汽油机燃烧室

5.4　汽油机燃烧室

汽油机一般燃烧均匀混合气(除了分层燃烧系统之外)，不需要用特殊的燃烧室结构来保证其混合气的形成，所以汽油机的燃烧室相对比较简单。但是，汽油机燃烧室对火焰传播、燃烧速度以及传热损失、充量系数及不正常燃烧等均有直接影响，因此燃烧室结构是影响汽油机燃烧过程的主要因素。

5.4.1　对汽油机燃烧室的设计要求

对燃烧室的要求是多样化的，从影响汽油机性能方面，要求其动力性好、经济性高、工作轻声平稳、排气污染小、不出现不正常燃烧且起动性好，同时还希望其结构简单、制造方便。这些要求，有些是相互促进的，但有些却相互矛盾，要同时满足这些条件相当困难。现有种类繁多、各有其长的燃烧室就充分说明问题的复杂。

燃烧室的结构涉及活塞顶和气缸盖形状、火花塞位置的设计等一系列问题。设计时，应特别注意以下要点:

1.结构紧凑

主要以燃烧室表面积与其容积之比(称为面容比)来表征。值小，燃烧室紧凑，其优点是相对散热面积小，热损失小;火焰传播距离短，不易爆燃;熄火面积小，HC排放量少。

2.火花塞在燃烧室中的位置

火花塞的位置直接影响火焰传播距离，从而影响抗爆性，它也影响火焰面积扩大率和燃烧速度。布置火花塞位置时需考虑:火花塞周围的残余废气应能充分排除，使混合气容易着火，这特别对暖机和低负荷性能影响较大;火花塞应靠近排气门处，使终燃混合气位于受热少的位置，以免爆燃发生;使火花塞传播开的火焰面变化分配合理，保证汽油机运转平稳。

3.燃烧室内的气体运动

在燃烧室内形成适当强度的气体流动，有利于增加火焰传播速度、扩大混合气着火界限或燃烧更稀的混合气、减小循环间的燃烧波动、冷却终燃混合气以及减小熄火层厚度而降低HC排放等。但过强的气流会增大热损失，使点火困难，HC排放增加。

产生气体运动的方法有两种:

(1)进气涡流。它是利用特殊形状的进气道，在进气过程中使气流绕气缸中心线作旋转运动;

(2)挤流。它是在接近压缩终点时，将活塞顶部和气缸盖底面之间的余隙容积中的混合气挤入主要燃烧室空间内形成的涡流，如图5－11所示。

由于挤流不会引起充量系数降低，受负荷、转速影响较小，因此大部分汽油机燃烧室都组织挤流。

图5－11　产生挤流的简图

4.燃烧室形状

燃烧室形状反映了混合气的分布情况，与火花塞位置相配合，也就决定了燃烧放热率和火焰传播到终燃混合气的距离，从而影响汽油机的工作粗暴性、经济性和抗爆性等。燃烧室的形状对充量系数有较大影响，应有较大的进气门直径或进气流通面积，尽可能提高流通特性。

5.4.2　汽油机典型燃烧室

根据配气机构的布置，燃烧室分为侧置式和顶置式两种。侧置气门式燃烧室(如L形燃烧室)是汽油机发展早期广泛使用的燃烧室，其结构不紧凑、面容比大、散热损失多、燃烧速度慢、容易爆燃且许用压缩比不高，目前在ε＞7的汽油机上已很少采用，几乎都被顶置气门式燃烧室所代替。顶置气门式燃烧室有多种形式，主要有楔形、浴盆形、半球形和碗形燃烧室等几种。

1.楔形燃烧室

车用汽油机比较广泛地采用这种燃烧室。如图5－12所示，其火花塞布置在楔形顶部进、排气门之间，便于利用新鲜气体扫除火花塞附近的废气，结构较紧凑，火焰传播距离较短，散热损失小;进气道转弯少，流动阻力小，充量系数高;活塞顶有一定的挤气面积，能产生较强的挤流，实现快速燃烧;燃烧室对终燃混合气的冷却作用较强，有利于提高抗爆性，其压缩比可达9～10。这种燃烧室有较高的动力性和经济性。但是，由于楔形燃烧室内的混合气过分集中在火花塞附近，使初期燃烧速度大，Δp/Δφ高，工作较粗暴，而且燃烧温度也较高，NO x生成量较多。

