高压共轨电控柴油机燃油喷射技术分析设计.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流高压共轨电控柴油机燃油喷射技术分析设计.精品文档.河 北 工 业 大 学毕业设计说明书(论文) 作 者： 李银宝 学 号： 110316 学 院： 机械学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 微型转子发动机结构方案设计与分析 指导者： 石维佳 教授 评阅者： 年 月 日微型转子发动机结构方案设计与分析摘要微小型机电系统概念的提出为微型动力系统的发展奠定了良好基础，体积微小、储能较高、功率输出范围宽且性能稳定的特点，使微小型动力机械具有良好的发展前景及应用市场，但目前该领域的发展还不成熟。基于此，本文提出一种微小型隔离扇柔性转子发动机，其中隔离

2、扇-转子的柔性特点使其具有诸多独特优势。本文针对其性能和结构动力学特性展开研究工作，具体研究内容如下：1依据发动机工作原理对整机结构和各子系统进行设计，建立了工作过程的热力学模型、燃烧过程的三维数值模拟，校核了放热模型。以上述模型计算燃烧室的性能指标，讨论了对燃烧室性能有影响的诸多因素，明确了具体的影响规律。结果表明，燃烧室排量为，设计转速下燃烧室的指示热效率为，考虑全部损失时发动机整机的最大输出功率为，有效效率为。2燃烧室流动和燃烧过程的三维数值模拟。通过对燃烧过程的数值模拟计算分析了燃烧室气流流动和燃烧性能。此基础上，又展开了对燃烧室尺寸和工作条件对其性能影响规律的研究。3针对发动机工作过

3、程中隔离扇-转子刚-柔耦合特性以及隔离扇的几何非线性弹性变形，为考察隔离扇的动态结构强度和发动机动力学特性，建立了大范围转动的隔离扇-转子刚-柔耦合非线性动力学理论模型，为准确计算其动力学特性奠定基础。关键词：隔离扇柔性转子发动机 燃烧室性能 几何非线性 数值模拟 微小型机械Design of Micro-power Engines Structure and its Analyses Abstract：The proposal of the concept of micro electro-mechanical system promotes the development of micro

4、-power system, whose smaller size, higher energy storage and a wider range of power output and applying stable, which makes it a wide range of application market and bright prospects for its development. While now this field is not mature. Based on this background, this article presents a micro isol

5、ated-wing flexible rotary engine, whose flexible characteristics make it a unique advantage. Based on the concept prototype and to understand its performance and structural dynamics, the main contents of this article are as below:1. According to the principle of the engine, the whole structure and s

6、ub-systems were designed, and thermodynamic model of the engine ,combustion heat release model revised based on the three-dimensional numerical simulation process was established in the article. On this basis, the article calculated the combustion performance and discussed the influence of the combu

7、stion performance factors and pointed out the rules of its impact on performance. The results show that the displacement of combustion chamber of the engine is , and the indicated thermal efficiency under the design speed conditions is and taking into account the mechanical loss the engine maximum o

8、utput power reaches and the effective efficiency is .2. This article built combustion heat release model revised based on the chamber fuel gas flow process and the three-dimensional numerical simulation process. On this basis, the article discussed the influence of the combustion size and working co

9、nditions on performance.3. Against the isolated wing-rotor rigid-flexible coupling characteristics and isolated-wing geometry nonlinear elastic deformation during its working process, in order to examine the structural dynamic strength of the isolated-wing and the engine dynamics, the nonlinear dyna

10、mics theory model of isolated wing-rotor rigid-flexible system with wide range rotation was established, which laid the foundation on accurately calculating the dynamic characteristic. Key Words: isolated-wing flexible rotary engine; chamber property; geometric nonlinear; numerical simulation; micro

11、 machine目录第1章 绪论11.1 研究背景11.2 微小型动力系统发展概述21.2.1 微型燃气轮机21.2.2 微型三角转子发动机31.2.3 微型摆式发动机31.2.4 微型对置自由活塞发动机41.2.5 微型发动机的发展趋势41.3 微尺度燃烧研究现状51.3.1 微尺度流动、燃烧面临的问题51.3.2 微尺度空间燃烧可行性的研究61.4 簧片柔性转子发动机的工作原理71.5 研究目的及研究内容91.5.1 研究目的及意义91.5.2 研究内容9第2章 隔离扇柔性转子发动机工作过程数值模拟112.1 燃烧模型综述112.2 发动机主要结构设计112.2.1 整机结构设计122.2

