内燃机进气过程中的气流运动形式

压缩过程 进气过程 活 塞 与 气 直进气道 缸盖
整个工作 过程
度。
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。
进气涡流的测定
在稳流气道试验台上评 定涡流强度的方法：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。
改变导气屏包角β和导气屏安装角a均可 改变涡流强度。（在a角90°与270°附 近调整，可得到 转向相反的两股涡流）。 试验时调整方便，常在单缸机使用，为 新气道设计提供数据。
a为导气屏对称中心线与气门中心线夹角。
导气屏评价
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。
滚流
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。
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。
湍流
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(t)可以写为: U (t) U u(t)
对气流运动的要求
气流运动对不同的缸径和转速的机型、不同的喷油系统 参数、不同的燃烧室和不同的工况都存在着不同的气流 运动范围。但是也存在着一些大致的规律：
缸径D≥200mm、转速n≤1000r/min的柴油机可以不用 或少用进气涡流。依靠自身压缩和喷油过程中形成的挤 流和紊流就可以促进混合气的形成。对于90≤D ≤160mm、n＞2000r/min的中小型柴油机就需要较强 的气流运动来促进混合气的形成和燃烧的完善。
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，气门在工作时又不能 转动，使气门容易偏磨，对气门密封不利。
切向气道及其评价
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。
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。
螺旋气道及其评价
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，合成后的速度图是一个对 称图形。
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。
气道的评定方法
为了增加进气充量， 气道的流动阻力越小
越好。Βιβλιοθήκη 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
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。
m3)
Ricardo方法
Ricardo无量纲涡流数NR为:
NR
R D 0
其中：R 为叶片旋转角速度， 为理论进气速度，D为缸径。
Ricardo涡流比
为：
R e
其中： R 为叶片旋转角速度，
为发动机旋转角速度。
挤流
定义：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。
空气充量的 大尺度旋流
运动。
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。
绕垂直于气 缸轴线的空 气旋流。
湍流是在时 间和空间上 都具有某种 准周期性和 连续性特征 的，半随机 半有序的三 维非定常有 旋的大雷诺 数流体运动。
进气过程 导气屏 切向气道 螺旋气道
式
中
，U
为
平均速度；u( U lim 1 t0
t)为流 U (t)dt
速
的
脉
动
分
量
。
t0
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:
1
u'
lim
1
t0 t0
u
2
(t
)dt
2
此外，还使用—些长度尺度和时间尺度表征湍流特性.
种类
涡流
挤流
滚流
湍流
定义
产生 时刻及 条件
内燃机进气过程中的气流 运动形式
气流运动的作用
1、对混合气形成和燃烧过程有决定性作用，影响着发动机 的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气排放。
2、合适的缸内空气运动可以提高汽油机火焰传播速率、降 低燃烧循环变动，适应稀燃或层燃过程；
3、合适的缸内空气运动可以加快柴油机燃油空气混合速率， 提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合。
Ricardo方法
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
Q为试验测得的实际空气流量
CQ F A0
υ0为理论进气速度
0
2p
A为气门座内截面面积
A dV2n / 4
为进气道压力降， 一般取2.5kPa
dv为气门 座内径
n为进气门数目
ρ为气门 座处气 体的密 度(kg／
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。
涡流的产生方法
切向气道 螺旋气道
导气屏
进气涡 流
导流槽
导气屏
强制空气从导气屏前面流出，依靠气缸 壁面约束，产生旋转气流。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，形成对气 缸中心的动量矩。
同一台柴油机中，高速时要求涡流比低一些，低速时要 求涡流比高一些。为了同时考虑，一般取折衷值。
燃烧过程中应该是涡流、挤流、滚流，湍流互相渗透最 好。
气流运动方式
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。其大小由进气道形状和发动机转 速决定。
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。