【正文】 轉(zhuǎn)速為 min/12。 圖 不同漏氣面積下發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)速度特性 如圖 所示 ， 是 在不同 的 轉(zhuǎn)速下，同一漏氣面積 所 對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。 發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性 發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性是指發(fā)動(dòng)機(jī)在特定供油量 時(shí) ， 其 性能指標(biāo) 和 轉(zhuǎn)速間的關(guān)系。 隔離扇 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 具備 雙燃燒室，為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)， 基于 上節(jié) 計(jì)算 得到的平均機(jī)械損失壓力函數(shù)，并 耦合發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型， 可 由示功圖計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī) 氣缸 有效功 eW ， 其 有效功率 27 表達(dá)式為： 602 nWP ?? ? （ ） 式中 ， n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。綜合性能的 計(jì)算過(guò)程中 要 考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱、漏氣 和 機(jī)械損失， 其 進(jìn)氣量 可 由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量測(cè)試試驗(yàn) 測(cè)得 ，點(diǎn)火時(shí)刻 選在 ?90 ，燃燒持續(xù)時(shí)間 可 由燃燒過(guò)程 的 三維模型模擬得到。 對(duì)未加載 時(shí) 發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失， 由 倒拖試驗(yàn)結(jié)果擬合 隔離扇 彈性變形摩擦損失功率 和 轉(zhuǎn)速的函數(shù) 可以 得到， 隔離扇 彈性變形摩擦損失功率 的 擬合公式為： nPP infs 0 0 3 1 2 6 ??? （ ） 本文利用 上述 擬合得到的 隔離扇 彈性變形摩擦功率公式 和 燃燒壓力機(jī)械損失 和 發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型 來(lái) 耦合計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī) 的 綜合性能特性。 機(jī)械損失結(jié)果 依據(jù) 建立的零維燃燒模型， 在 考慮傳熱 和 漏氣損失 時(shí) ， 缸內(nèi) 壓力 引起 的摩擦損失功率如圖 所示。其中，燃燒室壓力 可 由發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn) 測(cè)得 ，隔離扇 與氣缸接觸面積 可 通過(guò)測(cè)量得到，燃燒室壓力、 隔離扇 氣缸接觸面積、隔離扇 位移為輸出軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)， 隔離扇 氣缸潤(rùn)滑狀況下摩擦系數(shù) 取 為 。 機(jī)械損失模型 從實(shí)際出發(fā)， 測(cè)定 由 燃?xì)鈮毫σ鸬哪Σ翐p失試驗(yàn)難度大， 故 本節(jié)僅對(duì) 隔離扇 彈性變形引起的摩擦損失 和 其他零件的機(jī)械損失進(jìn)行測(cè)試， 并于 此基礎(chǔ)上疊加其 燃燒壓力引起的摩擦損失 來(lái)對(duì) 發(fā)動(dòng)機(jī)的總體機(jī)械損失 進(jìn)行考慮 。 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失模型 25 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中， 隔離扇 轉(zhuǎn)子在 缸內(nèi) 燃?xì)鈮毫ψ饔孟罗D(zhuǎn)動(dòng)，氣缸型線(xiàn)的變化， 會(huì)引起 隔離扇 發(fā)生彈性變形， 它不僅 改變 了 燃燒室容積 ，而且還 保持了燃燒室 的 周 向密封，但這勢(shì)必引起 隔離扇 氣缸間存在的摩擦損失。 圖 燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì) 缸內(nèi) 溫度的影響 圖 燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì) 缸內(nèi) 壓力的影響 燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì) 發(fā)動(dòng)機(jī) 性能的 影響可為 缸內(nèi)工質(zhì)燃燒和 點(diǎn)火時(shí)刻之間的匹配提供 理論 依據(jù)。 