内燃机原理第四章10h

1、第四章第四章 内燃机的燃烧与放热内燃机的燃烧与放热41 内燃机燃烧热化学内燃机燃烧热化学 一、燃料燃烧反应方程式一、燃料燃烧反应方程式 内燃机燃料的主要成分为碳和氢，此外还含有少量内燃机燃料的主要成分为碳和氢，此外还含有少量的的 氧、硫等杂质。这些成分及化合物的燃烧可用以下化学氧、硫等杂质。这些成分及化合物的燃烧可用以下化学反应方程式予以表示：反应方程式予以表示： 碳完全燃烧碳完全燃烧 kmolKJCOOC/40695722碳不完全燃烧碳不完全燃烧 kmolKJCOOC/1240132/2氢燃烧氢燃烧 )(/286796)(2/222高热值液kmolKJOHOH)(/241788)(2/222

2、低热值蒸气kmolKJOHOH硫燃烧甲烷燃烧 以上反应方程式中的热值均为以上反应方程式中的热值均为273K时的值。对于一般碳氢化时的值。对于一般碳氢化合物来说，其燃烧反应方程式可写成如下形式：合物来说，其燃烧反应方程式可写成如下形式： kmolkJSOOS/29667722kJ/kmol801556)(222224液OHCOOCH)()2/()4/(HC222mn热量QOHmnCOOmn（41） 由于在空气中，对应于由于在空气中，对应于1mol ，还含有，还含有3.76mol的的 及其及其他气体，所以，如果反应是利用空气来进行的，则在反应式中，他气体，所以，如果反应是利用空气来进行的，则在反应

3、式中，对应所必需的对应所必需的1mol ，还带入了，还带入了3.76mol 的及其他气体。的及其他气体。因而对于碳氢化合物来说，其燃烧反应方程式可写成如下通式：因而对于碳氢化合物来说，其燃烧反应方程式可写成如下通式： 2O2N2O2N)()4/(76. 3)2/()4/(76. 3)4/(HC2222mn热量QmnOHmnCONmnOmn（42） 这说明，碳氢化合物完全燃烧时，不管其分子结构如何复杂，这说明，碳氢化合物完全燃烧时，不管其分子结构如何复杂，总是生成总是生成CO2和水蒸气，其量由该碳氢化合物中碳原子和氢原子和水蒸气，其量由该碳氢化合物中碳原子和氢原子的含量而定。的含量而定。 二、燃

4、料燃烧所需空气量二、燃料燃烧所需空气量 由以上所列燃料成分的燃烧反应方程式及其分子量关系，即可由以上所列燃料成分的燃烧反应方程式及其分子量关系，即可求出求出1kg燃料完全燃烧所需的最低空气量燃料完全燃烧所需的最低空气量(即理论空气量即理论空气量) ，将，将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, ,则则 01cHsggggkg 燃烧过程中，完全燃烧时，燃烧过程中，完全燃烧时，C、H、O化合成为化合成为CO ，H O .参加燃烧的参加燃烧的O , ,H 及及 2222 燃烧产物燃烧产物CO ,H O（在高温下水是蒸气）（在高温下水是蒸气）22都是气态，都是气态，人

5、们引入了人们引入了kmol这一便于计算的气体容积的单位。这一便于计算的气体容积的单位。 1kmol的气体容积是以的气体容积是以kg计的一个分子量重量气体。在压力为计的一个分子量重量气体。在压力为0.1MP ，0的标准状况下，的标准状况下，1kmol的理论气体或近似理论气体的的理论气体或近似理论气体的容积相等，即为容积相等，即为22.4 。每。每kmol的的O 、 H 或或CO 的重量为的重量为32，2，44kg，但是容积均为，但是容积均为22.4 。这里。这里H的原子量为的原子量为1，O的原子量为的原子量为16，C的原子量为的原子量为12，CO2的原子量为的原子量为122*1644。 a3m2

6、3m22 碳完全燃烧22COOC22443212kgCOkgOkgC221112kmolCOkmolOkgC221211211COkmolOkgC221212kmolCOgkmolOgkgCgcccC为固体，其容积与为固体，其容积与1kmol气体的体积相比可以忽略不计。气体的体积相比可以忽略不计。 完全燃烧需要完全燃烧需要 。同样：同样：完全燃烧需要完全燃烧需要 kgCgc212kmolOgc OHOH2222/OkgHkgOkgH22236324OkmolHkmolOkgH222214OkmolHgkmolOgkgHgHHH22224kgHgH24kmolOgH22SOOS22643232k

7、gSOkgOkgS221132kmolSOkmolOkgS223232SOgkmolOgkgSgsss完全燃烧需要1kg燃料中有燃料中有g0kg的的O2，即，即 kmol的的O2。则。则1kg的燃的燃料完全燃烧需理论氧量为：料完全燃烧需理论氧量为： M（ ） kmol kgSgs232kmolOgs2O12cg4Hg32sg320g空气主要由氧气、氮气及微量惰性气体组成，空气的分子量空气主要由氧气、氮气及微量惰性气体组成，空气的分子量为为28.95，1kmol空气中，氧气约占空气中，氧气约占0.21kmol，氮气及其它气体约，氮气及其它气体约占占0.79kmol。因此，。因此，1kg燃料完全燃

8、烧所需的理论空气量为：燃料完全燃烧所需的理论空气量为： 320gL（）（） kmol空气空气/kg燃料燃料(4-3)021. 0112cg4Hg32sg320g按重量计算为：按重量计算为：28.95L （kg空气空气）/（kg燃料燃料） 0L0按空气标准体积（）计为：按空气标准体积（）计为： 一般石油燃料，可认为一般石油燃料，可认为 。汽油的平均。汽油的平均组成为组成为 , ,可用可用 近似表示近似表示 ；柴；柴油的平均组成为油的平均组成为 可用可用 近近似表示。根据以上二式，汽油和柴油完全燃烧所需的理似表示。根据以上二式，汽油和柴油完全燃烧所需的理论空气量分别为：论空气量分别为： ， 273

