4.1.1 缸内流动

往复式内燃机中的缸内流动非常复杂且紊乱。通常将缸内流动描述为带有湍流旋涡（小尺度脉动）的整体流动（或平均流动）。将缸内流动结构区分为整体流动和脉动实际上是一个概念定义问题，但却十分重要且有益。这个概念为采用试验测量和理论计算手段来描述内燃机的湍流流动奠定了基础，通过试验和计算得到的结果就可以相互比较。

在往复式内燃机的进气过程中，气体通过进气门时会形成射流流动。进气与气缸壁和活塞的相互作用促成了大尺度的旋转流动，称为涡流和滚流，如图4-1所示。图4-2展示了在一台篷形燃烧室四气门汽油机中产生的壁面射流流动，这些射流流动相抵的结果产生缸内的滚流运动。滚流是绕正交于气缸中心线的轴旋转的流动，图4-3（见彩插）中的计算流线展示了一台直喷汽油机中的滚流结构[3]。已有研究表明，高强度的滚流可以增强气体湍流，这有利于改善直喷汽油机和进气道喷射汽油机的热效率[4，5]。

在柴油机中，绕气缸轴线的涡流运动由通过螺旋气道的进气产生。尽管高强度的涡流运动主要用在高速车用柴油机中，但涡流也被用在直喷汽油机中，以改善低速全负荷时的混合气均匀性，以及部分负荷时的燃烧稳定性[6，7]。在这种情况下，如图4-1所示，在其中一个进气道中安装一个涡流控制阀，当涡流控制阀部分或完全关闭时，来自两个气道的进气流动会导致缸内流动发生偏斜，从而引起涡流，且涡流强度由涡流控制阀的开度决定。

当活塞运动靠近上止点时，在柴油机的活塞凹坑中或汽油机气缸盖下面的燃烧室里也会发生径向气体运动。这类气体流动形式被称为挤流。挤流也会发生在活塞离开上止点的过程中，这类挤流被称为反挤流。挤流有助于在带有深坑燃烧室的高速柴油机中加速混合气形成以及火焰扩散。在假设燃烧室内气体不可压缩以及质量守恒的前提下，可建立理论公式来计算上止点附近的挤流速度[2]。

在柴油机的ω形燃烧室内，涡流和挤流之间的强相互作用主导了压缩行程末期的流场[8，9]。挤流显著扰乱了涡流速度的径向分布，破坏其类固体旋转的流动结构。这种气流扰动会随着涡流强度和活塞凹坑形状的改变而产生较大变化，进而改变已有湍流的输运，并产生额外的湍流。

此外，燃油喷射会引起气体的卷吸运动，喷雾引起的气流运动也会与已有的滚流、涡流及挤流相互作用，进一步增加了缸内流场的复杂性。由于燃烧过程发生在燃油喷射之后，因此这些相互作用的意义就显得更加重要。因喷雾和气体流动相互作用而产生的叠加流场最终会影响缸内的混合气形成以及火焰发展。

在一个具有四气门和缩口型ω形燃烧室的柴油机上采用两相光纤耦合激光多普勒测速仪（Laser Doppler Velocimeter，LDV）测量并证明了燃油喷射增强湍流的现象[9]。图4-4（见彩插）中的结果表明，喷雾与涡流及挤流的相互作用使得局部湍动能（k）增强，其效果随着不同的喷油压力以及涡流比（R_s）变化，且燃油喷射的影响比涡流比更大。局部湍流强度可被增大2倍以上。

利用三维数值模拟可以研究直喷汽油机中喷雾对湍流的影响[10]。在计算的发动机中，喷油器居中放置在气缸盖顶部，在进气行程期间将燃油垂直喷入气缸内以形成均匀混合气。发动机在1500r·min-1、节气门全开的工况下运行，喷油压力为4.76MPa。当喷入燃油后，进气产生的滚流和喷雾引起的气流相互作用，增强了气缸中心区域的流动。此外，喷雾引起的气体卷吸在喷雾外围形成了强烈的涡旋，从而显著抑制了进气产生的滚流运动，如图4-5所示。其抑制程度的大小受喷射始点（SOI）的影响。

图4-6展示了同一台发动机在缸盖表面以下30mm直线上的平均流速分布，其中x坐标的零刻度线代表气缸轴线，正值表示排气侧远离气缸轴线的距离，而负值则表示进气门侧远离气缸轴线的距离。该图表明，在该发动机设计和喷油策略下，喷雾将气缸中心区域的局部平均流速提高了3.5倍。图4-7给出了与图4-6相同观测位置下计算的湍流强度。尽管在气缸轴线处湍流强度减小，但从整体上看，喷油通过在喷雾区域内造成的流速梯度增大了湍流强度。

图4-8展示了喷雾产生的流动对发动机整体湍流强度的影响，整体湍流强度由气缸内湍流强度局部分布按气体质量平均得到。该计算量反映了发动机缸内湍流的平均强度，可用于进行参数对比。可以看到喷雾增加了缸内湍流强度，且受到SOI的影响。在晚喷油情况下，其湍流强度大大高于不喷油时的数值。

往复式内燃机缸内气体流动的一般特征可以概括为：

1）活塞往复运动造成的非定常流动。

2）随内燃机几何形状产生的三维流动。

3）任何内燃机转速和任何进气门或气缸尺寸下流动都是湍流流动。

4）整体流动与内燃机循环同相位。

5）局部流动特性存在循环变动。

6）大尺度旋转流动将持续到压缩行程末期。

7）喷雾将造成额外的湍流。

缸内大尺度流动结构（平均流动）通常在压缩过程中逐渐衰减，但在靠近压缩上止点即燃烧发生时仍保持一定的强度。大尺度流动会影响喷雾液滴和燃油蒸气的输运，从而有助于空气与燃油的混合。另一方面，小尺度的气流脉动能够促进喷雾扩散和混合，并直接影响湍流火焰速度。如图4-9所示，压缩上止点附近的湍流强度会随着发动机转速上升而成比例地增大，这应该是内燃机缸内流动最显著的特征。正因为如此，内燃机的运行转速可低至船用发动机的每分钟几百转，也可高至赛车发动机的10000r·min-1以上。