【正文】 發(fā)動機(jī)輸出性能評價指標(biāo) 在 前述 建立的發(fā)動機(jī)熱力學(xué)模型 的 基礎(chǔ)上，考慮發(fā)動機(jī) 的 傳熱、漏氣 ， 并扣除運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的摩擦等機(jī)械損失， 可 得到發(fā)動機(jī)的有效功率 eP 。綜合考慮發(fā)動機(jī) 的 性能 和 可靠性， 其 點(diǎn)火時刻應(yīng) 選在 上止點(diǎn)處，這為 后面 發(fā)動 機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了基礎(chǔ)。 圖 額定轉(zhuǎn)速 時缸內(nèi) 剩余質(zhì)量變化曲線 圖 漏氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 如圖 所示 ， 是 通過漏氣間隙的氣體流量 在 漏氣面 積 大小變化時 通過漏氣間隙的氣體流量 和 轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線 。 如圖 與圖 所示 ， 為 傳熱工況下 缸內(nèi) 壓力與溫度曲線。 表 發(fā)動機(jī)工作過程數(shù)值模擬初始 條件和 邊界條件 涉及參數(shù) 數(shù)值 單位 充量系數(shù) 燃燒過程持續(xù)時間 進(jìn)氣壓力 進(jìn)氣溫度 過量空氣系數(shù) 氣缸溫度 端蓋溫度 轉(zhuǎn)子溫度 隔離扇溫度 點(diǎn)火時刻 工質(zhì)低熱值 305 1 383 420 90 44200 ? ms MPa K ? K K K K ? kgkJ/ 理想工況性能模擬 19 理想工況下， 忽略 漏氣、傳熱、摩擦等 因素 引起的能量損失，僅考慮轉(zhuǎn)速對燃燒室性能 的 影響， 并且 假設(shè)發(fā)動機(jī)在壓縮 和 做功行程中處于絕熱狀態(tài) ， 這樣，通過計算理想工況下發(fā)動機(jī)的狀態(tài)參量 即可 預(yù)測其指示性能指標(biāo)。 由上述 計算得到的燃燒室容積隨 著 輸出軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖 所示。 本文中的隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)無需進(jìn)行徑向密封， 其 依靠 張緊彈簧 的彈性作用即可完成 。 通過 比較三種類型 的 燃燒模型， 發(fā)現(xiàn) 零維模型可以 較為 準(zhǔn)確 地 預(yù)測燃燒室內(nèi)燃燒過程的宏觀性能參數(shù)， 其 計算方法簡便，成本較低，是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的模擬缸內(nèi)工作過程的燃燒模型， 故 本文首 先以零維模型模擬 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的工作過程， 計算 得到 缸內(nèi) 工質(zhì)主要 的 狀態(tài)參量，并 基于 此對發(fā)動機(jī)的綜合性能進(jìn)行預(yù)測。建立工作過程熱力學(xué)模型，結(jié)合燃燒、傳熱、漏氣等子模型 對 發(fā)動機(jī)燃燒室 的 性能特性 進(jìn)行計算 ， 闡明 傳熱、漏氣、點(diǎn)火時刻、燃燒持續(xù)時間等對 其 性能的影響 ， 并 結(jié)合機(jī)械損失模型，對整機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行計算分析。燃燒室的徑向密封由簧片 在 彈性作用 下與 氣缸 的 緊密貼合 來保證 ，端面密封則依靠 結(jié)構(gòu)的 加工精度 來 實現(xiàn)。另有 研究者在 Davy 研究 工作的基礎(chǔ)上 得出了 結(jié)構(gòu)、材料和流速對 可燃混合氣 的火焰淬熄 的 特征 [24][25]。 當(dāng)下 對微尺度燃燒的研究主要 集中于微米 至 毫米級范圍內(nèi)。 圖 微型擺式發(fā)動機(jī) 原理圖 及其 樣機(jī) [8] 微型對置自由活塞發(fā)動機(jī) C e nt e r T e c hn ol og y H on e yw e ll G e or gi a 和 ）A F R L（L a bR e s e a r c h F o r c eA ir 目前 正在研究一種對置 式 自由活塞發(fā)動機(jī) E ng ine )K no c k pi s t on F r e e ( M E C S ，如圖 5 所示 [9]， 是其 結(jié)構(gòu)原理 圖 。 在工作 時 ，空氣 從 進(jìn)氣口 處 進(jìn)入壓氣機(jī)， 經(jīng) 壓氣機(jī)壓縮后由噴管將 空氣 加速并 使之 在通道內(nèi)與 可燃?xì)怏w 充分混合，經(jīng) 過 擴(kuò)壓管增壓后 混合氣 進(jìn)入燃燒室 進(jìn)行燃燒，由燃燒室流出的高溫氣體 可以 推動渦輪做功。 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(jī) ............................................. 2 微型三 角轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī) ....................................... 3 微型擺式發(fā)動機(jī) ........................................... 3 微型對置自由活塞發(fā)動機(jī) ................................... 4 微型發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)工作過程數(shù)值模擬 ............. 11 燃燒模型綜述 ................................................... 11 發(fā)動機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................. 11 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................ 12 燃燒室密封設(shè)計 .......................................... 13 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計 .......................................... 13 燃燒空間容積計算 ........................................ 14 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)熱力學(xué)模型 ................................. 16 燃燒室工作性能數(shù)值模擬 ......................................... 