12、.2 燃烧室密封设计132.2.3 燃烧室结构设计132.2.4 燃烧空间容积计算142.3 隔离扇柔性转子发动机热力学模型162.4 燃烧室工作性能数值模拟172.4.1 工作性能评价指标及设计转速172.4.2 初始条件及模型验证182.4.3 理想工况性能模拟182.5 燃烧室工作性能影响因素分析202.5.1 传热损失因素202.5.2 漏气损失因素212.5.3 点火时刻因素222.5.4 燃烧持续时间因素242.6 发动机机械损失模型242.6.1 发动机机械损失242.6.2 机械损失模型252.6.3 机械损失结果252.7 隔离扇柔性转子发动机输出性能计算262.7.1 发动

13、机输出性能评价指标262.7.2 发动机速度特性272.7.3 发动机负荷特性282.8 本章小结29第3章 隔离扇-转子非线性动力学研究313.1 刚-柔耦合非线性动力学的理论模型313.1.1 弹性隔离扇的运动学方程313.1.2 隔离扇总体坐标系下的有限元位形描述323.1.3 隔离扇-转子刚柔耦合动力学方程343.2 隔离扇静态结构强度计算373.2.1 隔离扇材料的选取373.2.2 隔离扇结构设计373.2.3 隔离扇静态强度校核383.3 隔离扇-转子多柔体动力学仿真模型403.3.1 多柔体动力学仿真模型的建立403.3.2 约束与载荷施加403.4 隔离扇-转子动力学特性分析

14、413.4.1 隔离扇-气缸接触力计算413.4.2 隔离扇运动学特性423.4.3 隔离扇-转子动应力计算433.4.4 输出轴扭矩特性463.5 隔离扇动力学特性参数化分析473.5.1 隔离扇长度因素473.5.2 隔离扇厚度因素483.6 本章小结49结论511全文总结512论文创新点533展望54参考文献55致谢59第1章 绪论1.1 研究背景世界科学技术的快速发展促进了微型机电系统（）研究领域的发展。这主要是因为在通信技术、航空航天、军事应用等领域内，体积小、储能高、质量轻、功率输出大的微小型动力系统具有良好的应用前景，例如小型机器人、多点分散型通信设备、引信、军用通信侦察小型卫星

15、、微小型飞行器、微小型执行器等等。但目前微型动力系统的发展仅是刚刚起步，因此多个国家及研究机构均正聚焦于此研究方向。基于该背景，建立于不同原理上的微小型动力系统如微燃烧器或辐射器、微热光电系统（）12、微热电系统3、微型发动机、微推进系统、微透平发电机等等应运而生。微型动力系统通过将高能量密度的液态燃料具有的化学能转化为电能或机械能，进而为各种自动机器人、无线电子器件、微型飞行器、便携式电脑等产品提供其所需的动力，这些产品在实际应用中需要的输入功率。与电池不同，微型发动机通过燃烧液态碳氢化合物，以电能或机械能方式输出能量，其具有较大的能量密度和较稳定的输出功率。据调查，碳氢化合物能量密度为，而

16、应用于日常便携式电脑和手机产品的锂离子电池的能量密度只有约4，即便考虑到化学能转化为热能时的部分能量损失，例如供能效率为6%时，同质量下的碳氢化合物产生的能量是电池输出能量的5倍。此外，电池在使用中，其端电压呈现衰减趋势，这不仅无法满足用电设备对能量的需要，甚至还会对其产生损害，这不利于用电设备的长期稳定、安全地运行，各种燃料的能量密度和电池的端电压变化曲线如图1.1所示。在保证燃料供应的情况下，微型发动机可以源源不断地输出稳定功率，以保证可靠、及时地完成工作任务。液态碳氢化合物的燃烧产物主要包括二氧化碳和水蒸气，这相对于电池的处理更为清洁、环保，且补充液态燃料较电池充电更为简单、便捷。另外，