9、nTK49.81 10naPP0022.4LL3()()/Nmkg空气燃料00()28.95 0.8560.14428.95()14.8/0.21124LLkgkg空气（汽油）00,0sgg0.856,0.144cHgg818C H0.875,0.125cHgg1634C H；或或 内燃机运转时，随着混合气形成方式和工作情况的不同，燃烧内燃机运转时，随着混合气形成方式和工作情况的不同，燃烧1kg燃料所耗费的实际空燃料所耗费的实际空气质量气质量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烧所需的理论空气量。充入气缸内的实际空烧所需的理论空气量。充入气缸内的实际空气质量与进入气缸

10、内的气质量与进入气缸内的燃料完全燃烧所需的理论空气量的比值称为过量空气系数，记作燃料完全燃烧所需的理论空气量的比值称为过量空气系数，记作 = (44) 有时用空燃比有时用空燃比AF或燃空比或燃空比FA来表示可燃混合气的成分。充入来表示可燃混合气的成分。充入气缸内的实际空气质量与进入气缸内的燃料量的质量比为空燃比，气缸内的实际空气质量与进入气缸内的燃料量的质量比为空燃比，即：即： 00022.4 14.822.422.411.4528.9528.95LLL3()/Nmkg空气（汽油）0()14.36/Lkgkg空气011.11L 3()/Nmkg空气（柴油）0LL充入气缸的实际空气重量燃料完全燃

11、烧所需理论空气量00LL燃料重量充入气缸内的实际空气重量进入气缸内的燃料重量燃料重量AF= FA=1/AF 显然：可燃混合气按理论混合比混合，显然：可燃混合气按理论混合比混合，=1。 若若1，则氧量不足，称之为浓混合气；，则氧量不足，称之为浓混合气； 若若1，则氧量过剩，称之为稀混合气。，则氧量过剩，称之为稀混合气。 实际上，即使是在一台内燃机的一个工作循环中，其实际上，即使是在一台内燃机的一个工作循环中，其值值也会随时间和气缸中空间位置的不同而变化。式也会随时间和气缸中空间位置的不同而变化。式(44)所表达所表达的的值是指一个工作循环中缸内值是指一个工作循环中缸内的算术平均值。的算术平均值。

12、三、燃料燃烧产物量及其物质的量的改变三、燃料燃烧产物量及其物质的量的改变 根据燃料燃烧反应方程式还可计算燃料完全燃烧的燃烧产根据燃料燃烧反应方程式还可计算燃料完全燃烧的燃烧产物量以及燃烧反应前后分子数的改变。燃烧前，物量以及燃烧反应前后分子数的改变。燃烧前，1kg燃料与空燃料与空气形成的可燃混合气总物质的量气形成的可燃混合气总物质的量 为为 : kmol (45) 1M101fML式中，式中， 燃料的相对分子质量。燃料的相对分子质量。当当1时，时，1kg燃料完全燃烧所生成的各种成分气体的物质的燃料完全燃烧所生成的各种成分气体的物质的量为：量为：由由 kg C生成生成 kg H生成生成 的空气中

13、剩余的的空气中剩余的0.21(-1) kmol的氧的氧； 反应前后数量不变仍为反应前后数量不变仍为0.79 0.79 。这样，燃烧产物的总物质的量：这样，燃烧产物的总物质的量： (4(46)6) fcg212cgkmolCO的Hg22HgkmolH O的0L0L2N02L kmolN的0(0.21)122cHggML将式将式(43)的的 值代入式值代入式(46)，忽略，忽略 ，化简后得，化简后得 对于固体和液体燃料，由于其体积与参加燃烧的空气体积相对于固体和液体燃料，由于其体积与参加燃烧的空气体积相比很小，可略去不计，式比很小，可略去不计，式(4-5)可表为：可表为： 所以，所以，1kg燃料在

14、燃烧前及燃烧后气体物质的量的增量为燃料在燃烧前及燃烧后气体物质的量的增量为: : 在气体燃料的情况下，根据其所含成分和有关的燃烧反应在气体燃料的情况下，根据其所含成分和有关的燃烧反应方程式，同样可以计算出单位标准体积的气体燃料完全燃烧后体方程式，同样可以计算出单位标准体积的气体燃料完全燃烧后体积的变化量。积的变化量。 0Lsg00432HggML()/kmolkg燃气（燃料）10ML01432HggMMM()/kmolkg燃气（燃料）例如，对于一般的碳氢化合物例如，对于一般的碳氢化合物(CnHm)若若n4，则燃烧后体积增，则燃烧后体积增加，而加，而CO、 在燃烧后体积减少在燃烧后体积减少( )

15、。 但由于在不完全燃烧的情况下，碳燃烧生成但由于在不完全燃烧的情况下，碳燃烧生成CO的体积比参加的体积比参加燃烧的氧的体积增加了一倍，所以燃烧的氧的体积增加了一倍，所以1的浓混合气在汽油机中的浓混合气在汽油机中无烟燃烧时无烟燃烧时(CO是无色无味的有害气体是无色无味的有害气体)，其物质的量增加了，其物质的量增加了，这样可使内燃机功率这样可使内燃机功率 提高。然而因燃烧不完全，燃料消耗率提高。然而因燃烧不完全，燃料消耗率 却会增加。燃烧后燃烧产物的却会增加。燃烧后燃烧产物的kmol数数 与燃烧前可燃混合气的与燃烧前可燃混合气的kmol数数M 之比叫做理论分子变更系数，以之比叫做理论分子变更系数，

16、以 表示，即表示，即 （4-7）2H22222(),22OOCOCO HH O蒸汽eNeg1M000010/4/321/HfLggMML四、燃烧热与绝热火焰温度四、燃烧热与绝热火焰温度在一定条件下，化学反应常常伴有放热或吸热现象，一在一定条件下，化学反应常常伴有放热或吸热现象，一般称之为反应热。单位数量般称之为反应热。单位数量(以质量、容积或物质的量表示以质量、容积或物质的量表示)的燃料完全燃烧时的反应热称为该燃料的燃烧热或热值。的燃料完全燃烧时的反应热称为该燃料的燃烧热或热值。 可燃混合气经过绝热过程（燃烧时热量不向外传出）最可燃混合气经过绝热过程（燃烧时热量不向外传出）最终达到的燃烧温度，

