Atkinson循环发动机紧凑型燃烧系统研究

徐丹， 杨青， 孟凡腾， 孙柏刚, 郭巨寿

(1. 北京理工大学机械与车辆学院， 北京 100081； 2. 北京现代汽车有限公司， 北京 101300；3. 北方通用动力集团有限公司， 山西 大同 037036)



Atkinson循环发动机紧凑型燃烧系统研究

徐丹1， 杨青1， 孟凡腾2， 孙柏刚1, 郭巨寿3

(1. 北京理工大学机械与车辆学院， 北京 100081； 2. 北京现代汽车有限公司， 北京 101300；3. 北方通用动力集团有限公司， 山西 大同 037036)

基于Atkinson理论循环建立混合动力汽油机的性能仿真模型，确定出合适的压缩比与配气正时。分别采用增加活塞顶面凸起高度(上凸型燃烧室)和减小缸盖上燃烧室高度的方式来满足Atkinson循环汽油机对压缩比的要求。同时为适应紧凑结构减小气门升程、直径(紧凑型燃烧室)。通过三维CFD计算分析，比较了两种燃烧室缸内燃烧及流动特性，发现紧凑型燃烧室能够在火核形成及扩散时期在缸内产生更高的湍动能，有利于加快火焰传播，使燃烧持续期缩短9.8%～24.4%，可显著提高燃油经济性。在混合动力用Atkinson循环发动机开发中使用紧凑型燃烧室，具有重要的应用价值。

混合动力； Atkinson循环发动机； 燃烧室； 湍动能

混合动力汽车节能效果显著，是缓解石油危机，改善大气污染的有效技术措施。传统Otto循环汽油机由于热效率低，泵气损失大，膨胀比小，不能充分发挥混合动力汽车的节能优势。而Atkinson循环汽油机泵气损失小，热效率高，动力性降低的部分可由电机补充，可增强混合动力汽车的节油效果[1-6]。

Atkinson循环汽油机节能优点突出，但进气门过晚关闭造成大量气体回流，增加了气体流动损失，同时扰乱了缸内滚流运动的形成，从而影响缸内混合气的均匀性和湍流强度，降低了热效率[7-8]。削弱进气回流可使Atkinson循环汽油机发挥更大的节油潜力。国外利用非对称曲柄传动装置和多联动装置来解决回流问题[8-9]，但只停留在理论研究上，不能有效解决内燃机应用时回流产生的负面影响。Atkinson循环通过提高几何压缩比，并对进气系统进行调整，实现混合气膨胀比大于实际压缩比,本质上是不需要太多混合气。据此本研究提出了Atkinson循环发动机紧凑型燃烧系统设计方案，在满足高几何压缩比的前提下，使用小气门和小升程达到少进气的目的，减少被压缩的混合气量，避免缸内混合气回流所带来的气体流动损失，提高热效率，同时紧凑型结构还有利于加快火焰传播，对提高燃油经济性有重要的意义。

1 整机模型

1.1 模型建立与验证

针对某1.6 L汽油机建立整机性能计算模型，原汽油机的主要规格参数见表1。应用Ricardo WAVE建立了发动机整机性能计算模型，相应的进排气系统与试验条件下的发动机配置一致。

表1 原发动机基本参数

为了验证所建立的WAVE模型的准确性，在1 000～6 000 r/min范围内，每隔500 r/min进行仿真计算，得到计算模型外特性曲线，并将该曲线与试验值进行了对比分析。综合对比图1和图2，可以看出，整个模型在全转速范围较为理想，仿真数据与试验数据基本一致，各转速下误差均在5%以内，可以认为模型比较合理，可用于后续计算。

1.2 压缩比与配气相位的确定

由于采用Atkinson循环需要提高发动机几何压缩比并改变进气门关闭角，为了不引起发动机爆震或者功率的过多降低，需要选择一个合适的压缩比与进气门关闭角的搭配关系。由于城市汽车主要行驶在中低速、部分负荷工况，选取2 500 r/min为代表性工作转速，以原汽油机正常工作的压缩压力2.5 MPa为约束条件，防止增加爆燃风险。确定该条件下压缩比与进气门关闭角的绑定关系，结果见图3。

根据2.5 MPa压缩压力对应的进气门晚关角，综合考虑功率、燃油消耗率及燃烧压力的影响，选取压缩比13及其对应的进气门晚关角为设计参数。基于此，综合考虑功率及燃油消耗率，再进行配气相位优化，得到优化后的发动机配气相位(见图4)。

