【正文】 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 時(shí)所測(cè)得的充量系數(shù) ，其工作過(guò)程初min/30r 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 。iW指示熱效率 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，it?計(jì)算式為：（）1Qiit??其中， 為得到指示功 所消耗的熱量(J)。指示功 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iW室示功圖中閉合曲線所包圍的面積求得，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)椋哼M(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)氣體滿足能量守恒，則有：（）leaklwouttincc hdmVpdQhmdQdum ??????? ????)(16對(duì)于進(jìn)入燃燒室的預(yù)混合可燃?xì)猓少|(zhì)量守恒定律得：（）??dmdmleakoutinc??燃燒室內(nèi)的工質(zhì)滿足理想氣體狀態(tài)方程：（）RTpVc其關(guān)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的微分方程為：（）??dmdcc???由上述基本方程，取氣體常數(shù) 、比熱比 ，同時(shí)考慮各pVR?/pVc??階段的特性，可推導(dǎo)工作過(guò)程熱力學(xué)方程。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，試差法可以滿足計(jì)算需要的精度。y為隔離扇自由端水平位移 的函數(shù)，采用試差法，通過(guò)編制 計(jì)()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(jì)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(zhǎng)度為擬合量，計(jì)算得出隔離扇的撓度曲l線，在此基礎(chǔ)上積分得到其燃燒室容積。])(1[求解得到：（）?dWx20)]([1)(???這里：（）])()[(2)( 22lLxEIpx而且隔離扇長(zhǎng)度滿足弧長(zhǎng)積分方程，（）dxyL])(1[239。 燃燒空間容積計(jì)算隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中隔離扇的擺動(dòng)特點(diǎn)決定了工作過(guò)程中其燃燒室容積的變化規(guī)律，對(duì)隔離扇的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)計(jì)算是容積計(jì)算的重要環(huán)節(jié)。它們滿足如下方程：（）???????0256.).( 22 212xyx這里： ℃1221 交 點(diǎn) 橫 坐 標(biāo)與 非 火 力 側(cè) 型 線轉(zhuǎn) 子 火 力 側(cè) 型 線 標(biāo) 軸 交 點(diǎn) 坐 標(biāo)轉(zhuǎn) 子 火 力 側(cè) 型 線 與 橫 坐 llx?氣缸的型線關(guān)于兩坐標(biāo)軸均對(duì)稱(chēng)，以第二象限為例，由以原點(diǎn)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。為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比并減小轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，本文氣缸型線和轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線設(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)庑孤┲饕l(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。 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?？紤]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?，承受著氣體壓力、熱負(fù)荷、慣性力等。轉(zhuǎn)子與氣缸間存12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) 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，前、后端蓋與氣缸之間通過(guò)螺栓連接，以此形成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。多維模擬可以通過(guò)流動(dòng)過(guò)程基本微分方程和湍流流動(dòng)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而求解得到燃燒過(guò)程中流體的速度、溫度和組分等時(shí)空特性?？紤]了工質(zhì)隨燃燒室空間和形狀的變化。零維模型是指熱力學(xué)模型，其將發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸視作參量均勻場(chǎng)，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?jǐn)?shù)等宏觀參量視為時(shí)間的函數(shù)，采用熱力學(xué)第一定律對(duì)缸內(nèi)工作過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為人們開(kāi)展基于發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)過(guò)程以及燃燒過(guò)程的實(shí)際工作過(guò)程的數(shù)值模擬準(zhǔn)備了有利條件。本章圍繞隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)基本設(shè)計(jì)方案，建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)簡(jiǎn)化模型，研究燃燒室及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能特性，并從傳熱、漏氣、點(diǎn)火時(shí)刻和燃燒持續(xù)時(shí)間等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響顯著的因素入手進(jìn)行研究分析。建立隔離扇轉(zhuǎn)子大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的理論模型，通過(guò)有限元分析和多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算校核隔離扇靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，分析隔離扇尺寸對(duì)其影響規(guī)律。此基礎(chǔ)上，再展開(kāi)對(duì)燃燒室尺寸和工況對(duì)其性能影響規(guī)律的研究。（4）燃燒室流動(dòng)和燃燒過(guò)程的三維數(shù)值模擬。