內(nèi)燃機原理第四章10h

1、第四章第四章 內(nèi)燃機的燃燒與放熱內(nèi)燃機的燃燒與放熱41 內(nèi)燃機燃燒熱化學(xué)內(nèi)燃機燃燒熱化學(xué) 一、燃料燃燒反應(yīng)方程式一、燃料燃燒反應(yīng)方程式 內(nèi)燃機燃料的主要成分為碳和氫，此外還含有少量內(nèi)燃機燃料的主要成分為碳和氫，此外還含有少量的的 氧、硫等雜質(zhì)。這些成分及化合物的燃燒可用以下化學(xué)氧、硫等雜質(zhì)。這些成分及化合物的燃燒可用以下化學(xué)反應(yīng)方程式予以表示：反應(yīng)方程式予以表示： 碳完全燃燒碳完全燃燒 kmolKJCOOC/40695722碳不完全燃燒碳不完全燃燒 kmolKJCOOC/1240132/2氫燃燒氫燃燒 )(/286796)(2/222高熱值液kmolKJOHOH)(/241788)(2/222

2、低熱值蒸氣kmolKJOHOH硫燃燒甲烷燃燒 以上反應(yīng)方程式中的熱值均為以上反應(yīng)方程式中的熱值均為273K時的值。對于一般碳氫化時的值。對于一般碳氫化合物來說，其燃燒反應(yīng)方程式可寫成如下形式：合物來說，其燃燒反應(yīng)方程式可寫成如下形式： kmolkJSOOS/29667722kJ/kmol801556)(222224液OHCOOCH)()2/()4/(HC222mn熱量QOHmnCOOmn（41） 由于在空氣中，對應(yīng)于由于在空氣中，對應(yīng)于1mol ，還含有，還含有3.76mol的的 及其及其他氣體，所以，如果反應(yīng)是利用空氣來進行的，則在反應(yīng)式中，他氣體，所以，如果反應(yīng)是利用空氣來進行的，則在反應(yīng)

3、式中，對應(yīng)所必需的對應(yīng)所必需的1mol ，還帶入了，還帶入了3.76mol 的及其他氣體。的及其他氣體。因而對于碳氫化合物來說，其燃燒反應(yīng)方程式可寫成如下通式：因而對于碳氫化合物來說，其燃燒反應(yīng)方程式可寫成如下通式： 2O2N2O2N)()4/(76. 3)2/()4/(76. 3)4/(HC2222mn熱量QmnOHmnCONmnOmn（42） 這說明，碳氫化合物完全燃燒時，不管其分子結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，這說明，碳氫化合物完全燃燒時，不管其分子結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，總是生成總是生成CO2和水蒸氣，其量由該碳氫化合物中碳原子和氫原子和水蒸氣，其量由該碳氫化合物中碳原子和氫原子的含量而定。的含量而定。 二、燃

4、料燃燒所需空氣量二、燃料燃燒所需空氣量 由以上所列燃料成分的燃燒反應(yīng)方程式及其分子量關(guān)系，即可由以上所列燃料成分的燃燒反應(yīng)方程式及其分子量關(guān)系，即可求出求出1kg燃料完全燃燒所需的最低空氣量燃料完全燃燒所需的最低空氣量(即理論空氣量即理論空氣量) ，將，將1kg燃燃油中各元素的含量以重量成分表示油中各元素的含量以重量成分表示, ,則則 01cHsggggkg 燃燒過程中，完全燃燒時，燃燒過程中，完全燃燒時，C、H、O化合成為化合成為CO ，H O .參加燃燒的參加燃燒的O , ,H 及及 2222 燃燒產(chǎn)物燃燒產(chǎn)物CO ,H O（在高溫下水是蒸氣）（在高溫下水是蒸氣）22都是氣態(tài)，都是氣態(tài)，人

5、們引入了人們引入了kmol這一便于計算的氣體容積的單位。這一便于計算的氣體容積的單位。 1kmol的氣體容積是以的氣體容積是以kg計的一個分子量重量氣體。在壓力為計的一個分子量重量氣體。在壓力為0.1MP ，0的標準狀況下，的標準狀況下，1kmol的理論氣體或近似理論氣體的的理論氣體或近似理論氣體的容積相等，即為容積相等，即為22.4 。每。每kmol的的O 、 H 或或CO 的重量為的重量為32，2，44kg，但是容積均為，但是容積均為22.4 。這里。這里H的原子量為的原子量為1，O的原子量為的原子量為16，C的原子量為的原子量為12，CO2的原子量為的原子量為122*1644。 a3m2

6、3m22 碳完全燃燒22COOC22443212kgCOkgOkgC221112kmolCOkmolOkgC221211211COkmolOkgC221212kmolCOgkmolOgkgCgcccC為固體，其容積與為固體，其容積與1kmol氣體的體積相比可以忽略不計。氣體的體積相比可以忽略不計。 完全燃燒需要完全燃燒需要 。同樣：同樣：完全燃燒需要完全燃燒需要 kgCgc212kmolOgc OHOH2222/OkgHkgOkgH22236324OkmolHkmolOkgH222214OkmolHgkmolOgkgHgHHH22224kgHgH24kmolOgH22SOOS22643232k

7、gSOkgOkgS221132kmolSOkmolOkgS223232SOgkmolOgkgSgsss完全燃燒需要1kg燃料中有燃料中有g(shù)0kg的的O2，即，即 kmol的的O2。則。則1kg的燃的燃料完全燃燒需理論氧量為：料完全燃燒需理論氧量為： M（ ） kmol kgSgs232kmolOgs2O12cg4Hg32sg320g空氣主要由氧氣、氮氣及微量惰性氣體組成，空氣的分子量空氣主要由氧氣、氮氣及微量惰性氣體組成，空氣的分子量為為28.95，1kmol空氣中，氧氣約占空氣中，氧氣約占0.21kmol，氮氣及其它氣體約，氮氣及其它氣體約占占0.79kmol。因此，。因此，1kg燃料完全燃

8、燒所需的理論空氣量為：燃料完全燃燒所需的理論空氣量為： 320gL（）（） kmol空氣空氣/kg燃料燃料(4-3)021. 0112cg4Hg32sg320g按重量計算為：按重量計算為：28.95L （kg空氣空氣）/（kg燃料燃料） 0L0按空氣標準體積（）計為：按空氣標準體積（）計為： 一般石油燃料，可認為一般石油燃料，可認為 。汽油的平均。汽油的平均組成為組成為 , ,可用可用 近似表示近似表示 ；柴；柴油的平均組成為油的平均組成為 可用可用 近近似表示。根據(jù)以上二式，汽油和柴油完全燃燒所需的理似表示。根據(jù)以上二式，汽油和柴油完全燃燒所需的理論空氣量分別為：論空氣量分別為： ， 273

9、nTK49.81 10naPP0022.4LL3()()/Nmkg空氣燃料00()28.95 0.8560.14428.95()14.8/0.21124LLkgkg空氣（汽油）00,0sgg0.856,0.144cHgg818C H0.875,0.125cHgg1634C H；或或 內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時，隨著混合氣形成方式和工作情況的不同，燃燒內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時，隨著混合氣形成方式和工作情況的不同，燃燒1kg燃料所耗費的實際空燃料所耗費的實際空氣質(zhì)量氣質(zhì)量L可能大于、小于或等于燃料完全燃可能大于、小于或等于燃料完全燃燒所需的理論空氣量。充入氣缸內(nèi)的實際空燒所需的理論空氣量。充入氣缸內(nèi)的實際空氣質(zhì)量與進入氣缸

