06机械工程内燃机精品课件ppt

1、1第五章内燃机混合气的形成和燃烧§5-3点燃式内燃机的燃烧室一、燃烧室1.设计要求：在提高经济性的同时降低排放污染是当前最主要的要求。20世纪50年代以前的要求是提高经济性和动力性。1）经济性高，ηit↑、bi↓.2）燃烧放热曲线接近等容曲线的程度要高。由曲线xb=f(φ)、dxb/dφ考察3）污染小。4）动力性高5）不出现爆燃与表面点火6）燃烧循环变动小7）工作柔和，燃烧噪声小8）满足速燃的要求：φz60°9）稀燃能力好10）起动性、瞬态特性、EGR承受能力好22.设计要点：1）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：a.缩短火焰传播路程，设计紧凑性燃烧室，注意火花塞位置。b.易于形成湍流加快火焰传播速度。c.远离火花区域设计适当的冷却面积。d.减少易受高温影响的而产生的热点和表面沉积物的产生。§5-3点燃式内燃机的燃烧室从提高功率和经济性角度来考虑，提高压缩比是有利的，但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，并且对降低大气污染也不利。32.设计要点：§5-3点燃式内燃机的燃烧室2）燃烧室面容比A／V是指燃烧室表面积与体积之比即面容比，是燃。

2、烧室紧凑性参数。侧置气门燃烧室的A/V大，顶置气门燃烧室的A/V要小得多。即使同是顶置气门燃烧室，不同形状的燃烧室，其A/V值也有差别。一般来说，A／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。43）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a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。b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荷时工作稳定性性能。c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。d火花塞的点火性能对发动机性能与排污有重大影响.54）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，燃烧更稀的混合气；降低循环变动率，降低HC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HC排放量增加。5）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。燃烧室的几何形状—包含缸盖和活塞顶形状以及火花塞的位置。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），A/V小（传热损失小）。火花塞应尽量靠近燃烧室。

3、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6§5-3点燃式内燃机的燃烧室73.典型燃烧室：1）楔形燃烧室：车用汽油机广泛采用楔形燃烧室，其布置在汽缸盖上。优点—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，压缩比也较高，可达9-10。这种燃烧室具有较高的经济性和动力性。缺点—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，工作有些粗暴，而且燃烧温度较高，NOx生成也较多。§5-3点燃式内燃机的燃烧82）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，火焰传播路径也较长，使汽油机的高速动力性能降低。A/V较大，对HC排放不利。但压力升高功率低，工作柔和，NOx排放低。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，适当增加其挤气面积比，可以使汽油机的性能得到一定程度的改善。§5-3点燃式内燃机的燃烧93）半球形燃烧。

4、室：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。§5-3点燃式内燃机的燃烧燃烧室可机加工，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；A/V值小，HC排放低；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，在非常高的转速下仍能保持满意的充量系数，最高转速在6000转以上的车用汽油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，最高温度高，NOx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。104）碗形燃烧室燃烧室布置在活塞中的一个回转体，采用平底气缸盖。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、挤流效果好；压缩比可高达11。缺点：A/V较大，散热增加；需要恰当选择好S/D与压缩比εc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，以保证点火时流速不至于过大或者过小。§5-3点燃式内燃机的燃烧115）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、层燃技术。采用稀薄混合气可以降低油耗和排放，提高压缩比，。

5、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。（1）带湍流罐的燃烧室在燃烧室中设置小副室，并在喷孔部位配置火花塞，混合气被点燃后流入副室。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。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，促进主燃烧室的燃烧。§5-3点燃式内燃机的燃烧12（2）双火花塞燃烧室在右图所示的半球形燃烧室中，左右对称地布置两只火花塞。这样，火焰传播距离缩短1/2，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。§5-3点燃式内燃机的燃烧13§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、经济性和排放特性的关键。研究表明，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。混合速率控制着燃烧速率是扩散燃烧的显著特征，因此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。14§5-4压燃式内燃机的燃烧预混燃烧:喷油装置喷入气缸的燃料在着火前已蒸发并与空气混合。这部分混合气的燃烧（扩散燃烧）反映了燃烧放热过程的长短。

