内燃机混合气的形成和燃烧上

第五章内燃机混合气的形成和燃烧(上)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，因而也影响着发动饥的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。组织良好的缸内空气运动可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；可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。第一节内燃机缸内的气体流动Schlierenphotographw/oswirlSchlierenphotographwithswirl气流对汽油机燃烧的影响一、涡流进气涡流进气过程中形成的，绕气缸轴线油规则的气流运动，叫进气涡流。一、涡流由于气流间的内摩擦和气流与缸壁间的摩擦，进气涡流在压缩过程中逐渐衰弱。进气结束时，气缸中心小于一半缸径处，速度呈刚体流分布，线速度随半径增加而增加；大于一半缸径的地方，速度呈势流分布，线速度随半径增加而减小；活塞接近TDC时，刚体流动成分，势流成分。进气过程产生的旋流可持续到膨胀过程。涡流强度随曲轴转角的变化随着压缩行程的进行，缸内存在的进气涡流被压入口径较小的燃烧室凹坑，形成沿凹坑旋转的压缩涡流。由动量守恒，气流旋转半径缩小，势必使燃烧室内的涡流角速度增大，但压缩终点涡流的角速度很难测定。对于凹坑与气缸中心线对称的圆柱形燃烧室，日本池上旬提出计算涡流增速比的公式：涡流0202200HhHH压缩始点涡流的角速度压缩终点涡流的角速度压缩始点活塞顶距缸盖底面距离压缩终点活塞顶到缸盖底面距离凹坑深度kdD活塞顶凹坑的直径缸径图4－3燃烧室的涡流增速比的燃烧室口径比β＝0.35；活塞顶间隙ｘ＝0.9ｍｍ；压缩比16.4燃烧室的涡流增速比燃烧室口径比β＝0.35；活塞顶间隙ｘ＝0.9ｍｍ；压缩比16.42．进气涡流的产生方法导气屏进气门在进气门平顶的背面加上一段圆弧形的导气屏而构成。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。导气屏占据的气门周长范围内气流不进入气缸，形成对气缸中心的动量矩。改变导气屏包角口的大小和安装角，可改变涡流强度。导气屏进气门用于单缸试验机对进气涡流的影响进行研究，为气道设计提供依据。缺点：减少气流流通截面积，流动阻力增加，充量系数下降。保证气流的方向和强度，进气门要有导向装置，增加成本。气门盘刚度不均匀，变形大。气门不能转动，容易偏末，不利于密封。切向气道气道形状比价平直，在气门座前强烈收缩，引导气流沿单边切线方向进入气缸，造成气门口速度分布不均匀。它相当于在平直无旋气道速度分布的基础上，增加—个沿切向气道方向的速度。切向气道切向气道结构简单、在对进气涡流要求低时，流动阻力个大；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。用于进气涡流强度不高的发动机上。切向气道对气口位置敏感，泥芯误差对气道质量影响较大。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一定强度的旋转，其气门口处气流的情况相当于在平直气道出口速度分量的基础上增加一个切向速度。除螺旋气道本身形成的动量矩外，速度分布图对气缸中心不再形成动量矩了，这种气道称为纯螺旋气道。螺旋气道在气缸盖上布置气道时，螺旋室高度不能很大，流入气缸的气流会含有一部分切向气流成分，螺旋气道中的空气运动均由两部分组成。采用强涡流螺旋气道燃烧室的性能取决于气道质量，对铸造工艺和加工的要求很高，对气道泥芯的变形、定位、气道出口和气门座圈的同心度等须严格控制。各类气道气门出口处的速度分布示意图不同气道涡流强度比较导气屏，可调节涡流强度，涡流比Ω＝0～4，但阻力最大，一般用于少数汽油机和试验研究用发动机。切向气道形状简单，涡流比Ω＝1～2，适用于对涡流强度要求不高的发动机。螺旋气道的形状最复杂，涡流比Ω＝2～4，同样涡流比时的进气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要求较高的发动机。气道气道的评定方法对气道要求：流动阻力越小越好；适当的涡流强度。希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。气道稳流试验台稳流气道试验台上评定涡流强度的方法在稳流气道试验台上评定涡流强度，一般则量模拟气缸内涡流转速或用角动量矩直接测出涡流的角动量，用流量计测定气体流量。测量一般采用定压差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。为使不同形状和尺寸气道的流动特性具有对比性，采用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力，用无量纲涡流数评价不同气门升程下气道形成涡流的能力。Ricardo无量纲流量系数CFQ试验测得的空气流量；A气门座内截面面积dv气门座内径；n进气门数目。v0理论进气速度p进气道压降，取2.5kPa；气门座处气体密度(kg/m3)无量纲流量系数CF定义为流过气门座的实际空气流量与理论空气流量之比。Ricardo无量纲涡流数NR式中:R为叶片旋转角速度;D为缸经Ricardo涡流比式中，e为发动机曲轴旋转角速度。