（机械电子工程专业论文）微型三角转子发动机性能研究.pdf

y6 8 0 0 5 8 摘要 p o w e rm e m s ( 功率微机电系统) 与m e m s ( 微机电系统) 发展密切相关。 本文归纳了p o w e rm e m s 研究的现状，根据三角转子发动机一发电机方案，分 析了该领域尚待解决的关键问题微型燃烧室内迸气和排气冲程的分析和传 热和淬熄过程的研究。 本文第一章绪论综述了本课题的研究背景，p o w e rm e m s 的发展状况以及该 领域目前尚待解决的关键问题、本课题研究的意义和主要研究内容。 第二章介绍了微型三角转子发动机的基本构造和燃烧机理研究，为微型发动 机设计提供基础。 第三章介绍了厘米级微型三角转子发动机的结构设计。 第四章通过对燃烧过程的研究和分析，改进奥托循环。 第五章对于如何利用数学模型分析微型燃烧室内传热和淬熄过程进行了深 入探讨。 第六章对本文的研究成果进行了归纳和总结，并指出课题进一步开展研究工 作的设想。 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fp o w e rm e m si sa s s o c i a t e dw i t hm e m s c l o s e l y s o m e i n f o r m a t i o nc o n c e r n i n gc u r r e n ts t u d yo nm i c r op o w e rs o u r c et e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d i nt h ep 印e r a c c o r d i n gt ot h es c h e m eo fm i c r o r o t o rm o t o r & m i c r o - g e n e r a t o r , t h e k e yt e c h n o l o g yo f p o w e rm e m si sa n a l y z e d ：h e a tt r a n s f e ra n dq u e n c h i n g a n a l y s i so f c o m b u s t i o ni nam i c r oc o m b u s t i o n v e s s e l ；i n p u ts t r o k ea n do u t p u ts t r o k e i nc h a p t e ro n e ，i n t r o d u c t i o ns u m m a r i z e st h eb a c k g r o u n do ft h i sr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f p o w e rm e m s ，a sw e l la st h et e c h n i c sf l o wo f i t c h a p t e rt w oa n a l y z e st h eb a s i c s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fc o m b u s t i o no ft h e m i c r o m o t o r i nc h a p t e rt h r e e ，o i lt h eb a s i so ft h eg e o m e t r i co f m i c r o m o t o r , d e s i g nt h em o d e l m a c h i n e c h a p t e r f o u ra n a l y z e st h ec o m b u s t i o n p r o c e s s ，t h em o d i f i c a t i o no f o t t oc y c l ei s d i s c u s s e d i d e a lo t t oc y c l ea n dt h ei n p u ts t r o k ea n do u t p u ts t r o k ea r ei n t r o d u c e d ，t h e p r o b l e m sa n d r e l e v a n ts o l u t i o n sa r ed i s c u s s e d i nc h a p t e rf i v