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内燃机缸内气流运动 汽车工程学院 42091224 崔舜 摘要：由于各种类型的内燃机,都是利用燃料与空气的混合物燃烧时发出的热能转变为功的原理工作的，所以燃烧过程的组织对于内燃机具有重要意义。缸内气体流动的良好组织可以很大程度上改善燃烧过程，从而提高内燃机的动力性、经济性，降低排放和噪声。本文结合汽柴油机的缸内混合气气流的组织及新型燃烧方式介绍内燃机缸内气流运动的组织。 关键词：内燃机 缸内气流运动 燃烧方式 湍流 内燃机是迄今为止热效率最高的热机之一，它广泛应用于国民经济的各个领域，尤其在水陆交通运输和农用动力中占有压倒的优势。它曾为并且正在继续为人类的生产、生活活动作出贡献。但是，与此同时，内燃机消耗大量宝贵的石油资源，向大气中排出废气，造成严重环境污染。据统计，内燃机消耗了我国石油资源的45%，柴油的75% ，汽油的60%以上 ，其有害排放物和噪声是我国城市环境的主要污染源。在石油资源逐渐枯竭，环保意识日益增强的情况下，人们迫切要求提高内燃机动力性、经济性和排放性能，所以，内燃机燃烧过程的改善对于国民经济的发展和环境保护具有重要意义。内燃机的热工转换过程主要包括三个环节。第一个环节是混合气形成并导入气缸的过程，第二个环节是燃料燃烧放热的过程，第三个环节是能量传递过程。其中，前两个环节，混合气的形成及燃烧过程都可以通过缸内气流的良好组织在很大程度上得到改善。对于汽油机，良好的缸内气流运动对提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动有重要作用。对柴油机而言，它可以促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合，提高燃烧速率。因此，深入了解缸内空气运动，对于组织良好燃烧过程很有必要。一、缸内气流运动形式汽、柴油的性质决定了汽柴油机混合气形成方式及燃烧方式不同，故应结合各自特点组织气流运动。但是，内燃机缸内气流流动形式总体上大致可分为以下几类。（一）涡流 1、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。 由于存在气流间的内摩擦和气流与缸壁之间的摩擦损耗，进气涡流在压缩过程逐渐衰减，一般情况下在压缩终了时初始动量矩损失约有1/41/3。当活塞接近上止点，大量空气被迫进入位于燃烧室内，使凹坑内切线速度有所增加。进气结束时，气缸内旋流速度的分布表明，小于某一半径，切线速度随半径的增大而增大，速度分布呈刚体流分布；超过这一半径，切线速度随半径的增加而减小，速度分布呈势流分布。活塞接近上止点时，刚体流动明显增强，势流运动明显减弱。研究表明，进气过程产生的旋流可以持续到燃烧膨胀行程。进气涡流的大小主要由进气道形状和发动机转速决定。进气涡流的产生方法1）采用带导气屏的进气门 这种方法强制空气从导气屏的前面流出，依靠气缸壁面的约束，产生旋转气流。导气屏占据的气门周长范围内气流不得进入气缸，增大了导气屏对面的气流速度，从而形成对气缸中心的动量矩。改变导气屏包角大小和导气屏安装角大小均可改变涡流强度。 导气屏的缺点是：由于导气屏减小气流流通截面，使流通阻力增加，充量系数降低。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，使结构复杂，制造成本增加。气门盘刚度不均匀，变形大，气门在工作时又不能转动，使气门容易偏磨，对密封不利。2）切向气道 切向气道形状比较平直，在气门座前强烈收缩，引导气流以切线方向进入气缸，从而造成气门口速度分布的不均匀，它相当于在均匀速度分布的基础上，增加一个沿切向气道方向的速度。