【正文】 載 時(shí) 發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失， 由 倒拖試驗(yàn)結(jié)果擬合 隔離扇 彈性變形摩擦損失功率 和 轉(zhuǎn)速的函數(shù) 可以 得到， 隔離扇 彈性變形摩擦損失功率 的 擬合公式為： nPP infs 0 0 3 1 2 6 ??? （ ） 本文利用 上述 擬合得到的 隔離扇 彈性變形摩擦功率公式 和 燃燒壓力機(jī)械損失 和 發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型 來 耦合計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī) 的 綜合性能特性。其中，燃燒室壓力 可 由發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn) 測得 ，隔離扇 與氣缸接觸面積 可 通過測量得到，燃燒室壓力、 隔離扇 氣缸接觸面積、隔離扇 位移為輸出軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)， 隔離扇 氣缸潤滑狀況下摩擦系數(shù) 取 為 。 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失模型 25 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中， 隔離扇 轉(zhuǎn)子在 缸內(nèi) 燃?xì)鈮毫ψ饔孟罗D(zhuǎn)動(dòng)，氣缸型線的變化， 會引起 隔離扇 發(fā)生彈性變形， 它不僅 改變 了 燃燒室容積 ，而且還 保持了燃燒室 的 周 向密封，但這勢必引起 隔離扇 氣缸間存在的摩擦損失。 燃燒持續(xù)時(shí)間因素 燃燒持續(xù)時(shí)間對 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)性能 也 有 不小 的影響，燃燒持續(xù)時(shí)間決定 了 發(fā)動(dòng)機(jī)燃料能量釋放 的 快慢，較 短 的燃燒持續(xù)時(shí)間 對應(yīng) 較高的燃燒放熱速率， 這會 影響發(fā)動(dòng)機(jī) 的 燃燒溫度 和 功率輸出，對 于工質(zhì) 可以 通過 減 短 其燃燒持續(xù)時(shí)間， 來 提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。 圖 還可以 說明 ，當(dāng)點(diǎn)火角度 在 ?90 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī) 的 指示功率為 ，指示效率為 %28 ，本文采用的點(diǎn)火角度 在 ?90 ，所以設(shè)計(jì) 的 樣機(jī)在不考慮機(jī)械損失 的 情況下指示效率為 %28 。 圖 不同點(diǎn)火時(shí)刻示功圖 圖 不同點(diǎn)火時(shí)刻功率 隨點(diǎn)火時(shí)刻提前，燃燒開始前和結(jié)束后的等容階段內(nèi)，由于傳熱的 影響 ， 缸內(nèi) 壓力較之前 的 時(shí)刻 變小 ， 這 使發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖 所 包圍的面積 隨之變小 。 圖 不同點(diǎn)火時(shí)刻 缸內(nèi) 壓力曲線 圖 不同點(diǎn)火時(shí)刻 缸內(nèi) 溫度曲線 由圖可知， 點(diǎn)火時(shí)刻提前 時(shí) ， 缸內(nèi) 溫度曲線 與 壓力曲線左移， 各自 峰值隨點(diǎn)火時(shí)刻提前而增大，但增長幅度不斷減小。 由圖可知， 漏氣時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的提高 而 減小，漏氣質(zhì)量也不斷減小， 這說明 高轉(zhuǎn)速 對于 減小漏氣損失 有利 ， 可 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的指示效率。 圖 不同漏氣面積 時(shí) 缸內(nèi)壓力曲線 圖 指示效率與漏氣面積關(guān)系曲線 如圖 所示 ， 是 漏氣面積 不同時(shí)缸內(nèi) 剩余氣體質(zhì)量 和 輸出軸轉(zhuǎn)角 之間 的關(guān)系曲線。 利用前述建立的 零維仿真模型， 可以 模擬得出不同漏氣面積 時(shí) 發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化 ， 這 為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 及 加工提供 了 依據(jù)。 由圖可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 min/3000r 時(shí) ， 傳熱 輸出 21 功率占理想輸出功率的 % ， 占缸內(nèi) 輸入總能量的 %36 。 對比在 理想工況 和 傳熱工況下 缸內(nèi) 溫度與壓力曲線 發(fā)現(xiàn) ，壓縮 時(shí) 由于壁面的預(yù)熱作用，使得室內(nèi)溫度與壓力曲線 較 理 想工況曲線有所增大，這 使得 壓縮功 增大 ， 且 整機(jī)輸出功率下降 。 