【正文】 .......... 54 參考文獻 ............................................... 55 致謝 ................................................... 59 1 第 1 章 緒論 研究背景 世界 科 學(xué) 技 術(shù) 的 快 速 發(fā) 展 促進 了 微 型 機 電 系 統(tǒng)（ S ys t e m ha ni c a le le c t r ome c M ic r o，M E M S ）研究領(lǐng)域 的發(fā)展 。微型動力系統(tǒng)通過將高能量密度的液態(tài)燃 料具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能或機械能， 進而 為各種自動機器人、無線電子器件 、 微型飛行器、便攜式電腦等產(chǎn)品提供 其 所需 的 動力，這些產(chǎn)品 在 實際應(yīng)用 中 需要 W100~1 的輸入功率。在保證燃料供應(yīng)的情況下，微型發(fā)動機可以源源不斷 地 輸出穩(wěn)定功率， 以 保證可靠 、 及時地 完成 工作 任務(wù) 。因此研究人員 普遍 傾向于在已有發(fā)動機工作原理基礎(chǔ) 之上 ，通過改變發(fā)動機 的 結(jié)構(gòu)形式 來 克服傳統(tǒng)發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易微小型化 等 缺點， 全球 幾個研究機構(gòu)在這 種思路上 進行了有益的嘗試。 在工作 時 ，空氣 從 進氣口 處 進入壓氣機， 經(jīng) 壓氣機壓縮后由噴管將 空氣 加速并 使之 在通道內(nèi)與 可燃氣體 充分混合，經(jīng) 過 擴壓管增壓后 混合氣 進入燃燒室 進行燃燒，由燃燒室流出的高溫氣體 可以 推動渦輪做功。 然而， 該微型燃氣輪機面臨 著 兩個基本問題：精密軸承上轉(zhuǎn)子在設(shè)計轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn) 的 平衡問題 和 可燃混合氣微米 級 尺度下的持續(xù)穩(wěn)定燃燒問題。 該 樣機面臨的問題 主要 是徑向 和 轉(zhuǎn)子端面處的漏氣現(xiàn)象。相比活塞式發(fā)動機，這種 機構(gòu) 可以減少振動，另外 這種結(jié)構(gòu) 沒有普通內(nèi)燃機的“死點”，不需借助外力即 能 啟動。 圖 微型擺式發(fā)動機 原理圖 及其 樣機 [8] 微型對置自由活塞發(fā)動機 C e nt e r T e c hn ol og y H on e yw e ll G e or gi a 和 ）A F R L（L a bR e s e a r c h F o r c eA ir 目前 正在研究一種對置 式 自由活塞發(fā)動機 E ng ine )K no c k pi s t on F r e e ( M E C S ，如圖 5 所示 [9]， 是其 結(jié)構(gòu)原理 圖 。 圖 微型對置式活塞發(fā)動機 結(jié)構(gòu) 原理圖 [9] 由以上 調(diào)研 可知 ，微小型發(fā)動機研究 已經(jīng) 進入 了 樣機試制及實驗階段 。 未來 微 小 型發(fā)動機的發(fā)展趨勢 可歸納為 ：新型結(jié)構(gòu) 及 工作原理 和 新型材料的探索 [5]；微尺度下 的 流體流動、微燃燒特性 和 熱力學(xué)理論的研究； 對微細加工技術(shù)的 深入研究 ，解決微尺度密封問題。 各地 研究人員對 最新設(shè)計的 各種微燃燒裝置， 均 從理論分析、數(shù)值計算和實驗研究 等角度 ，對系統(tǒng)中微尺度流動 、 燃燒存在的 諸多問題進行了研究。 當下 對微尺度燃燒的研究主要 集中于微米 至 毫米級范圍內(nèi)。 因為 層流對流 的 換熱系數(shù) 和 流動空間特征尺度的平方根 之間滿足 反比 關(guān)系 ， 所以 流體空間特征長度 變小時 ， 會 引起對流換熱系數(shù) 的 增大， 造成 熱損失增加。 （ 5）駐留時間 變短 對于 微小尺度 下的 流體流動，粘性效應(yīng) 和 擴散效應(yīng) 的 作用 是主要的 ， 缸內(nèi) 混合氣的形成主要 憑靠 擴散效應(yīng) 。 微尺度 下 燃燒火焰 的 傳播 和 宏觀 下 火焰 的 傳播存在 很大 差別。另有 研究者在 Davy 研究 工作的基礎(chǔ)上 得出了 結(jié)構(gòu)、材料和流速對 可燃混合氣 的火焰淬熄 的 特征 [24][25]。 