切向气道结构简单，在进气涡流要求低时，流动阻力不大，但当进气涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门流通面积得不到充分利用，气道阻力将很快增加，因此切向气道仅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，泥芯误差对气道质量影响较大。3）螺旋气道 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一定强度的旋转，其气门口处气流的情况相当于在均匀速度分布的基础上，增加一个切向速度，合成后速度是一个中心对称图形。因此，除了螺旋气道本身形成的动量矩外，速度分布对气缸中心线不再形成动量矩，这种气道成为纯螺旋气道。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，因此实际实际使用的螺旋气道中的气流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关系极为密切，从而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。2、在压缩过程中形成的有组织的空气旋转运动，称为压缩涡流。如涡流室柴油机在压缩过程中，气缸内的空气通过与涡流室相切的通道被压入涡流室中，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。涡流强弱由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定。（二）滚流和斜轴涡流 在进气过程中形成的绕气缸轴线垂直线旋转的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流，一般都利用直进气道形成。它比较适用于在四气门汽油机上使用。滚流在缸内的物理过程：1）进气过程早期，由于滚流进气方向受活塞顶面的影响而遭到破坏，所以不能在缸内形成大尺度的、有组织的滚流运动；2）进气过程中后期，活塞顶面离开缸头足够距离，滚流在气缸内开始形成，进入缸内的滚流角动量开始累加；3）压缩过程的早期和中期，气缸内的滚流得到维持和发展；4）压缩过程的后期，滚流受到上行活塞的挤压，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，有利于提高火焰传播速率，改善发动机性能。滚流和涡流的结合可形成斜轴涡流，它既有绕气缸轴线旋转的横向分量，也有绕气缸轴线垂直线旋转的纵向分量。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轴涡流，斜轴涡流充分利用了进气涡流和滚流的优点，在上止点附近能形成更强的湍流运动，提高混合气（特别是稀混合气）燃烧速率。（三）挤流 在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖底面彼此靠近时将挤气面上的混合气挤入燃烧室内，从而形成燃烧室纵剖面上的滚流，称为挤流。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。汽油机上通常利用较强的挤流运动来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，产生膨胀运动，称为逆挤流。逆挤流在柴油机上有助于燃烧室内的混合气流出，使其进一步与气缸内的空气混合和燃烧，对改善燃烧和降低排放十分有利。缩口形燃烧室可充分利用较强的挤流和逆挤流。 加强挤流强度可以明显提高内燃机内的火焰传播速度，缩短燃烧时间，有利于提高动力性和经济性。而且挤流强度不会引起充气效率的降低，因此是汽油机组织缸内湍流的主要途径。但是挤气面积设计得过大，虽提高挤流强度，但使燃烧室的面容比A/V增加，挤气面缝隙处的混合气受到强烈冷却，容易产生熄火而产生大量的HC化合物。所以，在设计挤气面时，要考虑在尽可能减小燃烧室面容比的前提下有效组织挤流。