本文 將從以下幾 個(gè)因素出發(fā) 分析 其 對發(fā)動(dòng)機(jī)性能 的 影響。燃燒 過程 持續(xù)時(shí)間 的變化 隨轉(zhuǎn)速增加越來越小，指示功 和 指示效率 的 增加幅度 也越來越小 ， 因此 ， 功率增長幅度同時(shí)減小。 利用 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程 的 三維模擬得 到發(fā)動(dòng)機(jī) 在 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的燃燒持續(xù)時(shí)間 。 在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程 的 零維模型中， 假設(shè)其 過量空氣系數(shù)為 1，燃料為汽油，壓縮 初始 點(diǎn) 工質(zhì) 處于標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)， 其 點(diǎn)火時(shí)刻位于上止點(diǎn) 處 ， 且 排氣過程瞬間完成。 綜上所述 ，考慮到 隔離扇 的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及發(fā)動(dòng)機(jī)效率，本文中所設(shè)計(jì) 的 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 選 為 min/3000r 。 指示功 iW 是 指 燃燒室完成一個(gè)工作循環(huán) 時(shí) 得到的有用功， 可 通過 計(jì)算 燃燒室示功圖中閉合曲線 所 包圍的面積求得，主要包括壓縮、 做功 行程得到的有用功。 將燃燒室 看作 封閉系統(tǒng)， 根據(jù) 熱力學(xué)第一定律 可知 ，燃燒室內(nèi)氣體滿足能量守恒 ， 則有 ： le akle akwoutoutinincc hddmddVpddQhddmhddmddQd umd ????????? ??????? )( （ ） 對于 進(jìn)入燃燒室的預(yù)混合可燃?xì)猓少|(zhì)量守恒定律 得 ： ???? ddmddmddmddm le akoutinc ??? （ ） 燃燒室內(nèi) 的工質(zhì) 滿足理想氣體狀態(tài)方程： RTmpV c? （ ） 其 關(guān)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的 微分方程為： ???? ddmRTddTRmddVpddpV cc ??? （ ） 由 上述基本方程 ， 取 氣體常數(shù) pVR c c??、 比熱比 /pVcc?? ， 同時(shí)考慮各階段的特性， 可 推導(dǎo)工作過程熱力學(xué)方程。為了 驗(yàn)證試差法計(jì)算 的 可靠性，利用 隔離扇 的有限元模型計(jì)算其在相同載荷作用下自由端的水平位移 和 撓度， 以之 與試差法所得結(jié)果 作 對比，由圖 說 明 ，試差法可以滿足計(jì)算 需要 的精度。；；543交點(diǎn)橫坐標(biāo)公切線與氣缸上側(cè)型線交點(diǎn)橫坐標(biāo)公切線與氣缸左側(cè)型線軸交點(diǎn)坐標(biāo)氣缸左側(cè)型線與橫坐標(biāo)xxx 15 ??? dWWxy x 20 )]([1 )()( ??? （ ） 這里 ： ])()[(2)( 22 lLxLEIpxW ???? （ ） 而且 隔離扇 長度滿足弧長積分方程， dxyL L ])(1[ 2139。 它們滿足如下方程 ： ???????????????????0250)10(52225443222xxyxxxxcbyaxxxxyx （ ） 這里： 氣缸 進(jìn)氣口位于型線 3l 上，并與型線 3l 和 公切線 5l 的交點(diǎn) 緊鄰 ，這樣可以防止 壓縮過程中 可燃混合氣進(jìn)入 其它 空間。為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比并減小轉(zhuǎn)動(dòng)阻力， 本文 氣缸型線 和轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線設(shè)計(jì)如下 （ 圖 為燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖 ） 。 所以， 軸向密封將是 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子 發(fā)動(dòng)機(jī)需要解決的關(guān)鍵 問題， 從結(jié)構(gòu)不難看出，燃?xì)?泄漏主要 發(fā)生 于轉(zhuǎn)子與前、后端蓋以及 隔離扇與端蓋之間的間隙處。 考慮到 轉(zhuǎn)子承受較高的機(jī)械負(fù)荷 和 較高的溫度， 轉(zhuǎn)子 材料應(yīng)具有良好的機(jī)械性能 、 耐磨性和耐腐蝕性 和導(dǎo)熱性 、較小的熱膨脹系數(shù)和比重等特點(diǎn)。 發(fā)動(dòng)機(jī)工作 時(shí) ，轉(zhuǎn)子 會 受到高壓 、 高溫燃?xì)獾淖饔?，承?