Atkinson循環發動機緊湊型燃燒系統研究

徐丹， 楊青， 孟凡騰， 孫柏剛, 郭巨壽

(1. 北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081； 2. 北京現代汽車有限公司， 北京 101300；3. 北方通用動力集團有限公司， 山西 大同 037036)

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Atkinson循環發動機緊湊型燃燒系統研究

徐丹1， 楊青1， 孟凡騰2， 孫柏剛1, 郭巨壽3

(1. 北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081； 2. 北京現代汽車有限公司， 北京 101300；3. 北方通用動力集團有限公司， 山西 大同 037036)

基于Atkinson理論循環建立混合動力汽油機的性能仿真模型，確定出合適的壓縮比與配氣正時。分別采用增加活塞頂面凸起高度(上凸型燃燒室)和減小缸蓋上燃燒室高度的方式來滿足Atkinson循環汽油機對壓縮比的要求。同時為適應緊湊結構減小氣門升程、直徑(緊湊型燃燒室)。通過三維CFD計算分析，比較了兩種燃燒室缸內燃燒及流動特性，發現緊湊型燃燒室能夠在火核形成及擴散時期在缸內產生更高的湍動能，有利于加快火焰傳播，使燃燒持續期縮短9.8%～24.4%，可顯著提高燃油經濟性。在混合動力用Atkinson循環發動機開發中使用緊湊型燃燒室，具有重要的應用價值。

混合動力； Atkinson循環發動機； 燃燒室； 湍動能

混合動力汽車節能效果顯著，是緩解石油危機，改善大氣污染的有效技術措施。傳統Otto循環汽油機由于熱效率低，泵氣損失大，膨脹比小，不能充分發揮混合動力汽車的節能優勢。而Atkinson循環汽油機泵氣損失小，熱效率高，動力性降低的部分可由電機補充，可增強混合動力汽車的節油效果[1-6]。

Atkinson循環汽油機節能優點突出，但進氣門過晚關閉造成大量氣體回流，增加了氣體流動損失，同時擾亂了缸內滾流運動的形成，從而影響缸內混合氣的均勻性和湍流強度，降低了熱效率[7-8]。削弱進氣回流可使Atkinson循環汽油機發揮更大的節油潛力。國外利用非對稱曲柄傳動裝置和多聯動裝置來解決回流問題[8-9]，但只停留在理論研究上，不能有效解決內燃機應用時回流產生的負面影響。Atkinson循環通過提高幾何壓縮比，并對進氣系統進行調整，實現混合氣膨脹比大于實際壓縮比,本質上是不需要太多混合氣。據此本研究提出了Atkinson循環發動機緊湊型燃燒系統設計方案，在滿足高幾何壓縮比的前提下，使用小氣門和小升程達到少進氣的目的，減少被壓縮的混合氣量，避免缸內混合氣回流所帶來的氣體流動損失，提高熱效率，同時緊湊型結構還有利于加快火焰傳播，對提高燃油經濟性有重要的意義。

1 整機模型

1.1 模型建立與驗證

針對某1.6 L汽油機建立整機性能計算模型，原汽油機的主要規格參數見表1。應用Ricardo WAVE建立了發動機整機性能計算模型，相應的進排氣系統與試驗條件下的發動機配置一致。

表1 原發動機基本參數

為了驗證所建立的WAVE模型的準確性，在1 000～6 000 r/min范圍內，每隔500 r/min進行仿真計算，得到計算模型外特性曲線，并將該曲線與試驗值進行了對比分析。綜合對比圖1和圖2，可以看出，整個模型在全轉速范圍較為理想，仿真數據與試驗數據基本一致，各轉速下誤差均在5%以內，可以認為模型比較合理，可用于后續計算。

1.2 壓縮比與配氣相位的確定

由于采用Atkinson循環需要提高發動機幾何壓縮比并改變進氣門關閉角，為了不引起發動機爆震或者功率的過多降低，需要選擇一個合適的壓縮比與進氣門關閉角的搭配關系。由于城市汽車主要行駛在中低速、部分負荷工況，選取2 500 r/min為代表性工作轉速，以原汽油機正常工作的壓縮壓力2.5 MPa為約束條件，防止增加爆燃風險。確定該條件下壓縮比與進氣門關閉角的綁定關系，結果見圖3。

根據2.5 MPa壓縮壓力對應的進氣門晚關角，綜合考慮功率、燃油消耗率及燃燒壓力的影響，選取壓縮比13及其對應的進氣門晚關角為設計參數。基于此，綜合考慮功率及燃油消耗率，再進行配氣相位優化，得到優化后的發動機配氣相位(見圖4)。

2 CFD模型建立及驗證

Atkinson循環發動機相對原汽油機要將壓縮比提高至13，因此需要對燃燒室結構進行重新優化設計。在發動機缸徑和行程不變的前提下，要想提高壓縮比只能減小燃燒室容積。本研究采用兩種方案來提高壓縮比：方案一是增加活塞頂部高度的上凸型燃燒室，方案二是減小缸蓋上燃燒室高度的緊湊型燃燒室。同時為適應緊湊型結構，減小了氣門升程和直徑。