燃燒持續(xù)時(shí)間因素 燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì) 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)性能 也 有 不小 的影響，燃燒持續(xù)時(shí)間決定 了 發(fā)動(dòng)機(jī)燃料能量釋放 的 快慢，較 短 的燃燒持續(xù)時(shí)間 對(duì)應(yīng) 較高的燃燒放熱速率， 這會(huì) 影響發(fā)動(dòng)機(jī) 的 燃燒溫度 和 功率輸出，對(duì) 于工質(zhì) 可以 通過(guò) 減 短 其燃燒持續(xù)時(shí)間， 來(lái) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。點(diǎn)火時(shí)刻的 提前 雖然可以 提高 工質(zhì) 的燃燒程度 和改善 發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，但 缸內(nèi) 溫度 和 壓力較上止點(diǎn) 處 增大， 隔離扇 承受的 各種 負(fù)荷增加， 缸內(nèi) 熱損失也 隨之 增加。 圖 還可以 說(shuō)明 ，當(dāng)點(diǎn)火角度 在 ?90 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī) 的 指示功率為 ，指示效率為 %28 ，本文采用的點(diǎn)火角度 在 ?90 ，所以設(shè)計(jì) 的 樣機(jī)在不考慮機(jī)械損失 的 情況下指示效率為 %28 。 但 當(dāng)點(diǎn)火 時(shí)刻 在 ?95 之后時(shí)，功率 和 指示效率則呈現(xiàn)顯著 的 下降趨勢(shì)。 圖 不同點(diǎn)火時(shí)刻示功圖 圖 不同點(diǎn)火時(shí)刻功率 隨點(diǎn)火時(shí)刻提前，燃燒開(kāi)始前和結(jié)束后的等容階段內(nèi)，由于傳熱的 影響 ， 缸內(nèi) 壓力較之前 的 時(shí)刻 變小 ， 這 使發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖 所 包圍的面積 隨之變小 。 雖然點(diǎn)火時(shí)刻提前使缸內(nèi)壓力與溫度峰值 變大 ，但發(fā)動(dòng)機(jī)功率的變化趨勢(shì) 與之 恰恰相反。 圖 不同點(diǎn)火時(shí)刻 缸內(nèi) 壓力曲線(xiàn) 圖 不同點(diǎn)火時(shí)刻 缸內(nèi) 溫度曲線(xiàn) 由圖可知， 點(diǎn)火時(shí)刻提前 時(shí) ， 缸內(nèi) 溫度曲線(xiàn) 與 壓力曲線(xiàn)左移， 各自 峰值隨點(diǎn)火時(shí)刻提前而增大，但增長(zhǎng)幅度不斷減小。 本節(jié) 在考慮傳熱 和 漏氣損失情況下， 對(duì) 不同點(diǎn)火時(shí)刻下性能特性進(jìn)行計(jì)算分析， 取其 漏氣面積為 mm 。 由圖可知， 漏氣時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的提高 而 減小，漏氣質(zhì)量也不斷減小， 這說(shuō)明 高轉(zhuǎn)速 對(duì)于 減小漏氣損失 有利 ， 可 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的指示效率。漏氣面積 變大時(shí) ，泄漏質(zhì)量 隨之變大 ，但增長(zhǎng)率隨漏氣面積的增 大 而減小。 圖 不同漏氣面積 時(shí) 缸內(nèi)壓力曲線(xiàn) 圖 指示效率與漏氣面積關(guān)系曲線(xiàn) 如圖 所示 ， 是 漏氣面積 不同時(shí)缸內(nèi) 剩余氣體質(zhì)量 和 輸出軸轉(zhuǎn)角 之間 的關(guān)系曲線(xiàn)。 壓縮初始 時(shí)缸內(nèi) 壓力低，漏氣面積 造成的 壓力損失較小，隨 后 ， 缸內(nèi) 壓力不斷上升，漏氣造成的壓力損 失不斷加大， 這 使得燃燒過(guò)程初始溫度 和 初始?jí)毫?均 22 隨著漏氣面積的 變大而 不斷減小 。 利用前述建立的 零維仿真模型， 可以 模擬得出不同漏氣面積 時(shí) 發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化 ， 這 為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 及 加工提供 了 依據(jù)。 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)特殊 ，轉(zhuǎn)子 、 隔離扇 端面 和 上、下端蓋 在 理想情況下應(yīng)順利 地 相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng) ， 并保證 實(shí)現(xiàn)緊密貼合。 由圖可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 min/3000r 時(shí) ， 傳熱 輸出 21 功率占理想輸出功率的 % ， 占缸內(nèi) 輸入總能量的 %36 。 同一 點(diǎn)火時(shí)刻 處 ，傳熱工況下 的 最高溫度與最高壓力分別 達(dá)到K2285 和 ， 較理想工況 分別 下降 了 K450 與 ，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率 有所降低 ，輸出功率 亦有 損失。 對(duì)比在 理想工況 和 傳熱工況下 缸內(nèi) 溫度與壓力曲線(xiàn) 發(fā)現(xiàn) ，壓縮 時(shí) 由于壁面的預(yù)熱作用，使得室內(nèi)溫度與壓力曲線(xiàn) 較 理 想工況曲線(xiàn)有所增大，這 使得 壓縮功 增大 ， 且 整機(jī)輸出功率下降 。 