（动力机械及工程专业论文）高雷诺数气道稳流变压差试验研究.pdf

摘要节约能源和降低排放是内燃机工作者追求的目标。内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程有着重大影响，也影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害气体的排放。柴油机的缸内空气运动有涡流运动和挤流运动，气流对燃油喷注的作用在于促进燃油在燃烧室中的雾化及其与空气的混合过程；汽油机的缸内空气运动有涡流运动、滚流运动和挤流运动等，其作用在于宏观运动破碎时所带来的缸内气体湍流运动的加强，从而提高燃烧速率，改善燃烧过程。组织良好的缸内空气运动有利于满足严格的排放法规和对燃油经济性的需要。而发动机气道的性能是影响缸内空气运动的关键，进气道的质量指标有流动阻力和涡流强度，对组织进气涡流的发动机来说，希望在最小的阻力下有足够的涡流强度，因此，进气系统一直是影响性能的一个重要项目。但是，在柴油机运转时，进气系统一直是间歇的不稳定流动，目前都是在气道稳流试验台上进行稳定流动的模拟试验。气道压差较大时，按不可压缩气体计算流量系数和涡流强度会产生较大误差，探明与变压差相关的可压缩流体的流动过程、膨胀、超高雷诺数下的流量、流速的影响及对工程计算技术的开发具有重要的理论意义和实际价值。本文通过对缸内空气运动涡流比公式分析，指出充气效率和上一循环残余废气也是影响涡流比不可忽视的重要因素；通过分析滚流形成的物理模型，提出在某一临界曲轴转角内滚流无法形成，我们的涡流比、滚流比预测模型更接近实际。本文推导出只与压力比有关的可压缩、不可压缩气体的流量系数和滚流强度比值关系式。研究了大气道压差、大雷诺数下无量纲流量系数和滚流强度的变化规律，指出流量系数随着压差的增大而增大，滚流强度随着压差的增大而减小。绘制了大压差下流量系数和滚流强度误差的工作图表，并进行了验证。同时对不可压缩气体滚流比的变化情况进行了研究，指出按不可压缩气体计算的滚流比比实际值要大，其误差随着压差的增大而增大。变压差气道稳流试验不需要保持缸内恒压差条件，在保证形成充分发展的湍流情况下，其试验结果与恒压差一致。变压差试验操作简单，可成倍地提高进、排气气道流动性能的检测效率，适合于批量生产的流水线上在线检测。关键词：气道稳流试验台流量系数涡流比变压差a b s t r a c ts a v i n ge n e r g ys o u r c e sa n dr e d u c i n ge m i s s i o n sa r et h e2p u r s u i tt a r g e t so fa l le n g i n er e s e a r c h e r s t h ea i rf l o wi n s i d et h ec y l i n d e ro f t h ee n g i n ed e c i s i v e l yi n f l u e n c e st h ef o r m a t i o no ft h ea i rf u e lm i x i n ga n dc o m b u s t i o np r o c e s s i ta l s oi n f l u e n c e st h ep o w e ra n de c o n o m i cp e r f o r m a n c e st o g e t h e rw i t ht h en o i s eo fc o m b u s t i o na n dt h ee m i s s i o no ft h ee x h a u s tg a s t h eb u l kf l o wm o d e si n s i d et h ec y l i n d e ro ft h ed i e s e le n g i n ei n c l u d es w i r la n ds q u i s hm o t i o n s t h ef u n c t i o no ft h ea i rm o t i o no nt h ef u e ls p r a y i n gi st op r o m o t et h ea t o m i z a t i o ni nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e ra n dt h ep r o c e s sf o rm i x i n gw i t ht h ea i r w h i l et h ea i rf l o wi n s i d et h ec y l i n d e ro ft h eg a s o l i n ee n g i n ei n c l u d e st h es w i r l ，t u m b l ea n ds q u i s hm o t i o n s ，w h i c hc a l lb eu s e dt h et u r b u l e n c ei n s i d et h ec y l i n d e ra n dt h ec o m b u s t i o nr a t ei sp r o m o t e d ，t h ec o m b u s t i o np r