17、对具备较高能量密度的燃料电池来说，尽管基于氢的微型燃料电池已研制成功，其依然需要转化装置来对液态碳氢化合物中的氢进行提取。图1.1 各装置燃料和电池端电压特性1.2 微小型动力系统发展概述内燃机及燃气轮机经过很长一段时间的研究与改进，已经进入相当成熟的阶段，压缩、燃烧、做功成为目前普及最广、最有效的能量提取方式，而且这两种发动机的能量转换效率明显较其他形式的动力装置更高。因此研究人员普遍倾向于在已有发动机工作原理基础之上，通过改变发动机的结构形式来克服传统发动机结构复杂、不易微小型化等缺点，全球几个研究机构在这种思路上进行了有益的尝试。1.2.1 微型燃气轮机年，麻省理工学院实验室开始对微型燃

18、气轮机展开研究和开发56，如图1.2所示，是其微型燃气轮机示意图。实验室的研究人员利用加工技术，在硅片上制作出了微型燃气轮机的样机，其外形尺寸：边长，厚。转子一侧连接压气机，另一侧连接涡轮，其中压气机直径为，涡轮直径。在工作时，空气从进气口处进入压气机，经压气机压缩后由喷管将空气加速并使之在通道内与可燃气体充分混合，经过扩压管增压后混合气进入燃烧室进行燃烧，由燃烧室流出的高温气体可以推动涡轮做功。通过对流传热作用可知，可燃混合气在样机内流动时，燃烧室壁面的热量会对其进行预热。该样机需借助外部空气进行启动，额定工况下每秒消耗空气（约），产生的推力或的旋转机械功。且该微型燃气轮机样机的运动部件的振

19、动频率超出了人耳的频率范围。然而，该微型燃气轮机面临着两个基本问题：精密轴承上转子在设计转速下旋转的平衡问题和可燃混合气微米级尺度下的持续稳定燃烧问题。图1.2 微型燃气轮机示意图61.2.2 微型三角转子发动机年加州大学伯克利分校（）的研究人员开始了微型三角转子发动机的研究工作，主要利用了三角转子发动机结构平面化的特点。其设计、加工了排量在之间、整机尺寸在左右的级转子发动机样机。据悉，其排量为的转子发动机样机在转速为时最大输出功率为，试验中使用了以氢气为燃料的可燃混合气，样机如图3所示7。该样机面临的问题主要是径向和转子端面处的漏气现象。目前该研究团队正在研制直径为和、目标输出功率为的转子发

20、动机，其设计转速可达到。图1.3 加州大学伯克利分校发动机样机71.2.3 微型摆式发动机密歇根大学采用了新型结构形式对微型摆式发动机（）8进行开发。这种发动机通过做回转摆动的自由活塞实现可燃混合气的压缩、做功和排气过程。相比活塞式发动机，这种机构可以减少振动，另外这种结构没有普通内燃机的“死点”，不需借助外力即能启动。该项目的研究人员通过电火花线切割加工技术制作了设计功率为的样机，其尺寸为、，且以氢气或者甲烷为燃料，其样机如图1.4所示。该样机中未采用任何主动密封装置，而是完全依靠微米级加工精度来保证结构的充分密封。但是，目前还没有该样机实际输出功率的报道。图1.4 原理图及其样机81.2.

21、4 微型对置自由活塞发动机和目前正在研究一种对置式自由活塞发动机，如图5所示9，是其结构原理图。对置活塞及气缸构成燃烧室，安装在气缸顶部的螺旋弹簧可为活塞提供回复力，发动机利用电磁感应来提取能量，即通过活塞往复切割交流线圈产生感应电能。样机通过活塞和气缸之间的配合来实现密封，无专门的密封措施，故泄漏现象仍旧存在。该微型发动机样机结构简单，易于加工，但其对于空间的利用率低，而且还需专门的控制及执行机构来确保两活塞可同步工作，这样便增加了样机的结构复杂程度。图1.5 结构原理图9由以上调研可知，微小型发动机研究已经进入了样机试制及实验阶段。这可证明微型发动机的研究是可行的，尽管现有的发动机在功率、

