目前乘用車上的發動機排量越來越小，但是輸出功率卻在顯著增長。隨著發動機強化程度的提高，相同的排量能輸出更多動力，機體零件承受的負荷也被不斷地逼到新的高度。同時，這類小型強化發動機還出現了以前少見的現象，比如氣缸內壓力震盪幅值超過20MPa的超級爆震，再比如本田、長安和起亞相繼因為機油稀釋進行了召回。
但是這種小排量渦輪增壓發動機仍在不停地強化，本田第二代1.5T發動機已經能輸出194馬力，比發生機油稀釋的第一代機型還多了17馬力，目前已經達到2012年一臺2.4L自吸發動機的動力水平。主流國產品牌的1.5T發動機也在跟進，賬面數據達到了本田第一代機型的水平。
動力性和燃油經濟性被不斷壓榨，排放法規越來越嚴格，小型強化發動機到底還有多少潛力？汽油機發展了140年，竟然還有沒研究透徹的東西？
本文只打算從一個非常小的角度切入，從氣缸內的氣體流動現象出發，粗淺地說明內燃機燃燒過程的複雜性——即渦流和滾流對燃燒過程的影響。下圖分別為渦流和滾流，渦流沿著氣缸的圓周方向旋轉，而滾流在氣缸內上下翻滾。有組織、有規律的滾流和渦流能提升發動機的性能，但是需要精心設計，不是天然就有，也不是想要就有。
渦流和滾流對GDI發動機燃油噴霧的影響
汽油發動機需要精確控制空氣和燃料的比例，採用缸內直噴技術後，汽油和空氣需要在很短的時間內完成氣化混合。因此就要使汽油噴霧中的油滴儘可能小，從而有利於形成均勻的混合氣。否則粗大的汽油顆粒不能完全燃燒，被焦化形成積碳，或者濃度相差太大造成燃燒和排放惡化。提升噴射壓力是最直接的方法，GDI發動機的噴油器壓力已經從2-3MPa提升到了20MPa。
噴油壓力不斷加強，汽油的霧化得到改善，但是油束的貫穿距離也在增加。氣缸內部空間狹小，噴油時活塞又在高速向上運動，這就造成汽油擊穿氣流打在氣缸壁和活塞上，這就是溼壁效應。
根據參考文獻[1]，當在氣缸內組織強度較高的滾流時，由於上下翻滾的氣流作用，能夠有效地卷吸、偏轉汽油噴霧，增大油霧散射角度，從而減小高壓油束的貫穿距離，避免溼壁效應的發生。
下圖來自參考文獻[2]，左邊是滾流很弱時的噴霧狀況，右邊是高滾流時的狀況。首先，實際噴射出來的油束並不規則，不論是形狀還是濃度分佈。汽油被噴到氣缸壁和活塞上不利於氣化混合。更重要的是汽油被頻繁噴射到氣缸壁上，被活塞環刮下並和機油混合，當發動機溫度較低不能充分蒸發流到曲軸箱裡的汽油，就出現“機油增多”的現象。而正常的曲軸箱通風處理不了這種情況，機油會被稀釋，性質被改變潤滑性能下降。
渦流和滾流對GDI發動機分層燃燒的影響
缸內直噴發動機要實現分層燃燒，需要渦流或滾流，用來在火花塞附近形成可燃混合氣。不論是噴霧引導、壁面引導還是氣流引導，在火花塞附近的汽油濃度適合火花引燃，外圍的濃度變得稀薄，但是仍可以被火焰點燃，這樣就實現了濃度分層的燃燒。離火焰中心較遠的邊邊角角不消耗汽油，從而提高了燃油經濟性。
渦流和滾流對分層燃燒至關重要，下圖為GDI發動機組織混合氣的三種方式：噴霧引導、壁面引導和氣流引導。
噴霧引導：這種方式主要利用渦流，它在壓縮行程受到擠壓後仍能保持旋轉運動的形式，汽油直接噴在火花塞旁邊，受到渦流的約束形成中間濃外面稀的分層混合氣。
壁面引導：噴油器設置在側面，活塞上設計出對應的凹坑，通過這個曲面引導氣流，在活塞周圍形成可以點燃的混合氣。這實際上是一種局部的滾流。
氣流引導:在進氣時就形成滾流和渦流，汽油不直接噴向火花塞，而是靠氣流的綜合作用來輸送。