17、称为绝热火焰温度，又称为最高燃烧温终达到的燃烧温度，称为绝热火焰温度，又称为最高燃烧温度。度。 42内燃机缸内的空气运动内燃机缸内的空气运动内燃机缸内的空气运动是影响内燃机燃烧过程的主要因素之一。内燃机缸内的空气运动是影响内燃机燃烧过程的主要因素之一。缸内的空气运动包括涡流、挤流、滚流和湍流。下面将这些特性一缸内的空气运动包括涡流、挤流、滚流和湍流。下面将这些特性一一加以阐述。一加以阐述。（一）涡流（一）涡流（1）进气涡流的形成）进气涡流的形成 主要有三种：导气屏、切向进气道、螺旋进气道。主要有三种：导气屏、切向进气道、螺旋进气道。 ( (a)a) 导气屏导气屏 在进气门平顶的背面加上一段圆弧

18、形的导气屏而构成，气流只在进气门平顶的背面加上一段圆弧形的导气屏而构成，气流只能从无导气屏的一端流入气缸，在气缸的限制下，在缸内形成绕气能从无导气屏的一端流入气缸，在气缸的限制下，在缸内形成绕气缸旋转的涡流。此法对产生的缸内涡流强度可调，做试验时较为方缸旋转的涡流。此法对产生的缸内涡流强度可调，做试验时较为方便。但是制造成本高，流动特性差，可靠性也差，产品上已不用。便。但是制造成本高，流动特性差，可靠性也差，产品上已不用。 (b)(b)切向进气道切向进气道 图图4 41 1产生进气涡流的方法产生进气涡流的方法（）导气屏气门；（）切向进气道；（）导气屏气门；（）切向进气道；(c)(c)螺旋气道螺

19、旋气道与导气屏一样，涡流不在气道内形成，而在缸内形成。气道仅与导气屏一样，涡流不在气道内形成，而在缸内形成。气道仅起导向作用，气流入口处起导向作用，气流入口处越小，产生的涡流越大，但流通系数变越小，产生的涡流越大，但流通系数变小（即阻力变大）小（即阻力变大）。 切向进气道产生中等强度的涡流，但是切向进气道产生中等强度的涡流，但是变化对涡流强度很敏变化对涡流强度很敏感，生产上不易稳定，对铸造工艺要求较高（保证感，生产上不易稳定，对铸造工艺要求较高（保证的一致），主的一致），主要在大缸径开式燃烧室柴油机上使用要在大缸径开式燃烧室柴油机上使用,越大，涡流越弱，流通系越大，涡流越弱，流通系数就越大。数

20、就越大。( (c)c)螺旋进气道螺旋进气道涡流是在螺旋形气道内形成的，入缸后一方面绕自身轴线旋转，涡流是在螺旋形气道内形成的，入缸后一方面绕自身轴线旋转，另一方面绕气缸轴线旋转。可以产生中等或强涡流，流通系数也很另一方面绕气缸轴线旋转。可以产生中等或强涡流，流通系数也很大，对涡流的敏感性相对于切向进气道也好一些。在要求较强涡流大，对涡流的敏感性相对于切向进气道也好一些。在要求较强涡流的中小型高速柴油机上得到广泛应用。的中小型高速柴油机上得到广泛应用。（二）压缩涡流与挤压涡流（二）压缩涡流与挤压涡流 在压缩行程开始时，因缸内存在进气涡流，随着压缩行程的在压缩行程开始时，因缸内存在进气涡流，随着压

21、缩行程的进行，缸内涡流被压入口径较小的燃烧室凹坑，形成沿凹坑旋转进行，缸内涡流被压入口径较小的燃烧室凹坑，形成沿凹坑旋转的的压缩涡流。由动量守恒，压缩涡流。由动量守恒，进气涡流所具有的动量矩基本不变的情况进气涡流所具有的动量矩基本不变的情况下，气流旋转半径缩小，势必使燃烧室内的涡流角速度增大。下，气流旋转半径缩小，势必使燃烧室内的涡流角速度增大。压缩终点涡流的角速度的大小很难测定，对于凹坑与气缸中心压缩终点涡流的角速度的大小很难测定，对于凹坑与气缸中心线对称的圆柱形燃烧室，日本池上旬提出下面计算涡流增速比的公线对称的圆柱形燃烧室，日本池上旬提出下面计算涡流增速比的公式：式： 、：压缩始点和压缩

22、终点、：压缩始点和压缩终点涡流涡流的角速度；的角速度； 、：压缩始点与压缩终点活塞顶面到缸盖底面的距离；、：压缩始点与压缩终点活塞顶面到缸盖底面的距离； H ：凹坑深度；：凹坑深度；：活塞顶凹坑的直径，活塞顶凹坑的直径， D缸径。缸径。 下图是一计算的例子：下图是一计算的例子：活塞上行时，除在凹坑里形成压缩涡流外，还存在一种径向的活塞上行时，除在凹坑里形成压缩涡流外，还存在一种径向的空气挤压流动，称为挤流。活塞下行时，凹坑内的气体又向外流入空气挤压流动，称为挤流。活塞下行时，凹坑内的气体又向外流入环行空间，产生逆挤流；如图所示：环行空间，产生逆挤流；如图所示：2202000HhHH00kdDk

23、d图图4 43 3燃烧室的涡流增速比的燃烧室的涡流增速比的燃烧室口径比燃烧室口径比 0.350.35；活塞顶间隙；活塞顶间隙0.90.9；压缩比；压缩比16.416.4图图4 44 4挤流与逆挤流挤流与逆挤流（）挤流；（）逆挤流（）挤流；（）逆挤流对于有明显凹坑的燃烧室来说，较强的挤流分量可以诱导产生对于有明显凹坑的燃烧室来说，较强的挤流分量可以诱导产生较强的小较强的小尺度气流紊动即微涡流。微涡流具有促使油气和空气的分尺度气流紊动即微涡流。微涡流具有促使油气和空气的分子尺度均匀而迅速的混合作用；另外，其张量耗散作用还能对进气子尺度均匀而迅速的混合作用；另外，其张量耗散作用还能对进气涡流起到调整

