內(nèi)燃機進氣過程中的氣流運動形式

1、內(nèi)燃機進氣過程中的氣流 運動形式 1 1、對混合氣形成和燃燒過程有決定性作用，影響著發(fā)動機的 動力性、經(jīng)濟性、燃燒噪聲和有害廢氣排放。 2 2、合適的缸內(nèi)空氣運動可以提高汽油機火焰?zhèn)鞑ニ俾省⒔档?燃燒循環(huán)變動，適應(yīng)稀燃或?qū)尤歼^程； 3 3、合適的缸內(nèi)空氣運動可以加快柴油機燃油空氣混合速率， 提高燃燒速率，促進燃燒過程中空氣與未燃燃料的混合。 氣流運動的作用 氣流運動對不同的缸徑和轉(zhuǎn)速的機型、不同的噴油系統(tǒng) 參數(shù)、不同的燃燒室和不同的工況都存在著不同的氣流 運動范圍。但是也存在著一些大致的規(guī)律： 缸徑D D 200mm200mm、轉(zhuǎn)速n n 1000r/min1000r/min的柴油機可以不用

2、或少用進氣渦流。依靠自身壓縮和噴油過程中形成的擠 流和紊流就可以促進混合氣的形成。對于9090 D D 160mm160mm、n n2000r/min2000r/min的中小型柴油機就需要較強 的氣流運動來促進混合氣的形成和燃燒的完善。 同一臺柴油機中，高速時要求渦流比低一些，低速時要 求渦流比高一些。為了同時考慮，一般取折衷值。 燃燒過程中應(yīng)該是渦流、擠流、滾流，湍流互相滲透最 好。 對氣流運動的要求 氣流運動方式 定義：在進氣過程中形成的，繞氣缸軸線有組織的氣流 運動，稱為進氣渦流。其大小由進氣道形狀和發(fā)動機轉(zhuǎn) 速決定。 在柴油機上，進氣渦流主要用于增強噴油油束與空氣的 混合，提高燃油與空

3、氣混合速率，這有助于柴油機的快 速燃燒。 在汽油機上，進氣渦流主要用于增加火焰?zhèn)鞑ニ俾?，?現(xiàn)快速燃燒。 進氣渦流的大小由進氣道形狀和發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定。 渦流 渦流的產(chǎn)生方法 進氣 渦流 導(dǎo)氣屏 切向氣 道 螺旋氣 道 導(dǎo)流槽 強制空氣從導(dǎo)氣屏前面流出，依靠氣缸 壁面約束，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流。導(dǎo)氣屏占據(jù) 的氣門周長范圍內(nèi)氣流不進入氣缸，增 大了導(dǎo)氣屏對面的氣流速度，形成對氣 缸中心的動量矩。 改變導(dǎo)氣屏包角 和導(dǎo)氣屏安裝角a a均可 改變渦流強度。（在a a角9090與270270附 近調(diào)整，可得到 轉(zhuǎn)向相反的兩股渦流）。 試驗時調(diào)整方便，常在單缸機使用，為 新氣道設(shè)計提供數(shù)據(jù)。 a a為導(dǎo)氣屏對稱中

4、心線與氣門中心線夾角。 導(dǎo)氣屏 1 1、由于導(dǎo)氣屏減小氣流流通截面，流動不對稱，使流 動阻力增加，充量系數(shù)降低。 2 2、由于氣門上有導(dǎo)氣屏，為保證工作時氣流的旋轉(zhuǎn)方 向和強度，進氣門必須有導(dǎo)向裝置，以防工作時轉(zhuǎn)動， 這都使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本增加。 3 3、氣門盤剛度不均勻，變形大，氣門在工作時又不能 轉(zhuǎn)動，使氣門容易偏磨，對氣門密封不利。 導(dǎo)氣屏評價 切向氣道形狀比較平直，在氣門座前強 烈收縮，引導(dǎo)氣流以單邊切線方向進入 氣缸，從而造成氣門口速度分布的不均 勻。它相當(dāng)于在平直無旋氣道速度分布 的基礎(chǔ)上，增加 個沿切向氣道方向的 速度。 切向進氣道結(jié)構(gòu)簡單，在對進氣渦流要求低時，流動阻 力不大

