[科普中國(guó)]-滾流

滾流是缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的一種，由其渦流的流動(dòng)方向與氣缸軸線垂直而得名，多用于進(jìn)氣道對(duì)稱(chēng)布置的多氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是在蓬頂形燃燒室，對(duì)稱(chēng)進(jìn)氣的四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)上更容易實(shí)現(xiàn) 。

滾流簡(jiǎn)介在柴油機(jī)中，在氣缸內(nèi)組織空氣的渦流運(yùn)動(dòng)是加強(qiáng)缸內(nèi)氣體流動(dòng)的方法之一。試驗(yàn)表明，組織適當(dāng)強(qiáng)度的渦流能有效改善柴油機(jī)的燃燒和性能。但在汽油機(jī)中渦流的作用卻不甚明顯，汽油機(jī)中紊流對(duì)燃燒和性能的影響很明顯。由于小尺度紊流易于衰減，為了在火焰?zhèn)鞑r(shí)有效地形成紊流，有必要在進(jìn)氣過(guò)程中向氣缸內(nèi)引入更多的動(dòng)能以便維持這種大尺度的空氣運(yùn)動(dòng)，從而保證紊流的強(qiáng)度。由于滾流在壓縮行程后期會(huì)破碎成紊流，使紊流強(qiáng)度得到加強(qiáng)，因此在汽油機(jī)中滾流是渦流很好的替代物，有著渦流所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

形成過(guò)程在進(jìn)氣過(guò)程中形成的繞垂直于氣缸軸線的有組織的空氣旋流稱(chēng)為滾流。滾流在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)經(jīng)歷如下的物理過(guò)程(見(jiàn)圖1)：

進(jìn)氣過(guò)程早期：由于滾流的進(jìn)氣受活塞頂面的影響而遭到破壞，所以在氣缸內(nèi)不能形成大尺度的、有組織的滾流，雖然在這期間有可能在穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)出滾流的轉(zhuǎn)速和動(dòng)量，但實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中的滾流角動(dòng)量卻為0；

進(jìn)氣過(guò)程中后期：活塞頂面離開(kāi)缸蓋一定距離，滾流在氣缸內(nèi)開(kāi)始形成，滾流角動(dòng)量開(kāi)始累加；

壓縮過(guò)程的早期和中期：氣缸內(nèi)的滾流得到維持和發(fā)展；

壓縮過(guò)程的后期：滾流受到上行活塞的擠壓破碎成紊流，紊流強(qiáng)度明顯上升。

從上面的分析可以看出，存在著一個(gè)臨界的曲軸轉(zhuǎn)角A，進(jìn)氣過(guò)程當(dāng)活塞下行至曲軸轉(zhuǎn)角U=A之前，缸內(nèi)不能形成有效的滾流，而在壓縮過(guò)程活塞上行至U=A之后，缸內(nèi)的滾流破碎成紊流，紊流強(qiáng)度上升，有效地改變發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。1

研究方法國(guó)內(nèi)外對(duì)缸內(nèi)氣體流動(dòng)的研究方法分為微觀研究方法和宏觀研究方法兩種。

微觀研究方法主要是利用特定的儀器研究缸內(nèi)湍流速度場(chǎng)的分布情況。研究的設(shè)備有熱線風(fēng)速儀CTA、激光多普勒測(cè)速儀LDA和激光粒子圖像速度場(chǎng)測(cè)量?jī)xPIV等。這種研究方法的優(yōu)點(diǎn)是研究的信息豐富，闡述的機(jī)理比較透徹，能知道滾流的生成到破碎的機(jī)理，能探明缸內(nèi)湍流動(dòng)能的分布情況及其變化。其缺點(diǎn)有儀器昂貴、工作量大、操作復(fù)雜等，最主要的缺點(diǎn)是該方法只適用于理論研究，對(duì)實(shí)際工作的指導(dǎo)作用有限。

宏觀研究方法主要是指穩(wěn)流試驗(yàn)技術(shù)，即利用氣道試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究。這種研究方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，結(jié)果比較可靠，能廣泛地用于對(duì)實(shí)際工作的指導(dǎo)，能在較快時(shí)間內(nèi)給出試驗(yàn)結(jié)果，效率較高。該方法的缺點(diǎn)是得到的信息不夠詳盡，無(wú)法得知缸內(nèi)具體湍流速度場(chǎng)的分布情況。

兩種研究方法各有利弊，研究時(shí)采取哪種方法要根據(jù)實(shí)際情況而定。

對(duì)性能的影響大量研究表明，渦流和滾流的產(chǎn)生都可以增加壓縮終了時(shí)的湍流強(qiáng)度，從而使火焰前鋒發(fā)生皺褶，增加火焰前鋒的面積并加速已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w之間熱量傳遞，提高燃燒速率。而滾流對(duì)燃燒的改善作用比渦流更大。渦流流動(dòng)主要是通過(guò)大尺度流動(dòng)與壁面之間的剪切作用使其在壓縮過(guò)程中逐漸破碎成小尺度湍流，其間能量逐漸耗散，到壓縮終了時(shí)有 1/3～1/4 的初始動(dòng)量矩都將損失掉。而滾流運(yùn)動(dòng)在壓縮過(guò)程初期和中期得到加強(qiáng)，在壓縮后期由于劇烈形變會(huì)發(fā)生瞬間破碎，形成強(qiáng)度較大的湍流，此湍流運(yùn)動(dòng)可以大大加快火焰?zhèn)鞑ニ俣龋种票?，減少循環(huán)變動(dòng)，提高稀燃能力，改善汽油機(jī)性能。2

滾流的應(yīng)用新型缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)滾流燃燒室結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于4G15缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，該 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 是 在1．5 L進(jìn) 氣 管 道 噴 射 汽 油 機(jī)（JL4G15）的基礎(chǔ)上改造而成的。通過(guò)計(jì)算流體仿真和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明這種新型滾流燃燒室可以獲得理想的缸內(nèi)滾流運(yùn)動(dòng)，配合分層EGR技術(shù)可以達(dá)到提高內(nèi)燃機(jī)工作效率和同時(shí)降低排放的目標(biāo)。

新型滾流燃燒室結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣門(mén)下方活塞頂凸起且呈斜坡面可以形成擠流面，在進(jìn)氣過(guò)程中有利于排氣一側(cè)快速形成滾流；在活塞上行階段，排氣門(mén)下方活塞頂凸起的順滾流面的弧面，可使得活塞頂表面的氣體流速加快，并且強(qiáng)烈沖掃活塞上表面，活塞頂面油膜因此而被帶入流團(tuán)中心，從而抑制了碳煙的產(chǎn)生；通過(guò)合理的燃燒室設(shè)計(jì)，即使不采用垂直向下的滾流進(jìn)氣道，也可以提高滾流的強(qiáng)度，降低氣缸蓋布置的難度；發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性隨著EGR的 增加而降低，且較低的EGR可以大幅降低NOx排放，因此不必追求過(guò)高的EGR。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張靜 - 副教授 - 西南大學(xué)