24、阻尼作用。例如：涡流起到调整阻尼作用。例如：当发动机转速上升，微涡与气流速当发动机转速上升，微涡与气流速度一样呈直线增加，从而对高速工况的过强涡流起到抑制消减作用度一样呈直线增加，从而对高速工况的过强涡流起到抑制消减作用，保证油气在较大转速范围内匹配良好。如图所示，保证油气在较大转速范围内匹配良好。如图所示 ： 图图45涡流微涡流与相对挤气面积的关系涡流微涡流与相对挤气面积的关系 1.1.坑内涡流；坑内涡流； 2.缸内涡流；缸内涡流； 3.挤压涡流；挤压涡流；4.微涡流微涡流 二、滚流二、滚流滚流是在内燃机进气过程中形成的另一种客观的大尺度涡流。滚流是在内燃机进气过程中形成的另一种客观的大尺度

25、涡流。与进气涡流相同的是，二者都是在进气过程中由进气道和气缸壁形与进气涡流相同的是，二者都是在进气过程中由进气道和气缸壁形成的。两者的区别在于涡流的旋转轴与气缸轴线平行或重合，而滚成的。两者的区别在于涡流的旋转轴与气缸轴线平行或重合，而滚流的旋转轴线与气缸轴线垂直。在一般立式内燃机中，涡流的轴线流的旋转轴线与气缸轴线垂直。在一般立式内燃机中，涡流的轴线与气缸轴线平行，称为立轴涡流与气缸轴线平行，称为立轴涡流,而滚流轴线与气缸轴线垂直，也称而滚流轴线与气缸轴线垂直，也称为横轴涡流。还有一种涡流旋转轴即不是垂直方向的，也不是水平为横轴涡流。还有一种涡流旋转轴即不是垂直方向的，也不是水平方向的，通常

26、称这种涡流叫斜轴涡流，它是由涡流与滚流合成的缸方向的，通常称这种涡流叫斜轴涡流，它是由涡流与滚流合成的缸内宏观气流运动。内宏观气流运动。对于四气门汽油机来说，斜轴涡流在关闭双进气道中的一个而对于四气门汽油机来说，斜轴涡流在关闭双进气道中的一个而保证另一个进气道正常工作的情况下较为常见，但在双进气道同时保证另一个进气道正常工作的情况下较为常见，但在双进气道同时进气时，缸内宏观气流运动主要是滚流。进气时，缸内宏观气流运动主要是滚流。图图46滚流产生和发展滚流产生和发展 （一）滚流的产生及其发展变化（一）滚流的产生及其发展变化对于四气门的汽油机所采用的坡屋顶燃烧室，两个进气门和两对于四气门的汽油机所

27、采用的坡屋顶燃烧室，两个进气门和两个排气门分别对称的布置在它的两侧。这样吸入缸内的空气很容易个排气门分别对称的布置在它的两侧。这样吸入缸内的空气很容易形成横向大尺度滚流，其尺度相当于缸径的大小。图形成横向大尺度滚流，其尺度相当于缸径的大小。图46所示的是所示的是这种四气门汽油机缸内滚流产生和发展示意图这种四气门汽油机缸内滚流产生和发展示意图。由图可见，从进气道进入气缸的气流形成了如箭头所示一边下沉一由图可见，从进气道进入气缸的气流形成了如箭头所示一边下沉一边绕横轴旋转的滚流运动。边绕横轴旋转的滚流运动。为了降低进气阻力，且在缸内形成较强的滚流，必须选择适当为了降低进气阻力，且在缸内形成较强的滚

28、流，必须选择适当的气道结构和形状。如图的气道结构和形状。如图47所示，四气门汽油机的进气道一般有所示，四气门汽油机的进气道一般有两种，一种是分叉式，一种是单独的两个进气道。对比测试表明后两种，一种是分叉式，一种是单独的两个进气道。对比测试表明后者的滚流速度和流量系数要大，可见后者的滚流与通流能力要比前者的滚流速度和流量系数要大，可见后者的滚流与通流能力要比前者强。另外图中者强。另外图中H值大的要比值大的要比H值小的滚流速度和气道流量系数大。值小的滚流速度和气道流量系数大。因此，因此，H值大的高位切向双进气道被认为是四气门汽油机较为理想值大的高位切向双进气道被认为是四气门汽油机较为理想的进气道结

29、构。的进气道结构。图图47两种不同结构的进气道两种不同结构的进气道滚流和涡流均能起到保存进气动能，促进混合气形成和燃烧、滚流和涡流均能起到保存进气动能，促进混合气形成和燃烧、提高空气利用率和降低燃烧系统对过量空气系数的要求等作用。但提高空气利用率和降低燃烧系统对过量空气系数的要求等作用。但是滚流还具有比涡流在上止点更能生成大量微小涡旋，且以不规则是滚流还具有比涡流在上止点更能生成大量微小涡旋，且以不规则的脉冲运动扩展成为强度很高的湍流，从而更有利于促进燃烧的进的脉冲运动扩展成为强度很高的湍流，从而更有利于促进燃烧的进行。行。图图48说明了缸内滚流的发展变化的三个阶段。说明了缸内滚流的发展变化的

30、三个阶段。图图48缸内滚流的发展变化过程缸内滚流的发展变化过程第一阶段在进气时产生滚流运动。第一阶段在进气时产生滚流运动。第二阶段在压缩早、中期，滚流遵守动量矩守恒而得到加强，第二阶段在压缩早、中期，滚流遵守动量矩守恒而得到加强，但又受到壁面摩擦和流体剪切应力的抑制。但又受到壁面摩擦和流体剪切应力的抑制。第三阶段滚流受到活塞运动的挤压而破碎成微涡旋，且迅速第三阶段滚流受到活塞运动的挤压而破碎成微涡旋，且迅速形成较强的湍流。形成较强的湍流。（二）滚流对燃烧过程的影响（二）滚流对燃烧过程的影响湍流运动可以较大的提高燃烧速度，改善内燃机的性能。湍流运动可以较大的提高燃烧速度，改善内燃机的性能。在滚流

