第五章 内燃机混合气的形成与燃烧1

1第五章内燃机混合气的形成和燃烧2第五章内燃机混合气的形成和燃烧第一节内燃机缸内的气体流动第二节点燃式内燃机的燃烧第三节点燃式内燃机的燃烧室第四节压燃式内燃机的燃烧第五节压燃式内燃机的燃烧室3第一节内燃机缸内的气体流动对空气运动的认识早期内燃机一般缸径大，转速低，认为混合气形成主要是靠油的雾化质量来实现，不组织空气运动，其措施：1.早期认识(40年代前)（1）采用多孔喷油器（4～8个）（2）提高喷油压力（3）喷柱同燃烧室结构尺寸和形状相匹配效果：由于n低，D大，循环供油量多，动力性、经济性、起动性都理想，但噪音大，油嘴易堵塞。2.近期认识(50年代后)内燃机向高速小型发展，以上方法，出现油耗偏高，发动机冒烟（混合时间缩短，燃烧恶化），喷孔堵塞严重（D小，燃油消耗量小，孔多孔径小）。组织空气运动4第一节内燃机缸内的气体流动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。动力性、经济性、燃烧噪声、有害废气的排放汽油机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；柴油机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(热混合作用)有重要作用。深入了解内燃机缸内空气运动对燃烧过程的影响和作用，对于组织良好的燃烧过程，开发具有高性能和低污染的发动机具有重要意义。5内燃机缸内气体运动方式涡流挤流滚流湍流第一节内燃机缸内的气体流动6第一节内燃机缸内的气体流动一、涡流1、进气涡流定义：在进气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流。进气过程所产生的旋流可以持续到燃烧膨胀过程。柴油机进气涡流主要用于增强喷油油束与空气的混合，提高燃油与空气混合速率，这有助于柴油机的快速燃烧。汽油机进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧。进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速决定。7第一节内燃机缸内的气体流动一、涡流2.进气涡流的产生方法采用带导气屏的进气门切向气道螺旋气道8第一节内燃机缸内的气体流动一、涡流(1)采用带导气屏的进气门2.进气涡流的产生方法强制空气从导气屏的前面流出,依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。9第一节内燃机缸内的气体流动一、涡流(1)采用带导气屏的进气门由于导气屏的存在，使在导气屏占据的气门周长范围内气流不进入气缸，增大了导气屏对面的气流速度，从而形成对气缸中心O的动量矩。平直无旋气道改变导气屏包角β的大小和导气屏安装角α的大小，均可改变涡流强度。β角一般常选80—120°，α角在90-270°附近可望形成较强的涡流(两者产生的涡流转动方向相反)。10第一节内燃机缸内的气体流动一、涡流(1)采用带导气屏的进气门导气屏缺点：a.由于导气屏减小气流流通截面，流动不对称，使流动阻力增加，充量系数降低。b.由于气门上有导气屏，为保证工作时气流的旋转方向和强度，进气门必须有导向装置，以防工作时转动，这都使结构复杂，制造成本增加。c.气门盘刚度不均匀，变形大，气门在工作时又不能转动，使气门容易偏磨，对气门密封不利。11第一节内燃机缸内的气体流动2.进气涡流的产生方法(2)切向气道在气门座前强烈收缩，引导气流以单边切线方向进入气缸，从而造成气门口速度分布的不均匀。切向进气道结构简单，在对进气涡流要求低时，流动阻力不大，但当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加，因此切向气道适用于要求进气涡流强度不高的发动机上。12第一节内燃机缸内的气体流动2.进气涡流的产生方法(2)切向气道13第一节内燃机缸内的气体流动2.进气涡流的产生方法（3）螺旋气道在气门座上方的气门腔内做成螺旋形，使气流在螺旋气道内就形成—定强度的旋转，促使进气过程中形成绕气缸轴线旋转的气流。14第一节内燃机缸内的气体流动2.