目前乘用车上的发动机排量越来越小，但是输出功率却在显著增长。随着发动机强化程度的提高，相同的排量能输出更多动力，机体零件承受的负荷也被不断地逼到新的高度。同时，这类小型强化发动机还出现了以前少见的现象，比如气缸内压力震荡幅值超过20MPa的超级爆震，再比如本田、长安和起亚相继因为机油稀释进行了召回。
但是这种小排量涡轮增压发动机仍在不停地强化，本田第二代1.5T发动机已经能输出194马力，比发生机油稀释的第一代机型还多了17马力，目前已经达到2012年一台2.4L自吸发动机的动力水平。主流国产品牌的1.5T发动机也在跟进，账面数据达到了本田第一代机型的水平。
动力性和燃油经济性被不断压榨，排放法规越来越严格，小型强化发动机到底还有多少潜力？汽油机发展了140年，竟然还有没研究透彻的东西？
本文只打算从一个非常小的角度切入，从气缸内的气体流动现象出发，粗浅地说明内燃机燃烧过程的复杂性——即涡流和滚流对燃烧过程的影响。下图分别为涡流和滚流，涡流沿着气缸的圆周方向旋转，而滚流在气缸内上下翻滚。有组织、有规律的滚流和涡流能提升发动机的性能，但是需要精心设计，不是天然就有，也不是想要就有。
涡流和滚流对GDI发动机燃油喷雾的影响
汽油发动机需要精确控制空气和燃料的比例，采用缸内直喷技术后，汽油和空气需要在很短的时间内完成气化混合。因此就要使汽油喷雾中的油滴尽可能小，从而有利于形成均匀的混合气。否则粗大的汽油颗粒不能完全燃烧，被焦化形成积碳，或者浓度相差太大造成燃烧和排放恶化。提升喷射压力是最直接的方法，GDI发动机的喷油器压力已经从2-3MPa提升到了20MPa。
喷油压力不断加强，汽油的雾化得到改善，但是油束的贯穿距离也在增加。气缸内部空间狭小，喷油时活塞又在高速向上运动，这就造成汽油击穿气流打在气缸壁和活塞上，这就是湿壁效应。
根据参考文献[1]，当在气缸内组织强度较高的滚流时，由于上下翻滚的气流作用，能够有效地卷吸、偏转汽油喷雾，增大油雾散射角度，从而减小高压油束的贯穿距离，避免湿壁效应的发生。
下图来自参考文献[2]，左边是滚流很弱时的喷雾状况，右边是高滚流时的状况。首先，实际喷射出来的油束并不规则，不论是形状还是浓度分布。汽油被喷到气缸壁和活塞上不利于气化混合。更重要的是汽油被频繁喷射到气缸壁上，被活塞环刮下并和机油混合，当发动机温度较低不能充分蒸发流到曲轴箱里的汽油，就出现“机油增多”的现象。而正常的曲轴箱通风处理不了这种情况，机油会被稀释，性质被改变润滑性能下降。
涡流和滚流对GDI发动机分层燃烧的影响
缸内直喷发动机要实现分层燃烧，需要涡流或滚流，用来在火花塞附近形成可燃混合气。不论是喷雾引导、壁面引导还是气流引导，在火花塞附近的汽油浓度适合火花引燃，外围的浓度变得稀薄，但是仍可以被火焰点燃，这样就实现了浓度分层的燃烧。离火焰中心较远的边边角角不消耗汽油，从而提高了燃油经济性。
涡流和滚流对分层燃烧至关重要，下图为GDI发动机组织混合气的三种方式：喷雾引导、壁面引导和气流引导。
喷雾引导：这种方式主要利用涡流，它在压缩行程受到挤压后仍能保持旋转运动的形式，汽油直接喷在火花塞旁边，受到涡流的约束形成中间浓外面稀的分层混合气。
壁面引导：喷油器设置在侧面，活塞上设计出对应的凹坑，通过这个曲面引导气流，在活塞周围形成可以点燃的混合气。这实际上是一种局部的滚流。
气流引导:在进气时就形成滚流和涡流，汽油不直接喷向火花塞，而是靠气流的综合作用来输送。
