【正文】 隔離扇轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的 原理表達(dá)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?jiǎng)偠染仃嚲€性部分， 為單元?jiǎng)偠染仃嚪蔷€性部分，其iLKi表達(dá)式見文獻(xiàn)[43] 。32 圖 做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(biāo)系，用來(lái)量化隔離扇的剛體運(yùn)動(dòng)，O 1xyz為固結(jié)在隔離扇上的浮動(dòng)坐標(biāo)系。本章針對(duì)隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動(dòng)力學(xué)特性，在轉(zhuǎn)子大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，建立隔離扇轉(zhuǎn)子剛?cè)狁詈戏蔷€性動(dòng)力學(xué)理論模型，計(jì)算分析隔離扇轉(zhuǎn)子倒拖工況和在點(diǎn)火工況下的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。（5）利用試驗(yàn)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)隔離扇彈性變形摩擦損失功率以及進(jìn)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(xué)基礎(chǔ)上，最終計(jì)算得到了發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性和在點(diǎn)工況下的負(fù)荷特性等性能指標(biāo)，結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 、充量系數(shù)為 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的最大輸出功率達(dá)到了30r/，有效效率為 。與傳統(tǒng)往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)相比，隔離扇轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)性能的重要因素。且當(dāng)節(jié)氣門全開時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率減小至 ，輸出功率達(dá)到 。本節(jié)主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在 和 下的點(diǎn)工況工作時(shí)240r/min30r/in的負(fù)荷特性進(jìn)行了考察。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 的工況下，漏氣面積為in/3r時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，輸出功率為 ，功率損失達(dá)到 。發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性通常可在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中獲得，保持油門或節(jié)氣門位置不變，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定工況時(shí)將不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的功率值相連接即可得到速度特性曲線。 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能評(píng)價(jià)指標(biāo)在前述建立的發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱、漏氣，并扣除運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的摩擦等機(jī)械損失，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)，這主要?dú)w因?yàn)檗D(zhuǎn)速提高使燃燒傳熱和漏氣損失減小，缸內(nèi)壓力增大，導(dǎo)致摩擦損失增加。（）infpfsmP??（）??ldSAcfp?1525式中， 為機(jī)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(jī)構(gòu)摩擦功率損失，fp in為發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻在 位置時(shí)，燃燒持續(xù)時(shí)間—發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線比?90其他點(diǎn)火時(shí)刻的變化更為平緩，其在較寬燃燒持續(xù)時(shí)間內(nèi)的功率輸出值高于其他的點(diǎn)火時(shí)刻，故把點(diǎn)火時(shí)刻設(shè)于上止點(diǎn)處。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性，其點(diǎn)火時(shí)刻應(yīng)選在上止點(diǎn)處，這為后面發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。由此可以發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火時(shí)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(shí)，不同點(diǎn)火時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖如圖 所示。分別求取 等不同點(diǎn)火時(shí)刻時(shí)隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(guò)漏氣間隙的氣體流量在漏氣面積大小變化時(shí)通過(guò)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(shí)間，隨漏氣面積增大，燃燒過(guò)程最高壓力下降， 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)指示效率由 降至 ，發(fā)min/30r %動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，因?yàn)槁鈺r(shí)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(shí)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(guò)潤(rùn)滑油來(lái)實(shí)現(xiàn)，而隔離扇厚度小，不易密封，因此成為漏氣的主要來(lái)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(dòng)機(jī)工作過(guò)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(dòng)導(dǎo)致的燃燒持續(xù)時(shí)間的微小變化等；外部因素主要有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火時(shí)刻以及過(guò)量空氣系數(shù)等。