四气门火花点燃式发动机倾斜挤气区燃烧室的研究

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摘要：本文介绍了目前发动机传统挤气区燃烧室结构的弊端，着重说明了带倾斜挤气区燃烧系统的优点，对于提高火花点燃式发动机在敲击极限处的挤气流控制是一个众所周知的关键技术。 然而，在四气门发动机上要得到一个足够的挤气面是有难度的。 为了用最小的挤气面在敲击避让上达到最大的效果，我们发现了一种新型燃烧室结构：一种倾斜挤气区燃烧室结构。倾斜挤气区燃烧室结构和传统挤气区燃烧室结构相比在早期的做功行程中产生了一个反转的挤气流效果，从而提高了缸内气流的流速和滚流。此外，使挤气面的火焰传播和尾气得到加速，防止了缸内敲击现象。因此用倾斜挤气区燃烧室，不仅能实现高压缩比，还可以降低油耗和实现高的发动机性能。

关键词：燃烧室、挤气区、压缩比

1.倾斜挤气区燃烧室结构的介绍

图1是倾斜挤气区和传统挤气区燃烧室的示意图。传统结构的挤压面平行于缸盖扁平底面，而倾斜挤压区燃烧室，挤压面的结构是沿着封闭的屋顶形壁倾斜上去，形成一个倾斜的挤气面，在倾斜挤压燃烧室内为了达到一个令人满意的挤压面，缸盖是经过优化处理的，活塞头部是一个切去顶部的圆锥体形状。这种结构在缸盖上和活塞的挤气区位置形成了挤气腔，能加速气体的破碎，进而提高挤流效果，来从而实现低油耗和实现高的发动机性能。在图1中，左侧的条纹区域显示了挤压面平行于缸盖的扁平底面，右侧的阴影区域显示了缸盖和活塞的倾斜挤压面的圆锥体形状结构，保证缸盖燃烧室挤气面和活塞头部挤气面的角度相同，在满足设计要求的情况下，考虑下到挤气间隙越小，燃烧速度越快，平均爆发压力越大，因此要保证能满足公差的情况下，益选择较小挤气间隙。

2.影响倾斜挤气区燃烧室性能的因素

2.1上止点活塞顶部到火花塞第一道螺纹的高度h与缸径B的比值

通过研究发现，h/B值决定着滚流的破碎时刻，值越大，滚流维持时间越长，转变为湍动能的速度也就越慢。

一般情况下，h/B取0.18左右，比较合理。

2.2挤气面积及挤气间隙的选择

因挤气区域能产生较大的反转挤气流，从而使挤气面的火焰传播和尾气得到加速，所以应尽量争取得到较大的挤气面。但是考虑到四气门发动机的空间有限，所以在四气门发动机上要得到一个足够的挤气面是有难度的。 为了用最小的挤气面在敲击避让上达到最大的效果，所以我们一般通过合理设计挤气面积及挤气区角度来实现，通过研究发现一般挤气区的面积可以选择20%的气缸截面积，挤气区和燃烧室面的角度一般选择15度-16度比较合理。

3.性能改善效果

3.1发动机性能改善

表1列出了试验发动机的主要性能。这个试

验发动机是4冲程，直列，4缸，4气门，1.8L发动机，压缩比10.0。试验用了两种不同辛烷值（RON）的燃油，其中以常规的RON为91的燃油作为主要的应用。

表一试验发动机性能

倾斜挤压区燃烧室在发动机全负荷性敲击极限时的火花正时点火提前现象（轻度爆震）或者最好扭矩时的火花提前（MBT）。与传统的挤压燃烧室相比，通过用斜挤压燃烧室，1-2%的容积效率得到了改善，在敲击极限时点火正时得到了最大4度的改善。依靠这两者的改善，输出扭矩得到提升，在发动机所有速度范围内的比油耗（BSFC）得到了降低。

3.2燃烧组织及性能的改善

气道性能的改善，可以通过挤压面的流量系数来调节。这个流量系数根据在缸盖内测量的进入空气（稳流状态）的质量流速比来计算的，质量流速与进气门的面有关。这个比较高的流量系数是靠减少进气门周围的遮挡，并用一个倾斜挤气形状的进气面来得到的。通过这种结构的改进，可以明显的看出来在气门中部升程的时候流量系数得到了明显的增加。所以减少遮挡在流体动力学上对气流组织影响最小，对于流量系数最大的影响是气门中部的升程。

可以看出，通过挤气区形状的改变，从平挤气区调整为倾斜挤气区燃烧室，减少了气门周围的遮挡面，能避免因空间对气流组织的影响，减小了对气流的阻碍，从而增加了充气效率。根据经验所得，一般气门头部与壁面保持1.5mm的间隙才不会明显影响进气，气门头部的避让面在设计的时候也要考虑对气流的影响应适当的增大。

3.3敲击极限的改善

通过MBT和敲击极限时的点火正时之间的不同对比，使用倾斜挤气区形状，这个不同的点火提前角被缩小，敲击极限得到了改善。换句话说，这个倾斜挤气区形状改善了机械辛烷值。而且，扭矩在MBT时提升是由于上面提到的容积效率的提升。通常，进气量的增加使压缩冲程末端温度升高，恶化敲击极限。用倾斜挤气区形状，进气量得到增加，敲击极限时的这种现象得到

改善。

3.4对爆震现象的改善

倾斜挤气面相对传统挤气区燃烧室结构能产生较大的反转挤气流，增加点火时刻的湍动能，同时反转挤气流以极大的速度和涡流传播到缸壁而无迟滞，并且加速了末端混合气的燃烧，从而抑制爆震的产生

结论：

通过上述研究分析该种倾斜挤气区燃烧室结构能产生一种反转挤气流，能使挤气面的火焰传播和尾气得到加速，并能够有效避免缸内爆震现象；并且该倾斜挤气区燃烧室结构，不仅能实现高压缩比，还可以降低油耗和提高发动机性能。

参考文献

1.杨铁皂内燃机设计洛阳：河南科技大学出版

2.张军汽车工程手册（设计篇）北京：人民交通出版

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。