從這個(gè)角度來(lái)看 ，傳熱損失會(huì) 降低發(fā)動(dòng)機(jī) 的 輸出功率 和 有效效率。 本文 將從以下幾 個(gè)因素出發(fā) 分析 其 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能 的 影響。 表 1 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 在 min/3000r 、 理想工況 下 性能參數(shù) 額定轉(zhuǎn)速 min/3000r 充量系數(shù) 加入能量 理想指示功 理想功率 理想熱效率 % 燃燒室工作性能影響因素分析 在 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中 ， 其性能特性受到內(nèi)部因素 、 外部因素的 綜合 影響。燃燒 過(guò)程 持續(xù)時(shí)間 的變化 隨轉(zhuǎn)速增加越來(lái)越小，指示功 和 指示效率 的 增加幅度 也越來(lái)越小 ， 因此 ， 功率增長(zhǎng)幅度同時(shí)減小。 圖 理想工況 下 發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖 圖 發(fā)動(dòng)機(jī)理想工況 下 轉(zhuǎn)速性能特性 由圖可知，轉(zhuǎn)速增加，燃燒室功率 隨之 增大，原因在于轉(zhuǎn)速增加使燃燒放熱率增加， 并使 燃燒持續(xù)時(shí)間縮短 。 利用 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程 的 三維模擬得 到發(fā)動(dòng)機(jī) 在 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的燃燒持續(xù)時(shí)間 。在上止點(diǎn)前 輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)的 ?18 轉(zhuǎn)角內(nèi)，燃燒室保持定容， 所以 室內(nèi)壓力 和 溫度保持定值。 在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程 的 零維模型中， 假設(shè)其 過(guò)量空氣系數(shù)為 1，燃料為汽油，壓縮 初始 點(diǎn) 工質(zhì) 處于標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)， 其 點(diǎn)火時(shí)刻位于上止點(diǎn) 處 ， 且 排氣過(guò)程瞬間完成。燃燒持續(xù)時(shí)間 可以 通過(guò)燃燒過(guò)程 的 三維數(shù)值模擬得到，燃燒室壁面溫度 可 通過(guò)流固耦合傳熱計(jì)算 而 得到，同時(shí)不考慮進(jìn)氣量對(duì) 燃燒室性能的影響， 燃燒室 各轉(zhuǎn)速下充量系數(shù)皆取 min/3000r 時(shí) 所 測(cè)得的充量系數(shù) ， 其 工作過(guò)程初始 條件、邊界條件見(jiàn)表 。 綜上所述 ，考慮到 隔離扇 的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及發(fā)動(dòng)機(jī)效率，本文中所設(shè)計(jì) 的 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 選 為 min/3000r 。 指示熱效率 it? 是 指 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)功 與 其 消耗的燃料 所攜帶的 熱量的比值， 計(jì)算 式為： 1QWiit?? （ ） 其中， 1Q 為得到指示功 iW 所消耗的熱量 (J)。 指示功 iW 是 指 燃燒室完成一個(gè)工作循環(huán) 時(shí) 得到的有用功， 可 通過(guò) 計(jì)算 燃燒室示功圖中閉合曲線(xiàn) 所 包圍的面積求得，主要包括壓縮、 做功 行程得到的有用功。 由 能量守恒方程（ ）可知，系統(tǒng) 中 內(nèi)能 發(fā)生 變化 的原因?yàn)椋?進(jìn)入系統(tǒng)工質(zhì)攜帶的能量 、 離開(kāi)系統(tǒng)的工質(zhì)攜帶的能量、燃料燃燒釋放的熱量、傳熱損失和對(duì)外做功等。 將燃燒室 看作 封閉系統(tǒng)， 根據(jù) 熱力學(xué)第一定律 可知 ，燃燒室內(nèi)氣體滿(mǎn)足能量守恒 ， 則有 ： le akle akwoutoutinincc hddmddVpddQhddmhddmddQd umd ????????? ??????? )( （ ） 對(duì)于 進(jìn)入燃燒室的預(yù)混合可燃?xì)?，由質(zhì)量守恒定律 得 ： ???? ddmddmddmddm le akoutinc ??? （ ） 燃燒室內(nèi) 的工質(zhì) 滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程： RTmpV c? （ ） 其 關(guān)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的 微分方程為： ???? ddmRTddTRmddVpddpV cc ??? （ ） 由 上述基本方程 ， 取 氣體常數(shù) pVR c c??、 比熱比 /pVcc?? ， 同時(shí)考慮各階段的特性， 可 推導(dǎo)工作過(guò)程熱力學(xué)方程。 