31、辅助燃烧的情况下，由于存在较强的湍流，使着火滞燃在滚流辅助燃烧的情况下，由于存在较强的湍流，使着火滞燃期短，火焰前锋的传播速度加快，因而使燃烧持续期明显减少。此期短，火焰前锋的传播速度加快，因而使燃烧持续期明显减少。此外，还有利于改善内燃机部分负荷工况的燃烧稳定性，使之可同时外，还有利于改善内燃机部分负荷工况的燃烧稳定性，使之可同时获得降低油耗和污染物排放的效果。由于滚流燃烧系统对爆震相对获得降低油耗和污染物排放的效果。由于滚流燃烧系统对爆震相对敏感性较小，因此可以提高内燃机的平均有效压力左右。敏感性较小，因此可以提高内燃机的平均有效压力左右。在内燃机高负荷工况下，加快燃烧可能导致压力升高率上

32、升，在内燃机高负荷工况下，加快燃烧可能导致压力升高率上升，使燃烧噪声增大。因此对不可调进气系统而言，它只能在发动机较使燃烧噪声增大。因此对不可调进气系统而言，它只能在发动机较窄的运行范围内获得高的性能。为了发挥滚流对部分负荷性能的改窄的运行范围内获得高的性能。为了发挥滚流对部分负荷性能的改善能力，又保证高负荷下的性能，出现了可变滚流系统。善能力，又保证高负荷下的性能，出现了可变滚流系统。如日本雅马哈公司如日本雅马哈公司1995年研发成功的用于摩托车汽油机的可变年研发成功的用于摩托车汽油机的可变进气系统。进气系统。德国德国FEV公司也研发了一种连续可变滚流系统。该系统在汽油公司也研发了一种连续可

33、变滚流系统。该系统在汽油机整个宽广的运行范围内都具有改善燃烧的作用，且成功的实现了机整个宽广的运行范围内都具有改善燃烧的作用，且成功的实现了汽油机稀混合气的燃烧优化。该系统可使汽油机的升功率从汽油机稀混合气的燃烧优化。该系统可使汽油机的升功率从45W/L提高到提高到55W/L.三、湍流三、湍流内燃机内的气体流动，除涡流和滚流外，还存在着一种随机、内燃机内的气体流动，除涡流和滚流外，还存在着一种随机、非定常的、三维的、有旋流动，即湍流或称紊流。非定常的、三维的、有旋流动，即湍流或称紊流。湍流只有在高速流动（即大雷诺数）的情况下才能产生。湍流的湍流只有在高速流动（即大雷诺数）的情况下才能产生。湍流

34、的基本特征是具有随机性质的涡流（又称微涡流）结构，以及这些基本特征是具有随机性质的涡流（又称微涡流）结构，以及这些微涡旋在流体内部的随机运动，因此，湍流能引起相邻流体间的微涡旋在流体内部的随机运动，因此，湍流能引起相邻流体间的动量、温度、浓度等的交换和脉动。这有利于加速燃烧过程的进动量、温度、浓度等的交换和脉动。这有利于加速燃烧过程的进程。程。（一）湍流的描述（一）湍流的描述1.时间平均法时间平均法如图如图4所示的湍流场中，某处在一特定方向上的瞬时速所示的湍流场中，某处在一特定方向上的瞬时速度：（）度：（）( )( )UuUvtC tv图图49湍流场某处的速度变化湍流场某处的速度变化式中，式中

35、，C脉动速度分量，因脉动可正可负，故时均值为脉动速度分量，因脉动可正可负，故时均值为零，即，而时均速度零，即，而时均速度0uC( )Uvt-Uv 为的平均值。在内燃机中，由于工作循环要发生周期性的变化，缸内的流在内燃机中，由于工作循环要发生周期性的变化，缸内的流动状态不可能是定常的，因此，时间平均法并不适用。一种更适动状态不可能是定常的，因此，时间平均法并不适用。一种更适用分析缸内所发生的准周期性气体流动的方法是相平均法，即把用分析缸内所发生的准周期性气体流动的方法是相平均法，即把湍流的瞬时值分解为相平均值和脉动分量，如图湍流的瞬时值分解为相平均值和脉动分量，如图410的方法。的方法。图图41

36、0周期性湍流场某处的变化周期性湍流场某处的变化按照此法，某曲轴转角位置按照此法，某曲轴转角位置时的瞬时速度可表示为：时的瞬时速度可表示为：（414）( )( )( )UUuC式中相对平均速度的定义为：式中相对平均速度的定义为：（415）式中式中N平均的循环数；平均的循环数；Z发动机的行程数，对四冲发动机的行程数，对四冲程机，程机，Z4，二冲程机，二冲程机，Z2。是在各循环周期同一曲。是在各循环周期同一曲轴转角处所测量的大量瞬时速度的平均值。同样地，其湍流强度轴转角处所测量的大量瞬时速度的平均值。同样地，其湍流强度可表示：可表示：（416）通常用热线风速仪或激光多普勒测速仪测量气流的瞬时速度，通

37、常用热线风速仪或激光多普勒测速仪测量气流的瞬时速度，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）湍流的尺度湍流场是许多大小不等的涡流组成，因此它们之间存在着相湍流场是许多大小不等的涡流组成，因此它们之间存在着相互作用。鉴于湍流脉动极其复杂和混乱，对湍流问题的研究不得互作用。鉴于湍流脉动极其复杂和混乱，对湍流问题的研究不得( )U10( )()/NUUiiN ( )U120( )()( )/NuUiCiN ( )U( )U( )UC( )uC不像统计物理学研究气体分子运动那样，应用统计力学的方法。不像统计物理学研究气体

38、分子运动那样，应用统计力学的方法。在湍流的统计理论中，最常用的是相关系数，也就是概率论在湍流的统计理论中，最常用的是相关系数，也就是概率论和数理统计中的协方差。相关系数的物理意义是指空间两点给定和数理统计中的协方差。相关系数的物理意义是指空间两点给定不同时刻的脉动速度之间的相互联系和相关程度。不同时刻的脉动速度之间的相互联系和相关程度。几个脉动速度之间在空间上的统计相关性分别称为时间相关几个脉动速度之间在空间上的统计相关性分别称为时间相关和空间相关，其相互联系或相关时间或距离可作为一种尺度用来和空间相关，其相互联系或相关时间或距离可作为一种尺度用来描述湍流脉动速度的变化，衡量湍流脉动作用在时间

