內(nèi)燃機(jī)原理第四章10h

1、第四章第四章 內(nèi)燃機(jī)的燃燒與放熱內(nèi)燃機(jī)的燃燒與放熱41 內(nèi)燃機(jī)燃燒熱化學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒熱化學(xué) 一、燃料燃燒反應(yīng)方程式一、燃料燃燒反應(yīng)方程式 內(nèi)燃機(jī)燃料的主要成分為碳和氫，此外還含有少量?jī)?nèi)燃機(jī)燃料的主要成分為碳和氫，此外還含有少量的的 氧、硫等雜質(zhì)。這些成分及化合物的燃燒可用以下化學(xué)氧、硫等雜質(zhì)。這些成分及化合物的燃燒可用以下化學(xué)反應(yīng)方程式予以表示：反應(yīng)方程式予以表示： 碳完全燃燒碳完全燃燒 kmolKJCOOC/40695722碳不完全燃燒碳不完全燃燒 kmolKJCOOC/1240132/2氫燃燒氫燃燒 )(/286796)(2/222高熱值液kmolKJOHOH)(/241788)(2/222

2、低熱值蒸氣kmolKJOHOH硫燃燒甲烷燃燒 以上反應(yīng)方程式中的熱值均為以上反應(yīng)方程式中的熱值均為273K時(shí)的值。對(duì)于一般碳?xì)浠瘯r(shí)的值。對(duì)于一般碳?xì)浠衔飦碚f，其燃燒反應(yīng)方程式可寫成如下形式：合物來說，其燃燒反應(yīng)方程式可寫成如下形式： kmolkJSOOS/29667722kJ/kmol801556)(222224液OHCOOCH)()2/()4/(HC222mn熱量QOHmnCOOmn（41） 由于在空氣中，對(duì)應(yīng)于由于在空氣中，對(duì)應(yīng)于1mol ，還含有，還含有3.76mol的的 及其及其他氣體，所以，如果反應(yīng)是利用空氣來進(jìn)行的，則在反應(yīng)式中，他氣體，所以，如果反應(yīng)是利用空氣來進(jìn)行的，則在反應(yīng)

3、式中，對(duì)應(yīng)所必需的對(duì)應(yīng)所必需的1mol ，還帶入了，還帶入了3.76mol 的及其他氣體。的及其他氣體。因而對(duì)于碳?xì)浠衔飦碚f，其燃燒反應(yīng)方程式可寫成如下通式：因而對(duì)于碳?xì)浠衔飦碚f，其燃燒反應(yīng)方程式可寫成如下通式： 2O2N2O2N)()4/(76. 3)2/()4/(76. 3)4/(HC2222mn熱量QmnOHmnCONmnOmn（42） 這說明，碳?xì)浠衔锿耆紵龝r(shí)，不管其分子結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，這說明，碳?xì)浠衔锿耆紵龝r(shí)，不管其分子結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，總是生成總是生成CO2和水蒸氣，其量由該碳?xì)浠衔镏刑荚雍蜌湓雍退魵猓淞坑稍撎細(xì)浠衔镏刑荚雍蜌湓拥暮慷?。的含量而定?二、燃

4、料燃燒所需空氣量二、燃料燃燒所需空氣量 由以上所列燃料成分的燃燒反應(yīng)方程式及其分子量關(guān)系，即可由以上所列燃料成分的燃燒反應(yīng)方程式及其分子量關(guān)系，即可求出求出1kg燃料完全燃燒所需的最低空氣量燃料完全燃燒所需的最低空氣量(即理論空氣量即理論空氣量) ，將，將1kg燃燃油中各元素的含量以重量成分表示油中各元素的含量以重量成分表示, ,則則 01cHsggggkg 燃燒過程中，完全燃燒時(shí)，燃燒過程中，完全燃燒時(shí)，C、H、O化合成為化合成為CO ，H O .參加燃燒的參加燃燒的O , ,H 及及 2222 燃燒產(chǎn)物燃燒產(chǎn)物CO ,H O（在高溫下水是蒸氣）（在高溫下水是蒸氣）22都是氣態(tài)，都是氣態(tài)，人

5、們引入了人們引入了kmol這一便于計(jì)算的氣體容積的單位。這一便于計(jì)算的氣體容積的單位。 1kmol的氣體容積是以的氣體容積是以kg計(jì)的一個(gè)分子量重量氣體。在壓力為計(jì)的一個(gè)分子量重量氣體。在壓力為0.1MP ，0的標(biāo)準(zhǔn)狀況下，的標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1kmol的理論氣體或近似理論氣體的的理論氣體或近似理論氣體的容積相等，即為容積相等，即為22.4 。每。每kmol的的O 、 H 或或CO 的重量為的重量為32，2，44kg，但是容積均為，但是容積均為22.4 。這里。這里H的原子量為的原子量為1，O的原子量為的原子量為16，C的原子量為的原子量為12，CO2的原子量為的原子量為122*1644。 a3m2

6、3m22 碳完全燃燒22COOC22443212kgCOkgOkgC221112kmolCOkmolOkgC221211211COkmolOkgC221212kmolCOgkmolOgkgCgcccC為固體，其容積與為固體，其容積與1kmol氣體的體積相比可以忽略不計(jì)。氣體的體積相比可以忽略不計(jì)。 完全燃燒需要完全燃燒需要 。同樣：同樣：完全燃燒需要完全燃燒需要 kgCgc212kmolOgc OHOH2222/OkgHkgOkgH22236324OkmolHkmolOkgH222214OkmolHgkmolOgkgHgHHH22224kgHgH24kmolOgH22SOOS22643232k

7、gSOkgOkgS221132kmolSOkmolOkgS223232SOgkmolOgkgSgsss完全燃燒需要1kg燃料中有燃料中有g(shù)0kg的的O2，即，即 kmol的的O2。則。則1kg的燃的燃料完全燃燒需理論氧量為：料完全燃燒需理論氧量為： M（ ） kmol kgSgs232kmolOgs2O12cg4Hg32sg320g空氣主要由氧氣、氮?dú)饧拔⒘慷栊詺怏w組成，空氣的分子量空氣主要由氧氣、氮?dú)饧拔⒘慷栊詺怏w組成，空氣的分子量為為28.95，1kmol空氣中，氧氣約占空氣中，氧氣約占0.21kmol，氮?dú)饧捌渌鼩怏w約，氮?dú)饧捌渌鼩怏w約占占0.79kmol。因此，。因此，1kg燃料完全燃

8、燒所需的理論空氣量為：燃料完全燃燒所需的理論空氣量為： 320gL（）（） kmol空氣空氣/kg燃料燃料(4-3)021. 0112cg4Hg32sg320g按重量計(jì)算為：按重量計(jì)算為：28.95L （kg空氣空氣）/（kg燃料燃料） 0L0按空氣標(biāo)準(zhǔn)體積（）計(jì)為：按空氣標(biāo)準(zhǔn)體積（）計(jì)為： 一般石油燃料，可認(rèn)為一般石油燃料，可認(rèn)為 。汽油的平均。汽油的平均組成為組成為 , ,可用可用 近似表示近似表示 ；柴；柴油的平均組成為油的平均組成為 可用可用 近近似表示。根據(jù)以上二式，汽油和柴油完全燃燒所需的理似表示。根據(jù)以上二式，汽油和柴油完全燃燒所需的理論空氣量分別為：論空氣量分別為： ， 273

9、nTK49.81 10naPP0022.4LL3()()/Nmkg空氣燃料00()28.95 0.8560.14428.95()14.8/0.21124LLkgkg空氣（汽油）00,0sgg0.856,0.144cHgg818C H0.875,0.125cHgg1634C H；或或 內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著混合氣形成方式和工作情況的不同，燃燒內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著混合氣形成方式和工作情況的不同，燃燒1kg燃料所耗費(fèi)的實(shí)際空燃料所耗費(fèi)的實(shí)際空氣質(zhì)量氣質(zhì)量L可能大于、小于或等于燃料完全燃可能大于、小于或等于燃料完全燃燒所需的理論空氣量。充入氣缸內(nèi)的實(shí)際空燒所需的理論空氣量。充入氣缸內(nèi)的實(shí)際空氣質(zhì)量與進(jìn)入氣缸