e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tt r a n s f e ra n dq u e n c h i n ga n a l y s i s o f c o m b u s t i o ni nam i c r o c o m b u s t i o nv e s s e li sp r o p o s e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l y ，i nc h a p t e rs i x ，as u m m a r i z a t i o no n t h es t u d yo ft h i sp a p e ri sg i v e n ，t h e c o n c e i to f t h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r ki sp o i n t e do u t 1 前言 第一章绪论 从广义上讲，m e m s ( m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) 是指集微型传感器、 微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微机 电系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微 型系统，完成大尺寸机电系统所不能完成的任务；也可以嵌入大尺寸系统中，从 而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。微型电子机械系统并不是 传统机械电子的直接微型化，在物质结构、尺度、材料、制造工艺和工作原理等 方而远远超出传统机械电子的概念和范畴它可以说是微电子技术的拓宽和 延伸，将微电子、精密机械、传感器等技术相互融合，实现了微电子与机械融为 1 体的系统。 一般来说，m e m s 系统具有移动性、自控性、集成化。移动性，意味着不能 使用带连线的电源。自控性，意味着不能使用一次性电池。常规电池已经开始不 能满足m e m s 系统对小型化、集成化日益增长的要求。相比之下，功率器件的微 型化问题就突出起来电源也必须完成小型化、微型化的革命。 科学家在2 0 世纪8 0 年代初就已开始了薄膜型可充电电池的研究，2 0 世纪 9 0 年代初才提出微电池的概念。国外某些专家建议，把微电池定义为其底面积 不大于1 0 r m n 2 的电池。目前，适用于m e m s 的微电池其尺度可能在毫米级，适用 于微芯片的微电池的尺度可能在微米级。微电池的功率范围应在微瓦级，它应当 具有与微电子芯片、m e m s 能集成的相容性。 机电系统微型化后，电源装置将决定整个系统的尺寸。没有微型化或小型化 的电源装置提供能源，m e m s 系统将难以发挥其微型化的优势来完成其预定的功 能，甚至有可能失去其微型化的本来意义。有鉴于此，处于研究前沿的各国科学 家们敏锐地将能为m e m s 系统提供电能的微( 小) 型功率器件( p o w e rm e m s ) 的 研制问题提到了议事日程，并于九十年代末期，二一卜世纪初开始了相关项目研究， 力图占领这一关系到m e m s 研究全局的制高点。 2 国内外p o w e rm e m s 的研究现状 作为一类全新的m e m s 系统，国际范围的p o w e rm e m s 研究还只不过是几年之 内的事情。主要研究单位及其研究概况为： 美国加州大学伯克利分校研究了基于硅芯片技术的微旋转内燃机构“，采 用了汪克尔( w a n k e l ) 发动机形式。如图1 所示，此小发动机与一枚硬币参照大 小。其燃烧室空间最小可做到l 立方毫米，燃料为液体碳氢化合物，能产生和输 出毫瓦级的功率。与目前一般的汽车发动机类似，w a n l e l 发动机中燃料和空气 混合物点燃释放热量。w a n l e l 发动机是微小燃烧室中带有三角转子的平面行星 结构。图2 为w a n l e l 发动机结构示意图。转子将气缸发分成三部分，高温高压 燃气膨胀推动转子，从而带动输出轴转动。输出轴与发电机连接，产生电能。图 3 为相同时间内输出同等功率条件下微发动机与电池的设想质量比较，据此目 标，未来笔记本电脑、数码相机等都可望用此种新型便携高效电源替代现在使用 的电池。 