混合動力汽車的球形發動機熱力學過程*

張　雷，徐海軍，潘存云，徐小軍

(國防科技大學 機電工程與自動化學院， 湖南 長沙　410073)

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混合動力汽車的球形發動機熱力學過程*

張雷，徐海軍，潘存云，徐小軍

(國防科技大學 機電工程與自動化學院， 湖南 長沙410073)

摘要：介紹球形發動機工作原理及基本結構，研究發動機氣缸容積變化規律，進而建立發動機熱力學過程理論模型，分析發動機燃燒過程。利用FLUENT開展對比仿真研究，并對發動機燃油噴射過程進行分析。結果表明氣缸內部溫度與壓力曲線的計算結果與仿真結果基本一致，驗證了理論模型的正確性。仿真結果顯示在燃油噴射過程中，燃油噴射軌跡呈渦團狀，引起局部富油，使得燃燒性能變差。

關鍵詞：球形發動機；混合動力汽車；燃燒過程；有限元分析

隨著汽車排放標準的逐步提高，混合動力汽車以其較高的能量利用效率、較為清潔的綜合排放性能以及較好的經濟性贏得了越來越多的關注[1-3]。由于混合動力汽車兼有蓄電池組和發動機兩種動力，體積較為笨重[4-5]。因此，相關研究人員提出了若干種高功率密度的集成化發電系統。美國Sandia國家實驗室運用均質充量壓燃的燃燒方式研究自由活塞直線發電機，結果表明其熱效率可達56%，NOX排放顯著降低；國內，常思勤領導的團隊研究了四沖程自由活塞發動機的熱力學過程，結果表明該型發動機有較高的能量轉化效率，是未來混合動力汽車的理想動力源[6-7]。美國的EcoMotors公司研究了對置活塞對置氣缸(Opposed Piston Opposed Cylinder, OPOC)發動機，可用于混合動力汽車，其燃油消耗率設計目標為2.5升每百千米。湖南大學對于OPOC發動機的燃燒及運行特性進行了理論分析，進一步優化了發動機的工作過程，探索了提高發動機熱效率及排放性能的方法[8]。本文設計了一種新型的球形發動機，用作混合動力汽車的增程系統的動力源，有著結構緊湊、功重比高、集成性好的優點，有望顯著降低混合動力汽車增程系統的重量，提高燃油經濟性[9-10]。

1球形發動機結構及運動分析

球形發動機以凸輪為主要的功率傳輸部件，具有結構緊湊、功率密度大、布置形式靈活等諸多優點。

1.1球形發動機功率傳輸機構

1.1.1球形發動機結構簡介

與傳統發動機使用的曲柄連桿式功率傳輸機構不同，球形發動機采用了軸向布置的凸輪式功率傳輸機構來實現活塞的往復運動，其基本結構如圖1所示。

圖1　球形發動機功率傳輸機構結構原理圖Fig.　Structure of power transmission mechanism of sphere cam engine

如圖1所示，球形發動機的球面凸輪固結在發動機的球殼上，活塞缸由轉軸支撐在球殼中間，可以繞著球殼軸線轉動。活塞和圓錐滾子鉸接于轉子上，圓錐滾子與空間球面凸輪接觸，將活塞在氣缸內的往復運動轉換成氣缸體的旋轉運動。固結在缸體上的線圈接通電源以后產生電磁場，與缸體一起旋轉，磁力線切割包裹在發動機球殼外部的定子線圈，產生電流向外輸出。