22、效率、密封等方面尚存诸多问题，但这些问题皆可以通过改进设计方案和提高加工精度来解决。1.2.5 微型发动机的发展趋势对微细加工的研究和微尺度燃烧的进步为微小型发动机研究的发展提供了有利支持。微小型发动机在众多领域有着广泛的应用前景，这为微型发动机的研发与发展提供了动力。未来微小型发动机的发展趋势可归纳为：新型结构及工作原理和新型材料的探索5；微尺度下的流体流动、微燃烧特性和热力学理论的研究；对微细加工技术的深入研究，解决微尺度密封问题。目前，微小型发动机的研究刚刚起步。对微小型发动机的研究，可带动微尺度流动和燃烧等基础课题的开展。1.3 微尺度燃烧研究现状微尺度下燃烧特性和可燃混气体燃烧组织的

23、研究始终是研究人员在微小型动力系统中面临的重要课题。各地研究人员对最新设计的各种微燃烧装置，均从理论分析、数值计算和实验研究等角度，对系统中微尺度流动、燃烧存在的诸多问题进行了研究。1.3.1 微尺度流动、燃烧面临的问题微尺度流动研究面临的首要问题就是尺度的划分问题，目前还没有统一的对燃烧尺度划分标准。10定义气体通道尺寸小于时为小尺度，11则指出小尺度的界限应为，是微尺度界限，和12基于拉氏常数提出了一个常数（）来作为小尺度的界限。目前，一般将大于的燃烧尺度称为宏观尺度，将的尺度称为细尺度，将小于的尺度称为微尺度13。当下对微尺度燃烧的研究主要集中于微米至毫米级范围内。燃烧尺度达到微尺度时，

24、之前各种影响因素的相对重要性会发生变化，许多宏观气体流动中未被考虑的因素可能会在微尺度下成为主要的影响因素1415，而其呈现出的新规律主要表现为：微小型燃烧装置中，尽管流体流动的特征尺度属毫米至微米级，但该尺度仍远远大于分子之间的平均自由程，故连续介质假设仍然成立。微尺度下影响流体流动、燃烧特性的因素和这些因素的重要程度发生的变化主要表现如下：（1）表面积/体积比值（面容比）的变化流体流动特征尺度从厘米向毫米、微米发展时，流体的表面积和体积均随之变小，但是表面积和体积的比值却会变大，数值由向发展，这会造成表面传热和表面流动效应均加强16，进而影响微尺度的燃烧特性。（2）梯度参数的变化当流体流动

25、的特征尺度微小到微米量级时，流体空间轴线与壁面之间的流体特征参数梯度效应会显著增强1718。因为层流对流的换热系数和流动空间特征尺度的平方根之间满足反比关系，所以流体空间特征长度变小时，会引起对流换热系数的增大，造成热损失增加。（3）边界层流动特性的变化宏观流体流动时，边界层相对特征尺度小，其对流体流动特性的影响非常有限，随特征尺度变为微米量级时，边界层因素变得越来越重要，所以边界层中流体的流动状态将对流动空间中流体的流动特性产生极大影响1920。（4）流体流动状态的变化流体流动时用来描述流动状态的参数是雷诺数Re。当Re103时，流体处于层流状态，在微尺度下，雷诺数满足该条件，故可将此时的流

26、体流动视为层流，流体粘性力和壁面作用力对流体的流动起主导作用2122。（5）驻留时间变短对于微小尺度下的流体流动，粘性效应和扩散效应的作用是主要的，缸内混合气的形成主要凭靠扩散效应。为保证混合气充分混合，驻留时间应较扩散时间更大。微小型动力装置中小尺度的燃烧室有利于反应物扩散、混合，其较高的转速将使驻留时间缩短，造成燃料没有充分扩散、混合。（6）微尺度下燃烧减小燃烧室容积会使面容比明显变大，壁面处自由基的破坏和热损失对燃烧过程的进行不利，甚至会终止化学反应，发生淬熄。微尺度下燃烧火焰的传播和宏观下火焰的传播存在很大差别。有研究表明，微尺度火焰传播不仅仅受到扩散作用的影响，而且还受扩散和化学动力

27、学因素共同的影响。1.3.2 微尺度空间燃烧可行性的研究尽管微型动力机械具备很多优点，但在微尺度下进行持续燃烧的问题成为了主要问题。根据连续介质理论可以预测：放热反应的传播过程中存在一个临界尺寸（微米量级）2324，研究员通过实验得出亚毫米尺度下的火焰无法传播。另有研究者在研究工作的基础上得出了结构、材料和流速对可燃混合气的火焰淬熄的特征2425。文献分别利用试验和理论详细分析了淬熄现象的产生机理，共同指出淬熄发生的主要原因是热淬熄以及自由基淬熄。但是，最近的部分试验3334证明微小通道中进行火焰传播可行。试验证明甲烷和氧气的可燃混合气可在小于的平板间隙内稳定燃烧。35、36及37在实验中分别