o c e s si si m p r o v e d s ot h es t r i c tr u l e so ft h ee m i s s i o n sa n df u e le c o n o m i cr e q u i r e m e n t sc a r lb ee f f e c t i v e l ya c h i e v e dt h r o u g ht h ea i rf l o wi n s i d et h ec y l i n d e rt ob ew e l lo r g a n i z e d t h ea i rf l o wi n s i d ec y l i n d e ri sa f f e c t e db yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n l e tp o r to ft h ee n g i n e t h ep a r a m e t e ro f t h ei n l e tp o r t sc o n s i s t so f f l o wc o e f f i c i e n ta n ds w i r l f o ro r g a n i z i n gt h ei n t a k es w i r li nt h ee n g i n e ，h i g h e rf l o wc o e f f i c i e n ta n dr e s o n a b l es w i r li n t e n s i t ya r ed e s i r a b l e t h u s ，t h ei n l e tp o r ts y s t e mi sa l w a y sa ni m p o r t a n tf a c t o rf o r t h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n e h o w e v e r , s i n c et h ea i rf l o wi nt h ei n l e ts y s t e mi sat r a n s i e n ta n du n s t a b l ef l o wd u r i n gt h eo p e r a t i o no fi c e n g i n e ，a tp r e s e n tt h es i m u l a t i n gt e s tc a no n l yb ec a r r i e do u to nas t e a d yf l o wt e s tr i gf u rp o r t t h ee r r o ro ft h ef l o wc o e 街c i e n ta n ds w i r li n t e n s i t yw i l lb e c o m eb i g g e rf o rt h ei n c o m p r e s s i b l eg a sw h e nt h ep r e s s u r ed r o pf o rt h ep o r ti sl a r g e r i ti so f p r a c t i c a lv a l u et op r o v eu pt h ee f f e c to fc o m p r e s s i b l eg a sp r o c e s sa n dt h ef l u xu n d e re x t r e m e l yh i g hr e y n o l d sn u m b e r s ，f l o wa sw e l la se n g i n e e r i n gt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t t h i sa r t i c l ep o i n t so u tt h a tt h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya n dt h ee x h a u s tg a sr e m a i n i n gf r o mt h el a s tc y c l e sk r ei m p o r t a n ta n dn o n - n e g l e c t a b l ef a c t o r st oi n f l u e n c et h es w i r lr a t i ob yt h ea n a l y s i so ft h ef o r m u l ao ft h es w i r lr a t i oi n s i d et h ec y l i n d e r i tp u tf o r w a r dt h a tw i t h i ns o m ec r i t i c a lc r a n ka n g l e ，t h et u m b l ef l o wc a n tb ef o r m e db ya n a l y z i n gt h et u m b l e sp h y s i e sm o d e l ，o u rp r e d i c t a b l em o