10、內(nèi)的氣質(zhì)量與進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃料完全燃燒所需的理論空氣量的比值稱為過量空氣系數(shù)，記作燃料完全燃燒所需的理論空氣量的比值稱為過量空氣系數(shù)，記作 = (44) 有時(shí)用空燃比有時(shí)用空燃比AF或燃空比或燃空比FA來表示可燃混合氣的成分。充入來表示可燃混合氣的成分。充入氣缸內(nèi)的實(shí)際空氣質(zhì)量與進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃料量的質(zhì)量比為空燃比，氣缸內(nèi)的實(shí)際空氣質(zhì)量與進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃料量的質(zhì)量比為空燃比，即：即： 00022.4 14.822.422.411.4528.9528.95LLL3()/Nmkg空氣（汽油）0()14.36/Lkgkg空氣011.11L 3()/Nmkg空氣（柴油）0LL充入氣缸的實(shí)際空氣重量燃料完全燃

11、燒所需理論空氣量00LL燃料重量充入氣缸內(nèi)的實(shí)際空氣重量進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃料重量燃料重量AF= FA=1/AF 顯然：可燃混合氣按理論混合比混合，顯然：可燃混合氣按理論混合比混合，=1。 若若1，則氧量不足，稱之為濃混合氣；，則氧量不足，稱之為濃混合氣； 若若1，則氧量過剩，稱之為稀混合氣。，則氧量過剩，稱之為稀混合氣。 實(shí)際上，即使是在一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中，其實(shí)際上，即使是在一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中，其值值也會(huì)隨時(shí)間和氣缸中空間位置的不同而變化。式也會(huì)隨時(shí)間和氣缸中空間位置的不同而變化。式(44)所表達(dá)所表達(dá)的的值是指一個(gè)工作循環(huán)中缸內(nèi)值是指一個(gè)工作循環(huán)中缸內(nèi)的算術(shù)平均值。的算術(shù)平均值。

12、三、燃料燃燒產(chǎn)物量及其物質(zhì)的量的改變?nèi)?、燃料燃燒產(chǎn)物量及其物質(zhì)的量的改變 根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)方程式還可計(jì)算燃料完全燃燒的燃燒產(chǎn)根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)方程式還可計(jì)算燃料完全燃燒的燃燒產(chǎn)物量以及燃燒反應(yīng)前后分子數(shù)的改變。燃燒前，物量以及燃燒反應(yīng)前后分子數(shù)的改變。燃燒前，1kg燃料與空燃料與空氣形成的可燃混合氣總物質(zhì)的量氣形成的可燃混合氣總物質(zhì)的量 為為 : kmol (45) 1M101fML式中，式中， 燃料的相對(duì)分子質(zhì)量。燃料的相對(duì)分子質(zhì)量。當(dāng)當(dāng)1時(shí)，時(shí)，1kg燃料完全燃燒所生成的各種成分氣體的物質(zhì)的燃料完全燃燒所生成的各種成分氣體的物質(zhì)的量為：量為：由由 kg C生成生成 kg H生成生成 的空氣中

13、剩余的的空氣中剩余的0.21(-1) kmol的氧的氧； 反應(yīng)前后數(shù)量不變?nèi)詾榉磻?yīng)前后數(shù)量不變?nèi)詾?.79 0.79 。這樣，燃燒產(chǎn)物的總物質(zhì)的量：這樣，燃燒產(chǎn)物的總物質(zhì)的量： (4(46)6) fcg212cgkmolCO的Hg22HgkmolH O的0L0L2N02L kmolN的0(0.21)122cHggML將式將式(43)的的 值代入式值代入式(46)，忽略，忽略 ，化簡(jiǎn)后得，化簡(jiǎn)后得 對(duì)于固體和液體燃料，由于其體積與參加燃燒的空氣體積相對(duì)于固體和液體燃料，由于其體積與參加燃燒的空氣體積相比很小，可略去不計(jì)，式比很小，可略去不計(jì)，式(4-5)可表為：可表為： 所以，所以，1kg燃料在

14、燃燒前及燃燒后氣體物質(zhì)的量的增量為燃料在燃燒前及燃燒后氣體物質(zhì)的量的增量為: : 在氣體燃料的情況下，根據(jù)其所含成分和有關(guān)的燃燒反應(yīng)在氣體燃料的情況下，根據(jù)其所含成分和有關(guān)的燃燒反應(yīng)方程式，同樣可以計(jì)算出單位標(biāo)準(zhǔn)體積的氣體燃料完全燃燒后體方程式，同樣可以計(jì)算出單位標(biāo)準(zhǔn)體積的氣體燃料完全燃燒后體積的變化量。積的變化量。 0Lsg00432HggML()/kmolkg燃?xì)猓ㄈ剂希?0ML01432HggMMM()/kmolkg燃?xì)猓ㄈ剂希├?，?duì)于一般的碳?xì)浠衔锢?，?duì)于一般的碳?xì)浠衔?CnHm)若若n4，則燃燒后體積增，則燃燒后體積增加，而加，而CO、 在燃燒后體積減少在燃燒后體積減少( )

15、。 但由于在不完全燃燒的情況下，碳燃燒生成但由于在不完全燃燒的情況下，碳燃燒生成CO的體積比參加的體積比參加燃燒的氧的體積增加了一倍，所以燃燒的氧的體積增加了一倍，所以1的濃混合氣在汽油機(jī)中的濃混合氣在汽油機(jī)中無煙燃燒時(shí)無煙燃燒時(shí)(CO是無色無味的有害氣體是無色無味的有害氣體)，其物質(zhì)的量增加了，其物質(zhì)的量增加了，這樣可使內(nèi)燃機(jī)功率這樣可使內(nèi)燃機(jī)功率 提高。然而因燃燒不完全，燃料消耗率提高。然而因燃燒不完全，燃料消耗率 卻會(huì)增加。燃燒后燃燒產(chǎn)物的卻會(huì)增加。燃燒后燃燒產(chǎn)物的kmol數(shù)數(shù) 與燃燒前可燃混合氣的與燃燒前可燃混合氣的kmol數(shù)數(shù)M 之比叫做理論分子變更系數(shù)，以之比叫做理論分子變更系數(shù)，

16、以 表示，即表示，即 （4-7）2H22222(),22OOCOCO HH O蒸汽eNeg1M000010/4/321/HfLggMML四、燃燒熱與絕熱火焰溫度四、燃燒熱與絕熱火焰溫度在一定條件下，化學(xué)反應(yīng)常常伴有放熱或吸熱現(xiàn)象，一在一定條件下，化學(xué)反應(yīng)常常伴有放熱或吸熱現(xiàn)象，一般稱之為反應(yīng)熱。單位數(shù)量般稱之為反應(yīng)熱。單位數(shù)量(以質(zhì)量、容積或物質(zhì)的量表示以質(zhì)量、容積或物質(zhì)的量表示)的燃料完全燃燒時(shí)的反應(yīng)熱稱為該燃料的燃燒熱或熱值。的燃料完全燃燒時(shí)的反應(yīng)熱稱為該燃料的燃燒熱或熱值。 可燃混合氣經(jīng)過絕熱過程（燃燒時(shí)熱量不向外傳出）最可燃混合氣經(jīng)過絕熱過程（燃燒時(shí)熱量不向外傳出）最終達(dá)到的燃燒溫度，

17、稱為絕熱火焰溫度，又稱為最高燃燒溫終達(dá)到的燃燒溫度，稱為絕熱火焰溫度，又稱為最高燃燒溫度。度。 42內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)是影響內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的主要因素之一。內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)是影響內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的主要因素之一。缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)包括渦流、擠流、滾流和湍流。下面將這些特性一缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)包括渦流、擠流、滾流和湍流。下面將這些特性一一加以闡述。一加以闡述。（一）渦流（一）渦流（1）進(jìn)氣渦流的形成）進(jìn)氣渦流的形成 主要有三種：導(dǎo)氣屏、切向進(jìn)氣道、螺旋進(jìn)氣道。主要有三種：導(dǎo)氣屏、切向進(jìn)氣道、螺旋進(jìn)氣道。 ( (a)a) 導(dǎo)氣屏導(dǎo)氣屏 在進(jìn)氣門平頂?shù)谋趁婕由弦欢螆A弧