燃燒過(guò)程中壓力曲線的重心向容積擴(kuò)大段移動(dòng)，燃燒室做功能力增強(qiáng)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 時(shí)理想工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖。18表 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)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(guò) 程 持 續(xù) 時(shí) 間進(jìn) 氣 壓 力進(jìn) 氣 溫 度過(guò) 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(shí) 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(duì)燃燒室性能的影響，并且假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮和做功行程中處于絕熱狀態(tài)，這樣，通過(guò)計(jì)算理想工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)參量即可預(yù)測(cè)其指示性能指標(biāo)。1QiW隔離扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中引入了隔離扇，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(fù)荷較高，由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的進(jìn)氣量減少得越來(lái)越多。17 燃燒室工作性能數(shù)值模擬 工作性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能指標(biāo)主要包括動(dòng)力性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、運(yùn)轉(zhuǎn)性能指標(biāo)和耐久性指標(biāo)，由于目前隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)處于原理探索階段，燃燒室的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)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(biāo)進(jìn)行計(jì)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(xué)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(dòng)機(jī)燃燒室熱力學(xué)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。 由上述計(jì)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(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性，將其擺動(dòng)視作靜力學(xué)行為，選取隔離扇固定端為坐標(biāo)原點(diǎn)，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(dòng)機(jī)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(diǎn)時(shí)，半徑為 的型線， 是以 為圓心，半1l m252l），（ 0.徑為 的型線。針對(duì)微小型發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的密封問(wèn)題，本文主要通過(guò)以下措施實(shí)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(rùn)滑油以形成油膜，在潤(rùn)滑的同時(shí)亦可保證轉(zhuǎn)子與端蓋間密封；（3）對(duì)于隔離扇與前、后端蓋間的密封，可在燃料中添加適當(dāng)比例的蓖麻油作潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油可在燃燒室中前、后端蓋處形成油膜來(lái)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑與密封；（4）發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)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(jí)，故火焰無(wú)法在間隙內(nèi)傳播。此外，為避免轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)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(lái)減小外界阻力對(duì)轉(zhuǎn)子輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)造成的影響。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室面容比較大，其機(jī)械應(yīng)力也較大。轉(zhuǎn)子在輸出軸上可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)阻力。雖然準(zhǔn)維模型可以對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程進(jìn)行模擬，其預(yù)測(cè)精度較零維模型有所提高，但基本原理相同，依舊無(wú)法就室內(nèi)流動(dòng)及燃11燒過(guò)程的細(xì)節(jié)特征來(lái)進(jìn)行描述。目前廣泛采用的燃燒模型主要有：零維模型、準(zhǔn)維模型和多維模型。10第 2章 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬目的在于建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的熱力學(xué)模型，進(jìn)一步了解發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程和性能特性，同時(shí)研究分析發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響因素及規(guī)律，為其性能預(yù)測(cè)及方案改進(jìn)奠定理論基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬來(lái)計(jì)算分析燃燒室氣流流動(dòng)和燃燒性能。由發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)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(duì)其關(guān)鍵問(wèn)題所采取的措施。對(duì)本課題的研究，可為微動(dòng)力9系統(tǒng)的進(jìn)步、發(fā)展提供具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品支撐。對(duì)樣機(jī)燃燒室內(nèi)的氣體流動(dòng)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(dòng)機(jī)的功能能否實(shí)現(xiàn)。 （a ）進(jìn)氣過(guò)程 （b）壓縮過(guò)程 （c ）做功過(guò)程 （d）排氣過(guò)程圖 工作循環(huán)示意圖簧 片 轉(zhuǎn) 子 發(fā) 動(dòng) 機(jī)這里以燃燒室 1 作為研究對(duì)象。