d e l sf o rs w i r lr a t i oa n dt u m b l er a t i oa r em o r ea c c u r a t ew i t ht h ep r a c t i c e t h i sp a p e rd e r i v e dt h ef o r m u l a so ft h er a t i oo fi n c o m p r e s s i b l ea n dc o m p r e s s i b l ef l o wc o e f f i c i e n ta n dn o n d i m e n s i o n a ls w i r ln u m b e r , s t u d i e dt h e i rr u l e sw h e np r e s s u r ed r o pa n dr e y n o l d sb e c o m eb i g g e r ，i n d i c a t e dt h ef l o wc o e f f i c i e n tw i l lb e c o m eb i g g e ra n dn o n - d i m e n s i o n a ls w i r ls m a l l e ra l o n gw i 也p r e s s u r ed r o p sa u g m e m e v e np r o t r a c tt h e i re r r o rc h a r t t h e ya l ea l lp r o v e d a tl a s t ，i ta l s oi n d i c a t e dt h a tt u n a b l er a t i ow i l lb e c o m eb i g g e ra st h ep r e s s u r ed r o pi si n c r e a s e d n o n - c o n s t a n tp r e s s u r es t e a d yf l o wt e s to ft h ei n l e tp o r td o e s n tn e e dt h ec o n s t a n tp r e s s u r ed r o pi nt h ec y l i n d e r u n d e rf u l l yd e v e l o p e dt u r b v u l e n tf l o w , b o t ht h ec o n s t a n tp r e s s u r ed r o pt e c h n o l o g ya n dt h en o n c o n s t a n to n eh a v et h es a m et e s tr e s u l t n o n c o n s t a n to n ei se a s yt oo p e r a t ea n dc a l li m p r o v et h ef l o wp e r f o r m a n c e & t h ei n l e ta n de x h a u s tt e s t i n ge f f i c i e n c yd o u b l 弘i ti ss u i t a b l ef o rt h et e s ti nt h eq u a n t i t yp r o d u c t i o np r o c e s s i n gl i n e k a o r d s ：s t e a d yf l o wt e s tr i gf o rp o r tf l o wc o e f f i c i e n ts w i r lr a t i on o n c o n s t a n tp r e s s u r ed r o p独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨凄盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：叫良签字嘞二卿年7 月潮学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫壅盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)靴做储微：煳哏签字日期：1 矾矿年7 月。瑚导师繇力伊毳签字日期：汐多年夕月厶莎日第一章绪论第一章绪论1 1 引言内燃机自18 8 6 年发明至今，经历了一个多世纪的发展，经过不断的创新和完善，已经成为当今热效率最高的动力装置，对推动人类文明的发展起了极其重要的作用“。目前，内燃机仍是热效率最高的热力发动机，它所发出的功率占全世界所有动力装置的9 0 ，消耗的能源占世界能源消耗的4 6 。! ，同时由于它的使用寿命长、工作可靠、操作方便、价格低廉，被广泛地应用于人类社会的各个领域。尽管入类试图用新的动力取代内燃机，但是直到今天也没有找到种可以真正取代内燃机的动力源。然而，任何事情都是分为二的，随着汽车保有量的不断增加，它给人类带来的负面影响也日渐突出，能源问题和环境保护问题成了人类面福的主要问题。1 1 1 环境问题近几十年来，随着工业发展和能源消耗同益增加，燃烧过程产生的有害物质对大气产生了严重的污染。