进气涡流的产生方法(3)螺旋气道相当于在平直气道出口速度分布的基础上，增加—个切向速度，合成后的速度图是一个对称图形。15第一节内燃机缸内的气体流动3.气道的评定方法一、涡流•为了增加进气充量，气道的流动阻力越小越好；•气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强度；•希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。评定指标：无量纲流量系数无量纲涡流数评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力评价不同气门行程下气道形成涡流的能力。涡流比评价不同气门行程下气道形成涡流的强度。16在稳流气道试验台(图5—3)上评定涡流强度的方法基本相近，一般采用叶片风速仪测量模拟气缸内涡流的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。170FQACQ为试验测得的实际空气流量A为气门座内截面面积2/4VAdn无量纲流量系数定义为流过气门座的实际空气流量与理论空气流量之比dv为气门座内径n为进气门数目υ0为理论进气速度02p为进气道压力降，一般取2.5kPaρ为气门座处气体的密度(kg／m3)（1）无量纲流量系数（气道的流通能力）18Ricardo无量纲涡流数NR为:0RRDND为缸径υ0为理论进气速度为叶片旋转角速度R（2）无量纲涡流数（形成涡流的能力）19Ricardo涡流比为Re为叶片旋转角速度Rωe为发动机旋转角速度260DRn260en（3）涡流比20第一节内燃机缸内的气体流动二.挤流定义：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。逆挤流：当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，产生膨胀流动汽油机紧凑型燃烧室都利用较强的挤流运动，以增强燃烧室内的湍流强度，促进混合气快速燃烧。逆挤流在柴油机上有助于将燃烧室内的混合气流出，使其进一步和气缸内的空气混合燃烧，对改善燃烧和降低排放十分有利。21第一节内燃机缸内的气体流动二.挤流挤流压缩涡流逆挤流膨胀涡流挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。形成的有组织的旋转空气运动22第一节内燃机缸内的气体流动三、滚流和斜轴涡流滚流：在进气过程中形成的，绕气缸轴线垂直线旋转的有组织的空气漩流，称为滚流或横轴涡流。滚流较适宜于在四气门汽油机上使用。缸内直喷汽油机斜向旋流由进气涡流和滚流两部分组成的。绕气缸轴线旋转的横向分量绕气缸轴线垂直线旋转的纵向分量斜轴涡流在上止点附近能形成更强的湍流运动，提高混合气（特别是稀混合气）燃烧速率。23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。24第一节内燃机缸内的气体流动四、湍流主要用于提高火焰传播速度组织适当的湍流可以改善燃油（壁面油膜）与空气混合（4JB1柴油机）定义：在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流。（四气门双气道）汽油机柴油机25第一节内燃机缸内的气体流动()()UtUut001lim()ttUUtdt四、湍流采用统计的方法定义湍流特性参数，在统计定常的湍流场中，某方向上的当地瞬时流速U可以写为平均速度u(t)为流速的脉动分量τ为时间；t0为起始时间湍流强度脉动速度分量的均方根值0012'21lim()ttuutdt26第一节内燃机缸内的气体流动五、空气运动带来的效果1.空气利用率大大提高,φa明显降低；（φa＝1.1~1.3）2.高速性能好；(be低,不冒烟)3.促使油粒分散,扩大了混合范围。4.充分利用了热混合作用。27热混合作用进气结束时，汽缸内旋流速度的分布表明，小于某一半径时，切线速度随半径的增加而增大，速度呈刚体流分布；越过这一半径时，切线速度随半径的增加而减小，速度呈势流分布。