图5－12　楔形燃烧室图

5－13　浴盆形燃烧室

2.浴盆形燃烧室

该燃烧室形状像一个椭圆形浴盆，如图5－13所示。它与楔形燃烧室有相似之处。如结构紧凑、散热面积较小等。这种燃烧室的高度相同，宽度略超出气缸范围以加大气门直径，但由于其气门平行于气缸轴线布置，加上为了减小进气阻力，气门头部外径与燃烧室壁之间要保留5.5～6.5mm的壁距，因此气门尺寸所受限制比楔形燃烧室要大，充量系数也不及楔形燃烧室。它具有一定的挤气面积，但受燃烧室的形状制约，挤气效果较差，火焰传播距离也较长，燃烧速度较低，限制了汽油机压缩比和转速的提高。其面容比较大，Δp/Δφ低，故工作较柔和，HC排放量较多而NO x较少。

3.半球形燃烧室

这种燃烧室的形状大致呈半球形或篷形如图5－14所示，一般配凸出的活塞顶。它的进、排气门倾斜布置，允许采用较大的进气门，进气道也较平滑，因此充气性能好，即使在非常高的转速下仍能保持满意的充量系数。最高转速在6000r/mim以上的车用汽油机几乎都采用这种燃烧室。半球形燃烧室结构紧凑，其面容比在各种燃烧室中是最小的，且火花塞能布置在燃烧室中央，火焰传播距离短。燃烧速度高，热损失小，汽油机高速动力性能最好，且经济性好，HC排放低。它一般不组织挤流，燃烧室内的涡流较弱，容易在低速大负荷时引起爆燃。由于火花塞周围容积较大，使Δp/Δφ和T z值高，工作较粗暴，NO x排放也较高。该燃烧室气门双行排列，且气门倾斜，使配气机构较复杂，宜采用双顶置凸轮轴。目前汽油机采用半球形燃烧室的非常普遍。

4.碗形燃烧室

碗形燃烧室(如图5－15)是布置在活塞顶部的一个回转体，工艺性好，燃烧室结构紧凑，挤流效果好，压缩比可以高达11。它的火花塞位于挤流流入燃烧室的通道上，点火瞬间又恰是挤流流速急剧变化的时刻，因此要求点火时刻的选择比其他燃烧室更仔细，点火时流速不应过大或过小。

图5－14　半球形燃烧室图

5－15　碗形燃烧室

5.其他类型的燃烧室

燃烧稀混合气是改善汽油机燃油经济性、提高压缩比和降低HC，特别是NO _x排放量的有效措施。但是，使用稀混合气会降低火焰传播速度，为此需要采取措施组织混合气的快速燃烧，如缩短火焰传播距离和增强缸内气体湍流等。

(1)火球形燃烧室。图5－16为火球形燃烧室的简图，燃烧室呈直径较小的盆形，位于缸盖的排气门下方，进气门下部有一浅凹坑，通过切向通道与燃烧室相连。进气过程形成的涡流在压缩过程中被挤入燃烧室形成强烈的湍流，使火花塞(位处燃烧室边缘)点火后产生很高的湍流速度，这样可以大大提高燃烧速度。它可以燃烧非常稀的混合气，空燃比可达26，其压缩比一般可提高到13.5～14.6，试验时可高达16。因此，该燃烧室热效率高，燃油消耗低，排放量也有明显下降。

图5－16　火球形燃烧室

图5－17　带有湍流发生室(TGP)的燃烧室

(2)带有湍流发生室(TGP)的燃烧室。图5－17所示为日本丰田公司12T汽油机的燃烧室。在燃烧室中设置了一个容积较小的湍流发生室(TGP)，并在TGP喷口处设置火花塞。在压缩过程中，一边对火花塞间隙扫气，一边使混合气产生适当的流动促进着火。点火后，TGP内的压力随火焰传播而升高，然后火焰喷出喷向主燃烧室，产生湍流，促使主燃烧室内的混合气迅速燃烧。

(3)三菱MCA－JET型燃烧室。这种燃烧室(如图5－18所示)除了进排气门之外，还设置了一个喷气阀。该阀在进气行程打开，喷入空气，对火花塞附近扫气，同时在气缸内产生强烈的涡流，促进了着火和燃烧。当节气门开大，接近全开时，喷气量减少，恢复成传统燃烧方式。该燃烧室的优点是在稀混合气和大量排气再循环的情况下，也能快速且稳定地燃烧，特别是改善低负荷时的燃烧，改善了经济性和排放性。

图5－18　三菱MCA－JET型燃烧室