10、內(nèi)的氣質(zhì)量與進入氣缸內(nèi)的燃料完全燃燒所需的理論空氣量的比值稱為過量空氣系數(shù)，記作燃料完全燃燒所需的理論空氣量的比值稱為過量空氣系數(shù)，記作 = (44) 有時用空燃比有時用空燃比AF或燃空比或燃空比FA來表示可燃混合氣的成分。充入來表示可燃混合氣的成分。充入氣缸內(nèi)的實際空氣質(zhì)量與進入氣缸內(nèi)的燃料量的質(zhì)量比為空燃比，氣缸內(nèi)的實際空氣質(zhì)量與進入氣缸內(nèi)的燃料量的質(zhì)量比為空燃比，即：即： 00022.4 14.822.422.411.4528.9528.95LLL3()/Nmkg空氣（汽油）0()14.36/Lkgkg空氣011.11L 3()/Nmkg空氣（柴油）0LL充入氣缸的實際空氣重量燃料完全燃

11、燒所需理論空氣量00LL燃料重量充入氣缸內(nèi)的實際空氣重量進入氣缸內(nèi)的燃料重量燃料重量AF= FA=1/AF 顯然：可燃混合氣按理論混合比混合，顯然：可燃混合氣按理論混合比混合，=1。 若若1，則氧量不足，稱之為濃混合氣；，則氧量不足，稱之為濃混合氣； 若若1，則氧量過剩，稱之為稀混合氣。，則氧量過剩，稱之為稀混合氣。 實際上，即使是在一臺內(nèi)燃機的一個工作循環(huán)中，其實際上，即使是在一臺內(nèi)燃機的一個工作循環(huán)中，其值值也會隨時間和氣缸中空間位置的不同而變化。式也會隨時間和氣缸中空間位置的不同而變化。式(44)所表達所表達的的值是指一個工作循環(huán)中缸內(nèi)值是指一個工作循環(huán)中缸內(nèi)的算術(shù)平均值。的算術(shù)平均值。

12、三、燃料燃燒產(chǎn)物量及其物質(zhì)的量的改變?nèi)⑷剂先紵a(chǎn)物量及其物質(zhì)的量的改變 根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)方程式還可計算燃料完全燃燒的燃燒產(chǎn)根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)方程式還可計算燃料完全燃燒的燃燒產(chǎn)物量以及燃燒反應(yīng)前后分子數(shù)的改變。燃燒前，物量以及燃燒反應(yīng)前后分子數(shù)的改變。燃燒前，1kg燃料與空燃料與空氣形成的可燃混合氣總物質(zhì)的量氣形成的可燃混合氣總物質(zhì)的量 為為 : kmol (45) 1M101fML式中，式中， 燃料的相對分子質(zhì)量。燃料的相對分子質(zhì)量。當(dāng)當(dāng)1時，時，1kg燃料完全燃燒所生成的各種成分氣體的物質(zhì)的燃料完全燃燒所生成的各種成分氣體的物質(zhì)的量為：量為：由由 kg C生成生成 kg H生成生成 的空氣中

13、剩余的的空氣中剩余的0.21(-1) kmol的氧的氧； 反應(yīng)前后數(shù)量不變?nèi)詾榉磻?yīng)前后數(shù)量不變?nèi)詾?.79 0.79 。這樣，燃燒產(chǎn)物的總物質(zhì)的量：這樣，燃燒產(chǎn)物的總物質(zhì)的量： (4(46)6) fcg212cgkmolCO的Hg22HgkmolH O的0L0L2N02L kmolN的0(0.21)122cHggML將式將式(43)的的 值代入式值代入式(46)，忽略，忽略 ，化簡后得，化簡后得 對于固體和液體燃料，由于其體積與參加燃燒的空氣體積相對于固體和液體燃料，由于其體積與參加燃燒的空氣體積相比很小，可略去不計，式比很小，可略去不計，式(4-5)可表為：可表為： 所以，所以，1kg燃料在

14、燃燒前及燃燒后氣體物質(zhì)的量的增量為燃料在燃燒前及燃燒后氣體物質(zhì)的量的增量為: : 在氣體燃料的情況下，根據(jù)其所含成分和有關(guān)的燃燒反應(yīng)在氣體燃料的情況下，根據(jù)其所含成分和有關(guān)的燃燒反應(yīng)方程式，同樣可以計算出單位標準體積的氣體燃料完全燃燒后體方程式，同樣可以計算出單位標準體積的氣體燃料完全燃燒后體積的變化量。積的變化量。 0Lsg00432HggML()/kmolkg燃氣（燃料）10ML01432HggMMM()/kmolkg燃氣（燃料）例如，對于一般的碳氫化合物例如，對于一般的碳氫化合物(CnHm)若若n4，則燃燒后體積增，則燃燒后體積增加，而加，而CO、 在燃燒后體積減少在燃燒后體積減少( )

15、。 但由于在不完全燃燒的情況下，碳燃燒生成但由于在不完全燃燒的情況下，碳燃燒生成CO的體積比參加的體積比參加燃燒的氧的體積增加了一倍，所以燃燒的氧的體積增加了一倍，所以1的濃混合氣在汽油機中的濃混合氣在汽油機中無煙燃燒時無煙燃燒時(CO是無色無味的有害氣體是無色無味的有害氣體)，其物質(zhì)的量增加了，其物質(zhì)的量增加了，這樣可使內(nèi)燃機功率這樣可使內(nèi)燃機功率 提高。然而因燃燒不完全，燃料消耗率提高。然而因燃燒不完全，燃料消耗率 卻會增加。燃燒后燃燒產(chǎn)物的卻會增加。燃燒后燃燒產(chǎn)物的kmol數(shù)數(shù) 與燃燒前可燃混合氣的與燃燒前可燃混合氣的kmol數(shù)數(shù)M 之比叫做理論分子變更系數(shù)，以之比叫做理論分子變更系數(shù)，

16、以 表示，即表示，即 （4-7）2H22222(),22OOCOCO HH O蒸汽eNeg1M000010/4/321/HfLggMML四、燃燒熱與絕熱火焰溫度四、燃燒熱與絕熱火焰溫度在一定條件下，化學(xué)反應(yīng)常常伴有放熱或吸熱現(xiàn)象，一在一定條件下，化學(xué)反應(yīng)常常伴有放熱或吸熱現(xiàn)象，一般稱之為反應(yīng)熱。單位數(shù)量般稱之為反應(yīng)熱。單位數(shù)量(以質(zhì)量、容積或物質(zhì)的量表示以質(zhì)量、容積或物質(zhì)的量表示)的燃料完全燃燒時的反應(yīng)熱稱為該燃料的燃燒熱或熱值。的燃料完全燃燒時的反應(yīng)熱稱為該燃料的燃燒熱或熱值。 可燃混合氣經(jīng)過絕熱過程（燃燒時熱量不向外傳出）最可燃混合氣經(jīng)過絕熱過程（燃燒時熱量不向外傳出）最終達到的燃燒溫度，

