【正文】 隔離扇轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的 原理表達式為：Hamilton（）????21 1212 0trfsfbfbfbfTUdtWW??? ????? ???? ??其中 ， ， ， 分別為第一燃燒室隔離扇前后兩面的應(yīng)變能及第1fUb2f二燃燒室隔離扇前后兩面的應(yīng)變能。E隔離扇單元的應(yīng)變能為：（）2 2211iTixyxyxyiUdVEdV?????????????????隔離扇單元的應(yīng)變能變分為：（）??iTiLiNUpKp??其中， 為單元剛度矩陣線性部分， 為單元剛度矩陣非線性部分，其iLKi表達式見文獻[43] 。32 圖 做定軸轉(zhuǎn)動的隔離扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及隔離扇變形位移示意圖OXYZ 是固結(jié)在地面上的慣性坐標系，用來量化隔離扇的剛體運動，O 1xyz為固結(jié)在隔離扇上的浮動坐標系。本章針對隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機中隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動力學特性，在轉(zhuǎn)子大范圍轉(zhuǎn)動的條件下，建立隔離扇轉(zhuǎn)子剛?cè)狁詈戏蔷€性動力學理論模型，計算分析隔離扇轉(zhuǎn)子倒拖工況和在點火工況下的動力學和運動學特性。（5）利用試驗測得的發(fā)動機隔離扇彈性變形摩擦損失功率以及進氣流量結(jié)果，結(jié)合建立的燃燒壓力引起的摩擦損失模型，在熱力學基礎(chǔ)上，最終計算得到了發(fā)動機的速度特性和在點工況下的負荷特性等性能指標，結(jié)果表明，在設(shè)計轉(zhuǎn)速 、充量系數(shù)為 時，發(fā)動機整機的最大輸出功率達到了30r/，有效效率為 。與傳統(tǒng)往復式內(nèi)燃機相比，隔離扇轉(zhuǎn)子發(fā)動機傳熱、漏氣損失在功率損失中占較大比例，在這里成為影響發(fā)動機性能的重要因素。且當節(jié)氣門全開時，發(fā)動機有效效率減小至 ，輸出功率達到 。本節(jié)主要對發(fā)動機在 和 下的點工況工作時240r/min30r/in的負荷特性進行了考察。在設(shè)計轉(zhuǎn)速為 的工況下，漏氣面積為in/3r時，發(fā)動機的輸出功率為 ，與理想工況下的 相比，功率損20. 失為 ，漏氣面積為 時，輸出功率為 ，功率損失達到 。發(fā)動機速度特性通常可在發(fā)動機臺架試驗中獲得，保持油門或節(jié)氣門位置不變，改變發(fā)動機的負荷來改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定工況時將不同轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的功率值相連接即可得到速度特性曲線。 發(fā)動機輸出性能評價指標在前述建立的發(fā)動機熱力學模型的基礎(chǔ)上，考慮發(fā)動機的傳熱、漏氣，并扣除運轉(zhuǎn)過程中的摩擦等機械損失，可得到發(fā)動機的有效功率 。圖 缸內(nèi)壓力引起的摩擦損失功率由圖可知，燃燒壓力引起的隔離扇轉(zhuǎn)子摩擦損失功率隨轉(zhuǎn)速提高而增大，且增大幅度呈增加趨勢，這主要歸因為轉(zhuǎn)速提高使燃燒傳熱和漏氣損失減小，缸內(nèi)壓力增大，導致摩擦損失增加。（）infpfsmP??（）??ldSAcfp?1525式中， 為機械損失功率， 為倒拖工況下隔離扇彈性變形引起的摩擦功mPfsP率損失， 為燃燒壓力引起的摩擦功率損失， 為其他機構(gòu)摩擦功率損失，fp in為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速， 為摩擦系數(shù)， 為缸內(nèi)燃燒壓力， 為隔離扇與氣缸接n?CpAS觸面積， 為隔離扇位移， 為輸出軸轉(zhuǎn)角。當點火時刻在 位置時，燃燒持續(xù)時間—發(fā)動機功率曲線比?90其他點火時刻的變化更為平緩，其在較寬燃燒持續(xù)時間內(nèi)的功率輸出值高于其他的點火時刻，故把點火時刻設(shè)于上止點處。綜合考慮發(fā)動機的性能和可靠性，其點火時刻應(yīng)選在上止點處，這為后面發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了基礎(chǔ)。由此可以發(fā)現(xiàn)，點火時刻提前或者延后將使輸出功率大幅度下降?？紤]傳熱與漏氣時，不同點火時刻發(fā)動機示功圖如圖 所示。分別求取 等不同點火時刻時隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機缸內(nèi)???19580、燃燒溫度和壓力曲線，如圖 與圖 所示。22 圖 額定轉(zhuǎn)速時缸內(nèi)剩余質(zhì)量變化曲線 圖 漏氣質(zhì)量分數(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。忽略燃燒的持續(xù)時間，隨漏氣面積增大，燃燒過程最高壓力下降， 時發(fā)動機指示效率由 降至 ，發(fā)min/30r %動機轉(zhuǎn)速降低時，因為漏氣時間增加、功率損失增大，使得其指示效率下降幅度也增大。然而實際加工存在加工誤差，必然存在一定的漏氣面積，轉(zhuǎn)子與端蓋等處間隙的密封可通過潤滑油來實現(xiàn)，而隔離扇厚度小，不易密封，因此成為漏氣的主要來源。如圖 所示，是傳熱狀態(tài)下，燃燒室輸出功率與熱效率隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。如圖 與圖 所示，為傳熱工況下缸內(nèi)壓力與溫度曲線。其中，內(nèi)部因素主要包括發(fā)動機工作過程中的傳熱損失、由加工誤差引起的漏氣損失、燃燒室結(jié)構(gòu)影響氣體流動導致的燃燒持續(xù)時間的微小變化等；外部因素主要有發(fā)動機轉(zhuǎn)速、點火時刻以及過量空氣系數(shù)等。燃燒過程中壓力曲線的重心向容積擴大段移動，燃燒室做功能力增強，其指示功和指示效率增加。圖 理想工況下缸內(nèi)溫度與壓力曲線圖圖 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 時理想工況下的發(fā)動機示功圖。18表 發(fā)動機工作過程數(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 氣 壓 力進 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 火 時 刻工 質(zhì) 低 熱 值 ?msMPaK?kgJ/ 理想工況性能模擬理想工況下，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)動機的狀態(tài)參量即可預測其指示性能指標。1QiW隔離扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)中引入了隔離扇，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，隔離扇承受著高溫、高壓及交變載荷的綜合作用，所受負荷較高，由發(fā)動機進氣流量測試的實驗結(jié)果可以看出，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動機燃燒室中的進氣量減少得越來越多。