第4讲20121019内燃机缸内流动

1、1 宋金瓯宋金瓯天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室20122012年年1010月月内燃机中的流体运动内燃机中的流体运动 23内燃机缸内流动的特点内燃机缸内流动的特点 缸内流动：平均流场存在循环变动，不可重复性缸内流动：平均流场存在循环变动，不可重复性iuiUiu,EAUiUiUiiuiUiUiuEA, 1 2211,NEAiuuiN NiEAiUNU1,13习惯上：习惯上：高频脉动、高频脉动、低频脉动低频脉动低频脉动不是脉动，而是循环变动低频脉动不是脉动，而是循环变动,Ui,ui43 内燃机缸内流动的形式内燃机缸内流动的形式 涡流涡流：在进气过程中形成的绕气缸

2、轴线的气流运动称为进气涡流进气涡流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压缩涡流3 内燃机缸内流动的形式 5表征涡流强弱的参数：涡流比表征涡流强弱的参数：涡流比2260Ni iiiNi iimrvSRnmr3 内燃机缸内流动的形式 6实验中测量涡流比方法实验中测量涡流比方法在稳流实验台上：SR=Vs/VpVs=2NsRcNs叶片风速仪转速，rev/s；Rc叶片风速仪旋转中心半径，m。Vp=Q/AcQ进入缸内的气体流量，m3/s；Ac气缸横截面积，m2。3 内燃机缸内流动的形式 7稳流实验台测得的涡流比稳流实验台测得的涡流比不代表缸内涡流比，只是评判气道不代表缸内涡流比，只是评判气道

3、缸内流体是一段时间累积量；实验台测量瞬态流量；缸内流体是一段时间累积量；实验台测量瞬态流量；缸内涡流比初期受活塞影响，而实验测量不受活塞影响；缸内涡流比初期受活塞影响，而实验测量不受活塞影响；对混合气形成、燃烧产生影响的是进入燃烧室的涡流比。对混合气形成、燃烧产生影响的是进入燃烧室的涡流比。83 内燃机缸内流动的特点内燃机缸内流动的特点 在上止点附近，大尺度的滚流破裂成小尺度的涡，湍流强度增大在上止点附近，大尺度的滚流破裂成小尺度的涡，湍流强度增大。 滚流滚流在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线方向的有组织的空气旋流，称为滚流滚流或横轴涡流横轴涡流 。93 3 内燃机缸内流动的特点内燃机缸内流

4、动的特点直喷汽油机燃烧室直喷汽油机燃烧室3 内燃机缸内流动的特点10与燃烧室形状关系更紧密与活塞位置关系密切缸内滚流是压缩过程逐渐形成的方向（旋转轴）确定实验测得的滚流比TR=Vt/Vp11 3 内燃机缸内流动的特点内燃机缸内流动的特点 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。 挤流挤流：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 。3 内燃机缸内流动的特点 122()1)4BpBPVdDvzdVAzSFV式中：vp：活塞瞬时速度； Vp：活塞平均速度； d：活塞凹坑开口直径；D：气缸直径；z：

5、缸盖到活塞顶面的距离；VB ：燃烧室容积； A：气缸截面积挤流比挤流比134 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变涡流比与角动量涡流比与角动量2260Ni iiiNi iimrvSRnmr1Nii iiAMmv r涡流比涡流比角动量角动量不考虑摩擦，角动量守恒不考虑摩擦，角动量守恒随旋转半径而改变随旋转半径而改变144 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变35CAD ATDC进气初期：气流与壁面相互作用最剧烈处，湍流很大气流与壁面相互作用最剧烈处，湍流很大154 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变115CAD ATDC进气中期 ：气流喷射入口处湍流速度最大，靠近活塞表

6、面，湍流速度最小气流喷射入口处湍流速度最大，靠近活塞表面，湍流速度最小 164 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变165CAD ATDC进气后期 ：进气流速降低，剪切作用减弱，整个流场的湍流十分均匀进气流速降低，剪切作用减弱，整个流场的湍流十分均匀 174 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变进气行程进气行程进气初期进气初期，湍流高且不均，涡流速度也小。进气中期进气中期，湍流趋于均匀，涡流明显分层，进气后期进气后期，缸盖处涡流减少，活塞表面涡流最大。 184 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变压缩行程压缩行程压缩冲程初期压缩冲程初期，分层涡流结构仍然存在到到256C

7、AD(ATDC)256CAD(ATDC)，各截面涡流十分接近。225 (ATDC)225 (ATDC) 轴向湍流均匀分布19吸气过程无影响压缩过程BDC-265CADATDC影响不大265CADATDC-TDC开始影响在上止点附近，差别增大。 4 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变活塞凹坑形状的影响活塞凹坑形状的影响204 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近涡流上止点附近涡流燃烧室形式燃烧室形式 ：凹坑高度一致，容积相等，平均半径也相等 ，压缩比为18 BCA缸 径/mm冲 程/mm压缩比初始涡流比余隙高度/mm转速/rpm连杆长度/mm8595181.81160

8、0160210dtd0dtd0dtd0t4 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近涡流：上止点附近涡流：总体平均涡流比总体平均涡流比-120-80-400401.52.02.53.03.54.04.5Swirl Ratio Crank Angle/ATDC 缩口 直口 敞口-120-80-400401050110011501200125013001350Amom /g.cm2.s-1Crank Angle/ATDC 缩口 直口 敞口涡流比在上止点附近出现峰值，并不关于上止点对称涡流比在上止点附近出现峰值，并不关于上止点对称缩口燃烧室涡流比略低于其他两种燃烧室缩口燃烧室涡流比略低

