【正文】 使工作過(guò)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。 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。 微 小 型動(dòng)力機(jī)械 具有十分 廣闊的 發(fā)展 前景。 （ 4）燃燒室流動(dòng) 和 燃燒過(guò)程 的 三維數(shù)值模擬。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 為 人們 開(kāi)展 基于發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)過(guò)程 以及 燃燒過(guò)程的實(shí)際工作過(guò)程的數(shù)值模擬 準(zhǔn)備了有利條件 。 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(guò)一對(duì)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(guò)螺栓連接，以此形成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒 室 。 發(fā)動(dòng)機(jī)工作 時(shí) ，轉(zhuǎn)子 會(huì) 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。 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(wèn)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。 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(guò)程中 可燃混合氣進(jìn)入 其它 空間。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(duì)比，由圖 說(shuō) 明 ，試差法可以滿足計(jì)算 需要 的精度。 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(guò) 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。 在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程 的 零維模型中， 假設(shè)其 過(guò)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(guò)程瞬間完成。燃燒 過(guò)程 持續(xù)時(shí)間 的變化 隨轉(zhuǎn)速增加越來(lái)越小，指示功 和 指示效率 的 增加幅度 也越來(lái)越小 ， 因此 ， 功率增長(zhǎng)幅度同時(shí)減小。 對(duì)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 。 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， 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(shuō)明 高轉(zhuǎn)速 對(duì)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(kāi)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 。 燃燒持續(xù)時(shí)間因素 燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì) 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(duì)應(yīng) 較高的燃燒放熱速率， 這會(huì) 影響發(fā)動(dòng)機(jī) 的 燃燒溫度 和 功率輸出，對(duì) 于工質(zhì) 可以 通過(guò) 減 短 其燃燒持續(xù)時(shí)間， 來(lái) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。其中，燃燒室壓力 可 由發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn) 測(cè)得 ，隔離扇 與氣缸接觸面積 可 通過(guò)測(cè)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(rùn)滑狀況下摩擦系數(shù) 取 為 。 隔離扇 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 具備 雙燃燒室，為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)， 基于 上節(jié) 計(jì)算 得到的平均機(jī)械損失壓力函數(shù)，并 耦合發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型， 可 由示功圖計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī) 氣缸 有效功 eW ， 其 有效功率 27 表達(dá)式為： 602 nWP ?? ? （ ） 式中 ， n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速為 min/12。