Mellish [35]、Miesse [36]及 Boyarko [37]在 實驗 中分別 驗證了甲烷 與 空氣 的 可燃混合氣在 內(nèi)徑的圓管 中持續(xù) 燃燒的可行性。 簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機 的 工作原理 簧片 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機 [42]這一 新型的 概念發(fā)動機是在微小型動力系統(tǒng)快速發(fā)展的 大環(huán)境下 提出的。前后端蓋 、 前后簧片、轉(zhuǎn)子、缸體圍成燃燒室，簧片一端 固聯(lián)于 轉(zhuǎn)子溝槽中，另一端依靠彈性與氣缸 壁保持 接觸， 在 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周 過程中 ，每個燃燒室完成 一次 工作循環(huán)， 其 結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。燃燒室的徑向密封由簧片 在 彈性作用 下與 氣缸 的 緊密貼合 來保證 ，端面密封則依靠 結(jié)構(gòu)的 加工精度 來 實現(xiàn)。 9 由 簧片 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的設(shè)計 理念和 工作原理 不難發(fā)現(xiàn) ，其有 如下 特點： （ 1） 簧片 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機部件外型結(jié)構(gòu)簡單 ， 既可 降低成本 又可 達到很高的加工精度，可以解決軸向密封 的 問題； （ 2） 簧片 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機精簡了 傳統(tǒng) 發(fā)動 機 的 結(jié)構(gòu)，省 去 了 傳統(tǒng) 往復(fù)式發(fā)動機中的曲柄連桿機構(gòu)，提高了傳動效率， 避免了 慣性力和慣性力矩的平衡問題； （ 3） 簧片柔性 轉(zhuǎn)子發(fā)動機中 無 偏心結(jié)構(gòu)， 故 可避免轉(zhuǎn)動不平衡帶來的不良影響，減少振動， 降低 噪音； （ 4） 簧片柔性 轉(zhuǎn)子發(fā)動機需要潤滑的部件 數(shù)目 少， 可以 大大簡化 整體 結(jié)構(gòu)； （ 5）采用柔性簧片轉(zhuǎn)子，簧片 與 轉(zhuǎn)子緊貼缸體內(nèi)壁，解決 了 徑向密封問題； （ 6） 宏觀來看， 實現(xiàn)了 發(fā)動機 由剛性燃燒室向柔性燃燒室的過渡。 本文 從 以上兩個 方面 出發(fā)，對燃燒室內(nèi)的燃燒過程和 隔離扇 轉(zhuǎn)子動力學(xué)及運動學(xué)特性進行數(shù)值 建模 計算，并校核模型所用 的 相關(guān)參數(shù)，為微小空間內(nèi)燃燒特性 的研究 和發(fā)動機的設(shè)計加工提供 了 精確的預(yù)測模型。 （ 1）總結(jié) 當前 國內(nèi)外微型動力系統(tǒng) 的 研究現(xiàn)狀， 說明 微 小 型發(fā)動機 的 發(fā)展趨勢，闡明 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機 的 結(jié)構(gòu)特點 和 工作原理，明確發(fā)動機中微小尺度空間流動、燃燒特性 和隔離扇 轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性。建立工作過程熱力學(xué)模型，結(jié)合燃燒、傳熱、漏氣等子模型 對 發(fā)動機燃燒室 的 性能特性 進行計算 ， 闡明 傳熱、漏氣、點火時刻、燃燒持續(xù)時間等對 其 性能的影響 ， 并 結(jié)合機械損失模型，對整機性能指標進行計算分析。 （ 5）計算分析 隔離扇 轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性。 燃燒模 型 綜述 對發(fā)動機燃燒性能仿真研究 起始 于 20 世紀 50 年代 。 準維模型將發(fā)動機燃燒室分為 兩個部分： 已燃區(qū)域、未燃區(qū)域 。 