但这些只是理想状态，实际实现起来肯定有偏差。一台四缸发动机，当转速为2000转/分时，进气和压缩行程的总时间只有0.03秒，气缸内温度场和气流场复杂，肯定会有一些工作循环不正常。比如汽油直接打湿火花塞最后形成积碳，雾化不良混合气过浓导致燃烧恶劣、火焰形成后不能传播仅部分燃烧、每次燃烧情况偏差大造成循环间波动过大······
涡流和滚流对燃烧火焰的影响
涡流和滚流能促进汽油和空气混合，还能在火花塞附近实现浓度分层，仅此而已？
涡流和滚流还能显著促进燃烧放热，进而影响动力。
根据参考文献[3]，采用彩色摄像机以13000帧/秒的频率，通过特制的光学观测发动机试验台架，研究了进气滚流强度对直喷发动机燃烧的影响。
横向标注的角度代表曲轴转角，0°时活塞在上止点，在 -1.15°就出现火焰是因为点火提前角。从横向看这是火焰的燃烧过程。从上往下看，进气滚流依次增强。图片是经过处理的RGB图，因此看起来是黑白的。
燃烧过程中明亮的白炽光是黄色火焰，这是由碳的燃烧产生的。连片大面积的黄色火焰表明，汽油缺氧不能完全燃烧，生成了大量的碳烟颗粒。
亮度偏暗的区域实际是蓝色火焰，代表了CH燃烧。蓝色火焰面积大，则燃烧速度快，放热效率高。
随着滚流强度的提高，高亮度的不完全燃烧区域减小，燃烧过程更均匀，提高了燃油经济性。而且，滚流增强还使得气缸内的平均有效压力增加了23%，从而得到更多输出功率。在滚流的作用下，一方面汽油的分布更加均匀理想，另一方面使得点火时气体运动非常活跃。最终转换成湍流动能的增加，极大地促进了火焰的扩散传播。
实验时发动机的转速固定在1200转/分，如果没有干预和组织，发动机的气流较弱，而且不稳定。这就和我们的日常经验对应起来了，低转速下发动机低效费油。在厂商的宣传资料中，燃烧室和进气道的优化经常被作为重点，因为这确实效果明显，哪怕只是修改了一个小小的曲面。
不少吃瓜群众总是喜欢念叨：发动机原理这么清楚，进气压缩做功排气，结构也不是什么秘密，但我们还是造不出一流发动机。紧接着另一批吃瓜群众就会上前指点：发动机对材料制造、工艺技术、制造精度要求高，只要能造好就行了。
现在看来，研究发动机，还需要研究燃烧放热规律、汽油喷射规律、气缸里的流场、流体力学的效应······仅仅是涡流和滚流，就牵涉到分层燃烧的实现，还对燃烧放热产生重大影响。而且具体实现起来还不是百分之一百的可控，仍需解决积碳、瞬态燃烧波动和污染物控制等问题。
在法规的引导和限制下，发动机排量越来越小，强化程度越来越高。仅从涡流和滚流的研究利用而言，小排量高功率发动机的性能还能提升，还能像挤牙膏一样发掘出一些潜力。
全面评价内燃机还有多少潜力，这种宏大命题还是留给学术大牛，或者屏幕前的你。我只知道这么一点点而已。
参考文献
[1]张喜岗,王天友,李卫,张志进.可变滚流对GDI发动机低速工况喷雾和燃烧影响的试验[J].内燃机学报,2015,33(06):502-509.
[2]张宪会. GDI发动机缸内滚流特性及其对喷雾的影响研究[D].天津大学,2014.
[3]吴强,许敏,杨杰,董雪.进气滚流强度对直喷发动机燃烧特性的影响[J].车用发动机,2017(03):1-7.
[4]Tian J, Zhao M, Long W, et al. Experimental study on spray characteristics under ultra-high injection pressure for DISI engines[J]. Fuel, 2016, 186: 365-374.
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