混合動(dòng)力汽車(chē)的球形發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)過(guò)程*

張　雷，徐海軍，潘存云，徐小軍

(國(guó)防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙　410073)

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混合動(dòng)力汽車(chē)的球形發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)過(guò)程*

張雷，徐海軍，潘存云，徐小軍

(國(guó)防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙410073)

摘要：介紹球形發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理及基本結(jié)構(gòu)，研究發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積變化規(guī)律，進(jìn)而建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)過(guò)程理論模型，分析發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程。利用FLUENT開(kāi)展對(duì)比仿真研究，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射過(guò)程進(jìn)行分析。結(jié)果表明氣缸內(nèi)部溫度與壓力曲線(xiàn)的計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了理論模型的正確性。仿真結(jié)果顯示在燃油噴射過(guò)程中，燃油噴射軌跡呈渦團(tuán)狀，引起局部富油，使得燃燒性能變差。

關(guān)鍵詞：球形發(fā)動(dòng)機(jī)；混合動(dòng)力汽車(chē)；燃燒過(guò)程；有限元分析

隨著汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，混合動(dòng)力汽車(chē)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(jīng)濟(jì)性贏得了越來(lái)越多的關(guān)注[1-3]。由于混合動(dòng)力汽車(chē)兼有蓄電池組和發(fā)動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力，體積較為笨重[4-5]。因此，相關(guān)研究人員提出了若干種高功率密度的集成化發(fā)電系統(tǒng)。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用均質(zhì)充量壓燃的燃燒方式研究自由活塞直線(xiàn)發(fā)電機(jī)，結(jié)果表明其熱效率可達(dá)56%，NOX排放顯著降低；國(guó)內(nèi)，常思勤領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研究了四沖程自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)過(guò)程，結(jié)果表明該型發(fā)動(dòng)機(jī)有較高的能量轉(zhuǎn)化效率，是未來(lái)混合動(dòng)力汽車(chē)的理想動(dòng)力源[6-7]。美國(guó)的EcoMotors公司研究了對(duì)置活塞對(duì)置氣缸(Opposed Piston Opposed Cylinder, OPOC)發(fā)動(dòng)機(jī)，可用于混合動(dòng)力汽車(chē)，其燃油消耗率設(shè)計(jì)目標(biāo)為2.5升每百千米。湖南大學(xué)對(duì)于OPOC發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及運(yùn)行特性進(jìn)行了理論分析，進(jìn)一步優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程，探索了提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率及排放性能的方法[8]。本文設(shè)計(jì)了一種新型的球形發(fā)動(dòng)機(jī)，用作混合動(dòng)力汽車(chē)的增程系統(tǒng)的動(dòng)力源，有著結(jié)構(gòu)緊湊、功重比高、集成性好的優(yōu)點(diǎn)，有望顯著降低混合動(dòng)力汽車(chē)增程系統(tǒng)的重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性[9-10]。

1球形發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析

球形發(fā)動(dòng)機(jī)以凸輪為主要的功率傳輸部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、布置形式靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1.1球形發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳輸機(jī)構(gòu)

1.1.1球形發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的曲柄連桿式功率傳輸機(jī)構(gòu)不同，球形發(fā)動(dòng)機(jī)采用了軸向布置的凸輪式功率傳輸機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　球形發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳輸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.　Structure of power transmission mechanism of sphere cam engine

如圖1所示，球形發(fā)動(dòng)機(jī)的球面凸輪固結(jié)在發(fā)動(dòng)機(jī)的球殼上，活塞缸由轉(zhuǎn)軸支撐在球殼中間，可以繞著球殼軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)?；钊蛨A錐滾子鉸接于轉(zhuǎn)子上，圓錐滾子與空間球面凸輪接觸，將活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成氣缸體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。固結(jié)在缸體上的線(xiàn)圈接通電源以后產(chǎn)生電磁場(chǎng)，與缸體一起旋轉(zhuǎn)，磁力線(xiàn)切割包裹在發(fā)動(dòng)機(jī)球殼外部的定子線(xiàn)圈，產(chǎn)生電流向外輸出。

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上鉸接有兩個(gè)滾子，同時(shí)與凸輪的兩個(gè)端面接觸。凸輪的型線(xiàn)決定著活塞在缸體中間的運(yùn)行規(guī)律。

1.1.2球形發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

球形發(fā)動(dòng)機(jī)是一款以柴油為燃料的四沖程自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)集成化設(shè)計(jì)將發(fā)電系統(tǒng)與球形發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)集成在一起，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　球形發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of sphere cam engine