图卜1 钢制小型发动机图卜2w a n l e l 发动机结构示意图 图卜3 相同时间内输出同等功率条件下微发动机与电池的设想质量比较 2 美国m i t 将微功率器件研究作为m e m s 研究的三大目标( 微功率机械，适应 恶劣环境的m e m s 和生物微流体芯片) 之一，丌展了芯片发动机( e n g i n e s - - o n - - c h i p ) 的研究。其发动机的直径为2 厘米，厚度3 毫米，设计输出功率接近 l o w 。如图4 所示，m i t 设计的微汽轮机一发电机剖面图。主要部件含压缩机、 燃烧室、汽轮机。 s 自舸， 8 e n o b t o r m i e r o - g a # t u r b i n e g e t ；e r o t o rc m # 一s e d t o 图卜4 微汽轮机一发电机剖面图 m i t 和哥伦比亚大学还进行了空气轴承感应式微马达的研究。美国乔治亚技 术学院则进行着燃烧驱动永磁体微发动机系统研究。其特色在于：在研究阀与火 花塞子系统的基础上采用了闭环控制的自由活塞发动机，并且微发电机制造运用 了分布式永磁体与线圈结构，使发动机活塞与发电机“转子”一体化。研究自由 活塞发动机的还有美明尼苏达大学。美u s c 喷气推进实验室推出了颇具新意的 “m i c r o f i r e ”方案：它将热电元件置于微发动机进汽( c o l ds i d e ) 与出汽( h o t s i d e ) 隔层之间来直接完成化学能热能电能之间的转换，使整个微电源 系统无需可移动的结构部分，其不足之处则是效率相对较低。 与上述研究有较大区别，美国密歇根大学机械系与电力工程系研制的小型化 内燃发动机一发电机样品( s m a l l s c a l el i g h t - - w e i g h tp o r t a b ep o w e r g e n e r a t i o ns y s t e mo rm i n i a t u r ep o w e rs y s t e m ) 有较大的几何尺寸和输出功 率，它完全使用于大部分潜在的应用场合并可依靠相对成熟的加工制作工艺“3 。 其采用回转式发动机和丁烷燃料。发动机主要技术指标为：重量5 4 克( 无燃料) ； 体积1 7 立方厘米：工作频率1 0 2 8 赫兹；热效率1 4 4 ；机械功率3 7 2 瓦： 电功率2 1 1 瓦。 美国其它的一些著名学府如哥伦比亚大学，马罩兰大学，明尼苏达大学，辛 辛那提大学也加入到研究的行列。日本科学家则参加了小尺寸旋转发动机( s m a l l s c a l er o t a r ye n g i n e s ) 和微型发动机的研究。 此外，国外一些主要研究单位还针对p o w e rm e m s 进行了燃烧动力学、摩擦 学、计算机仿真、测试系统等方面的基础研究，取得一些初步研究成果。 我国m e m s 领域的研究方兴未艾。目前研究热点主要集中在微传感器、微执 行器等方面。东南大学、西安交通大学、上海交通大学、浙江大学、中科院等单 位都开展了研究，并取得了一批成果，但有关p o w e rm e m s 研究的报道还不多。 在一个比较高的起点上展开p o w e rm e m s 研究并形成我们自己的特色，对推动整 个m e m s 的发展显然是必要的。 3 已有研究的相关关键技术及尚待解决的问题 目前，己研究的关键技术内容归纳起来主要有： 1 ) 发动机形式。采用或考虑采用的有汪克尔( w a n k e l ) 、布雷顿( b r a y t o n ) 、 四冲程( o t t o ) 、兰金( r a n k i n e ) 、回转式、线性和平板式自由活塞发动机 等。 加工工艺。电火花加工、硅芯片制造工艺等。 材料。纳米塑料材料、陶瓷基材料、铁质材料等。 燃料。丙烷+ 催化剂、丁烷等。 点火装置。采用陶瓷棒及镍、银、白金掩膜和镍电镀制作的电火花塞。 微控制阀。簧片阀。 轴承。空气轴承、微加工轴承等。 热电元件。b i ，t e 。元件、a m t e c 元件。 另一方面，研究中也存在一些值得注意或改进的问题，其中包括 4 动趵曲田力勖 1 ) 较多的研究集中在将微电子制造工艺扩展到p o w e rm e m s 制作方面，对各种 m e m s 系统应用的实际需要和特点( 如功率量级、供电时间、几何尺寸要求等) 分析不够。 2 ) 多数研究采用微发动机一发电机方案，微系统中有高速运动部件，工艺难度 大，可靠性和寿命指标难以提高。而现有的燃烧+ 热电装置的方案，则存在 效率偏低的问题。 3 ) m e m s 的一些应用场合有隐蔽性、安全性要求，如避免红外探测、不能引起火 灾等，这是单纯的微燃料室方案较难解决的问题。 