18、形的導(dǎo)氣屏而構(gòu)成，氣流只在進(jìn)氣門平頂?shù)谋趁婕由弦欢螆A弧形的導(dǎo)氣屏而構(gòu)成，氣流只能從無導(dǎo)氣屏的一端流入氣缸，在氣缸的限制下，在缸內(nèi)形成繞氣能從無導(dǎo)氣屏的一端流入氣缸，在氣缸的限制下，在缸內(nèi)形成繞氣缸旋轉(zhuǎn)的渦流。此法對(duì)產(chǎn)生的缸內(nèi)渦流強(qiáng)度可調(diào)，做試驗(yàn)時(shí)較為方缸旋轉(zhuǎn)的渦流。此法對(duì)產(chǎn)生的缸內(nèi)渦流強(qiáng)度可調(diào)，做試驗(yàn)時(shí)較為方便。但是制造成本高，流動(dòng)特性差，可靠性也差，產(chǎn)品上已不用。便。但是制造成本高，流動(dòng)特性差，可靠性也差，產(chǎn)品上已不用。 (b)(b)切向進(jìn)氣道切向進(jìn)氣道 圖圖4 41 1產(chǎn)生進(jìn)氣渦流的方法產(chǎn)生進(jìn)氣渦流的方法（）導(dǎo)氣屏氣門；（）切向進(jìn)氣道；（）導(dǎo)氣屏氣門；（）切向進(jìn)氣道；(c)(c)螺旋氣道螺

19、旋氣道與導(dǎo)氣屏一樣，渦流不在氣道內(nèi)形成，而在缸內(nèi)形成。氣道僅與導(dǎo)氣屏一樣，渦流不在氣道內(nèi)形成，而在缸內(nèi)形成。氣道僅起導(dǎo)向作用，氣流入口處起導(dǎo)向作用，氣流入口處越小，產(chǎn)生的渦流越大，但流通系數(shù)變?cè)叫?，產(chǎn)生的渦流越大，但流通系數(shù)變?。醋枇ψ兇螅┬。醋枇ψ兇螅?。 切向進(jìn)氣道產(chǎn)生中等強(qiáng)度的渦流，但是切向進(jìn)氣道產(chǎn)生中等強(qiáng)度的渦流，但是變化對(duì)渦流強(qiáng)度很敏變化對(duì)渦流強(qiáng)度很敏感，生產(chǎn)上不易穩(wěn)定，對(duì)鑄造工藝要求較高（保證感，生產(chǎn)上不易穩(wěn)定，對(duì)鑄造工藝要求較高（保證的一致），主的一致），主要在大缸徑開式燃燒室柴油機(jī)上使用要在大缸徑開式燃燒室柴油機(jī)上使用,越大，渦流越弱，流通系越大，渦流越弱，流通系數(shù)就越大。數(shù)

20、就越大。( (c)c)螺旋進(jìn)氣道螺旋進(jìn)氣道渦流是在螺旋形氣道內(nèi)形成的，入缸后一方面繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，渦流是在螺旋形氣道內(nèi)形成的，入缸后一方面繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，另一方面繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)。可以產(chǎn)生中等或強(qiáng)渦流，流通系數(shù)也很另一方面繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)?？梢援a(chǎn)生中等或強(qiáng)渦流，流通系數(shù)也很大，對(duì)渦流的敏感性相對(duì)于切向進(jìn)氣道也好一些。在要求較強(qiáng)渦流大，對(duì)渦流的敏感性相對(duì)于切向進(jìn)氣道也好一些。在要求較強(qiáng)渦流的中小型高速柴油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。的中小型高速柴油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。（二）壓縮渦流與擠壓渦流（二）壓縮渦流與擠壓渦流 在壓縮行程開始時(shí)，因缸內(nèi)存在進(jìn)氣渦流，隨著壓縮行程的在壓縮行程開始時(shí)，因缸內(nèi)存在進(jìn)氣渦流，隨著壓

21、縮行程的進(jìn)行，缸內(nèi)渦流被壓入口徑較小的燃燒室凹坑，形成沿凹坑旋轉(zhuǎn)進(jìn)行，缸內(nèi)渦流被壓入口徑較小的燃燒室凹坑，形成沿凹坑旋轉(zhuǎn)的的壓縮渦流。由動(dòng)量守恒，壓縮渦流。由動(dòng)量守恒，進(jìn)氣渦流所具有的動(dòng)量矩基本不變的情況進(jìn)氣渦流所具有的動(dòng)量矩基本不變的情況下，氣流旋轉(zhuǎn)半徑縮小，勢(shì)必使燃燒室內(nèi)的渦流角速度增大。下，氣流旋轉(zhuǎn)半徑縮小，勢(shì)必使燃燒室內(nèi)的渦流角速度增大。壓縮終點(diǎn)渦流的角速度的大小很難測(cè)定，對(duì)于凹坑與氣缸中心壓縮終點(diǎn)渦流的角速度的大小很難測(cè)定，對(duì)于凹坑與氣缸中心線對(duì)稱的圓柱形燃燒室，日本池上旬提出下面計(jì)算渦流增速比的公線對(duì)稱的圓柱形燃燒室，日本池上旬提出下面計(jì)算渦流增速比的公式：式： 、：壓縮始點(diǎn)和壓縮

22、終點(diǎn)、：壓縮始點(diǎn)和壓縮終點(diǎn)渦流渦流的角速度；的角速度； 、：壓縮始點(diǎn)與壓縮終點(diǎn)活塞頂面到缸蓋底面的距離；、：壓縮始點(diǎn)與壓縮終點(diǎn)活塞頂面到缸蓋底面的距離； H ：凹坑深度；：凹坑深度；：活塞頂凹坑的直徑，活塞頂凹坑的直徑， D缸徑。缸徑。 下圖是一計(jì)算的例子：下圖是一計(jì)算的例子：活塞上行時(shí)，除在凹坑里形成壓縮渦流外，還存在一種徑向的活塞上行時(shí)，除在凹坑里形成壓縮渦流外，還存在一種徑向的空氣擠壓流動(dòng)，稱為擠流?；钊滦袝r(shí)，凹坑內(nèi)的氣體又向外流入空氣擠壓流動(dòng)，稱為擠流。活塞下行時(shí)，凹坑內(nèi)的氣體又向外流入環(huán)行空間，產(chǎn)生逆擠流；如圖所示：環(huán)行空間，產(chǎn)生逆擠流；如圖所示：2202000HhHH00kdDk

23、d圖圖4 43 3燃燒室的渦流增速比的燃燒室的渦流增速比的燃燒室口徑比燃燒室口徑比 0.350.35；活塞頂間隙；活塞頂間隙0.90.9；壓縮比；壓縮比16.416.4圖圖4 44 4擠流與逆擠流擠流與逆擠流（）擠流；（）逆擠流（）擠流；（）逆擠流對(duì)于有明顯凹坑的燃燒室來說，較強(qiáng)的擠流分量可以誘導(dǎo)產(chǎn)生對(duì)于有明顯凹坑的燃燒室來說，較強(qiáng)的擠流分量可以誘導(dǎo)產(chǎn)生較強(qiáng)的小較強(qiáng)的小尺度氣流紊動(dòng)即微渦流。微渦流具有促使油氣和空氣的分尺度氣流紊動(dòng)即微渦流。微渦流具有促使油氣和空氣的分子尺度均勻而迅速的混合作用；另外，其張量耗散作用還能對(duì)進(jìn)氣子尺度均勻而迅速的混合作用；另外，其張量耗散作用還能對(duì)進(jìn)氣渦流起到調(diào)整

24、阻尼作用。例如：渦流起到調(diào)整阻尼作用。例如：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，微渦與氣流速當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，微渦與氣流速度一樣呈直線增加，從而對(duì)高速工況的過強(qiáng)渦流起到抑制消減作用度一樣呈直線增加，從而對(duì)高速工況的過強(qiáng)渦流起到抑制消減作用，保證油氣在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)匹配良好。如圖所示，保證油氣在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)匹配良好。如圖所示 ： 圖圖45渦流微渦流與相對(duì)擠氣面積的關(guān)系渦流微渦流與相對(duì)擠氣面積的關(guān)系 1.1.坑內(nèi)渦流；坑內(nèi)渦流； 2.缸內(nèi)渦流；缸內(nèi)渦流； 3.擠壓渦流；擠壓渦流；4.微渦流微渦流 二、滾流二、滾流滾流是在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣過程中形成的另一種客觀的大尺度渦流。滾流是在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣過程中形成的另一種客觀的大尺度