17、稱為絕熱火焰溫度，又稱為最高燃燒溫終達到的燃燒溫度，稱為絕熱火焰溫度，又稱為最高燃燒溫度。度。 42內(nèi)燃機缸內(nèi)的空氣運動內(nèi)燃機缸內(nèi)的空氣運動內(nèi)燃機缸內(nèi)的空氣運動是影響內(nèi)燃機燃燒過程的主要因素之一。內(nèi)燃機缸內(nèi)的空氣運動是影響內(nèi)燃機燃燒過程的主要因素之一。缸內(nèi)的空氣運動包括渦流、擠流、滾流和湍流。下面將這些特性一缸內(nèi)的空氣運動包括渦流、擠流、滾流和湍流。下面將這些特性一一加以闡述。一加以闡述。（一）渦流（一）渦流（1）進氣渦流的形成）進氣渦流的形成 主要有三種：導(dǎo)氣屏、切向進氣道、螺旋進氣道。主要有三種：導(dǎo)氣屏、切向進氣道、螺旋進氣道。 ( (a)a) 導(dǎo)氣屏導(dǎo)氣屏 在進氣門平頂?shù)谋趁婕由弦欢螆A弧

18、形的導(dǎo)氣屏而構(gòu)成，氣流只在進氣門平頂?shù)谋趁婕由弦欢螆A弧形的導(dǎo)氣屏而構(gòu)成，氣流只能從無導(dǎo)氣屏的一端流入氣缸，在氣缸的限制下，在缸內(nèi)形成繞氣能從無導(dǎo)氣屏的一端流入氣缸，在氣缸的限制下，在缸內(nèi)形成繞氣缸旋轉(zhuǎn)的渦流。此法對產(chǎn)生的缸內(nèi)渦流強度可調(diào)，做試驗時較為方缸旋轉(zhuǎn)的渦流。此法對產(chǎn)生的缸內(nèi)渦流強度可調(diào)，做試驗時較為方便。但是制造成本高，流動特性差，可靠性也差，產(chǎn)品上已不用。便。但是制造成本高，流動特性差，可靠性也差，產(chǎn)品上已不用。 (b)(b)切向進氣道切向進氣道 圖圖4 41 1產(chǎn)生進氣渦流的方法產(chǎn)生進氣渦流的方法（）導(dǎo)氣屏氣門；（）切向進氣道；（）導(dǎo)氣屏氣門；（）切向進氣道；(c)(c)螺旋氣道螺

19、旋氣道與導(dǎo)氣屏一樣，渦流不在氣道內(nèi)形成，而在缸內(nèi)形成。氣道僅與導(dǎo)氣屏一樣，渦流不在氣道內(nèi)形成，而在缸內(nèi)形成。氣道僅起導(dǎo)向作用，氣流入口處起導(dǎo)向作用，氣流入口處越小，產(chǎn)生的渦流越大，但流通系數(shù)變越小，產(chǎn)生的渦流越大，但流通系數(shù)變?。醋枇ψ兇螅┬。醋枇ψ兇螅?。 切向進氣道產(chǎn)生中等強度的渦流，但是切向進氣道產(chǎn)生中等強度的渦流，但是變化對渦流強度很敏變化對渦流強度很敏感，生產(chǎn)上不易穩(wěn)定，對鑄造工藝要求較高（保證感，生產(chǎn)上不易穩(wěn)定，對鑄造工藝要求較高（保證的一致），主的一致），主要在大缸徑開式燃燒室柴油機上使用要在大缸徑開式燃燒室柴油機上使用,越大，渦流越弱，流通系越大，渦流越弱，流通系數(shù)就越大。數(shù)

20、就越大。( (c)c)螺旋進氣道螺旋進氣道渦流是在螺旋形氣道內(nèi)形成的，入缸后一方面繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，渦流是在螺旋形氣道內(nèi)形成的，入缸后一方面繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，另一方面繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)?？梢援a(chǎn)生中等或強渦流，流通系數(shù)也很另一方面繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)。可以產(chǎn)生中等或強渦流，流通系數(shù)也很大，對渦流的敏感性相對于切向進氣道也好一些。在要求較強渦流大，對渦流的敏感性相對于切向進氣道也好一些。在要求較強渦流的中小型高速柴油機上得到廣泛應(yīng)用。的中小型高速柴油機上得到廣泛應(yīng)用。（二）壓縮渦流與擠壓渦流（二）壓縮渦流與擠壓渦流 在壓縮行程開始時，因缸內(nèi)存在進氣渦流，隨著壓縮行程的在壓縮行程開始時，因缸內(nèi)存在進氣渦流，隨著壓

21、縮行程的進行，缸內(nèi)渦流被壓入口徑較小的燃燒室凹坑，形成沿凹坑旋轉(zhuǎn)進行，缸內(nèi)渦流被壓入口徑較小的燃燒室凹坑，形成沿凹坑旋轉(zhuǎn)的的壓縮渦流。由動量守恒，壓縮渦流。由動量守恒，進氣渦流所具有的動量矩基本不變的情況進氣渦流所具有的動量矩基本不變的情況下，氣流旋轉(zhuǎn)半徑縮小，勢必使燃燒室內(nèi)的渦流角速度增大。下，氣流旋轉(zhuǎn)半徑縮小，勢必使燃燒室內(nèi)的渦流角速度增大。壓縮終點渦流的角速度的大小很難測定，對于凹坑與氣缸中心壓縮終點渦流的角速度的大小很難測定，對于凹坑與氣缸中心線對稱的圓柱形燃燒室，日本池上旬提出下面計算渦流增速比的公線對稱的圓柱形燃燒室，日本池上旬提出下面計算渦流增速比的公式：式： 、：壓縮始點和壓縮

22、終點、：壓縮始點和壓縮終點渦流渦流的角速度；的角速度； 、：壓縮始點與壓縮終點活塞頂面到缸蓋底面的距離；、：壓縮始點與壓縮終點活塞頂面到缸蓋底面的距離； H ：凹坑深度；：凹坑深度；：活塞頂凹坑的直徑，活塞頂凹坑的直徑， D缸徑。缸徑。 下圖是一計算的例子：下圖是一計算的例子：活塞上行時，除在凹坑里形成壓縮渦流外，還存在一種徑向的活塞上行時，除在凹坑里形成壓縮渦流外，還存在一種徑向的空氣擠壓流動，稱為擠流。活塞下行時，凹坑內(nèi)的氣體又向外流入空氣擠壓流動，稱為擠流。活塞下行時，凹坑內(nèi)的氣體又向外流入環(huán)行空間，產(chǎn)生逆擠流；如圖所示：環(huán)行空間，產(chǎn)生逆擠流；如圖所示：2202000HhHH00kdDk

23、d圖圖4 43 3燃燒室的渦流增速比的燃燒室的渦流增速比的燃燒室口徑比燃燒室口徑比 0.350.35；活塞頂間隙；活塞頂間隙0.90.9；壓縮比；壓縮比16.416.4圖圖4 44 4擠流與逆擠流擠流與逆擠流（）擠流；（）逆擠流（）擠流；（）逆擠流對于有明顯凹坑的燃燒室來說，較強的擠流分量可以誘導(dǎo)產(chǎn)生對于有明顯凹坑的燃燒室來說，較強的擠流分量可以誘導(dǎo)產(chǎn)生較強的小較強的小尺度氣流紊動即微渦流。微渦流具有促使油氣和空氣的分尺度氣流紊動即微渦流。微渦流具有促使油氣和空氣的分子尺度均勻而迅速的混合作用；另外，其張量耗散作用還能對進氣子尺度均勻而迅速的混合作用；另外，其張量耗散作用還能對進氣渦流起到調(diào)整