5、，但當(dāng)對渦流要求高時，由于氣門口速度分布過 于不均勻，氣門流通面積實際上得不到充分利用，氣道 阻力將很快增加，因此切向氣道適用于要求進氣渦流強 度不高的發(fā)動機上。 切向氣道及其評價 在氣門座上方的氣門腔內(nèi)做成螺旋形， 使氣流在螺旋氣道內(nèi)就形成 定強度的 旋轉(zhuǎn)，其氣門口處氣流的情況相當(dāng)于在 平直氣道出口速度分布的基礎(chǔ)上，增加 個切向速度，合成后的速度圖是一個對 稱圖形。 采用強渦流螺旋氣道燃燒室的性能與氣 道質(zhì)量的關(guān)系極為密切，因此就大大提高了對鑄造工藝 和加工的要求，例如對氣道泥芯的變形、定位、氣道出 口和氣門座圈的同心度等必須嚴格控制。 螺旋氣道及其評價 為了增加進氣充 量，氣道的流動 阻力

6、越小越好。 氣道的質(zhì)量指標(biāo) 主要有流動阻力 和渦流強度。 希望在盡可能小 的阻力下有足夠 的渦流強度。 氣道的評定方法 為使不同形狀和尺寸氣道的流動特性具有對比性，采用無 量綱流量系數(shù)評價不同氣門升程下氣道的阻力特性或流通 能力，用無量綱渦流數(shù)評價不同氣門行程下氣道形成渦流 的能力。 在穩(wěn)流氣道試驗臺上評 定渦流強度的方法：一 般采用葉片風(fēng)速儀測量 模擬氣缸內(nèi)渦流的轉(zhuǎn)速 或用角動量矩直接測出 渦流的角動量，氣體流 量用流量計測定。測量 方法一般采用定壓差法 在不同的氣門升程下測 量葉片的轉(zhuǎn)速和氣體流 量。 進氣渦流的測定 Ricardo方法方法 0 F Q A C 無量綱流量系數(shù)定義 為流過氣

7、門座 的實際空氣流量 與理論空氣流量之比 0 0為理論進氣速度 0 2p 為進氣道壓力降， 一般取2.5kPa2.5kPa 為氣門 座處氣 體的密 度(kg(kg mm3 3) ) Q Q為試驗測得的實際空氣流量 A A為氣門座內(nèi)截面面積 2 /4 V Ad n d dv v為氣門 座內(nèi)徑 n n為進氣門數(shù)目 Ricardo方法方法 0 R R D N RicardoRicardo無量綱渦流數(shù)NRNR為: : 其中： 為葉片旋轉(zhuǎn)角速度， 為理論進氣速度，D D為缸徑。 R R e RicardoRicardo渦流比 為： 其中： 為葉片旋轉(zhuǎn)角速度， 為發(fā)動機旋轉(zhuǎn)角速度。 R 定義：在壓縮過程后

8、期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋 彼此靠近時所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運動稱為擠壓流動， 又稱擠流。 擠流強度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。擠流 在汽油機上得到了廣泛的應(yīng)用，汽油機緊湊型燃燒室都 利用較強的擠流運動，以增強燃燒室內(nèi)的湍流強度，促 進混合氣快速燃燒。 當(dāng)活塞下行時，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產(chǎn) 生膨脹流動，稱為逆擠流。逆擠流在柴油機上有助于將 燃燒室內(nèi)的混合氣流出，使其進一步和氣缸內(nèi)的空氣混 合燃燒，對改善燃燒和降低排放十分有利。 擠流 在進氣過程中形成的，繞垂直于氣缸軸線的有組織的空 氣旋流，稱為滾流。 滾流較適宜于在四氣門汽油機上使用，滾流在壓縮過程 中其動量衰減較少。

9、當(dāng)活塞接近于上止點時，大尺度的 滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強度和湍流動能 增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾剩纳瓢l(fā)動機性能。 滾流 在氣缸內(nèi)形成的無規(guī)則的氣流運動稱為湍流。采用統(tǒng)計 的方法定義湍流特性參數(shù)，在統(tǒng)計定常的湍流場中，某 方向上的當(dāng)?shù)厮矔r流速U(t)U(t)可以寫為: : 湍流 ( )( )U tUu t 式中， 為平均速度；u(t)u(t)為流速的脈動分量。 0 0 1 lim( ) t t UU t dt 式中， 為時間；t0t0為起始時間。 湍流強度定義為脈動速度分量的均方根值，即: : 0 0 1 2 2 1 lim( ) t t uu t dt 此外，還使用 些長度尺度和時間尺度表征湍流特性. . U 種類 渦流 擠流 滾流 湍流 定 義 空氣充量的 大尺度旋流 運動。 在壓縮過程 后期，活塞 表面的某一 部分和氣缸 蓋彼此靠近 時所產(chǎn)生的 徑向或橫向 氣流運動。 繞垂直于氣 缸軸線的空 氣旋流。 湍 流 是 在