17 燃燒室工作性能數(shù)值模擬 工作性能評價指標及設(shè)計轉(zhuǎn)速發(fā)動機的工作性能指標主要包括動力性指標、經(jīng)濟性指標、運轉(zhuǎn)性能指標和耐久性指標，由于目前隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機處于原理探索階段，燃燒室的動力性和經(jīng)濟性是主要的考慮內(nèi)容，因此，本文僅就指示功、指示功率和指示熱效率等指標進行計算分析。在這些假設(shè)的基礎(chǔ)上，缸內(nèi)可燃混合氣滿足熱力學第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，由此可以建立隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃燒室熱力學過程的數(shù)學模型。 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。圖 燃燒室結(jié)構(gòu)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。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。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(yīng)力和橫向力引起轉(zhuǎn)子與端蓋之間的摩擦，在轉(zhuǎn)子上設(shè)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。此外，發(fā)動機燃燒室面容比較大，其機械應(yīng)力也較大。轉(zhuǎn)子在輸出軸上可繞軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)流動及燃11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。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(chǔ)。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(shè)計初衷，確定出其結(jié)構(gòu)形式和尺寸，明確各子系統(tǒng)的形式，闡明針對其關(guān)鍵問題所采取的措施。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。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(guān)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 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。結(jié)構(gòu)上采用對置的雙燃燒室，轉(zhuǎn)子型線由兩對對稱的圓弧構(gòu)成，以保證進排氣7過程相互隔離?；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。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]。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?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(yīng)物擴散、混合，其較高的轉(zhuǎn)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 向 發(fā)展，這12m016會造成表面?zhèn)鳠岷捅砻媪鲃有?yīng)均加強 [16]，進而影響微尺度的燃燒特性。 [10]定義氣體通道尺寸小于 時為小尺度，Sham6[11]則指出小尺度的界限應(yīng)為 ， 是微尺度界限， 和Kandlikr 3?20Kew[12]基于拉氏常數(shù)提出了一個 常數(shù)（ ）來作為小CoweConubrt cfie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(chǔ)課題的開展。 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(jié)構(gòu)的充分密封。min/0r圖 加州大學伯克利分校 發(fā)動機樣機 [7]微 型 三 角 轉(zhuǎn) 子 微型擺式發(fā)動機密歇根大學采用了新型結(jié)構(gòu)形式對微型擺式發(fā)動機（） [8]進行開發(fā)。其設(shè)計、加工了排量在 之間、整機尺寸在 左右的 級轉(zhuǎn)子發(fā)動機樣3348~7mcm1MES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 ），.生 的推力或 的旋轉(zhuǎn)機械功。實驗室的研究人員利用加工技術(shù)，在硅片上制作出了微型燃氣輪機的樣機，其外形尺寸：邊長MES，厚 。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)碳氫化合物中的氫進行提取。據(jù)調(diào)查，碳氫化合物能量密度為 ，而應(yīng)用于日常便攜式電腦和手機產(chǎn)品的鋰離子電池kgMJ/504?的能量密度只有約 [4]，即便考慮到化學能轉(zhuǎn)化為熱能時的部分能/量損失，例如供能效率為 6%時，同質(zhì)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(gòu)均正聚焦于此研究方向。 geometric nonlinear。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。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(shè)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 題 目： 微型轉(zhuǎn)子發(fā)動機結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與分析 指導者： 石維佳 教授 評閱者： 年 月 日II微型轉(zhuǎn)子發(fā)動機結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與分析摘要微小型機電系統(tǒng)概念的提出為微型動力系統(tǒng)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，體積微小、儲能較高、功率輸出范圍寬且性能穩(wěn)定的特點，使微小型動力機械具有良好的發(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。結(jié)果表明，燃燒室排量為 ，考慮全部損失時發(fā)動機整機的最大輸出功率為 ，有效效率為%28 W69。3．針對發(fā)動機工作過程中隔離扇轉(zhuǎn)子剛?cè)狁詈咸匦砸约案綦x扇的幾何非線性彈性變形，為考察隔離扇的動態(tài)結(jié)構(gòu)強度和發(fā)動機動力學特性，建立了大范圍轉(zhuǎn)動的隔離