特别是石油燃料的大量消耗所引起的不利结果，在工业与交通集中的那些地区表现得最为突出，并引起人l r 的普遍关注。环境保护问题大致可分为两类”：区域性污染：指废气中的h c ，c o ，n o ；，颗粒排放，苯，甲醛等有毒气体对人类健康的损害。全球性污染：指废气中的c o ：等气体造成温室效应，致使全球变暖，同时使地球臭氧层遭到破坏，而废气中所含的s o ：导致的酸雨，造成森林死亡，危害地球生物。汽车是当今大气污染的最大污染源已经被许多国家的调查所证实。目前，世界上大约有两亿辆汽车，其中大部分在城市行驶，这些汽车每年排出两亿吨一氧化碳，四千万吨碳氢化合物，两千万吨一氧化氮等有害气体，对人类的生存环境造成了严重危害。6 0 年代末，世界上大气污染最严重的国家是美国和r 本，最早发现光化学烟雾的地方是美国的洛杉矶。不断发生公害的事实迫使第一苹绪论人们重视大气污染的保护工作。世界各国相继制定了法令，采取法律措施来控制大气污染。图卜l 是欧洲的排放法规。“。在这些法规的约束下，目前道路上每辆汽车的有害排放物已经降到上世纪6 0 年代朱期的十分之一。然而，由于汽车保有量的增加，污染问题仍在加剧。据研究”，目前大气中2 1 7 的h c 、3 8 5 的c o 、8 7 6 的n o 。1 1 7 的c oz 、6 2 的s o 。、3 2 的微粒来自汽车。因此，为了保护环境，必须制定更加严格的排放法规限制汽车的有害排放。随着我国国民经济的迅速增长，我国汽车工业也得到了迅猛发展，摩托车数量也在大幅度增加，但市场远远没有饱和，中国目前汽车的保有量仅为只有8 千多万人口德国的l 4 左右。随着经济的进步发展，交通运输和汽车保有量必将继续高速增长，对能源供e u r 0 3 ，e u r 0 4 对应技术排放控制的变迁( 汽油、柴油轿车)售。 2扣0e u ”i因为汽油的排出量非常小，故而未设定限制僵1沁。2le u r o3-e ”, r 0 4 ( e u y 0 5 )g y图卜1 欧洲的排放标准应和环境污染造成极大的压力。我国目前执行的排放标准是欧洲一阶段的排放标准。汽车排放比国际水平高出许多倍”。对于道路车辆发动机，从2 0 0 0 年1 月1 日起执行欧洲i 号排放标准，从2 0 0 5 年起执行欧洲i i 号标准。1 1 2 能源问题传统的内燃机使用的燃料是由石油炼制而成，因其便于储存、2一点皇一ho蔫弟一苹绪论运输、相对价格低廉而被广泛采用。随着世界经济的急速发展，对石油能源的需求也在不断增加。现在全世界每年约消耗石油3 x l09吨，而按已发现世界储量估算，只能供应4 0 年左右”。当然，无论是石油储量还是消耗量都不是常量，石油储量也会出新的探明，消耗量也会由新的需求，但地球上石油储量总是有限的。除非采取有效方法，石油能源危机将无法避免。因此，在发明或是发现新的能源之前，我们必须做到：提高发动机的效率以延长石油的使用时间；努力寻找代用动力以及使用石油以外的代用燃料。目前，发达国家纷纷对汽车的燃油经济性制定了法规“，日本2 0 0 0 年基准轿车要比19 9 0 年节油8 5 ，商用车在2 0 0 3 年要比l9 9 0年节油4 6 ，并且今后更加强化立法。美国的标准c a f e ( c o r p o r a t ea v e r a g ef u e le c o n o m y ) 规定9 7 、9 8 年新型车的以后限值为：l d v( l i g h td u t yv e h ic le ) 2 7 5 m p g ( 公里加仑) ，l d t ( l i g h td u t yt r u c k ) 2 0 7 m p g ，并且要求在以后的1 0 15 年内车用发动机的燃油消耗平均每年下降2 ，到2 0 1 0 年l d v 的燃油利用率从目前的2 7 5 m p g提高到3 5m p g ，l d t 的燃油利用率从目前的2 0 7 m p g 提高到2 7 5m p g ，也就是说，在未来的1o 1 5 年内使发动机的油耗再降低3 0 ，美国汽车星球大战计翅i 甚至提出了每百公里油耗3 升的开发目标。欧洲汽车工业协会提出了一项自我限制法案，要求以l9 9 5 年为基准到2 0 0 5年油耗减少15 ( 每百公里油耗6 l ) 。德国汽车工业协会也提出了自我限制法案，以1 9 9 0 年为基准到2 0 0 5 年油耗减少2 5 。法国按各制造商自己的新车平均将c o 。排放量降至l5 0 9 k m 。1 2 内燃机有害排放物的生成机理1 2 1 汽油机有害排放物生成机理及其影响因素汽油机的排放量较大且对环境有严重污染的是h c ，c 0 ，n o x 三种。1 2 1 1h c 是由未燃烧的燃料烃、不完全氧化产物以及燃烧过程中部分被分解的产物所组成。它有三个来源一一缸壁激冷效应、充量不完全燃烧以及= 冲程汽油机的扫气过程。在车用四冲程汽油机工作正常的情况下，排气中的h c 主要来自缸壁的激冷效应”。当混合第一覃绪论气过浓时，由于空气不足，充量燃烧不完全，会使排气中的h c 浓度上升。当混合气过稀或缸内废气过多时，会出现火焰传播不充分，即燃烧室部分地区由于混合气过稀或缸内残余废气系数过高而不能完全燃烧，出现断火。这时，排气中的h c 浓度显著增加。二冲程汽油机由于换气不完善，一部分新鲜充量未经燃烧就在换气过程中排出。