39、或空间上的描述湍流脉动速度的变化，衡量湍流脉动作用在时间或空间上的影响范围。其中由空间相关引入的湍流尺度称为欧拉尺度或欧拉影响范围。其中由空间相关引入的湍流尺度称为欧拉尺度或欧拉积分尺度。积分尺度。欧拉积分尺度欧拉积分尺度可定义为：流场中相邻的，两点脉动可定义为：流场中相邻的，两点脉动速度的相关系数速度的相关系数R相对于两点间可变距离的积分，即对方相对于两点间可变距离的积分，即对方向有如下定义：向有如下定义：（417）显然，当时，故显然，当时，故R1，表明两点重合，完，表明两点重合，完全相关，随着的增大，两点脉动速度的相关性逐渐减弱。若两全相关，随着的增大，两点脉动速度的相关性逐渐减弱。若两_

40、22ijijxuuCuCuRCC0 xxlR dxiCujCu点的距离太远，则无相关意义，此时，点的距离太远，则无相关意义，此时，R0。应当指出，从物理观点来看，用间距为的两点间的相关系数应当指出，从物理观点来看，用间距为的两点间的相关系数来阐明湍流的影响范围，是一个十分有用，但不太严格的概念。来阐明湍流的影响范围，是一个十分有用，但不太严格的概念。实际上，脉动速度的变化实验测量也只能给出定性的结果。实际上，脉动速度的变化实验测量也只能给出定性的结果。 图图411欧拉积分尺度与泰勒微尺度欧拉积分尺度与泰勒微尺度图图411所示的是方向的欧拉积分尺度，其理论值等于所示的是方向的欧拉积分尺度，其理论

41、值等于R随变化曲线下的面积，也等于按图中虚线所示的边长为随变化曲线下的面积，也等于按图中虚线所示的边长为1和和的矩形面积，从数量上来说，即的矩形面积，从数量上来说，即的值，它代表了湍流中的值，它代表了湍流中最大涡旋尺度。最大涡旋尺度。愈大意味着湍流运动密切相关的范围愈大，愈大意味着湍流运动密切相关的范围愈大，表明涡旋有较大尺度。利用导出积分尺度表明涡旋有较大尺度。利用导出积分尺度的方法也可以解决的方法也可以解决同一时刻两相邻空间点同一时刻两相邻空间点0和和0的湍流脉动相关问题。当的湍流脉动相关问题。当很小时，在很小时，在0点的脉动速度可以通过点的脉动速度可以通过0点的脉动速度及其点的脉动速度及

42、其导数按泰勒级数予以表示。将此展开式代入导数按泰勒级数予以表示。将此展开式代入R取前两项，略去取前两项，略去高阶项，并令高阶项，并令（418）则得：则得：这里，有这里，有2项的系数定义的长度尺寸称为泰勒微尺度，项的系数定义的长度尺寸称为泰勒微尺度，它代表了涡流中最小涡旋之间的距离。在图它代表了涡流中最小涡旋之间的距离。在图411中通过中通过R曲线曲线在在0处的顶点作抛物线，其轴上的截距即为。处的顶点作抛物线，其轴上的截距即为。_22211()2uuCCx221/xRx 柯尔莫戈洛夹认为，小涡旋无法保存动能，只能消耗动能，柯尔莫戈洛夹认为，小涡旋无法保存动能，只能消耗动能，所以它只与流体的粘性和

43、单位质量流体的湍流能量耗散率所以它只与流体的粘性和单位质量流体的湍流能量耗散率有关。据此，可导出另一表示最小涡旋尺度的特征值。两种有关。据此，可导出另一表示最小涡旋尺度的特征值。两种微尺度的数学表达式如下：微尺度的数学表达式如下：，（，（419）式中，微尺度雷诺数。式中，微尺度雷诺数。上述三中尺度之间的关系可以用一组数据加以说明。上述三中尺度之间的关系可以用一组数据加以说明。表表41CFR内燃机缸内湍流参数值的比较内燃机缸内湍流参数值的比较21/2(15/ )uvC31/41/2(/ )(15)evR/euRCv进气中期进气中期5.0204.01.00.02压缩后期压缩后期1.5104.01.

44、00.031/()uCm s1/()Uvm s/slmm/mm/mm表表41所示的是在转速为所示的是在转速为2000/min、缸径和行程均为、缸径和行程均为100，气门直径为，气门直径为40，最大气门升程为，最大气门升程为10的内燃机上所的内燃机上所测缸内湍流的结果。测缸内湍流的结果。由表中数据可知，由进气中期到压缩后期湍流强度有开始由表中数据可知，由进气中期到压缩后期湍流强度有开始的约相当于的约相当于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。而积分长度而积分长度和微分尺度基本保持不变。和微分尺度基本保持不变。uC（三）内燃机缸内的湍流（三）内燃机

45、缸内的湍流图图412所示的是利用热线风速仪测得的缸内相对湍流强度所示的是利用热线风速仪测得的缸内相对湍流强度随曲轴转角变化的曲线。随曲轴转角变化的曲线。图图412缸内湍流强度随曲轴转角的变化缸内湍流强度随曲轴转角的变化/uUC由图可知，进气开始时，随着活塞下行，相对湍流强度由图可知，进气开始时，随着活塞下行，相对湍流强度不断增加，均在不断增加，均在120CA达到最大，然后下降，直至达到最大，然后下降，直至210CA左右左右达到最小。随着进气门的关闭，压缩过程开始至压缩结束达到最小。随着进气门的关闭，压缩过程开始至压缩结束360CA时，又增大，在膨胀行程，从开始到时，又增大，在膨胀行程，从开始到

46、450CA左右达最小，左右达最小，然后又开始增加直至进气门开启。总的说来，的值均大于然后又开始增加直至进气门开启。总的说来，的值均大于0.2。对于压缩行程或深坑型燃烧室，因存在着较大的压缩挤流，对于压缩行程或深坑型燃烧室，因存在着较大的压缩挤流，湍流场迅速得以增强。与此同时，在压缩过程结束时发生的燃烧湍流场迅速得以增强。与此同时，在压缩过程结束时发生的燃烧将进一步强化上述因活塞快速压缩所致的湍流运动，促使湍流强将进一步强化上述因活塞快速压缩所致的湍流运动，促使湍流强度大幅度增加。度大幅度增加。在上止点附近，欧拉积分尺度在上止点附近，欧拉积分尺度与缸内余隙高度属于同一与缸内余隙高度属于同一数量级

