內(nèi)燃機(jī)混合氣形成

內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)方式渦流擠流滾流湍流第一頁(yè)，共27頁(yè)。

一、渦流1、進(jìn)氣渦流定義：在進(jìn)氣過(guò)程中形成的，繞氣缸軸線有組織的氣流運(yùn)動(dòng)，稱為進(jìn)氣渦流。由于存在氣流之間的內(nèi)摩擦耗損和氣流與缸壁之間的摩擦，將使進(jìn)氣渦流在壓縮過(guò)程逐漸衰減。一般情況下，在壓縮終了時(shí)，約有1／4~1／3的初始動(dòng)量矩?fù)p失掉。當(dāng)活塞接近于上止點(diǎn)，大量空氣被迫進(jìn)入位于活塞頂部的燃燒室內(nèi)，使凹坑內(nèi)的切線速度有所增加。第二頁(yè)，共27頁(yè)。進(jìn)氣結(jié)束時(shí)，汽缸內(nèi)旋流速度的分布表明，小于某一半徑時(shí)，切線速度隨半徑的增加而增大，速度呈剛體流分布；越過(guò)這一半徑時(shí)，切線速度隨半徑的增加而減小，速度呈勢(shì)流分布。當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，剛體流動(dòng)明顯增強(qiáng)，勢(shì)流運(yùn)動(dòng)明顯減弱，可以認(rèn)為此時(shí)燃燒室凹坑內(nèi)的旋流運(yùn)動(dòng)力剛體流。進(jìn)氣過(guò)程所產(chǎn)生的旋流可以持續(xù)到燃燒膨脹過(guò)程。在柴油機(jī)上，進(jìn)氣渦流主要用于增強(qiáng)噴油油束與空氣的混合，提高燃油與空氣混合速率，這有助于柴油機(jī)的快速燃燒。在汽油機(jī)上，進(jìn)氣渦流主要用于增加火焰?zhèn)鞑ニ俾剩瑢?shí)現(xiàn)快速燃燒。進(jìn)氣渦流的大小由進(jìn)氣道形狀和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。第三頁(yè)，共27頁(yè)。第四頁(yè)，共27頁(yè)。2、進(jìn)氣渦流的產(chǎn)生方法采用帶導(dǎo)氣屏的進(jìn)氣門切向氣道螺旋氣道第五頁(yè)，共27頁(yè)。(1)采用帶導(dǎo)氣屏的進(jìn)氣門

圖5—1a

強(qiáng)制空氣從導(dǎo)氣屏的前面流出,依靠氣缸壁面約束，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流。由圖5—2b可知，由于導(dǎo)氣屏的存在，使在導(dǎo)氣屏占據(jù)的氣門周長(zhǎng)范圍內(nèi)氣流不進(jìn)入氣缸，增大了導(dǎo)氣屏對(duì)面的氣流速度，從而形成對(duì)氣缸中心O的動(dòng)量矩。第六頁(yè)，共27頁(yè)。改變導(dǎo)氣屏包角β的大小和導(dǎo)氣屏安裝角α(OO’

導(dǎo)氣屏對(duì)稱中心線與氣缸軸線的夾角，見(jiàn)圖5—2b)的大小，均可改變渦流強(qiáng)度。β角一般常選80—120°，α角在90-270°附近可望形成較強(qiáng)的渦流(兩者產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反)。第七頁(yè)，共27頁(yè)。第八頁(yè)，共27頁(yè)。第九頁(yè)，共27頁(yè)。

