【正文】 EI 為 隔離扇彎曲剛度， l 為 隔離扇 自由端水平位移， L 為 隔離扇 懸置段積分長度， 0L 為 隔離扇 懸置段實(shí)際長度， y 為 隔離扇 撓度。 壓縮與 做功過程 熱力學(xué)方程為： 17 ??????? ddmmpddVVpddQVddp ccw ????? 1 （ ） 燃燒 過程 缸內(nèi)熱力學(xué)方程為： ???????? ddmmpddVVpddQddQVddp ccwc ????? )(1 （ ） 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 在 工作過程中排氣 和 進(jìn)氣 不存在 重疊角度，由方程（ ）、（ ）、（ ） 可得到 排氣階段熱力學(xué)方程為： ??????? ddVVpddQVRTddmVddp wc ????? 12 （ ） 進(jìn)氣 過程 熱力學(xué)方程為： ??????? ddVVpddQVddmmpddp wcc ???? 1 （ ） 其中， ? 為輸出軸 的 轉(zhuǎn)角， inm 為進(jìn)入燃燒室的 工質(zhì) 質(zhì)量， inh 為進(jìn)入燃燒室的 工質(zhì) 的焓， cm 為燃燒室內(nèi) 工質(zhì) 質(zhì)量， outm 為廢氣質(zhì)量， outh 為廢氣的焓， cQ 為氣體 燃燒 放出的熱量， wQ 為工質(zhì)與壁面的傳熱損失， p 、 V 、 T 分別為燃燒室的 壓力、容積、溫度。 初始條件及模型驗(yàn)證 利用 之前 建立的各部分模型 對 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程 進(jìn)行 數(shù)值模擬時(shí)，首先需要確定仿真過程初始條件 和 邊界條件，這關(guān)系著仿真結(jié)果 的準(zhǔn)確性 。 如圖 所示 ，為工質(zhì) 質(zhì)量一定 時(shí) ，計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)理想工況 下 不同轉(zhuǎn)速的性能特性。 傳熱損失因素 微小型 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 的熱量損失主要?dú)w因于其較大的面容比 ， 當(dāng)其傳熱損失大于其熱量產(chǎn)生率時(shí) ，燃燒過程 不再進(jìn)行 。 圖 理想與傳熱壓力曲線 圖 理想與傳熱溫度曲線 圖 傳熱工況下輸出 功率 和 指示效率 漏氣損失因素 動(dòng)力裝置尺寸變小，意味著微小型發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量所占的比例將較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量更大 ， 所以，漏氣損失因素也越必須予以考慮 。 由圖可知，相同 漏氣面積下，通過漏氣間隙的氣體流量隨著壓縮過程壓力不斷升高而增加， 可燃?xì)怏w 質(zhì)量變化率 也不斷 升高。 反之，若 點(diǎn)火時(shí)刻后延，溫度與壓力曲線峰值隨后延增加而減小，減小幅度 隨之 增加。 電熱塞 的 安裝位置決定 了 點(diǎn)火時(shí)刻， 也就 決定 了 發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 的 機(jī)械損失 具體而言， 主要包括 ：隔離扇 彈性變形引起的摩擦損失、燃?xì)鈮毫δΣ翐p失、其他零件接觸損失，其中 隔離扇 彈性變形摩擦損失 和 其他接觸損失 始終 存在于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，燃?xì)鈮毫?的 摩擦損失 則 只存在于 做功 過程。 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能計(jì)算 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)目前 處于原理驗(yàn)證階段，對其綜合性能的模擬計(jì)算可較為 全面了解 其 性能特性， 并 為樣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供 可靠 參考。由圖可 知 ，隨轉(zhuǎn)速提高，發(fā)動(dòng)機(jī)功率與 其 轉(zhuǎn)速 大致 成線性關(guān)系。 有效熱效率 i? 是 指 實(shí)際循環(huán) 中 有效功 和 為得到 該 有效功所消耗的熱量的比值，即： 1QWi ??? ? （ ） 本節(jié)以有效功率和有效熱效率作為考察輸出性能 的 指標(biāo)，對發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性和各 特定工況下的負(fù)荷特性 來 進(jìn)行計(jì)算分析。 fsP和 inP 的機(jī)械損失 可 由倒拖試驗(yàn)測定。如圖 、 所示 ， 是 在 不考慮傳熱 和 漏氣 時(shí)，不同燃燒持續(xù)時(shí)間 對應(yīng)的 燃燒溫度 和 壓力曲線。