直接喷射式燃烧室内的空气运动在压缩上止点附近接近刚体流，即燃烧室中气流切向速度随燃烧室半径的增大而增大，气流压力同气流速度平方成正比，中心部分压力低，外围压力高；AF离F向PVm28热混合作用若一质点A在旋转气流中运动：一方面受离心力作用，向外运动，另一方面受压差作用，推向燃烧室中心；液体油滴或燃油蒸汽密度比空气大，离心力起主导作用，呈向外运动趋势。按螺旋线向外运动已燃气体密度比空气小，向内推力起主导作用，呈向内运动趋势。按螺旋线向内运动由于在旋转气流中火焰向燃烧室中心运动，又将部分的新鲜空气挤向外壁，以促进空气与未燃燃料混合的作用称为热力混合作用。AF离F向PVm29第二节点燃式内燃机的燃烧一、点火过程火花点火过程十分复杂，至今仍有许多方面还不清楚，整个放电过程可以分成三个阶段：1－高压连接端；2－Al2O3陶瓷绝缘体；3－外壳；4－隔热带；5－导电玻璃密封剂；6－外部卡口垫圈；7－Ni/Cu合金中心电极；8－接地电极击穿阶段电弧阶段辉光放电阶段30(1)击穿阶段火花塞电极在高电压(约10~15kv)作用下，击穿电极间隙内的混合气，使它的温度升至60000K，压力上升到几十个MPa，从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离子通道的体积迅速膨胀，而压力、温度迅速下降，称为击穿阶段。通过火花塞间隙的峰值电流高达200A，但整个击穿阶段的时间约10ns。(2)电弧阶段电弧放电的电压较低(50~l00v)，电流仍高，在电弧阶段放电带的中心部分的离解程度仍很高，但离子化程度较低。一般认为，在电弧阶段火焰传播开始发生。(3)辉光放电阶段辉光放电阶段电流低于200mA，在阴极上有大的电压降。点火绝大部分的点火能量在此时放出，但能量损失比电弧阶段更大，气体的最高平衡温度下降到3000K。31第二节点燃式内燃机的燃烧一、点火过程在发动机运行条件下：静止的具有化学计量比的混合气：点火能量只需要0.2mJ较稀或较浓的混合气及电极处混合气有较高流速：点火能量为3mJ为能使发动机在各种上况下都能可靠点火：常规点火系统供给的能量一般为30~50mJ32二、点燃式内燃机中的正常燃烧预混燃烧：扩散燃烧：火焰中心到达之前燃料与空气充分混合的燃烧。燃料着火后仍有燃料喷入气缸，处于一边喷油，一边混合，一边燃烧，混合过程控制了燃烧速率。汽油机柴油机汽油机燃烧的特点：1.外部形成可燃混合气(混合时间长，混合均匀)2.外源点火(自燃温度高，压缩比小，不能自行着火)3.量调节(改变负荷是改变混合气量)4.预混燃烧对燃烧的要求：燃烧完全及时，轻声无烟。33二、点燃式内燃机中的正常燃烧(一)定容燃烧弹中的燃烧(二)点燃式发动机的燃烧过程(三)燃烧过程按已燃质量分量划分(四)火焰传播速率和燃烧速率(五)着火界限(六)利用示功图获取的燃烧特征参数(七)不同工况下燃烧过程的特点(八)燃烧的循环变动34二、点燃式内燃机中的正常燃烧(一)定容燃烧弹中的燃烧定容燃烧弹分成相等的四部分，包含等量的可燃混合气，状态为(p0，T0)。第一部分燃烧后，压力温度升高，压缩其余未燃部分，其余部分由于压缩与传热的影响，温度与压力也有所提高区域2开始燃烧时，混合气是在比始压始温高的压力温度下燃烧。燃烧时气体膨胀，进而压缩已燃烧气体1和未燃烧气体3和4，使它们的压力温度再升高，然后依次燃烧3和4部分的混合气。35二、点燃式内燃机中的正常燃烧(一)定容燃烧弹中的燃烧结论：1)火焰沿燃烧室不断传播，后一层比前一层混合气有更高的密度，因此等截面燃烧室内，燃烧速率是不相等的。2)燃烧室内各处的燃气温度不相等。靠近火花塞混合气最先在较低温度下燃烧，在低压下膨胀，最后在高压下回到原来体积。除获得燃烧的化学能外，还获得压缩功，因而最终温度较高。最后燃烧的混合气要损失一部分功，因而温度较低。100℃燃烧过程(在火焰传播接近终点时)，火花塞附近发生所谓“后辉”现象的原因。36二、点燃式内燃机中的正常燃烧(一)定容燃烧弹中的燃烧结论：3)由于燃烧室内火焰传播所引起的压缩一膨胀作用，在气流静止的燃烧室内引起气流的运动，而且燃烧初期的运动方向与燃烧末期是相反的。使火焰传播速度产生先加速后减速的倾向。37二、点燃式内燃机中的正常燃烧(二)点燃式发动机的燃烧过程点燃式发动机的燃烧过程分为三个阶段：着火延迟期（滞燃期