25、渦流。與進(jìn)氣渦流相同的是，二者都是在進(jìn)氣過程中由進(jìn)氣道和氣缸壁形與進(jìn)氣渦流相同的是，二者都是在進(jìn)氣過程中由進(jìn)氣道和氣缸壁形成的。兩者的區(qū)別在于渦流的旋轉(zhuǎn)軸與氣缸軸線平行或重合，而滾成的。兩者的區(qū)別在于渦流的旋轉(zhuǎn)軸與氣缸軸線平行或重合，而滾流的旋轉(zhuǎn)軸線與氣缸軸線垂直。在一般立式內(nèi)燃機(jī)中，渦流的軸線流的旋轉(zhuǎn)軸線與氣缸軸線垂直。在一般立式內(nèi)燃機(jī)中，渦流的軸線與氣缸軸線平行，稱為立軸渦流與氣缸軸線平行，稱為立軸渦流,而滾流軸線與氣缸軸線垂直，也稱而滾流軸線與氣缸軸線垂直，也稱為橫軸渦流。還有一種渦流旋轉(zhuǎn)軸即不是垂直方向的，也不是水平為橫軸渦流。還有一種渦流旋轉(zhuǎn)軸即不是垂直方向的，也不是水平方向的，通常

26、稱這種渦流叫斜軸渦流，它是由渦流與滾流合成的缸方向的，通常稱這種渦流叫斜軸渦流，它是由渦流與滾流合成的缸內(nèi)宏觀氣流運(yùn)動(dòng)。內(nèi)宏觀氣流運(yùn)動(dòng)。對(duì)于四氣門汽油機(jī)來說，斜軸渦流在關(guān)閉雙進(jìn)氣道中的一個(gè)而對(duì)于四氣門汽油機(jī)來說，斜軸渦流在關(guān)閉雙進(jìn)氣道中的一個(gè)而保證另一個(gè)進(jìn)氣道正常工作的情況下較為常見，但在雙進(jìn)氣道同時(shí)保證另一個(gè)進(jìn)氣道正常工作的情況下較為常見，但在雙進(jìn)氣道同時(shí)進(jìn)氣時(shí)，缸內(nèi)宏觀氣流運(yùn)動(dòng)主要是滾流。進(jìn)氣時(shí)，缸內(nèi)宏觀氣流運(yùn)動(dòng)主要是滾流。圖圖46滾流產(chǎn)生和發(fā)展?jié)L流產(chǎn)生和發(fā)展 （一）滾流的產(chǎn)生及其發(fā)展變化（一）滾流的產(chǎn)生及其發(fā)展變化對(duì)于四氣門的汽油機(jī)所采用的坡屋頂燃燒室，兩個(gè)進(jìn)氣門和兩對(duì)于四氣門的汽油機(jī)所

27、采用的坡屋頂燃燒室，兩個(gè)進(jìn)氣門和兩個(gè)排氣門分別對(duì)稱的布置在它的兩側(cè)。這樣吸入缸內(nèi)的空氣很容易個(gè)排氣門分別對(duì)稱的布置在它的兩側(cè)。這樣吸入缸內(nèi)的空氣很容易形成橫向大尺度滾流，其尺度相當(dāng)于缸徑的大小。圖形成橫向大尺度滾流，其尺度相當(dāng)于缸徑的大小。圖46所示的是所示的是這種四氣門汽油機(jī)缸內(nèi)滾流產(chǎn)生和發(fā)展示意圖這種四氣門汽油機(jī)缸內(nèi)滾流產(chǎn)生和發(fā)展示意圖。由圖可見，從進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸的氣流形成了如箭頭所示一邊下沉一由圖可見，從進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸的氣流形成了如箭頭所示一邊下沉一邊繞橫軸旋轉(zhuǎn)的滾流運(yùn)動(dòng)。邊繞橫軸旋轉(zhuǎn)的滾流運(yùn)動(dòng)。為了降低進(jìn)氣阻力，且在缸內(nèi)形成較強(qiáng)的滾流，必須選擇適當(dāng)為了降低進(jìn)氣阻力，且在缸內(nèi)形成較強(qiáng)的滾

28、流，必須選擇適當(dāng)?shù)臍獾澜Y(jié)構(gòu)和形狀。如圖的氣道結(jié)構(gòu)和形狀。如圖47所示，四氣門汽油機(jī)的進(jìn)氣道一般有所示，四氣門汽油機(jī)的進(jìn)氣道一般有兩種，一種是分叉式，一種是單獨(dú)的兩個(gè)進(jìn)氣道。對(duì)比測(cè)試表明后兩種，一種是分叉式，一種是單獨(dú)的兩個(gè)進(jìn)氣道。對(duì)比測(cè)試表明后者的滾流速度和流量系數(shù)要大，可見后者的滾流與通流能力要比前者的滾流速度和流量系數(shù)要大，可見后者的滾流與通流能力要比前者強(qiáng)。另外圖中者強(qiáng)。另外圖中H值大的要比值大的要比H值小的滾流速度和氣道流量系數(shù)大。值小的滾流速度和氣道流量系數(shù)大。因此，因此，H值大的高位切向雙進(jìn)氣道被認(rèn)為是四氣門汽油機(jī)較為理想值大的高位切向雙進(jìn)氣道被認(rèn)為是四氣門汽油機(jī)較為理想的進(jìn)氣道結(jié)

29、構(gòu)。的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)。圖圖47兩種不同結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣道兩種不同結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣道滾流和渦流均能起到保存進(jìn)氣動(dòng)能，促進(jìn)混合氣形成和燃燒、滾流和渦流均能起到保存進(jìn)氣動(dòng)能，促進(jìn)混合氣形成和燃燒、提高空氣利用率和降低燃燒系統(tǒng)對(duì)過量空氣系數(shù)的要求等作用。但提高空氣利用率和降低燃燒系統(tǒng)對(duì)過量空氣系數(shù)的要求等作用。但是滾流還具有比渦流在上止點(diǎn)更能生成大量微小渦旋，且以不規(guī)則是滾流還具有比渦流在上止點(diǎn)更能生成大量微小渦旋，且以不規(guī)則的脈沖運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展成為強(qiáng)度很高的湍流，從而更有利于促進(jìn)燃燒的進(jìn)的脈沖運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展成為強(qiáng)度很高的湍流，從而更有利于促進(jìn)燃燒的進(jìn)行。行。圖圖48說明了缸內(nèi)滾流的發(fā)展變化的三個(gè)階段。說明了缸內(nèi)滾流的發(fā)展變化的

30、三個(gè)階段。圖圖48缸內(nèi)滾流的發(fā)展變化過程缸內(nèi)滾流的發(fā)展變化過程第一階段在進(jìn)氣時(shí)產(chǎn)生滾流運(yùn)動(dòng)。第一階段在進(jìn)氣時(shí)產(chǎn)生滾流運(yùn)動(dòng)。第二階段在壓縮早、中期，滾流遵守動(dòng)量矩守恒而得到加強(qiáng)，第二階段在壓縮早、中期，滾流遵守動(dòng)量矩守恒而得到加強(qiáng)，但又受到壁面摩擦和流體剪切應(yīng)力的抑制。但又受到壁面摩擦和流體剪切應(yīng)力的抑制。第三階段滾流受到活塞運(yùn)動(dòng)的擠壓而破碎成微渦旋，且迅速第三階段滾流受到活塞運(yùn)動(dòng)的擠壓而破碎成微渦旋，且迅速形成較強(qiáng)的湍流。形成較強(qiáng)的湍流。（二）滾流對(duì)燃燒過程的影響（二）滾流對(duì)燃燒過程的影響湍流運(yùn)動(dòng)可以較大的提高燃燒速度，改善內(nèi)燃機(jī)的性能。湍流運(yùn)動(dòng)可以較大的提高燃燒速度，改善內(nèi)燃機(jī)的性能。在滾流

31、輔助燃燒的情況下，由于存在較強(qiáng)的湍流，使著火滯燃在滾流輔助燃燒的情況下，由于存在較強(qiáng)的湍流，使著火滯燃期短，火焰前鋒的傳播速度加快，因而使燃燒持續(xù)期明顯減少。此期短，火焰前鋒的傳播速度加快，因而使燃燒持續(xù)期明顯減少。此外，還有利于改善內(nèi)燃機(jī)部分負(fù)荷工況的燃燒穩(wěn)定性，使之可同時(shí)外，還有利于改善內(nèi)燃機(jī)部分負(fù)荷工況的燃燒穩(wěn)定性，使之可同時(shí)獲得降低油耗和污染物排放的效果。由于滾流燃燒系統(tǒng)對(duì)爆震相對(duì)獲得降低油耗和污染物排放的效果。由于滾流燃燒系統(tǒng)對(duì)爆震相對(duì)敏感性較小，因此可以提高內(nèi)燃機(jī)的平均有效壓力左右。敏感性較小，因此可以提高內(nèi)燃機(jī)的平均有效壓力左右。在內(nèi)燃機(jī)高負(fù)荷工況下，加快燃燒可能導(dǎo)致壓力升高率上

