汽油机燃烧室的设计原则.doc

汽油机燃烧室的设计及发展
2094021519 李杏梅 农机专业
摘要：
本文介绍了燃烧室的设计要求，并对每一个设计原则进行了详细的论述，提出了几种新型典型燃烧室如火球高压缩比燃烧室、美国德士古燃烧系统tccs燃烧室、本田cvcc燃烧系统 ，并分析了他们各自的优缺点。
关键词：
发动机 燃烧室 压缩
引言：
对于一辆装配完成的汽车，燃料在发动机气缸中发出的总热量其中只有约20%—45%转化为有效功，因此提高燃料利用率对于目前全球资源短缺，油价不断上涨，资源竞争激烈有很大的缓解作用。而燃烧室作为发动机的主要部件，改进燃烧室设计无论是对于提高发动机动力性，燃油经济性都有很大的帮助。
一、燃烧室设计原则
汽油机燃烧室的设计对发动机动力性、经济性、工作稳定性及排 放特性有很大影响，为此，燃烧室的设计应满足以下要求。
（一）结构尽量紧凑
用燃烧室的面容比—燃烧室表面积与其容积之比来表征燃烧室的紧凑性。 面容比小，燃烧室结构紧凑，从而使火焰传播距离短，燃烧可在短时间内完成、使爆燃倾向减小，还可以提高发动机压缩比。同时，由于单位体积的表面积较小，相对散热面积小，热损失减小，发动机热效率高，面容比小，使缸壁激冷区减小，HC排放量减少。燃烧室面容比大小取决于气缸直径与然烧室的形状，在采用小燃烧室情况下，为减少单位体积的表面积，多用半球形燃烧室。
（二） 火花塞位置适当
火花塞位置不同，火焰传播距离和燃烧速度的变化率也不同，从而影响汽油机的工作性能，为此，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。
（三）燃烧室形状合理分布
燃烧室的容积分布情况反映了混合气体的分布情况。与火花塞位置相配合，决定了燃烧的放热规律、火焰燃烧到边缘可燃混合气的距离，从而影响发动机的抗爆性，工作粗暴型，性，经济性，压力上升速度及工作稳定性等。如：当圆链形燃烧室在其底部点火时，燃烧速率先快后慢，楔形燃烧室与此类似，在圆链形燃烧室顶部点火时，燃烧速率先慢后快，圆柱形的情况介于两者之间，浴盆形燃烧室与此类似
总之，燃烧室的容积分布应配合火花塞的位置考虑，最有利的分布是使燃烧过程初期压力升高率较小，发动机工作柔和，中期放热量最多，以获得较大的循环功。后期补燃铰小，具有高的热效率。
（四）具有高的充气效率
进气口、进气道的布置尽量减小进气阻力，提高进气充量。燃烧室的形状应考虑允许有较大的进气门直径，如果楔形燃烧室可安排直径较大的进气门，混合气流经处应尽量光滑、转弯少，下图为半球形和斜浴盆形燃烧室充量系数的比较。

半球形燃烧室的进气通道弯道少，且燃烧室弓高稍高（斜面积大）利于布置较大面积的进排气门，因此性能好，充量效率高。
（五）形成适当的紊流运动
燃烧室内形成适当强度的气体流动可以加快火焰传播;增加末端混合气的冷却；减少循环 间燃烧变动，扩大混合气体着火界限，利于燃烧更稀混合气;减少HC排放量，但紊流过强，向缸壁传热损失增加，还可能吹熄火核而失火，反而使Hc排放增多。下图所示为紊流适宜和紊流过强时燃烧压力变化的比较。
可见，紊流过强时，即使点火提前角减小，压力升高率仍较高，使工作粗暴，热效率降低。实践证明，紊流强度使压力升高率为196-245(千帕/度）时，发动机热效率最高。 AB汽车网

汽油机产生紊流的方法有进气涡流和挤流两种。
1 进气涡流
进气涡流是利用进气口和进气道的形状在进气过程中造成气流绕气缸中心线的旋转运动，由于进气涡流加快了火焰传播速度，提高了燃烧速率，使热效率提高。下图所示为天津7100轿车用发动机组织进气涡流的实例。

