8内燃机学第五章(1节)混合气

第五章内燃机混合气的形成和燃烧本章讨论如下基本内容：内燃机缸内的气体流动点燃式内燃机的燃烧点燃式内燃机的燃烧室压燃式内燃机的燃烧压燃式内燃机的燃烧室第一节内燃机缸内的气体流动内燃机缸内空气运动的作用：1、对混合气形成和燃烧过程有决定性作用，影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气排放。2、对于汽油机：良好的缸内空气运动可以提高火焰传播速率、降低燃烧循环变动，适应稀燃或层燃过程；3、对于柴油机：合适的缸内空气运动可以加快燃油空气混合速率，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合。因此，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。内燃机缸内空气运动的形式；基本上分为四大类-涡流、挤流、滚流和湍流，下面分别介绍。一、涡流1、进气涡流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。其大小由进气道形状和发动机转速决定。进气涡流的进程及特点：•在压缩过程逐渐衰减（因气流内摩擦、气流与缸壁摩擦），一般在压缩终了时，约有1/4～1/3的初始动量矩损失掉。•接近于上止点时，活塞顶部凹坑内的切线速度有所增加（因大量空气被压入顶部燃烧室内）。•可以持续到燃烧膨胀过程。进气结束时缸内气流旋流速度分布：•小于某一半径时，速度呈刚体流分布-即半径增加，切线速度增大；•超过这一半径时，速度呈势流分布-即半径的增加，切线速度减小（可以认为是缸壁摩擦造成）；•当活塞接近于上止点时，刚体流体明显增强，势流运动明显减弱，可以认为此时燃烧室凹坑内的旋流运动为刚体流。进气涡流的作用：•对于柴油机，主要用于增强喷油油束与空气的混合，提高燃油空气混合速率，有助于柴油机的快速燃烧。•对于汽油机，主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧。2、进气涡流的产生方法通常有三种：导气屏、切向气道和螺旋气道。下面是三种气道的示意图：（1）带导气屏进气门（图5-1a）空气从导气屏强制流出，依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。（2）切向气道（图5-1b)切向气道形状比较平直，在气门座前强烈收缩，引导气流以单边切线方向进入气缸。（3）螺旋气道（图5-1c）气道在气门座上方做成螺旋形，使气流在螺旋气道内形成一定强度的旋转。（1）带导气屏进气门出口速度分布特点下图b是气门出口速度分布示意图（图a是平直无旋气道气门出口速度分布-均匀分布），其特点：a、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，形成对气缸中心O的动量矩。b、改变导气屏包角β和导气屏安装角a（OO′导气屏对称中心线与气缸轴线的夹角），均可改变涡流强度。c、可以形成较强的涡流（在a角90°与270°附近调整，可得到转向相反的两股涡流）。d、试验时调整方便，常在单缸机使用，为新气道设计提供数据。其缺点是：1）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。2）为保证工作时气流的旋转方向和强度，必须安装进气门导向装置，以防气门工作时转动，使结构复杂，制造成本增加。3）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。（2）切向气道进气门出口速度分布特点a、相当于在平直无旋气道速度分布的基础上，增加一个沿切向气道方向的速度υ（见下图5-2c）。因为气流从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。b、结构简单，在低进气涡流时，流动阻力不大；c、在高涡流时，气门口速度分布过于不均匀，气门流通面积得不到充分利用，气道阻力增加很快；d、切向气道适用于要求进气涡流强度不高的发动机上。切向气道缺点：对气口的位置较敏感，泥芯误差对气道的质量影响较大。（3）螺旋气道进气门出口速度分布特点a、相当在平直气道出口速度分布的基础上，增加一个沿气门口圆周切向速度υt，合成后的速度图（图5-2d）是一个对称图形。b、除了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（称为纯螺旋气道）。c、实际使用的不是纯螺旋气道，其中空气旋转均由两部分组成（螺旋向和切向），因在气缸盖实际布置气道时，螺旋室高度不能很大。气流流入气缸时会产生一部分切向气流的成分。其缺点：燃烧室性能与气道质量的关系极为密切；对铸造工艺和加工的要求很高，如对气道泥芯的变形、定位、气道出口和气门座圈的同心度等必须严格控制。3、进气道评定方法气道质量评价指标：主要有流动阻力和涡流强度，希望在尽可能小的流动阻力下有足够的涡流强度。一般在稳流气道试验台上进行，如下图所示。在稳流气道试验台上，评定流动阻力和涡流强度的具体方法：模拟气缸内涡流转速用叶片风速仪测量（或用角动量矩直接测出涡流角动量）。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，分别测量叶片的转速和气体流量。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。采用无量纲参数，是为了使不同形状、不同尺寸气道的流动特性具有对比性。对于无量纲参数，我国普遍采用Ricardo方法。定义：无量纲流量系数CF为流过气门座的实际空气流量与理论空气流量之比，即（5-1）式中，Q为实测的空气流量；A为气门座内截面面积（5-2）dV为气门座内径；n为气门数目；υo为理论进气速度（5-3）式中，Δp为进气道压力降，一般取2.5kPa；ρ为气门座处气体的密度（kg/m3）。