發動機的轉子上鉸接有兩個滾子，同時與凸輪的兩個端面接觸。凸輪的型線決定著活塞在缸體中間的運行規律。

1.1.2球形發動機工作原理

球形發動機是一款以柴油為燃料的四沖程自然吸氣發動機，通過集成化設計將發電系統與球形發動機有機集成在一起，具有結構緊湊、功率密度大等優點，其整體結構如圖2所示。

圖2　球形發動機整體結構Fig.2　Structure of sphere cam engine

如圖2所示，球形發動機通過配氣接口實現發動機的有序有效配氣[9]。如上文所述，發動機的氣缸繞著球殼轉動，由于配氣接口通過法蘭固定在球殼上，因此當缸體旋轉的時候，配氣接口產生相對轉動。配氣接口有序地將進氣口和排氣口與氣缸接通。通過合理設計配氣接口的形狀和大小，使得發動機在進氣沖程時氣缸與進氣口接通。此時，活塞從上止點向下止點運動，氣缸體積增大，將外部新鮮氣體通過進氣口吸入氣缸。隨著氣缸的旋轉，在進氣沖程結束時刻，進氣口關閉，氣缸被完全密封，發動機進入壓縮沖程。在壓縮沖程，活塞由下止點位置向上止點位置運動，氣缸的氣體被壓縮，溫度和壓強逐漸升高。在活塞到達上止點位置之前，高壓燃油通過噴油嘴噴入發動機氣缸。霧化的燃油被氣缸內的高溫氣體點燃，猛烈燃燒，釋放出大量的熱量，使得氣缸內混合物的壓力和溫度急劇上升。隨后，高壓氣體推動活塞由上止點向下止點運動，發動機進入膨脹做功沖程，燃氣的熱力學能轉換成機械能向外輸出。在活塞到達下止點時，氣缸與排氣口接通，燃燒產物通過排氣口向外流出，氣缸壓力和溫度快速下降。同時，活塞由下止點向上止點運動，將氣缸內的殘余廢氣排出氣缸。到此為止，發動機完成了一個熱力學循環，氣缸內部周而復始重復上述的熱力學過程，將燃料的化學能源源不斷地轉換成機械能。

1.2球形發動機運動學建模

球形發動機以空間球面凸輪機構作為功率傳輸機構，實現能量的轉化，是球形發動機具有較高功率密度和較為緊湊結構的關鍵性因素。

球形發動機利用空間凸輪驅動轉子，帶動活塞在氣缸內部做往復運動，形成變化的容積，其運動簡圖如圖 3所示。

圖3　球形發動機運動簡圖Fig.3　Schematic diagram of sphere cam engine

如圖3所示，在每個轉子上安裝有兩個滾子，同時與凸輪接觸。發動機凸輪的型線經過特殊設計使得活塞的角位移按照正弦規律變化，其中上活塞面的角位移φ(t)可以用式(1)表示[11-12]：

(1)

式中，α(t)是t時刻滾子中心線與x軸的夾角，δ是滾子中心線與活塞表面的夾角。

下活塞表面角位移可以通過式(2)計算：

(2)

式中，θ是兩個滾子中心線的夾角。

滾子中心線與x軸的夾角α(t)的運動規律由凸輪型線決定，可以表示如式(3)：

(3)

式中，φ是中心支架相對于缸體擺動的幅值，ω是發動機中心支架的轉動角速度。

發動機的理論轉速為3000 r/min，則兩個燃燒室的容積變化情況如圖4所示。從圖中可以看出，發動機氣缸的容積呈正弦規律變化。發動機氣缸容積最小值為0.049 L，容積最大值為0.734 L，發動機的壓縮比約為15。

圖4　氣缸容積變化關系Fig.4　Variation of cylinder volume

2球形發動機熱力學過程研究

發動機的熱力學過程計算是發動機研制工作的基礎，分析氣缸內部溫度壓力的變化規律是發動機強度設計以及性能評價的基礎[12]。

2.1理論建模

根據熱力學第一定律，發動機氣缸內部的熱平衡可以由式(4)計算[13]：

(4)

式中，mc是缸內工質的質量，u是缸內工質的比內能，pc是缸內氣體的壓強，V是氣缸的體積，QF是進入氣缸的燃料的內能，Qw是氣缸壁散熱損失，α是外轉子轉角，hBB是泄漏氣體的焓值，dmi是進入氣缸的氣體的質量，dme是流出氣缸的氣體的質量，dmBB是氣缸泄露的氣體的質量，hi是流進氣缸的氣體的比焓，he是流出氣缸的氣體比焓。

式(4)表明發動機氣缸內部工質的內能變化率是氣缸內部的熱量變化率、因工質質量變化引起的焓的變化率以及活塞做功功率之和。缸內的能量變化率包括缸內可燃氣體燃燒放熱率以及缸內氣體通過氣缸壁的換熱率。氣缸內部的質量變化率是進、出發動機氣缸的混合燃氣的變化率及泄漏的工質的質量變化率之和。現對上述各項變化率分別討論如下。