28、验证了甲烷与空气的可燃混合气在内径的圆管中持续燃烧的可行性。韩国科学技术学院也在理论层面证明了微尺度下持续燃烧的可行性38。尽管如此，微尺度下空间传热的不可测性等充分强调了建立详细的数学模型的必要性2539。一些学者通过试验及理论在非绝热燃烧过程中会观察到振荡现象的发生4041。1.4 簧片柔性转子发动机的工作原理簧片柔性转子发动机42这一新型的概念发动机是在微小型动力系统快速发展的大环境下提出的。在燃烧室中引入簧片，以其柔性可使工作过程变得柔和、各部件所受到的冲击减小，而且这种结构仍可保证各部分有足够的强度，这就提高了产品的可靠性。簧片柔性转子发动机工作原理与传统四冲程内燃机相似，也包括进气

29、、压缩、做功、排气四个冲程，也是通过工质的压缩、做功驱动转子和与之固联的定心输出轴转动，将燃料的化学能转换为机械能。簧片柔性转子发动机由前、后端盖、簧片、转子、输出轴、缸体、飞轮等构成。前后端盖、前后簧片、转子、缸体围成燃烧室，簧片一端固联于转子沟槽中，另一端依靠弹性与气缸壁保持接触，在转子旋转一周过程中，每个燃烧室完成一次工作循环，其结构示意图如图1.6所示。本文中设计的隔离扇型样机就是对簧片柔性转子发动机的具体改进方案。结构上采用对置的双燃烧室，转子型线由两对对称的圆弧构成，以保证进排气过程相互隔离。簧片柔性转子发动机采用电热塞点火，进气方式为化油器式自然吸气，这样可以简化对点火、进气的控

30、制过程。燃烧室的径向密封由簧片在弹性作用下与气缸的紧密贴合来保证，端面密封则依靠结构的加工精度来实现。图1.6 结构示意图簧片柔性转子一个完整工作循环的各环节如图1.7所示。（a）进气过程 （b）压缩过程（c）做功过程 （d）排气过程图1.7 工作循环示意图这里以燃烧室1作为研究对象。在进气阶段，簧片释放出其储存的能量，同时燃烧室2内气体做功，一齐驱动转子转动，此时新鲜充量在燃烧室1负压作用下通过化油器进入燃烧室1；在压缩阶段，惯性飞轮惯性力作用下，燃烧室1内新鲜充量被压缩，燃烧室2内废气被排出，此时，飞轮的惯性力转化为簧片的弹性势能；上止点处，电热塞点燃可燃混合气，气体膨胀做功的同时簧片释放

31、能量驱动转子转动，新鲜充量也被吸入燃烧室2内；在排气阶段，燃烧室1的簧片在飞轮惯性力的作用下被压缩，可将废气由排气口排出。由簧片柔性转子发动机的设计理念和工作原理不难发现，其有如下特点：（1）簧片柔性转子发动机部件外型结构简单，既可降低成本又可达到很高的加工精度，可以解决轴向密封的问题；（2）簧片柔性转子发动机精简了传统发动机的结构，省去了传统往复式发动机中的曲柄连杆机构，提高了传动效率，避免了惯性力和惯性力矩的平衡问题；（3）簧片柔性转子发动机中无偏心结构，故可避免转动不平衡带来的不良影响，减少振动，降低噪音；（4）簧片柔性转子发动机需要润滑的部件数目少，可以大大简化整体结构；（5）采用柔性

32、簧片转子，簧片与转子紧贴缸体内壁，解决了径向密封问题；（6）宏观来看，实现了发动机由刚性燃烧室向柔性燃烧室的过渡。1.5 研究目的及研究内容1.5.1 研究目的及意义微小型隔离扇柔性转子发动机作为本文提出的新型样机，其性能特性是需要首先进行研究的内容。对样机燃烧室内的气体流动和燃烧特性的研究具有十分重要的意义，而且如何组织微小空间内工质的稳定燃烧关乎发动机的功能能否实现。此外，对发动机运转时隔离扇的动力学特性进行深入研究，将对提高发动机的运转可靠性提供理论支持。本文从以上两个方面出发，对燃烧室内的燃烧过程和隔离扇-转子动力学及运动学特性进行数值建模计算，并校核模型所用的相关参数，为微小空间内燃