4 本课题研究的意义及主要研究内容 微型长寿命能源是传感器尺寸小型化的限制因素，也是使用寿命的限制因 素。在某些情况下，它也是测量极限的限制因素。这是十分值得注意的问题。m e m s 和其它微器件对电源的需求见表1 1 。 衰1m e m s 和其它微器件对电漂的应用需求 t a b 1 r e q u i r e m e n t so fm e m sa n d o t h e rm i c r oa p p l i c a t i o n st op o w e r 应用需求 遥感阵列低功率 瞅入式传感铜光学m e m s a p p i i c a t i o n r e m o t e显示器 e m b e d d e do p t i c a l l o w p o w e r m e m s r e q u t t m e m t d i s p l a y r 寸徽 大小檄小徽t j , s i z em i c r o l a m e m i c r o m i c r d s m a l l目埘ln 砌 质量很轻 轻重轻根轻轻很轻 m a 聪 v e r yl i g h t l i g h t l i g h t l 讪t h e a v v v e r yl 塘h tv e r y “g h t 能量低中等低 低中等 l o * e n e r g yhm o d e r a t e l o w m o d e r a t e 装配难度简单不等 a s s e m b l e 菏单中等简单 f f i m p d i f f i c u l y s i m p l e m o d e - r a t es i i n d l e 外部充电 蒋要樯要需要 不总需要 e x e m 越n o ta l w a y s r e c h a r g e r e q u i r e dr e q u i r e dr e q u i r e d 需何种电弛 传统电池， r q u i r e d 徽电池 徽电池 徽电池 扣式徽电池 t r a d i t i o n lc o i nc “ m i c r c h t t e r yl v i e r o - b a t t e r y b a t t e r y m i c r o - b a t t e r y r n i c m - b a t t e r y 作为微型电源系统，p o w e rm e m s 的研究将推动以下器件：微型机器人、野 外无线电装置、g p s 单元、便携或可穿戴式计算机、军用单兵系统、夜视及侦察 系统、分布式传感器、微型飞行器、小型卫星、微阀微泵系统等的发展。 p o w e rm e m s 系统有着广阔的应用前景，目前我国在此方面的研究与国外相比 还有差距。我们不仅要进行技术跟踪，而且要勇于创新，抓住这个m e m s 研究的前 沿课题，力争形成有特色的p o w e rm e m s 技术，为我国该领域高新技术的发展和应 用作出贡献。 本课题通过研究微型发动机燃烧机理，建立了微型发动机燃烧模型，进行进 一步的深入分析研究，为设计制造更小的微型发动机打下了基础。 6 第二章微型三角转子发动机的基本构造及其燃烧机理研究 2 1 微型三角转子发动机的基本构造与工作原理 2 1 1 微型转子发动机的基本构造 汪克尔发动机与活塞式发动机相比几何原理复杂，结构简单。汪克尔发 动机的主机构是有一对相位内外齿轮和偏心轴所组成的行星机构，气缸理论 型线为双弧长短幅圆外旋轮线，转子的理论型线为气缸型线的内包络线，几 何原理复杂。如图2 1 所示。汪克尔发动机的基本构造是由转子、前后端盖、 缸体和偏心轴等主要零件构成，其中主要运动部件就转予跟偏心轴两个零 件，而且均作旋转运动。汪克尔发动机的主要特点是：转子只做旋转运 动，就其工作特点而言，属于四冲程循环，分进气、压缩、燃烧和膨 胀及排气四个过程。与往复机和燃气轮机相比，由于没有作往复运动 的质量，故有良好的高速性能。且还有重量轻、体积小等优点。 图2 1 汪克尔发动机的基本构造 2 1 2 转子发动机的主机构及其速比 图2 2 示出转子发动机主机构( 行星齿轮机构) 的传动简图。三 角转子发动机的主机构是一个行星齿轮机构。偏心轴简化为一系杆， 其中心线。即为主轴颈的中心线，亦即相位外齿轮的中心线；中心线o + 即为偏心盘的中心线，亦即相位内齿轮的中心线。这两中心线的距离 为偏心轴的偏心距e 。相位外齿轮固定不动，其节圆半径为k ，系杆绕 中心线0 转动。内齿轮绕中心线0 ，转动并绕中心线0 作周转运动，其 节圆半径为r 。 