24、阻尼作用。例如：渦流起到調(diào)整阻尼作用。例如：當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，微渦與氣流速當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，微渦與氣流速度一樣呈直線增加，從而對高速工況的過強渦流起到抑制消減作用度一樣呈直線增加，從而對高速工況的過強渦流起到抑制消減作用，保證油氣在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)匹配良好。如圖所示，保證油氣在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)匹配良好。如圖所示 ： 圖圖45渦流微渦流與相對擠氣面積的關(guān)系渦流微渦流與相對擠氣面積的關(guān)系 1.1.坑內(nèi)渦流；坑內(nèi)渦流； 2.缸內(nèi)渦流；缸內(nèi)渦流； 3.擠壓渦流；擠壓渦流；4.微渦流微渦流 二、滾流二、滾流滾流是在內(nèi)燃機進氣過程中形成的另一種客觀的大尺度渦流。滾流是在內(nèi)燃機進氣過程中形成的另一種客觀的大尺度

25、渦流。與進氣渦流相同的是，二者都是在進氣過程中由進氣道和氣缸壁形與進氣渦流相同的是，二者都是在進氣過程中由進氣道和氣缸壁形成的。兩者的區(qū)別在于渦流的旋轉(zhuǎn)軸與氣缸軸線平行或重合，而滾成的。兩者的區(qū)別在于渦流的旋轉(zhuǎn)軸與氣缸軸線平行或重合，而滾流的旋轉(zhuǎn)軸線與氣缸軸線垂直。在一般立式內(nèi)燃機中，渦流的軸線流的旋轉(zhuǎn)軸線與氣缸軸線垂直。在一般立式內(nèi)燃機中，渦流的軸線與氣缸軸線平行，稱為立軸渦流與氣缸軸線平行，稱為立軸渦流,而滾流軸線與氣缸軸線垂直，也稱而滾流軸線與氣缸軸線垂直，也稱為橫軸渦流。還有一種渦流旋轉(zhuǎn)軸即不是垂直方向的，也不是水平為橫軸渦流。還有一種渦流旋轉(zhuǎn)軸即不是垂直方向的，也不是水平方向的，通常

26、稱這種渦流叫斜軸渦流，它是由渦流與滾流合成的缸方向的，通常稱這種渦流叫斜軸渦流，它是由渦流與滾流合成的缸內(nèi)宏觀氣流運動。內(nèi)宏觀氣流運動。對于四氣門汽油機來說，斜軸渦流在關(guān)閉雙進氣道中的一個而對于四氣門汽油機來說，斜軸渦流在關(guān)閉雙進氣道中的一個而保證另一個進氣道正常工作的情況下較為常見，但在雙進氣道同時保證另一個進氣道正常工作的情況下較為常見，但在雙進氣道同時進氣時，缸內(nèi)宏觀氣流運動主要是滾流。進氣時，缸內(nèi)宏觀氣流運動主要是滾流。圖圖46滾流產(chǎn)生和發(fā)展?jié)L流產(chǎn)生和發(fā)展 （一）滾流的產(chǎn)生及其發(fā)展變化（一）滾流的產(chǎn)生及其發(fā)展變化對于四氣門的汽油機所采用的坡屋頂燃燒室，兩個進氣門和兩對于四氣門的汽油機所

27、采用的坡屋頂燃燒室，兩個進氣門和兩個排氣門分別對稱的布置在它的兩側(cè)。這樣吸入缸內(nèi)的空氣很容易個排氣門分別對稱的布置在它的兩側(cè)。這樣吸入缸內(nèi)的空氣很容易形成橫向大尺度滾流，其尺度相當(dāng)于缸徑的大小。圖形成橫向大尺度滾流，其尺度相當(dāng)于缸徑的大小。圖46所示的是所示的是這種四氣門汽油機缸內(nèi)滾流產(chǎn)生和發(fā)展示意圖這種四氣門汽油機缸內(nèi)滾流產(chǎn)生和發(fā)展示意圖。由圖可見，從進氣道進入氣缸的氣流形成了如箭頭所示一邊下沉一由圖可見，從進氣道進入氣缸的氣流形成了如箭頭所示一邊下沉一邊繞橫軸旋轉(zhuǎn)的滾流運動。邊繞橫軸旋轉(zhuǎn)的滾流運動。為了降低進氣阻力，且在缸內(nèi)形成較強的滾流，必須選擇適當(dāng)為了降低進氣阻力，且在缸內(nèi)形成較強的滾

28、流，必須選擇適當(dāng)?shù)臍獾澜Y(jié)構(gòu)和形狀。如圖的氣道結(jié)構(gòu)和形狀。如圖47所示，四氣門汽油機的進氣道一般有所示，四氣門汽油機的進氣道一般有兩種，一種是分叉式，一種是單獨的兩個進氣道。對比測試表明后兩種，一種是分叉式，一種是單獨的兩個進氣道。對比測試表明后者的滾流速度和流量系數(shù)要大，可見后者的滾流與通流能力要比前者的滾流速度和流量系數(shù)要大，可見后者的滾流與通流能力要比前者強。另外圖中者強。另外圖中H值大的要比值大的要比H值小的滾流速度和氣道流量系數(shù)大。值小的滾流速度和氣道流量系數(shù)大。因此，因此，H值大的高位切向雙進氣道被認為是四氣門汽油機較為理想值大的高位切向雙進氣道被認為是四氣門汽油機較為理想的進氣道結(jié)

29、構(gòu)。的進氣道結(jié)構(gòu)。圖圖47兩種不同結(jié)構(gòu)的進氣道兩種不同結(jié)構(gòu)的進氣道滾流和渦流均能起到保存進氣動能，促進混合氣形成和燃燒、滾流和渦流均能起到保存進氣動能，促進混合氣形成和燃燒、提高空氣利用率和降低燃燒系統(tǒng)對過量空氣系數(shù)的要求等作用。但提高空氣利用率和降低燃燒系統(tǒng)對過量空氣系數(shù)的要求等作用。但是滾流還具有比渦流在上止點更能生成大量微小渦旋，且以不規(guī)則是滾流還具有比渦流在上止點更能生成大量微小渦旋，且以不規(guī)則的脈沖運動擴展成為強度很高的湍流，從而更有利于促進燃燒的進的脈沖運動擴展成為強度很高的湍流，從而更有利于促進燃燒的進行。行。圖圖48說明了缸內(nèi)滾流的發(fā)展變化的三個階段。說明了缸內(nèi)滾流的發(fā)展變化的

30、三個階段。圖圖48缸內(nèi)滾流的發(fā)展變化過程缸內(nèi)滾流的發(fā)展變化過程第一階段在進氣時產(chǎn)生滾流運動。第一階段在進氣時產(chǎn)生滾流運動。第二階段在壓縮早、中期，滾流遵守動量矩守恒而得到加強，第二階段在壓縮早、中期，滾流遵守動量矩守恒而得到加強，但又受到壁面摩擦和流體剪切應(yīng)力的抑制。但又受到壁面摩擦和流體剪切應(yīng)力的抑制。第三階段滾流受到活塞運動的擠壓而破碎成微渦旋，且迅速第三階段滾流受到活塞運動的擠壓而破碎成微渦旋，且迅速形成較強的湍流。形成較強的湍流。（二）滾流對燃燒過程的影響（二）滾流對燃燒過程的影響湍流運動可以較大的提高燃燒速度，改善內(nèi)燃機的性能。湍流運動可以較大的提高燃燒速度，改善內(nèi)燃機的性能。在滾流