6、，空气／燃料的混合程度以及柴油机碳烟生成情况，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。这部分混合气的燃烧数量决定了燃烧过程中缸内最高燃烧压力、最大压力升高率、最大放热率和燃烧噪声。扩散燃烧:大部分燃料（柴油）是在着火后喷入气缸的，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，所以混合速率控制着燃烧速率。15§5-4压燃式内燃机的燃烧16一、着火与燃烧过程1.着火条件：由油滴在静止热空气中的着火可知，a.在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与空气的比例要在着火界限内；b.必须被加热到某一临界温度才能自燃。通过研究静止于热空气中的油滴着火情况来对比。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。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。§5-4压燃式内燃机的燃烧17§5-4压燃式内燃机的燃烧柴油机实际的燃烧非常复杂：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，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，各个油粒之间还相互干涉、渗透。b.喷入油缸的油束，首先着火的。

7、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温度适当的地方。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。d.各个循环火核形成的地方也不一定相同。18§5-4压燃式内燃机的燃烧2.燃烧的阶段划分:柴油机的喷油、混合气形成和燃烧是在极短的时间内相继并且重叠在一起同时进行的。燃烧过程分为四个阶段。A—喷油开始B—着火开始滞燃期C—压力急剧升高终点急燃期缓燃期D—最大压力E—燃料燃烧完毕后燃期19§5-4压燃式内燃机的燃烧（1）着火延迟期（滞燃期）自开始喷油（A点）到开始着火（B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止的一段时期。滞燃期内，喷入气缸的燃料经历了一系列的物理-化学变化过程，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前的化学准备阶段。i=0.7-3ms，i=（4.2-18）n/1000（°）喷入油量一般为供油量的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。

8、。20§5-4压燃式内燃机的燃烧（2）急燃期（BC）—从开始着火到压力急剧升高终点的阶段。特点：火源迅速形成，喷入气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分燃料进行燃烧，活塞靠近上止点，气缸容积又比较小，所以，气缸中压力升高极快。一般用平均压力升高率Δp/Δφ来表示压力升高的急剧程度。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0.6MPa。21§5-4压燃式内燃机的燃烧（3）缓燃期（CD）—从压力急剧升高终点到出现最高压力的阶段。这一阶段的燃烧是在气缸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压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料喷射。在缓燃期内加强空气运动，加速混合气形成，对保证混合气在上止点附近迅速和完全燃烧有重要作用（逆挤流）。缓燃期结束时，燃气最高温度可达1700-2000°C。22§5-4压燃式内燃机的燃烧（4）后燃期（DE）—从最高压力点开始到燃料基本燃烧完毕为止。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。后燃产生。

9、的负面影响：a.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地利用；b.使柴油机零件的热负荷增加；c.排气温度升高，传给冷却水的热损失也增加，柴油机的经济性下降。所以后燃期应尽可能地缩短。缩短后燃期的措施：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成。23§5-4压燃式内燃机的燃烧3.滞燃期i：是控制燃烧过程的关键参数，影响发动机的性能。i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。i过小时，对混合气形成不利，性能恶化。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。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。24§5-4压燃式内燃机的燃烧滞燃期的影响因素：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。压缩温度和压力：是影响滞燃期的直接（主要）因素，其他一些因素是通过压缩温度和压力而间接影响滞燃期的。随着。

10、压缩温度和压力提高，滞燃期减小。右图中，纵坐标为滞燃期的对数，横坐标为压缩温度的倒数。25§5-4压燃式内燃机的燃烧喷油提前角：如果喷油早，燃料进入气缸时的空气温度和压力较低，使滞燃期长；如果喷油迟，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，也会使滞燃期增加；因此，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，怠速时最短滞燃期喷油提前角为上止点前5-10°，高转速时最短滞燃期喷油提前角为上止点前10-15°。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5-10°开始着火燃烧，以保证燃烧在上止点附近完成。通常最佳喷油提前角是根据功率和经济性能来调整的，它要大于滞燃期最短的喷油提前角。26§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、喷油压力以及空气扰动等因素起作用。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，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，提高混合气形成的速度，使滞燃期变短。27§5-4压燃式内燃机的燃烧柴油机增压：进入气缸的。