47、，而泰勒微尺度则主要取决于燃烧室的形状。一般来说，数量级，而泰勒微尺度则主要取决于燃烧室的形状。一般来说，具有较强挤流的燃烧室，其泰勒微尺度比较小，这一点对汽油具有较强挤流的燃烧室，其泰勒微尺度比较小，这一点对汽油机点火和火焰中心的形成产生十分有利的影响。机点火和火焰中心的形成产生十分有利的影响。缸内湍流的特性除了与活塞顶或燃烧室的几何形状有关外，缸内湍流的特性除了与活塞顶或燃烧室的几何形状有关外，/uUC/uUC/uUC还与进气门的类别、运行参数、压缩比等因素有关。还与进气门的类别、运行参数、压缩比等因素有关。带导气屏的比不带导气屏的气门所产生的湍流强度和欧拉积带导气屏的比不带导气屏的气门所

48、产生的湍流强度和欧拉积分尺度分尺度都要大些。都要大些。运行参数中，转速是影响湍流强度和尺度的一个主要因素。运行参数中，转速是影响湍流强度和尺度的一个主要因素。转速越高，湍流强度也越大，但欧拉（或称长度）积分尺度转速越高，湍流强度也越大，但欧拉（或称长度）积分尺度的值影响不大，但对微小涡旋的寿命长短的时间积分尺度却有一的值影响不大，但对微小涡旋的寿命长短的时间积分尺度却有一定的影响。一般来说，湍流的时间积分尺度随转速的增加而降低。定的影响。一般来说，湍流的时间积分尺度随转速的增加而降低。压缩比增大使湍流强度与空间尺度呈下降趋势。压缩比增大使湍流强度与空间尺度呈下降趋势。工质温度和气体粘性系数43

49、 柴油机的可燃混合气形成及燃烧室柴油机的可燃混合气形成及燃烧室 一、概述一、概述 柴油机中的混合气形成过程一般从柴油机中的混合气形成过程一般从燃料喷入燃料喷入气气缸缸开开始始至燃料喷至燃料喷完后的一段时间里止。完后的一段时间里止。 由于燃料喷入缸内需要一段时间，故随着燃料的不断喷入，缸由于燃料喷入缸内需要一段时间，故随着燃料的不断喷入，缸内的混合气成分在不断地变化；使可燃混合气无论是在时间上还是内的混合气成分在不断地变化；使可燃混合气无论是在时间上还是在空间上都表现出极大的不均匀性。结果，在混合气浓的地方，燃在空间上都表现出极大的不均匀性。结果，在混合气浓的地方，燃料因缺氧燃烧迟缓，甚至燃烧不

50、完全而引起排气冒黑烟；在混合气料因缺氧燃烧迟缓，甚至燃烧不完全而引起排气冒黑烟；在混合气稀的地方，空气却得不到充分的利用。因此，柴油机只有在平均过稀的地方，空气却得不到充分的利用。因此，柴油机只有在平均过量空气系数量空气系数1的情况下才能正常工作，这就势必造成气缸工作的情况下才能正常工作，这就势必造成气缸工作容积利用率的下降。热分解等化学过程与蒸发、混合、扩散、流动容积利用率的下降。热分解等化学过程与蒸发、混合、扩散、流动等物理过程又相互交织在一起，使得柴油机缸内的局部空燃比有可等物理过程又相互交织在一起，使得柴油机缸内的局部空燃比有可能在从零到无穷大的范围内变化能在从零到无穷大的范围内变化

51、，这一情况在整个燃烧过程中始，这一情况在整个燃烧过程中始终都可能存在。结果，在混合气浓的地方，燃料因缺氧燃烧迟缓终都可能存在。结果，在混合气浓的地方，燃料因缺氧燃烧迟缓，甚至燃烧不完全而引起排气冒黑烟；在混合气稀的地方，空气，甚至燃烧不完全而引起排气冒黑烟；在混合气稀的地方，空气却得不到充分的利用。柴油机只有在平均过量空气系数却得不到充分的利用。柴油机只有在平均过量空气系数1的情的情况下才能正常工作，这就势必造成气缸工作容积利用率的下降。况下才能正常工作，这就势必造成气缸工作容积利用率的下降。柴油机所采用的混合气形成方式主要有：燃料空间雾化混合柴油机所采用的混合气形成方式主要有：燃料空间雾化混

52、合方式方式( (简称空间式简称空间式) )，壁面油膜蒸发混合方式，壁面油膜蒸发混合方式( (油膜式油膜式) )和空间雾化和空间雾化油膜混合方式油膜混合方式( (复合式复合式) )。混合气形成的总能量主要来。混合气形成的总能量主要来自喷雾动能自喷雾动能 和气流运的和气流运的 ，即，即: : 、视所采用的混合气形成方式和燃烧室型式的不同而有不同视所采用的混合气形成方式和燃烧室型式的不同而有不同的数值。的数值。 fEaEmEmfaEEEfEaE 燃烧室的结构型式、喷油系统、进气系统三者之间的配合是改燃烧室的结构型式、喷油系统、进气系统三者之间的配合是改善油气良好混合和燃烧的关键。善油气良好混合和燃烧

53、的关键。柴油机燃烧室可以分为两大类：燃烧在一个空间中进行称直接柴油机燃烧室可以分为两大类：燃烧在一个空间中进行称直接喷射式喷射式(也叫开式或统一式也叫开式或统一式)燃烧室和燃烧在两个空间中进行的称间燃烧室和燃烧在两个空间中进行的称间接喷射式（也叫分开式）燃烧室。根据燃烧室的结构不同，混合气接喷射式（也叫分开式）燃烧室。根据燃烧室的结构不同，混合气的的形成形成也不同。下面简要介绍不同燃烧室的结构及其性能特点。也不同。下面简要介绍不同燃烧室的结构及其性能特点。 二、直接喷射式燃烧室二、直接喷射式燃烧室 与间喷式燃烧室相比，直接喷射式燃烧室具有结构简单、燃消与间喷式燃烧室相比，直接喷射式燃烧室具有结