33、烧特性的研究和发动机的设计加工提供了精确的预测模型。微小型动力机械具有十分广阔的发展前景。对本课题的研究，可为微动力系统的进步、发展提供具有竞争力的产品支撑。1.5.2 研究内容本文以隔离扇柔性转子发动机的性能特性和隔离扇-转子动力学两个方面为主线，从以下几个方面对隔离扇转子发动机的性能和可靠性进行了研究。（1）总结当前国内外微型动力系统的研究现状，说明微小型发动机的发展趋势，阐明隔离扇柔性转子发动机的结构特点和工作原理，明确发动机中微小尺度空间流动、燃烧特性和隔离扇-转子非线性动力学特性。（2）隔离扇柔性转子发动机结构方案设计。由发动机的工作原理和设计初衷，确定出其结构形式和尺寸，明确各子系

34、统的形式，阐明针对其关键问题所采取的措施。（3）发动机工作过程的数值模拟。建立工作过程热力学模型，结合燃烧、传热、漏气等子模型对发动机燃烧室的性能特性进行计算，阐明传热、漏气、点火时刻、燃烧持续时间等对其性能的影响，并结合机械损失模型，对整机性能指标进行计算分析。（4）燃烧室流动和燃烧过程的三维数值模拟。通过对燃烧过程的数值模拟来计算分析燃烧室气流流动和燃烧性能。此基础上，再展开对燃烧室尺寸和工况对其性能影响规律的研究。（5）计算分析隔离扇-转子非线性动力学特性。建立隔离扇-转子大范围转动动力学的理论模型，通过有限元分析和多体动力学计算校核隔离扇静态和动态强度，分析隔离扇尺寸对其影响规律。第2

35、章 隔离扇柔性转子发动机工作过程数值模拟隔离扇柔性转子发动机工作过程数值模拟目的在于建立发动机工作过程的热力学模型，进一步了解发动机工作过程和性能特性，同时研究分析发动机性能影响因素及规律，为其性能预测及方案改进奠定理论基础。本章围绕隔离扇柔性转子发动机基本设计方案，建立发动机热力学简化模型，研究燃烧室及发动机整机性能特性，并从传热、漏气、点火时刻和燃烧持续时间等对发动机性能影响显著的因素入手进行研究分析。2.1 燃烧模型综述对发动机燃烧性能仿真研究起始于20世纪50年代。计算机技术的发展为人们开展基于发动机热力学过程以及燃烧过程的实际工作过程的数值模拟准备了有利条件。目前广泛采用的燃烧模型主

36、要有：零维模型、准维模型和多维模型。零维模型是指热力学模型，其将发动机气缸视作参量均匀场，忽略参数的空间变化，仅将缸内工质压力、温度和成分质量分数等宏观参量视为时间的函数，采用热力学第一定律对缸内工作过程进行分析计算。准维模型将发动机燃烧室分为两个部分：已燃区域、未燃区域。考虑了工质随燃烧室空间和形状的变化。虽然准维模型可以对火焰传播过程进行模拟，其预测精度较零维模型有所提高，但基本原理相同，依旧无法就室内流动及燃烧过程的细节特征来进行描述。多维模拟可以通过流动过程基本微分方程和湍流流动方程、燃烧方程以及边界层方程联立求解，在边界条件及初始条件等已知条件下建立燃烧同发动机结构参数和运转参数的关

37、系，进而求解得到燃烧过程中流体的速度、温度和组分等时空特性。通过比较三种类型的燃烧模型，发现零维模型可以较为准确地预测燃烧室内燃烧过程的宏观性能参数，其计算方法简便，成本较低，是目前最成熟、应用最广泛的模拟缸内工作过程的燃烧模型，故本文首先以零维模型模拟隔离扇柔性转子发动机的工作过程，计算得到缸内工质主要的状态参量，并基于此对发动机的综合性能进行预测。2.2 发动机主要结构设计2.2.1 整机结构设计隔离扇柔性转子发动机包括气缸、前端盖、后端盖、隔离扇、张紧弹簧、转子输出轴（中间轴）等，在缸体上设计有化油器安装孔、电热塞安装孔及排气孔，转子输出轴通过一对角接触球轴承支撑于前、后端盖上，前、后端