增压四冲程汽油机的烃排放量有部分也来自扫气。美国通用汽车公司的b l i n t 和b e c h t e l 通过试验研究，提出燃烧室缝隙效应的观点，认为隐藏在燃烧室缝隙中( 主要是活塞顶岸的第一环后面的间隙) 的混合气或液态油滴，因火焰无法传入而不能燃烧，成为汽油机h c 的又一个重要来源。一般来讲，缝隙效应h c排放的影响不大，但在低负荷运转条件下，在活塞上行活塞环扫过缸壁时，在冷壁区凝结的燃油更容易堆积在活塞顶岸的第一环后面的间隙中，使h c 排放升高。1 2 1 2c o 是烃燃料燃烧的中间产物”。排气中的c 0 是由于烃的不完全燃烧所致。烃燃料与空气进行完全燃烧时可用下列简化的反应式表示：c 。h 。+ ( m + 号) 0 2 = m c 0 2 + 号h2 0上式避明一个含m 个碳原子和n 个氢原子的烃燃料分子完全燃烧需要( m + n 4 ) 个氧分子。当以理论空燃比完全燃烧时，1 9 烃燃料大约需要1 4 7 9 空气。当空气不足时，部分燃料将不能完全燃烧，生成c 0 和h ，c o 就是烃燃料在燃烧过程中形成的一种不完全氧化产物，其形成过程可表示如下：r h j r 等r o ：j r c _ o r c o j c o式中：r h 一一烃烯燃料分子；r 一一烃基；r o 。一过氧烃基；r c h o 一一醛：r c 0 一一酰基。其中，r c o 自由基生成c o 是通过热分解或通过下列方式实现：r c o + 0 ，o h ，0 ，h - - c o + 第一苹绪论c o 在火焰中或焰后区的主要氧化反应为c 0 + h c j c 0 2 + h上述反应的正向和逆向反应速度都很高，一般情况下可以达到瞬时化学平衡，因此在内燃机膨胀过程中，只要氧化活化基o h 供应充分，高温下形成的c 0 在温度下降时仍能很快转变为c o 。然而在供氧不足的浓混合气情况下，由于o h 基被h 夺走而束缚在h 。0 中，高温下形成的c 0 就会流在燃气中而最终排出发动机外。由此可见，c 0 排出浓度基本上受空燃比所支配。当混合气过浓，随着a f 的减小，c o 浓度上升很快。理论上，当混合气空燃比大于理论空燃比时，在氧气过剩的稀混合气情况下，排气中将不存在c o 而代之产生0 ：。实际上由于各缸混合比不一定均匀一致，燃烧室各处的混合也不均匀，出现局部的缺氧区域，在排气中仍会有少量的c o 产生。即使燃料和空气混合很均匀。由于燃烧后的高温，已经生成的c o ，也会有一小部分被分解成c 0 和0 。另外排气中的h ：和未燃烃h c 也可能将排气中的一部分c 0 ：还原成c 0 。1 2 1 3n o 。生成机理”2 ：内燃机排气中的氮氧化物( n o ；) 主要是n o ，但在进入空气后，会很快被氧化成n o 。n o ；的生成机理与h c及c o 不同，它不是混合气不完全燃烧的结果。它的生成与燃烧的扩散混合、浓度分布、火焰浓度分布及热的传导等一系列因素有关，反应机理十分复杂。汽油中基本不含氮的成分，n o 。的生成主要来源于燃烧所需的空气中n 。与0 ：在燃烧高温作用下所发生的热反应机理( t h e r m a ln o 反应机理) 。此机理认为：与可以很快达到平衡状态的燃烧反应速度相比，n o 的生成过程比较缓慢，对温度的依赖性较大，需要吸收较多的热量，一般要到火焰后期才产生有关反应。其反应基本过程是：n2 + o 营n o + nn 2 + o2 n o + 0n + o h 营n o + h上述反应过程称之为生成n o 扩大的谢尔多维奇( z e ld o v ic h )第一苹绪论反应机理。、另外，在火焰初期实际上也存在早期生成的n o ，通常称之为瞬发的n o ( p r o m p tn o ) 。在反应气体中含有较多的原子团和含氮的中间体，这些含氮的中间体十分活跃，能比按谢尔多维奇机理预测的速度更快地生成附加的n 0 。当空燃比在15 5 左右时，混合气燃烧速度最快，循环温度最高，又有多余的0 ：，n o 。的浓度最大；而当空燃比大于或小于15 5 时。n 0 。的生成反应分别受到燃烧温度或氧的浓度的限制，致使n o 。的浓度相应降低。此外，n o ，的浓度还与混合气在高温下的滞留时问有关，若在高温下滞留的时间愈长，则n 0 。的浓度愈大。因此，点火提前角对n o 。生成率有显著的影响。随着点火提前角的减小，最高燃烧温度降低及燃气在高温下滞留时间缩短，n o 。的生成率随之减少，并且在稀混合气时n 0 。生成率减少的效果更明显。其原因在于浓混合气中，n 0 。基本上是火焰初期的p r o m p tn 0 反应丽生成的；而在稀混合气中，n o 。主要在火焰后期的已燃气体中产生，n o 的生成速度较低，对温度的依赖性大，其生成反应可用谢尔多维奇机理描述。1 2 2 柴油机有害排放物生成机理及其影晌因素柴油机的排气中c o 和h c 比汽油机少得多，n o ，排放壁与汽油机相近，只是排气微粒较多。指在取样状态下，排气中除水分以外所有分散( 固、液态) 物质的总称。它包括固态的碳基颗粒、液态的碳氢颗粒、无机物等，微粒除了由燃油燃烧产生之外，润滑油产生的微粒也占相当部分。在柴油机使用中，经常出现冒烟现象，其中的黑烟也称碳烟。一般认柴油机的微粒( 又称颗粒或颗粒物) 是脱氯r 一1 0 k翻精媳时嗣圈卜2 烃共燃料燃烧过程中生成碳煳艚粒的进翟第一章绪论为。