31、輔助燃燒的情況下，由于存在較強的湍流，使著火滯燃在滾流輔助燃燒的情況下，由于存在較強的湍流，使著火滯燃期短，火焰前鋒的傳播速度加快，因而使燃燒持續(xù)期明顯減少。此期短，火焰前鋒的傳播速度加快，因而使燃燒持續(xù)期明顯減少。此外，還有利于改善內(nèi)燃機部分負荷工況的燃燒穩(wěn)定性，使之可同時外，還有利于改善內(nèi)燃機部分負荷工況的燃燒穩(wěn)定性，使之可同時獲得降低油耗和污染物排放的效果。由于滾流燃燒系統(tǒng)對爆震相對獲得降低油耗和污染物排放的效果。由于滾流燃燒系統(tǒng)對爆震相對敏感性較小，因此可以提高內(nèi)燃機的平均有效壓力左右。敏感性較小，因此可以提高內(nèi)燃機的平均有效壓力左右。在內(nèi)燃機高負荷工況下，加快燃燒可能導(dǎo)致壓力升高率上

32、升，在內(nèi)燃機高負荷工況下，加快燃燒可能導(dǎo)致壓力升高率上升，使燃燒噪聲增大。因此對不可調(diào)進氣系統(tǒng)而言，它只能在發(fā)動機較使燃燒噪聲增大。因此對不可調(diào)進氣系統(tǒng)而言，它只能在發(fā)動機較窄的運行范圍內(nèi)獲得高的性能。為了發(fā)揮滾流對部分負荷性能的改窄的運行范圍內(nèi)獲得高的性能。為了發(fā)揮滾流對部分負荷性能的改善能力，又保證高負荷下的性能，出現(xiàn)了可變滾流系統(tǒng)。善能力，又保證高負荷下的性能，出現(xiàn)了可變滾流系統(tǒng)。如日本雅馬哈公司如日本雅馬哈公司1995年研發(fā)成功的用于摩托車汽油機的可變年研發(fā)成功的用于摩托車汽油機的可變進氣系統(tǒng)。進氣系統(tǒng)。德國德國FEV公司也研發(fā)了一種連續(xù)可變滾流系統(tǒng)。該系統(tǒng)在汽油公司也研發(fā)了一種連續(xù)可

33、變滾流系統(tǒng)。該系統(tǒng)在汽油機整個寬廣的運行范圍內(nèi)都具有改善燃燒的作用，且成功的實現(xiàn)了機整個寬廣的運行范圍內(nèi)都具有改善燃燒的作用，且成功的實現(xiàn)了汽油機稀混合氣的燃燒優(yōu)化。該系統(tǒng)可使汽油機的升功率從汽油機稀混合氣的燃燒優(yōu)化。該系統(tǒng)可使汽油機的升功率從45W/L提高到提高到55W/L.三、湍流三、湍流內(nèi)燃機內(nèi)的氣體流動，除渦流和滾流外，還存在著一種隨機、內(nèi)燃機內(nèi)的氣體流動，除渦流和滾流外，還存在著一種隨機、非定常的、三維的、有旋流動，即湍流或稱紊流。非定常的、三維的、有旋流動，即湍流或稱紊流。湍流只有在高速流動（即大雷諾數(shù)）的情況下才能產(chǎn)生。湍流的湍流只有在高速流動（即大雷諾數(shù)）的情況下才能產(chǎn)生。湍流

34、的基本特征是具有隨機性質(zhì)的渦流（又稱微渦流）結(jié)構(gòu)，以及這些基本特征是具有隨機性質(zhì)的渦流（又稱微渦流）結(jié)構(gòu)，以及這些微渦旋在流體內(nèi)部的隨機運動，因此，湍流能引起相鄰流體間的微渦旋在流體內(nèi)部的隨機運動，因此，湍流能引起相鄰流體間的動量、溫度、濃度等的交換和脈動。這有利于加速燃燒過程的進動量、溫度、濃度等的交換和脈動。這有利于加速燃燒過程的進程。程。（一）湍流的描述（一）湍流的描述1.時間平均法時間平均法如圖如圖4所示的湍流場中，某處在一特定方向上的瞬時速所示的湍流場中，某處在一特定方向上的瞬時速度：（）度：（）( )( )UuUvtC tv圖圖49湍流場某處的速度變化湍流場某處的速度變化式中，式中

35、，C脈動速度分量，因脈動可正可負，故時均值為脈動速度分量，因脈動可正可負，故時均值為零，即，而時均速度零，即，而時均速度0uC( )Uvt-Uv 為的平均值。在內(nèi)燃機中，由于工作循環(huán)要發(fā)生周期性的變化，缸內(nèi)的流在內(nèi)燃機中，由于工作循環(huán)要發(fā)生周期性的變化，缸內(nèi)的流動狀態(tài)不可能是定常的，因此，時間平均法并不適用。一種更適動狀態(tài)不可能是定常的，因此，時間平均法并不適用。一種更適用分析缸內(nèi)所發(fā)生的準周期性氣體流動的方法是相平均法，即把用分析缸內(nèi)所發(fā)生的準周期性氣體流動的方法是相平均法，即把湍流的瞬時值分解為相平均值和脈動分量，如圖湍流的瞬時值分解為相平均值和脈動分量，如圖410的方法。的方法。圖圖41

36、0周期性湍流場某處的變化周期性湍流場某處的變化按照此法，某曲軸轉(zhuǎn)角位置按照此法，某曲軸轉(zhuǎn)角位置時的瞬時速度可表示為：時的瞬時速度可表示為：（414）( )( )( )UUuC式中相對平均速度的定義為：式中相對平均速度的定義為：（415）式中式中N平均的循環(huán)數(shù)；平均的循環(huán)數(shù)；Z發(fā)動機的行程數(shù)，對四沖發(fā)動機的行程數(shù)，對四沖程機，程機，Z4，二沖程機，二沖程機，Z2。是在各循環(huán)周期同一曲。是在各循環(huán)周期同一曲軸轉(zhuǎn)角處所測量的大量瞬時速度的平均值。同樣地，其湍流強度軸轉(zhuǎn)角處所測量的大量瞬時速度的平均值。同樣地，其湍流強度可表示：可表示：（416）通常用熱線風(fēng)速儀或激光多普勒測速儀測量氣流的瞬時速度，通

37、常用熱線風(fēng)速儀或激光多普勒測速儀測量氣流的瞬時速度，且利用（且利用（414）、（）、（415）求出和然后由（）求出和然后由（416）求出的值。求出的值。（二）湍流的尺度（二）湍流的尺度湍流場是許多大小不等的渦流組成，因此它們之間存在著相湍流場是許多大小不等的渦流組成，因此它們之間存在著相互作用。鑒于湍流脈動極其復(fù)雜和混亂，對湍流問題的研究不得互作用。鑒于湍流脈動極其復(fù)雜和混亂，對湍流問題的研究不得( )U10( )()/NUUiiN ( )U120( )()( )/NuUiCiN ( )U( )U( )UC( )uC不像統(tǒng)計物理學(xué)研究氣體分子運動那樣，應(yīng)用統(tǒng)計力學(xué)的方法。不像統(tǒng)計物理學(xué)研究氣體

38、分子運動那樣，應(yīng)用統(tǒng)計力學(xué)的方法。在湍流的統(tǒng)計理論中，最常用的是相關(guān)系數(shù)，也就是概率論在湍流的統(tǒng)計理論中，最常用的是相關(guān)系數(shù)，也就是概率論和數(shù)理統(tǒng)計中的協(xié)方差。相關(guān)系數(shù)的物理意義是指空間兩點給定和數(shù)理統(tǒng)計中的協(xié)方差。相關(guān)系數(shù)的物理意義是指空間兩點給定不同時刻的脈動速度之間的相互聯(lián)系和相關(guān)程度。不同時刻的脈動速度之間的相互聯(lián)系和相關(guān)程度。幾個脈動速度之間在空間上的統(tǒng)計相關(guān)性分別稱為時間相關(guān)幾個脈動速度之間在空間上的統(tǒng)計相關(guān)性分別稱為時間相關(guān)和空間相關(guān)，其相互聯(lián)系或相關(guān)時間或距離可作為一種尺度用來和空間相關(guān)，其相互聯(lián)系或相關(guān)時間或距離可作為一種尺度用來描述湍流脈動速度的變化，衡量湍流脈動作用在時間

