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1、内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程有决定性影响，因而也影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。 组织良好的缸内空气运动对提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃或层燃有重要作用； 对提高柴油机的燃油空气混合速率，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合(热混合作用)有重要作用。 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。,内燃机缸内的气体流动,内燃机缸内 气体运动方式,涡流,挤流,滚流,湍流,一、涡流,1、进气涡流 定 义：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
2、气涡流。 由于存在气流之间的内摩擦耗损和气流与缸壁之间的摩擦，将使进气涡流在压缩过程逐渐衰减。一般情况下，在压缩终了时，约有1413的初始动量矩损失掉。 当活塞接近于上止点，大量空气被迫进入位于活塞顶部的燃烧室内，使凹坑内的切线速度有所增加。,进气结束时，汽缸内旋流速度的分布表明，小于某一半径时，切线速度随半径的增加而增大，速度呈刚体流分布；越过这一半径时，切线速度随半径的增加而减小，速度呈势流分布。当活塞接近上止点时，刚体流动明显增强，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力刚体流。 进气过程所产生的旋流可以持续到燃烧膨胀过程。 在柴油机上，进气涡流主要用于增强喷油油束与空气的
3、混合，提高燃油与空气混合速率，这有助于柴油机的快速燃烧。 在汽油机上，进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧。 进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速决定。,2、进气涡流 的产生方法,采用带导气屏 的进气门,切向气道,螺旋气道,(1) 采用带导气屏的进气门,图51a 强制空气从导气屏的前面流出, 依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。由图52b可知，由于导气屏的存在，使在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，从而形成对气缸中心O的动量矩。,改变导气屏包角的大小和导气屏安装角(OO 导气屏对称中心线与气缸轴线的夹角，见图52b)的大小，均可改变涡流强度。 角一般
4、常选80 120，角在90-270附近可望形成较强的涡流(两者产生的涡流转动方向相反)。,1)由于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)由于气门上有导气屏，为保证工作时气流的旋转方向和强度，进气门必须有导向装置，以防工作时转动，这都使结构复杂，制造成本增加。 3)气门盘刚度不均匀，变形大，气门在工作时又个能转动，使气门容易偏磨，对气门密封不利。,导气屏缺点,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，从而造成气门口速度分布的不均匀。它相当于在平直无旋气道速度分布的基础上，增加个沿切向气道方向的速度 (图5-2c)。 切向进气道结构
5、简单，在对进气涡流要求低时，流动阻力不大，但当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加，因此切向气道适用于要求进气涡流强度不高的发动机上。 切向气道对气口的位置较敏感，泥芯误差对气道的质量影响较大。,(2) 切向气道(图51b),在气门座上方的气门腔内做成螺旋形，使气流在螺旋气道内就形成定强度的旋转，其气门口处气流的情况相当于在平直气道出口速度分布的基础上，增加个切向速度，合成后的速度图(图52d)是一个对称图形。 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了，这种气道称为纯螺旋气道。,（3）螺旋气道 (图51c
6、),事实上，由于在气缸盖上布置气道时，螺旋室高度值不能很大，气流流入气缸时必然会含有一部分切向气流的成分，因此实际使用的螺旋气道中的空气旋转运动均由两部分组成。 采用强涡流螺旋气道燃烧室的性能与气道质量的关系极为密切，因此就大大提高了对铸造工艺和加工的要求，例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。,为了增加进气充量，气道的流动阻力越小越好； 气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强度； 希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。,3气道的评定方法,在稳流气道试验台(图53)上评定涡流强度的方法基本相近，一般采用叶片风速仪测量模拟气缸内涡流的转速或用角动量矩直接测出涡流的
7、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测量叶片的转速和气体流量。,为使不同形状和尺寸气道的流动特性具有对比性，采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行程下气道形成涡流的能力。,Q为试验测得的 实际空气流量,A为气门座内截面面积,无量纲流量系数定义 为流过气门座 的实际空气流量 与理论空气流量之比,dv为气门座内径,n为进气门数目,0为理论进气速度,为进气道压力降，一般取2.5kPa,为气门座处气体的密度(kgm3),Ricardo方法,Ricardo无量纲涡流数NR为:,D为缸径,0为理论 进气速度,为叶片旋
8、转 角速度,Ricardo涡流比 为,为叶片旋转 角速度,e为叶片旋转 角速度,二、挤流,在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。挤流在汽油机上得到了广泛的应用，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。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。逆挤流在柴油机上有助于将燃烧室内的混合气流出，使其进一步和气缸内的空气混合燃烧，对改善燃烧和降低排放十分有利。缩口形燃烧室就是充分利用了较强的挤流和逆挤流。,缩口型燃烧室,在
9、压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动，称为压缩涡流。如在涡流室柴油机的压缩过程中，气缸内的空气通过通道被压人涡流室中，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、滚流和横轴涡流,在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流。滚流较适宜于在四气门汽油机上使用，滚流在压缩过程中其动量衰减较少。当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，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(图54)。,在四气门汽油机中，在两个进气道的一个进气道中安装旋流控制阀，通过
10、改变旋流控制阀的开度，即可形成不同角度的斜向旋流，斜向旋流可以认为是由进气涡流和滚流两部分组成的。滚流在近几年来获得了广泛的应用，特别是在缸内直喷汽油机上具有十分重要的地位。,在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流。采用统计的方法定义湍流特性参数，在统计定常的湍流场中，某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。,（5-7）,式中，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）,此外，还使用些长度尺度和时间尺度表征湍流特性，,四、湍流,五、热力混合,直接喷射式燃烧室内的空气运动在压缩上止点附近接近刚体流，即燃烧室中气流切向速度随燃烧室半径的增大而增大，中心部分压力低，外围压力高； 燃烧室内的流体受离心力作用，向外运动，受压差作用，推向燃烧室中心； 对于液体油滴或燃油蒸汽，密度比空气大，离心力起主导作用，呈向外运动趋势；已燃气体密度比空气小，向内推力起主导作用，呈向内运动趋势。 在旋转气流中火焰向燃烧室中心运动，又将部分的新鲜空气挤向外壁，促进空气与未燃燃料混合的作用称为热力混合作用。,
