【正文】 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 得到速度特性曲線。 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。當(dāng)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。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。 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。 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 。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 。 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。 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。 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 。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。])(1[ （ ） 求解得 到： 。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。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 。 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。 準(zhǔn)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 。 （ 5）計算分析 隔離扇 轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性。 （ 1）總結(jié) 當(dāng)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。 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。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。 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。 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。 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。 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。 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 。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。 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。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。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。 關(guān)鍵詞： 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機 燃燒室 性能 幾何非線性 數(shù)值模擬 微小型機械 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, higher energy storage and a wider range of power output and applying stable, which makes it a wide range of application market and bright prospects for its development. While now this field is not mature. Based on this background, this article presents a micro isolatedwing flexible rotary engine, whose flexible characteristics make it a unique advantage. Based on the concept prototype and to understand its performance and structural dynamics, the main contents of this article are as below: 1. According to the principle of the engine, the whole structure and subsystems were designed, and thermodynamic model of the engine ,bustion heat release model revised based on the threedimensional numerical simulation process was established in the article. On this basis, the article calculated the bustion performance and discussed the influence of the bustion performance factors and pointed out the rules of its impact on performance. The results show that the displacement of bustion chamber of the engine is cm , and the indicated thermal efficiency under the design speed conditions is %28 and taking into account the mechanical loss the engine maximum output power reaches W69 and the effective efficiency is % . 2. This article built bustion heat release model revised based on the chamber fuel gas flow process and the threedimensional numerical simulation process. On this basis, the article discussed the influence of the bustion size and working conditions on performance. 3. Against the isolated wingrotor rigidflexible coupling characteristics and isolatedwing geometry nonlinear elastic deformation du IV ring its working process, in order to examine the structural dynamic strength of the isolatedwing and the engine dynamics, the nonlinear dynamics theory model of isolated wingrotor rigidflexible system with wide range rotation was established, which laid the foundation on accurately calculating the dynamic characteristic. Key Words: isolatedwing flexible rotary engine。 基于此 ，本文提出一種微小型 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機，其 中隔離扇 轉(zhuǎn)子的 柔性特點使其具有 諸多 獨特優(yōu)勢 。通過 對 燃燒過程 的 數(shù)值模擬計算分析 了 燃燒室 氣流 流動 和 燃燒性能。這主要是因為在通信 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力系統(tǒng) 具有 良好的應(yīng)用前景， 例 如小型機器人、多點分散型通信設(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。液態(tài)碳氫化合物 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 補充液態(tài)燃料 較 電池充電 更為 簡單、便捷。 通過 對流傳熱作用 可知 ，可燃混合氣在樣機內(nèi)流動 時 ，燃燒室壁面的熱量 會 對其進行預(yù)熱。目前 該 研究團隊正在研制直徑為 mm1 和 、目標(biāo)輸出功率為 mW100~10 的轉(zhuǎn)子發(fā)動機， 其 設(shè)計轉(zhuǎn)速可達 到 min/40000r 。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)動機利用電磁感應(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。 目前， 微 小 型發(fā)動機的 研究 剛剛起步 。 燃燒 尺度達到微尺度時， 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 流體流動的特征尺度屬 毫米 至 微米 級，但 該尺度 仍 遠遠 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 。 為保證混合氣充分混合，駐留時間應(yīng) 較 擴散時間更大 。文獻 [ 32 ]、[ 31 ]、[ 30 ]、[ 29 ]、[ 28 ]、[ 27 ]、[ 26 ] 分別 利用試驗 和 理論 7 詳細 分析了淬熄現(xiàn)象的 產(chǎn)生 機理， 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。 在 燃燒室中引入 簧片 ， 以其 柔性 可