图2 2 转子发动机主机构 内齿轮的节圆半径为3 e ，外齿轮的节圆半径为2 e 。由此可知，内齿 轮和外齿轮的齿数比决定了转子公转和自转的角速度之比，而且其节圆 半径均为偏心距e 的倍数。 2 1 3 转子发动机的工作原理 汪克尔发动机的工作循环包括进气、压缩、燃烧和膨胀及排气四个 过程，对转子每个工作面所对应的工作室，都在转子旋转一周内完成的。 即旋转一周内在同一个转子工作面上有四个冲程的工作，一个转子有三 个转子工作面同时工作( 处于不同的工作状态) ，参见附图23 ，三个转 予工作面分别为a b 、b c 、c a ，转子顺时针绕外齿轮1 转动，以a b 面为 例子，转子顶端a 从缸体的b 点旋转到d 点的过程，是循环的开始一一 吸气。当循环继续进行a 点经过d 点后进入压缩冲程，在a 从d 运动到 e 的过程中，空气燃料混合物被压缩，到了a 运行到e 时( 即b 运行到f 时) ，空气燃料混合物被压缩至最小，在加热塞的作用下点燃，开始了循 环中的第三个过程一一燃烧。燃烧使气体膨胀，推动转子继续顺时针转 动，当b 运行到a 点时燃烧结束，最后一个冲程一一排气丌始了。当a 运行到b 时排气结束，新的循环开始1 2 2 燃烧机理研究 图2 - 3 转子机工作循环的各过程 2 2 1 在c h o n 系统中的完全燃烧 根据完全燃烧的流程，只要检查反应混合物就能得到产物混合气的成分。 9 对于含有c 、h 、0 和n 原子的反应混合物其规律简述如下： 1 ) 所有的氮以：形式出现，也就是说，氮是惰性气体。 2 ) 所有的氢以h ：o n 式出现。 3 ) 所有的碳被氧化成c o 。如仍有氧，则部分c o 被氧化成c o ，。 4 ) 如果有足够的氧气把全部碳氧化成c 0 2 ，过量的氧气以0 ：形式出现。 产物混合气的摩尔数现在可以认为是一般情况。设m c ，m h ，m o 分别表示 在一个摩尔燃料中的碳，氢和氧原子的摩尔数。设y c c 表示每摩尔燃料化学标 准氧量。则 y c c = m c + 吲一噘 反应混合物中包含： 1 摩尔燃料+ y q + 3 7 6 ，2 产物的摩尔数为： ( 1 ) = 0 ( 2 ) = m c ( 3 ) = 吲 ( 4 ) = 3 7 6 y ( 5 ) = 0 摩尔数与气体之间的对应关系是： 1 = c o 2 = c 0 2 3 = h 2 0 4 = n 2 5 = 0 2 2 2 2 增压 增压是利用在进气系统中装入一个压缩机获得的，由此提高在压缩 冲程开始气体的密度从而提高功率输出。通常，压缩机安装在化油器或 l o 空气测量装置的下方。这个装置对于任何一个测量系统的操作要求更少。 增压可以采用延长化油器与进气门之涮的通道，随着压缩机中压力上升 而温度升高的方法来改善燃料汽化。 增压循环可以简单地通过一个计算机程序进行计算，假定当进气管 压力增大到超过排气歧管中的环境压力时，在气门重叠期间全部废气扫 出工作空问( 即在两个气门都开着或者两个气门都部分打开的时间间隔 里) 。但是，如果气门重叠时间太长，燃料空气混合物可能扫入排气系 统。这对功率输出没有影响，但将增加燃料耗量。 齿轮驱动压缩机如图2 4 所示。t m 表示燃料空气混合物从化油 器流出的温度，则压缩机出口温度丁1 可由下式给出： 丁k t m m 1 - - i 。c 朋p 1 ，) x r - 坛r _ 1 + 1 1 1 式中仉为定熵压缩机效率。驱动压缩机所需的功w s p c h 则为 w s p c h = n m c p r ( t 1 一t m ) 图2 4 齿轮驱动压缩机 2 2 3 燃料的化学结构对燃烧的影响 从实践得知，对于饱和烃，基本火焰速度基本上与燃料分子中碳原 子数n 。无关；对于非饱和烃，随着燃料分子中碳原子数的减少而基本火 焰速度增高。但到n 。 4 的情况，基本火焰速度不再随1 1 。的增大而减小。 随着燃料分子量的增加，混合气的燃烧界限变窄。表2 - 1 列出了一些燃 料与空气的混合气在大气条件下燃烧的某些性质。 表2 1 一些燃料与空气的混合气在大气条件下燃烧的某些性质 结合已研制样机结构特点一样机采用加热塞点燃混合气，加热塞 适宜在以甲醇为燃料的条件下工作。同时与其他燃料相比较，甲醇的淬 熄距离最小( 1 7 8 m m ) ，适合p o w e rm e m s 的结构特点。因此在本节及以 下的分析中，皆选用甲醇为p o w e rm e m s 微型燃烧室内的燃料。 2 2 4 汽化和燃料喷射 燃烧是气体分子之间发生的反应。如果参与反应的是液体燃料，那 它首先必须汽化。就热力学的观点而言，燃料进入的方式并不影响输出 功的计算。