（四）湍流 在气缸中形成的无规则的气流运动称为湍流，是一种不定常气流运动。湍流可分为两类，即气流流过固体表面时产生的壁面湍流和同一流体不同流速层之间产生的自由湍流，内燃机中的湍流主要是自由湍流。其形成方式很多，既可在进气过程中形成，也可在压缩过程中利用燃烧室形状产生，还可因燃烧而产生。由于不规则性和随机性是湍流最主要的特征，因此常常用统计的方法来描述湍流特性参数，在统计定常的湍流场中，某一方向上的当地瞬时流速U可以写为 U（t）=+u（t） 式中为平均速度，u（t）为流速的脉动分量。研究表明，如果在内燃机工作的适当时刻形成丰富的湍流，就可以促进燃料和空气的混合，加快火焰传播，全面提高混合气的燃烧速度。汽油机中湍流能促进火焰面附近已燃气体和未燃气体的交换，扩大火焰前锋表面积，从而提高火焰传播速率。在柴油机中湍流可以改善燃油（如壁面附近燃油）与空气的混合。（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，即在燃烧室中的气流切向速度随燃烧室半径的增大而增大，燃烧室中心部分压力低，外围部分压力高。燃烧室内的流体一方面受到离心力的作用向外运动，另一方面受到压差作用推向燃烧室中心。对于液体油滴或燃油蒸汽，由于其密度比空气大，离心力起主导作用，呈向外运动趋势；对于已燃气体，其密度比空气小，向燃烧室中心的推力起主要作用，呈向内运动趋势。这种在旋转气流中火焰向燃烧室中心运动，又将中心部分的新鲜空气挤向外壁，促进空气与未燃燃料混合的作用称为热力混合作用。 二、汽油机缸内气流组织（一）汽油机的燃烧方式（预混合燃烧）这种燃烧方式的主要特点是，在着火前燃料与空气按一定的比例预先混合而形成可燃混合气，在局部地区点燃后形成火焰核，然后在预混合气中以火焰传播形式完成燃烧过程。这种预混合气中的火焰传播过程，可根据混合气的气流特性分为层流火焰传播过程和湍流火焰传播过程。层流火焰传播速度主要取决于预混合气的性质，当a=0.80.9时，反应温度最高，层流速度最快。湍流是气流中不同尺度漩涡的不断形成、发展、分解与消失的不稳定流动过程。湍流产生的主要原因是粘性气体的流速增加到一定值后，由于边界的阻碍、外部干扰等，促使气流内部形成多个漩涡而造成的。其特点是，各种不同尺寸的涡旋组成连续的涡旋谱，而且在空间、时间上紊乱无序变化，但有随机性质。常用湍流尺度和湍流强度来评价。湍流尺度，指涡旋翻滚一个周期所作用的空间范围。宏观湍流，决定其力学性质，而微观湍流，则在流体粘性的作用下将湍流的运动能量转化为热能而消失。湍流强度是用脉动速度的均方根来表示湍流的能量，主要影响湍流火焰传播速度。 汽油机中，气流运动对混合气的影响主要通过对火焰传播速度的影响来实现。进气道及燃烧室形状的组合可以形成上述的涡流、挤流，进而通过形成的湍流促进燃烧过程的改善。例如，进气涡流加强了对喷雾的搅拌和蒸发，促进了混合气的形成和均匀化，从而缩短着火延迟期，有助于提高其火焰传播速度；而燃烧室则利用较强的挤流运动来增强燃烧室内的湍流强度，促进混合气的快速燃烧。 湍流对火焰传播速度的作用主要体现在以下几个方面：1） 宏观湍流使火焰前锋褶皱，增大反应面积；2） 微观的湍流加强传质传热，其传热系数相对层流导热率增大100倍，由此提高湍流的火焰传播速度；3） 火焰前锋面破裂，促使已燃气体和未燃气体的迅速混合，缩短反应时间，提高放热速度。 （二）汽油机的分层给气和稀薄燃烧 均匀混合气的燃烧方式，其常用空燃比变化范围比较窄且经济性排放性都存在一些缺陷。为解决常用汽油机的这些问题，提出分层给气稀薄燃烧的新型燃烧方式。 分层给气的实现也需要喷雾和气流的配合，以在气缸内形成空燃比梯度分布的混合气，并在火花塞附近形成较浓的混合气，而在燃烧室其他区域为梯度分布的混合气。分层给气燃烧方式分为进气道喷射式和缸内直喷式两种。1） 进气道喷射式 这种分层给气燃烧方式又分为轴向分层稀薄燃烧和横向分层稀薄燃烧方式。前者在进气过程早期只有空气进入气缸，并在缸内形成强烈的涡流。