燃烧室结构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。2．结构因素的影响43小结运转因素

点火提前，爆燃倾向加大

沉积物使爆燃倾向增加

转速增加，爆燃倾向减小

负荷减小，爆燃倾向减小

过浓或过稀的混合气有助于减小爆燃结构因素气缸直径大，爆燃倾向增大

火花塞靠近排气门安装，爆燃倾向减小

铝合金活塞,爆燃倾向减小火焰传播距离缩短、紊流强度提高的燃烧室结构均有助于减小爆燃倾向小结运转因素点火提前，爆燃倾向加大沉积物使爆燃倾向增加44（三）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，缩短终燃混合气暴露在高温中的时间等。具体措施有：1)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，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。5)燃烧室扫气(加大进、排气重叠期)的冷却作用可减轻爆燃。（三）防止爆燃的方法45（四）表面点火（SurfaceIgnition）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(如过热的火花塞绝缘体和电极、排气门，更多的是燃烧室表面炽热的沉积物)点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，称为表面点火或炽热点火。表面点火大致可分后火和早火两种。（四）表面点火（SurfaceIgnition）在点燃式发461－早火

2－正常点火

3－后火4－倒拖1－早火2－正常点火3－后火4－倒拖47第三节点燃式内燃机的燃烧室

5.3

SIEngineCombustionChamber一、点燃式内燃机的燃烧室Combustionchamber（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。第三节点燃式内燃机的燃烧室

5.3SIEngineC48（二）燃烧室设计要点（Designpoints）

1．压缩比选择原则：提高压缩比又不促使爆燃的发生。考虑因素如下：1)缩短火焰传播距离，设计紧凑燃烧室（与火花塞位置有关）（minimumflametravel）2)利用适当强度的湍流，加快火焰传播速度。(turbulence)3)在离火花塞较远的区域设计适当的冷却面积，降低温度。4)燃烧室内没有热点和表面沉积物。(minimumdeposits)

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发动机的噪声与振动较大，且对排放不利。（二）燃烧室设计要点（Designpoints）1．492、燃烧室面容比F/V（surface-volumeratio）

F/V在某种意义上可以表示燃烧室的紧凑性。一般来说，F/V大，火焰传播距离长，容易爆燃，HC排放高，相对散热面积大，热损失大。（图）3、火花塞位置及其性能(thelocationofthesparkplug)

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。1)火花塞应靠近排气门处。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。但不希望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，甚至导致失火。2、燃烧室面容比F/V（surface-volumerat50第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件1514、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：1)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。3)降低循环变动。4)降低HC排放。5、燃烧室的优化途径

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：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。4、燃烧室内的气流运动52（三）典型燃烧室Conventional

CombustionChamber1．楔形燃烧室(wedgechamber)

它布置在缸盖上，火花塞在楔形高处的进、排气门之间，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9~10。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。（三）典型燃烧室ConventionalCombusti532．浴盆形燃烧室(bath-tubhead)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。

F/V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。2．浴盆形燃烧室(bath-tubhead)燃烧室的543．碗形燃烧室(bowlinpistonchamber)碗形燃烧室是布置在活塞中的一个回转体，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。3．碗形燃烧室(bowlinpistonchamber554．半球形燃烧室(hemisphericalhead)燃烧室光滑表面、精确的形状与容积，紧凑，且火花塞布置在中间，火焰传播距离最短。进、排气门倾斜布置，充气系数大，最高转速6000r/min以上的车用汽油机几乎都采用半球形燃烧室。F/V值小，HC低。一般不组织挤流。由于火花塞周围有较大的容积，使燃烧速率和压力升高比大，工作较粗暴。NOx排放较高。多采用双顶置凸轮轴。4．半球形燃烧室(hemisphericalhead)56二、充量分层和缸内直喷燃烧系统

StratifiedChargeand

GasolineDirect-Injection(GDI)（一）分层燃烧均匀混合气燃烧系统（混合气较浓、空燃比变化范围小）缺点：1)汽油机功率变化时，空燃比不可能变化很大，功率不可能质调节，而只能用量调节。由于节流引起较大的泵吸损失，所以低负荷的经济性较差。2)容易爆燃。较浓的混合气要比较稀的混合气容易引起爆燃。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。4)排气污染严重。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，就可以得到很低的排放。（图）二、充量分层和缸内直喷燃烧系统