各种方法都导致相同数值，或者非常接近。但是由于获得气 缸中均匀的燃料空气比例，本课题样机采用了化油器以调节燃料流量使 之与空气流量相一致。 参见图2 5 ，假设n a 为温度黝下空气进入化油器的摩尔数，而在刚 下进入的液体燃料为1 摩尔。两者流动都是稳定的。环境的传热忽略不 计。 图2 5 作为热力学过程的化油器 比。 n a h 。( 删) + h j ( 液态，r a ) = n a h 。( r ) + h j ( 汽化，r ) ( 2 2 ) 式中丁为汽化以后气流下游的温度，下标日和， 表示空气和燃料。 导出： t = t t a = 由于汽化引起的温度变化 a t ： 垒 t a | f ) c p a + c p f 式中c 删和c p f 表示空气和燃料的比热，吆为汽化热，a f 为空气燃料 2 2 5 理想奥托循环的修正 图2 - 6 表示理想奥托循环。 5 1 进气冲程 l 2 定熵压缩 图2 6 理想奥托循环 1 4 2 3 定容燃烧 3 4 定容膨胀 4 1 定容冷却 1 5 排气冲程 理想循环分析显必须在某些方面进行修正，以达到接近真实发动机的情况。当 研究局限于热力学的方法时，修正以下两点： 1 ) 燃烧过程和传热 2 ) 进气和排气过程 在点燃式发动机中，燃烧受多种因素影响：发动机转速、火花塞位置、燃 烧室几何尺寸和形状以及反应气体的化学成分。 在排气和进气过程期间，转子在一定的速度下运动。气门和气口逐渐开关 而不是瞬时的。气流进出工作容积的速率是通过气门和气口的压力差、开启有 效面积以及转子的速度来控制的。热力学和流体力学提供了全面分析的各种方 法。 第三章厘米级微型三角转子发动机结构设计 微型三角转子发动机的设计与传统的三角转子发动机的设计过程基本一致。 首先确定基本参数，然后按照相应公式绘制出缸体形腔的轮廓线以及转子的外轮 廓线，确定缸体以及转子的外形大小。接下来，结合现有的加工技术，确定缸体、 转子、偏心轴等零件的结构以及加工工艺。在这里，考虑到m e m s 加工技术的特 点，设计的尺寸应该在毫米级。针对微型化的场合，不同于传统的特殊考虑主要 有以下几个方面：结构的简化、由加工工艺引起的结构调整、附件的处理。就这 三个方面分别做出讨论，然后确定基本参数。 3 1 气缸和转子的型线 气缸型线方程 x = p c o s a + r c o s 竺+ 口c o s ( 竺+ 庐) ( 珑) 3。3 7 y = p s i n 口+ r s i n i a - + 口s i n ( 罢+ ) ( 瑚) jj 转子型线方程： x = e c 。s p + e e o s ( 口一譬 + r c 。s ( 詈一譬 c m ， y = e s i n f l + e s i n ( 口一譬 + rs 血( 詈一譬) c m ， 式中n 一平移距( m ) 2 中一一摆动角( r a d ) 。 1 6 壁嵯 k 一茁 一 一 十 口2一a一2 咖一| 宝33 = 印了 a 令r e = k ，称为型线的形状参数。k 值对气缸型线形状、理论 压缩比以及燃烧室的形状和面容比都有较大的影响。当工作室容积为定 值时，足值越小，则气缸型线变瘦，体积减小，工作室最小容积增大， 理论压缩比减小。反之，丘值越大，则气缸体积增大，工作室最小容积 减小，理论压缩比增大，及燃烧室越扁长和面容比增大。 3 2 工作容积和压缩比 转子发动机的单工作室容积，是由转子的一个工作面( 未开设燃烧室 凹坑时) ，气缸型面和两个端盖平面所围成的容积。此容积随着转子位置 ( 偏心轴转角n ) 而变化。如图3 一l 示。 图3 1 转子机单工作室面积 工作室理论容积为 矿= 船= 弦一莩c 詈。+ 甜c 。2 吒。卜呐 式中b 一一气缸宽度。 当a = 三，n = 荨时，转子在上止点位置，此时 v = 。当n = 0 ，n 一2 n 时，转子在下止点位置，此时v = 。 理论压缩比即转子工作面上不设凹坑的情况下理论上可能达到的最大 压缩比。当气缸和转子均为理论型线时，则理论压缩比为： r 一2 一。 t h i 3 3 燃烧室的面容比 转子机工作室的面容比，尤其是燃烧室( 即在上止点位置的工作室) 的面容比，对散热损失，受力情况以及对发动机的性能都有较大影响。 燃烧室表面积以s 表示 s = 2 f m + ( 三b ) + ( b ) ( m 2 ) 式中l 一转子一个工作面的弧长； 一与三对应的气缸型线弧长。 燃烧室的面容比为 歹s7 2 等( 删- 1 ) 为了尽量减少燃烧室的散热损失，应该使形值尽可能小。 