【文章內(nèi)容簡介】 但是，最近的部分試驗 [33][34]證明微小通道中進行火焰?zhèn)鞑タ尚小Ｔ囼炞C明甲烷和氧氣的可燃混合氣可在小于 的平板間隙內(nèi)穩(wěn)定燃燒。 [35]、m?20Melish[36]及 [37]在實驗中分別驗證了甲烷與空氣的可燃混合氣在MiesBoyark內(nèi)徑的圓管中持續(xù)燃燒的可行性。了微尺度下持續(xù)燃燒的可行性 [38]。盡管如此，微尺度下空間傳熱的不可測性等充分強調(diào)了建立詳細的數(shù)學模型的必要性 [25][39]。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]。 簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的工作原理簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機 [42]這一新型的概念發(fā)動機是在微小型動力系統(tǒng)快速發(fā)展的大環(huán)境下提出的。在燃燒室中引入簧片，以其柔性可使工作過程變得柔和、各部件所受到的沖擊減小，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?；善嵝赞D(zhuǎn)子發(fā)動機工作原理與傳統(tǒng)四沖程內(nèi)燃機相似，也包括進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程，也是通過工質(zhì)的壓縮、做功驅(qū)動轉(zhuǎn)子和與之固聯(lián)的定心輸出軸轉(zhuǎn)動，將燃料的化學能轉(zhuǎn)換為機械能?；善嵝赞D(zhuǎn)子發(fā)動機由前、后端蓋、簧片、轉(zhuǎn)子、輸出軸、缸體、飛輪等構成。前后端蓋、前后簧片、轉(zhuǎn)子、缸體圍成燃燒室，簧片一端固聯(lián)于轉(zhuǎn)子溝槽中，另一端依靠彈性與氣缸壁保持接觸，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周過程中，每個燃燒室完成一次工作循環(huán)，其結構示意圖如圖 所示。本文中設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。結構上采用對置的雙燃燒室，轉(zhuǎn)子型線由兩對對稱的圓弧構成，以保證進排氣7過程相互隔離?；善嵝赞D(zhuǎn)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。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，端面密封則依靠結構的加工精度來實現(xiàn)。圖 結構示意圖簧 片 柔 性 轉(zhuǎn) 子 發(fā) 動 機簧片柔性轉(zhuǎn)子一個完整工作循環(huán)的各環(huán)節(jié)如圖 所示。 （a ）進氣過程 （b）壓縮過程 （c ）做功過程 （d）排氣過程圖 工作循環(huán)示意圖簧 片 轉(zhuǎn) 子 發(fā) 動 機這里以燃燒室 1 作為研究對象。在進氣階段，簧片釋放出其儲存的能量，8同時燃燒室 2 內(nèi)氣體做功，一齊驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，此時新鮮充量在燃燒室 1 負壓作用下通過化油器進入燃燒室 1；在壓縮階段，慣性飛輪慣性力作用下，燃燒室 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。由簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的設計理念和工作原理不難發(fā)現(xiàn)，其有如下特點：（1）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機部件外型結構簡單，既可降低成本又可達到很高的加工精度，可以解決軸向密封的問題；（2）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機精簡了傳統(tǒng)發(fā)動機的結構，省去了傳統(tǒng)往復式發(fā)動機中的曲柄連桿機構，提高了傳動效率，避免了慣性力和慣性力矩的平衡問題；（3）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機中無偏心結構，故可避免轉(zhuǎn)動不平衡帶來的不良影響，減少振動，降低噪音；（4）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機需要潤滑的部件數(shù)目少，可以大大簡化整體結構；（5）采用柔性簧片轉(zhuǎn)子，簧片與轉(zhuǎn)子緊貼缸體內(nèi)壁，解決了徑向密封問題；（6）宏觀來看，實現(xiàn)了發(fā)動機由剛性燃燒室向柔性燃燒室的過渡。 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。對樣機燃燒室內(nèi)的氣體流動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)定燃燒關乎發(fā)動機的功能能否實現(xiàn)。此外，對發(fā)動機運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)可靠性提供理論支持。本文從以上兩個方面出發(fā)，對燃燒室內(nèi)的燃燒過程和隔離扇轉(zhuǎn)子動力學及運動學特性進行數(shù)值建模計算，并校核模型所用的相關參數(shù)，為微小空間內(nèi)燃燒特性的研究和發(fā)動機的設計加工提供了精確的預測模型。