[科普中国]-进气涡流

形成

在进气过程中形成的绕汽缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流。发动机进气涡流的产生方法主要有螺旋气道和切向气道，这两种气道在形成缸内进气涡流时的原理有所不同。2

在吸气过程中产生进气涡流的常用方法有两种。

切向气道一种是气流沿着气缸壁切线方向进入气缸并在旋转运动中转向两边及向下。切向气道是实现这种结果的方法之一，切向气道的气道是直的，气流沿着所希望的切向方向进入气门的入口，在气门头人口周边的速度分布，它明显不均匀。另外，也可用导气屏的方法产生涡流，在气门头入口周边的速度分布，由于导气屏的阻挡，大量的气流从导气屏以外的空间流入气缸，从而产生相对于气缸轴线的角动量，但是这种方法容易使气门变形，加工复杂，多用于科研用机型。

螺旋气道第二种广泛采用的方法是采用螺旋气道。在流体进入气缸之前，在进气道内围绕气门轴线产生旋转运动。通常用螺旋气道时在相同的涡流水平下可获得更高的流量系数，因为气门开启面积整个周边都可充分利用，可得到较高的容积效率。同时，螺旋气道对于铸造中的位置偏移不甚敏感，这是因为涡流的形成主要取决于气门上面进气口通道的几何形状而不是通道相对于气缸轴线的位置。

对于双进气道内燃机，进气涡流的大小取决于气道的形状、组合形式及布置位置。气道的形状可以是螺旋气道和切向气道，气道的组合方式主要有：

①两个并联螺旋气道组合；

②串联螺旋气道组合；

③螺旋气道和切向气道组合，螺旋气道在前；

④切向气道和螺旋气道组合，螺旋气道在后；

⑤两个切向气道组合。

两个气门可以菱形布置，也可以水平布置。1

其它方式进气涡流就是在进气过程中，使充人气缸的空气在气缸内产生旋转运动。产生方法如下：

1．采用导气屏：在气门盘上安装导气屏引导气流，通过改变导气屏包角或位置，即可改变进气涡流强度，并且可调试到最佳位置。

缺点是进气阻力较大，气门必须有防转装置，容易造成气门卡住和偏磨，造成密封不严，制造成本也较高。

这种装置在早期应用较多，目前常在单缸机上使用，多用于涡流强度要求较低且转速较低的柴油机上。

2．采用导气座：利用气门座一侧凹缩来引导气流，其结构简单，阻力较小，但产生的涡流强度也小，且增加了气缸盖气道的进气阻力，它常用以气道上进气流动的补充措施。3

测量在实际运行的发动机中，进气涡流的特性难以确定，通常在稳流气道试验台上试验时，使用叶片风速计或动量式涡流计进行测量，每种方法均有相应的计算涡流比和流量系数的方法，以此对进气涡流的特性进行评价。

叶片式风速计是最简单、最便宜的一种测量进气涡流比的仪器，它主要用于稳流气道试验台上，由缸筒内风速计的叶片的旋转速度来表示气体流过进气道时产生的涡流转速，进而处理出涡流比，通常采用Ricardo涡流比等来评价气道产生的涡流能力，虽然测量的涡流转速与发动机内实际的涡流转速有所不同，但是仍然可以横向对比不同进气道产生涡流的能力。1

可变进气涡流在柴油发动机燃烧过程中，需要组织涡流以改善燃油的雾化，促使油束和空气的迅速混合。但涡流在各种转速和负荷是不变的，即全部采用旋流起到产生的空气涡流。随着世界各国排放法规越来越严，燃油消耗量Ft趋降低，这就要求最大限度地挖掘发动机的潜能。经多年的研究发现，在某一工况下，发动机存在一个最佳涡流比，而并不是越大越好。另外，不同工况下，发动机对进气涡流的要求也不同。对直喷式柴油发动机来说，高负荷工况时，发动机的循环供油量大，喷油压力高(柱塞泵)，燃油雾化较好，需要的气量也大，要求进气流动损失较小，同时涡流可稍弱。在车用发动机大部分时间运行的中低负荷工况下，循环供油量小，燃烧喷射压力低，因而雾化差，需要的气量也较少，所以可以牺牲一部分进气量，以获得较强的进气涡流，促使油雾与空气的混合，改善燃烧过程，提高燃烧效率。这一对矛盾是无法调和的，因此不但要使发动机产生进气涡流，而且要使涡流的强度随不同的发动机工况可调。

可变进气涡流机构总的设计原则是不应降低流量系数，能较大范围地改变涡流比，尽量少改动汽缸盖，使用可靠。下面介绍几种可变涡流机构。

(1)导气屏式

导气屏是使进气在汽缸内绕其轴线旋转。这种旋转运动是由进气门上导气屏的阻流和导流作用、汽缸壁的导流作用，以及进气道方向与导气屏方位角密切配合而综合形成的。

(2)双层气道式

在进气道内布置有水平隔板，关闭上层气道进口的板式阀，只有下层气道开启时，进气速度提高，产生强涡流。若打开板式阀，则恢复到弱涡流状态。这种方式使产生强涡流时的流量系数大幅度降低。

(3)副气道方式

除了原来强涡流气道(主气道)外，还设置了控制涡流的副气道，使其上方以一定的角度与主气道相连。若打开副气道入口处的板式阀，涡流变弱，同时进气量也增加，流量系数提高；若板式阀关闭，则恢复到原先无副气道的强涡流状态，在保证良好流量系数的前提下获得了强涡流。

这种结构的另一个特点是：当涡流转换阀位于中间任意位置时，可获得相应的任意中间涡流比。其缺点是汽缸盖改变大。

(4)带涡流控制阀的螺旋气道

在进气道内安装一个隔板，从进气道上部凸出到下部，将气道分为螺旋气道和旁通气道。当部分负荷要求较高的涡流比时，旁通气道关闭；当全负荷要求较高的充量系数时，旁通气道打开。这种型式气道的缺点是气道内隔板固定困难，而且由于旁通阀的存在，降低了流量系数和充量系数。

(5)可调涡流式

进气道内设有挡块，将进气道分为螺旋气道和直气道。在两气道进气门处设置一涡流转换阀，在螺旋气道里设置节流阀。高负荷时用直气道，中负荷时用螺旋气道，低负荷时使用节流阀。4