如圖 所示， 定量 計(jì)算各點(diǎn)火時(shí)刻的 缸內(nèi) 功率，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻 在 ?? 90~80 輸出軸轉(zhuǎn)角時(shí)，隨點(diǎn)火時(shí)刻延遲， 缸內(nèi) 功率 和 熱效率 呈 線性增加，在 ?? 95~90 之間 ，功率增加 不多 ，在 ?95 時(shí)功率達(dá)最大值 ，指示效率 則 達(dá) % ，功率較 ?80 時(shí) 增大 24 。 點(diǎn)火時(shí)刻因素 點(diǎn)火時(shí)刻 是 對發(fā)動(dòng)機(jī)性能有重要影響 的又一個(gè)因素，它 關(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī) 的 做功 23 沖程 。 忽略 傳熱損失 時(shí) ，如圖 、 圖 所示 ， 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 min/3000r 時(shí) 漏氣面積 大小 對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響 程度 。 但在壓縮后半程將通過壁面向缸外散熱， 使 壓縮終點(diǎn)時(shí)缸 內(nèi)溫度低于理想工況，這需要 電熱塞提供更高的能量和 更長的點(diǎn)火時(shí)間， 這影響 了 燃燒效率 。 根據(jù) 示功圖 計(jì)算可得 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 在 理想工況 、 min/3000r 轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)，如表 1 所示。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下燃燒室內(nèi) 氣體 壓力與溫度變化如圖 所示，由圖可知 其燃燒過程 最高溫度達(dá)到 K2735 ，排氣溫度為 K1700 ， 其 峰值壓力為 。 指示功率 iP 是 指 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室 在 單位時(shí)間內(nèi)所 做 的指示功， 計(jì)算 式為： 60nWP ii ? （ ） 18 其中， iW 為指示功 (J)， n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (r/min)。 圖 轉(zhuǎn)角曲線圖 圖 試差法與有限元法計(jì)算對比 轉(zhuǎn)子 隔離扇 組件轉(zhuǎn)動(dòng)過程中燃燒室容積變化 的 規(guī)律結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程 當(dāng)中的進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣等 四個(gè)行程 ，以轉(zhuǎn)子 火力面?zhèn)?型線 2l 的 中點(diǎn)為定位標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，各行程 所 對應(yīng)的輸出軸轉(zhuǎn)角如圖 所示，燃燒室轉(zhuǎn)動(dòng)一周即 可 完成一個(gè)工作循環(huán)。 燃燒空間容積計(jì) 算 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中 隔離扇 的 擺動(dòng) 特點(diǎn)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(dòng)運(yùn)動(dòng) 計(jì)算 是 容積計(jì)算的重要環(huán)節(jié)。 針對 微小型發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的密封問題， 本文 主要通過以下措施實(shí)現(xiàn)： （ 1）提高 零部件 加工精度，減小 汽缸 漏氣面積； （ 2）在轉(zhuǎn)子與前、后端蓋 等 接觸部位涂潤滑油 以 形成油膜，在潤滑的同時(shí)亦可 保證轉(zhuǎn)子與端蓋間密封； （ 3）對于 隔離扇 與前、后端蓋間的密封， 可 在燃料中添加適當(dāng)比例的蓖麻油作潤滑油，潤滑油可在燃燒室中前、后端蓋處形成油膜 來 實(shí)現(xiàn)潤滑與密封； （ 4）發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后， 隔離扇 在高溫下的膨脹也有利于減小 其 與端蓋間的間隙； （ 5）轉(zhuǎn)子與端蓋 間 間隙為微米級(jí)， 故 火焰無法在間隙內(nèi)傳播。 此外 ，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室面容比 較大， 其機(jī)械應(yīng)力也較大。