如圖2所示，球形發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)配氣接口實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的有序有效配氣[9]。如上文所述，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸繞著球殼轉(zhuǎn)動(dòng)，由于配氣接口通過(guò)法蘭固定在球殼上，因此當(dāng)缸體旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，配氣接口產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。配氣接口有序地將進(jìn)氣口和排氣口與氣缸接通。通過(guò)合理設(shè)計(jì)配氣接口的形狀和大小，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣沖程時(shí)氣缸與進(jìn)氣口接通。此時(shí)，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，氣缸體積增大，將外部新鮮氣體通過(guò)進(jìn)氣口吸入氣缸。隨著氣缸的旋轉(zhuǎn)，在進(jìn)氣沖程結(jié)束時(shí)刻，進(jìn)氣口關(guān)閉，氣缸被完全密封，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入壓縮沖程。在壓縮沖程，活塞由下止點(diǎn)位置向上止點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)，氣缸的氣體被壓縮，溫度和壓強(qiáng)逐漸升高。在活塞到達(dá)上止點(diǎn)位置之前，高壓燃油通過(guò)噴油嘴噴入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。霧化的燃油被氣缸內(nèi)的高溫氣體點(diǎn)燃，猛烈燃燒，釋放出大量的熱量，使得氣缸內(nèi)混合物的壓力和溫度急劇上升。隨后，高壓氣體推動(dòng)活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入膨脹做功沖程，燃?xì)獾臒崃W(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能向外輸出。在活塞到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，氣缸與排氣口接通，燃燒產(chǎn)物通過(guò)排氣口向外流出，氣缸壓力和溫度快速下降。同時(shí)，活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將氣缸內(nèi)的殘余廢氣排出氣缸。到此為止，發(fā)動(dòng)機(jī)完成了一個(gè)熱力學(xué)循環(huán)，氣缸內(nèi)部周而復(fù)始重復(fù)上述的熱力學(xué)過(guò)程，將燃料的化學(xué)能源源不斷地轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

1.2球形發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

球形發(fā)動(dòng)機(jī)以空間球面凸輪機(jī)構(gòu)作為功率傳輸機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，是球形發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高功率密度和較為緊湊結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性因素。

球形發(fā)動(dòng)機(jī)利用空間凸輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)部做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成變化的容積，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 3所示。

圖3　球形發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.3　Schematic diagram of sphere cam engine

如圖3所示，在每個(gè)轉(zhuǎn)子上安裝有兩個(gè)滾子，同時(shí)與凸輪接觸。發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪的型線(xiàn)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)使得活塞的角位移按照正弦規(guī)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(shí)刻滾子中心線(xiàn)與x軸的夾角，δ是滾子中心線(xiàn)與活塞表面的夾角。

下活塞表面角位移可以通過(guò)式(2)計(jì)算：

(2)

式中，θ是兩個(gè)滾子中心線(xiàn)的夾角。

滾子中心線(xiàn)與x軸的夾角α(t)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由凸輪型線(xiàn)決定，可以表示如式(3)：

(3)

式中，φ是中心支架相對(duì)于缸體擺動(dòng)的幅值，ω是發(fā)動(dòng)機(jī)中心支架的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

發(fā)動(dòng)機(jī)的理論轉(zhuǎn)速為3000 r/min，則兩個(gè)燃燒室的容積變化情況如圖4所示。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的容積呈正弦規(guī)律變化。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積最小值為0.049 L，容積最大值為0.734 L，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比約為15。

圖4　氣缸容積變化關(guān)系Fig.4　Variation of cylinder volume

2球形發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)過(guò)程研究

發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)過(guò)程計(jì)算是發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作的基礎(chǔ)，分析氣缸內(nèi)部溫度壓力的變化規(guī)律是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[12]。

2.1理論建模

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部的熱平衡可以由式(4)計(jì)算[13]：

(4)

式中，mc是缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量，u是缸內(nèi)工質(zhì)的比內(nèi)能，pc是缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，V是氣缸的體積，QF是進(jìn)入氣缸的燃料的內(nèi)能，Qw是氣缸壁散熱損失，α是外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，hBB是泄漏氣體的焓值，dmi是進(jìn)入氣缸的氣體的質(zhì)量，dme是流出氣缸的氣體的質(zhì)量，dmBB是氣缸泄露的氣體的質(zhì)量，hi是流進(jìn)氣缸的氣體的比焓，he是流出氣缸的氣體比焓。

