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1、内燃机进气过程中的气流运动形式气流运气流运动的作用的作用气流运气流运动对不同的缸径和不同的缸径和转速的机型、不同的速的机型、不同的喷油系油系统参数、参数、不同的燃不同的燃烧室和不同的工况都存在着不同的气流运室和不同的工况都存在着不同的气流运动范范围。但是也存在着一些大致的但是也存在着一些大致的规律：律：缸径缸径D200mm、转速速n1000r/min的柴油机可以不用或少的柴油机可以不用或少用用进气气涡流。依靠自身流。依靠自身压缩和和喷油油过程中形成的程中形成的挤流和紊流流和紊流就可以促就可以促进混合气的形成。混合气的形成。对于于90D 160mm、n2000r/min的中小型柴油机就需要的中小
2、型柴油机就需要较强的气流运的气流运动来促来促进混混合气的形成和燃合气的形成和燃烧的完善。的完善。同一台柴油机中，高速同一台柴油机中，高速时要求要求涡流比低一些，低速流比低一些，低速时要求要求涡流比高一些。流比高一些。为了同了同时考考虑，一般取折衷，一般取折衷值。燃燃烧过程中程中应该是是涡流、流、挤流、流、滚流，湍流互相渗透最好。流，湍流互相渗透最好。对气流运气流运动的要求的要求气流运气流运动方式方式滚流流挤流流涡流流湍湍流流定定义：在：在进气气过程中形成的，程中形成的，绕气缸气缸轴线有有组织的气流运的气流运动，称称为进气气涡流。其大小由流。其大小由进气道形状和气道形状和发动机机转速决定。速决定
3、。在柴油机上，在柴油机上，进气气涡流主要用于增流主要用于增强喷油油束与空气的混合，油油束与空气的混合，提高燃油与空气混合速率，提高燃油与空气混合速率，这有助于柴油机的快速燃有助于柴油机的快速燃烧。在汽油机上，在汽油机上，进气气涡流主要用于增加火焰流主要用于增加火焰传播速率，播速率，实现快快速燃速燃烧。进气气涡流的大小由流的大小由进气道形状和气道形状和发动机机转速决定。速决定。涡流流涡流的流的产生方法生方法强制空气从制空气从导气屏前面流出，依靠气缸气屏前面流出，依靠气缸 壁面壁面约束，束，产生旋生旋转气流。气流。导气屏占据气屏占据 的气的气门周周长范范围内气流不内气流不进入气缸，增入气缸，增 大
4、了大了导气屏气屏对面的面的气流速度，形成气流速度，形成对气气 缸中心的缸中心的动量矩。量矩。改改变导气屏包角气屏包角和和导气屏安装角气屏安装角a均可均可 改改变涡流流强度。（在度。（在a角角90与与270附附 近近调整，可得整，可得到到 转向相反的两股向相反的两股涡流）。流）。试验时调整方便，整方便，常在常在单缸机使用，缸机使用，为 新气道新气道设计提供数据。提供数据。a为导气屏气屏对称中心称中心线与气与气门中心中心线夹角。角。导气屏气屏1、由于、由于导气屏减小气流流通截面，流气屏减小气流流通截面，流动不不对称，使流称，使流动阻阻力增加，充量系数降低。力增加，充量系数降低。2、由于气、由于气门
5、上有上有导气屏，气屏，为保保证工作工作时气流的旋气流的旋转方向和方向和强度，度，进气气门必必须有有导向装置，以防工作向装置，以防工作时转动，这都使都使结构复构复杂，制造成本增加。，制造成本增加。3、气、气门盘刚度不均匀，度不均匀，变形大，气形大，气门在工作在工作时又不能又不能转动，使气使气门容易偏磨，容易偏磨，对气气门密封不利。密封不利。导气屏气屏评价价 切向气道形状比切向气道形状比较平直，在气平直，在气门座前座前强 烈收烈收缩，引引导气流以气流以单边切切线方向方向进入入 气缸，从而气缸，从而造成气造成气门口速度分布的不均口速度分布的不均 匀。它相当于在平匀。它相当于在平直无旋气道速度分布直无
6、旋气道速度分布 的基的基础上，增加上，增加个个沿切向气道方向的沿切向气道方向的 速度。速度。切向切向进气道气道结构构简单，在，在对进气气涡流要求低流要求低时，流，流动阻力不阻力不大，但当大，但当对涡流要求高流要求高时，由于气，由于气门口速度分布口速度分布过于不均匀，于不均匀，气气门流通面流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加，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因此切向气道适用于要求进气气涡流流强度不高的度不高的发动机上。机上。切向气道及其切向气道及其评价价在气在气门座上方的气座上方的气门腔内做成螺旋形，腔内做成螺旋形，使使气流在螺旋气道内就形成气流在螺旋气道
7、内就形成定定强度的度的 旋旋转，其气其气门口口处气流的情况相当于在气流的情况相当于在 平直气道出口平直气道出口速度分布的基速度分布的基础上，增加上，增加 个切向速个切向速度，合成后的速度度，合成后的速度图是一个是一个对 称称图形。形。采用采用强涡流螺旋气道燃流螺旋气道燃烧室的性能与气室的性能与气 道道质量量的关系极的关系极为密切，因此就大大提高了密切，因此就大大提高了对铸造工造工艺和加工的要和加工的要求，例如求，例如对气道泥芯的气道泥芯的变形、定位、气道出口和气形、定位、气道出口和气门座圈的座圈的同心度等必同心度等必须严格控制。格控制。螺旋气道及其螺旋气道及其评价价气道的气道的评定方法定方法为