1)由于導(dǎo)氣屏減小氣流流通截面，流動(dòng)不對(duì)稱，使流動(dòng)阻力增加，充量系數(shù)降低。

2)由于氣門上有導(dǎo)氣屏，為保證工作時(shí)氣流的旋轉(zhuǎn)方向和強(qiáng)度，進(jìn)氣門必須有導(dǎo)向裝置，以防工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，這都使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本增加。3)氣門盤剛度不均勻，變形大，氣門在工作時(shí)又個(gè)能轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣門容易偏磨，對(duì)氣門密封不利。導(dǎo)氣屏缺點(diǎn)第十頁(yè)，共27頁(yè)。切向氣道形狀比較平直，在氣門座前強(qiáng)烈收縮，引導(dǎo)氣流以單邊切線方向進(jìn)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(wú)旋氣道速度分布的基礎(chǔ)上，增加—個(gè)沿切向氣道方向的速度(圖5-2c)。切向進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在對(duì)進(jìn)氣渦流要求低時(shí)，流動(dòng)阻力不大，但當(dāng)對(duì)渦流要求高時(shí)，由于氣門口速度分布過(guò)于不均勻，氣門流通面積實(shí)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(jìn)氣渦流強(qiáng)度不高的發(fā)動(dòng)機(jī)上。切向氣道對(duì)氣口的位置較敏感，泥芯誤差對(duì)氣道的質(zhì)量影響較大。

(2)切向氣道(圖5—1b)第十一頁(yè)，共27頁(yè)。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(qiáng)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(gè)切向速度，合成后的速度圖(圖5—2d)是一個(gè)對(duì)稱圖形。除了螺旋氣道本身形成的動(dòng)量矩外，速度分布圖對(duì)氣缸中心不再形成動(dòng)量矩了，這種氣道稱為純螺旋氣道。（3）螺旋氣道(圖5—1c)第十二頁(yè)，共27頁(yè)。事實(shí)上，由于在氣缸蓋上布置氣道時(shí)，螺旋室高度值不能很大，氣流流入氣缸時(shí)必然會(huì)含有一部分切向氣流的成分，因此實(shí)際使用的螺旋氣道中的空氣旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均由兩部分組成。采用強(qiáng)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(duì)鑄造工藝和加工的要求，例如對(duì)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(yán)格控制。第十三頁(yè)，共27頁(yè)。為了增加進(jìn)氣充量，氣道的流動(dòng)阻力越小越好；氣道的質(zhì)量指標(biāo)主要有流動(dòng)阻力和渦流強(qiáng)度；希望在盡可能小的阻力下有足夠的渦流強(qiáng)度。

3．氣道的評(píng)定方法第十四頁(yè)，共27頁(yè)。在穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)(圖5—3)上評(píng)定渦流強(qiáng)度的方法基本相近，一般采用葉片風(fēng)速儀測(cè)量模擬氣缸內(nèi)渦流的轉(zhuǎn)速或用角動(dòng)量矩直接測(cè)出渦流的角動(dòng)量，氣體流量用流量計(jì)測(cè)定。測(cè)量方法一般采用定壓差法，在不同的氣門升程下測(cè)量葉片的轉(zhuǎn)速和氣體流量。第十五頁(yè)，共27頁(yè)。