32、升，在內(nèi)燃機(jī)高負(fù)荷工況下，加快燃燒可能導(dǎo)致壓力升高率上升，使燃燒噪聲增大。因此對(duì)不可調(diào)進(jìn)氣系統(tǒng)而言，它只能在發(fā)動(dòng)機(jī)較使燃燒噪聲增大。因此對(duì)不可調(diào)進(jìn)氣系統(tǒng)而言，它只能在發(fā)動(dòng)機(jī)較窄的運(yùn)行范圍內(nèi)獲得高的性能。為了發(fā)揮滾流對(duì)部分負(fù)荷性能的改窄的運(yùn)行范圍內(nèi)獲得高的性能。為了發(fā)揮滾流對(duì)部分負(fù)荷性能的改善能力，又保證高負(fù)荷下的性能，出現(xiàn)了可變滾流系統(tǒng)。善能力，又保證高負(fù)荷下的性能，出現(xiàn)了可變滾流系統(tǒng)。如日本雅馬哈公司如日本雅馬哈公司1995年研發(fā)成功的用于摩托車汽油機(jī)的可變年研發(fā)成功的用于摩托車汽油機(jī)的可變進(jìn)氣系統(tǒng)。進(jìn)氣系統(tǒng)。德國(guó)德國(guó)FEV公司也研發(fā)了一種連續(xù)可變滾流系統(tǒng)。該系統(tǒng)在汽油公司也研發(fā)了一種連續(xù)可

33、變滾流系統(tǒng)。該系統(tǒng)在汽油機(jī)整個(gè)寬廣的運(yùn)行范圍內(nèi)都具有改善燃燒的作用，且成功的實(shí)現(xiàn)了機(jī)整個(gè)寬廣的運(yùn)行范圍內(nèi)都具有改善燃燒的作用，且成功的實(shí)現(xiàn)了汽油機(jī)稀混合氣的燃燒優(yōu)化。該系統(tǒng)可使汽油機(jī)的升功率從汽油機(jī)稀混合氣的燃燒優(yōu)化。該系統(tǒng)可使汽油機(jī)的升功率從45W/L提高到提高到55W/L.三、湍流三、湍流內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的氣體流動(dòng)，除渦流和滾流外，還存在著一種隨機(jī)、內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的氣體流動(dòng)，除渦流和滾流外，還存在著一種隨機(jī)、非定常的、三維的、有旋流動(dòng)，即湍流或稱紊流。非定常的、三維的、有旋流動(dòng)，即湍流或稱紊流。湍流只有在高速流動(dòng)（即大雷諾數(shù)）的情況下才能產(chǎn)生。湍流的湍流只有在高速流動(dòng)（即大雷諾數(shù)）的情況下才能產(chǎn)生。湍流

34、的基本特征是具有隨機(jī)性質(zhì)的渦流（又稱微渦流）結(jié)構(gòu)，以及這些基本特征是具有隨機(jī)性質(zhì)的渦流（又稱微渦流）結(jié)構(gòu)，以及這些微渦旋在流體內(nèi)部的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，因此，湍流能引起相鄰流體間的微渦旋在流體內(nèi)部的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，因此，湍流能引起相鄰流體間的動(dòng)量、溫度、濃度等的交換和脈動(dòng)。這有利于加速燃燒過程的進(jìn)動(dòng)量、溫度、濃度等的交換和脈動(dòng)。這有利于加速燃燒過程的進(jìn)程。程。（一）湍流的描述（一）湍流的描述1.時(shí)間平均法時(shí)間平均法如圖如圖4所示的湍流場(chǎng)中，某處在一特定方向上的瞬時(shí)速所示的湍流場(chǎng)中，某處在一特定方向上的瞬時(shí)速度：（）度：（）( )( )UuUvtC tv圖圖49湍流場(chǎng)某處的速度變化湍流場(chǎng)某處的速度變化式中，式中

35、，C脈動(dòng)速度分量，因脈動(dòng)可正可負(fù)，故時(shí)均值為脈動(dòng)速度分量，因脈動(dòng)可正可負(fù)，故時(shí)均值為零，即，而時(shí)均速度零，即，而時(shí)均速度0uC( )Uvt-Uv 為的平均值。在內(nèi)燃機(jī)中，由于工作循環(huán)要發(fā)生周期性的變化，缸內(nèi)的流在內(nèi)燃機(jī)中，由于工作循環(huán)要發(fā)生周期性的變化，缸內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)不可能是定常的，因此，時(shí)間平均法并不適用。一種更適動(dòng)狀態(tài)不可能是定常的，因此，時(shí)間平均法并不適用。一種更適用分析缸內(nèi)所發(fā)生的準(zhǔn)周期性氣體流動(dòng)的方法是相平均法，即把用分析缸內(nèi)所發(fā)生的準(zhǔn)周期性氣體流動(dòng)的方法是相平均法，即把湍流的瞬時(shí)值分解為相平均值和脈動(dòng)分量，如圖湍流的瞬時(shí)值分解為相平均值和脈動(dòng)分量，如圖410的方法。的方法。圖圖41

36、0周期性湍流場(chǎng)某處的變化周期性湍流場(chǎng)某處的變化按照此法，某曲軸轉(zhuǎn)角位置按照此法，某曲軸轉(zhuǎn)角位置時(shí)的瞬時(shí)速度可表示為：時(shí)的瞬時(shí)速度可表示為：（414）( )( )( )UUuC式中相對(duì)平均速度的定義為：式中相對(duì)平均速度的定義為：（415）式中式中N平均的循環(huán)數(shù)；平均的循環(huán)數(shù)；Z發(fā)動(dòng)機(jī)的行程數(shù)，對(duì)四沖發(fā)動(dòng)機(jī)的行程數(shù)，對(duì)四沖程機(jī)，程機(jī)，Z4，二沖程機(jī)，二沖程機(jī)，Z2。是在各循環(huán)周期同一曲。是在各循環(huán)周期同一曲軸轉(zhuǎn)角處所測(cè)量的大量瞬時(shí)速度的平均值。同樣地，其湍流強(qiáng)度軸轉(zhuǎn)角處所測(cè)量的大量瞬時(shí)速度的平均值。同樣地，其湍流強(qiáng)度可表示：可表示：（416）通常用熱線風(fēng)速儀或激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量氣流的瞬時(shí)速度，通

37、常用熱線風(fēng)速儀或激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量氣流的瞬時(shí)速度，且利用（且利用（414）、（）、（415）求出和然后由（）求出和然后由（416）求出的值。求出的值。（二）湍流的尺度（二）湍流的尺度湍流場(chǎng)是許多大小不等的渦流組成，因此它們之間存在著相湍流場(chǎng)是許多大小不等的渦流組成，因此它們之間存在著相互作用。鑒于湍流脈動(dòng)極其復(fù)雜和混亂，對(duì)湍流問題的研究不得互作用。鑒于湍流脈動(dòng)極其復(fù)雜和混亂，對(duì)湍流問題的研究不得( )U10( )()/NUUiiN ( )U120( )()( )/NuUiCiN ( )U( )U( )UC( )uC不像統(tǒng)計(jì)物理學(xué)研究氣體分子運(yùn)動(dòng)那樣，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法。不像統(tǒng)計(jì)物理學(xué)研究氣體

38、分子運(yùn)動(dòng)那樣，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法。在湍流的統(tǒng)計(jì)理論中，最常用的是相關(guān)系數(shù)，也就是概率論在湍流的統(tǒng)計(jì)理論中，最常用的是相關(guān)系數(shù)，也就是概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的協(xié)方差。相關(guān)系數(shù)的物理意義是指空間兩點(diǎn)給定和數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的協(xié)方差。相關(guān)系數(shù)的物理意義是指空間兩點(diǎn)給定不同時(shí)刻的脈動(dòng)速度之間的相互聯(lián)系和相關(guān)程度。不同時(shí)刻的脈動(dòng)速度之間的相互聯(lián)系和相關(guān)程度。幾個(gè)脈動(dòng)速度之間在空間上的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性分別稱為時(shí)間相關(guān)幾個(gè)脈動(dòng)速度之間在空間上的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性分別稱為時(shí)間相關(guān)和空間相關(guān)，其相互聯(lián)系或相關(guān)時(shí)間或距離可作為一種尺度用來和空間相關(guān)，其相互聯(lián)系或相關(guān)時(shí)間或距離可作為一種尺度用來描述湍流脈動(dòng)速度的變化，衡量湍流脈動(dòng)作用在時(shí)間