2 CFD模型建立及验证

Atkinson循环发动机相对原汽油机要将压缩比提高至13，因此需要对燃烧室结构进行重新优化设计。在发动机缸径和行程不变的前提下，要想提高压缩比只能减小燃烧室容积。本研究采用两种方案来提高压缩比：方案一是增加活塞顶部高度的上凸型燃烧室，方案二是减小缸盖上燃烧室高度的紧凑型燃烧室。同时为适应紧凑型结构，减小了气门升程和直径。

2.1 模型建立

分别在上凸型燃烧室和紧凑型燃烧室几何模型基础上，采用Converge CFD工具建立包含进排气道、喷油器、火花塞及气缸的计算模型。采用HyperMesh对几何模型表面进行了优化，之后导入到Converge求解器中再次编辑不规则网格，对气门、火花塞及喷油器局部进行了嵌套式网格加密，控制总计算网格数为80万左右。选用RNGκ-ε湍流模型，该模型在标准κ-ε模型的基础上通过修正湍动黏度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，且在ε方程中增加了一项可以反映主流的时均应变率，从而可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。由于CONVERGE吸收了CHEMKIN化学反应求解器，所以将C8H18与O2燃烧的化学反应动力学模型以CHEMKIN数据格式导入求解程序，它包括40 种组分和69个反应的异辛烷氧化机理反应，由外部输入文件mech.dat提供，以此对C8H18的燃烧进行计算。物质组分设为N2,O2和C8H18，其物性参数由外部输入文件therm.dat提供，设定计算成分的热力学属性的NASA数据格式，气相属性文件由gas.dat提供，液相属性文件由liquid.dat提供。为保证计算收敛性及稳定性，仿真采用可变时间步长控制。计算中边界条件的设置如下：

1) 空气是由质量分数77%的N2和23%的O2组成的混合气体。

2) 进气入口类型设置为总压，压力采用性能计算中得到的各转速瞬态压力曲线值，温度为293K，湍流强度和湍流长度尺度分别为0.05和0.005m;排气出口类型设置为静压，压力采用性能计算中得到的各转速瞬态压力曲线值，回流温度为500～1 000K(依工况而定)，回流湍流强度和湍流长度尺度分别为0.02和0.003m。

3) 火花塞、火花塞电极、进气道、排气道、气缸套及气缸盖设置为固定壁面；进气门、排气门和活塞顶设置为移动壁面。对各壁面进行温度设置：火花塞550K，火花塞电极600K，进气道425K，排气道500K，进气门480K，排气门550～600K(依工况而定)；考虑到活塞顶面、气缸盖底面和气缸套的表面温度存在差异，使用平均壁温进行计算。因此将活塞顶、气缸套和气缸盖统一设置为550～600K(依工况而定)。

边界条件设定中用到的湍动能κ和湍流耗散率ε按照下式进行设置。

式中：ui为进口平均流速；I为湍流强度，通常设在0.01～0.25之间；Cu为模型常数，取0.09；le为湍流长度尺度，一般通过物理区域来估计，可设为当量直径(等效管道直径)的5%～10%。

2.2 模型验证

为了降低发动机的开发和加工成本，试验过程中仅对上凸型燃烧室的设计方案进行了试验验证，基于上凸型燃烧室已经完成的样机试制和试验验证工作，本研究使用试验数据进行上凸型燃烧室计算模型的验证。

空气流量的对比分析见图5，空气流量在低速段与试验值吻合得很好，在高速段略高于试验值，但最大误差在5%以内。图6示出2 500r/min下缸内压力的计算值与试验值对比，缸压曲线在压缩段计算值与试验值十分吻合，燃烧始点略有滞后，最高燃烧压力比试验值略高，缸内压力计算值与试验值总体趋势吻合得比较理想。综上，计算模型及模型参数设置合理，模型具有较高的可信性。

3 两种燃烧室计算结果对比分析

使用CFD计算软件对两种燃烧室的燃烧过程进行三维数值模拟计算，并对结果进行对比分析，研究不同燃烧室形状对燃烧过程的影响规律。外特性下的计算选取了能够代表中低转速特性的2 500r/min和能够代表中高转速的4 000r/min。

3.1 燃烧特征参数对比分析

为了方便对两种形状的燃烧特性进行对比，两个模型的边界条件设置相同，重点选取能够反映燃烧特性的缸内热力学参数进行宏观对比，并对三维场图进行了对比。两种燃烧室的累计放热率的变化规律见图7。从图中可以看出，在整个燃烧阶段，紧凑型燃烧室的燃烧速度要略高于上凸型燃烧室，燃烧放热快，燃烧持续期较短，燃烧性能优于上凸型燃烧室。

从图8所示的2 500r/min和4 000r/min外特性下两种燃烧室的燃烧持续期的对比规律可以看出，在2 500r/min时紧凑型燃烧室相对于上凸型燃烧室燃烧持续期缩短9.8%，在4 000r/min时紧凑型燃烧室相对于上凸型燃烧室燃烧持续期缩短24.4%。

