【正文】 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。 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配圖如圖 所示。 圖 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)裝配圖 圖 中，前缸蓋、氣缸 和 后端蓋通過(guò)螺栓連接在一起，輸出軸通過(guò)軸承 安裝 于前缸蓋與后端蓋上。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 。轉(zhuǎn)子在輸出軸上 可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng) ，以保證裝配 合理 。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。前端蓋與前缸蓋間設(shè)有調(diào)整墊片， 用 以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向裝配精度， 避免 因加工尺寸引起的裝配問(wèn)題。 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?著氣體壓力、熱負(fù)荷、慣性力等。 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。為避免轉(zhuǎn)子 在工作過(guò)程中 膨脹卡死，以及高溫 對(duì) 其強(qiáng)度特性 的影響 ， 本文在 保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和 工作 剛度的條件下在轉(zhuǎn)子內(nèi) 設(shè)置 空腔 ， 這樣既可增強(qiáng)散熱，也可減輕轉(zhuǎn)子重量 。 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)。 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。 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。 本文中的隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需進(jìn)行徑向密封， 其 依靠 張緊彈簧 的彈性作用即可完成 。 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。 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。 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 。燃燒室由轉(zhuǎn)子、 隔離扇 、氣缸及前后端蓋圍成， 因?yàn)?燃燒室壓縮比的決定 因素為轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線和氣缸型線等。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 ） 。 圖 燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖 14 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 1l 和 2l 組成，其中1l 是以輸出軸中心為原點(diǎn)時(shí)，半徑 為 mm25 的型線， 2l 是以 ），（ 為圓心，半徑為 的型線。它們滿足如下方程 ： ??? ???? ????? 025 )(222221222 xxyx xxxyx （ ） 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 llxx ??? ??? 氣缸 的 型線 關(guān)于兩坐標(biāo)軸均對(duì)稱 ， 以第二象限為例 ， 由 以原點(diǎn)為圓心、 半徑為 mm25 的圓弧 3l 、以 ），（ 010 為圓心、 半徑為 的圓弧 4l 及 兩圓弧的公切線 5l組成 。 它們滿足如下方程 ： ???????????????????0250)10(52225443222xxyxxxxcbyaxxxxyx （ ） 這里： 氣缸 進(jìn)氣口位于型線 3l 上，并與型線 3l 和 公切線 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。 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)。 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： EIMyy ??? 23239。])(1[ （ ） 求解得 到： 。；；543交點(diǎn)橫坐標(biāo)公切線與氣缸上側(cè)型線交點(diǎn)橫坐標(biāo)公切線與氣缸左側(cè)型線軸交點(diǎn)坐標(biāo)氣缸左側(cè)型線與橫坐標(biāo)xxx 15 ??? dWWxy x 20 )]([1 )()( ??? （ ） 這里 ： ])()[(2)( 22 lLxLEIpxW ???? （ ） 而且 隔離扇 長(zhǎng)度滿足弧長(zhǎng)積分方程， dxyL L ])(1[ 2139。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(zhǎng)度， 0L 為 隔離扇 懸置段實(shí)際長(zhǎng)度， y 為 隔離扇 撓度。 ()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，在此基礎(chǔ)上積分得到 其 燃燒室容積。 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。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。 圖 轉(zhuǎn)角曲線圖 圖 試差法與有限元法計(jì)算對(duì)比 轉(zhuǎn)子 隔離扇 組件轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中燃燒室容積變化 的 規(guī)律結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程 當(dāng)中的進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣等 四個(gè)行程 ，以轉(zhuǎn)子 火力面?zhèn)?型線 2l 的 中點(diǎn)為定位標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，各行程 所 對(duì)應(yīng)的輸出軸轉(zhuǎn)角如圖 所示，燃燒室轉(zhuǎn)動(dòng)一周即 可 完成一個(gè)工作循環(huán)。 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。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。 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 ： 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。 壓縮與 做功過(guò)程 熱力學(xué)方程為： 17 ??????? ddmmpddVVpddQVddp ccw ????? 1 （ ） 燃燒 過(guò)程 缸內(nèi)熱力學(xué)方程為： ???????? ddmmpddVVpddQddQVddp ccwc ????? )(1 （ ） 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) 在 工作過(guò)程中排氣 和 進(jìn)氣 不存在 重疊角度，由方程（ ）、（ ）、（ ） 可得到 排氣階段熱力學(xué)方程為： ??????? ddVVpddQVRTddmVddp wc ????? 12 （ ） 進(jìn)氣 過(guò)程 熱力學(xué)方程為： ??????? ddVVpddQVddmmpddp wcc ???? 1 （ ） 其中， ? 為輸出軸 的 轉(zhuǎn)角， inm 為進(jìn)入燃燒室的 工質(zhì) 質(zhì)量， inh 為進(jìn)入燃燒室的 工質(zhì) 的焓， cm 為燃燒室內(nèi) 工質(zhì) 質(zhì)量， outm 為廢氣質(zhì)量， outh 為廢氣的焓， cQ 為氣體 燃燒 放出的熱量， wQ 為工質(zhì)與壁面的傳熱損失， p 、 V 、 T 分別為燃燒室的 壓力、容積、溫度。 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。 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。 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 所 包圍的面積求得，主要包括壓縮、 做功 行程得到的有用功。 指示功率 iP 是 指 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室 在 單位時(shí)間內(nèi)所 做 的指示功， 計(jì)算 式為： 60nWP ii ? （ ） 18 其中， iW 為指示功 (J)， n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (r/min)。 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)。 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 。 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 。 初始條件及模型驗(yàn)證 利用 之前 建立的各部分模型 對(duì) 隔離扇 柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程 進(jìn)行 數(shù)值模擬時(shí)，首先需要確定仿真過(guò)程初始條件 和 邊界條件，這關(guān)系著仿真結(jié)果 的準(zhǔn)確性 。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、邊界條件見表 。 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 305 1 383 420 90 44200 ? ms MPa K ? K K K K ? kgkJ/ 理想工況性能模擬 19 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)。 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。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下燃燒室內(nèi) 氣體 壓力與溫度變化如圖 所示，由圖可知 其燃燒過(guò)程 最高溫度達(dá)到 K2735 ，排氣溫度為 K1700 ， 其 峰值壓力為 。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。 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 min/3000r 時(shí)理想工況下 的 發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖。 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 。 如圖 所示 ，為工質(zhì) 質(zhì)量一定