39、或空間上的描述湍流脈動(dòng)速度的變化，衡量湍流脈動(dòng)作用在時(shí)間或空間上的影響范圍。其中由空間相關(guān)引入的湍流尺度稱為歐拉尺度或歐拉影響范圍。其中由空間相關(guān)引入的湍流尺度稱為歐拉尺度或歐拉積分尺度。積分尺度。歐拉積分尺度歐拉積分尺度可定義為：流場(chǎng)中相鄰的，兩點(diǎn)脈動(dòng)可定義為：流場(chǎng)中相鄰的，兩點(diǎn)脈動(dòng)速度的相關(guān)系數(shù)速度的相關(guān)系數(shù)R相對(duì)于兩點(diǎn)間可變距離的積分，即對(duì)方相對(duì)于兩點(diǎn)間可變距離的積分，即對(duì)方向有如下定義：向有如下定義：（417）顯然，當(dāng)時(shí)，故顯然，當(dāng)時(shí)，故R1，表明兩點(diǎn)重合，完，表明兩點(diǎn)重合，完全相關(guān)，隨著的增大，兩點(diǎn)脈動(dòng)速度的相關(guān)性逐漸減弱。若兩全相關(guān)，隨著的增大，兩點(diǎn)脈動(dòng)速度的相關(guān)性逐漸減弱。若兩_

40、22ijijxuuCuCuRCC0 xxlR dxiCujCu點(diǎn)的距離太遠(yuǎn)，則無相關(guān)意義，此時(shí)，點(diǎn)的距離太遠(yuǎn)，則無相關(guān)意義，此時(shí)，R0。應(yīng)當(dāng)指出，從物理觀點(diǎn)來看，用間距為的兩點(diǎn)間的相關(guān)系數(shù)應(yīng)當(dāng)指出，從物理觀點(diǎn)來看，用間距為的兩點(diǎn)間的相關(guān)系數(shù)來闡明湍流的影響范圍，是一個(gè)十分有用，但不太嚴(yán)格的概念。來闡明湍流的影響范圍，是一個(gè)十分有用，但不太嚴(yán)格的概念。實(shí)際上，脈動(dòng)速度的變化實(shí)驗(yàn)測(cè)量也只能給出定性的結(jié)果。實(shí)際上，脈動(dòng)速度的變化實(shí)驗(yàn)測(cè)量也只能給出定性的結(jié)果。 圖圖411歐拉積分尺度與泰勒微尺度歐拉積分尺度與泰勒微尺度圖圖411所示的是方向的歐拉積分尺度，其理論值等于所示的是方向的歐拉積分尺度，其理論

41、值等于R隨變化曲線下的面積，也等于按圖中虛線所示的邊長(zhǎng)為隨變化曲線下的面積，也等于按圖中虛線所示的邊長(zhǎng)為1和和的矩形面積，從數(shù)量上來說，即的矩形面積，從數(shù)量上來說，即的值，它代表了湍流中的值，它代表了湍流中最大渦旋尺度。最大渦旋尺度。愈大意味著湍流運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的范圍愈大，愈大意味著湍流運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的范圍愈大，表明渦旋有較大尺度。利用導(dǎo)出積分尺度表明渦旋有較大尺度。利用導(dǎo)出積分尺度的方法也可以解決的方法也可以解決同一時(shí)刻兩相鄰空間點(diǎn)同一時(shí)刻兩相鄰空間點(diǎn)0和和0的湍流脈動(dòng)相關(guān)問題。當(dāng)?shù)耐牧髅}動(dòng)相關(guān)問題。當(dāng)很小時(shí)，在很小時(shí)，在0點(diǎn)的脈動(dòng)速度可以通過點(diǎn)的脈動(dòng)速度可以通過0點(diǎn)的脈動(dòng)速度及其點(diǎn)的脈動(dòng)速度及

42、其導(dǎo)數(shù)按泰勒級(jí)數(shù)予以表示。將此展開式代入導(dǎo)數(shù)按泰勒級(jí)數(shù)予以表示。將此展開式代入R取前兩項(xiàng)，略去取前兩項(xiàng)，略去高階項(xiàng)，并令高階項(xiàng)，并令（418）則得：則得：這里，有這里，有2項(xiàng)的系數(shù)定義的長(zhǎng)度尺寸稱為泰勒微尺度，項(xiàng)的系數(shù)定義的長(zhǎng)度尺寸稱為泰勒微尺度，它代表了渦流中最小渦旋之間的距離。在圖它代表了渦流中最小渦旋之間的距離。在圖411中通過中通過R曲線曲線在在0處的頂點(diǎn)作拋物線，其軸上的截距即為。處的頂點(diǎn)作拋物線，其軸上的截距即為。_22211()2uuCCx221/xRx 柯爾莫戈洛夾認(rèn)為，小渦旋無法保存動(dòng)能，只能消耗動(dòng)能，柯爾莫戈洛夾認(rèn)為，小渦旋無法保存動(dòng)能，只能消耗動(dòng)能，所以它只與流體的粘性和

43、單位質(zhì)量流體的湍流能量耗散率所以它只與流體的粘性和單位質(zhì)量流體的湍流能量耗散率有關(guān)。據(jù)此，可導(dǎo)出另一表示最小渦旋尺度的特征值。兩種有關(guān)。據(jù)此，可導(dǎo)出另一表示最小渦旋尺度的特征值。兩種微尺度的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：微尺度的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：，（，（419）式中，微尺度雷諾數(shù)。式中，微尺度雷諾數(shù)。上述三中尺度之間的關(guān)系可以用一組數(shù)據(jù)加以說明。上述三中尺度之間的關(guān)系可以用一組數(shù)據(jù)加以說明。表表41CFR內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流參數(shù)值的比較內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流參數(shù)值的比較21/2(15/ )uvC31/41/2(/ )(15)evR/euRCv進(jìn)氣中期進(jìn)氣中期5.0204.01.00.02壓縮后期壓縮后期1.5104.01.

44、00.031/()uCm s1/()Uvm s/slmm/mm/mm表表41所示的是在轉(zhuǎn)速為所示的是在轉(zhuǎn)速為2000/min、缸徑和行程均為、缸徑和行程均為100，氣門直徑為，氣門直徑為40，最大氣門升程為，最大氣門升程為10的內(nèi)燃機(jī)上所的內(nèi)燃機(jī)上所測(cè)缸內(nèi)湍流的結(jié)果。測(cè)缸內(nèi)湍流的結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可知，由進(jìn)氣中期到壓縮后期湍流強(qiáng)度有開始由表中數(shù)據(jù)可知，由進(jìn)氣中期到壓縮后期湍流強(qiáng)度有開始的約相當(dāng)于的約相當(dāng)于70左右的活塞平均速度迅速下降至左右的活塞平均速度迅速下降至20的活塞速度。的活塞速度。而積分長(zhǎng)度而積分長(zhǎng)度和微分尺度基本保持不變。和微分尺度基本保持不變。uC（三）內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的湍流（三）內(nèi)燃機(jī)

45、缸內(nèi)的湍流圖圖412所示的是利用熱線風(fēng)速儀測(cè)得的缸內(nèi)相對(duì)湍流強(qiáng)度所示的是利用熱線風(fēng)速儀測(cè)得的缸內(nèi)相對(duì)湍流強(qiáng)度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。圖圖412缸內(nèi)湍流強(qiáng)度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化缸內(nèi)湍流強(qiáng)度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化/uUC由圖可知，進(jìn)氣開始時(shí)，隨著活塞下行，相對(duì)湍流強(qiáng)度由圖可知，進(jìn)氣開始時(shí)，隨著活塞下行，相對(duì)湍流強(qiáng)度不斷增加，均在不斷增加，均在120CA達(dá)到最大，然后下降，直至達(dá)到最大，然后下降，直至210CA左右左右達(dá)到最小。隨著進(jìn)氣門的關(guān)閉，壓縮過程開始至壓縮結(jié)束達(dá)到最小。隨著進(jìn)氣門的關(guān)閉，壓縮過程開始至壓縮結(jié)束360CA時(shí)，又增大，在膨脹行程，從開始到時(shí)，又增大，在膨脹行程，從開始到