8、使不同形状和尺寸气道的流使不同形状和尺寸气道的流动特性具有特性具有对比性，采用无量比性，采用无量纲流量系数流量系数评价不同气价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力，用升程下气道的阻力特性或流通能力，用无量无量纲涡流数流数评价不同气价不同气门行程下气道形成行程下气道形成涡流的能力。流的能力。在在稳流气道流气道试验台上台上评 定定涡流流强度的方法：一度的方法：一 般般采用叶片采用叶片风速速仪测量量 模模拟气缸内气缸内涡流的流的转速速 或用角或用角动量矩直接量矩直接测出出 涡流的角流的角动量，气体流量，气体流 量用流量量用流量计测定。定。测量量 方法一方法一般采用定般采用定压差法差法 在不同的气在
9、不同的气门升程下升程下测 量叶片的量叶片的转速和气体流速和气体流 量。量。进气气涡流的流的测定定Ricardo方法方法无量无量纲流量系数定流量系数定义 为流流过气气门座座 的的实际空气流量空气流量 与理与理论空气流量之比空气流量之比0为理理论进气速度气速度 为进气道气道压力降，力降，一般取一般取2.5kPa为气气门座座处气气体的密体的密度度(kgm3)Q为试验测得的得的实际空气流量空气流量A为气气门座内截面面座内截面面积 dv为气气门座内径座内径n为进气气门数目数目Ricardo方法方法Ricardo无量无量纲涡流数流数NR为:其中：其中：为叶片旋叶片旋转角速度，角速度，为理理论进气速度，气速
10、度，D为缸径。缸径。Ricardo涡流比流比 为：其中：其中：为叶片旋叶片旋转角速度，角速度，为发动机旋机旋转角速度。角速度。定定义：在：在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近靠近时所所产生的径向或横向气流运生的径向或横向气流运动称称为挤压流流动，又称，又称挤流。流。挤流流强度主要由度主要由挤气面气面积和和挤气气间隙的大小决定。隙的大小决定。挤流在汽流在汽油机上得到了广泛的油机上得到了广泛的应用，汽油机用，汽油机紧凑型燃凑型燃烧室都利用室都利用较强的的挤流运流运动，以增，以增强燃燃烧室内的湍流室内的湍流强度，促度，促进混合气快速混合气快速燃燃烧
11、。当活塞下行当活塞下行时，燃，燃烧室中的气体向外流到室中的气体向外流到环形空形空间，产生膨生膨胀流流动，称，称为逆逆挤流。逆流。逆挤流在柴油机上有助于将燃流在柴油机上有助于将燃烧室内室内的混合气流出，使其的混合气流出，使其进一步和气缸内的空气混合燃一步和气缸内的空气混合燃烧，对改改善燃善燃烧和降低排放十分有利。和降低排放十分有利。挤流流在在进气气过程中形成的，程中形成的，绕垂直于气缸垂直于气缸轴线的有的有组织的空气旋的空气旋流，称流，称为滚流。流。滚流流较适宜于在四气适宜于在四气门汽油机上使用，汽油机上使用，滚流在流在压缩过程中其程中其动量衰减量衰减较少。当活塞接近于上止点少。当活塞接近于上止
12、点时，大尺度的，大尺度的滚流将破流将破裂成众多小尺度的裂成众多小尺度的涡，使湍流，使湍流强度和湍流度和湍流动能增加，大大提能增加，大大提高火焰高火焰传播速率，改善播速率，改善发动机性能。机性能。滚流流在气缸内形成的无在气缸内形成的无规则的气流运的气流运动称称为湍流。采用湍流。采用统计的方的方法定法定义湍流特性参数，在湍流特性参数，在统计定常的湍流定常的湍流场中，某方向上的中，某方向上的当地瞬当地瞬时流速流速U(t)可以写可以写为:湍流湍流式中，式中，为平均速度；平均速度；u(t)为流速的脉流速的脉动分量。分量。式中，式中，为时间；t0为起始起始时间。湍流湍流强度定度定义为脉脉动速度分量的均方根
13、速度分量的均方根值，即，即:此外，此外，还使用使用些些长度尺度和度尺度和时间尺度表征湍流特性尺度表征湍流特性.种种类 涡流流 挤流流 滚流流 湍流湍流 定定 义 空空气气充充量量的的大大尺尺度度旋旋流流运运动。在在压缩过程程后后期期，活活塞塞表表面面的的某某一一部部分分和和气气缸缸盖盖彼彼此此靠靠近近时所所产生生的的径径向向或或横横向向气流运气流运动。绕垂垂直直于于气气缸缸轴线的的空空气旋流。气旋流。湍湍流流是是在在时间和和空空间上上都都具具有有某某种种准准周周期期性性和和连续性性特特征征的的，半半随随机机半半有有序序的的三三维非非定定常常有有旋旋的的大大雷雷诺数流体运数流体运动。产生生 时刻及刻及 条件条件 进气气过程程 导气屏气屏切向气道切向气道 螺旋气道螺旋气道 压缩过程程 活活塞塞与与气气缸盖缸盖 进气气过程程 直直进气道气道 整个工作整个工作过程程