54、构简单、燃消耗低耗低1520%、启动容易等优点。但进气系统要求高，转速适应范、启动容易等优点。但进气系统要求高，转速适应范围更小围更小, ,噪声大，排放欠佳，喷射系统要求高等缺点。噪声大，排放欠佳，喷射系统要求高等缺点。 在在D100mm的柴油机中，它的应用占统治地位。由于它具有的柴油机中，它的应用占统治地位。由于它具有高的热效率，易于启动，加上近年来人们在进气道和燃油系统方面高的热效率，易于启动，加上近年来人们在进气道和燃油系统方面取得进展，目前在传统上采用间喷式燃烧室的柴油机上（取得进展，目前在传统上采用间喷式燃烧室的柴油机上（D100mm， n 4000r/min)也正在得到越来越多的应

55、用。也正在得到越来越多的应用。 直喷式燃烧室按其活塞顶部凹坑的深浅又可分为开式燃烧室直喷式燃烧室按其活塞顶部凹坑的深浅又可分为开式燃烧室（浅凹坑）和半开式燃烧室（深凹坑）。（浅凹坑）和半开式燃烧室（深凹坑）。 1.1. 开式燃烧室开式燃烧室 整个燃烧室是由气缸盖底面、活塞顶面及气缸壁所形成的统整个燃烧室是由气缸盖底面、活塞顶面及气缸壁所形成的统一空间，如图所示：一空间，如图所示：图图4 436 36 开式燃烧室开式燃烧室 （a）（）（c）缸盖底面是平的，适用于布置四气门（进、排气阀）缸盖底面是平的，适用于布置四气门（进、排气阀各两个）喷油器启动阀等。它们适应于四冲程增压柴油机和二冲程各两个）喷

56、油器启动阀等。它们适应于四冲程增压柴油机和二冲程气口气阀直流扫气的柴油机上。（气口气阀直流扫气的柴油机上。（d）燃烧室的凹坑设在缸盖的）燃烧室的凹坑设在缸盖的底部，活塞顶可以是平的或细微向上凸起，燃烧室的轮廓与二冲程底部，活塞顶可以是平的或细微向上凸起，燃烧室的轮廓与二冲程增压柴油机回流扫气和横流扫气的气流轨迹相吻合，主要用在气缸增压柴油机回流扫气和横流扫气的气流轨迹相吻合，主要用在气缸盖上无气门的船用低速增压发动机上。盖上无气门的船用低速增压发动机上。 开式燃烧室用于开式燃烧室用于D200mm的涡轮增压柴油机上较好，其燃油的涡轮增压柴油机上较好，其燃油直接喷入气缸，混合气的形成属空间雾化混合

57、方式。直接喷入气缸，混合气的形成属空间雾化混合方式。 主要特点：主要特点： (1)(1)开式燃烧室是无空气涡流或弱空气涡流的燃烧室，使用的开式燃烧室是无空气涡流或弱空气涡流的燃烧室，使用的进气道为直进气道或切向进气道，混合气形成主要依靠多孔喷嘴及进气道为直进气道或切向进气道，混合气形成主要依靠多孔喷嘴及较高的喷油压力，以使燃油喷散雾化并均匀地分布于整个燃烧室中较高的喷油压力，以使燃油喷散雾化并均匀地分布于整个燃烧室中。孔数为。孔数为612个；孔径在个；孔径在0.250.8mm之间，大型低速二冲程柴油之间，大型低速二冲程柴油机喷孔孔径有的达到机喷孔孔径有的达到1.2mm。孔径小于。孔径小于0.2

58、mm容易产生堵塞等故障容易产生堵塞等故障。组织高压喷射。组织高压喷射, ,针阀开启压力达到针阀开启压力达到2040MPa，最高喷油压力，最高喷油压力甚至高达甚至高达100MPa以上。油气混合所需的能量集中于燃油，燃油以上。油气混合所需的能量集中于燃油，燃油喷散雾化并均匀的分散在燃烧室中，喷雾中的油滴与周围的空气喷散雾化并均匀的分散在燃烧室中，喷雾中的油滴与周围的空气之间的动量交换，使被卷入喷雾的空气产生加速运动，从而形成之间的动量交换，使被卷入喷雾的空气产生加速运动，从而形成了如图了如图437所示的空气运动，促进了喷雾与周围空气间的混合所示的空气运动，促进了喷雾与周围空气间的混合与热交换。与热

59、交换。 图图4 43737无涡流式燃烧室混合气形成示意图无涡流式燃烧室混合气形成示意图 图图4 43838无涡流时喷雾前端着火后火焰运动情况无涡流时喷雾前端着火后火焰运动情况着火以后火焰如图着火以后火焰如图4 43838所示的所示的a a、b b、c c三个方向的运动，对中三个方向的运动，对中后期的燃烧起着重要的作用。后期的燃烧起着重要的作用。 图图4 43939开式燃烧室主要结构尺寸开式燃烧室主要结构尺寸 (2) (2)为了充分利用燃烧室中的空气，并避免喷雾和火焰与为了充分利用燃烧室中的空气，并避免喷雾和火焰与冷的气缸壁直接接触，要求喷雾与燃烧室形状很好地配合。冷的气缸壁直接接触，要求喷雾与

60、燃烧室形状很好地配合。喷油夹角喷油夹角(图图4 439)39)应根据燃烧室形状及喷油嘴喷孔伸出气应根据燃烧室形状及喷油嘴喷孔伸出气缸盖底面的程度而定。对于四冲程柴油机缸盖底面的程度而定。对于四冲程柴油机120120CACA160160CACA，油束的贯穿度一般取，油束的贯穿度一般取1 11.041.04（喷雾长度（喷雾长度L L：油嘴到：油嘴到燃烧室壁的直线长度）。燃烧室壁的直线长度）。 (3)(3)为了保证燃料充分燃烧，一般为了保证燃料充分燃烧，一般=1.62.2。为了降低热负。为了降低热负荷，也需要大量扫气空气。荷，也需要大量扫气空气。 (4)(4)燃烧室结构紧凑，形状简单，相对散热面积面