結(jié)構(gòu)上采用對(duì)置的雙燃燒室，轉(zhuǎn)子型線由兩對(duì)對(duì)稱的圓弧構(gòu)成，以保證進(jìn)排氣7過(guò)程相互隔離?；善嵝赞D(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理與傳統(tǒng)四沖程內(nèi)燃機(jī)相似，也包括進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)沖程，也是通過(guò)工質(zhì)的壓縮、做功驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子和與之固聯(lián)的定心輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。盡管如此，微尺度下空間傳熱的不可測(cè)性等充分強(qiáng)調(diào)了建立詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型的必要性 [25][39]。但是，最近的部分試驗(yàn) [33][34]證明微小通道中進(jìn)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(dòng)力機(jī)械具備很多優(yōu)點(diǎn)，但在微尺度下進(jìn)行持續(xù)燃燒的問(wèn)題成為了主要問(wèn)題。微小型動(dòng)力裝置中小尺度的燃燒室有利于反應(yīng)物擴(kuò)散、混合，其較高的轉(zhuǎn)速將使駐留時(shí)間縮短，造成燃料沒有充分?jǐn)U散、混合。（4）流體流動(dòng)狀態(tài)的變化流體流動(dòng)時(shí)用來(lái)描述流動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)是雷諾數(shù) Re。微尺度下影響流體流動(dòng)、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(dòng)特征尺度從厘米向毫米、微米發(fā)展時(shí)，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(huì)變大，數(shù)值由 向 發(fā)展，這12m016會(huì)造成表面?zhèn)鳠岷捅砻媪鲃?dòng)效應(yīng)均加強(qiáng) [16]，進(jìn)而影響微尺度的燃燒特性。 [10]定義氣體通道尺寸小于 時(shí)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(gè) 常數(shù)（ ）來(lái)作為小CoweConubrt cfie尺度的界限。對(duì)微小型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，可帶動(dòng)微尺度流動(dòng)和燃燒等基礎(chǔ)課題的開展。 微型發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)微細(xì)加工的研究和微尺度燃燒的進(jìn)步為微小型發(fā)動(dòng)機(jī)研究的發(fā)展提供了有利支持。樣機(jī)通過(guò)活塞和氣缸之間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，無(wú)專門的密封措施，故泄漏現(xiàn)象仍舊存在。該樣機(jī)中未采用任何主動(dòng)密封裝置，而是完全依靠微米級(jí)加工精度來(lái)保證結(jié)構(gòu)的充分密封。min/0r圖 加州大學(xué)伯克利分校 發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī) [7]微 型 三 角 轉(zhuǎn) 子 微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī)密歇根大學(xué)采用了新型結(jié)構(gòu)形式對(duì)微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī)（） [8]進(jìn)行開發(fā)。其設(shè)計(jì)、加工了排量在 之間、整機(jī)尺寸在 左右的 級(jí)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)樣3348~7mcm1MES機(jī)。該樣機(jī)需借助外部空氣進(jìn)行啟動(dòng)，額定工況下每秒消耗空氣 （約 ），.生 的推力或 的旋轉(zhuǎn)機(jī)械功。實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用加工技術(shù)，在硅片上制作出了微型燃?xì)廨啓C(jī)的樣機(jī)，其外形尺寸：邊長(zhǎng)MES，厚 。另外，對(duì)具備較高能量密度的燃料電池來(lái)說(shuō)，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(lái)對(duì)液態(tài)碳?xì)浠衔镏械臍溥M(jìn)行提取。據(jù)調(diào)查，碳?xì)浠衔锬芰棵芏葹?，而應(yīng)用于日常便攜式電腦和手機(jī)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(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能時(shí)的部分能/量損失，例如供能效率為 6%時(shí)，同質(zhì)量下的碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生的能量是電池輸出能量的 5 倍。但目前微型動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展僅是剛剛起步，因此多個(gè)國(guó)家及研究機(jī)構(gòu)均正聚焦于此研究方向。 geometric nonlinear。此基礎(chǔ)上，又展開了對(duì)燃燒室尺寸和工作條件對(duì)其性能影響規(guī)律的研究。以上述模型計(jì)算燃燒室的性能指標(biāo)，討論了對(duì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(論文) 作 者： 李銀寶 學(xué) 號(hào)： 110316 學(xué) 院： 機(jī)械學(xué)院 系( 專業(yè) )： 車輛工程 題 目： 微型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與分析 指導(dǎo)者： 石維佳 教授 評(píng)閱者： 年 月 日II微型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與分析摘要微小型機(jī)電系統(tǒng)概念的提出為微型動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，體積微小、儲(chǔ)能較高、功率輸出范圍寬且性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，使微小型動(dòng)力機(jī)械具有良好的發(fā)展前景及應(yīng)用市場(chǎng)，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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的最大輸出功率為 ，有效效率為%28 W69。3．針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性，建立了大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)的隔離