式(4)表明發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部工質(zhì)的內(nèi)能變化率是氣缸內(nèi)部的熱量變化率、因工質(zhì)質(zhì)量變化引起的焓的變化率以及活塞做功功率之和。缸內(nèi)的能量變化率包括缸內(nèi)可燃?xì)怏w燃燒放熱率以及缸內(nèi)氣體通過(guò)氣缸壁的換熱率。氣缸內(nèi)部的質(zhì)量變化率是進(jìn)、出發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的混合燃?xì)獾淖兓始靶孤┑墓べ|(zhì)的質(zhì)量變化率之和?，F(xiàn)對(duì)上述各項(xiàng)變化率分別討論如下。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程涉及柴油的噴射、霧化以及在氣缸內(nèi)部的擴(kuò)散燃燒過(guò)程，其反應(yīng)機(jī)理到目前為止仍不是十分清楚。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，多采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)計(jì)算燃燒放熱率隨主軸的變化關(guān)系。由于雙韋伯函數(shù)同時(shí)考慮到了柴油的預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒，因而特別適合計(jì)算高速柴油機(jī)氣缸內(nèi)部的燃燒放熱率[14]。

根據(jù)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的特點(diǎn)，雙韋伯函數(shù)利用兩條韋伯曲線(xiàn)f1和f2，分別代表預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒。則燃料燃燒總放熱率為：

(5)

根據(jù)熱力學(xué)定律，發(fā)動(dòng)機(jī)表面的熱量流動(dòng)由接觸面的表面積和機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)的接觸面積，Tc是發(fā)動(dòng)機(jī)表面的溫度，Twi是周?chē)諝獾臏囟?，αw是發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱系數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱系數(shù)計(jì)算公式是一個(gè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式，是建立在大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的。散熱系數(shù)與氣缸的直徑、氣缸內(nèi)部的氣體壓力、氣缸的容積以及氣缸內(nèi)部的溫度有關(guān)，可以由式(7)計(jì)算[16]：

αw=0.1129D-0.2P0.8V0.8T-0.594

(7)

式中，D是氣缸直徑。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的工質(zhì)質(zhì)量變化率可由式(8)計(jì)算：

(8)

由于泄露的工質(zhì)質(zhì)量dmBB相對(duì)于通過(guò)進(jìn)排氣口進(jìn)入氣缸的工質(zhì)的質(zhì)量較小，故可以忽略不計(jì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(guān)。根據(jù)等熵小孔流動(dòng)的方程，當(dāng)氣口的氣體流速小于聲速時(shí)，進(jìn)排氣口氣體的質(zhì)量流動(dòng)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(qiáng)和溫度，px是氣口后端的壓強(qiáng)，R是理想氣體常數(shù)，κ是比熱比。

當(dāng)氣口流速大于聲速的時(shí)候，有如式(10)所示的關(guān)系存在：

(10)

混合物的狀態(tài)可以由氣態(tài)方程確定：

(11)

聯(lián)立式(4)～(11)可以建立發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部溫度和壓強(qiáng)隨主軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。

2.2仿真研究

圖5　燃燒室網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.5　Meshing result of combustion chamber

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室采用半球形結(jié)構(gòu)，為了加快計(jì)算的速度，取燃燒室三維模型的1/4進(jìn)行計(jì)算。在后處理軟件中通過(guò)鏡像和旋轉(zhuǎn)等拓?fù)洳僮鱽?lái)還原原始的結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口和排氣口利用掃略的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，燃燒室通過(guò)自由網(wǎng)格的方式進(jìn)行劃分。得到的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)過(guò)程仿真研究模型的網(wǎng)格劃分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1　氣缸網(wǎng)格劃分結(jié)果

3結(jié)果分析

3.1理論計(jì)算及仿真結(jié)果對(duì)比

通過(guò)理論分析建立了氣缸內(nèi)部熱力學(xué)過(guò)程的理論模型，分析得到了氣缸內(nèi)壓力和溫度隨著缸體轉(zhuǎn)角的關(guān)系。同時(shí)為了驗(yàn)證理論模型的正確性和分析缸體內(nèi)部燃油噴射規(guī)律，建立了燃燒室三維模型并進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入到流體力學(xué)分析軟件里，設(shè)置邊界條件之后，對(duì)于燃燒室內(nèi)的工作過(guò)程進(jìn)行了仿真。理論計(jì)算和仿真分析到的結(jié)果如圖 6所示。