二、挤流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。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，称为逆挤流。挤流强度由挤气面积和挤气间隙的大小决定。二、挤流汽油机紧凑型燃烧室都用较强的挤流运动，以增强燃烧室内湍流强度，促进混合气快速燃烧。柴油机用逆挤流促进燃烧室内混合气流出，进一步和气缸内的空气混合燃烧，有利于改善燃烧和降低排放。缩口形燃烧室就是为了充分利用挤流和逆挤流。二、挤流对有明显凹坑的燃烧室来说，较强的挤流分量可以诱导产生较强的小尺度气流紊动即微涡流。微涡流具有促使油气和空气的分子尺度均匀而迅速的混合作用；微涡流张量耗散作用还能对进气涡流起到调整阻尼作用。如：当发动机转速上升，微涡与气流速度一样呈直线增加，从而对高速工况的过强涡流起到抑制消减作用，保证油气在较大转速范围内匹配良好。压缩涡流在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动，称为压缩涡流。在涡流室柴油机的压缩过程中，气缸内的空气通过通道被压入涡流室中，形成有组织的旋流运动，这种压缩涡流。涡流大小由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定。可促进喷入涡流室中的燃料与空气的混合。压缩涡流压缩涡流不会造成进气阻力增大和进气充量下降，但形成压缩涡流时会伴随着不同程度的能量的损失，而使循环热效率降低。三、滚流进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流。滚流适用于四气门汽油机，其动量在压缩过程中衰减较少。在上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，湍流强度和动能增加。三、滚流滚流与进气涡流都是在进气过程中由进气道和气缸壁形成的。两者的区别在于涡流的旋转轴与气缸轴线平行或重合，而滚流的旋转轴线与气缸轴线垂直。一般立式内燃机中，涡流的轴线与气缸轴线平行，称为立轴涡流，而滚流轴线与气缸轴线垂直，也称为横轴涡流。还有一种涡流旋转轴即不是垂直方向的，也不是水平方向的，通常称这种涡流叫斜轴涡流，它是由涡流与滚流合成的缸内宏观气流运动。对于四气门汽油机来说，斜轴涡流在关闭双进气道中的一个而保证另一个进气道正常工作的情况下较为常见，但在双进气道同时进气时，缸内宏观气流运动主要是滚流。滚流产生和发展从进气道进入气缸的气流形成了如箭头所示一边下沉一边绕横轴旋转的滚流运动。滚流产生四气门汽油机的进气道一种是分叉式，一种是单独的两个进气道。对比测试表明后者的滚流速度和流量系数要大，可见后者的滚流与通流能力要比前者强。H值大的要比H值小的滚流速度和气道流量系数大。因此，H值大的高位切向双进气道被认为是四气门汽油机较为理想的进气道结构。滚流和涡流滚流和涡流均能起到保存进气动能，促进混合气形成和燃烧、提高空气利用率和降低燃烧系统对过量空气系数的要求等作用。但是滚流还具有比涡流在上止点更能生成大量微小涡旋，且以不规则的脉冲运动扩展成为强度很高的湍流，从而更有利于促进燃烧的进行。四、湍流在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流。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，某一方向上的当地瞬时流速U可以写为平均速度和流速的脉动分量之和湍流强度湍流强度定义为脉动速度分量的均方根值，即积分尺度lI和积分时间尺度I积分尺度指流场中最大尺度结构的量度，即大涡的尺度。积分尺度可用气流中相邻任意两点脉动速度的自相关系数的积分值来表示，即Rx为自相关系数，定义为Nm为测量次数。一般先求出积分时间尺度I，然后计算lI在统计定常流动中，固定空间一点，用两个时刻的运动相关，来定义积分时间尺度IRt为时间柜关系数，定义为lI和I之间存在以下关系若湍流在通过测定点时没有很大的畸变，而且湍流本身较弱，则积分长度尺度lI和积分时间尺度I，之间存在以下关系如果在气流中发生大涡结构对流现象，可认为I是大涡通过该点的时间；在没有平均流动的气流中，I可以视作大涡结构的寿命。2Kolmogorov长度尺度lk和时间尺度k叠加在大尺度气流上有许许多多很小尺寸的涡，这些小涡使当气流的流型迅速发生变化，湍流能量的耗散即发生在这些最小的结构中。分子粘性起着把小尺寸涡的动能耗散为热能的作用，这一最小的湍流流动结构尺寸可用长度尺度lK表示，它决定了单位质量能量的耗散速率和流体运动粘度，为此，定义Kolmogorov长度尺度lk为Kolmogorov时间尺度kKolmogorov时间尺度k表示最小湍流结构的动量扩散时间，它的定义为柯尔莫戈洛夹认为，小涡旋无法保存动能，只能消耗动能，所以它只与流体的粘性和单位质量流体的湍流能量耗散率有关。3Taylor微观长度尺度lM和时间尺度M微观长度尺度lM被认为是发生粘性耗散的很薄的剪切层的大致间距：时间尺度M可由时间自相关曲线求出对于均匀的和等嫡的湍流，微观长度尺度lM和时间尺度M之间存在如下关系湍流的作用湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度，在柴油机上组织适当的湍流可以改善燃油（如壁面附近的燃油）与空气的混合。内燃机缸内的湍流利用热线风速仪测得的缸内相对湍流强度随曲轴转角的变化。