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1、第五章 内燃机混合气的形成和燃烧,第一节 内燃机缸内的气体流动 第二节 点燃式内燃机的燃烧 第三节 点燃式内燃机的燃烧室第四节 压燃式内燃机的燃烧第五节 压燃式内燃机的燃烧室,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
2、有重要意义。,第一节 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
3、，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
4、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)。,导气屏在试验时调整比较方便，常在单缸机上作调试用，为新气道的设计提供参考数据。其缺点是： 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
5、动，使气门容易偏磨，对气门密封不利。,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
6、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),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
7、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
8、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
9、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,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
10、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
11、；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,具有代表性的有以下几种。 1积分尺度 和积分时间尺度 积分尺度是指流场中最大尺度结构的量度，即大涡的尺度。积分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(图55)，即,（5-9）,式中，Rx只为自相关系数，定义为,（5-10）,式中，Nm次数。,由上述定义可知，为了确定 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。因此在实际工作中，一般均先求出积分时间尺度 ，然后计算 。在统计定常流动中，可固定空间一点，用两个时刻的运动相关
12、来定义积分时间尺度,（5-11）,式中，为时间相关系数，定义为,（5-12）,若湍流在通过测定点时没有很大的畸变，而且湍流本身较弱，则积分长度尺度 和积分时间尺度 之间存在以下关系,（5-13）,如果在气流中发生大涡结构对流现象， 可认为是大涡通过该点的时间；在没有平均流动的气流中， 可以视作大涡结构的寿命。 2Kolmogorow长度尺度 和时间尺度 叠加在大尺度气流上有许许多多很小尺寸的涡，这些涡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，湍流能量的耗散即发生在这些最小的结构中。而分子粘性起着把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Kolmogoro
13、w长度尺度 表示，它决定了单位质量能量的耗散速率 和流体运动速度 。为此，定义Kolmogorow长度尺度 为,（5-14）,Kolmogorow时间尺度 表示最小湍流结构的动量扩散时间，它的定义为,（5-15）,3Taylor微观长度尺度 和时间尺度 微观长度尺度 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 可由时间自相关曲线求出,（5-16）,对于均匀的和等熵的湍流，微观长度尺度 和时间尺度 之间存在如下关系,（5-17）,湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度，在柴油机上组织适当的湍流可以改善燃油（如壁面附近的燃油）与空气的混合。,第二节 点燃式内燃机的燃烧,一、点火过程与着
14、火落后期1火花点火过程 火花点火过程十分复杂，至今仍有许多方面还不清楚，图56示出了常规高压线圈点火系统工作时电压与电流的变化情况，图上标明的数据与系统的组成及元器件的参数选择有关，只是说明大致的量级，整个放电过程可以分成三个阶段：,1高压连接端； 2Al2O3陶瓷绝缘体； 3外壳； 4隔热带； 5导电玻璃密封剂； 6外部卡口垫圈； 7Ni/Cu合金中心电极； 8接地电极,(1) 击穿阶段 火花塞电极在很高的电压(约1015kv)作用下，击穿电极间隙内的混合气，离子流从火花塞的一个电极奔向另一个电极，这时间隙阻抗迅速下降，一个很窄的(直径大约40m)的圆柱状的离子化的气体通道建立起来，电能几乎
15、可以无损失地通过离子流，使它的温度升至60000K，压力上升到几十个MPa，从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离子通道的体积迅速膨胀(约膨胀到直径2mm)，而它的压力、温度迅速下降，这一阶段称为击穿阶段。这时，通过火花塞间隙的峰值电流高达200A，但整个击穿阶段的时间很短，约10ns。,(2) 电弧阶段 击穿阶段的末期造成了电极间的电流通道，因此电弧放电的电压较低(50l00v)，但电流仍很高，与击穿阶段的电极间电流通道内的气体完全离解或离子化相反，在电弧阶段放电带的中心部分的离解程度仍很高，但离子化程度比较低(约1)。在阴极和阳极上的电压降是电弧放电电压降的主要部分。电能储存在这些电极的
16、表层区域，由金属电极导走，这是电弧总能量的个重要部分。此外，电弧要求有灼热的阴极，因此就造成了阴极材料的蒸发蚀损(由于击穿阶段末期等离子体体积膨胀、体外的热交换和扩散作用增强，使电弧中心区温度下降到6000K)，一般认为，在电弧阶段火焰传播开始发生。,(3) 辉光放电阶段 辉光放电阶段的特征是电流低于200mA。在阴极上有大的电压降(300500V)，且温度较高，离子化程度很低(低于0.01)，点火系统和储能装置(如点火线圈)的设计细节将决定这一阶段的进程，绝大部分的点火能量在此时放出，但能量损失比电弧阶段更大，气体的最高平衡温度下降到3000K。 在发动机运行条件下，对静止的具有化学计量比的混合气点火能量只需要0.2mJ。对于较稀或较浓的混合气，以及电极处混合气有较高流速时，需要点火能量为3mJ，但为能使发动机在各种上况下都能可靠点火，常规点火系统供给的能量一般为3050mJ。,