39、或空間上的描述湍流脈動速度的變化，衡量湍流脈動作用在時間或空間上的影響范圍。其中由空間相關(guān)引入的湍流尺度稱為歐拉尺度或歐拉影響范圍。其中由空間相關(guān)引入的湍流尺度稱為歐拉尺度或歐拉積分尺度。積分尺度。歐拉積分尺度歐拉積分尺度可定義為：流場中相鄰的，兩點脈動可定義為：流場中相鄰的，兩點脈動速度的相關(guān)系數(shù)速度的相關(guān)系數(shù)R相對于兩點間可變距離的積分，即對方相對于兩點間可變距離的積分，即對方向有如下定義：向有如下定義：（417）顯然，當(dāng)時，故顯然，當(dāng)時，故R1，表明兩點重合，完，表明兩點重合，完全相關(guān)，隨著的增大，兩點脈動速度的相關(guān)性逐漸減弱。若兩全相關(guān)，隨著的增大，兩點脈動速度的相關(guān)性逐漸減弱。若兩_

40、22ijijxuuCuCuRCC0 xxlR dxiCujCu點的距離太遠，則無相關(guān)意義，此時，點的距離太遠，則無相關(guān)意義，此時，R0。應(yīng)當(dāng)指出，從物理觀點來看，用間距為的兩點間的相關(guān)系數(shù)應(yīng)當(dāng)指出，從物理觀點來看，用間距為的兩點間的相關(guān)系數(shù)來闡明湍流的影響范圍，是一個十分有用，但不太嚴格的概念。來闡明湍流的影響范圍，是一個十分有用，但不太嚴格的概念。實際上，脈動速度的變化實驗測量也只能給出定性的結(jié)果。實際上，脈動速度的變化實驗測量也只能給出定性的結(jié)果。 圖圖411歐拉積分尺度與泰勒微尺度歐拉積分尺度與泰勒微尺度圖圖411所示的是方向的歐拉積分尺度，其理論值等于所示的是方向的歐拉積分尺度，其理論

41、值等于R隨變化曲線下的面積，也等于按圖中虛線所示的邊長為隨變化曲線下的面積，也等于按圖中虛線所示的邊長為1和和的矩形面積，從數(shù)量上來說，即的矩形面積，從數(shù)量上來說，即的值，它代表了湍流中的值，它代表了湍流中最大渦旋尺度。最大渦旋尺度。愈大意味著湍流運動密切相關(guān)的范圍愈大，愈大意味著湍流運動密切相關(guān)的范圍愈大，表明渦旋有較大尺度。利用導(dǎo)出積分尺度表明渦旋有較大尺度。利用導(dǎo)出積分尺度的方法也可以解決的方法也可以解決同一時刻兩相鄰空間點同一時刻兩相鄰空間點0和和0的湍流脈動相關(guān)問題。當(dāng)?shù)耐牧髅}動相關(guān)問題。當(dāng)很小時，在很小時，在0點的脈動速度可以通過點的脈動速度可以通過0點的脈動速度及其點的脈動速度及

42、其導(dǎo)數(shù)按泰勒級數(shù)予以表示。將此展開式代入導(dǎo)數(shù)按泰勒級數(shù)予以表示。將此展開式代入R取前兩項，略去取前兩項，略去高階項，并令高階項，并令（418）則得：則得：這里，有這里，有2項的系數(shù)定義的長度尺寸稱為泰勒微尺度，項的系數(shù)定義的長度尺寸稱為泰勒微尺度，它代表了渦流中最小渦旋之間的距離。在圖它代表了渦流中最小渦旋之間的距離。在圖411中通過中通過R曲線曲線在在0處的頂點作拋物線，其軸上的截距即為。處的頂點作拋物線，其軸上的截距即為。_22211()2uuCCx221/xRx 柯爾莫戈洛夾認為，小渦旋無法保存動能，只能消耗動能，柯爾莫戈洛夾認為，小渦旋無法保存動能，只能消耗動能，所以它只與流體的粘性和

43、單位質(zhì)量流體的湍流能量耗散率所以它只與流體的粘性和單位質(zhì)量流體的湍流能量耗散率有關(guān)。據(jù)此，可導(dǎo)出另一表示最小渦旋尺度的特征值。兩種有關(guān)。據(jù)此，可導(dǎo)出另一表示最小渦旋尺度的特征值。兩種微尺度的數(shù)學(xué)表達式如下：微尺度的數(shù)學(xué)表達式如下：，（，（419）式中，微尺度雷諾數(shù)。式中，微尺度雷諾數(shù)。上述三中尺度之間的關(guān)系可以用一組數(shù)據(jù)加以說明。上述三中尺度之間的關(guān)系可以用一組數(shù)據(jù)加以說明。表表41CFR內(nèi)燃機缸內(nèi)湍流參數(shù)值的比較內(nèi)燃機缸內(nèi)湍流參數(shù)值的比較21/2(15/ )uvC31/41/2(/ )(15)evR/euRCv進氣中期進氣中期5.0204.01.00.02壓縮后期壓縮后期1.5104.01.

44、00.031/()uCm s1/()Uvm s/slmm/mm/mm表表41所示的是在轉(zhuǎn)速為所示的是在轉(zhuǎn)速為2000/min、缸徑和行程均為、缸徑和行程均為100，氣門直徑為，氣門直徑為40，最大氣門升程為，最大氣門升程為10的內(nèi)燃機上所的內(nèi)燃機上所測缸內(nèi)湍流的結(jié)果。測缸內(nèi)湍流的結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可知，由進氣中期到壓縮后期湍流強度有開始由表中數(shù)據(jù)可知，由進氣中期到壓縮后期湍流強度有開始的約相當(dāng)于的約相當(dāng)于70左右的活塞平均速度迅速下降至左右的活塞平均速度迅速下降至20的活塞速度。的活塞速度。而積分長度而積分長度和微分尺度基本保持不變。和微分尺度基本保持不變。uC（三）內(nèi)燃機缸內(nèi)的湍流（三）內(nèi)燃機

45、缸內(nèi)的湍流圖圖412所示的是利用熱線風(fēng)速儀測得的缸內(nèi)相對湍流強度所示的是利用熱線風(fēng)速儀測得的缸內(nèi)相對湍流強度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。圖圖412缸內(nèi)湍流強度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化缸內(nèi)湍流強度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化/uUC由圖可知，進氣開始時，隨著活塞下行，相對湍流強度由圖可知，進氣開始時，隨著活塞下行，相對湍流強度不斷增加，均在不斷增加，均在120CA達到最大，然后下降，直至達到最大，然后下降，直至210CA左右左右達到最小。隨著進氣門的關(guān)閉，壓縮過程開始至壓縮結(jié)束達到最小。隨著進氣門的關(guān)閉，壓縮過程開始至壓縮結(jié)束360CA時，又增大，在膨脹行程，從開始到時，又增大，在膨脹行程，從開始到