进气后期将燃料喷入进气道，这样在进气涡流的作用下，缸内混合气形成上浓下稀的分层效果。后者则是利用四气门结构，采用滚流式进气道在缸内形成滚流。喷油器向两个进气门之间喷油，在滚流引导下，浓混合气经过在气缸中间布置的火花塞，而火花塞两侧为纯空气，由此形成以火花塞为中心的横向空燃比梯度分布。2） 缸内直喷式 实现缸内直喷的关键技术在于通过进气系统和活塞顶燃烧室的形状，组织缸内的滚流，并利用高压喷射旋流式喷油器等措施控制喷雾与缸内气流配合，形成火花塞附近混合气较浓的梯度分布的空燃比。（3） 典型的缸内直喷式分层稀薄燃烧系统1） TCCS燃烧系统 这种燃烧系统利用螺旋进气道或导气屏，在气缸内形成强烈的有规则的进气涡流。喷油器将燃油顺着气流喷入燃烧室。喷雾在扩散雾化的过程中，在强烈涡流的作用下，气流外缘形成较浓的混合气。火花塞正好安装在喷注油束下游的边缘，所以很容易点燃。着火后，火焰和燃气随着气流扩展运动，靠已燃气体和未燃气体的密度差，使已燃气体被涡流带离火花塞区，而新鲜空气被涡流带入到燃油喷射区域，实现分层燃烧过程。2） 三菱GDI分层燃烧系统 这种燃烧系统属于缸内直喷式滚流分层稀薄燃烧系统。它采用纵向直进气道，配合半球形燃烧室，在气缸内形成强烈的滚流。靠涡流和喷雾匹配，从火花塞至燃烧室空间形成由浓至稀的分层分布的混合气。三、柴油机缸内气流组织（一）柴油机主要的燃烧方式 (扩散燃烧)柴油机燃烧放热规律及主要排放物的生成量，主要取决于预混合燃烧过程和扩散燃烧过程。扩散燃烧是柴油机的主要燃烧方式。喷油器在接近压缩终了时直接向燃烧室内喷入燃料，使雾化的燃料在燃料室内与高温高压空气边混合边燃烧。由于一定燃烧量的喷射需要相应的时间，而且液体燃料的蒸发温度一般比其着火温度低很多，因此刚喷入气缸的燃料在着火前已蒸发而形成可燃混合气并自行燃烧。然后，后续喷入的燃料是在前段喷射的燃料已燃烧过程中与空气混合燃烧。这就要求后续喷入的燃料避开已燃火焰面，与燃烧室内的空气相互渗透混合，由此形成扩散燃烧过程。由于扩散燃烧过程中，燃烧室内的温度已经很高，所以只要燃料与空气混合，其化学反应就可以进行的很快。因此，扩散燃烧过程完全取决于燃料和空气的混合过程，即混合气形成速度决定扩散燃烧速度。扩散燃烧期间，燃烧室内存在细小油滴群与空气的相对运动，所以燃烧产物总是停留在反应区的后面，而燃料蒸汽总是和炽热的空气直接接触，这有助于燃料的完全燃烧。因此，燃烧室内的气流运动的控制，对扩散燃烧具有重要意义。（2） 传统直喷式和分隔式燃烧室的气流组织 1）柴油机混合气形成方式 柴油机混合气形成方式大体上分为空间雾化混合和油膜蒸发混合方式。空间雾化是通过多孔式喷油器将燃料向燃烧室空间喷射强制雾化，并利用燃油相对空气的运动方式形成混合气。燃油与空气之间的相对运动速度是混合气形成的主要因素，相对运动速度越高，油滴与空气之间的摩擦和碰撞越激烈，分散后的油滴也越细小，混合气越均匀。油膜蒸发式是指燃油首先在燃烧室壁面形成油膜后，再通过燃烧室壁面的加热蒸发，配合燃烧室内定向流动的空气（涡流）形成混合气。 2）直喷式和分隔式燃烧室的气流组织 传统的直喷燃烧室主要靠空间雾化混合而形成混合气，因此采用多孔喷嘴高压喷射方式。 涡流室式将副燃烧室设计成近似球状或半球形状，并用基本与涡流室相切形状的通道与主燃烧室相连。在压缩过程中，缸内的空气经通道流入涡流室，在通道引导下，随压缩行程在涡流室内形成强烈的压缩涡流，不断将空气送往油膜处，与油膜表面蒸发的燃料形成混合气。为了可靠着火，喷油器喷射时使小部分燃料空间雾化，使得涡流室内的局部地方结合油膜雾化易形成可燃混合气而首先着火。着火燃烧后，涡流室内的压力温度迅速升高，使得混合气带着未燃的燃油和空气一起经通道高速喷入主燃烧室，形成强烈的二次涡流，促进混合气的形成和燃烧。 对预燃室，通过单孔或多孔通道与主燃烧室连接，在压缩过程中缸内的气流经通孔进入到预燃室形成强烈的湍流。在预燃室空间形成的可燃混合气首先着火燃烧后，将预燃室内