著氣體壓力、熱負(fù)荷、慣性力等。轉(zhuǎn)子與輸出軸 之間為 鍵連接，輸出軸上加工有軸肩 ， 以安裝軸承 。 發(fā)動(dòng)機(jī) 主要 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 整機(jī) 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)包括氣缸、前端蓋、后端蓋、 隔離扇、張緊彈簧 、轉(zhuǎn)子輸出軸 （ 中間軸 ） 等，在缸體上設(shè)計(jì)有化油器安裝孔、電熱塞安裝孔及排氣孔，轉(zhuǎn)子輸出軸通過一對角接觸球軸承支撐 于 前、后端蓋上，前、后端蓋與氣缸之間通過螺栓連接，以此形成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒 室 。 考慮了工質(zhì)隨燃燒室空間和形狀的變化。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 為 人們 開展 基于發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)過程 以及 燃燒過程的實(shí)際工作過程的數(shù)值模擬 準(zhǔn)備了有利條件 。建立 隔離扇 轉(zhuǎn)子大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué) 的 理論模型，通過有限元分析 和 多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算 校核 隔離扇 靜態(tài) 和 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，分析 隔離扇 尺寸對其影響規(guī)律。 （ 4）燃燒室流動(dòng) 和 燃燒過程 的 三維數(shù)值模擬。 （ 2） 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 方案 設(shè)計(jì)。 微 小 型動(dòng)力機(jī)械 具有十分 廣闊的 發(fā)展 前景。 研究目的及研究內(nèi)容 研究目的及意義 微小型 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為本文提出的 新型 樣機(jī)，其性能特 性 是需要首先 進(jìn)行 研究的 內(nèi)容 。 8 圖 簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)示意圖 簧片 柔性轉(zhuǎn)子 一個(gè)完整 工作循環(huán)的 各環(huán)節(jié) 如圖 所示。 本文中設(shè)計(jì)的 隔離扇型 樣機(jī) 就是對簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的具體改進(jìn)方案。 在 燃燒室中引入 簧片 ， 以其 柔性 可 使工作過程 變得 柔和、各 部件所受 到的 沖擊減小， 而且這種結(jié)構(gòu) 仍可 保證 各部分 有 足夠的強(qiáng)度， 這就 提高 了 產(chǎn)品的可靠性。韓國科學(xué)技術(shù)學(xué)院 也 在理論 層面 證明了微尺度下 持續(xù) 燃燒的可行性 [38]。文獻(xiàn) [ 32 ]、[ 31 ]、[ 30 ]、[ 29 ]、[ 28 ]、[ 27 ]、[ 26 ] 分別 利用試驗(yàn) 和 理論 7 詳細(xì) 分析了淬熄現(xiàn)象的 產(chǎn)生 機(jī)理， 共同 指出淬熄發(fā)生的主要原因是熱淬熄 以及 自由基淬熄。 有 研究表明，微尺度火焰?zhèn)鞑?不僅 僅受 到 擴(kuò)散作用 的 影響 ， 而且還 受擴(kuò)散 和 化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素共同 的 影響。 為保證混合氣充分混合，駐留時(shí)間應(yīng) 較 擴(kuò)散時(shí)間更大 。 （ 3）邊界層流動(dòng)特性 的 變化 宏觀流體流動(dòng) 時(shí) ，邊界層相對特征尺度小， 其 對流體流動(dòng)特性的影響 非常有限 ，隨特征尺度 變?yōu)?微米量級 時(shí) ，邊界層 因素變得 越來越重要， 所以 邊界層 中 流體的流動(dòng)狀態(tài)將 對 流動(dòng)空間 中 流體的流動(dòng)特性 產(chǎn)生極大影響 [19][20]。 燃燒 尺度達(dá)到微尺度時(shí)， 之前 各種影響因素的相對重要性 會 發(fā)生 變化 ，許多宏觀 氣體 流動(dòng)中 未被考慮的 因素可能 會在微尺度下 成為主要的影響因素 [14][15]，而其呈現(xiàn)出的新規(guī)律 主要表現(xiàn)為：微 小 型燃燒裝置中， 盡管 流體流動(dòng)的特征尺度屬 毫米 至 微米 級，但 該尺度 仍 遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于分子 之間 的平均自由程， 故 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)仍然成立 。 