為使不同形狀和尺寸氣道的流動(dòng)特性具有對(duì)比性，采用無(wú)量綱流量系數(shù)評(píng)價(jià)不同氣門升程下氣道的阻力特性或流通能力，用無(wú)量綱渦流數(shù)評(píng)價(jià)不同氣門行程下氣道形成渦流的能力。第十六頁(yè)，共27頁(yè)。Q為試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際空氣流量A為氣門座內(nèi)截面面積無(wú)量綱流量系數(shù)定義為流過(guò)氣門座的實(shí)際空氣流量與理論空氣流量之比dv為氣門座內(nèi)徑n為進(jìn)氣門數(shù)目υ0為理論進(jìn)氣速度為進(jìn)氣道壓力降，一般取2.5kPaρ為氣門座處氣體的密度(kg／m3)Ricardo方法第十七頁(yè)，共27頁(yè)。Ricardo無(wú)量綱渦流數(shù)NR為:D為缸徑υ0為理論進(jìn)氣速度為葉片旋轉(zhuǎn)角速度第十八頁(yè)，共27頁(yè)。Ricardo渦流比為為葉片旋轉(zhuǎn)角速度ωe為葉片旋轉(zhuǎn)角速度第十九頁(yè)，共27頁(yè)。二、擠流在壓縮過(guò)程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時(shí)所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運(yùn)動(dòng)稱為擠壓流動(dòng)，又稱擠流。擠流強(qiáng)度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。擠流在汽油機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，汽油機(jī)緊湊型燃燒室都利用較強(qiáng)的擠流運(yùn)動(dòng)，以增強(qiáng)燃燒室內(nèi)的湍流強(qiáng)度，促進(jìn)混合氣快速燃燒。當(dāng)活塞下行時(shí)，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產(chǎn)生膨脹流動(dòng)，稱為逆擠流。逆擠流在柴油機(jī)上有助于將燃燒室內(nèi)的混合氣流出，使其進(jìn)一步和氣缸內(nèi)的空氣混合燃燒，對(duì)改善燃燒和降低排放十分有利?？s口形燃燒室就是充分利用了較強(qiáng)的擠流和逆擠流。第二十頁(yè)，共27頁(yè)?？s口型燃燒室第二十一頁(yè)，共27頁(yè)。在壓縮過(guò)程中形成的有組織的旋轉(zhuǎn)空氣運(yùn)動(dòng)，稱為壓縮渦流。如在渦流室柴油機(jī)的壓縮過(guò)程中，氣缸內(nèi)的空氣通過(guò)通道被壓人渦流室中，形成有組織的旋流運(yùn)動(dòng)，這種壓縮渦流可促進(jìn)噴入渦流室中的燃料與空氣的混合，渦流大小由渦流室形狀、通道尺寸、位置和角度決定。第二十二頁(yè)，共27頁(yè)。三、滾流和橫軸渦流在進(jìn)氣過(guò)程中形成的，繞垂直于氣缸軸線的有組織的空氣旋流，稱為滾流或橫軸渦流。滾流較適宜于在四氣門汽油機(jī)上使用，滾流在壓縮過(guò)程中其動(dòng)量衰減較少。當(dāng)活塞接近于上止點(diǎn)時(shí)，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強(qiáng)度和湍流動(dòng)能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能(圖5—4)。第二十三頁(yè)，共27頁(yè)。第二十四頁(yè)，共27頁(yè)。在四氣門汽油機(jī)中，在兩個(gè)進(jìn)氣道的一個(gè)進(jìn)氣道中安裝旋流控制閥，通過(guò)改變旋流控制閥的開(kāi)度，即可形成不同角度的斜向旋流，斜向旋流可以認(rèn)為是由進(jìn)氣渦流和滾流兩部分組成的。滾流在近幾年來(lái)獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上具有十分重要的地位。第二十五頁(yè)，共27頁(yè)。在氣缸內(nèi)形成的無(wú)規(guī)則的氣流運(yùn)動(dòng)稱為湍流。采用統(tǒng)計(jì)的方法定義湍流特性參數(shù)，在統(tǒng)計(jì)定常的湍流場(chǎng)中，某方向上的當(dāng)?shù)厮矔r(shí)流速U可以寫為

(5-6)式中，為平均速度；u(t)為流速的脈動(dòng)分量。（5-7）

式中，τ為時(shí)間；t0為起始時(shí)間。湍流強(qiáng)度定義為脈動(dòng)速度分量的均方根值，即

（5-8）此外，還使用—些長(zhǎng)度尺度和時(shí)間尺度表征湍流特性，四、湍流第二十六頁(yè)，共27頁(yè)。五、熱力混合直接噴射式燃燒室內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)在壓縮上止點(diǎn)附近接近剛體流，即燃燒室中氣流切向速度隨燃燒室半徑的增大而增大，中心部分壓力低，外圍壓力高