16 圖 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)行程相位圖 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型 假設(shè) 可燃混合氣 為 理想氣體， 且將 整個(gè)系統(tǒng)內(nèi) 工質(zhì) 的狀態(tài)參數(shù) 僅視為 時(shí)間的函數(shù)， 而 與空間位置無(wú)關(guān)，即任一 時(shí)刻 工質(zhì)的成分、壓力、溫度 都 是相同的。為了 驗(yàn)證試差法計(jì)算 的 可靠性，利用 隔離扇 的有限元模型計(jì)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(jié)果 作 對(duì)比，由圖 說(shuō) 明 ，試差法可以滿(mǎn)足計(jì)算 需要 的精度。 ()Wx為 隔離扇 自由端水平位移 l 的函數(shù)，采用試差法，通過(guò)編制 matlab 計(jì)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(jì)算 隔離扇 自由端水平位移 l ，以 隔離扇 自然狀態(tài)下的 初始 長(zhǎng)度為擬合量，計(jì)算得出 隔離扇 的撓度曲線(xiàn)，在此基礎(chǔ)上積分得到 其 燃燒室容積。；；543交點(diǎn)橫坐標(biāo)公切線(xiàn)與氣缸上側(cè)型線(xiàn)交點(diǎn)橫坐標(biāo)公切線(xiàn)與氣缸左側(cè)型線(xiàn)軸交點(diǎn)坐標(biāo)氣缸左側(cè)型線(xiàn)與橫坐標(biāo)xxx 15 ??? dWWxy x 20 )]([1 )()( ??? （ ） 這里 ： ])()[(2)( 22 lLxLEIpxW ???? （ ） 而且 隔離扇 長(zhǎng)度滿(mǎn)足弧長(zhǎng)積分方程， dxyL L ])(1[ 2139。 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(xiàn)性特性， 它 滿(mǎn)足歐拉 伯努利 方程： EIMyy ??? 23239。 它們滿(mǎn)足如下方程 ： ???????????????????0250)10(52225443222xxyxxxxcbyaxxxxyx （ ） 這里： 氣缸 進(jìn)氣口位于型線(xiàn) 3l 上，并與型線(xiàn) 3l 和 公切線(xiàn) 5l 的交點(diǎn) 緊鄰 ，這樣可以防止 壓縮過(guò)程中 可燃混合氣進(jìn)入 其它 空間。它們滿(mǎn)足如下方程 ： ??? ???? ????? 025 )(222221222 xxyx xxxyx （ ） 這里： 。為滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比并減小轉(zhuǎn)動(dòng)阻力， 本文 氣缸型線(xiàn) 和轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線(xiàn)設(shè)計(jì)如下 （ 圖 為燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖 ） 。 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 的 性能特性與燃燒空間的壓縮比 有密切關(guān)系 。 所以， 軸向密封將是 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子 發(fā)動(dòng)機(jī)需要解決的關(guān)鍵 問(wèn)題， 從結(jié)構(gòu)不難看出，燃?xì)?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。 13 燃燒室 密封設(shè)計(jì) 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 和 其他微小型內(nèi)燃式動(dòng)力裝置一樣，面臨 工作過(guò)程中的 密封問(wèn)題。 考慮到 轉(zhuǎn)子承受較高的機(jī)械負(fù)荷 和 較高的溫度， 轉(zhuǎn)子 材料應(yīng)具有良好的機(jī)械性能 、 耐磨性和耐腐蝕性 和導(dǎo)熱性 、較小的熱膨脹系數(shù)和比重等特點(diǎn)。轉(zhuǎn)子火力面 會(huì) 經(jīng)歷完整的循環(huán)熱力過(guò)程， 其 熱應(yīng)力較高。 發(fā)動(dòng)機(jī)工作 時(shí) ，轉(zhuǎn)子 會(huì) 受到高壓 、 高溫燃?xì)獾淖饔茫惺?著氣體壓力、熱負(fù)荷、慣性力等。轉(zhuǎn)子與氣缸間存在間隙 ， 該間隙精度為微米級(jí) ，既可保證轉(zhuǎn)子的順利轉(zhuǎn)動(dòng)， 又可 減小端面泄漏量。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 。 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配圖如圖 所示。 發(fā)動(dòng)機(jī) 主要 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 整機(jī) 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)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(guò)一對(duì)角接觸球軸承支撐 于 前、后端蓋上