46、450CA左右達(dá)最小，左右達(dá)最小，然后又開始增加直至進(jìn)氣門開啟。總的說來，的值均大于然后又開始增加直至進(jìn)氣門開啟?？偟恼f來，的值均大于0.2。對(duì)于壓縮行程或深坑型燃燒室，因存在著較大的壓縮擠流，對(duì)于壓縮行程或深坑型燃燒室，因存在著較大的壓縮擠流，湍流場(chǎng)迅速得以增強(qiáng)。與此同時(shí)，在壓縮過程結(jié)束時(shí)發(fā)生的燃燒湍流場(chǎng)迅速得以增強(qiáng)。與此同時(shí)，在壓縮過程結(jié)束時(shí)發(fā)生的燃燒將進(jìn)一步強(qiáng)化上述因活塞快速壓縮所致的湍流運(yùn)動(dòng)，促使湍流強(qiáng)將進(jìn)一步強(qiáng)化上述因活塞快速壓縮所致的湍流運(yùn)動(dòng)，促使湍流強(qiáng)度大幅度增加。度大幅度增加。在上止點(diǎn)附近，歐拉積分尺度在上止點(diǎn)附近，歐拉積分尺度與缸內(nèi)余隙高度屬于同一與缸內(nèi)余隙高度屬于同一數(shù)量級(jí)

47、，而泰勒微尺度則主要取決于燃燒室的形狀。一般來說，數(shù)量級(jí)，而泰勒微尺度則主要取決于燃燒室的形狀。一般來說，具有較強(qiáng)擠流的燃燒室，其泰勒微尺度比較小，這一點(diǎn)對(duì)汽油具有較強(qiáng)擠流的燃燒室，其泰勒微尺度比較小，這一點(diǎn)對(duì)汽油機(jī)點(diǎn)火和火焰中心的形成產(chǎn)生十分有利的影響。機(jī)點(diǎn)火和火焰中心的形成產(chǎn)生十分有利的影響。缸內(nèi)湍流的特性除了與活塞頂或燃燒室的幾何形狀有關(guān)外，缸內(nèi)湍流的特性除了與活塞頂或燃燒室的幾何形狀有關(guān)外，/uUC/uUC/uUC還與進(jìn)氣門的類別、運(yùn)行參數(shù)、壓縮比等因素有關(guān)。還與進(jìn)氣門的類別、運(yùn)行參數(shù)、壓縮比等因素有關(guān)。帶導(dǎo)氣屏的比不帶導(dǎo)氣屏的氣門所產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度和歐拉積帶導(dǎo)氣屏的比不帶導(dǎo)氣屏的氣門所

48、產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度和歐拉積分尺度分尺度都要大些。都要大些。運(yùn)行參數(shù)中，轉(zhuǎn)速是影響湍流強(qiáng)度和尺度的一個(gè)主要因素。運(yùn)行參數(shù)中，轉(zhuǎn)速是影響湍流強(qiáng)度和尺度的一個(gè)主要因素。轉(zhuǎn)速越高，湍流強(qiáng)度也越大，但歐拉（或稱長(zhǎng)度）積分尺度轉(zhuǎn)速越高，湍流強(qiáng)度也越大，但歐拉（或稱長(zhǎng)度）積分尺度的值影響不大，但對(duì)微小渦旋的壽命長(zhǎng)短的時(shí)間積分尺度卻有一的值影響不大，但對(duì)微小渦旋的壽命長(zhǎng)短的時(shí)間積分尺度卻有一定的影響。一般來說，湍流的時(shí)間積分尺度隨轉(zhuǎn)速的增加而降低。定的影響。一般來說，湍流的時(shí)間積分尺度隨轉(zhuǎn)速的增加而降低。壓縮比增大使湍流強(qiáng)度與空間尺度呈下降趨勢(shì)。壓縮比增大使湍流強(qiáng)度與空間尺度呈下降趨勢(shì)。工質(zhì)溫度和氣體粘性系數(shù)43

49、 柴油機(jī)的可燃混合氣形成及燃燒室柴油機(jī)的可燃混合氣形成及燃燒室 一、概述一、概述 柴油機(jī)中的混合氣形成過程一般從柴油機(jī)中的混合氣形成過程一般從燃料噴入燃料噴入氣氣缸缸開開始始至燃料噴至燃料噴完后的一段時(shí)間里止。完后的一段時(shí)間里止。 由于燃料噴入缸內(nèi)需要一段時(shí)間，故隨著燃料的不斷噴入，缸由于燃料噴入缸內(nèi)需要一段時(shí)間，故隨著燃料的不斷噴入，缸內(nèi)的混合氣成分在不斷地變化；使可燃混合氣無論是在時(shí)間上還是內(nèi)的混合氣成分在不斷地變化；使可燃混合氣無論是在時(shí)間上還是在空間上都表現(xiàn)出極大的不均勻性。結(jié)果，在混合氣濃的地方，燃在空間上都表現(xiàn)出極大的不均勻性。結(jié)果，在混合氣濃的地方，燃料因缺氧燃燒遲緩，甚至燃燒不

50、完全而引起排氣冒黑煙；在混合氣料因缺氧燃燒遲緩，甚至燃燒不完全而引起排氣冒黑煙；在混合氣稀的地方，空氣卻得不到充分的利用。因此，柴油機(jī)只有在平均過稀的地方，空氣卻得不到充分的利用。因此，柴油機(jī)只有在平均過量空氣系數(shù)量空氣系數(shù)1的情況下才能正常工作，這就勢(shì)必造成氣缸工作的情況下才能正常工作，這就勢(shì)必造成氣缸工作容積利用率的下降。熱分解等化學(xué)過程與蒸發(fā)、混合、擴(kuò)散、流動(dòng)容積利用率的下降。熱分解等化學(xué)過程與蒸發(fā)、混合、擴(kuò)散、流動(dòng)等物理過程又相互交織在一起，使得柴油機(jī)缸內(nèi)的局部空燃比有可等物理過程又相互交織在一起，使得柴油機(jī)缸內(nèi)的局部空燃比有可能在從零到無窮大的范圍內(nèi)變化能在從零到無窮大的范圍內(nèi)變化

51、，這一情況在整個(gè)燃燒過程中始，這一情況在整個(gè)燃燒過程中始終都可能存在。結(jié)果，在混合氣濃的地方，燃料因缺氧燃燒遲緩終都可能存在。結(jié)果，在混合氣濃的地方，燃料因缺氧燃燒遲緩，甚至燃燒不完全而引起排氣冒黑煙；在混合氣稀的地方，空氣，甚至燃燒不完全而引起排氣冒黑煙；在混合氣稀的地方，空氣卻得不到充分的利用。柴油機(jī)只有在平均過量空氣系數(shù)卻得不到充分的利用。柴油機(jī)只有在平均過量空氣系數(shù)1的情的情況下才能正常工作，這就勢(shì)必造成氣缸工作容積利用率的下降。況下才能正常工作，這就勢(shì)必造成氣缸工作容積利用率的下降。柴油機(jī)所采用的混合氣形成方式主要有：燃料空間霧化混合柴油機(jī)所采用的混合氣形成方式主要有：燃料空間霧化混

52、合方式方式( (簡(jiǎn)稱空間式簡(jiǎn)稱空間式) )，壁面油膜蒸發(fā)混合方式，壁面油膜蒸發(fā)混合方式( (油膜式油膜式) )和空間霧化和空間霧化油膜混合方式油膜混合方式( (復(fù)合式復(fù)合式) )?；旌蠚庑纬傻目偰芰恐饕獊??；旌蠚庑纬傻目偰芰恐饕獊碜試婌F動(dòng)能自噴霧動(dòng)能 和氣流運(yùn)的和氣流運(yùn)的 ，即，即: : 、視所采用的混合氣形成方式和燃燒室型式的不同而有不同視所采用的混合氣形成方式和燃燒室型式的不同而有不同的數(shù)值。的數(shù)值。 fEaEmEmfaEEEfEaE 燃燒室的結(jié)構(gòu)型式、噴油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)三者之間的配合是改燃燒室的結(jié)構(gòu)型式、噴油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)三者之間的配合是改善油氣良好混合和燃燒的關(guān)鍵。善油氣良好混合和燃燒