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的數(shù)值模擬。（2）隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。 研究?jī)?nèi)容本文以隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特性和隔離扇轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面為主線，從以下幾個(gè)方面對(duì)隔離扇轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性進(jìn)行了研究。微小型動(dòng)力機(jī)械具有十分廣闊的發(fā)展前景。此外，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)隔離扇的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行深入研究，將對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性提供理論支持。 研究目的及研究?jī)?nèi)容 研究目的及意義微小型隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為本文提出的新型樣機(jī)，其性能特性是需要首先進(jìn)行研究的內(nèi)容。在進(jìn)氣階段，簧片釋放出其儲(chǔ)存的能量，8同時(shí)燃燒室 2 內(nèi)氣體做功，一齊驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)新鮮充量在燃燒室 1 負(fù)壓作用下通過(guò)化油器進(jìn)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(shí)，飛輪的慣性力轉(zhuǎn)化為簧片的彈性勢(shì)能；上止點(diǎn)處，電熱塞點(diǎn)燃可燃混合氣，氣體膨脹做功的同時(shí)簧片釋放能量驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，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。圖 結(jié)構(gòu)示意圖簧 片 柔 性 轉(zhuǎn) 子 發(fā) 動(dòng) 機(jī)簧片柔性轉(zhuǎn)子一個(gè)完整工作循環(huán)的各環(huán)節(jié)如圖 所示?；善嵝赞D(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)采用電熱塞點(diǎn)火，進(jìn)氣方式為化油器式自然吸氣，這樣可以簡(jiǎn)化對(duì)點(diǎn)火、進(jìn)氣的控制過(guò)程。本文中設(shè)計(jì)的隔離扇型樣機(jī)就是對(duì)簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的具體改進(jìn)方案?；善嵝赞D(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)由前、后端蓋、簧片、轉(zhuǎn)子、輸出軸、缸體、飛輪等構(gòu)成。在燃燒室中引入簧片，以其柔性可使工作過(guò)程變得柔和、各部件所受到的沖擊減小，而且這種結(jié)構(gòu)仍可保證各部分有足夠的強(qiáng)度，這就提高了產(chǎn)品的可靠性。一些學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)及理論在非絕熱燃燒過(guò)程中會(huì)觀察到振蕩現(xiàn)象的發(fā)生 [40][41]。了微尺度下持續(xù)燃燒的可行性 [38]。試驗(yàn)證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。文獻(xiàn) 分別利用試[32]℃1[0]29[8]7℃[26]驗(yàn)和理論詳細(xì)分析了淬熄現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，共同指出淬熄發(fā)生的主要原因是熱淬熄以及自由基淬熄。根據(jù)連續(xù)介質(zhì)理論可以預(yù)測(cè)：放熱反應(yīng)的傳播過(guò)程中存在一個(gè)臨界尺寸（微米量級(jí)） [23][24]，研究員 通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出亞毫米尺度下的火焰無(wú)Davy法傳播。有研究表明，微尺度火焰?zhèn)鞑ゲ粌H僅受到擴(kuò)散作用的影響，而且還受擴(kuò)散和化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素6共同的影響。（6）微尺度下燃燒減小燃燒室容積會(huì)使面容比明顯變大，壁面處自由基的破壞和熱損失對(duì)燃燒過(guò)程的進(jìn)行不利，甚至?xí)K止化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生淬熄。為保證混合氣充分混合，駐留時(shí)間應(yīng)較擴(kuò)散時(shí)間更大。當(dāng) Re103 時(shí)，流體處于層流狀態(tài)，在微尺度下，雷諾數(shù)滿足該條件，故可將此時(shí)的流體流動(dòng)視為層流，流體粘性力和壁面作用力對(duì)流體的流動(dòng)起主導(dǎo)作用 [21][22]。（3）邊界層流動(dòng)特性的變化宏觀流體流動(dòng)時(shí)，邊界層相對(duì)特征尺度小，其對(duì)流體流動(dòng)特性的影響非常有限，隨特征尺度變?yōu)槲⒚琢考?jí)時(shí)，邊界層因素變得越來(lái)越重要，所以邊界層中流體的流動(dòng)狀態(tài)將對(duì)流動(dòng)空間中流體的流動(dòng)特性產(chǎn)生極大影響 [19][20]。（2）梯度參數(shù)的變化當(dāng)流體流動(dòng)的特征尺度微小到微米量級(jí)時(shí)，流體空間軸線與壁面之間的流體特征參數(shù)梯度效應(yīng)會(huì)顯著增強(qiáng) [17][18]。燃燒尺度達(dá)到微尺度時(shí)，之前各種影響因素的相對(duì)重要性會(huì)發(fā)生變化，許多宏觀氣體流動(dòng)中未被考慮的因素可能會(huì)在微尺度下成為主要的影響因素 [14][15]，5而其呈現(xiàn)出的新規(guī)律主要表現(xiàn)為：微小型燃燒裝置中，盡管流體流動(dòng)的特征尺度屬毫米至微米級(jí)，但該尺度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子之間的平均自由程，故連續(xù)介質(zhì)假設(shè)仍然成立。目前，一般將大于 的燃燒尺度稱(chēng)為宏觀尺度，將 的m1 m1~.0尺度稱(chēng)為細(xì)尺度，將小于 的尺度稱(chēng)為微尺度 [13]。 微尺度流動(dòng)、燃燒面臨的問(wèn)題微尺度流動(dòng)研究面臨的首要問(wèn)題就是尺度的劃分問(wèn)題，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的對(duì)燃燒尺度劃分標(biāo)準(zhǔn)。 微尺度燃燒研究現(xiàn)狀微尺度下燃燒特性和可燃混氣體燃燒組織的研究始終是研究人員在微小型動(dòng)力系統(tǒng)中面臨的重要課題。