38、盖与气缸之间通过螺栓连接，以此形成发动机燃烧室。后端盖上可安装飞轮，飞轮安装空间处具有与外界大气相通的孔道，以确保飞轮不因气阻作用而受到额外的转动阻力。隔离扇柔性转子发动机整机装配图如图2.1所示。图2.1 发动机整机结构装配图图2.1中，前缸盖、气缸和后端盖通过螺栓连接在一起，输出轴通过轴承安装于前缸盖与后端盖上。转子与输出轴之间为键连接，输出轴上加工有轴肩，以安装轴承。转子在输出轴上可绕轴转动，以保证装配合理。转子与气缸间存在间隙，该间隙精度为微米级，既可保证转子的顺利转动，又可减小端面泄漏量。前端盖与前缸盖间设有调整垫片，用以调节发动机的轴向装配精度，避免因加工尺寸引起的装配问题。发动机

39、工作时，转子会受到高压、高温燃气的作用，承受着气体压力、热负荷、惯性力等。此外，发动机燃烧室面容比较大，其机械应力也较大。转子火力面会经历完整的循环热力过程，其热应力较高。为避免转子在工作过程中膨胀卡死，以及高温对其强度特性的影响，本文在保证结构强度和工作刚度的条件下在转子内设置空腔，这样既可增强散热，也可减轻转子重量。考虑到转子承受较高的机械负荷和较高的温度，转子材料应具有良好的机械性能、耐磨性和耐腐蚀性和导热性、较小的热膨胀系数和比重等特点。此外，为避免转子转动过程中燃烧室内压力、漏气量的不均衡性使转子输出轴受到弯曲应力和横向力引起转子与端盖之间的摩擦，在转子上设置气压平衡孔，来减小外界阻

40、力对转子输出轴转动造成的影响。2.2.2 燃烧室密封设计隔离扇柔性转子发动机和其他微小型内燃式动力装置一样，面临工作过程中的密封问题。本文中的隔离扇柔性转子发动机无需进行径向密封，其依靠张紧弹簧的弹性作用即可完成。所以，轴向密封将是隔离扇柔性转子发动机需要解决的关键问题，从结构不难看出，燃气泄漏主要发生于转子与前、后端盖以及隔离扇与端盖之间的间隙处。针对微小型发动机面临的密封问题，本文主要通过以下措施实现：（1）提高零部件加工精度，减小汽缸漏气面积；（2）在转子与前、后端盖等接触部位涂润滑油以形成油膜，在润滑的同时亦可保证转子与端盖间密封；（3）对于隔离扇与前、后端盖间的密封，可在燃料中添加适

41、当比例的蓖麻油作润滑油，润滑油可在燃烧室中前、后端盖处形成油膜来实现润滑与密封；（4）发动机点火后，隔离扇在高温下的膨胀也有利于减小其与端盖间的间隙；（5）转子与端盖间间隙为微米级，故火焰无法在间隙内传播。2.2.3 燃烧室结构设计隔离扇柔性转子发动机的性能特性与燃烧空间的压缩比有密切关系。燃烧室由转子、隔离扇、气缸及前后端盖围成，因为燃烧室压缩比的决定因素为转子火力侧型线和气缸型线等。为满足发动机压缩比并减小转动阻力，本文气缸型线和转子火力侧型线设计如下（图2.2为燃烧室结构示意图）。图2.2 燃烧室结构示意图本文提出的隔离扇柔性转子发动机的转子型线由图中两组和组成，其中是以输出轴中心为原点

42、时，半径为的型线，是以为圆心，半径为的型线。它们满足如下方程：（2.1）这里：气缸的型线关于两坐标轴均对称，以第二象限为例，由以原点为圆心、半径为的圆弧、以为圆心、半径为的圆弧及两圆弧的公切线组成。它们满足如下方程：（2.2） 这里：气缸进气口位于型线上，并与型线和公切线的交点紧邻，这样可以防止压缩过程中可燃混合气进入其它空间。2.2.4 燃烧空间容积计算隔离扇柔性转子发动机中隔离扇的摆动特点决定了工作过程中其燃烧室容积的变化规律，对隔离扇的摆动运动计算是容积计算的重要环节。本文中将隔离扇-转子组合看作悬臂梁结构，不考虑隔离扇工作过程中的动力学特性，将其摆动视作静力学行为，选取隔离扇固定端为坐

