【正文】 由圖可 知 ，隨轉速提高，發(fā)動機功率與 其 轉速 大致 成線性關系。 有效熱效率 i? 是 指 實際循環(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，對發(fā)動機速度特性和各 特定工況下的負荷特性 來 進行計算分析。 隔離扇 柔性轉子發(fā)動機輸出性能計算 隔離扇 柔性轉子發(fā)動機目前 處于原理驗證階段，對其綜合性能的模擬計算可較為 全面了解 其 性能特性， 并 為樣機的優(yōu)化設計及改進提供 可靠 參考。 fsP和 inP 的機械損失 可 由倒拖試驗測定。隔離扇 柔性轉子發(fā)動機 的 機械損失 具體而言， 主要包括 ：隔離扇 彈性變形引起的摩擦損失、燃氣壓力摩擦損失、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)動機運轉過程中，燃氣壓力 的 摩擦損失 則 只存在于 做功 過程。如圖 、 所示 ， 是 在 不考慮傳熱 和 漏氣 時，不同燃燒持續(xù)時間 對應的 燃燒溫度 和 壓力曲線。 電熱塞 的 安裝位置決定 了 點火時刻， 也就 決定 了 發(fā)動機的熱效率。如圖 所示， 定量 計算各點火時刻的 缸內 功率，當點火時刻 在 ?? 90~80 輸出軸轉角時，隨點火時刻延遲， 缸內 功率 和 熱效率 呈 線性增加，在 ?? 95~90 之間 ，功率增加 不多 ，在 ?95 時功率達最大值 ，指示效率 則 達 % ，功率較 ?80 時 增大 24 。 反之，若 點火時刻后延，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。 點火時刻因素 點火時刻 是 對發(fā)動機性能有重要影響 的又一個因素，它 關系著發(fā)動機 的 做功 23 沖程 。 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， 可燃氣體 質量變化率 也不斷 升高。 忽略 傳熱損失 時 ，如圖 、 圖 所示 ， 為發(fā)動機轉速為 min/3000r 時 漏氣面積 大小 對發(fā)動機性能的影響 程度 。 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 動力裝置尺寸變小，意味著微小型發(fā)動機的漏氣量所占的比例將較傳統(tǒng)發(fā)動機的漏氣量更大 ， 所以，漏氣損失因素也越必須予以考慮 。 但在壓縮后半程將通過壁面向缸外散熱， 使 壓縮終點時缸 內溫度低于理想工況，這需要 電熱塞提供更高的能量和 更長的點火時間， 這影響 了 燃燒效率 。 傳熱損失因素 微小型 隔離扇 柔性轉子發(fā)動機 的熱量損失主要歸因于其較大的面容比 ， 當其傳熱損失大于其熱量產(chǎn)生率時 ，燃燒過程 不再進行 。 根據(jù) 示功圖 計算可得 隔離扇 柔性轉子發(fā)動機 在 理想工況 、 min/3000r 轉速下的性能參數(shù)，如表 1 所示。 如圖 所示 ，為工質 質量一定 時 ，計算得到的發(fā)動機理想工況 下 不同轉速的性能特性。設計轉速下燃燒室內 氣體 壓力與溫度變化如圖 所示，由圖可知 其燃燒過程 最高溫度達到 K2735 ，排氣溫度為 K1700 ， 其 峰值壓力為 。 初始條件及模型驗證 利用 之前 建立的各部分模型 對 隔離扇 柔性轉子發(fā)動機工作過程 進行 數(shù)值模擬時，首先需要確定仿真過程初始條件 和 邊界條件，這關系著仿真結果 的準確性 。 指示功率 iP 是 指 發(fā)動機燃燒室 在 單位時間內所 做 的指示功， 計算 式為： 60nWP ii ? （ ） 18 其中， iW 為指示功 (J)， n 為發(fā)動機轉速 (r/min)。 壓縮與 做功過程 熱力學方程為： 17 ??????? ddmmpddVVpddQVddp ccw ????? 1 （ ） 燃燒 過程 缸內熱力學方程為： ???????? ddmmpddVVpddQddQVddp ccwc ????? )(1 （ ） 隔離扇 柔性轉子發(fā)動機 在 工作過程中排氣 和 進氣 不存在 重疊角度，由方程（ ）、（ ）、（ ） 可得到 排氣階段熱力學方程為： ??????? ddVVpddQVRTddmVddp wc ????? 12 （ ） 進氣 過程 熱力學方程為： ??????? ddVVpddQVddmmpddp wcc ???? 1 （ ） 其中， ? 為輸出軸 的 轉角， inm 為進入燃燒室的 工質 質量， inh 為進入燃燒室的 工質 的焓， cm 為燃燒室內 工質 質量， outm 為廢氣質量， outh 為廢氣的焓， cQ 為氣體 燃燒 放出的熱量， wQ 為工質與壁面的傳熱損失， p 、 V 、 T 分別為燃燒室的 壓力、容積、溫度。 圖 轉角曲線圖 圖 試差法與有限元法計算對比 轉子 隔離扇 組件轉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 ，以轉子 火力面?zhèn)?型線 2l 的 中點為定位標準點，各行程 所 對應的輸出軸轉角如圖 所示，燃燒室轉動一周即 可 完成一個工作循環(huán)。0 0 ??? （ ） 其中， M 為 隔離扇 自由端彎矩， p 為 隔離扇 自由端集中載荷， 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 懸置段實際長度， y 為 隔離扇 撓度。 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 燃燒室結構示意圖 14 本文提出的隔離扇柔性轉子發(fā)動機的轉子型線由圖中兩組 1l 和 2l 組成，其中1l 是以輸出軸中心為原點時，半徑 為 mm25 的型線， 2l 是以 ），（ 為圓心，半徑為 的型線。 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）轉子與端蓋 間 間隙為微米級， 故 火焰無法在間隙內傳播。 此外，為避免 轉子轉動過程中 燃燒室內壓力、漏氣量的不均衡性使 轉子輸出軸受到彎曲應力 和 橫向力引起轉子與端蓋 之 間的摩擦，在轉子上設置氣壓平衡孔， 來 減小外界阻力對轉子輸出軸轉動 造成 的影響。 