46、450CA左右達最小，左右達最小，然后又開始增加直至進氣門開啟。總的說來，的值均大于然后又開始增加直至進氣門開啟。總的說來，的值均大于0.2。對于壓縮行程或深坑型燃燒室，因存在著較大的壓縮擠流，對于壓縮行程或深坑型燃燒室，因存在著較大的壓縮擠流，湍流場迅速得以增強。與此同時，在壓縮過程結(jié)束時發(fā)生的燃燒湍流場迅速得以增強。與此同時，在壓縮過程結(jié)束時發(fā)生的燃燒將進一步強化上述因活塞快速壓縮所致的湍流運動，促使湍流強將進一步強化上述因活塞快速壓縮所致的湍流運動，促使湍流強度大幅度增加。度大幅度增加。在上止點附近，歐拉積分尺度在上止點附近，歐拉積分尺度與缸內(nèi)余隙高度屬于同一與缸內(nèi)余隙高度屬于同一數(shù)量級

47、，而泰勒微尺度則主要取決于燃燒室的形狀。一般來說，數(shù)量級，而泰勒微尺度則主要取決于燃燒室的形狀。一般來說，具有較強擠流的燃燒室，其泰勒微尺度比較小，這一點對汽油具有較強擠流的燃燒室，其泰勒微尺度比較小，這一點對汽油機點火和火焰中心的形成產(chǎn)生十分有利的影響。機點火和火焰中心的形成產(chǎn)生十分有利的影響。缸內(nèi)湍流的特性除了與活塞頂或燃燒室的幾何形狀有關(guān)外，缸內(nèi)湍流的特性除了與活塞頂或燃燒室的幾何形狀有關(guān)外，/uUC/uUC/uUC還與進氣門的類別、運行參數(shù)、壓縮比等因素有關(guān)。還與進氣門的類別、運行參數(shù)、壓縮比等因素有關(guān)。帶導(dǎo)氣屏的比不帶導(dǎo)氣屏的氣門所產(chǎn)生的湍流強度和歐拉積帶導(dǎo)氣屏的比不帶導(dǎo)氣屏的氣門所

48、產(chǎn)生的湍流強度和歐拉積分尺度分尺度都要大些。都要大些。運行參數(shù)中，轉(zhuǎn)速是影響湍流強度和尺度的一個主要因素。運行參數(shù)中，轉(zhuǎn)速是影響湍流強度和尺度的一個主要因素。轉(zhuǎn)速越高，湍流強度也越大，但歐拉（或稱長度）積分尺度轉(zhuǎn)速越高，湍流強度也越大，但歐拉（或稱長度）積分尺度的值影響不大，但對微小渦旋的壽命長短的時間積分尺度卻有一的值影響不大，但對微小渦旋的壽命長短的時間積分尺度卻有一定的影響。一般來說，湍流的時間積分尺度隨轉(zhuǎn)速的增加而降低。定的影響。一般來說，湍流的時間積分尺度隨轉(zhuǎn)速的增加而降低。壓縮比增大使湍流強度與空間尺度呈下降趨勢。壓縮比增大使湍流強度與空間尺度呈下降趨勢。工質(zhì)溫度和氣體粘性系數(shù)43

49、 柴油機的可燃混合氣形成及燃燒室柴油機的可燃混合氣形成及燃燒室 一、概述一、概述 柴油機中的混合氣形成過程一般從柴油機中的混合氣形成過程一般從燃料噴入燃料噴入氣氣缸缸開開始始至燃料噴至燃料噴完后的一段時間里止。完后的一段時間里止。 由于燃料噴入缸內(nèi)需要一段時間，故隨著燃料的不斷噴入，缸由于燃料噴入缸內(nèi)需要一段時間，故隨著燃料的不斷噴入，缸內(nèi)的混合氣成分在不斷地變化；使可燃混合氣無論是在時間上還是內(nèi)的混合氣成分在不斷地變化；使可燃混合氣無論是在時間上還是在空間上都表現(xiàn)出極大的不均勻性。結(jié)果，在混合氣濃的地方，燃在空間上都表現(xiàn)出極大的不均勻性。結(jié)果，在混合氣濃的地方，燃料因缺氧燃燒遲緩，甚至燃燒不

50、完全而引起排氣冒黑煙；在混合氣料因缺氧燃燒遲緩，甚至燃燒不完全而引起排氣冒黑煙；在混合氣稀的地方，空氣卻得不到充分的利用。因此，柴油機只有在平均過稀的地方，空氣卻得不到充分的利用。因此，柴油機只有在平均過量空氣系數(shù)量空氣系數(shù)1的情況下才能正常工作，這就勢必造成氣缸工作的情況下才能正常工作，這就勢必造成氣缸工作容積利用率的下降。熱分解等化學(xué)過程與蒸發(fā)、混合、擴散、流動容積利用率的下降。熱分解等化學(xué)過程與蒸發(fā)、混合、擴散、流動等物理過程又相互交織在一起，使得柴油機缸內(nèi)的局部空燃比有可等物理過程又相互交織在一起，使得柴油機缸內(nèi)的局部空燃比有可能在從零到無窮大的范圍內(nèi)變化能在從零到無窮大的范圍內(nèi)變化

51、，這一情況在整個燃燒過程中始，這一情況在整個燃燒過程中始終都可能存在。結(jié)果，在混合氣濃的地方，燃料因缺氧燃燒遲緩終都可能存在。結(jié)果，在混合氣濃的地方，燃料因缺氧燃燒遲緩，甚至燃燒不完全而引起排氣冒黑煙；在混合氣稀的地方，空氣，甚至燃燒不完全而引起排氣冒黑煙；在混合氣稀的地方，空氣卻得不到充分的利用。柴油機只有在平均過量空氣系數(shù)卻得不到充分的利用。柴油機只有在平均過量空氣系數(shù)1的情的情況下才能正常工作，這就勢必造成氣缸工作容積利用率的下降。況下才能正常工作，這就勢必造成氣缸工作容積利用率的下降。柴油機所采用的混合氣形成方式主要有：燃料空間霧化混合柴油機所采用的混合氣形成方式主要有：燃料空間霧化混

52、合方式方式( (簡稱空間式簡稱空間式) )，壁面油膜蒸發(fā)混合方式，壁面油膜蒸發(fā)混合方式( (油膜式油膜式) )和空間霧化和空間霧化油膜混合方式油膜混合方式( (復(fù)合式復(fù)合式) )?；旌蠚庑纬傻目偰芰恐饕獊?。混合氣形成的總能量主要來自噴霧動能自噴霧動能 和氣流運的和氣流運的 ，即，即: : 、視所采用的混合氣形成方式和燃燒室型式的不同而有不同視所采用的混合氣形成方式和燃燒室型式的不同而有不同的數(shù)值。的數(shù)值。 fEaEmEmfaEEEfEaE 燃燒室的結(jié)構(gòu)型式、噴油系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)三者之間的配合是改燃燒室的結(jié)構(gòu)型式、噴油系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)三者之間的配合是改善油氣良好混合和燃燒的關(guān)鍵。善油氣良好混合和燃燒

53、的關(guān)鍵。柴油機燃燒室可以分為兩大類：燃燒在一個空間中進行稱直接柴油機燃燒室可以分為兩大類：燃燒在一個空間中進行稱直接噴射式噴射式(也叫開式或統(tǒng)一式也叫開式或統(tǒng)一式)燃燒室和燃燒在兩個空間中進行的稱間燃燒室和燃燒在兩個空間中進行的稱間接噴射式（也叫分開式）燃燒室。根據(jù)燃燒室的結(jié)構(gòu)不同，混合氣接噴射式（也叫分開式）燃燒室。根據(jù)燃燒室的結(jié)構(gòu)不同，混合氣的的形成形成也不同。下面簡要介紹不同燃燒室的結(jié)構(gòu)及其性能特點。也不同。下面簡要介紹不同燃燒室的結(jié)構(gòu)及其性能特點。 二、直接噴射式燃燒室二、直接噴射式燃燒室 與間噴式燃燒室相比，直接噴射式燃燒室具有結(jié)構(gòu)簡單、燃消與間噴式燃燒室相比，直接噴射式燃燒室具有結(jié)