綜合性能的 計(jì)算過(guò)程中 要 考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱、漏氣 和 機(jī)械損失， 其 進(jìn)氣量 可 由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量測(cè)試試驗(yàn) 測(cè)得 ，點(diǎn)火時(shí)刻 選在 ?90 ，燃燒持續(xù)時(shí)間 可 由燃燒過(guò)程 的 三維模型模擬得到。 機(jī)械損失模型 從實(shí)際出發(fā)， 測(cè)定 由 燃?xì)鈮毫σ鸬哪Σ翐p失試驗(yàn)難度大， 故 本節(jié)僅對(duì) 隔離扇 彈性變形引起的摩擦損失 和 其他零件的機(jī)械損失進(jìn)行測(cè)試， 并于 此基礎(chǔ)上疊加其 燃燒壓力引起的摩擦損失 來(lái)對(duì) 發(fā)動(dòng)機(jī)的總體機(jī)械損失 進(jìn)行考慮 。點(diǎn)火時(shí)刻的 提前 雖然可以 提高 工質(zhì) 的燃燒程度 和改善 發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，但 缸內(nèi) 溫度 和 壓力較上止點(diǎn) 處 增大， 隔離扇 承受的 各種 負(fù)荷增加， 缸內(nèi) 熱損失也 隨之 增加。 雖然點(diǎn)火時(shí)刻提前使缸內(nèi)壓力與溫度峰值 變大 ，但發(fā)動(dòng)機(jī)功率的變化趨勢(shì) 與之 恰恰相反。漏氣面積 變大時(shí) ，泄漏質(zhì)量 隨之變大 ，但增長(zhǎng)率隨漏氣面積的增 大 而減小。 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)特殊 ，轉(zhuǎn)子 、 隔離扇 端面 和 上、下端蓋 在 理想情況下應(yīng)順利 地 相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng) ， 并保證 實(shí)現(xiàn)緊密貼合。 從這個(gè)角度來(lái)看 ，傳熱損失會(huì) 降低發(fā)動(dòng)機(jī) 的 輸出功率 和 有效效率。 圖 理想工況 下 發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖 圖 發(fā)動(dòng)機(jī)理想工況 下 轉(zhuǎn)速性能特性 由圖可知，轉(zhuǎn)速增加，燃燒室功率 隨之 增大，原因在于轉(zhuǎn)速增加使燃燒放熱率增加， 并使 燃燒持續(xù)時(shí)間縮短 。燃燒持續(xù)時(shí)間 可以 通過(guò)燃燒過(guò)程 的 三維數(shù)值模擬得到，燃燒室壁面溫度 可 通過(guò)流固耦合傳熱計(jì)算 而 得到，同時(shí)不考慮進(jìn)氣量對(duì) 燃燒室性能的影響， 燃燒室 各轉(zhuǎn)速下充量系數(shù)皆取 min/3000r 時(shí) 所 測(cè)得的充量系數(shù) ， 其 工作過(guò)程初始 條件、邊界條件見(jiàn)表 。 由 能量守恒方程（ ）可知，系統(tǒng) 中 內(nèi)能 發(fā)生 變化 的原因?yàn)椋?進(jìn)入系統(tǒng)工質(zhì)攜帶的能量 、 離開(kāi)系統(tǒng)的工質(zhì)攜帶的能量、燃料燃燒釋放的熱量、傳熱損失和對(duì)外做功等。 ()Wx為 隔離扇 自由端水平位移 l 的函數(shù)，采用試差法，通過(guò)編制 matlab 計(jì)算程序，在懸臂梁自由端逐步施加載荷，在每一載荷步內(nèi)計(jì)算 隔離扇 自由端水平位移 l ，以 隔離扇 自然狀態(tài)下的 初始 長(zhǎng)度為擬合量，計(jì)算得出 隔離扇 的撓度曲線，在此基礎(chǔ)上積分得到 其 燃燒室容積。它們滿足如下方程 ： ??? ???? ????? 025 )(222221222 xxyx xxxyx （ ） 這里： 。 13 燃燒室 密封設(shè)計(jì) 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 和 其他微小型內(nèi)燃式動(dòng)力裝置一樣，面臨 工作過(guò)程中的 密封問(wèn)題。轉(zhuǎn)子與氣缸間存在間隙 ， 該間隙精度為微米級(jí) ，既可保證轉(zhuǎn)子的順利轉(zhuǎn)動(dòng)， 又可 減小端面泄漏量。 多維模擬 可以 通過(guò)流動(dòng)過(guò)程基本微分方程 和 湍流流動(dòng)方程、燃燒方程以及邊界層方程聯(lián)立求解，在邊界條件及初始條件 等 已知條件下建立燃燒同發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù) 和 運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的關(guān)系， 進(jìn)而 求解得到燃燒過(guò)程 中 流體的速度、溫度和組分等時(shí)空特性。 