9、于其他两种燃烧室22 4 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近涡流：上止点附近涡流：横截面上平均涡流比横截面上平均涡流比0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02345678910 z/cmSwirl Ratio 敞口 直口 缩口0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0345678910 敞口 直口 缩口Swirl Ratioz/cm15BTDC，横截面平均涡流比梯度在燃烧室上半部较大，横截面平均涡流比梯度在燃烧室上半部较大 TDC， 入口处和近底部处梯度较大，中部梯度较小入口处和近底部处梯度较大，中部梯度较小 15BTDC

10、TDC234 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近：上止点附近：纵向剖面速度矢量纵向剖面速度矢量 15BTDC时刻，最大箭头长度Vmax=30.0m/s TDC时刻，最大箭头长度Vmax=30.0m/s 涡环起着传递角动量的作用涡环起着传递角动量的作用 244 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近：横截面内切向速度分布0.00.20.40.60.81.00123456 r/Rv/Vp 敞口 直口 缩口0.00.20.40.60.81.001234 v/Vpr/R1 敞口 直口 缩口燃烧室入口截面（活塞顶面） 燃烧室中间截面（高度1/2处）区为靠近气缸中心线区

11、域，非涡环影响区，刚体流状态；区为大涡环影响区域，呈刚体流状态；区为大涡环和小涡环交界区，介于刚体流和势流中间；为小涡环影响区或近壁区，呈势流状态。 15BTDC15BTDC254 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近：上止点附近：横截面内切向速度分布横截面内切向速度分布：TDC 燃烧室入口截面（活塞顶面） 燃烧室中间截面（高度1/2处） 0.00.20.40.60.81.001234567 敞口 直口 缩口v/Vp r/R0.00.20.40.60.81.001234敞口敞口 r/Rv/Vp 敞口 直口 缩口1/2截面：、区，上表面受小涡环作用，下表面受大涡环作用，此时截面

12、切向速度分布十分复杂，可近似看作均匀流。 TDCTDC264 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近涡流上止点附近涡流结论：结论： （1）总体平均涡流比仅取决于气流旋转半径、初始角动量、 及运动中的摩擦耗散；（2）横截面上平均涡流比，取决于活塞开口形式；（3）燃烧室横截面上切向速度分布： 在主要由大涡环作用的截面，基本上是刚性流； 在小涡环作用区域，可以看作是势流； 在大小涡环共同作用的截面，可以看作是均匀流； 在大、小涡环分区作用的截面，刚性流与势流组合。 274 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近湍流：定义参数2()1)4BpBPVdDvzdVAzSFV

13、DdCFh挤流强度凹坑形状因子0.52()3NiiiNpiikmTFVm湍流强度28TFSRSRperperTFSFSFperperTFCFCFperper影响度 相对增幅 00SRSRSRperSR00SFSFSFperSF00CFCFCFperCF00TFTFTFperTF4 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近湍流：上止点附近湍流：定义参数定义参数294 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近湍流：计算基准上止点附近湍流：计算基准燃烧室：燃烧室：A基准燃烧室、B与A形状因子相同、C与A挤流相同A B C D分析涡流、挤流、形状因子对湍流强度的贡献304

14、4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近湍流上止点附近湍流涡流对湍流的影响：涡流对湍流的影响：同一燃烧室仅改变其初始涡流比-18-15-12-9-60.420.440.460.480.50SR曲轴转角/ATDC在区间-18 -5 ATDC内，涡流比影响度涡流比影响度随着活塞上行随着活塞上行大致成线性下降，大致成线性下降，但由于其变化范围较小，但由于其变化范围较小，为为0.4330.49，因此可认为涡流比的影响度不随曲轴转角变化。 314 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近湍流上止点附近湍流挤流对湍流的影响：挤流对湍流的影响：比较燃烧室B和A（基准燃烧室）-18

15、-16-14-12-10-8-6-40.30.40.50.60.7曲轴转角 /CA SF在-18 -5 ATDC内，挤流影响度变化范围为0.350.65，并且随着活塞上行基本成线性增加。 324 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点附近上止点附近形状因子对湍流的影响：形状因子对湍流的影响：比较燃烧室C和A（基准燃烧室）-18-16-14-12-10-8-6-40.090.100.110.12曲轴转角 /CA FC在-18-5A TDC，形状的影响度介于0.0860.117之间，随活塞上行逐渐增大，在接近上止点时趋于不变。 334 4 内燃机缸内流动的内燃机缸内流动的演变演变上止点

16、附近湍流上止点附近湍流3个因素共同作用：个因素共同作用：比较燃烧室D和A（基准燃烧室）-18-16-14-12-10-8-6-4020406080100 曲轴转角 /CA湍流强度相对增幅/% 涡流比变化引起的增幅 形状变化引起的增幅 挤流变化引起的增幅 湍流总增幅-估算 湍流总增幅-直接计算估算总增幅相对计算总增幅的误差为32.446.4%。这说明，在转速、压缩比不变的情况下，湍流强度的实际变化不等于这三个因素影响的简单迭加。 34曲轴转角perSRSRperSRperCFCFperCFperSFSFperSF估算计算-18 ATDC0.11840.0550.62180.0534130.42840.14990.25830.4822-15 ATDC0.12020.05490.62180.0595940.43340.17970.29420.5298-12 ATDC0.11640.05160.62180.0656180.43010.21020.32750.5569-10 ATDC0.12140.0519780.6220.0687660.42600.22910.34980.5768-8 ATDC0.12560.0518440.6220.0724060.40820.23370.35790.