目前，微小型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究剛剛起步。微小型發(fā)動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，這為微型發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)與發(fā)展提供了動(dòng)力。這可證明微型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究是可行的，盡管現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)在功率、效率、密封等方面尚存諸多問(wèn)題，但這些問(wèn)題皆可以通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和提高加工精度來(lái)解決。該微型發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，但其對(duì)于空間的利用率低，而且還需專(zhuān)門(mén)的控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)確保兩活塞可同步工作，這樣便增加了樣機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。對(duì)置活Ei)Kk pit r(MECS塞及氣缸構(gòu)成燃燒室，安裝在氣缸頂部的螺旋彈簧可為活塞提供回復(fù)力，發(fā)動(dòng)機(jī)利用電磁感應(yīng)來(lái)提取能量，即通過(guò)活塞往復(fù)切割交流線圈產(chǎn)生感應(yīng)電能。但是，目前還沒(méi)有該樣機(jī)實(shí)際輸出功率的報(bào)道。該項(xiàng)目的研究人員通過(guò)電火花線切割加工技術(shù)制作了設(shè)計(jì)功率為 的樣機(jī)，其尺寸為 、 、 ，且以氫氣或者甲烷為W65m61m34燃料，其樣機(jī)如圖 所示。這種發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)做MICSE engi, swbuti interal 回轉(zhuǎn)擺動(dòng)的自由活塞實(shí)現(xiàn)可燃混合氣的壓縮、做功和排氣過(guò)程。目前該研究團(tuán)隊(duì)正在研制直徑為 和 、目標(biāo)輸出功率為 的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，其設(shè)計(jì)14. W10~轉(zhuǎn)速可達(dá)到 。據(jù)悉，其排量為 的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)在轉(zhuǎn)速為 時(shí)最大輸出in/930r功率為 ，試驗(yàn)中使用了以氫氣為燃料的可燃混合氣，樣機(jī)如圖 3 所示 [7]。圖 微型燃?xì)廨啓C(jī)示意圖 [6]麻 省 理 工 學(xué) 院 微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)年加州大學(xué)伯克利分校（ ）的研究人員開(kāi)始了微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)201UBC機(jī)的研究工作，主要利用了三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)平面化的特點(diǎn)。動(dòng)頻率超出了人耳的頻率范圍。通過(guò)對(duì)流傳熱作用可知，可燃混合氣在樣機(jī)內(nèi)流動(dòng)時(shí)，燃燒室壁面的熱量會(huì)對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱。轉(zhuǎn)子一側(cè)連接壓氣機(jī)，另一側(cè)連接渦輪，其中壓氣機(jī)直徑為m213，渦輪直徑 。 微型燃?xì)廨啓C(jī)年，麻省理工學(xué)院 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)展開(kāi)研究和196Turbine Gas開(kāi)發(fā) [5][6]，如圖 所示，是其微型燃?xì)廨啓C(jī)示意圖。11234024681234460 329164155 90 70 5502022400060008000100001202214000比內(nèi)能 /(Whr/Kg)液 態(tài) HC燃料 （ 異 辛烷 ）20%發(fā) 動(dòng)機(jī)10%發(fā) 動(dòng)機(jī)鋅 空 氣電 池鋰 電 池 堿 性 電 池 聚 合 物 鋰電 池鋰 離 子 電池鎳 氫 電 池 鎳 鎘 電 池圖 各裝置燃料 和電池端電壓特性能 量 密 度 微小型動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展概述內(nèi)燃機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究與改進(jìn)，已經(jīng)進(jìn)入相當(dāng)成熟的階段，壓縮、燃燒、做功成為目前普及最廣、最有效的能量提取方式，而且這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率明顯較其他形式的動(dòng)力裝置更高。液態(tài)碳?xì)浠衔锏娜紵a(chǎn)物主要包括二氧化碳和水蒸氣，這相對(duì)于電池的處理更為清潔、環(huán)保，且補(bǔ)充液態(tài)燃料較電池充電更為簡(jiǎn)單、便捷。此外，電池在使用中，其端電壓呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，這不僅無(wú)法滿足用電設(shè)備對(duì)能量的需要，甚至還會(huì)對(duì)其產(chǎn)生損害，這不利于用電設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，各種燃料的能量密度和電池的端電壓變化曲線如圖 所示。W10~與電池不同，微型發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃燒液態(tài)碳?xì)浠衔?，以電能或機(jī)械能方式輸出能量，其具有較大的能量密度和較穩(wěn)定的輸出功率?；谠摫尘?，建立于不同原理上的微小型動(dòng)力系統(tǒng)如微燃燒器或輻射器、微熱光電系統(tǒng)（ ） [1][2]、微熱電System ovltaicThermp Mico℃PVicro系統(tǒng) [3]、微型發(fā)動(dòng)機(jī)、微推進(jìn)系統(tǒng)、微透平發(fā)電機(jī)等等應(yīng)運(yùn)而生。這主要是因?yàn)樵赟ystem haniclelctro Mi℃ES通信技術(shù)、航空航天、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域內(nèi)，體積小、儲(chǔ)能高、質(zhì)量輕、功率輸出大的微小型動(dòng)力系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，例如小型機(jī)器人、多點(diǎn)分散型通信設(shè)備、 引信、軍用通信偵察小型衛(wèi)星、微小型飛行器、微小型執(zhí)行器等等。 numerical simulation。 chamber pro