StratifiedCh57第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件158分层燃烧系统：为合理组织燃烧室内的混合气分布，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，即形成分层燃烧系统。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。分层燃烧系统：为合理组织燃烧室内的混合气分布，在火花间隙周围59三菱缸内直喷充量分层燃烧系统

MitsubishiGasolineDirectInjectionGDIEngine

（二）典型缸内直喷燃烧系统简介三菱缸内直喷充量分层燃烧系统

MitsubishiGaso60采用纵向直进气口形成缸内强烈的滚流，其滚流旋转方向为顺时针，这与通常的横向进气口产生的缸内滚流方向正好相反，故称之为反向滚流。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。此燃烧系统在部分负荷时燃用分层混合气，全负荷时燃用均质混合气。采用纵向直进气口形成缸内强烈的滚流，其滚流旋转方向为顺时针61在部分负荷时，燃油在进气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。在高负荷时，燃油在进气行程的早期喷入气缸形成化学计量比或稍浓的均质混合气，油束不接触活塞顶面，燃油的蒸发将使缸内充量温度下降，充量系数提高，所需辛烷值下降，压缩比可达12，发动机的整体性能明显提高，同时采用EGR降低NOx排放。在部分负荷时，燃油在进气行程后期喷向半球形的活塞凹坑，喷到62第五章内燃机混合气的形成和燃烧

Chapter5

MixturePreparationanditsCombustioninICEGasmotionwithintheenginecylinderisoneofthemajorfactorsthatcontrolsthecombustionprocessinspark-ignitionengineandthefuel-airmixingandcombustionprocessesindieselengines.Italsohasasignificantimpactonheattransfer.Theinitialin-cylinderflowpatternissetupbytheintakeprocess.Itmaythenbesubstantiallymodifiedduringcompression.第一节内燃机缸内的气体流动5.1Chargemotionwithinthecylinder第五章内燃机混合气的形成和燃烧

Chapter5Mi63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，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。组织良好的缸内空气运动对提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃或层燃有重要作用。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，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合有重要作用。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，因而也64一、进气涡流（IntakeSwirl）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。进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速决定。进气涡流在压缩过程逐渐衰减。在压缩终了时，有l/4~1/3的初始动量矩损失掉。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。一、进气涡流（IntakeSwirl）在进气过程中形成65IntakeSwirlSwirlisusuallydefinedasorganizedrotationofthechargeaboutthecylinderaxisSwirlisusedindieselenginestopromotemorerapidmixingbetweentheinductedairchargeandtheinjectedfuel.Swirlisalsousedtospeedupthecombustionprocessinspark-ignitionengines.IntakeSwirlSwirlisusuallyd66进气涡流的产生方法

SwirlGenerationduringInduction进气涡流的产生方法

SwirlGenerationdur671、切向气道（Tangentport）呈渐缩状气道，进气流动速度因流通截面积逐渐减小而增加。高速气流被切向引导进入气缸后，气流速度场不均，相当于在均匀速度分布的基础上，增加一个沿切向气道方向的速度场。切向气流在缸套壁面的导向作用下，形成绕气缸中心的进气涡流。切向气道结构简单，一般只能形成较低的进气涡流。进气涡流的形成机理(Inletswirlmechanism)1、切向气道（Tangentport）呈渐缩状气道，进气流682、螺旋气道（Helicalport）进气在流过气道螺旋腔后拥有绕气门中心线的角动量矩。进入气缸的出口速度场相当于在均匀径向速度分布的基础上，增加一个切向速度场。进入气缸扩散为绕气缸中心的动量矩。能形成不同强度的进气涡流。2、螺旋气道（Helicalport）进气在流过气道螺旋腔693、可调进气涡流(VARIABLEINLETSWIRL)螺旋气道＋直气道(切向气道)直气道内安装涡流控制阀(SCV)控制直气道的进气量直气道进气量的改变缸内进气涡流强度，即可变进气涡流。发动机在中低负荷工况下，减少直气道的进气量，提高缸内涡流强度，可以改善燃烧，提高动力性和经济性。在高速高负荷时，涡流控制阀全开，增加空气的吸入量，提高发动机的高速性能。1—直气道2—螺旋气道3—SCV4—排气道43、可调进气涡流(VARIABLEINLETSWIRL70气道的评定方法

SwirlMeasurement气道的质量指标流动阻力（流量系数）涡流强度（涡流数，涡流比）稳流气道试验台(steadyflowtest-bed)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差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。气道的评定方法SwirlMeasurement气道的质71二、挤流（Squish）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。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。

Squishisthenamegiventotheradiallyinwardortransversegasmotionthatoccurstowardtheendofthecompressionstokewhenaportionofthepistonfaceandcylinderheadapproacheachotherclosely.