本章圍繞 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 基本 設(shè)計(jì)方案，建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué) 簡(jiǎn)化 模型，研究燃燒室及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能特性，并 從 傳熱、漏氣、點(diǎn)火時(shí)刻 和 燃燒持續(xù)時(shí)間等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響顯著 的 因素 入手 進(jìn)行研究分析。 （ 3）發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程 的 數(shù)值模擬。 此外 ，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 時(shí)隔離扇 的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行深入研究，將對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的 運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性提供理論 支持 。 簧片 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)采用電熱塞點(diǎn)火，進(jìn)氣方式 為 化油器式自然吸氣，這樣可 以簡(jiǎn)化 對(duì) 點(diǎn)火 、 進(jìn)氣 的 控制 過(guò)程 。 一些 學(xué)者通過(guò)試驗(yàn) 及 理論在非絕熱燃燒過(guò)程中 會(huì) 觀察到振蕩現(xiàn)象的發(fā)生 [40][41]。 根據(jù) 連續(xù)介質(zhì)理論 可以 預(yù)測(cè)：放熱反應(yīng)的傳播 過(guò)程中 存在一個(gè)臨界尺寸（微米量級(jí)） [23][24]， 研究員 Davy 通過(guò)實(shí)驗(yàn) 得出 亞毫米尺度下 的 火焰無(wú)法 傳播 。 當(dāng) Re103時(shí)，流體處于層流狀態(tài)， 在 微尺度下 ， 雷諾數(shù)滿足 該 條件， 故 可將 此時(shí)的 流體流動(dòng)視為層流，流體粘性力 和 壁面作用力對(duì)流體 的 流動(dòng)起主導(dǎo)作用 [21][22]。 目前， 一般將大于 mm1 的 燃燒 尺度稱為 宏觀尺度， 將 mm1~ 的尺度稱為細(xì)尺度， 將 小于 的尺度 稱為微尺度 [13]。 微 小 型發(fā)動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域 有著 廣泛的應(yīng)用前景 ， 這 為微型發(fā)動(dòng)機(jī)的 研發(fā)與 發(fā)展提供了動(dòng)力。 但是， 目前 還沒(méi)有該 樣機(jī)實(shí)際輸出功率的報(bào)道。據(jù)悉 ，其排量為 3348mm 的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 樣機(jī) 在轉(zhuǎn)速為 min/9300r 時(shí)最大輸出功率為 ，試驗(yàn) 中使用了 以 氫氣 為燃料的 可燃混合氣，樣機(jī)如圖 3 所示 [7]。轉(zhuǎn)子 一側(cè) 連接壓氣機(jī) ， 另一側(cè)連接 渦輪，其中壓氣機(jī)直徑為mm8 ，渦輪直徑 mm6 。 此外 ，電池在使用中 ， 其端電壓呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，這 不僅 無(wú)法滿足用電設(shè)備 對(duì)能量 的需要， 甚至 還會(huì)對(duì)其產(chǎn)生損害， 這 不利于用電設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定 、 安全地 運(yùn)行，各種燃料 的 能量密度 和 電池的端電壓 變化 曲線如圖 所示。 numerical simulation。結(jié)果表明，燃燒室排量為 cm ，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下燃燒室 的 指示熱效率為 %28 ，考慮 全部 損失 時(shí) 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī) 的 最大輸出功率為 W69 ，有效效率為 % 。 以上述模型 計(jì)算燃燒室 的 性能指標(biāo)，討論了 對(duì) 燃燒室性能 有 影響 的諸多 因素 ， 明確了 具體的 影響規(guī)律。 geometric nonlinear。 據(jù)調(diào)查， 碳?xì)浠衔锬芰棵芏葹?kgMJ /5040? ，而應(yīng)用于 日常 便攜式電腦 和 手機(jī)產(chǎn)品的鋰離子電池 的 能量密度只有約 kgMJ / ? [4]， 即便 考慮到化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能時(shí)的 部分 能量損失， 例 如 供能 效率為 6%時(shí)，同質(zhì)量 下 的碳?xì)浠衔?產(chǎn)生的能量是 電池輸出能量的 5 倍 。 