在直噴式柴油機或層狀充量發動機中，為了改善油、氣混合和燃燒，經常組織進氣渦流，又稱旋流。進氣渦流通常定義為氣體繞氣缸軸線有組織的旋轉運動，它可以被看作是進氣流動在垂直於氣缸軸線平面內的分運動。當進氣氣流對氣缸軸線具有初始角動量進入氣缸時，在缸壁的協作下形成渦流，可保持到壓縮及膨脹過程，但在進氣過程中有所衰減。在具有活塞頂凹坑燃燒室的內燃機中，當活塞接近於上止點時，大量的空氣被壓入活塞頂部的燃燒室內，使凹坑內氣體的旋流速度增加。
基本介紹
- 中文名：進氣渦流
- 外文名：intake swirl
- 所屬領域：動力學
- 定義：氣體繞氣缸軸線旋轉運動
- 形成方法：螺旋氣道和切向氣道
- 測量設備：葉片風速計
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形成
在進氣過程中形成的繞汽缸軸線有組織的氣流運動，稱為進氣渦流。發動機進氣渦流的產生方法主要有螺旋氣道和切向氣道，這兩種氣道在形成缸內進氣渦流時的原理有所不同。
在吸氣過程中產生進氣渦流的常用方法有兩種。
切向氣道
一種是氣流沿著氣缸壁切線方向進入氣缸並在旋轉運動中轉向兩邊及向下。切向氣道是實現這種結果的方法之一，切向氣道的氣道是直的，氣流沿著所希望的切向方向進入氣門的入口，在氣門頭人口周邊的速度分布，它明顯不均勻。另外，也可用導氣屏的方法產生渦流，在氣門頭入口周邊的速度分布，由於導氣屏的阻擋，大量的氣流從導氣屏以外的空間流入氣缸，從而產生相對於氣缸軸線的角動量，但是這種方法容易使氣門變形，加工複雜，多用於科研用機型。
螺旋氣道
第二種廣泛採用的方法是採用螺旋氣道。在流體進入氣缸之前，在進氣道內圍繞氣門軸線產生旋轉運動。通常用螺旋氣道時在相同的渦流水平下可獲得更高的流量係數，因為氣門開啟面積整個周邊都可充分利用，可得到較高的容積效率。同時，螺旋氣道對於鑄造中的位置偏移不甚敏感，這是因為渦流的形成主要取決於氣門上面進氣口通道的幾何形狀而不是通道相對於氣缸軸線的位置。
對於雙進氣道內燃機，進氣渦流的大小取決於氣道的形狀、組合形式及布置位置。氣道的形狀可以是螺旋氣道和切向氣道，氣道的組合方式主要有：
①兩個並聯螺旋氣道組合；
②串聯螺旋氣道組合；
③螺旋氣道和切向氣道組合，螺旋氣道在前；
④切向氣道和螺旋氣道組合，螺旋氣道在後；
⑤兩個切向氣道組合。
兩個氣門可以菱形布置，也可以水平布置。
其它方式
進氣渦流就是在進氣過程中，使充人氣缸的空氣在氣缸內產生旋轉運動。產生方法如下：
1．採用導氣屏：在氣門盤上安裝導氣屏引導氣流，通過改變導氣屏包角或位置，即可改變進氣渦流強度，並且可調試到最佳位置。
缺點是進氣阻力較大，氣門必須有防轉裝置，容易造成氣門卡住和偏磨，造成密封不嚴，製造成本也較高。
這種裝置在早期套用較多，目前常在單缸機上使用，多用於渦流強度要求較低且轉速較低的柴油機上。
2．採用導氣座：利用氣門座一側凹縮來引導氣流，其結構簡單，阻力較小，但產生的渦流強度也小，且增加了氣缸蓋氣道的進氣阻力，它常用以氣道上進氣流動的補充措施。
測量