二、挤流（Squish）在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和72第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件173二、挤流

（Squish）逆挤流：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。缩口形燃烧室就是充分利用了较强的挤流和逆挤流。压缩涡流：在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动。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，涡流大小由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定。二、挤流（Squish）逆挤流：当活塞下行时，燃烧室中的74三、滚流(Tumble)在进气过程中形成的，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。三、滚流(Tumble)在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线75三、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，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。Atumbleisalarge-scalerotationalairmotionaroundanaxisperpendiculartothecylinderaxis.Introducesuchrotationalflowintothecombustionhelpsincreasethecombustionrateandextendtheflammabilitylimits.Thusenginethermalefficiencyisincreased.

三、滚流(Tumble)滚流较适宜于在四气门汽油机上使用，滚76四、湍流（Turbulence）在气缸中形成的无规则气流运动称为湍流。湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度，在柴油机上组织适当的湍流可改善燃油与空气的混合。Forpre-mixedcombustiontheeffectofturbulenceistobreakup,orwrinkletheflamefront.Therecanbepocketsofburntgasintheunburntgasandviceversa.Thiscreasestheflamefrontareaandspeedsupcombustion.四、湍流（Turbulence）在气缸中形成的无规则气流运动77四、湍流（Turbulence）四、湍流（Turbulence）78第二节

点燃式内燃机的燃烧

5.2CombustionintheSIengines预混燃烧与扩散燃烧（Pre-mixedFlameandDiffusionFlame）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，该可燃混合气燃烧称之为预混燃烧。如汽油机和气体燃料发动机的燃烧。柴油机大部分燃料一边与空气混合、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。即混合过程（扩散过程）控制了燃烧速率，这就是所谓的扩散燃烧。第二节点燃式内燃机的燃烧

5.2Combusti79一、点火过程

(SparkIgnition)击穿阶段电弧阶段辉光放电阶段火花塞放电时两极电压达10~15kV，击穿电极间的混合气，造成电极间电流的通过。一般电火花能量多在30~50mJ，局部温度3000K，使电极附近混合气立即点燃，形成火焰中心。一、点火过程(SparkIgnition)击穿阶段80二、点燃式内燃机中的正常燃烧

(NormalCombustioninSIengines)（一）点燃式发动机的燃烧过程火焰核心形成跳火倒拖压力示功图θθ1θ2θ3ⅠⅡⅢ122’34压力曲线分离二、点燃式内燃机中的正常燃烧

(NormalCombust81滞燃期1-2第I阶段，着火阶段。火花塞跳火至形成火焰中心(压力脱离倒拖线)。急燃期2-3第II阶段，火焰传播阶段。火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段。(至缸内最高压力或温度处)后燃期3-4第III阶段，剩余未燃气体的燃烧。1）汽油机燃烧的3个阶段：滞燃期第I阶段，着火阶段。火花塞跳火至形成火焰中心急燃期第I82燃料分子结构和物理化学性能。开始点火时气缸内气体压力温度。与压缩比有关，压缩比高，滞燃期短。过量空气系数a＝0.8~0.9时，滞燃期最短。残余废气量增加，滞燃期增加。气缸内混合气运动强，则滞燃期稍有增加。由于气流运动，火焰中心也可能在电极间隙附近。火花能量大，滞燃期缩短。2）滞燃期(ignitiondelayperiod)影响因素燃料本身物化性能残余废气系数缸内混合气运动状态过量空气系数火花点火能量滞燃期的影响因素点火时刻缸内混合气压力、温度燃料分子结构和物理化学性能。2）滞燃期(ignitiond83第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件1843）急燃期用压力升高率（dp/d，therateofpressurerise）代表发动机工作粗暴的程度、振动和噪声水平。火焰传播速率高的可燃混合气均促使压力升高率增加。急燃期终点一般为最高压力点或最高温度点，其位置可以用点火提前角来调整。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点前12~150(CA)，最高燃烧压力点在上止点后12~150(CA)到达，压力升高率0.175-0.25MPa/(CA)]。点火过早，压缩负功增加，压力升高率增加，Pmax过大膨胀比小，高温期传热表面积增加最高燃烧压力点过早过迟3）急燃期用压力升高率（dp/d，therateof85湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料。狭缝容积、壁面油膜和积碳层释放的燃料。离温热解的复合反应放热。活塞向下止点加速移动，气缸中压力快速下降。火焰已传遍燃烧室，燃料基本耗尽。4）后燃期湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料。活塞向下止点加速移动86（二）燃烧速率（单位时间燃烧混合气的量）

