【正文】 受到的沖擊減小，而且這種結構仍可保證各部分有足夠的強度，這就提高了產(chǎn)品的可靠性。圖 結構示意圖簧 片 柔 性 轉 子 發(fā) 動 機簧片柔性轉子一個完整工作循環(huán)的各環(huán)節(jié)如圖 所示。微小型動力機械具有十分廣闊的發(fā)展前景。（4）燃燒室流動和燃燒過程的三維數(shù)值模擬。計算機技術的發(fā)展為人們開展基于發(fā)動機熱力學過程以及燃燒過程的實際工作過程的數(shù)值模擬準備了有利條件。 發(fā)動機主要結構設計 整機結構設計隔離扇柔性轉子發(fā)動機包括氣缸、前端蓋、后端蓋、隔離扇、張緊彈簧、轉子輸出軸（中間軸）等，在缸體上設計有化油器安裝孔、電熱塞安裝孔及排氣孔，轉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)動機燃燒室。發(fā)動機工作時，轉子會受到高壓、高溫燃氣的作用，承受著氣體壓力、熱負荷、慣性力等。所以，軸向密封將是隔離扇柔性轉子發(fā)動機需要解決的關鍵問題，從結構不難看出，燃氣泄漏主要發(fā)生于轉子與前、后端蓋以及隔離扇與端蓋之間的間隙處。 燃燒空間容積計算隔離扇柔性轉子發(fā)動機中隔離扇的擺動特點決定了工作過程中其燃燒室容積的變化規(guī)律，對隔離扇的擺動運動計算是容積計算的重要環(huán)節(jié)。圖 隔離扇柔性轉子發(fā)動機行程相位圖 隔離扇柔性轉子發(fā)動機熱力學模型假設可燃混合氣為理想氣體，且將整個系統(tǒng)內(nèi)工質的狀態(tài)參數(shù)僅視為時間的函數(shù)，而與空間位置無關，即任一時刻工質的成分、壓力、溫度都是相同的。iW指示熱效率 是指發(fā)動機實際循環(huán)功與其消耗的燃料所攜帶的熱量的比值，it?計算式為：（）1Qiit??其中， 為得到指示功 所消耗的熱量(J)。上止點前輸出軸轉過的 轉角內(nèi)，燃燒室保持定容，所以室內(nèi)壓力和溫度保持?18定值。表 1 隔離扇柔性轉子發(fā)動機在 、理想工況下性能參數(shù)min/30r額 定 轉 速 in/30r充 量 系 數(shù) 入 能 量 J7理 想 指 示 功 281理 想 功 率 想 熱 效 率 % 燃燒室工作性能影響因素分析在隔離扇柔性轉子發(fā)動機工作過程中，其性能特性受到內(nèi)部因素、外部因素的綜合影響。同一點火時刻處，傳熱工況下的最高溫度與最高壓力分別達到 和 ，較理想工況分別下降了 與 ，.機的熱效率有所降低，輸出功率亦有損失。壓縮初始時缸內(nèi)壓力低，漏氣面積造成的壓力損失較小，隨后，缸內(nèi)壓力不斷上升，漏氣造成的壓力損失不斷加大，這使得燃燒過程初始溫度和初始壓力均隨著漏氣面積的變大而不斷減小。本節(jié)在考慮傳熱和漏氣損失情況下，對不同點火時刻下性能特性進行計算分析，取其漏氣面積為 。但當點火時刻在 之后時，功率和指示效率則呈現(xiàn)顯著的下??9降趨勢。 圖 燃燒持續(xù)時間對缸內(nèi)溫度的影響 圖 燃燒持續(xù)時間對缸內(nèi)壓力的影響燃燒持續(xù)時間對發(fā)動機性能的影響可為缸內(nèi)工質燃燒和點火時刻之間的匹配提供理論依據(jù)。fsPin 機械損失結果依據(jù)建立的零維燃燒模型，在考慮傳熱和漏氣損失時，缸內(nèi)壓力引起的摩擦損失功率如圖 所示。 發(fā)動機速度特性發(fā)動機速度特性是指發(fā)動機在特定供油量時，其性能指標和轉速間的關系。對隔離扇柔性轉子發(fā)動機負荷特性進行分析，可獲得發(fā)動機在點工況下對外做功的能力。5W28%（3）詳細分析了對發(fā)動機的性能產(chǎn)生影響的諸多因素。