内燃机混合气形成

内燃机缸内气体运动方式涡流挤流滚流湍流第一页，共27页。

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1／4~1／3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。第二页，共27页。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。第三页，共27页。第四页，共27页。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第五页，共27页。(1)采用带导气屏的进气门

图5—1a

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5—2b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。第六页，共27页。改变导气屏包角β的大小和导气屏安装角α(OO’

导气屏对称中心线与气缸轴线的夹角，见图5—2b)的大小，均可改变涡流强度。β角一般常选80—120°，α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)。第七页，共27页。第八页，共27页。第九页，共27页。

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。导气屏缺点第十页，共27页。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5—1b)第十一页，共27页。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5—2d)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5—1c)第十二页，共27页。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。第十三页，共27页。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．气道的评定方法第十四页，共27页。在稳流气道试验台(图5—3)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。第十五页，共27页。

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。第十六页，共27页。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υ0为理论进气速度为进气道压力降，一般取2.5kPaρ为气门座处气体的密度(kg／m3)Ricardo方法第十七页，共27页。Ricardo无量纲涡流数NR为:D为缸径υ0为理论进气速度为叶片旋转角速度第十八页，共27页。Ricardo涡流比为为叶片旋转角速度ωe为叶片旋转角速度第十九页，共27页。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。第二十页，共27页。缩口型燃烧室第二十一页，共27页。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。第二十二页，共27页。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5—4)。第二十三页，共27页。第二十四页，共27页。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。第二十五页，共27页。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，τ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、湍流第二十六页，共27页。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