53、的關(guān)鍵。柴油機(jī)燃燒室可以分為兩大類：燃燒在一個(gè)空間中進(jìn)行稱直接柴油機(jī)燃燒室可以分為兩大類：燃燒在一個(gè)空間中進(jìn)行稱直接噴射式噴射式(也叫開式或統(tǒng)一式也叫開式或統(tǒng)一式)燃燒室和燃燒在兩個(gè)空間中進(jìn)行的稱間燃燒室和燃燒在兩個(gè)空間中進(jìn)行的稱間接噴射式（也叫分開式）燃燒室。根據(jù)燃燒室的結(jié)構(gòu)不同，混合氣接噴射式（也叫分開式）燃燒室。根據(jù)燃燒室的結(jié)構(gòu)不同，混合氣的的形成形成也不同。下面簡(jiǎn)要介紹不同燃燒室的結(jié)構(gòu)及其性能特點(diǎn)。也不同。下面簡(jiǎn)要介紹不同燃燒室的結(jié)構(gòu)及其性能特點(diǎn)。 二、直接噴射式燃燒室二、直接噴射式燃燒室 與間噴式燃燒室相比，直接噴射式燃燒室具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃消與間噴式燃燒室相比，直接噴射式燃燒室具有結(jié)

54、構(gòu)簡(jiǎn)單、燃消耗低耗低1520%、啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。但進(jìn)氣系統(tǒng)要求高，轉(zhuǎn)速適應(yīng)范、啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。但進(jìn)氣系統(tǒng)要求高，轉(zhuǎn)速適應(yīng)范圍更小圍更小, ,噪聲大，排放欠佳，噴射系統(tǒng)要求高等缺點(diǎn)。噪聲大，排放欠佳，噴射系統(tǒng)要求高等缺點(diǎn)。 在在D100mm的柴油機(jī)中，它的應(yīng)用占統(tǒng)治地位。由于它具有的柴油機(jī)中，它的應(yīng)用占統(tǒng)治地位。由于它具有高的熱效率，易于啟動(dòng)，加上近年來人們?cè)谶M(jìn)氣道和燃油系統(tǒng)方面高的熱效率，易于啟動(dòng)，加上近年來人們?cè)谶M(jìn)氣道和燃油系統(tǒng)方面取得進(jìn)展，目前在傳統(tǒng)上采用間噴式燃燒室的柴油機(jī)上（取得進(jìn)展，目前在傳統(tǒng)上采用間噴式燃燒室的柴油機(jī)上（D100mm， n 4000r/min)也正在得到越來越多的應(yīng)

55、用。也正在得到越來越多的應(yīng)用。 直噴式燃燒室按其活塞頂部凹坑的深淺又可分為開式燃燒室直噴式燃燒室按其活塞頂部凹坑的深淺又可分為開式燃燒室（淺凹坑）和半開式燃燒室（深凹坑）。（淺凹坑）和半開式燃燒室（深凹坑）。 1.1. 開式燃燒室開式燃燒室 整個(gè)燃燒室是由氣缸蓋底面、活塞頂面及氣缸壁所形成的統(tǒng)整個(gè)燃燒室是由氣缸蓋底面、活塞頂面及氣缸壁所形成的統(tǒng)一空間，如圖所示：一空間，如圖所示：圖圖4 436 36 開式燃燒室開式燃燒室 （a）（）（c）缸蓋底面是平的，適用于布置四氣門（進(jìn)、排氣閥）缸蓋底面是平的，適用于布置四氣門（進(jìn)、排氣閥各兩個(gè)）噴油器啟動(dòng)閥等。它們適應(yīng)于四沖程增壓柴油機(jī)和二沖程各兩個(gè)）噴

56、油器啟動(dòng)閥等。它們適應(yīng)于四沖程增壓柴油機(jī)和二沖程氣口氣閥直流掃氣的柴油機(jī)上。（氣口氣閥直流掃氣的柴油機(jī)上。（d）燃燒室的凹坑設(shè)在缸蓋的）燃燒室的凹坑設(shè)在缸蓋的底部，活塞頂可以是平的或細(xì)微向上凸起，燃燒室的輪廓與二沖程底部，活塞頂可以是平的或細(xì)微向上凸起，燃燒室的輪廓與二沖程增壓柴油機(jī)回流掃氣和橫流掃氣的氣流軌跡相吻合，主要用在氣缸增壓柴油機(jī)回流掃氣和橫流掃氣的氣流軌跡相吻合，主要用在氣缸蓋上無氣門的船用低速增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上。蓋上無氣門的船用低速增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上。 開式燃燒室用于開式燃燒室用于D200mm的渦輪增壓柴油機(jī)上較好，其燃油的渦輪增壓柴油機(jī)上較好，其燃油直接噴入氣缸，混合氣的形成屬空間霧化混合

57、方式。直接噴入氣缸，混合氣的形成屬空間霧化混合方式。 主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)： (1)(1)開式燃燒室是無空氣渦流或弱空氣渦流的燃燒室，使用的開式燃燒室是無空氣渦流或弱空氣渦流的燃燒室，使用的進(jìn)氣道為直進(jìn)氣道或切向進(jìn)氣道，混合氣形成主要依靠多孔噴嘴及進(jìn)氣道為直進(jìn)氣道或切向進(jìn)氣道，混合氣形成主要依靠多孔噴嘴及較高的噴油壓力，以使燃油噴散霧化并均勻地分布于整個(gè)燃燒室中較高的噴油壓力，以使燃油噴散霧化并均勻地分布于整個(gè)燃燒室中。孔數(shù)為?？讛?shù)為612個(gè)；孔徑在個(gè)；孔徑在0.250.8mm之間，大型低速二沖程柴油之間，大型低速二沖程柴油機(jī)噴孔孔徑有的達(dá)到機(jī)噴孔孔徑有的達(dá)到1.2mm。孔徑小于?？讖叫∮?.2

58、mm容易產(chǎn)生堵塞等故障容易產(chǎn)生堵塞等故障。組織高壓噴射。組織高壓噴射, ,針閥開啟壓力達(dá)到針閥開啟壓力達(dá)到2040MPa，最高噴油壓力，最高噴油壓力甚至高達(dá)甚至高達(dá)100MPa以上。油氣混合所需的能量集中于燃油，燃油以上。油氣混合所需的能量集中于燃油，燃油噴散霧化并均勻的分散在燃燒室中，噴霧中的油滴與周圍的空氣噴散霧化并均勻的分散在燃燒室中，噴霧中的油滴與周圍的空氣之間的動(dòng)量交換，使被卷入噴霧的空氣產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，從而形成之間的動(dòng)量交換，使被卷入噴霧的空氣產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，從而形成了如圖了如圖437所示的空氣運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了噴霧與周圍空氣間的混合所示的空氣運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了噴霧與周圍空氣間的混合與熱交換。與熱

59、交換。 圖圖4 43737無渦流式燃燒室混合氣形成示意圖無渦流式燃燒室混合氣形成示意圖 圖圖4 43838無渦流時(shí)噴霧前端著火后火焰運(yùn)動(dòng)情況無渦流時(shí)噴霧前端著火后火焰運(yùn)動(dòng)情況著火以后火焰如圖著火以后火焰如圖4 43838所示的所示的a a、b b、c c三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，對(duì)中三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，對(duì)中后期的燃燒起著重要的作用。后期的燃燒起著重要的作用。 圖圖4 43939開式燃燒室主要結(jié)構(gòu)尺寸開式燃燒室主要結(jié)構(gòu)尺寸 (2) (2)為了充分利用燃燒室中的空氣，并避免噴霧和火焰與為了充分利用燃燒室中的空氣，并避免噴霧和火焰與冷的氣缸壁直接接觸，要求噴霧與燃燒室形狀很好地配合。冷的氣缸壁直接接觸，要求噴霧與

60、燃燒室形狀很好地配合。噴油夾角噴油夾角(圖圖4 439)39)應(yīng)根據(jù)燃燒室形狀及噴油嘴噴孔伸出氣應(yīng)根據(jù)燃燒室形狀及噴油嘴噴孔伸出氣缸蓋底面的程度而定。對(duì)于四沖程柴油機(jī)缸蓋底面的程度而定。對(duì)于四沖程柴油機(jī)120120CACA160160CACA，油束的貫穿度一般取，油束的貫穿度一般取1 11.041.04（噴霧長(zhǎng)度（噴霧長(zhǎng)度L L：油嘴到：油嘴到燃燒室壁的直線長(zhǎng)度）。燃燒室壁的直線長(zhǎng)度）。 (3)(3)為了保證燃料充分燃燒，一般為了保證燃料充分燃燒，一般=1.62.2。為了降低熱負(fù)。為了降低熱負(fù)荷，也需要大量掃氣空氣。荷，也需要大量掃氣空氣。 (4)(4)燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，形狀簡(jiǎn)單，相對(duì)散熱面積面