實(shí)驗(yàn)室的 研究人員利用MEMS 加工技術(shù)，在硅片上制作出 了 微型燃?xì)廨啓C(jī) 的 樣機(jī)，其外形尺寸 ： 邊長(zhǎng)mm21 ，厚 mm3 。其設(shè)計(jì) 、 加工了排量在 33 348~78 mmmm 之間 、整 機(jī)尺寸在 cm1 左右的 MEMS 級(jí)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 樣機(jī) 。 該 樣機(jī)中 未 采用 任何 主動(dòng)密封裝置，而是 完全 依靠微米級(jí)加工精度來(lái)保證 結(jié)構(gòu)的 充 分密封。 5 微型發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 對(duì) 微細(xì)加工 的研究和 微尺度燃燒的進(jìn)步 為 微 小 型發(fā)動(dòng)機(jī)研究的發(fā)展 提供了有利支持 。 Shah [10]定義 氣體 通道尺寸小于 mm6 時(shí)為小尺度，Kandlikar [11]則指出小尺度 的 界限 應(yīng) 為 mm3 ， m?200 是 微尺度界限 ， Kew 和Cornwell [12]基于拉氏常數(shù)提出 了一個(gè) Co 常數(shù)（ n u m b ert c o n fin em en ） 來(lái) 作為小尺度 的 界限。 （ 4）流體流動(dòng)狀態(tài) 的 變化 流體流動(dòng) 時(shí)用來(lái) 描述流動(dòng)狀態(tài)的 參數(shù) 是 雷諾數(shù) Re。 微尺度空間燃燒可行性 的 研究 盡管 微型動(dòng)力機(jī)械 具備很多優(yōu)點(diǎn) ，但 在 微尺度下 進(jìn)行持續(xù) 燃燒 的 問(wèn)題成為了主要問(wèn)題。 盡管如此 ，微尺度下空間傳熱的不可測(cè)性等 充分 強(qiáng)調(diào)了建立詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型的必要性 [25][39]。結(jié)構(gòu)上 采用對(duì)置的雙燃燒室，轉(zhuǎn)子型線由兩對(duì)對(duì)稱的圓弧 構(gòu)成 ， 以保證進(jìn)排氣過(guò)程相互隔離 。對(duì) 樣機(jī) 燃燒室內(nèi) 的 氣體流動(dòng) 和 燃燒特性的研究具有 十分 重要 的 意義，而且如何組織微小空間內(nèi) 工質(zhì) 的穩(wěn)定燃燒 關(guān)乎 發(fā)動(dòng)機(jī) 的功能 能否實(shí)現(xiàn)。 由 發(fā)動(dòng)機(jī) 的 工作原理 和 設(shè)計(jì)初衷，確定 出其 結(jié)構(gòu)形式 和 尺寸，明確各子系統(tǒng) 的 形式，闡明針對(duì) 其 關(guān)鍵問(wèn)題所采 10 取 的 措施。 11 第 2 章 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬目的在于建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的熱力學(xué)模型， 進(jìn)一步 了解發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程 和 性能特性， 同時(shí) 研究分析發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響因素及規(guī)律，為 其 性能預(yù)測(cè)及 方案 改進(jìn)奠定理論基礎(chǔ)。雖然準(zhǔn)維模型可以對(duì)火 焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程進(jìn)行模擬， 其 預(yù)測(cè)精度較零維模型有所提高，但基本原理相同， 依舊 無(wú)法就室內(nèi)流動(dòng)及燃燒過(guò)程的細(xì)節(jié)特征 來(lái) 進(jìn)行描述。轉(zhuǎn)子在輸出軸上 可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng) ，以保證裝配 合理 。 此外，為避免 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中 燃燒室內(nèi)壓力、漏氣量的不均衡性使 轉(zhuǎn)子輸出軸受到彎曲應(yīng)力 和 橫向力引起轉(zhuǎn)子與端蓋 之 間的摩擦，在轉(zhuǎn)子上設(shè)置氣壓平衡孔， 來(lái) 減小外界阻力對(duì)轉(zhuǎn)子輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng) 造成 的影響。 圖 燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖 14 本文提出的隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子型線由圖中兩組 1l 和 2l 組成，其中1l 是以輸出軸中心為原點(diǎn)時(shí)，半徑 為 mm25 的型線， 2l 是以 ），（ 為圓心，半徑為 的型線。0 0 ??? （ ） 其中， M 為 隔離扇 自由端彎矩， p 為 隔離扇 自由端集中載荷，