1）火焰速度UT2）火焰前锋面积AT3）可燃混合气密度T

在汽油机中，组织适当强度的湍流有助于提高火焰传播速率，对燃烧过程有利，但太强的湍流不仅不利于提高火焰传播速率，反而会使传播中的火焰猝熄。（二）燃烧速率（单位时间燃烧混合气的量）

1）火焰速度UT87（三）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，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。各种燃料着火界限的数值是不同的，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。P.91（三）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88（四）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。在汽油机上，保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定，记录功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化，称为汽油机点火提前特性。（四）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。89（四）不同工况下燃烧过程的特点混合气浓度不同时的燃烧过程

在汽油机的转速、节气门开度保持一定，点火提前角为最佳值时调节供油量，记录功率、燃油消耗率、排气温度随过量空气系数的变化曲线，称为汽油机在某一转速和节气门开度下的燃料调整特性（四）不同工况下燃烧过程的特点混合气浓度不同时的燃烧过程90第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件191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，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数增加，滞燃期增加，火焰传播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高比均下降，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。汽油机中用点火提前真空调节器来自动调整。负荷不同时的燃烧过程92转速不同时的燃烧过程当转速增加时，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。点火时间的电子控制（影响点火提前角的多因素修正）转速不同时的燃烧过程93（五）燃烧的循环变动

(CyclicVariationsinCombustion)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。采用稀燃或低负荷、低速时，循环变动会加剧。（五）燃烧的循环变动

(CyclicVariations94第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件195（五）燃烧的循环变动

(CyclicVariationsinCombustion)产生燃烧循环变动的原因气体运动状况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花塞附近)，由于空气、燃料、EGR和残余废气之间混合情况的变动而造成燃烧的变动。多点点火有利于减小压力的循环变动加大点火能量，优化放电方式采用速燃技术，组织一定进气涡流，加强湍流扰动采用燃油电控喷射技术各缸充量一致性（空气、废气、燃料）采用化学计量或略浓空燃比降低燃烧循环变动的措施（五）燃烧的循环变动

(CyclicVariations96三、点燃式内燃机的不正常燃烧

(AbnormalCombustion)

（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，上止点附近的dp/d值达65MPa/CA之高，此时火焰传播速度和火焰前锋形状发生急剧的改变，称为爆燃。三、点燃式内燃机的不正常燃烧

(AbnormalComb97第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件198三、点燃式内燃机的不正常燃烧

(AbnormalCombustion)

汽油机爆燃时一般表现为以下外部特征：发出金属振音(敲缸)(knock)。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。冷却系统过热(冷却水、润滑油温度均上升)。气缸盖温度上升。三、点燃式内燃机的不正常燃烧

(AbnormalComb99汽油机的爆燃现象就是终燃混合气(endgas)的自燃现象(autoignition)。火焰正常传播速率：30~70m/s轻微爆燃：100~300m/s强烈爆燃：800~1000m/s或更高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的地方(如排气门和积碳处)发生注：柴油机工作粗爆发生爆燃的原因：汽油机的爆燃现象就是终燃混合气(endgas)的自燃现象(100强烈爆燃对发动机的不利影响：(1)输出功率、热效率均降低压力波冲击破坏气缸壁面的层流边界层，使向气缸壁面的传热量大大增加，冷却损失增加，输出功率降低，因而热效率下降。(2)发动机过热爆燃时，破坏附面层，气缸盖、活塞顶面的温度上升，排气温度下降。(3)零件的应力增加爆燃时，压力增长率和最高压力都增加，故有关零件上的作用力也增加，使受力件损坏。(4)爆燃促使积碳形成，破坏活塞环、气门和火花塞的正常工作；压力波冲击缸壁表面，使之不易形成油膜，会导致机件加速磨损。爆燃成为限制汽油机动力性、经济性的一个重要因素。强烈爆燃对发动机的不利影响：101（二）发动机运转因素与结构因素对爆燃的影响为便于分析，对发动机产生爆燃的条件作如下简化：在火花放电以后，火焰开始传播，同时终燃混合气进行焰前反应，为着火作准备。如果由火焰中心形成至正常火焰传播到终燃混合气为止所需的时间为t1，由火焰中心形成至终燃混合气自燃所需的时间为t2，当t1

