滾流

滾流是缸內氣流運動的一種，由其渦流的流動方向與氣缸軸線垂直而得名，多用於進氣道對稱布置的多氣門發動機，尤其是在蓬頂形燃燒室，對稱進氣的四氣門發動機上更容易實現 。

基本介紹

• 中文名：滾流
• 外文名：tumble flow
• 領域：汽車
• 套用：發動機

滾流簡介

在柴油機中，在氣缸內組織空氣的渦流運動是加強缸內氣體流動的方法之一。試驗表明，組織適當強度的渦流能有效改善柴油機的燃燒和性能。但在汽油機中渦流的作用卻不甚明顯，汽油機中紊流對燃燒和性能的影響很明顯。由於小尺度紊流易於衰減，為了在火焰傳播時有效地形成紊流，有必要在進氣過程中向氣缸內引入更多的動能以便維持這種大尺度的空氣運動，從而保證紊流的強度。由於滾流在壓縮行程後期會破碎成紊流，使紊流強度得到加強，因此在汽油機中滾流是渦流很好的替代物，有著渦流所不可比擬的優點。

形成過程

在進氣過程中形成的繞垂直於氣缸軸線的有組織的空氣旋流稱為滾流。滾流在發動機氣缸內經歷如下的物理過程(見圖1)：

進氣過程早期：由於滾流的進氣受活塞頂面的影響而遭到破壞，所以在氣缸內不能形成大尺度的、有組織的滾流，雖然在這期間有可能在穩流試驗台上測出滾流的轉速和動量，但實際發動機中的滾流角動量卻為0；

進氣過程中後期：活塞頂面離開缸蓋一定距離，滾流在氣缸內開始形成，滾流角動量開始累加；

壓縮過程的早期和中期：氣缸內的滾流得到維持和發展；

壓縮過程的後期：滾流受到上行活塞的擠壓破碎成紊流，紊流強度明顯上升。

圖1 滾流的形成和發展

從上面的分析可以看出，存在著一個臨界的曲軸轉角A，進氣過程當活塞下行至曲軸轉角U=A之前，缸內不能形成有效的滾流，而在壓縮過程活塞上行至U=A之後，缸內的滾流破碎成紊流，紊流強度上升，有效地改變發動機的性能。

研究方法

國內外對缸內氣體流動的研究方法分為微觀研究方法和巨觀研究方法兩種。

微觀研究方法主要是利用特定的儀器研究缸內湍流速度場的分布情況。研究的設備有熱線風速儀CTA、雷射都卜勒測速儀LDA和雷射粒子圖像速度場測量儀PIV等。這種研究方法的優點是研究的信息豐富，闡述的機理比較透徹，能知道滾流的生成到破碎的機理，能探明缸內湍流動能的分布情況及其變化。其缺點有儀器昂貴、工作量大、操作複雜等，最主要的缺點是該方法只適用於理論研究，對實際工作的指導作用有限。

巨觀研究方法主要是指穩流試驗技術，即利用氣道試驗台進行研究。這種研究方法的優點是原理簡單，結果比較可靠，能廣泛地用於對實際工作的指導，能在較快時間內給出試驗結果，效率較高。該方法的缺點是得到的信息不夠詳盡，無法得知缸內具體湍流速度場的分布情況。

兩種研究方法各有利弊，研究時採取哪種方法要根據實際情況而定。

對性能的影響

大量研究表明，渦流和滾流的產生都可以增加壓縮終了時的湍流強度，從而使火焰前鋒發生皺褶，增加火焰前鋒的面積並加速已燃氣體與未燃氣體之間熱量傳遞，提高燃燒速率。而滾流對燃燒的改善作用比渦流更大。渦流流動主要是通過大尺度流動與壁面之間的剪下作用使其在壓縮過程中逐漸破碎成小尺度湍流，其間能量逐漸耗散，到壓縮終了時有 1/3～1/4 的初始動量矩都將損失掉。而滾流運動在壓縮過程初期和中期得到加強，在壓縮後期由於劇烈形變會發生瞬間破碎，形成強度較大的湍流，此湍流運動可以大大加快火焰傳播速度，抑制爆震，減少循環變動，提高稀燃能力，改善汽油機性能。

滾流的套用

新型缸內直噴汽油發動機滾流燃燒室結構，並將其套用於4G15缸內直噴汽油機，該 發 動 機 是 在1．5 L進 氣 管 道 噴 射 汽 油 機（JL4G15）的基礎上改造而成的。通過計算流體仿真和發動機實驗研究，結果表明這種新型滾流燃燒室可以獲得理想的缸內滾流運動，配合分層EGR技術可以達到提高內燃機工作效率和同時降低排放的目標。

新型滾流燃燒室結構實現了進氣門下方活塞頂凸起且呈斜坡面可以形成擠流面，在進氣過程中有利於排氣一側快速形成滾流；在活塞上行階段，排氣門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，並且強烈沖掃活塞上表面，活塞頂面油膜因此而被帶入流團中心，從而抑制了碳煙的產生；通過合理的燃燒室設計，即使不採用垂直向下的滾流進氣道，也可以提高滾流的強度，降低氣缸蓋布置的難度；發動機燃油經濟性隨著EGR的 增加而降低，且較低的EGR可以大幅降低NOx排放，因此不必追求過高的EGR。