柴油發動機燃燒過程涉及柴油的噴射、霧化以及在氣缸內部的擴散燃燒過程，其反應機理到目前為止仍不是十分清楚。在實際計算過程中，多采用經驗模型來計算燃燒放熱率隨主軸的變化關系。由于雙韋伯函數同時考慮到了柴油的預混合燃燒和擴散燃燒，因而特別適合計算高速柴油機氣缸內部的燃燒放熱率[14]。

根據柴油機燃燒過程的特點，雙韋伯函數利用兩條韋伯曲線f1和f2，分別代表預混合燃燒和擴散燃燒。則燃料燃燒總放熱率為：

(5)

根據熱力學定律，發動機表面的熱量流動由接觸面的表面積和機體與空氣的溫度差決定，可以用式(6)表示：

Qw=Ai·αw·(Tc-Twi)

(6)

式中，Ai是發動機的接觸面積，Tc是發動機表面的溫度，Twi是周圍空氣的溫度，αw是發動機的散熱系數。

發動機的散熱系數計算公式是一個通過實驗得到的經驗公式，是建立在大量的實驗數據基礎之上的。散熱系數與氣缸的直徑、氣缸內部的氣體壓力、氣缸的容積以及氣缸內部的溫度有關，可以由式(7)計算[16]：

αw=0.1129D-0.2P0.8V0.8T-0.594

(7)

式中，D是氣缸直徑。

發動機缸內的工質質量變化率可由式(8)計算：

(8)

由于泄露的工質質量dmBB相對于通過進排氣口進入氣缸的工質的質量較小，故可以忽略不計。

發動機進排氣口氣體的流量與氣口的形狀、氣口的壓力差及流體的流速有關。根據等熵小孔流動的方程，當氣口的氣體流速小于聲速時，進排氣口氣體的質量流動速率可以用式(9)表示[17-19]：

(9)

式中，Aport是氣口的有效橫截面積，Ps和Ts分別是氣口前段的壓強和溫度，px是氣口后端的壓強，R是理想氣體常數，κ是比熱比。

當氣口流速大于聲速的時候，有如式(10)所示的關系存在：

(10)

混合物的狀態可以由氣態方程確定：

(11)

聯立式(4)～(11)可以建立發動機的熱力學模型，通過數值計算可以得到發動機氣缸內部溫度和壓強隨主軸轉角的變化關系。

2.2仿真研究

圖5　燃燒室網格劃分結果Fig.5　Meshing result of combustion chamber

發動機燃燒室采用半球形結構，為了加快計算的速度，取燃燒室三維模型的1/4進行計算。在后處理軟件中通過鏡像和旋轉等拓撲操作來還原原始的結構。發動機的進氣口和排氣口利用掃略的方式進行網格劃分，燃燒室通過自由網格的方式進行劃分。得到的網格劃分結果如圖5所示。

發動機熱力學過程仿真研究模型的網格劃分統計結果如表1所示。

表1　氣缸網格劃分結果

3結果分析

3.1理論計算及仿真結果對比

通過理論分析建立了氣缸內部熱力學過程的理論模型，分析得到了氣缸內壓力和溫度隨著缸體轉角的關系。同時為了驗證理論模型的正確性和分析缸體內部燃油噴射規律，建立了燃燒室三維模型并進行了網格劃分，導入到流體力學分析軟件里，設置邊界條件之后，對于燃燒室內的工作過程進行了仿真。理論計算和仿真分析到的結果如圖 6所示。

圖6　氣缸內熱力學參數計算和仿真結果Fig.6　Comparison of simulation result and calculation result of thermodynamic process in cylinder