后端蓋上 可安裝飛輪 ，飛輪安裝空間 處具有與外界大氣相通的孔道， 以 確保飛輪不因氣阻作用 而 受到額外的轉(zhuǎn) 動(dòng)阻力。目前廣泛采用的燃燒模型主要 有 ：零維模型、準(zhǔn)維模型和多維模型。通過 對 燃燒過程 的 數(shù)值模擬來 計(jì)算分析燃燒室 氣流 流動(dòng) 和 燃燒性能。對本課題的研究，可為微動(dòng)力系統(tǒng)的 進(jìn)步、 發(fā)展 提供 具有 競爭力的產(chǎn)品支撐。 （ a）進(jìn)氣 過程 （ b）壓縮 過程 （ c） 做功過程 （ d）排氣 過程 圖 簧片轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 工作 循環(huán) 示意圖 這里 以燃燒室 1 作為 研究對象。 簧片 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理 與 傳統(tǒng)四沖程內(nèi)燃機(jī)相似， 也 包括進(jìn)氣、壓縮、做功 、 排氣四個(gè)沖程， 也是 通過 工質(zhì) 的壓縮、做功驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子 和 與 之 固聯(lián)的定心輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 將 燃料的化學(xué)能 轉(zhuǎn)換為 機(jī)械能。 但是，最 近的部分 試驗(yàn) [33][34]證明微小 通道中 進(jìn)行 火焰?zhèn)鞑?可行 。微小型動(dòng)力裝置 中小尺度的燃燒室 有利于反應(yīng)物擴(kuò)散 、 混合，其較高的轉(zhuǎn)速將 使 駐留時(shí)間 縮短 ， 造 成燃料 沒有 充分 擴(kuò)散 、 混合。 微 尺度 下 影響流體流動(dòng) 、 燃燒特性的因素 和這些因素的 重要程度發(fā)生的 變化主要 表現(xiàn)如下： （ 1）表面積 /體積比值 （ 面容比 ） 的 變化 流體流動(dòng)特征尺度 從 厘米向毫米 、 微米發(fā)展時(shí)，流體的表面積和體積 均 隨之變小 ，但 是 表面積 和 體積的比值卻 會(huì)變大 ， 數(shù)值 由 12m10 向 16m10 發(fā)展，這 會(huì)造 6 成 表面?zhèn)鳠?和 表面流動(dòng)效應(yīng) 均 加強(qiáng) [16]， 進(jìn)而 影響微尺度 的 燃燒特性。 對微 小 型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究， 可 帶動(dòng)微尺度流動(dòng) 和 燃燒等基礎(chǔ)課題的開展。樣機(jī) 通過 活塞 和 氣缸 之間 的配合 來 實(shí)現(xiàn)密封，無專門 的密封措施， 故 泄漏現(xiàn)象 仍舊 存在。 圖 加州大學(xué)伯克利分校 微型三角轉(zhuǎn)子 發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī) [7] 微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī) 密歇根大學(xué)采用 了 新型結(jié)構(gòu)形式 對 微 型 擺 式 發(fā) 動(dòng) 機(jī)（ M I C S E e ng i ne , s w i ng c omb us t i on i nte r na l mi c r o ） [8]進(jìn)行開發(fā)。該樣機(jī)需借助外部空氣 進(jìn)行 啟動(dòng)，額定工況 下 每秒消耗空氣 （ 約 ），產(chǎn)生 的推力或 W17 的旋轉(zhuǎn)機(jī)械功。另外，對 具備 較高能量密度的燃料電池來說， 盡管 基于氫的微型燃料電池已研制成功 ， 其依然需要轉(zhuǎn)化裝置來 對 液態(tài)碳?xì)浠衔镏械臍?進(jìn)行 提取。但目前微型動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展 僅是 剛剛起步， 因此 多個(gè)國家 及 研究機(jī)構(gòu) 均正 聚焦于此研究方向。此基礎(chǔ)上， 又展開了對 燃燒室尺寸 和工作條件 對 其 性能影響規(guī)律 的研究 。 I 河 北 工 業(yè) 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 作 者： 李銀寶 學(xué) 號(hào)： 110316 學(xué) 院： 機(jī)械學(xué)院 系 (專業(yè) )： 車輛工程 題 目： 微型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與分析 指導(dǎo)者： 石維佳 教授 評(píng)閱者： 年 月 日 II 微型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與分析 摘要 微 小 型 機(jī)電 系統(tǒng)概念的提出 為 微型動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展 奠定了良好基礎(chǔ) ，體積 微小 、儲(chǔ)能 較 高、功率輸出范圍寬且 性能 穩(wěn)定的特點(diǎn) ， 使微小型動(dòng)力機(jī)械 具有良好的發(fā)展前景 及應(yīng)用市場 ， 但目前該 領(lǐng)域的發(fā)展 還 不成熟。 