碳烟也是不完全燃烧产物，是烃燃烧在高温缺氧的情况下裂解过程释放并聚合而成的。实验观察表明，在预混燃烧阶段，火焰亮度不大，据认为这时尚未产生大量的碳烟：进入扩散型燃烧，火焰亮度大增，而且在各种工况都如此，说明碳烟主要在扩散焰中产生。柴油机燃烧过程中产生碳烟是难以避免的，它是烃燃料燃烧过程的中间产物。b r o n e 及k b a n 根据对火焰的研究资料，对碳烟颗粒的形成作了如图卜2 描述，认为烃燃料在过浓的高温区中是通过深度裂解和脱氢过程，产生较小分子量的物质，在后期出现聚合反应。在燃烧室壁等非火焰区则通过聚合，产生较大分子璧物质。这两格途径( 或相互交错) 最终产生碳烟颗粒。b bc h a k r a b o r ty 和r l o n g根据他们的研究和他人的资料，提出碳烟形成机理如图1 3 所示。他们认为在反应过程的后几个阶段生成了一种很不活泼的，难于氧化的具有多个 一c ；c 一 团的聚缩乙炔化合物，由于它有大量的三键，因此聚缩乙炔就易于聚合生成黑色的、在所有溶剂中并键烃图1 3碳炳形成机理都不溶解的聚合物。高温和氢的缺乏进一步导致了聚合物的脱氢和环化，形成了几乎仅由碳组成的具有多环结构的不溶性的碳烟成分，这种碳络化物构成了具有六方晶格碳烟晶子。片晶呈平行布置但相互间有不规则的位移。聚缩乙炔不仅倾向于聚合，在提供相应的氢时，可在较低的温度下( 小于i0 0 04 c ) 环化和氢化而形成多环芳香第一覃绪论碳氢化合物，碳烟的这两种成分的组合可通过碳络合物吸收多环芳香碳氧化合物来进行，也可能多环芳香碳氧化合物是作为类似于石墨中的杂质那样，填入碳烟片晶层空隙之中了。每个碳烟晶子直径约为2 1 1 0 一o m ，厚度约为13 j0 c i n 。它们附聚成直径约1 0 0 1 0 0 0l o c m 的近于球型的大小不同的单位，球型的单粒在气缸内及排气系中，不断相互团聚，成为链状或絮状的烟尘。但在高温下碳粒与含氧化合物接触，可以减少尺寸或消失。总之，从柴油的烃( 含有1 2 2 2 个碳原子及约二倍于此数的氢原子) 开始，到最后的烟粒，经过了许多物理的和化学的过程。按照上述的定性描述，柴油机燃烧过程中碳烟的生成可概括为三个阶段一一成核阶段，单粒阶段，单粒的燃烧消失或附聚成更大絮团。影响碳烟的因素有燃油，过量空气系数，燃油雾化质量，混合气形成与燃烧速度，喷油时刻。1 3 降低内燃机有害排放、改善燃油经济性的主要技术措施多气门技术。多气门是指每缸进气门数在两个或两个以上。多气门发动机的气门较小，每个气门的惯性质量也减小，为提高发动机转速提供了可能1 。电控燃油喷射技术。它具有很多优点”：混合气分配均匀性好；任何发动机转速下都能提供精确的空燃比，从而可以使三效催化转换器( t r c ) 发挥最大效率，降低排放；加速响应性好：良好钓起动性能和减速断油；没有化油器的喉口截留作用，因此充气效率高；进气系统设计自由度大，易于发挥可变进气效果。可变气门定时( v v t ) 和可变气门升程( v v t l ) 技术。它有许多优点”：在高速时可以增加气门升程和开启的持续角度，提高动力性；低速小负荷时关掉某些气门，提高燃油经济性；可以更加方便地利用进气效应，提高充气效率；怠速时减小气门重叠，提高怠速稳定性；低速时锁定一个气门，增加涡流；可以通过调节气门重叠，改变内部e g r 量；减小泵吸损失。代用燃料。代用燃料包括压缩天然气( c n g ) ，液化石油气( l p g ) ，甲醇( m e th a n 0 1 ) ，氢气( h y d r o g e n ) 等，其中c n g 和l p g 由于在地第苹绪论球上的储备量很大，燃烧排放低。将在本世纪发挥很大的作用”。还有缸内直接喷射( g d i ) 技术；稀薄燃烧技术；排气再循环技术( e g r ) ；排气后处理技术等等。1 4 稀薄燃烧技术燃烧稀混合气，可以实现节能净化。稀混合气燃烧，在缸内必须有充足的空气，要求节气门开度适当比浓混合气燃烧时大一些，减小了泵吸损失；稀混合气燃烧，其燃烧湿度较低，散热损失也较小；稀混合气燃烧，其工质含有大量双原子成分，比热比小，热效率高，因此，稀燃是改善燃油经济性的好途径。稀混合气燃烧。缸内有充足的氧气，是保证燃料完全燃烧的基础，在稳定燃烧情况下可以避免由不完全燃烧而产生c 0 和h c 的现象；稀混合气燃烧，燃烧温度低，可以有效抑制n o x 的生成，因此，稀燃也是改善排放指标的有效技术方案。稀薄燃烧需要组织缸内空气运动，以便混合气产生分层，在火花塞周围产生利于点火的浓混合气，在其它地方产生较稀的混合气。1 5 内燃机的缸内空气运动内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程具有决定性的影响，也影响着发动机的动力性、经济性和有害气体的排放。按照经典的燃烧理论，影响内燃机燃烧过程的因素有：可燃混合气各组分的物性、空燃比、燃烧室温度、燃烧过程压力大小、燃烧过程中工质( 主要指气体反应物) 的湍流水平以及工质的宏观运动强度等。另外，燃油的雾化质量与混合气的浓度分布特性也是影响发动机燃烧过程性能的重要因素。同时，在这些因素当中，进气充量的宏观运动对其它因素又存在决定性的影响。