因此，建立詳細的轉子隔離扇非線性動力學模型有助于了解轉子隔離扇耦合動力學特性。?P點 在慣性坐標系 OXYZ 下的速度和加速度坐標陣為：P（）0rAu???????（）2A????其中， 為點 角速度在浮動坐標系 O1xyz 下的坐標陣， 為??123,T??P??坐標陣 的反對稱陣，其中，32120????????? 32120??????????點的速度變分 為：Pr??（）0Au??????? 隔離扇總體坐標系下的有限元位形描述33利用有限單元法將隔離扇劃分為 個單元，則單元節(jié)點數(shù)共有 個，隔離npn扇的總體變形位移列陣 為：P1pTinp?????? ?每個單元的變形位移列陣為： ,Tiklmn????單元節(jié)點的變形位移列陣為： 12312,Tiiiipu??????設 為單元的變形位移陣列和總體的變形位移陣列之間的轉換矩陣，即iB（）iiB隔離扇中面任意一點變形位移在浮動坐標系 O1xyz 中表示為：（）1123223, TTNpHu??????????????其中型函數(shù)：， ，1iNB?2iN3iB?耦合形函數(shù)陣為：，112H?21H?， ， ，iTi?iTi?2121iTiH?22iTiB?隔離扇上任意一點的變形位移在浮動坐標系 O1xyz 中的坐標可表示為：（）31123223, TTNpzpxuy????????????????隔離扇有限單元內(nèi)任意點的速度在慣性坐標系中為：（）??01rANp?????????34隔離扇有限單元內(nèi)任意點的速度在慣性坐標系中為：（）????02 1rANpANp??????????????? ?其中，1120THp???????????112220TTHpp?????????????點的速度變分 為：Pr??（）??0 1ANp?????????由幾何方程可知，隔離扇上任意一點的正應變?yōu)椋海ǎ?3312231 1x TuzxNHppx??????????????（）23322232 1y TuzyNppy???????????????任意一點的剪應變?yōu)椋海ǎ?33122xyuuzxyxNpzp??????????? 隔離扇轉子剛柔耦合動力學方程1．隔離扇變形能及其變分假設隔離扇處于平面應力條件下，由應力應變關系：35（）????2121xxyyyxxyxyE???????????????其中， 為隔離扇彈性模量， 為泊松比。將各分量表達式帶入上式，整理可得隔離扇轉子剛柔耦合動力學方程為：（）???010101TqMqKCQF??????其中， 為隔離扇慣性坐標系位移坐標陣， 、 為零次近似質量陣和qM37耦合變形質量陣， 、 為零次近似剛度陣和耦合變形剛度陣， 為隔離0K1。矢量 是浮動坐標系原點 O1 相對于慣性坐標0r?系原點 O 的矢徑， 為未變形時隔離扇中面上任意一點 相對于浮動坐標系0?? 0PO1xyz 的矢徑， 為點 移動到 后變形的位移矢量。%3031第 3章 隔離扇轉子非線性動力學研究隔離扇柔性轉子發(fā)動機中隔離扇轉子組合結構為典型的剛柔耦合動力學系統(tǒng)。圖 3000r/min 發(fā)動機輸出功率及指示效率節(jié)氣門開度關系曲線 本章小結本章根據(jù)隔離扇柔性轉子發(fā)動機工作原理，提出了該發(fā)動機的整機結構設計方案，并根據(jù)熱力學第一定律建立了發(fā)動機工作過程的熱力學模型，在此基礎上，還對發(fā)動機的性能特性展開研究，其中的主要研究內(nèi)容及結論如下：（1）根據(jù)隔離扇柔性轉子發(fā)動機設計初衷和工作原理，對發(fā)動機進行了整機方案設計，提出其進氣和點火方式，并闡述了其采取的密封措施，于此基礎29上對樣機進行了結構設計，鑒于隔離扇的幾何非線性特性，采用了試差法計算得到發(fā)動機氣缸容積的變化曲線，最終燃燒室排量為 ，壓縮比為 。