【正文】 1 內(nèi)新鮮充量 被 壓縮 ， 燃燒室 2 內(nèi)廢氣 被 排出， 此時， 飛輪的慣性力 轉(zhuǎn)化 為簧片的 彈性勢能 ；上止點處，電熱塞點燃 可燃混合氣 ， 氣體膨脹做功的同時 簧片釋放能量驅(qū)動 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，新鮮充量 也被 吸入燃燒室 2 內(nèi)； 在 排氣階段，燃燒室 1 的簧片在飛輪 慣性力 的 作用下被壓縮， 可將 廢氣由排氣口排出。 研究內(nèi)容 本文以 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機 的 性能特性 和隔離扇 轉(zhuǎn)子動力學(xué)兩個 方面 為主線，從以下幾個方面對 隔離扇 轉(zhuǎn)子發(fā)動機的性能 和 可靠性進行 了 研究。此基礎(chǔ)上， 再展開對 燃燒室尺寸 和工況對 其 性能影響規(guī)律 的研究 。 零維模型 是指 熱力學(xué)模型，其將發(fā)動機氣缸視作參量均勻場， 忽略 參數(shù)的空間變化， 僅將 缸內(nèi)工質(zhì)壓力、溫度和成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等宏觀參量 視為 時間的函數(shù)，采用熱力學(xué)第一定律對缸內(nèi)工作過程進行 分析 計算。 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機整機裝配圖如圖 所示。轉(zhuǎn)子火力面 會 經(jīng)歷完整的循環(huán)熱力過程， 其 熱應(yīng)力較高。 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機 的 性能特性與燃燒空間的壓縮比 有密切關(guān)系 。 本文中將 隔離扇 轉(zhuǎn)子組合看作懸臂梁結(jié)構(gòu)，不考慮 隔離扇 工作過程中的動力學(xué)特性，將其 擺動 視作靜力學(xué)行為，選取 隔離扇 固定端為坐標(biāo)原點，并在 隔離扇 自由端施加集中載荷，由于 隔離扇 的幾何非線性特性， 它 滿足歐拉 伯努利 方程： EIMyy ??? 23239。 16 圖 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機行程相位圖 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機熱力學(xué)模型 假設(shè) 可燃混合氣 為 理想氣體， 且將 整個系統(tǒng)內(nèi) 工質(zhì) 的狀態(tài)參數(shù) 僅視為 時間的函數(shù)， 而 與空間位置無關(guān)，即任一 時刻 工質(zhì)的成分、壓力、溫度 都 是相同的。 指示熱效率 it? 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， 計算 式為： 1QWiit?? （ ） 其中， 1Q 為得到指示功 iW 所消耗的熱量 (J)。在上止點前 輸出軸轉(zhuǎn)過的 ?18 轉(zhuǎn)角內(nèi)，燃燒室保持定容， 所以 室內(nèi)壓力 和 溫度保持定值。 表 1 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機 在 min/3000r 、 理想工況 下 性能參數(shù) 額定轉(zhuǎn)速 min/3000r 充量系數(shù) 加入能量 理想指示功 理想功率 理想熱效率 % 燃燒室工作性能影響因素分析 在 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)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K2285 和 ， 較理想工況 分別 下降 了 K450 與 ，發(fā)動機的熱效率 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 22 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 mm 。 但 當(dāng)點火 時刻 在 ?95 之后時，功率 和 指示效率則呈現(xiàn)顯著 的 下降趨勢。 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(zhì)燃燒和 點火時刻之間的匹配提供 理論 依據(jù)。 機械損失結(jié)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(biāo) 和 轉(zhuǎn)速間的關(guān)系。 圖 不同漏氣面積下發(fā)動機整機速度特性 如圖 所示 ， 是 在不同 的 轉(zhuǎn)速下，同一漏氣面積 所 對應(yīng)的發(fā)動機功率。 對未加載 時 發(fā)動機的摩擦損失， 由 倒拖試驗結(jié)果擬合 隔離扇 彈性變形摩擦損失功率 和 轉(zhuǎn)速的函數(shù) 可以 得到， 隔離扇 彈性變形摩擦損失功率 的 擬合公式為： nPP infs 0 0 3 1 2 6 ??? （ ） 本文利用 上述 擬合得到的 隔離扇 彈性變形摩擦功率公式 和 燃燒壓力機械損失 和 發(fā)動機熱力學(xué)模型 來 耦合計算發(fā)動機 的 綜合性能特性。 