流體力學應用/A2MA33：燃燒室中的流體流動

介紹

朋友們，現在準備好視覺化燃燒室中的流體流動。這個專案討論了在迴圈的壓縮衝程、燃燒衝程和作功衝程期間，氣缸內發生的空氣、燃料和廢氣的運動。在繼續之前，我想向您介紹一下這個專案的術語。

燃燒

一般來說，我們可以說燃燒是一個燃料燃燒產生熱量的過程。或者燃燒是物質之間的化學反應，通常包括氧氣，並且通常伴隨著熱量和光線的產生，以火焰的形式出現。反應物結合的速度相當快，部分原因是化學反應本身的性質，部分原因是產生的能量多於可以逃逸到散熱器中的能量，導致反應物的溫度升高，從而加速反應。一個常見的例子是點燃的火柴。當火柴被點燃時，摩擦使火柴頭加熱到化學物質發生反應併產生比可以逃逸到空氣中的熱量更多的熱量，它們就會燃燒併發出火焰。如果風吹走熱量或化學物質潮溼，摩擦不能使溫度足夠高，火柴就會熄滅。火柴正確點燃後，火焰的熱量會提高火柴棍附近一層和它旁邊空氣中氧氣的溫度，木材和氧氣會發生燃燒反應。

燃燒室

燃燒室 RD-45F

燃燒室是燃料由進料噴嘴供應，與來自壓縮機的空氣流混合並燃燒產生熱量，從而獲得氣流，氣流的溫度儘可能達到發動機所需的溫度。

燃燒室的設計對發動機效率和抗爆效能有重要影響。燃燒室的設計包括燃燒室的形狀、火花塞的位置以及進氣和排氣閥的佈置。由於燃燒室設計的重要性，它在過去 50 年一直是大量研究和開發的主題。這導致了 50 年來的提升。

良好的燃燒室的基本要求是提供

1. 高功率輸出 高功率輸出
2. 高熱效率和低燃油消耗率
3. 發動機平穩執行 發動機平穩執行
4. 減少排放汙染物

更高的功率輸出需要以下內容

1. 高壓縮比。

壓縮比受爆震現象的限制。爆震取決於燃燒室的設計和燃料質量。任何設計上的改變都會提高抗爆效能。任何改善燃燒室抗爆特性的設計變化都允許使用更高的壓縮比，這應該會導致更高的輸出和效率。

1. 少量或沒有多餘的空氣。
2. 完全利用空氣 - 沒有死角。
3. 最佳程度的湍流。

湍流是由進氣流引起的，進氣流會增強容積效率。

高容積效率需要以下內容

這是透過具有大直徑閥門、閥門頭周圍有充足的間隙、適當的閥門正時和直通通道來實現的，透過簡化燃燒室，使流動的壓力降更小。這意味著每次衝程更多的充氣量，功率輸出也相應增加。大閥門和直通通道也會提高獲得最大功率的速度。這透過增加每分鐘排量進一步提高了功率。

高熱效率需要以下內容

• 高壓縮比：如上所述
• 燃燒過程中熱量損失少

這是透過具有緊湊的燃燒室來實現的，緊湊的燃燒室提供較小的表面積與體積比。緊湊燃燒室的另一個優點是減少火焰傳播距離。在給定的湍流情況下，這會縮短燃燒時間，從而減少時間損失。

• 良好的廢氣清除

發動機平穩執行需要以下內容

1. 燃燒過程中壓力上升速度適中。
2. 沒有爆震，這意味著
3. 火花塞和排氣閥的位置合適。
4. 這兩個最熱部位的冷卻效果良好。

或

流體流動的型別

層流和湍流

首先我們應該瞭解流體運動的型別：有兩種型別的流體運動，以雷諾數為特徵。

1. 層流 &
2. 湍流

層流

流動分離成“層”，這些層相互滑動而不混合。如果我們在層流中引入一股彩色流，顏色會保留在該流中。流動被稱為穩定。層流可以用一組稱為流線（流線）的線來表示。

湍流

流體發生劇烈的混合。複雜的流動模式隨時間不斷變化。每個給定點的粒子速度隨時間呈混沌變化。非粘性液體湍流的流速剖面顯示出流體的無規律運動，通常會顯示出稱為渦流或渦旋的小型旋渦。由於它們的旋轉動能，渦流會吸收大量的能量。加入流中的彩色染料會很容易分散。