此外 ，發(fā)動機燃燒室面容比 較大， 其機械應力也較大。轉子在輸出軸上 可繞軸轉動 ，以保證裝配 合理 。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 動阻力。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 無法就室內流動及燃燒過程的細節(jié)特征 來 進行描述。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。 11 第 2 章 隔離扇 柔性轉子發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬 隔離扇 柔性轉子發(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。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。 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 10 取 的 措施。對本課題的研究，可為微動力系統(tǒng)的 進步、 發(fā)展 提供 具有 競爭力的產(chǎn)品支撐。對 樣機 燃燒室內 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 工質 的穩(wěn)定燃燒 關乎 發(fā)動機 的功能 能否實現(xiàn)。 （ a）進氣 過程 （ b）壓縮 過程 （ c） 做功過程 （ d）排氣 過程 圖 簧片轉子發(fā)動機 工作 循環(huán) 示意圖 這里 以燃燒室 1 作為 研究對象。結構上 采用對置的雙燃燒室，轉子型線由兩對對稱的圓弧 構成 ， 以保證進排氣過程相互隔離 。 簧片 柔性轉子發(fā)動機工作原理 與 傳統(tǒng)四沖程內燃機相似， 也 包括進氣、壓縮、做功 、 排氣四個沖程， 也是 通過 工質 的壓縮、做功驅動轉子 和 與 之 固聯(lián)的定心輸出軸轉動， 將 燃料的化學能 轉換為 機械能。 盡管如此 ，微尺度下空間傳熱的不可測性等 充分 強調了建立詳細的數(shù)學模型的必要性 [25][39]。 但是，最 近的部分 試驗 [33][34]證明微小 通道中 進行 火焰?zhèn)鞑?可行 。 微尺度空間燃燒可行性 的 研究 盡管 微型動力機械 具備很多優(yōu)點 ，但 在 微尺度下 進行持續(xù) 燃燒 的 問題成為了主要問題。微小型動力裝置 中小尺度的燃燒室 有利于反應物擴散 、 混合，其較高的轉速將 使 駐留時間 縮短 ， 造 成燃料 沒有 充分 擴散 、 混合。 （ 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 下 影響流體流動 、 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 流體流動特征尺度 從 厘米向毫米 、 微米發(fā)展時，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 會變大 ， 數(shù)值 由 12m10 向 16m10 發(fā)展，這 會造 6 成 表面?zhèn)鳠?和 表面流動效應 均 加強 [16]， 進而 影響微尺度 的 燃燒特性。 Shah [10]定義 氣體 通道尺寸小于 mm6 時為小尺度，Kandlikar [11]則指出小尺度 的 界限 應 為 mm3 ， m?200 是 微尺度界限 ， Kew 和Cornwell [12]基于拉氏常數(shù)提出 了一個 Co 常數(shù)（ n u m b ert c o n fin em en ） 來 作為小尺度 的 界限。 對微 小 型發(fā)動機的研究， 可 帶動微尺度流動 和 燃燒等基礎課題的開展。 5 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 。樣機 通過 活塞 和 氣缸 之間 的配合 來 實現(xiàn)密封，無專門 的密封措施， 故 泄漏現(xiàn)象 仍舊 存在。 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。 圖 加州大學伯克利分校 微型三角轉子 發(fā)動機樣機 [7] 微型擺式發(fā)動機 密歇根大學采用 了 新型結構形式 對 微 型 擺 式 發(fā) 動 機（ 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]進行開發(fā)。其設計 、 加工了排量在 33 348~78 mmmm 之間 、整 機尺寸在 cm1 左右的 MEMS 級轉子發(fā)動機 樣機 。該樣機需借助外部空氣 進行 啟動，額定工況 下 每秒消耗空氣 （ 約 ），產(chǎn)生 的推力或 W17 的旋轉機械功。 實驗室的 研究人員利用MEMS 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mm21 ，厚 mm3 。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 ， 其依然需要轉化裝置來 對 液態(tài)碳氫化合物中的氫 進行 提取。 據(jù)調查， 碳氫化合物能量密度為 kgMJ /5040? ，而應用于 日常 便攜式電腦 和 手機產(chǎn)品的鋰離子電池 的 能量密度只有約 kgMJ / ? [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 。但目前微型動力系統(tǒng)的發(fā)展 僅是 剛剛起步， 因此 多個國家 及 研究機構 均正 聚焦于此研究方向。 geometric nonlinear。此基礎上， 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 。 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。 I 河 北 工 業(yè) 大 學 畢業(yè)設計說明書 (論文 ) 作 者： 李銀寶 學 號： 110316 學 院： 機械學院 系 (專業(yè) )： 車輛工程