组织进气涡流的同时会使进气阻力增加，充气效率下降，在低速低负荷时难以获得良好的进 气涡流。故只依靠进气涡流的燃烧室非常少，通常配合组织进气挤流。
2 压缩挤流
挤流是当活塞接近压缩行程终点时，利用其顶部和缸盖底面之间的狭小间隙(称挤气间 隙）将混合气挤入主燃烧室内而产生，可利用燃烧室形状来控制涡流的大小和发生位置以及 在燃烧室内扰动的形成及其强度。下图为挤流式燃烧室。
压缩挤流的最大速度出现在压缩行程上止点前，因而加快了速燃期内的火焰传播，使燃烧迅速，同时离火花塞最远的边缘气体因受两个冷表面的影响，容易散热，对抗爆性有利，但挤气间隙过小时会增加HC排放量。一般挤气涡流不会引起充量系数下降，且可在节气门开度小时获得良好的紊流效果。
近年来，发展了一种低污染、低油耗、高旋流的燃烧室—火球形燃烧室。

进气过程形成的旋流在压缩过程中被压入排气门下面的小直径室内，高速旋流加之紧凑的燃烧室允许使用高的压缩比而不引起表面点火或爆燃。
（六）末端混合气要适当的冷却
对末端混合气适当冷却，可以避免燃烧室局部热点，降低终燃混合温度，减少爆燃倾向，同时要注意冷却强度不可过大，否则会使HC排放量增多。
二、 新型燃烧室
随着现代技术的发展，全球排放标准的限制和人类对于环境的要求越来越高，高效节能、低污染已成为现代汽车的发展趋势。综合考虑发动机燃油经济性、功率和排放等指标，新型燃烧室在现在汽车中的应用也越来越广泛。
（一） 、火球高压缩比燃烧室
燃烧室主要部分位于气缸盖凹入的排气门下方，直径很小，结构紧凑，有一定的挤气面，可形成较强的挤气紊流。同时，进气门浅凹坑处与主燃烧室有浅槽相通。其优点是：可以燃烧非常稀薄的混合气，空燃比可达26，降低了燃油消耗率。其缺点是，必须用高辛烷值汽油，对积碳敏感，需严格控制压缩比。

火 花 塞

（二）.美国德士古燃烧系统tccs燃烧室。
tccs燃烧室是美国taxaco controlled combustion process中的一种燃烧室。属于汽油喷射统一式的类型。　　　
在此系统中吸入气缸的只是空气，并且用导气屏组织强烈的吸气涡流，在压缩将近终了时，约上止点前30°曲轴转角，通过喷嘴顺气流将燃料喷入气缸，燃料即随气流流动形成混合气。因为在气流下方布置着火花塞，此时在火花间隙附近恰好具有较浓的易着火的混合气。着火后火焰及燃气随气流扩展。点火后喷入的燃料与旋转气流形成的混合气遇到火焰立即燃烧。
这种燃烧系统并不一定利用气缸中全部空气，小负荷时，燃烧产物扩展的区域并不大，随着负荷增加，喷油持续期延长，燃烧产物区域也随之扩展，只是到全负荷时才扩展到整个气缸。因此它的总空燃比可达100。
优点：1）功率可采用变质调节，因此在部分负荷时，具有较高的经济性。
　　　　　2）对燃料的辛烷值不敏感。多种燃料适应性强。当采用ε=12，即使采用汽油、煤油、柴油等不同燃料也不影响其性能。　　　　　　　　　　　　　　
3）排污降低。
缺点：分层给气不好时，适应变工况能力差。
即高负荷时会排出碳烟，低负荷时造成混合气过稀，hc排放量较多。
（三）、本田cvcc燃烧系统
　　这是属于化油器式供油，具有副室燃烧室的分层燃烧，燃烧室分成主燃室和副燃室，副室内装有辅助进气门和火花塞，主、副室之间用火焰喷孔连接。
　　主室中进入稀混合气，副室中进入浓混合气。这些可以由化油器的结构来保证。由于主、副室之间有火焰孔，通过火焰孔做适当混合，在副室内和火焰孔附近形成中间混合气，这样混合气形成分层。　　　　　
　　当火花塞点火后，副室内浓混合气首先着火，然后火焰从火焰孔喷出，使中间浓度混合气燃烧，最后使稀混合气燃烧。
在本田cvcc分层燃烧系统中，主燃烧室中没有组织涡流，加上采用的是稀薄混合气，所以燃烧缓慢。在膨胀过程尚有明显的燃烧。故cvcc系统的经济性不如德士古燃烧系统。但是排气污染却大大降低，由于排气温度高，所以cvcc排气管有意做成双层大容积，起热反应器作用，进一步氧化排气中的hc和co。所以排放性能很好。

参考文献：
【1】冯健璋 汽车发动机原理与汽车理论 机械工业出版社；
【2】 燃烧室对均质混合气形成的影响 《农业机械学报》2005年10期