2.1 模型建立

分別在上凸型燃燒室和緊湊型燃燒室幾何模型基礎上，采用Converge CFD工具建立包含進排氣道、噴油器、火花塞及氣缸的計算模型。采用HyperMesh對幾何模型表面進行了優化，之后導入到Converge求解器中再次編輯不規則網格，對氣門、火花塞及噴油器局部進行了嵌套式網格加密，控制總計算網格數為80萬左右。選用RNGκ-ε湍流模型，該模型在標準κ-ε模型的基礎上通過修正湍動黏度，考慮了平均流動中的旋轉及旋流流動情況，且在ε方程中增加了一項可以反映主流的時均應變率，從而可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。由于CONVERGE吸收了CHEMKIN化學反應求解器，所以將C8H18與O2燃燒的化學反應動力學模型以CHEMKIN數據格式導入求解程序，它包括40 種組分和69個反應的異辛烷氧化機理反應，由外部輸入文件mech.dat提供，以此對C8H18的燃燒進行計算。物質組分設為N2,O2和C8H18，其物性參數由外部輸入文件therm.dat提供，設定計算成分的熱力學屬性的NASA數據格式，氣相屬性文件由gas.dat提供，液相屬性文件由liquid.dat提供。為保證計算收斂性及穩定性，仿真采用可變時間步長控制。計算中邊界條件的設置如下：

1) 空氣是由質量分數77%的N2和23%的O2組成的混合氣體。

2) 進氣入口類型設置為總壓，壓力采用性能計算中得到的各轉速瞬態壓力曲線值，溫度為293K，湍流強度和湍流長度尺度分別為0.05和0.005m;排氣出口類型設置為靜壓，壓力采用性能計算中得到的各轉速瞬態壓力曲線值，回流溫度為500～1 000K(依工況而定)，回流湍流強度和湍流長度尺度分別為0.02和0.003m。

3) 火花塞、火花塞電極、進氣道、排氣道、氣缸套及氣缸蓋設置為固定壁面；進氣門、排氣門和活塞頂設置為移動壁面。對各壁面進行溫度設置：火花塞550K，火花塞電極600K，進氣道425K，排氣道500K，進氣門480K，排氣門550～600K(依工況而定)；考慮到活塞頂面、氣缸蓋底面和氣缸套的表面溫度存在差異，使用平均壁溫進行計算。因此將活塞頂、氣缸套和氣缸蓋統一設置為550～600K(依工況而定)。

邊界條件設定中用到的湍動能κ和湍流耗散率ε按照下式進行設置。

式中：ui為進口平均流速；I為湍流強度，通常設在0.01～0.25之間；Cu為模型常數，取0.09；le為湍流長度尺度，一般通過物理區域來估計，可設為當量直徑(等效管道直徑)的5%～10%。

2.2 模型驗證

為了降低發動機的開發和加工成本，試驗過程中僅對上凸型燃燒室的設計方案進行了試驗驗證，基于上凸型燃燒室已經完成的樣機試制和試驗驗證工作，本研究使用試驗數據進行上凸型燃燒室計算模型的驗證。

空氣流量的對比分析見圖5，空氣流量在低速段與試驗值吻合得很好，在高速段略高于試驗值，但最大誤差在5%以內。圖6示出2 500r/min下缸內壓力的計算值與試驗值對比，缸壓曲線在壓縮段計算值與試驗值十分吻合，燃燒始點略有滯后，最高燃燒壓力比試驗值略高，缸內壓力計算值與試驗值總體趨勢吻合得比較理想。綜上，計算模型及模型參數設置合理，模型具有較高的可信性。

3 兩種燃燒室計算結果對比分析

使用CFD計算軟件對兩種燃燒室的燃燒過程進行三維數值模擬計算，并對結果進行對比分析，研究不同燃燒室形狀對燃燒過程的影響規律。外特性下的計算選取了能夠代表中低轉速特性的2 500r/min和能夠代表中高轉速的4 000r/min。

3.1 燃燒特征參數對比分析

為了方便對兩種形狀的燃燒特性進行對比，兩個模型的邊界條件設置相同，重點選取能夠反映燃燒特性的缸內熱力學參數進行宏觀對比，并對三維場圖進行了對比。兩種燃燒室的累計放熱率的變化規律見圖7。從圖中可以看出，在整個燃燒階段，緊湊型燃燒室的燃燒速度要略高于上凸型燃燒室，燃燒放熱快，燃燒持續期較短，燃燒性能優于上凸型燃燒室。

從圖8所示的2 500r/min和4 000r/min外特性下兩種燃燒室的燃燒持續期的對比規律可以看出，在2 500r/min時緊湊型燃燒室相對于上凸型燃燒室燃燒持續期縮短9.8%，在4 000r/min時緊湊型燃燒室相對于上凸型燃燒室燃燒持續期縮短24.4%。