17 工作性能評價指標(biāo)及設(shè)計轉(zhuǎn)速 .............................. 17 初始條件及模型驗證 ...................................... 18 理想工況性能模擬 ........................................ 18 VI 燃燒室工 作性能影響因素分析 ..................................... 20 傳熱損失因素 ............................................ 20 漏氣損失因素 ............................................ 21 點(diǎn)火時刻因素 ............................................ 22 燃燒持續(xù)時間因素 ........................................ 24 發(fā)動機(jī)機(jī)械損失模型 ............................................. 24 發(fā)動機(jī)機(jī)械損失 .......................................... 25 機(jī)械損失模型 ............................................ 25 機(jī)械損失結(jié)果 ............................................ 25 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)輸出性能計算 ............................... 26 發(fā)動機(jī)輸出性能評價指標(biāo) .................................. 26 發(fā)動機(jī)速度特性 .......................................... 27 發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性 .......................................... 28 本章小結(jié) ....................................................... 29 第 3 章 隔離扇 轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)研究 ...................... 31 剛 柔耦合非線性動力學(xué)的理論模型 ................................ 31 彈性隔離扇的運(yùn)動學(xué)方程 .................................. 31 隔離扇總體坐標(biāo)系下的有限元位形描述 ...................... 32 隔離扇 轉(zhuǎn)子剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)方程 ........................... 34 隔離扇靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算 ......................................... 37 隔離扇材料的選取 ........................................ 37 隔離扇結(jié)構(gòu)設(shè)計 .......................................... 37 隔離扇靜態(tài)強(qiáng)度校核 ...................................... 38 隔離扇 轉(zhuǎn)子多柔體動力學(xué)仿真模型 ................................ 40 多柔體動力學(xué)仿真模型的建立 .............................. 40 約束與載荷施加 .......................................... 40 隔離扇 轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性分析 ...................................... 41 隔離扇 氣缸接觸力計算 ................................... 41 隔離扇運(yùn)動學(xué)特性 ........................................ 42 VII 隔離扇 轉(zhuǎn)子動應(yīng)力計算 ................................... 43 輸出軸扭矩特性 .......................................... 46 隔離扇動力學(xué)特性參數(shù)化分析 ..................................... 47 隔離扇長度因素 .......................................... 47 隔離扇厚度因素 .......................................... 48 本章 小結(jié) ....................................................... 49 結(jié)論 ................................................... 51 1．全文總結(jié) ........................................................ 51 2．論文創(chuàng)新點(diǎn) ...................................................... 53 3．展望 ............................................................ 54 參考文獻(xiàn) ............................................... 55 致謝 ................................................... 59 1 第 1 章 緒論 研究背景 世界 科 學(xué) 技 術(shù) 的 快 速 發(fā) 展 促進(jìn) 了 微 型 機(jī) 電 系 統(tǒng)（ S ys t e m ha ni c a le le c t r ome c M ic r o，M E M S ）研究領(lǐng)域 的發(fā)展 。 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(jī)工作原理 對 整機(jī)結(jié)構(gòu) 和 各子系 統(tǒng) 進(jìn)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