% %.1 發(fā)動機負荷特性發(fā)動機負荷特性是指發(fā)動機在轉速不變的情況下其性能指標與負荷之間的關系。隔離扇發(fā)動eP機設計具備雙燃燒室，為四沖程發(fā)動機，基于上節(jié)計算得到的平均機械損失壓力函數(shù)，并耦合發(fā)動機熱力學模型，可由示功圖計算發(fā)動機氣缸有效功 ，其eW有效功率表達式為：（）602nWP??式中， 為發(fā)動機轉速。其中，燃燒室壓力可由發(fā)動機試驗l?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角的函數(shù)，隔離扇氣缸潤滑狀況下摩擦系數(shù)取為。 燃燒持續(xù)時間因素燃燒持續(xù)時間對隔離扇柔性轉子發(fā)動機性能也有不小的影響，燃燒持續(xù)時間決定了發(fā)動機燃料能量釋放的快慢，較短的燃燒持續(xù)時間對應較高的燃燒放熱速率，這會影響發(fā)動機的燃燒溫度和功率輸出，對于工質可以通過減短其燃燒持續(xù)時間，來提高發(fā)動機功率。 圖 不同點火時刻示功圖 圖 不同點火時刻功率隨點火時刻提前，燃燒開始前和結束后的等容階段內(nèi)，由于傳熱的影響，缸內(nèi)壓力較之前的時刻變小，這使發(fā)動機示功圖所包圍的面積隨之變小。由圖可知，漏氣時間隨著轉速的提高而減小，漏氣質量也不斷減小，這說明高轉速對于減小漏氣損失有利，可提高發(fā)動機的指示效率。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發(fā)動機性能的變化，這為發(fā)動機的設計及加工提供了依據(jù)。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)，壓縮時由于壁面的預熱作用，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，且整機輸出功率下降。燃燒過程持續(xù)時間的變化隨轉速增加越來越小，指示功和指示效率的增加幅度也越來越小，因此，功率增長幅度同時減小。在發(fā)動機工作過程的零維模型中，假設其過量空氣系數(shù)為 ，燃料為汽油，1壓縮初始點工質處于標準大氣狀態(tài)，其點火時刻位于上止點處，且排氣過程瞬間完成。指示功 是指燃燒室完成一個工作循環(huán)時得到的有用功，可通過計算燃燒iW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。為了驗證試差法計算的可靠性，利用隔離扇的有限元模型計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果作對比，由圖 說明，試差法可以滿足計算需要的精度。它們滿足如下方程：（）???????0256.).( 22 212xyx這里： ℃1221 交 點 橫 坐 標與 非 火 力 側 型 線轉 子 火 力 側 型 線 標 軸 交 點 坐 標轉 子 火 力 側 型 線 與 橫 坐 llx?氣缸的型線關于兩坐標軸均對稱，以第二象限為例，由以原點為圓心、半徑為 的圓弧 、以 為圓心、半徑為 的圓弧 及兩圓弧的公切m53l），（ 線 組成。 燃燒室密封設計隔離扇柔性轉子發(fā)動機和其他微小型內(nèi)燃式動力裝置一樣，面臨工作過程中的密封問題。轉子與氣缸間存12在間隙，該間隙精度為微米級，既可保證轉子的順利轉動，又可減小端面泄漏量。