但這些只是理想狀態，實際實現起來肯定有偏差。一臺四缸發動機，當轉速為2000轉/分時，進氣和壓縮行程的總時間只有0.03秒，氣缸內溫度場和氣流場複雜，肯定會有一些工作循環不正常。比如汽油直接打溼火花塞最後形成積碳，霧化不良混合氣過濃導致燃燒惡劣、火焰形成後不能傳播僅部分燃燒、每次燃燒情況偏差大造成循環間波動過大······
渦流和滾流對燃燒火焰的影響
渦流和滾流能促進汽油和空氣混合，還能在火花塞附近實現濃度分層，僅此而已？
渦流和滾流還能顯著促進燃燒放熱，進而影響動力。
根據參考文獻[3]，採用彩色攝像機以13000幀/秒的頻率，通過特製的光學觀測發動機試驗檯架，研究了進氣滾流強度對直噴發動機燃燒的影響。
橫向標註的角度代表曲軸轉角，0°時活塞在上止點，在 -1.15°就出現火焰是因為點火提前角。從橫向看這是火焰的燃燒過程。從上往下看，進氣滾流依次增強。圖片是經過處理的RGB圖，因此看起來是黑白的。
燃燒過程中明亮的白熾光是黃色火焰，這是由碳的燃燒產生的。連片大面積的黃色火焰表明，汽油缺氧不能完全燃燒，生成了大量的碳煙顆粒。
亮度偏暗的區域實際是藍色火焰，代表了CH燃燒。藍色火焰面積大，則燃燒速度快，放熱效率高。
隨著滾流強度的提高，高亮度的不完全燃燒區域減小，燃燒過程更均勻，提高了燃油經濟性。而且，滾流增強還使得氣缸內的平均有效壓力增加了23%，從而得到更多輸出功率。在滾流的作用下，一方面汽油的分佈更加均勻理想，另一方面使得點火時氣體運動非常活躍。最終轉換成湍流動能的增加，極大地促進了火焰的擴散傳播。
實驗時發動機的轉速固定在1200轉/分，如果沒有干預和組織，發動機的氣流較弱，而且不穩定。這就和我們的日常經驗對應起來了，低轉速下發動機低效費油。在廠商的宣傳資料中，燃燒室和進氣道的優化經常被作為重點，因為這確實效果明顯，哪怕只是修改了一個小小的曲面。
不少吃瓜群眾總是喜歡唸叨：發動機原理這麼清楚，進氣壓縮做功排氣，結構也不是什麼秘密，但我們還是造不出一流發動機。緊接著另一批吃瓜群眾就會上前指點：發動機對材料製造、工藝技術、製造精度要求高，只要能造好就行了。
現在看來，研究發動機，還需要研究燃燒放熱規律、汽油噴射規律、氣缸裡的流場、流體力學的效應······僅僅是渦流和滾流，就牽涉到分層燃燒的實現，還對燃燒放熱產生重大影響。而且具體實現起來還不是百分之一百的可控，仍需解決積碳、瞬態燃燒波動和汙染物控制等問題。
在法規的引導和限制下，發動機排量越來越小，強化程度越來越高。僅從渦流和滾流的研究利用而言，小排量高功率發動機的性能還能提升，還能像擠牙膏一樣發掘出一些潛力。
全面評價內燃機還有多少潛力，這種宏大命題還是留給學術大牛，或者屏幕前的你。我只知道這麼一點點而已。
參考文獻
[1]張喜崗,王天友,李衛,張志進.可變滾流對GDI發動機低速工況噴霧和燃燒影響的試驗[J].內燃機學報,2015,33(06):502-509.
[2]張憲會. GDI發動機缸內滾流特性及其對噴霧的影響研究[D].天津大學,2014.
[3]吳強,許敏,楊傑,董雪.進氣滾流強度對直噴發動機燃燒特性的影響[J].車用發動機,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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