3.2 燃燒持續期縮短的機理分析

為了分析上述差異產生的原因，以2 500r/min燃燒特性為例，進行三維場圖對比分析。Converge軟件在進行熱力學計算時是自動調整步長的，導致三維圖像的時間無法完全相同。圖9示出了兩種燃燒室在燃燒上止點后的缸內溫度場。從圖9中可以看出：相同時刻緊湊型燃燒室的高溫區域要大于上凸型燃燒室，火焰傳播速度更快，缸內溫度分布均勻，這正好揭示了緊湊型燃燒室累計放熱率高的本質。

在氣缸內形成的無規則的氣流運動稱為湍流，在火花點火發動機中主要用于提高火焰傳播速度，發動機的燃燒性能與燃燒速率有密切關系，所以希望在上止點附近能夠獲得更大的湍流。圖10示出了兩種燃燒室在上止點附近缸內湍動能分布情況。

進氣門關閉后，隨著活塞的壓縮上行，缸內滾流經歷了加速、變形進行破碎的過程，這些過程均有利于提高缸內的湍動能。在壓縮末期以及膨脹的初始階段，緊湊型燃燒室高湍動能區域大于上凸型燃燒室，表明緊湊型燃燒室相對于上凸型燃燒室可以產生更大的湍動能，能夠為著火初期缸內的火焰快速穩定傳播提供有利條件。

通過對緊湊型燃燒室和上凸型燃燒室外特性CFD計算結果的分析，結果顯示緊湊型燃燒室可在主燃期產生更高的湍動能，有利于提高燃燒速度，縮短燃燒持續期。

4 結束語

建立發動機整機燃燒計算模型，通過計算分析確定Atkinson循環發動機壓縮比為13，并提出了高壓縮比下進氣門關閉角與壓縮比的綁定關系，以此為基礎開展配氣相位優化研究，確定了最佳配氣相位。建立了上凸型燃燒室和緊湊型燃燒室三維CFD計算模型，利用試驗數據對上凸型燃燒室模型進行了校核與驗證。通過對兩種燃燒室缸內壓力和累計放熱率的分析，發現緊湊型燃燒室的最高燃燒壓力和累計放熱率高于上凸型燃燒室，緊湊型燃燒室燃燒速度更快，燃燒持續期更短，熱效率更高。

通過對兩種燃燒室CFD計算模型得出的三維流場的分析，揭示了兩種燃燒室燃燒特性差異的本質原因。緊湊型燃燒室的高湍動能區和高速度區明顯大于上凸型燃燒室，使得緊湊型燃燒室具有更大的高溫區，因而緊湊型燃燒室燃燒更充分，火焰傳播時間和燃燒持續期更短，從而熱效率更高。

[1] 田永祥,杜愛民,陳禮璠.混合動力汽車用Atkinson循環發動機的探討[J].汽車科技, 2007(4):31-34．

[2] 王長園,劉福水,孫柏剛.長安475Q混合動力發動機的仿真開發[J].汽車工程,2011(4):294-297.

[3] 朱國輝，夏孝郎，劉敬平，等.傳統汽油機改進成混合動力Atkinson循環專用發動機的節油效果[J].中南大學學報(自然科學版)，2014,45(4)：1302-1311.

[4]FuShuiLiu,BaiGangSun,HuaRongZhu,etal.DevelopmentofperformanceandcombustionsystemofAtkinsoncycleinternalcombustionengine[J].ScienceChinaTechnologicalSciences,2014,57(3):471-479.

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[10] 李玉鋒，劉書亮．提高四氣門汽油機缸內滾流強度的研究[J].內燃機學報，1999(3)：22-26．

[編輯: 李建新]

Research on Compact Combustion System for Atkinson Cycle Engine

XU Dan1， YANG Qing1， MENG Fanteng2， SUN Baigang1, GUO Jushou3

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Beijing Hyundai Motor Co., Ltd., Beijing 101300, China；3. North General Power Group Co., Ltd., Datong 037036, China)

Based on Atkinson theoretical cycle, the performance simulation model of hybrid gasoline engine was built and the compression ratio and valve timing were determined. The requirements of compression ratio for Atkinson gasoline engine has been met with increasing the bumped height of piston top surface (convex combustion chamber) and decreasing the height of cylinder head combustion chamber (compact combustion chamber). With three-dimensional CFD analysis, the combustion and flow characteristics of the two types of combustion chambers were compared. The results show that the compact combustion chamber can produce the higher turbulent kinetic energy in the period of flame kernel formation and diffusion, accelerate the flame propagation and shorten the combustion duration by 9.8%～24.4% with improved fuel economy. The application of compact combustion chamber in the development of hybrid Atkinson cycle engine is of great value.

hybrid; Atkinson cycle engine; combustion chamber; turbulent kinetic energy

2014-12-17;

2015-03-18

徐丹(1990—)，男，碩士，主要研究方向為內燃機燃燒排放與環境效應;xudan100190@163.com。

孫柏剛(1969—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為內燃機燃燒與排放控制;sunbg@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.013

TK421.28

B

1001-2222(2015)02-0060-05