组织良好的缸内空气运动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) 有着重要作用：同样，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、适应稀燃或分层燃烧也有重要作用。因此，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，9第一苹绪论开发具有高性能和低污染的发动机具有重要意义。柴油机缸内空气运动有涡流运动和挤流运动，气流的作用机理在于对燃油喷注的作用，促进燃油在燃烧室中的雾化及其与空气的混合过程。而汽油机缸内气流运动有涡流运动、滚流运动和挤流运动等，其作用原理在于宏观运动破碎时所带来的缸内气体湍流运动的加强，从而提高燃烧速率，改善燃烧过程。1 5 1涡流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 的初始角动量损失掉。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，气缸内旋流速度的分布表明，小于某一半径时，切线速度髓半径的增加丽增大，速度呈刚体流分布；超过这一半径时。切线速度随半径的增加而减小，速度仍呈势流分布。当活塞接近于上止点时，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为刚体流。研究表明，进气过程所产生的旋流可以持续到燃烧膨胀过程”。直喷式柴油机缸内涡流按其产生方式可分成两类：一是由迸气道的结构或在迸气道内制造人为扰动产生的进气涡流；二是利用燃烧室的特殊形状在压缩冲程后期和膨胀冲程初期产生2 的挤压涡流。在柴油机! 吝a上，进气涡流主要用于增薹”强喷油油束与空气的混-合，提高燃油空气混合速一率，实现快速燃烧。进气涡流的大小由进气道形籀涡流比r s图1 4 涡流比对燃烧稳定性的影响第一章绪论状和发动机转速决定“。根据进气涡流的形成原理，人们研究了各种产生进气涡流的方法，如带导气屏的进气门、切向进气道、螺旋进气道和双层进气道等”“。涡流对混合气的燃烧特征有非常重要的影响( 如图卜一4 ) 。汽油机的涡流运动( 图1 5 ) 一般在进气过程中产生，并可以在压缩终了的气缸和燃烧室内得到维持。研究表明，涡流可以使火焰前锋发生皱褶，从而增加火焰与未燃混合气的接触面积。由于浓度梯度所引起的活性原子团向未燃混合气的扩散，或者已燃与未燃区的物质交换，都可以增强燃烧。在高涡流下，压缩冲程中油蒸汽( f u e lv a p o r ) 沿着气缸壁旋转并扩图1 - 5 涡流运动散，在压缩后期形成中间混合气很稀的“油饼”状分布。对于低涡流由于燃油撞击在气缸壁上以及由于垂直气流运动的结果，在压缩冲程后期，在气门侧形成了较浓区域。涡流增大，则燃烧持续时间减小，燃烧循环变动和h c 排放也将降低。但是很多研究者也指出，涡流强度对增加燃烧的稳定性是有好处的，但由于分层的影响，n o ，则有可能因而增大”“。1 5 2滚流滚流( 图卜6 ) 这一流动是在8 0 年代后期才被发现的，随后世界各研究机构对它产生发展破碎机理以及对燃烧的影响进行了大量的研究”7 “+ 。通过对滚流的湍流频谱分析发现，湍流结构中低频能量占图1 8 渡流遥动8 0 c | 6 ，滚流破碎后使低频和离频分量都以不同程度的增加。大量的实验研究和数值模拟表明，在滚流破碎的时刻，湍流分量的积分尺度突然增大，但随后又下降到比较小第一章绪论的数值。滚流强度越大湍流的积分尺度就越小。在二气门汽油机上对滚流和涡流的湍流结构分析发现，尽管滚流结构中的低频分量较多，但滚流的湍流总量比涡流的湍流总能量要高，因此滚流对燃烧的改善作用比涡流更大。滚流运动在进气过程产生，在压缩过程的早期和中期得到加强。但在压缩终了，由于其运动轨迹与燃烧室形状不相适应而产生极大的变形。此时，剪切力很大，整个结构破碎变成湍流。从而形成异常强烈的湍流运动，大大加快了火焰传播速度，可抑制爆震，减少循环变动，提高稀燃能力，改善汽油机性能。1 5 3斜轴涡流当一个气门迸气而关闭另一个气门或者其它方式的两气门不对称迸气时，进气充量在缸内将形成一个斜轴涡流场。该斜轴涡流可分解为一个横轴的滚流分量和一个立轴的涡流分量。到压缩上止点后，滚流分量不复存在而圈l 一7 斜轴黼涡流分量却依然可见。图卜7 只是说明了斜轴涡流的形式。1 5 4 进气方式对缸内空气流动的影响图l 一8 是双进气道在各种气门升程情况下的进气流量系数、无量纲滚流比和善m i - 8 进气性能与气门升程量纲涡流比的测试结果。，图中显示：在完全关闭一个气门时，缸内涡流最强，也有相当高的滚流分量；在双进气门都达到相同的最大气门升程时，缸内滚流最强，进气流量系数也最大，但没有涡流分量。第一章绪论1 6 缸内空气流动对发动机燃烧的影晌1 6 1 滚流对发动机燃烧的影响缸内滚流运动在压缩行程后期受活塞挤压而转变成湍流，正是火花塞点火时刻。火花塞周围的喜一湍流对促进火核发展非名喜常有利。a r c o u m a n is 等”善 z通过l d v 测量指出，在进昂气过程中，增强滚流可以。提高着火时刻火花塞周围的湍流强度和平均气流速度。因而利用滚流可，以加快燃烧速度、改善各1循环的燃烧稳定性、扩大冒9稀燃极限j 。滚流越强，气，。其裂解产生湍流就越早，誊t a各循环的差异也越小”。如图卜9 所示。滚流可以缩短混合气的初燃期”“1 “。“1 ：“。