內(nèi)燃機缸內(nèi)的氣體流動 侯獻(xiàn)軍發(fā)動機原理A,武漢理工大學(xué),汽車工程學(xué)院動力系

內(nèi)燃機缸內(nèi)的氣體流動武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院侯獻(xiàn)軍內(nèi)燃機缸內(nèi)空氣運動對混合氣形成和燃燒過程有決定性影響，影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、燃燒噪聲和有害廢氣的排放組織良好的缸內(nèi)空氣運動汽油機：提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?、降低燃燒循環(huán)變動柴油機：促進(jìn)燃燒過程中空氣與未燃燃料的混合，提高燃燒速率深入了解內(nèi)燃機缸內(nèi)空氣運動對燃燒過程的影響和作用，對于組織良好的燃燒過程，開發(fā)具有高性能和低污染的發(fā)動機具有重要意義研究意義內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體流動方式渦流擠流滾流內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體流動方式湍流（一）進(jìn)氣渦流（二）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一、渦流定義：在進(jìn)氣過程中形成的，繞氣缸軸線有組織的氣流運動進(jìn)氣結(jié)束時，氣缸內(nèi)旋流速度的分布表明：小于某一半徑時，切線速度隨半徑的增加而增大，速度呈剛體流分布超過這一半徑時，切線速度隨半徑的增加而減小，速度呈勢流分布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)氣渦流在壓縮過程逐漸衰減。一般情況下，在壓縮終了時，約有1／4~1／3的初始動量矩?fù)p失掉(一）進(jìn)氣渦流當(dāng)活塞接近于上止點，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當(dāng)活塞接近上止點時，剛體流動明顯增強，勢流運動明顯減弱，可以認(rèn)為此時燃燒室凹坑內(nèi)的旋流運動為剛體流進(jìn)氣過程所產(chǎn)生的旋流可以持續(xù)到燃燒膨脹過程進(jìn)氣渦流的大小由進(jìn)氣道形狀和發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定(一）進(jìn)氣渦流采用帶導(dǎo)氣屏的進(jìn)氣門切向氣道螺旋氣道（二）進(jìn)氣渦流的產(chǎn)生方法產(chǎn)生進(jìn)氣渦流的方法氣門出口處速度分布a)導(dǎo)氣屏b)切向氣道c)螺旋氣道a)導(dǎo)氣屏b)切向氣道c)螺旋氣道強制空氣從導(dǎo)氣屏的前面流出，依靠氣缸壁面約束，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流。由于導(dǎo)氣屏的存在，使在導(dǎo)氣屏占據(jù)的氣門周長范圍內(nèi)氣流不進(jìn)入氣缸，增大了導(dǎo)氣屏對面的氣流速度，從而形成對氣缸中心的動量矩1、采用帶導(dǎo)氣屏的進(jìn)氣門導(dǎo)氣屏安裝角：α導(dǎo)氣屏包角：βα：90°或270°附近β：80°-120°優(yōu)點：導(dǎo)氣屏在試驗時調(diào)整比較方便，常在單缸機上作調(diào)試用，為新氣道的設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)缺點：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(jìn)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1、采用帶導(dǎo)氣屏的進(jìn)氣門-優(yōu)缺點呈漸縮狀氣道，進(jìn)氣流動速度因流通截面積逐漸減小而增加高速氣流被切向引導(dǎo)進(jìn)入氣缸后，氣流速度場不均勻，相當(dāng)于在均勻速度分布的基礎(chǔ)上，增加一個沿切向氣道方向的速度v。切向氣流在缸套壁面的導(dǎo)向作用下，形成繞氣缸中心的進(jìn)氣渦流切向氣道結(jié)構(gòu)簡單，一般只能形成較低的進(jìn)氣渦流2、切向氣道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)就形成一定強度的旋轉(zhuǎn)。進(jìn)氣在流過氣道螺旋腔后擁有繞氣門中心線的角動量矩進(jìn)入氣缸的出口速度場相當(dāng)于在均勻徑向速度分布的基礎(chǔ)上增加一個切向速度場,進(jìn)入氣缸擴散為繞氣缸中心的動量矩能形成不同強度的進(jìn)氣渦流3、螺旋氣道定義：壓縮行程后期，部分活塞頂面和氣缸蓋底面相互靠近擠壓所產(chǎn)生的徑向或橫向的氣流運動。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，稱為逆擠流擠流強度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定汽油機：通常都利用較強的擠流運動來增強燃燒室內(nèi)的湍流強度，促進(jìn)混合氣快速燃燒柴油機：逆擠流有助于將柴油機燃燒室內(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，對改善燃燒和降低排放十分有利。縮口形燃燒室就充分利用了較強的擠流和逆擠流二、擠流二、擠流球型燃燒室渦流燃燒室利用擠流和逆擠流利用壓縮渦流ω型燃燒室壓縮渦流：在壓縮過程中形成的有組織的旋轉(zhuǎn)空氣運動。如在渦流室柴油機的壓縮過程中，氣缸內(nèi)的空氣通過通道被壓入渦流室中，形成有組織的旋流運動，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、位置和角度決定三、滾流和斜軸渦流定義：在進(jìn)氣過程中形成的，繞氣缸軸線垂直線旋轉(zhuǎn)的有組織的空氣旋流，稱為滾流或斜軸渦流滾流一般利用直進(jìn)氣道形成，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，提高火焰?zhèn)鞑ニ俾剩纳瓢l(fā)動機性能三、滾流和斜軸渦流滾流和渦流結(jié)合可以形成斜軸渦流，既有繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的橫向分量，也有繞氣缸軸線垂直線旋轉(zhuǎn)的縱向分量在四氣門汽油機中，在兩個進(jìn)氣道的一個進(jìn)氣道中安裝旋流控制閥，通過改變旋流控制閥的開度，即可形成不同角度的斜軸旋流斜軸渦流利用了渦流和滾流的優(yōu)點，能夠在上止點形成更加強烈的湍流運動，可以提高混合氣（特別是稀混合氣）的燃燒速率定義：在氣缸內(nèi)形成的無規(guī)則氣流運動，是一種不定常氣流運動湍流分類：氣流流過固體表面時產(chǎn)生的壁面湍流同一流體不同流速層之間產(chǎn)生的自由湍流（內(nèi)燃機）產(chǎn)生方式：進(jìn)氣過程產(chǎn)生、壓縮過程利用燃燒