微尺度流動(dòng) 、 燃燒面臨的問題 微尺度流動(dòng)研究面臨的 首要 問題 就是 尺度 的 劃分 問題 ， 目前 還 沒有統(tǒng)一的 對燃燒尺度 劃 分標(biāo)準(zhǔn)。 目前， 微 小 型發(fā)動(dòng)機(jī)的 研究 剛剛起步 。 這 可證明 微型發(fā)動(dòng)機(jī) 的研究 是可行的， 盡管 現(xiàn)有 的 發(fā)動(dòng)機(jī)在功率、效率、密封等方面尚存諸多問題 ，但這些問題皆 可以 通過改進(jìn)設(shè)計(jì) 方案和 提高加工精度 來 解決。對置活塞及氣缸 構(gòu)成燃燒室 ，安裝在氣缸頂部的螺旋彈簧 可為 活塞提供 回復(fù) 力，發(fā)動(dòng)機(jī)利用電磁感應(yīng)來提取能量，即通過活塞往復(fù)切割交流線圈產(chǎn)生 感應(yīng) 電能。 該項(xiàng)目的 研究人員 通過 電火花線切割加工技術(shù)制作 了 設(shè)計(jì)功 4 率為 W65 的 樣機(jī)， 其 尺寸為 mm61 、 mm61 、 mm34 ， 且 以氫氣 或者 甲烷為燃料，其 樣機(jī)如圖 所示。目前 該 研究團(tuán)隊(duì)正在研制直徑為 mm1 和 、目標(biāo)輸出功率為 mW100~10 的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)， 其 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可達(dá) 到 min/40000r 。 3 圖 麻省理工學(xué)院 微型燃?xì)廨啓C(jī)示意圖 [6] 微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 2020年加州大學(xué)伯克利分校（ UBC ）的研究人員開始了微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作 ， 主要 利用 了 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)平面化的特點(diǎn)。 通過 對流傳熱作用 可知 ，可燃混合氣在樣機(jī)內(nèi)流動(dòng) 時(shí) ，燃燒室壁面的熱量 會 對其進(jìn)行預(yù)熱。 微型燃?xì)廨啓C(jī) 1996 年 ， 麻省理工學(xué)院 Turbine Gas 實(shí)驗(yàn)室開始對微型燃?xì)廨啓C(jī) 展開 研究 和開發(fā) [5][6]，如圖 所示 ， 是其 微型燃?xì)廨啓C(jī)示意圖。液態(tài)碳?xì)浠衔?的 燃燒產(chǎn)物主要 包括 二氧化碳和水蒸氣， 這 相對于電池的處理 更為 清潔、環(huán)保， 且 補(bǔ)充液態(tài)燃料 較 電池充電 更為 簡單、便捷。 與 電池 不同 ，微型發(fā)動(dòng)機(jī) 通過 燃燒液態(tài)碳?xì)浠衔?， 以電能或機(jī)械能方式輸出能量， 其 具有較大 的 能量密度和 較 穩(wěn)定的輸出功率。這主要是因?yàn)樵谕ㄐ?技術(shù)、 航空航天、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域內(nèi)，體積小、儲能高、質(zhì)量輕、功率輸出大的微小型動(dòng)力系統(tǒng) 具有 良好的應(yīng)用前景， 例 如小型機(jī)器人、多點(diǎn)分散型通信設(shè)備 、 MEMS 引信、軍用通信偵察小型衛(wèi)星 、 微小型飛行器、微小型執(zhí)行器 等 等。 chamber property。通過 對 燃燒過程 的 數(shù)值模擬計(jì)算分析 了 燃燒室 氣流 流動(dòng) 和 燃燒性能。 本文 針對其性能 和 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性 展開 研究工作 ， 具體研究內(nèi)容 如下 ： 1． 依據(jù) 發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 對 整機(jī)結(jié)構(gòu) 和 各子系 統(tǒng) 進(jìn)行 設(shè)計(jì)，建立了工作過程的 熱力學(xué)模型 、 燃燒過程 的 三維數(shù)值模擬 ， 校核了放熱模型。 基于此 ，本文提出一種微小型 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，其 中隔離扇 轉(zhuǎn)子的 柔性特點(diǎn)使其具有 諸多 獨(dú)特優(yōu)勢 。 2． 燃燒室流動(dòng) 和 燃燒過程 的 三維數(shù)值模擬。 關(guān)鍵詞： 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 燃燒室 性能 幾何非線性 數(shù)值模擬 微小型機(jī)械 III Design of Micropower Engine’ s Structure and its Analyses Abstract： The proposal of the concept of micro electromechanical system promotes the development of micropower system, whose smaller size, high