在實際運行的發動機中，進氣渦流的特性難以確定，通常在穩流氣道試驗台上試驗時，使用葉片風速計或動量式渦流計進行測量，每種方法均有相應的計算渦流比和流量係數的方法，以此對進氣渦流的特性進行評價。
葉片式風速計是最簡單、最便宜的一種測量進氣渦流比的儀器，它主要用於穩流氣道試驗台上，由缸筒內風速計的葉片的旋轉速度來表示氣體流過進氣道時產生的渦流轉速，進而處理出渦流比，通常採用Ricardo渦流比等來評價氣道產生的渦流能力，雖然測量的渦流轉速與發動機內實際的渦流轉速有所不同，但是仍然可以橫向對比不同進氣道產生渦流的能力。
可變進氣渦流
在柴油發動機燃燒過程中，需要組織渦流以改善燃油的霧化，促使油束和空氣的迅速混合。但渦流在各種轉速和負荷是不變的，即全部採用旋流起到產生的空氣渦流。隨著世界各國排放法規越來越嚴，燃油消耗量Ft趨降低，這就要求最大限度地挖掘發動機的潛能。經多年的研究發現，在某一工況下，發動機存在一個最佳渦流比，而並不是越大越好。另外，不同工況下，發動機對進氣渦流的要求也不同。對直噴式柴油發動機來說，高負荷工況時，發動機的循環供油量大，噴油壓力高(柱塞泵)，燃油霧化較好，需要的氣量也大，要求進氣流動損失較小，同時渦流可稍弱。在車用發動機大部分時間運行的中低負荷工況下，循環供油量小，燃燒噴射壓力低，因而霧化差，需要的氣量也較少，所以可以犧牲一部分進氣量，以獲得較強的進氣渦流，促使油霧與空氣的混合，改善燃燒過程，提高燃燒效率。這一對矛盾是無法調和的，因此不但要使發動機產生進氣渦流，而且要使渦流的強度隨不同的發動機工況可調。
可變進氣渦流機構總的設計原則是不應降低流量係數，能較大範圍地改變渦流比，儘量少改動汽缸蓋，使用可靠。下面介紹幾種可變渦流機構。
(1)導氣屏式
導氣屏是使進氣在汽缸內繞其軸線旋轉。這種旋轉運動是由進氣門上導氣屏的阻流和導流作用、汽缸壁的導流作用，以及進氣道方向與導氣屏方位角密切配合而綜合形成的。
(2)雙層氣道式
在進氣道內布置有水平隔板，關閉上層氣道進口的板式閥，只有下層氣道開啟時，進氣速度提高，產生強渦流。若打開板式閥，則恢復到弱渦流狀態。這種方式使產生強渦流時的流量係數大幅度降低。
(3)副氣道方式
除了原來強渦流氣道(主氣道)外，還設定了控制渦流的副氣道，使其上方以一定的角度與主氣道相連。若打開副氣道入口處的板式閥，渦流變弱，同時進氣量也增加，流量係數提高；若板式閥關閉，則恢復到原先無副氣道的強渦流狀態，在保證良好流量係數的前提下獲得了強渦流。
這種結構的另一個特點是：當渦流轉換閥位於中間任意位置時，可獲得相應的任意中間渦流比。其缺點是汽缸蓋改變大。
(4)帶渦流控制閥的螺旋氣道
在進氣道內安裝一個隔板，從進氣道上部凸出到下部，將氣道分為螺旋氣道和旁通氣道。當部分負荷要求較高的渦流比時，旁通氣道關閉；當全負荷要求較高的充量係數時，旁通氣道打開。這種型式氣道的缺點是氣道內隔板固定困難，而且由於旁通閥的存在，降低了流量係數和充量係數。
(5)可調渦流式
進氣道內設有擋塊，將進氣道分為螺旋氣道和直氣道。在兩氣道進氣門處設定一渦流轉換閥，在螺旋氣道里設定節流閥。高負荷時用直氣道，中負荷時用螺旋氣道，低負荷時使用節流閥。