通過 比較三種類型 的 燃燒模型， 發(fā)現(xiàn) 零維模型可以 較為 準確 地 預(yù)測燃燒室內(nèi)燃燒過程的宏觀性能參數(shù)， 其 計算方法簡便，成本較低，是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的模擬缸內(nèi)工作過程的燃燒模型， 故 本文首 先以零維模型模擬 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的工作過程， 計算 得到 缸內(nèi) 工質(zhì)主要 的 狀態(tài)參量，并 基于 此對發(fā)動機的綜合性能進行預(yù)測。 圖 發(fā)動機整機結(jié)構(gòu)裝配圖 圖 中，前缸蓋、氣缸 和 后端蓋通過螺栓連接在一起，輸出軸通過軸承 安裝 于前缸蓋與后端蓋上。前端蓋與前缸蓋間設(shè)有調(diào)整墊片， 用 以調(diào)節(jié)發(fā)動機的軸向裝配精度， 避免 因加工尺寸引起的裝配問題。為避免轉(zhuǎn)子 在工作過程中 膨脹卡死，以及高溫 對 其強度特性 的影響 ， 本文在 保證結(jié)構(gòu)強度和 工作 剛度的條件下在轉(zhuǎn)子內(nèi) 設(shè)置 空腔 ， 這樣既可增強散熱，也可減輕轉(zhuǎn)子重量 。 本文中的隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機無需進行徑向密封， 其 依靠 張緊彈簧 的彈性作用即可完成 。燃燒室由轉(zhuǎn)子、 隔離扇 、氣缸及前后端蓋圍成， 因為 燃燒室壓縮比的決定 因素為轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線和氣缸型線等。1221 交點橫坐標與非火力側(cè)型線轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線 標軸交點坐標轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線與橫坐 llxx ??? ??? 氣缸 的 型線 關(guān)于兩坐標軸均對稱 ， 以第二象限為例 ， 由 以原點為圓心、 半徑為 mm25 的圓弧 3l 、以 ），（ 010 為圓心、 半徑為 的圓弧 4l 及 兩圓弧的公切線 5l組成 。])(1[ （ ） 求解得 到： 。 由上述 計算得到的燃燒室容積隨 著 輸出軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖 所示。在這些 假設(shè)的基礎(chǔ)上，缸內(nèi) 可燃混合氣 滿足熱力學(xué)第一定律 和 理想氣體狀態(tài)方程，由此 可以 建立 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃燒室熱力學(xué)過程 的 數(shù)學(xué)模型。 燃燒室工作性能數(shù)值模擬 工作性能評價指標及設(shè)計轉(zhuǎn)速 發(fā)動機的 工作性能 指 標主要包括動力性指標、經(jīng)濟性指標、運轉(zhuǎn)性能指標和耐久性指標， 由于 目前 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機處于原理探索階段，燃燒室 的 動力性 和 經(jīng)濟性是主要 的 考慮內(nèi)容，因此，本文僅就指示功、指示功率 和 指示熱效率等指標進行計算分析。 隔離扇 發(fā)動機結(jié)構(gòu)中引入了 隔離扇 ，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中， 隔離扇 承受著高溫、高壓及交變載荷的 綜合 作用， 所受 負荷較高，由發(fā)動機進氣流量測試 的 實驗結(jié)果可以 看出，隨著 發(fā)動機 轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動機燃燒室 中的 進氣量 減少得越來越多 。 表 發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬初始 條件和 邊界條件 涉及參數(shù) 數(shù)值 單位 充量系數(shù) 燃燒過程持續(xù)時間 進氣壓力 進氣溫度 過量空氣系數(shù) 氣缸溫度 端蓋溫度 轉(zhuǎn)子溫度 隔離扇溫度 點火時刻 工質(zhì)低熱值 305 1 383 420 90 44200 ? ms MPa K ? K K K K ? kgkJ/ 理想工況性能模擬 19 理想工況下， 忽略 漏氣、傳熱、摩擦等 因素 引起的能量損失，僅考慮轉(zhuǎn)速對燃燒室性能 的 影響， 并且 假設(shè)發(fā)動機在壓縮 和 做功行程中處于絕熱狀態(tài) ， 這樣，通過計算理想工況下發(fā)動機的狀態(tài)參量 即可 預(yù)測其指示性能指標。 