54、構(gòu)簡單、燃消耗低耗低1520%、啟動容易等優(yōu)點。但進氣系統(tǒng)要求高，轉(zhuǎn)速適應(yīng)范、啟動容易等優(yōu)點。但進氣系統(tǒng)要求高，轉(zhuǎn)速適應(yīng)范圍更小圍更小, ,噪聲大，排放欠佳，噴射系統(tǒng)要求高等缺點。噪聲大，排放欠佳，噴射系統(tǒng)要求高等缺點。 在在D100mm的柴油機中，它的應(yīng)用占統(tǒng)治地位。由于它具有的柴油機中，它的應(yīng)用占統(tǒng)治地位。由于它具有高的熱效率，易于啟動，加上近年來人們在進氣道和燃油系統(tǒng)方面高的熱效率，易于啟動，加上近年來人們在進氣道和燃油系統(tǒng)方面取得進展，目前在傳統(tǒng)上采用間噴式燃燒室的柴油機上（取得進展，目前在傳統(tǒng)上采用間噴式燃燒室的柴油機上（D100mm， n 4000r/min)也正在得到越來越多的應(yīng)

55、用。也正在得到越來越多的應(yīng)用。 直噴式燃燒室按其活塞頂部凹坑的深淺又可分為開式燃燒室直噴式燃燒室按其活塞頂部凹坑的深淺又可分為開式燃燒室（淺凹坑）和半開式燃燒室（深凹坑）。（淺凹坑）和半開式燃燒室（深凹坑）。 1.1. 開式燃燒室開式燃燒室 整個燃燒室是由氣缸蓋底面、活塞頂面及氣缸壁所形成的統(tǒng)整個燃燒室是由氣缸蓋底面、活塞頂面及氣缸壁所形成的統(tǒng)一空間，如圖所示：一空間，如圖所示：圖圖4 436 36 開式燃燒室開式燃燒室 （a）（）（c）缸蓋底面是平的，適用于布置四氣門（進、排氣閥）缸蓋底面是平的，適用于布置四氣門（進、排氣閥各兩個）噴油器啟動閥等。它們適應(yīng)于四沖程增壓柴油機和二沖程各兩個）噴

56、油器啟動閥等。它們適應(yīng)于四沖程增壓柴油機和二沖程氣口氣閥直流掃氣的柴油機上。（氣口氣閥直流掃氣的柴油機上。（d）燃燒室的凹坑設(shè)在缸蓋的）燃燒室的凹坑設(shè)在缸蓋的底部，活塞頂可以是平的或細微向上凸起，燃燒室的輪廓與二沖程底部，活塞頂可以是平的或細微向上凸起，燃燒室的輪廓與二沖程增壓柴油機回流掃氣和橫流掃氣的氣流軌跡相吻合，主要用在氣缸增壓柴油機回流掃氣和橫流掃氣的氣流軌跡相吻合，主要用在氣缸蓋上無氣門的船用低速增壓發(fā)動機上。蓋上無氣門的船用低速增壓發(fā)動機上。 開式燃燒室用于開式燃燒室用于D200mm的渦輪增壓柴油機上較好，其燃油的渦輪增壓柴油機上較好，其燃油直接噴入氣缸，混合氣的形成屬空間霧化混合

57、方式。直接噴入氣缸，混合氣的形成屬空間霧化混合方式。 主要特點：主要特點： (1)(1)開式燃燒室是無空氣渦流或弱空氣渦流的燃燒室，使用的開式燃燒室是無空氣渦流或弱空氣渦流的燃燒室，使用的進氣道為直進氣道或切向進氣道，混合氣形成主要依靠多孔噴嘴及進氣道為直進氣道或切向進氣道，混合氣形成主要依靠多孔噴嘴及較高的噴油壓力，以使燃油噴散霧化并均勻地分布于整個燃燒室中較高的噴油壓力，以使燃油噴散霧化并均勻地分布于整個燃燒室中?？讛?shù)為?？讛?shù)為612個；孔徑在個；孔徑在0.250.8mm之間，大型低速二沖程柴油之間，大型低速二沖程柴油機噴孔孔徑有的達到機噴孔孔徑有的達到1.2mm?？讖叫∮??？讖叫∮?.2

58、mm容易產(chǎn)生堵塞等故障容易產(chǎn)生堵塞等故障。組織高壓噴射。組織高壓噴射, ,針閥開啟壓力達到針閥開啟壓力達到2040MPa，最高噴油壓力，最高噴油壓力甚至高達甚至高達100MPa以上。油氣混合所需的能量集中于燃油，燃油以上。油氣混合所需的能量集中于燃油，燃油噴散霧化并均勻的分散在燃燒室中，噴霧中的油滴與周圍的空氣噴散霧化并均勻的分散在燃燒室中，噴霧中的油滴與周圍的空氣之間的動量交換，使被卷入噴霧的空氣產(chǎn)生加速運動，從而形成之間的動量交換，使被卷入噴霧的空氣產(chǎn)生加速運動，從而形成了如圖了如圖437所示的空氣運動，促進了噴霧與周圍空氣間的混合所示的空氣運動，促進了噴霧與周圍空氣間的混合與熱交換。與熱

59、交換。 圖圖4 43737無渦流式燃燒室混合氣形成示意圖無渦流式燃燒室混合氣形成示意圖 圖圖4 43838無渦流時噴霧前端著火后火焰運動情況無渦流時噴霧前端著火后火焰運動情況著火以后火焰如圖著火以后火焰如圖4 43838所示的所示的a a、b b、c c三個方向的運動，對中三個方向的運動，對中后期的燃燒起著重要的作用。后期的燃燒起著重要的作用。 圖圖4 43939開式燃燒室主要結(jié)構(gòu)尺寸開式燃燒室主要結(jié)構(gòu)尺寸 (2) (2)為了充分利用燃燒室中的空氣，并避免噴霧和火焰與為了充分利用燃燒室中的空氣，并避免噴霧和火焰與冷的氣缸壁直接接觸，要求噴霧與燃燒室形狀很好地配合。冷的氣缸壁直接接觸，要求噴霧與

60、燃燒室形狀很好地配合。噴油夾角噴油夾角(圖圖4 439)39)應(yīng)根據(jù)燃燒室形狀及噴油嘴噴孔伸出氣應(yīng)根據(jù)燃燒室形狀及噴油嘴噴孔伸出氣缸蓋底面的程度而定。對于四沖程柴油機缸蓋底面的程度而定。對于四沖程柴油機120120CACA160160CACA，油束的貫穿度一般取，油束的貫穿度一般取1 11.041.04（噴霧長度（噴霧長度L L：油嘴到：油嘴到燃燒室壁的直線長度）。燃燒室壁的直線長度）。 (3)(3)為了保證燃料充分燃燒，一般為了保證燃料充分燃燒，一般=1.62.2。為了降低熱負。為了降低熱負荷，也需要大量掃氣空氣。荷，也需要大量掃氣空氣。 (4)(4)燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，形狀簡單，相對散熱面積面