＜t2时，就不发生爆燃；当t1

＞t2时，则发生爆燃。因此，凡是t1减小、t2增加的因素均可减少爆燃倾向；反之，均使爆燃倾向增加。（二）发动机运转因素与结构因素对爆燃的影响为便于1021．运转因素的影响(1)点火提前角的影响。点火提前角增加，t1、t2均减小，但t2减小起决定作用。随点火提前角增加，爆燃倾向加大。采用推迟点火办法，可增加压缩比。1．运转因素的影响1031．运转因素的影响(2)转速的影响。转速增加时，火焰传播速度提高，

t1减小；同时，c下降，t2增加，爆燃倾向减小。(3)负荷的影响

负荷减小时，r增加，最高压力下降，爆燃倾向减小。(4)混合气浓度的影响

a=0.8~0.9时爆燃倾向最大，过浓或过稀的混合气有助于减小爆燃。(5)燃烧室沉积物的影响

沉积物的存在使爆燃倾向增加。1．运转因素的影响1042．结构因素的影响

(1)气缸直径气缸直径大，火焰传播距离长，使爆燃倾向增大。(2)火花塞位置火花塞位置影响火焰传播距离，从而影响终燃混合气的温度。(3)气缸盖与活塞的材料由于轻合金导热好，因而用轻合金活塞可提高压缩比。(4)燃烧室结构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。2．结构因素的影响105小结运转因素

点火提前，爆燃倾向加大

沉积物使爆燃倾向增加

转速增加，爆燃倾向减小

负荷减小，爆燃倾向减小

过浓或过稀的混合气有助于减小爆燃结构因素气缸直径大，爆燃倾向增大

火花塞靠近排气门安装，爆燃倾向减小

铝合金活塞,爆燃倾向减小火焰传播距离缩短、紊流强度提高的燃烧室结构均有助于减小爆燃倾向小结运转因素点火提前，爆燃倾向加大沉积物使爆燃倾向增加106（三）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，缩短终燃混合气暴露在高温中的时间等。具体措施有：1)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，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。5)燃烧室扫气(加大进、排气重叠期)的冷却作用可减轻爆燃。（三）防止爆燃的方法107（四）表面点火（SurfaceIgnition）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(如过热的火花塞绝缘体和电极、排气门，更多的是燃烧室表面炽热的沉积物)点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，称为表面点火或炽热点火。表面点火大致可分后火和早火两种。（四）表面点火（SurfaceIgnition）在点燃式发1081－早火

2－正常点火

3－后火4－倒拖1－早火2－正常点火3－后火4－倒拖109第三节点燃式内燃机的燃烧室

5.3

SIEngineCombustionChamber一、点燃式内燃机的燃烧室Combustionchamber（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。第三节点燃式内燃机的燃烧室

5.3SIEngineC110（二）燃烧室设计要点（Designpoints）

1．压缩比选择原则：提高压缩比又不促使爆燃的发生。考虑因素如下：1)缩短火焰传播距离，设计紧凑燃烧室（与火花塞位置有关）（minimumflametravel）2)利用适当强度的湍流，加快火焰传播速度。(turbulence)3)在离火花塞较远的区域设计适当的冷却面积，降低温度。4)燃烧室内没有热点和表面沉积物。(minimumdeposits)

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发动机的噪声与振动较大，且对排放不利。（二）燃烧室设计要点（Designpoints）1．1112、燃烧室面容比F/V（surface-volumeratio）

F/V在某种意义上可以表示燃烧室的紧凑性。一般来说，F/V大，火焰传播距离长，容易爆燃，HC排放高，相对散热面积大，热损