從圖6可以看出，計算結果與仿真結果在圖形趨勢上基本一致。計算得到的氣缸內部的壓力曲線的最大值為68 Bar，仿真得到的為65 Bar，相對誤差僅為4.6%，計算與仿真結果基本一致。計算得到的最高溫度為2510 K，而仿真得到的最高溫度為2592 K，相對誤差為3.2%。但是仿真和計算結果在局部區域內也存在一定的差別：在活塞到達上止點之前，仿真的壓力曲線上升較快；但是仿真壓力曲線與計算曲線的最大值的時刻是一致的；在到達上止點之后，計算得到的壓力曲線下降幅度較仿真曲線小。至于氣缸內部的溫度曲線，仿真結果和計算結果在進氣、壓縮和爆炸沖程均基本一致，但是在進氣和排氣沖程存在一定的差別。仿真得到溫度曲線爆炸末期下降很快，在排氣過程下降較慢，而計算得到曲線卻恰恰相反，這就導致了兩種方式得到的結果在排氣階段出現了明顯的差別。其原因在于，仿真模型采用網格劃分后的離散模型代替真實的連續模型，在進排氣過程中氣口的氣體流速較大的情況下，會產生一定的誤差；同時，理論模型里面的氣體流量系數是現有的研究成果的推薦取值，也會引入一定的誤差。

3.2氣缸噴油過程特性分析

球形發動機以柴油為主要燃料，柴油在燃油泵的作用下壓力升到很高，通過噴油嘴，成霧狀噴射入氣缸內部。被氣缸內部的高溫高壓空氣點燃，劇烈燃燒，釋放大量的熱量[20]。

發動機內部燃油噴射的過程是一個極其復雜的物理化學過程，同時有柴油的霧化和燃燒過程。燃油噴射的軌跡和速度，對于燃油燃燒的完全與否有著直接的影響。

為了研究球形發動機缸內噴油過程，利用FLUENT后處理軟件得到了噴油過程的軌跡，如圖 7所示。

如圖7所示，在噴油嘴打開的時刻，燃油通過噴油口向氣缸內噴射。由于此時噴油嘴突然打開，燃油的壓力有一定程度的降低，燃油噴射出去以后沿著氣缸壁擴散，如圖 7(a)、圖7(b)所示。隨著油路壓力的重新建立，燃油噴射的角度發生了變化，燃油噴射偏向氣缸底部方向，油霧軌跡在氣缸內部形成小渦團。此時，小渦團內部的混合油氣濃度很高，嚴重富油，極容易產生黑煙和氮氧化物，嚴重影響發動機的燃油經濟性和環保性，如圖 7(c)所示。在噴油結束時刻，噴油量減小，燃油霧化效果差，油氣液滴直徑較大，重量較重，燃油噴射軌跡沒有發生明顯偏轉，如圖 7(d)所示。

(a)噴油開始時刻(a) Beginning of spraying　　(b)噴油嘴半開時候(b) Second stage of spraying

(c)噴油嘴全開時刻(a) Third stage of spraying　　　(d)噴油結束時刻(d) Ending of spraying圖7　氣缸內噴油過程研究Fig.7　Simulation of oil spraying process in cylinder

4結論

通過對比研究理論計算和仿真分析結果，兩種方法計算得到的壓力曲線和溫度曲線相對誤差均在5%以內，驗證了理論模型的正確性和仿真模型的可靠性。

通過仿真分析燃油噴射過程，發現在噴油過程可能會出現小渦團，使得局部嚴重富油，降低發動機燃燒效率，影響球形發動機的經濟性和環保性。

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Thermodynamic process of sphere cam engine applied in hybrid electrical vehicle

ZHANGLei,XUHaijun,PANCunyun,XUXiaojun

(College of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：Basing on the introduction of working principle and structure of sphere cam engine, the variation of cylinder volume was studied. Furthermore, the theoretical thermodynamic model of engine was established to analyze the combustion process of sphere cam engine. Then the theory result was compared with the simulation result in FLUENT. The oil spray process was studied in detail. Results show that the calculated pressure curve and temperature curve in cylinder are similar to the simulation results, which validates the validity of theory model. However, the vortex of sprayed oil observed in FLUENT can lead to the rich oil phenomena, which may decrease the combustion efficiency.

Key words：sphere cam engine; hybrid electrical vehicle; combustion process; finite element analysis

中圖分類號：U464.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)01-185-06

作者簡介：張雷(1987—)，男，湖北襄陽人，博士研究生，E-mail：cvx1987@163.com；徐海軍(通信作者)，男，講師，博士，E-mail：xuhaijun_1999@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51475464, 51175500, 51575519)

*收稿日期：2015-03-15

doi:10.11887/j.cn.201601030

http://journal.nudt.edu.cn