圖6　氣缸內(nèi)熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算和仿真結(jié)果Fig.6　Comparison of simulation result and calculation result of thermodynamic process in cylinder

從圖6可以看出，計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果在圖形趨勢(shì)上基本一致。計(jì)算得到的氣缸內(nèi)部的壓力曲線(xiàn)的最大值為68 Bar，仿真得到的為65 Bar，相對(duì)誤差僅為4.6%，計(jì)算與仿真結(jié)果基本一致。計(jì)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(duì)誤差為3.2%。但是仿真和計(jì)算結(jié)果在局部區(qū)域內(nèi)也存在一定的差別：在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前，仿真的壓力曲線(xiàn)上升較快；但是仿真壓力曲線(xiàn)與計(jì)算曲線(xiàn)的最大值的時(shí)刻是一致的；在到達(dá)上止點(diǎn)之后，計(jì)算得到的壓力曲線(xiàn)下降幅度較仿真曲線(xiàn)小。至于氣缸內(nèi)部的溫度曲線(xiàn)，仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果在進(jìn)氣、壓縮和爆炸沖程均基本一致，但是在進(jìn)氣和排氣沖程存在一定的差別。仿真得到溫度曲線(xiàn)爆炸末期下降很快，在排氣過(guò)程下降較慢，而計(jì)算得到曲線(xiàn)卻恰恰相反，這就導(dǎo)致了兩種方式得到的結(jié)果在排氣階段出現(xiàn)了明顯的差別。其原因在于，仿真模型采用網(wǎng)格劃分后的離散模型代替真實(shí)的連續(xù)模型，在進(jìn)排氣過(guò)程中氣口的氣體流速較大的情況下，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差；同時(shí)，理論模型里面的氣體流量系數(shù)是現(xiàn)有的研究成果的推薦取值，也會(huì)引入一定的誤差。

3.2氣缸噴油過(guò)程特性分析

球形發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)噴油嘴，成霧狀噴射入氣缸內(nèi)部。被氣缸內(nèi)部的高溫高壓空氣點(diǎn)燃，劇烈燃燒，釋放大量的熱量[20]。

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃油噴射的過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，同時(shí)有柴油的霧化和燃燒過(guò)程。燃油噴射的軌跡和速度，對(duì)于燃油燃燒的完全與否有著直接的影響。

為了研究球形發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴油過(guò)程，利用FLUENT后處理軟件得到了噴油過(guò)程的軌跡，如圖 7所示。

如圖7所示，在噴油嘴打開(kāi)的時(shí)刻，燃油通過(guò)噴油口向氣缸內(nèi)噴射。由于此時(shí)噴油嘴突然打開(kāi)，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(kuò)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(fā)生了變化，燃油噴射偏向氣缸底部方向，油霧軌跡在氣缸內(nèi)部形成小渦團(tuán)。此時(shí)，小渦團(tuán)內(nèi)部的混合油氣濃度很高，嚴(yán)重富油，極容易產(chǎn)生黑煙和氮氧化物，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，如圖 7(c)所示。在噴油結(jié)束時(shí)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(méi)有發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，如圖 7(d)所示。

(a)噴油開(kāi)始時(shí)刻(a) Beginning of spraying　　(b)噴油嘴半開(kāi)時(shí)候(b) Second stage of spraying

(c)噴油嘴全開(kāi)時(shí)刻(a) Third stage of spraying　　　(d)噴油結(jié)束時(shí)刻(d) Ending of spraying圖7　氣缸內(nèi)噴油過(guò)程研究Fig.7　Simulation of oil spraying process in cylinder

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)比研究理論計(jì)算和仿真分析結(jié)果，兩種方法計(jì)算得到的壓力曲線(xiàn)和溫度曲線(xiàn)相對(duì)誤差均在5%以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了理論模型的正確性和仿真模型的可靠性。

通過(guò)仿真分析燃油噴射過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在噴油過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)小渦團(tuán)，使得局部嚴(yán)重富油，降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，影響球形發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)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(lèi)號(hào)：U464.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2486(2016)01-185-06

作者簡(jiǎn)介：張雷(1987—)，男，湖北襄陽(yáng)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475464, 51175500, 51575519)

*收稿日期：2015-03-15

doi:10.11887/j.cn.201601030

http://journal.nudt.edu.cn