發(fā)動機機械損失模型 25 發(fā)動機機械損失 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機工作過程中， 隔離扇 轉(zhuǎn)子在 缸內(nèi) 燃?xì)鈮毫ψ饔孟罗D(zhuǎn)動，氣缸型線的變化， 會引起 隔離扇 發(fā)生彈性變形， 它不僅 改變 了 燃燒室容積 ，而且還 保持了燃燒室 的 周 向密封，但這勢必引起 隔離扇 氣缸間存在的摩擦損失。 圖 還可以 說明 ，當(dāng)點火角度 在 ?90 時，發(fā)動機 的 指示功率為 ，指示效率為 %28 ，本文采用的點火角度 在 ?90 ，所以設(shè)計 的 樣機在不考慮機械損失 的 情況下指示效率為 %28 。 圖 不同點火時刻 缸內(nèi) 壓力曲線 圖 不同點火時刻 缸內(nèi) 溫度曲線 由圖可知， 點火時刻提前 時 ， 缸內(nèi) 溫度曲線 與 壓力曲線左移， 各自 峰值隨點火時刻提前而增大，但增長幅度不斷減小。 圖 不同漏氣面積 時 缸內(nèi)壓力曲線 圖 指示效率與漏氣面積關(guān)系曲線 如圖 所示 ， 是 漏氣面積 不同時缸內(nèi) 剩余氣體質(zhì)量 和 輸出軸轉(zhuǎn)角 之間 的關(guān)系曲線。 由圖可知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 min/3000r 時 ， 傳熱 輸出 21 功率占理想輸出功率的 % ， 占缸內(nèi) 輸入總能量的 %36 。 本文 將從以下幾 個因素出發(fā) 分析 其 對發(fā)動機性能 的 影響。 利用 發(fā)動機燃燒過程 的 三維模擬得 到發(fā)動機 在 不同轉(zhuǎn)速時的燃燒持續(xù)時間 。 綜上所述 ，考慮到 隔離扇 的結(jié)構(gòu)強度及發(fā)動機效率，本文中所設(shè)計 的 發(fā)動機設(shè)計轉(zhuǎn)速 選 為 min/3000r 。 將燃燒室 看作 封閉系統(tǒng)， 根據(jù) 熱力學(xué)第一定律 可知 ，燃燒室內(nèi)氣體滿足能量守恒 ， 則有 ： le akle akwoutoutinincc hddmddVpddQhddmhddmddQd umd ????????? ??????? )( （ ） 對于 進入燃燒室的預(yù)混合可燃?xì)?，由質(zhì)量守恒定律 得 ： ???? ddmddmddmddm le akoutinc ??? （ ） 燃燒室內(nèi) 的工質(zhì) 滿足理想氣體狀態(tài)方程： RTmpV c? （ ） 其 關(guān)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的 微分方程為： ???? ddmRTddTRmddVpddpV cc ??? （ ） 由 上述基本方程 ， 取 氣體常數(shù) pVR c c??、 比熱比 /pVcc?? ， 同時考慮各階段的特性， 可 推導(dǎo)工作過程熱力學(xué)方程。；；543交點橫坐標(biāo)公切線與氣缸上側(cè)型線交點橫坐標(biāo)公切線與氣缸左側(cè)型線軸交點坐標(biāo)氣缸左側(cè)型線與橫坐標(biāo)xxx 15 ??? dWWxy x 20 )]([1 )()( ??? （ ） 這里 ： ])()[(2)( 22 lLxLEIpxW ???? （ ） 而且 隔離扇 長度滿足弧長積分方程， dxyL L ])(1[ 2139。為滿足發(fā)動機壓縮比并減小轉(zhuǎn)動阻力， 本文 氣缸型線 和轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線設(shè)計如下 （ 圖 為燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖 ） 。 考慮到 轉(zhuǎn)子承受較高的機械負(fù)荷 和 較高的溫度， 轉(zhuǎn)子 材料應(yīng)具有良好的機械性能 、 耐磨性和耐腐蝕性 和導(dǎo)熱性 、較小的熱膨脹系數(shù)和比重等特點。轉(zhuǎn)子與輸出軸 之間為 鍵連接，輸出軸上加工有軸肩 ， 以安裝軸承 。 考慮了工質(zhì)隨燃燒室空間和形狀的變化。建立 隔離扇 轉(zhuǎn)子大范圍轉(zhuǎn)動動力學(xué) 的 理論模型，通過有限元分析 和 多體動力學(xué)計算 校核 隔離扇 靜態(tài) 和 動態(tài)強度，分析 隔離扇 尺寸對其影響規(guī)律。 （ 2） 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機結(jié)構(gòu) 方案 設(shè)計。 研究目的及研究內(nèi)容 研究目的及意義 微小型 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機作為本文提出的 新型 樣機，其性能特 性 是需要首先 進行 研究的 內(nèi)容 。 本文中設(shè)計的 隔離扇型 樣機 就是對簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的具體改進方案。韓國科學(xué)技術(shù)學(xué)院 也 在理論 層面 證明了微尺度下 持續(xù) 燃燒的可行性 [38]。 有 研究表明，微尺度火焰?zhèn)鞑?不僅 僅受 到 擴散作用 的 影響 ， 而且還 受擴散 和 化學(xué)動力學(xué)因素共同 的 影響。 （ 3）邊界層流動特性 的 變化 宏觀流體流動 時 ，邊界層相對特征尺度小， 其 對流體流動特性的影響 非常有限 ，隨特征尺度 變?yōu)?微米量級 時 ，邊界層 因素變得 越來越重要， 所以 邊界層 中 流體的流動狀態(tài)將 對 流動空間 中 流體的流動特性 產(chǎn)生極大影響 [19][20]。 微尺度流動 、 燃燒面臨的問題 微尺度流動研究面臨的 首要 問題 就是 尺度 的 劃分 問題 ， 目前 還 沒有統(tǒng)一的 對燃燒尺度 劃 分標(biāo)準(zhǔn)。 這 可證明 微型發(fā)動機 的研究 是可行的， 盡管 現(xiàn)有 的 發(fā)動機在功率、效率、密封等方面尚存諸多問題 ，但這些問題皆 可以 通過改進設(shè)計 方案和 提高加工精度 來 解決。 該項目的 研究人員 通過 電火花線切割加工技術(shù)制作 了 設(shè)計功 4 率為 W65 的 樣機， 其 尺寸為 mm61 、 mm61 、 mm34 ， 且 以氫氣 或者 甲烷為燃料，其 樣機如圖 所示。 3 圖 麻省理工學(xué)院 微型燃?xì)廨啓C示意圖 [6] 微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機 2020年加州大學(xué)伯克利分校（ UBC ）的研究人員開始了微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的研究工作 ， 主要 利用 了 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機結(jié)構(gòu)平面化的特點。 微型燃?xì)廨啓C 1996 年 ， 麻省理工學(xué)院 Turbine Gas 實驗室開始對微型燃?xì)廨啓C 展開 研究 和開發(fā) [5][6]，如圖 所示 ， 是其 微型燃?xì)廨啓C示意圖。 與 電池 不同 ，微型發(fā)動機 通過 燃燒液態(tài)碳?xì)浠衔?， 以電能或機械能方式輸出能量， 其 具有較大 的 能量密度和 較 穩(wěn)定的輸出功率。 chamber property。 本文 針對其性能 和 結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性 展開 研究工作 ， 具體研究內(nèi)容 如下 ： 1． 依據(jù) 發(fā)動機工作原理 對 整機結(jié)構(gòu) 和 各子系 統(tǒng) 進行 設(shè)計，建立了工作過程的 熱力學(xué)模型 、 燃燒過程 的 三維數(shù)值模擬 ， 校核了放熱模型。 2． 燃燒室流動 和 燃燒過程 的 三維數(shù)值模擬。 micro machine V 目錄 第 1 章 緒論 ............................................. 1 研究背景 ........................................................ 1 微小型動力系統(tǒng)發(fā)展概述 .......................................... 2 微型燃?xì)廨啓C ............................................. 2 微型三 角轉(zhuǎn)子發(fā)動機 ....................................... 3 微型擺式發(fā)動機 ........................................... 3 微型對置自由活塞發(fā)動機 ................................... 4 微型發(fā)動機的發(fā)展趨勢 ..................................... 5 微尺度燃燒研究現(xiàn)狀 .............................................. 5 微尺度流動、燃燒面臨的問題 ............................... 5 微尺度空間燃燒可行性的研究 ............................... 6 簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的工作原理 .................................... 7 研究目的及研究內(nèi)容 .............................................. 9 研究目的及意義 ........................................... 9 研究內(nèi)容 ................................................. 9 第 2 章 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬 ............. 11 燃燒模型綜述 ................................................... 11 發(fā)動機主要結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................. 11 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................ 12 燃燒室密封設(shè)計 .............