3.2 燃烧持续期缩短的机理分析

为了分析上述差异产生的原因，以2 500r/min燃烧特性为例，进行三维场图对比分析。Converge软件在进行热力学计算时是自动调整步长的，导致三维图像的时间无法完全相同。图9示出了两种燃烧室在燃烧上止点后的缸内温度场。从图9中可以看出：相同时刻紧凑型燃烧室的高温区域要大于上凸型燃烧室，火焰传播速度更快，缸内温度分布均匀，这正好揭示了紧凑型燃烧室累计放热率高的本质。

在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流，在火花点火发动机中主要用于提高火焰传播速度，发动机的燃烧性能与燃烧速率有密切关系，所以希望在上止点附近能够获得更大的湍流。图10示出了两种燃烧室在上止点附近缸内湍动能分布情况。

进气门关闭后，随着活塞的压缩上行，缸内滚流经历了加速、变形进行破碎的过程，这些过程均有利于提高缸内的湍动能。在压缩末期以及膨胀的初始阶段，紧凑型燃烧室高湍动能区域大于上凸型燃烧室，表明紧凑型燃烧室相对于上凸型燃烧室可以产生更大的湍动能，能够为着火初期缸内的火焰快速稳定传播提供有利条件。

通过对紧凑型燃烧室和上凸型燃烧室外特性CFD计算结果的分析，结果显示紧凑型燃烧室可在主燃期产生更高的湍动能，有利于提高燃烧速度，缩短燃烧持续期。

4 结束语

建立发动机整机燃烧计算模型，通过计算分析确定Atkinson循环发动机压缩比为13，并提出了高压缩比下进气门关闭角与压缩比的绑定关系，以此为基础开展配气相位优化研究，确定了最佳配气相位。建立了上凸型燃烧室和紧凑型燃烧室三维CFD计算模型，利用试验数据对上凸型燃烧室模型进行了校核与验证。通过对两种燃烧室缸内压力和累计放热率的分析，发现紧凑型燃烧室的最高燃烧压力和累计放热率高于上凸型燃烧室，紧凑型燃烧室燃烧速度更快，燃烧持续期更短，热效率更高。

通过对两种燃烧室CFD计算模型得出的三维流场的分析，揭示了两种燃烧室燃烧特性差异的本质原因。紧凑型燃烧室的高湍动能区和高速度区明显大于上凸型燃烧室，使得紧凑型燃烧室具有更大的高温区，因而紧凑型燃烧室燃烧更充分，火焰传播时间和燃烧持续期更短，从而热效率更高。

[1] 田永祥,杜爱民,陈礼璠.混合动力汽车用Atkinson循环发动机的探讨[J].汽车科技, 2007(4):31-34．

[2] 王长园,刘福水,孙柏刚.长安475Q混合动力发动机的仿真开发[J].汽车工程,2011(4):294-297.

[3] 朱国辉，夏孝郎，刘敬平，等.传统汽油机改进成混合动力Atkinson循环专用发动机的节油效果[J].中南大学学报(自然科学版)，2014,45(4)：1302-1311.

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

[5]BlakeySC,SaundersRJ,MaTH,etal.ADesignandExperimentalStudyofanOttoAtkinsonCycleEngineUsingLateIntakeValveClosing[C].SAEPaper910451,1991.

[6]JorgeJGMartins，KrisztinaUzuneanu,BernardoSousaRibeiro.ThermodynamicAnalysisofanOverexpandedEngine[C].SAEPaper2004-01-0671.

[7]JeanMarcZaccardi,AlexandrePagot,FranckVangraefschepe,etal.OptimalDesignforaHighlyDownsizedGasolineEngine[C].SAEPaper2009-01-1794.

[8]VictorGheorghiu.CO2EmissionReductionbyMeansofEnhancingtheThermalConversionEfficiencyofICECycles[C].SAEPaper2010-01-1511.

[9]SeiWatanabe,HibikiKoga,ShoheiKono.ResearchonExtendedExpansionGeneral-purposeEngineTheoreticalAnalysisofMultipleLinkageSystemandImprovementofThermalEfficiency[C].SAEPaper2006-32-0101.

[10] 李玉锋，刘书亮．提高四气门汽油机缸内滚流强度的研究[J].内燃机学报，1999(3)：22-26．

[编辑: 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，硕士，主要研究方向为内燃机燃烧排放与环境效应;xudan100190@163.com。

孙柏刚(1969—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制;sunbg@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.013

TK421.28

B

1001-2222(2015)02-0060-05