（压力差能量转变为速度能）OFAQC4/2ndAV/2po定义；Ricardo无量纲涡流数NR为（两倍切向速度与理论速度之比）(5-4)式中，ωR为叶片旋转角速度；D为缸径。Ricardo涡流比Ω为（相对发动机角速度）（5-5）式中，ωe为发动机旋转角速度。涡流比在工程实践中，使用方便，应用较多。oRRDNeR二、挤流形成：在压缩过程后期，活塞表面与气缸盖之间产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流（挤气涡流），如图。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，称为逆挤流。缩口形燃烧室就是充分利用了较强的挤流和逆挤流。挤流强度：主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。挤气涡流的作用：与进气涡流相比，不影响充气系数，涡流强度小，不能维持较长的时间，一般在上止点前后4-7度曲轴转角达到最大。常用于配合进气涡流起作用。应用：在汽油机上，广泛应用，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。在柴油机上，逆挤流有助于燃烧室内混合气的流出，可进一步和气缸内空气混合燃烧，对改善燃烧和降低排放十分有利。另外，在压缩过程中，组织旋转空气运动，称为压缩涡流。如在涡流室柴油机的压缩过程中，气缸内空气通过通道被压入涡流室中，形成有组织的旋流运动，这种压缩涡流可促进喷入涡流室中的燃料与空气的混合，涡流大小由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定。三、滚流滚流（或横轴涡流）是在进气过程中形成的空气旋流，其方向绕气缸轴线的垂直轴（某一水平轴-直列机），如图5-4所示。滚流特点：压缩过程中，动量衰减较少；活塞接近上止点时，大尺度滚流破裂成众多小尺度涡流，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。滚流适合在四气门汽油机上使用，在两个进气道的一个进气道中安装旋流控制阀，改变旋流控制阀开度，可形成不同角度的斜向旋流（由进气涡流和滚流两部分组成）。滚流近几年来，获得了广泛的应用，特别是在缸内直喷汽油机上，有十分重要地位。四、湍流在气缸中形成的无规则的气流运动称为湍流，因此，必须用统计方法来定义湍流特性参数。对于汽油机，湍流主要提高火焰传播速度；对于柴油机，组织适当湍流可以改善燃油（如壁面附近燃油）与空气的混合。对于定常的湍流场中，某一方向上的当地瞬时流速U可以写为（5-6）式中，为平均速度；u(t)为流速的脉动分量。平均速度（5-7）式中，τ为时间；t0为起始时间。湍流强度定义为脉动速度分量的均方根值，即（5-8）)()(tuUtUUdttUttU)(1lim0021200)(1limdttuttu通常还使用一些长度尺度和时间尺度表征湍流特性，具有代表性的有以下三种。下图表示了湍流中的三种不同长度尺度，l1为积分长度；lK为Kolmogorov长度；lM为Taylor微观长度。1、积分长度尺度lI和积分时间尺度τI积分长度尺度是指流场中最大尺度结构的量度，即大涡的尺度。积分长度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（5-9）式中，Rx为自相关系数，定义为（5-10）式中，Nm为测量次数。由上述定义可知，为了确定lI需要同时测定流场中两个点的速度脉动值，这就增加了试验工作的复杂性。dxRlxI0mNimxxxuxuxxuxuNR10000)()()()(11因此在实际工作中，一般均先求出积分时间尺度τI，然后计算积分长度尺度lI。在定常流动中，可固定空间一点，用两个时刻的运动相关，来定义积分时间尺度τI（5-11）式中，Rt为时间相关系数，定义为（5-12）如果湍流在通过测定点时没有大的畸变，并且湍流本身较弱，则积分长度尺度lI和积分时间尺度τI之间存在以下关系（5-13）如果气流中发生大涡结构对流现象，τI可认为是大涡通过该点的时间；在没有平均流动的气流中，τI可以视作大涡结构的寿命。dtRtI0mNimtttututtutuNR10000)()()()(11IIUl2、Kolmogorov长度尺度lK和时间尺度τK叠加在大尺度气流上有许多很小尺寸的涡，它们是大涡不断破裂所形成的，这些小涡使当地气流的流型迅速发生变化。湍流能量的耗散也发生在这些最小涡的结构中，分子粘性具有将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Kolmogorov长度尺度lK表示。Kolmogorov长度尺度lK（m）定义为（5-14）式中，ε为单位质量能量的耗散速率(m2/s3)；ν为流体运动粘度(m2/s)。Kolmogorov时间尺度τK（s）定义为（5-15）表示最小湍流结构的动量扩散时间。413vlK21vK3、Taylor微观长度lM和时间尺度τM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τM可由时间自相关曲线求出（5-16）对于均匀、等熵湍流，微观长度尺度lM和时间尺度τM之间存在如下关系（5-17）0222ttMtRMMUl五、热力混合在直喷式燃烧室中，空气运动在压缩上止点附近近似刚体流（切向气流速度随半径增加而增大）；燃烧室中心压力低、外部压力高；燃烧室内流体一方面受到离心力作用向外运动，另一方面受到压差作用被推向燃烧室中心；对于液体油滴或燃油蒸汽，由于其密度比空气大，离心力起主导作用，呈向外运动趋势；对于已燃气体，由于其密度比空气小，压差力起主导作用，呈向内运动趋势；综合之，使得在旋转气流中，火焰向燃烧室中心运动，又将中心部分的空气挤向外壁，从而促进空气与未燃燃料的混合。这种油气混合的作用称为热力混合。