3．針對發(fā)動(dòng)機(jī) 工作 過程中 隔離扇 轉(zhuǎn)子剛 柔耦合特性 以及 隔離扇 的幾何非線性彈性變形，為考察 隔離扇 的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 和 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性，建立了大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)的 隔離扇 轉(zhuǎn)子剛 柔耦合非線性動(dòng)力學(xué)理論模型，為準(zhǔn)確計(jì)算其動(dòng)力學(xué)特性奠定基礎(chǔ)。 基于該 背景， 建立于 不同原理 上 的微小型動(dòng)力系統(tǒng)如微燃燒器或輻射器、微熱光電系統(tǒng)（ S ys t e m ov ol t a i cT he r mop ho t M i c r o，T P VM i c r o ） [1][2]、微熱電系統(tǒng) [3]、微型發(fā)動(dòng)機(jī) 、 微推進(jìn)系統(tǒng)、微透平發(fā)電機(jī) 等 等應(yīng)運(yùn)而生。 2 1234024681234460 329 164155 90 70 5502020400060008000100001202014000比內(nèi)能 /(Whr/Kg)液態(tài)HC燃料（異辛烷） 20%發(fā)動(dòng)機(jī)10%發(fā)動(dòng)機(jī)鋅空氣電池 鋰電池 堿性電池 聚合物鋰電池 鋰離子電池 鎳氫電池 鎳鎘電池 圖 各裝置燃料 能量密度 和 電池端電壓特性 微小型動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展概述 內(nèi)燃機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過 很長一段 時(shí)間的研究與改進(jìn)，已經(jīng)進(jìn)入相當(dāng)成熟的階段，壓縮、燃燒、做功成為目前普 及 最廣 、最有效的能量提取方式， 而且 這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率明顯 較 其他形式的動(dòng)力裝置 更高 。 且該 微型燃?xì)廨啓C(jī) 樣機(jī)的 運(yùn)動(dòng)部件 的 振動(dòng)頻率超出 了人耳的頻率范圍。 這種發(fā)動(dòng)機(jī)通過做 回轉(zhuǎn) 擺動(dòng)的自由活塞實(shí)現(xiàn)可燃 混合氣 的壓縮、 做功 和排氣過程。 該 微型發(fā)動(dòng)機(jī) 樣機(jī) 結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，但 其對于 空間 的 利用率低， 而且還 需 專門的 控制 及 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 來 確保兩活塞 可同步工作， 這樣便 增加了樣機(jī)的 結(jié)構(gòu) 復(fù)雜 程度 。 微尺度燃燒研究現(xiàn)狀 微尺度下燃燒特性 和 可燃混 氣體 燃燒組織的研究 始終 是研究人員 在 微小型動(dòng)力系統(tǒng)中面臨的重要課題。 （ 2）梯度參數(shù) 的 變化 當(dāng) 流體流動(dòng)的特征尺度 微小到 微米量級(jí)時(shí)，流體空間軸線與壁面 之間 的流體特征參數(shù)梯度效應(yīng) 會(huì) 顯著增強(qiáng) [17][18]。 （ 6）微尺度 下 燃燒 減小燃燒室容積會(huì) 使 面容比明顯變大 ，壁面處自由基的破壞 和 熱損失 對 燃燒過程 的進(jìn)行不利 ，甚至 會(huì) 終止化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生淬熄。 試驗(yàn)證明甲烷和氧氣的 可燃 混合氣 可 在小于 m?200 的平板間隙內(nèi)穩(wěn)定燃燒。 簧片 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)由前、后端蓋、簧片、轉(zhuǎn)子、輸出軸、缸體、飛輪等 構(gòu)成 。 在 進(jìn)氣階段，簧片釋放 出其 儲(chǔ)存的能量 ， 同時(shí) 燃燒室 2 內(nèi)氣體 做功 ， 一齊驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 此時(shí) 新鮮充量 在燃燒室 1 負(fù)壓作用下 通過化油器進(jìn)入燃燒室 1； 在 壓縮階段，慣性飛輪 慣性力 作用下 ， 燃燒室