微小型動力機械具有十分廣闊的發(fā)展前景。對本課題的研究，可為微動力9系統(tǒng)的進步、發(fā)展提供具有競爭力的產(chǎn)品支撐。 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。（1）總結當前國內(nèi)外微型動力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，說明微小型發(fā)動機的發(fā)展趨勢，闡明隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的結構特點和工作原理，明確發(fā)動機中微小尺度空間流動、燃燒特性和隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動力學特性。（2）隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機結構方案設計。由發(fā)動機的工作原理和設計初衷，確定出其結構形式和尺寸，明確各子系統(tǒng)的形式，闡明針對其關鍵問題所采取的措施。（3）發(fā)動機工作過程的數(shù)值模擬。建立工作過程熱力學模型，結合燃燒、傳熱、漏氣等子模型對發(fā)動機燃燒室的性能特性進行計算，闡明傳熱、漏氣、點火時刻、燃燒持續(xù)時間等對其性能的影響，并結合機械損失模型，對整機性能指標進行計算分析。（4）燃燒室流動和燃燒過程的三維數(shù)值模擬。通過對燃燒過程的數(shù)值模擬來計算分析燃燒室氣流流動和燃燒性能。此基礎上，再展開對燃燒室尺寸和工況對其性能影響規(guī)律的研究。（5）計算分析隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動力學特性。建立隔離扇轉(zhuǎn)子大范圍轉(zhuǎn)動動力學的理論模型，通過有限元分析和多體動力學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。10第 2章 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬目的在于建立發(fā)動機工作過程的熱力學模型，進一步了解發(fā)動機工作過程和性能特性，同時研究分析發(fā)動機性能影響因素及規(guī)律，為其性能預測及方案改進奠定理論基礎。本章圍繞隔離扇柔性轉(zhuǎn)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。 燃燒模型綜述對發(fā)動機燃燒性能仿真研究起始于 20 世紀 50 年代。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。目前廣泛采用的燃燒模型主要有：零維模型、準維模型和多維模型。零維模型是指熱力學模型，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)量分數(shù)等宏觀參量視為時間的函數(shù)，采用熱力學第一定律對缸內(nèi)工作過程進行分析計算。準維模型將發(fā)動機燃燒室分為兩個部分：已燃區(qū)域、未燃區(qū)域。考慮了工質(zhì)隨燃燒室空間和形狀的變化。雖然準維模型可以對火焰?zhèn)鞑ミ^程進行模擬，其預測精度較零維模型有所提高，但基本原理相同，依舊無法就室內(nèi)流動及燃11燒過程的細節(jié)特征來進行描述。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(zhuǎn)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。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確地預測燃燒室內(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)動機的綜合性能進行預測。 發(fā)動機主要結構設計 整機結構設計隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機包括氣缸、前端蓋、后端蓋、隔離扇、張緊彈簧、轉(zhuǎn)子輸出軸（中間軸）等，在缸體上設計有化油器安裝孔、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。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)動阻力。隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機整機裝配圖如圖 所示。圖 發(fā)動機整機結構裝配圖圖 中，前缸蓋、氣缸和后端蓋通過螺栓連接在一起，輸出軸通過軸承安裝于前缸蓋與后端蓋上。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。轉(zhuǎn)子在輸出軸上可繞軸轉(zhuǎn)動，以保證裝配合理。轉(zhuǎn)子與氣缸間存12在間隙，該間隙精度為微米級，既可保證轉(zhuǎn)子的順利轉(zhuǎn)動，又可減小端面泄漏量。前端蓋與前缸蓋間設有調(diào)整墊片，用以調(diào)節(jié)發(fā)動機的軸向裝配精度，避免因加工尺寸引起的裝配問題。發(fā)動機工作時，轉(zhuǎn)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。