图卜1 0 所示，滚流越强，i d d l ec f a | k g l 口g t o c 图1 9滚流强度及其破碎时豁c 怕ik i g l 目c g t 0 c 】h t l t ea l ed m f i图i - 10 液流强度与燃烧速度初燃期越短，而速燃期基本不变。1 6 2 斜轴涡流对发动机燃烧的影响涡流进气总是包括涡流分量和滚流分量，两种分量对提高燃烧速度具有促进作用。“。”。3 。a r c o u m a n is 等。”提出，在典型的蓬顶型燃烧室四气门发动机上，滚流分量和涡流分量在燃烧过程中相继发挥积极作用。在上止点前着火初期，滚流分量促进燃烧；过上止点之后，由滚流分量产生的湍流已经很少，涡流可以继续提供湍第一苹绪论流湍流能量。在燃烧阶段，涡流不断受到扰动而分解出湍流，从而加快燃烧速度。斜轴涡流强度越高，总燃烧期越短。斜轴涡流的轴线方向对燃烧有很大的影响，研究表明。”1 ，在一定的进气流量率条件下，当斜轴涡流的轴线与气缸轴线的夹角为3 0 4 5 时，在压缩行程后期产生的湍流强度最大，各循环的差异最小。发动机循环的持续期最短，循环压力波也最小。1 7 柴油机进气、压缩和燃烧过程中的气流运动1 7 1 气流运动在燃烧过程中的作用在现代内燃机中，特别是在中小型高速柴油机的工作过程中，气流运动占有十分重要的地位。它是内燃机燃烧过程中的三要素( 油、气、室) 之一。各种不同的内燃机燃烧过程的品质，都在不同程度上、甚至在很大程度上与空气、油气和燃气的运动状态有关。对于缸径d 1 5 0 m m ，转速n 15 0 0 r i l l in 的中小型高速柴油机，因其可供燃烧的空间较小，许用的燃烧持续时间很短( 只有2 5 m s ) ，燃烧过程的条件是相当苛刻的。据此，要在活塞靠近上止点的瞬间( 此时热量利用率高) 完善地燃烧，并取得较高的热效率是相当困难的；而借助进气、压缩和燃烧过程中各种类型的气流运动，是改善燃烧、提高热效率和空气利用率的有效途径之一。对于d l l o m m ，n2 4 0 0 r m in 的柴油机，更是这样。所以，各国内燃机学者都历来十分重视研究气流运动。在研制面广量大的中小型高速柴油机时，是否合理组织燃绕过程中的气流运动，不仅严重地影响发动机的动力与经济指标，而且明显地影响其排烟、排污、噪声和工作的柔和性。所以，合理地组织燃烧过程中的气流运动已成为按人们的意志来控制和调节燃烧过程进程的重要措施之一。据此，要研究和完善燃烧过程，就必须研究和弄清燃烧过程中的气流运动。而燃烧过程中的气流运动，除一部分是由于燃烧过程本身形成的以外，大部分是在进气和压缩过程中形成的。所以，必须同时研究进气过程和压第一章绪论缩过程中形成的气流运动。对不同的燃烧系统和发动机不同的工况，适当的气流运动具有下列作用：a 使喷雾在燃烧室内较为均匀地分布，在一定程度上起到了相当于增加喷孔数目的作用。在油膜混合型燃烧中，气流运动促进了油膜在燃烧室壁面上的涂布，扩大了油膜的涂布面积和汽化面积，减薄了壁上油膜的厚度。b 促进和加速了油与热空气之间以及油与热壁之间的传热作用。空气运动能增加它们之间的传热系数。从而缩短了对油滴和油蒸汽的加热时间。喷入气缸内燃油的温度约为2 0 0 左右，而燃烧室的壁温为3 0 0 3 5 0左右，压缩终点附近气缸内的空气温度约为5 0 0 7 0 0 左右。c 促进和加速油滴和油膜的汽化作用，缩短了汽化时间。液体单位表面积的汽化速度除与其性质、温度和压力等有关外，还与其表面周围汽化了的分子的去留有关。气流运动能使汽化了的油分子迅速离开液体表面，从而加速了汽化过程。d 促进和加速了油滴与空气之间、油蒸汽与空气之间以及已燃气体的火焰与末燃混合气之间的互相扩散和渗透作用。e 促进和加速了油滴与空气之间以及油蒸汽之间的均匀混合，缩短了混合时间。f 由a 至e 各点的作用，使油分子与氧分子之间增加了接触面积和碰撞几率，缩短了物理滞燃期和化学滞燃期，减少了在滞燃期内的喷油量和参加预混合燃烧的燃料量，扩大并加速了扩散燃烧，减少了后燃。从而增加了平均有效压力，降低了油耗率。同时，使整个燃烧过程进程的可控性增加。g 由于气流运动可以缩短滞燃期，这就可以推迟喷油而不降低经济性，从而可以大大降低n o x 的排放量。而降低n o x 排放量常常与经济性和烟度恶化伴生。所以，气流运动帮助解决了车用柴油机达到排放法规所要求的排放水准。h 以气缸或燃烧室轴线为旋转轴的有组织的涡流形成了离心力场。这是形成热分层效应的基本条件。i 由于上述各点，提高了空气利用率，允许减少过量空气系数a 。从而使未第一苹绪论利用的空气从排气中带走的总热量减少，提高了热效率、平均有效压力和冒烟极限功率。j 在达到发动机同样的动力、经济指标下，可以适当降低对供油系统的技术要求。从而有利于供油系统工作的可靠性，并延长其寿命，减少了这一系统的故障。k 气流运动使混合气形成均质化，从而使燃烧室内减少或消除混合气局部地区过浓或过稀以及局部高温缺氧区。这斌减少了高温裂解未燃燃油。最终使排烟减少。所以，组织和适当加强燃烧室内的气流运动，是减少排烟、h c 和c o 的有效措施之一。l 由于以上各点，大大推动了柴油机的小型化、高速化和高速化的发展。并扩大了中、小型高速柴油机的多种用途，亦有利于高速柴油机燃用较差的燃油。气流运动带来的缺点是：增加了流动损失和传热损失，降低了充气效率。对进气系统和燃烧室的结