43、标原点，并在隔离扇自由端施加集中载荷，由于隔离扇的几何非线性特性，它满足欧拉-伯努利方程：（2.3）求解得到：（2.4）这里：（2.5）而且隔离扇长度满足弧长积分方程，（2.6）其中，为隔离扇自由端弯矩，为隔离扇自由端集中载荷，为隔离扇弯曲刚度，为隔离扇自由端水平位移，为隔离扇悬置段积分长度，为隔离扇悬置段实际长度，为隔离扇挠度。为隔离扇自由端水平位移的函数，采用试差法，通过编制计算程序，在悬臂梁自由端逐步施加载荷，在每一载荷步内计算隔离扇自由端水平位移，以隔离扇自然状态下的初始长度为拟合量，计算得出隔离扇的挠度曲线，在此基础上积分得到其燃烧室容积。 由上述计算得到的燃烧室容积随着输出轴转角的

44、变化曲线如图2.3所示。为了验证试差法计算的可靠性，利用隔离扇的有限元模型计算其在相同载荷作用下自由端的水平位移和挠度，以之与试差法所得结果作对比，由图2.4说明，试差法可以满足计算需要的精度。 图2.3燃烧室容积-转角曲线图 图2.4 试差法与有限元法计算对比转子-隔离扇组件转动过程中燃烧室容积变化的规律结合发动机工作过程当中的进气、压缩、做功、排气等四个行程，以转子火力面侧型线的中点为定位标准点，各行程所对应的输出轴转角如图2.5所示，燃烧室转动一周即可完成一个工作循环。图2.5 隔离扇柔性转子发动机行程相位图2.3 隔离扇柔性转子发动机热力学模型假设可燃混合气为理想气体，且将整个系统内工

45、质的状态参数仅视为时间的函数，而与空间位置无关，即任一时刻工质的成分、压力、温度都是相同的。在这些假设的基础上，缸内可燃混合气满足热力学第一定律和理想气体状态方程，由此可以建立隔离扇柔性转子发动机燃烧室热力学过程的数学模型。将燃烧室看作封闭系统，根据热力学第一定律可知，燃烧室内气体满足能量守恒，则有：（2.7）对于进入燃烧室的预混合可燃气，由质量守恒定律得：（2.8）燃烧室内的工质满足理想气体状态方程：（2.9）其关于转子转角的微分方程为：（2.10）由上述基本方程，取气体常数、比热比，同时考虑各阶段的特性，可推导工作过程热力学方程。压缩与做功过程热力学方程为：（2.11）燃烧过程缸内热力学方

46、程为：（2.12）隔离扇柔性转子发动机在工作过程中排气和进气不存在重叠角度，由方程（2.7）、（2.8）、（2.10）可得到排气阶段热力学方程为：（2.13）进气过程热力学方程为：（2.14）其中，为输出轴的转角，为进入燃烧室的工质质量，为进入燃烧室的工质的焓，为燃烧室内工质质量，为废气质量，为废气的焓，为气体燃烧放出的热量，为工质与壁面的传热损失，、分别为燃烧室的压力、容积、温度。由能量守恒方程（2.7）可知，系统中内能发生变化的原因为：进入系统工质携带的能量、离开系统的工质携带的能量、燃料燃烧释放的热量、传热损失和对外做功等。2.4 燃烧室工作性能数值模拟2.4.1 工作性能评价指标及设计转速发动机的工作性能指标主要包括动力性指标、经济性指标、运转性能指标和耐久性指标，由于目前隔离扇柔性转子发动机处于原理探索阶段，燃烧室的动力性和经济性是主要的考虑内容，因此，本文仅就指示功、指示功率和指示热效率等指标进行计算分析。指示功是指燃烧室完成一个工作循环时得到的有用功，可通过计算燃烧室示功图中闭合曲线所包围的面积求得，主要包括压缩、做功行程得到的有用功。指示功率是指发动机燃烧室在单位时间内所做的指示功，计算式为：（2.27）其中，为指示功(J)，为发动机转速(r/min)。指示