此外，發(fā)動機燃燒室面容比較大，其機械應力也較大。轉(zhuǎn)子火力面會經(jīng)歷完整的循環(huán)熱力過程，其熱應力較高。為避免轉(zhuǎn)子在工作過程中膨脹卡死，以及高溫對其強度特性的影響，本文在保證結構強度和工作剛度的條件下在轉(zhuǎn)子內(nèi)設置空腔，這樣既可增強散熱，也可減輕轉(zhuǎn)子重量?？紤]到轉(zhuǎn)子承受較高的機械負荷和較高的溫度，轉(zhuǎn)子材料應具有良好的機械性能、耐磨性和耐腐蝕性和導熱性、較小的熱膨脹系數(shù)和比重等特點。此外，為避免轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中燃燒室內(nèi)壓力、漏氣量的不均衡性使轉(zhuǎn)子輸出軸受到彎曲應力和橫向力引起轉(zhuǎn)子與端蓋之間的摩擦，在轉(zhuǎn)子上設置氣壓平衡孔，來減小外界阻力對轉(zhuǎn)子輸出軸轉(zhuǎn)動造成的影響。 燃燒室密封設計隔離扇柔性轉(zhuǎn)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。本文中的隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機無需進行徑向密封，其依靠張緊彈簧的彈性作用即可完成。所以，軸向密封將是隔離扇柔性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子與前、后端蓋以及隔離扇與端蓋之間的間隙處。針對微小型發(fā)動機面臨的密封問題，本文主要通過以下措施實現(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現(xiàn)潤滑與密封；（4）發(fā)動機點火后，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，故火焰無法在間隙內(nèi)傳播。 燃燒室結構設計隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的性能特性與燃燒空間的壓縮比有密切關系。燃燒13室由轉(zhuǎn)子、隔離扇、氣缸及前后端蓋圍成，因為燃燒室壓縮比的決定因素為轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線和氣缸型線等。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)型線設計如下（圖 為燃燒室結構示意圖）。圖 燃燒室結構示意圖本文提出的隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機的轉(zhuǎn)子型線由圖中兩組 和 組成，其1l2中 是以輸出軸中心為原點時，半徑為 的型線， 是以 為圓心，半1l m252l），（ 0.徑為 的型線。它們滿足如下方程：（）???????0256.).( 22 212xyx這里： ℃1221 交 點 橫 坐 標與 非 火 力 側(cè) 型 線轉(zhuǎn) 子 火 力 側(cè) 型 線 標 軸 交 點 坐 標轉(zhuǎn) 子 火 力 側(cè) 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。它們滿足如下方程：l（）????????)(52 4432xyxcba 這里： ℃543 交 點 橫 坐 標公 切 線 與 氣 缸 上 側(cè) 型 線 交 點 橫 坐 標公 切 線 與 氣 缸 左 側(cè) 型 線 軸 交 點 坐 標氣 缸 左 側(cè) 型 線 與 橫 坐 標x14氣缸進氣口位于型線 上，并與型線 和公切線 的交點緊鄰，這樣可以防3l3l5l止壓縮過程中可燃混合氣進入其它空間。 燃燒空間容積計算隔離扇柔性轉(zhuǎn)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)。本文中將隔離扇轉(zhuǎn)子組合看作懸臂梁結構，不考慮隔離扇工作過程中的動力學特性，將其擺動視作靜力學行為，選取隔離扇固定端為坐標原點，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：（）EIMy???2339。])(1[求解得到：（）?dWx20)]([1)(???這里：（）])()[(2)( 22lLxEIpx而且隔離扇長度滿足弧長積分方程，（）dxyL])(1[239。0???其中， 為隔離扇自由端彎矩， 為隔離扇自由端集中載荷， 為隔離MpEI扇彎曲剛度， 為隔離扇自由端水平位移， 為隔離扇懸置段積分長度， 為l L0L隔離扇懸置段實際長度， 為隔離扇撓度。y為隔離扇自由端水平位移 的函數(shù)，采用試差法，通過編制 計()Wxl matlb算程序，在懸臂梁自由端逐步施加載荷，在每一載荷步內(nèi)計算隔離扇自由端水平位移 ，以隔離扇自然狀態(tài)下的初始長度為擬合量，計算得出隔離扇的撓度曲l線，在此基礎上積分得到其燃燒室容積。 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。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。15 圖 燃燒室容積轉(zhuǎn)角曲線圖 圖 試差法與有限元法計算對比轉(zhuǎn)子隔離扇組件轉(zhuǎn)動過程中燃燒室容積變化的規(guī)律結合發(fā)動機工作過程當中的進氣、壓縮、做功、排氣等四個行程，以轉(zhuǎn)子火力面?zhèn)刃途€ 的中點為定2l位標準點，各行程所對應的輸出軸轉(zhuǎn)角如圖 所示，燃燒室轉(zhuǎn)動一周即可