多維模擬可以通過流動過程基本微分方程和湍流流動方程、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)動機結構參數(shù)和運轉參數(shù)的關系，進而求解得到燃燒過程中流體的速度、溫度和組分等時空特性。本章圍繞隔離扇柔性轉子發(fā)動機基本設計方案，建立發(fā)動機熱力學簡化模型，研究燃燒室及發(fā)動機整機性能特性，并從傳熱、漏氣、點火時刻和燃燒持續(xù)時間等對發(fā)動機性能影響顯著的因素入手進行研究分析。（3）發(fā)動機工作過程的數(shù)值模擬。此外，對發(fā)動機運轉時隔離扇的動力學特性進行深入研究，將對提高發(fā)動機的運轉可靠性提供理論支持?；善嵝赞D子發(fā)動機采用電熱塞點火，進氣方式為化油器式自然吸氣，這樣可以簡化對點火、進氣的控制過程。一些學者通過試驗及理論在非絕熱燃燒過程中會觀察到振蕩現(xiàn)象的發(fā)生 [40][41]。根據(jù)連續(xù)介質理論可以預測：放熱反應的傳播過程中存在一個臨界尺寸（微米量級） [23][24]，研究員 通過實驗得出亞毫米尺度下的火焰無Davy法傳播。當 Re103 時，流體處于層流狀態(tài)，在微尺度下，雷諾數(shù)滿足該條件，故可將此時的流體流動視為層流，流體粘性力和壁面作用力對流體的流動起主導作用 [21][22]。目前，一般將大于 的燃燒尺度稱為宏觀尺度，將 的m1 m1~.0尺度稱為細尺度，將小于 的尺度稱為微尺度 [13]。微小型發(fā)動機在眾多領域有著廣泛的應用前景，這為微型發(fā)動機的研發(fā)與發(fā)展提供了動力。但是，目前還沒有該樣機實際輸出功率的報道。據(jù)悉，其排量為 的轉子發(fā)動機樣機在轉速為 時最大輸出in/930r功率為 ，試驗中使用了以氫氣為燃料的可燃混合氣，樣機如圖 3 所示 [7]。轉子一側連接壓氣機，另一側連接渦輪，其中壓氣機直徑為m213，渦輪直徑 。此外，電池在使用中，其端電壓呈現(xiàn)衰減趨勢，這不僅無法滿足用電設備對能量的需要，甚至還會對其產(chǎn)生損害，這不利于用電設備的長期穩(wěn)定、安全地運行，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。結果表明，燃燒室排量為 ，考慮全部損失時發(fā)動機整機的最大輸出功率為 ，有效效率為%28 W69。以上述模型計算燃燒室的性能指標，討論了對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)調查，碳氫化合物能量密度為 ，而應用于日常便攜式電腦和手機產(chǎn)品的鋰離子電池kgMJ/504?的能量密度只有約 [4]，即便考慮到化學能轉化為熱能時的部分能/量損失，例如供能效率為 6%時，同質量下的碳氫化合物產(chǎn)生的能量是電池輸出能量的 5 倍。實驗室的研究人員利用加工技術，在硅片上制作出了微型燃氣輪機的樣機，其外形尺寸：邊長MES，厚 。其設計、加工了排量在 之間、整機尺寸在 左右的 級轉子發(fā)動機樣3348~7mcm1MES機。該樣機中未采用任何主動密封裝置，而是完全依靠微米級加工精度來保證結構的充分密封。 微型發(fā)動機的發(fā)展趨勢對微細加工的研究和微尺度燃燒的進步為微小型發(fā)動機研究的發(fā)展提供了有利支持。 [10]定義氣體通道尺寸小于 時為小尺度，Sham6[11]則指出小尺度的界限應為 ， 是微尺度界限， 和Kandlikr 3?20Kew[12]基于拉氏常數(shù)提出了一個 常數(shù)（ ）來作為小CoweConubrt cfie尺度的界限。（4）流體流動狀態(tài)的變化流體流動時用來描述流動狀態(tài)的參數(shù)是雷諾數(shù) Re。 微尺度空間燃