• 層流向湍流的轉變

隨著流速的增加，會突然發生這種情況。流動在某個臨界速度下變得不穩定。

• 湍流發生在存在突然

邊界表面。血液透過正常動脈的流動是層流。然而，當出現不規則性時，流動會變得湍流，可以用聽診器聽到。

• 當流動變為湍流時，會

體積流量下降。

• 當流體繞過物體流動時，物體的形狀是確定流動型別的重要的引數。

在燃燒室中，流體（空氣-燃料混合物）以“湍流方式”流動，以便更好地混合空氣和燃料，並提高容積效率。由於涉及的高速度，除角落和縫隙中的流動（牆壁的緊密接近會抑制湍流）外，所有流入、流出和在氣缸內的流動都是湍流的。氣缸中的湍流在進氣過程中較高，隨著靠近下止點（BDC）的流速減慢而減小，並在壓縮過程中再次增加，因為靠近上止點（TDC）的旋流、擠壓和翻滾增加。氣缸內發生的運動對於加速燃料蒸發、增強空氣燃料混合以及提高燃燒速度和效率非常重要。除了正常的預期湍流之外，在進氣過程中還會在空氣-燃料混合物中產生稱為旋流的旋轉運動。在壓縮衝程結束時，會產生另外兩種質量運動：擠壓和翻滾，擠壓是一種向中心線方向的徑向運動，而翻滾是一種圍繞圓周軸的旋轉運動。

燃燒室內的流體運動由以下因素描述

湍流

如上所述，這是由於流速很高。由於湍流，發動機內的熱力學傳遞速率提高了一個數量級。熱傳遞、蒸發、混合和燃燒速率都會增加當燃料燃燒時，靠近 TDC 的高湍流對燃燒過程非常有利。它比層流火焰快得多地分解並擴散火焰前沿。空氣-燃料在很短的時間內被消耗掉，避免了自燃和爆震。在 TDC 後約 120° 處達到最大翻滾。這可能是由於閥門開啟期間的射流空氣流動導致正常的翻滾在開始時減小並在壓縮衝程的早期部分增加。 或

旋流

還有一種理想的運動方式稱為旋流運動，其中空氣-燃料混合物以切線方向進入燃燒室，並以旋轉方式運動。因此，這種運動逐漸增強了空氣-燃料混合物，顯然提高了容積效率，對於提高效率的發動機來說是非常理想的。因此，設計了不同的燃燒室幾何形狀以允許這種運動，以提高效率。旋流被定義為氣缸內流體中軸線平行於活塞軸的大尺度渦流。旋流被認為是二維剛體旋轉，在壓縮和燃燒過程中持續存在。發動機氣缸內旋流在壓縮過程中的衰減相對較小，因此旋流渦的總角動量幾乎守恆。

擠壓和翻滾

另一種運動是擠壓運動。這在活塞向上移動到 TDC 時非常重要。當它到達上止點（TDC）時，間隙容積突然減小。就像在空氣過濾器中，間隙閥是較短的間隙容積，而較大的間隙容積在燃燒室中，因此當它到達 TDC 時，間隙容積減小到較短的間隙容積，不再是較大的間隙容積，因此空氣-燃料混合物必須從較大的間隙容積移動到較小的間隙容積中，因為沒有空間了，並且當空氣-燃料混合物容易地移動到較小的間隙容積中時，我們知道這是一個壓縮衝程，因此在這裡發生燃燒。火花塞點燃了這裡的空氣-燃料混合物並燃燒。當活塞向下移動到動力衝程時，間隙容積將再次增加，燃燒後的氣體將再次佔據更大的間隙容積，這種運動稱為反向擠壓。反向擠壓還有第二種效應，被稱為二次旋流，通常稱為翻滾。翻滾是由活塞接近 TDC 時擠壓引起的。翻滾是在活塞碗或氣缸蓋中的間隙容積邊緣附近圍繞圓周軸的旋轉運動。

分隔式燃燒室

一些燃燒室被分成幾部分，這意味著一些發動機具有分隔式燃燒室，通常約 80% 的間隙容積位於活塞上方的主室中，約 20% 的容積作為第二個燃燒室，透過一個小孔連線。

縫隙和竄氣

在發動機的燃燒室內，存在著微小的縫隙，在發動機迴圈過程中這些縫隙會充滿空氣、燃料和廢氣。這些縫隙包括活塞和氣缸壁之間的間隙（約佔總量的 80%）、火花塞或燃油噴射器螺紋的配合不良（5%）、氣缸蓋和缸體之間墊片的間隙（10-15%）以及燃燒室邊緣和閥門面邊緣的圓角不良。雖然這種容積僅佔總間隙容積的 1-3% 左右，但流入和流出它的氣體流動會極大地影響發動機的整體迴圈。竄氣損失即由於氣體流過活塞、活塞環和氣缸壁之間的縫隙或間隙而導致的氣體洩漏。氣體通常會透過這些縫隙洩漏或流到曲軸箱。雖然與總燃燒室容積相比，縫隙容積足夠小，但流入和流出它的氣體流動會影響燃燒和發動機排放。一些流經活塞和氣缸壁之間縫隙的氣體流過活塞進入曲軸箱，在那裡會升高曲軸箱壓力並汙染潤滑油。