圖 理想工況下 缸內(nèi) 溫度與壓力曲線圖 圖 為 發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 min/3000r 時理想工況下 的 發(fā)動機示功圖。 燃燒過程 中 壓力曲線 的 重心向容積擴大段移動， 20 燃燒室 做功 能力增強， 其 指示功 和 指示效率增加。 其中， 內(nèi)部因素主要包括發(fā)動機 工作 過程中 的 傳熱損失、由加工誤差引起的漏氣損失、 燃燒室 結(jié)構(gòu)影 響氣體流動導(dǎo)致 的 燃燒持續(xù)時間的 微小變化等 ； 外部因素主要 有 發(fā)動機轉(zhuǎn)速、點火時刻 以 及過量空氣系數(shù)等。 如圖 與圖 所示 ， 為 傳熱工況下 缸內(nèi) 壓力與溫度曲線。如圖 所示 ， 是 傳熱 狀態(tài) 下 ， 燃燒室輸出功率與熱效率隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系 。 然而 實際加工存 在加工誤差， 必然 存在一定的漏氣面積，轉(zhuǎn)子與端蓋 等處 間隙 的密封 可通過潤滑油 來實現(xiàn) ，而 隔離扇 厚度小， 不易密封，因此 成為漏氣的主要 來源 。 忽略燃燒的持續(xù)時間 ，隨漏氣面積增大，燃燒過程 最高 壓力下降， min/3000r 時 發(fā)動機 指示效率由 % 降 至 % ， 發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低時， 因為 漏氣時間增加、功率損失增大， 使得其 指示效率下降幅度 也 增大 。 圖 額定轉(zhuǎn)速 時缸內(nèi) 剩余質(zhì)量變化曲線 圖 漏氣質(zhì)量分數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 如圖 所示 ， 是 通過漏氣間隙的氣體流量 在 漏氣面 積 大小變化時 通過漏氣間隙的氣體流量 和 轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線 。 分別 求取 ????? 10095908580 、 等不同點火時刻 時 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機 缸 內(nèi)燃燒溫度 和 壓力曲線，如圖 與圖 所示?？紤]傳熱與漏氣 時， 不同點火時刻發(fā)動機 示功圖如圖 所示。由此可以 發(fā)現(xiàn)， 點火時刻提前 或者 延后將使輸出功率大幅度下降。綜合考慮發(fā)動機 的 性能 和 可靠性， 其 點火時刻應(yīng) 選在 上止點處，這為 后面 發(fā)動 機結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了基礎(chǔ)。當點火時刻 在 ?90 位置 時，燃燒持續(xù)時間 — 發(fā)動機 功率曲線 比其他點火時刻 的 變化 更為 平緩，其在較寬燃燒持續(xù)時間內(nèi) 的 功率輸出值高于其他的 點火時刻， 故把 點火時刻設(shè)于上止點處。 infpfsm PPPP ??? （ ） ?? ldSpnP Acfp ?? 15 （ ） 式中 ， mP 為機械損失功率， fsP 為倒拖工況 下 隔離扇 彈性變形引起的摩擦功率損失， fpP 為燃燒壓力 引起 的摩擦功率損失， inP 為其他機構(gòu)摩擦功率損失， n 為發(fā)動機 的 轉(zhuǎn)速， ? 為摩擦系數(shù)， Cp 為 缸內(nèi) 燃燒壓力， AS 為 隔離扇 與氣缸接觸面積， l 為 隔離扇 位移， ? 為輸出軸轉(zhuǎn)角。 26 圖 缸內(nèi) 壓力 引起 的摩擦損失功率 由圖可知，燃燒壓力 引起 的 隔離扇 轉(zhuǎn)子摩擦損失功率隨轉(zhuǎn)速提高而增大，且增大幅度 呈 增加趨勢 ， 這 主要 歸因 為轉(zhuǎn)速提高使燃燒傳熱 和 漏氣損失減小， 缸內(nèi) 壓力 增大 ，導(dǎo)致摩擦損失增加。 發(fā)動機輸出性能評價指標 在 前述 建立的發(fā)動機熱力學(xué)模型 的 基礎(chǔ)上，考慮發(fā)動機 的 傳熱、漏氣 ， 并扣除運轉(zhuǎn)過程中的摩擦等機械損失， 可 得到發(fā)動機的有效功率 eP 。發(fā)動機速度特性通常 可在 發(fā)動機臺架試驗中獲得，保持油門或節(jié)氣門位置不變，改變 發(fā)動機 的 負荷 來 改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定工況 時 將不同轉(zhuǎn)速 所 對應(yīng)的功 率值相連接 即 可 得到速度