3 4 基本结构参数的选择 转子发动机工作循环各过程整个发动机的主要零件的设计的基本有 三个尺寸：双弧长短幅外旋轮线的创成半径r 、偏心距e 、平移距a 。同 时依据转子发动机的基本设计经验，按系统整体尺寸等比例确定气缸的 宽度b 。 选择较小k 值的优点： 1 ) 转子发动机体积较小，重量较轻。 2 ) 面容比较小，故散热损失小及燃烧较好。 3 ) 有利于密封。 4 ) 密封件的线速度较小，使密封件的磨损小。 5 ) 相位齿轮的受力较小。 6 ) 轴承与轴颈的负荷较小。 7 ) 偏心轴有较大的强度和刚度，有利于采用一般材料。 同时，必须考虑在转子端面能够合理布置密封件，并且要使转子腰部有 足够的强度和刚度。 现在成批量生产的最小汪克尔发动机是由s e n g i n e 公司出产的 r o t a r ye n g i n e4 9 p i ，如图2 2 所示。 1 9 图2 2r o t a r ye n g i n e4 9 p i r o t a r ye n g i n e4 9 p i 的具体性能指标和形状参数如图2 3 所示 ld i s p l a c e m a n t 49 7 ( 0 3 0 3 c u i n ，) b o r e s t r o k e p r a c t i c a lrp m25 0 0 1 b 0 0 0r p 丌1 p o w e ro u t p u t 1 2 7 b h p ，1 7 。0 0 0r p ” w e i g h3 3 5 9 a 18 0 z 图2 9r o t a r ye n g i n e4 9 p i 的各项参数 毫米级金属材料微型汪克尔发动机是在厘米级金属材料微型汪克尔发动机 2 0 设计及初步实验结果的基础上，数据结合现有机械加工水平，再参考伯克利 的样机，根据所采用的更为精密的电火花加工方法，进行尺寸缩小和结构改进 设计的。 第四章厘米级微型发动机燃烧过程研究 4 1 理想奥托循环 4 1 1 理论模型 对于已给定的燃料、燃料空气比，发动机转速和环境空气温度，我们希望 求得功率输出。发动机转速，对于转子发动机则为转子每分钟转速( r p m ) 。 根据图2 - 6 ，p 1 = p 5 = p a = 环境压力 设t a = 环境空气温度以及t m = 进气歧管温度 则tm=ta一丁( 4 - 1 ) 式中r 由方程( 2 2 ) 给出。在分析中会用到以下定义： n m o 一含有1 千摩尔燃料的空气与燃料蒸汽的混合物的千摩尔数； n p o 一一由n m o 的燃烧而形成的产物的千摩尔数； n m 一发动机中压缩冲程期问燃料蒸汽和空气的千摩尔数； n x 一一发动机压缩冲程期间前一循环形成的残余废气的千摩尔数； n p 一由n m + 确燃烧而形成的产物的千摩尔数。 计算结果可以检查当离开化油器并经过发动机时燃料蒸汽与空气的混合物。 显然，我们不能研究一个循环，至少对于工作流体不能这样，因为它改变化学成 分并且不能还原到燃料和空气的初始状态。另一方而，发动机的工作是循环的， 我们从压缩着手，并假设m 瞄和r 1 值两者都取决于前一个循环，而它又取决于 再前一个循环，等等。让我们假设 n x = 0 及t 1 = t m( 4 - 2 ) 计算将收敛于瞄 i t l 任何值，甚至很不合理的值。要证明收敛状态在于观 实际发动机的运转是否稳定。则 n m ：p 1 v b d c( 4 3 ) r m 设c p r = n m + w 混合物的定压热容量，以及脚= c 夕c p r 一8 3 1 4 ) 。 则t 2 = r 1 c p ”一，p 2 - = p 1 c r x r( 44 ) 同时，w c o m p = 绝热压缩期间转子或活塞作用于反应物n m + 的功 w c o m p = ( n m + n x x c r p 一8 0 3 1 4 x t 2 一t 1 1 ( 4 5 ) 燃烧是假设在绝热和瞬时发生的，转子是静止的，因此能量方程可以写成 u ，仃2 ) = u 。( r 3 ) ( 4 6 ) 导出t 3 值，因而 p 3 ：p 2 t 2 竺( 4 - - 7 、 转而更仔细地研究方程( 4 - - 6 ) 。现设 c p p = 混合物p 的定压热容量( t 。，) ，以及即= p 一8 _ 3 1 4 。则 t 4 = 斋一= 驴p 3 ( 4 - - 8 ) 同时，w e x p = 绝热膨胀期间产物p 对于转子或活塞所作的功 w e x p = u ，仃3 ) 一u ，p 4 ) ( 4 - - 9 ) 而该循环的净功输出将为 w n e t = w e x p w c o m p( 4 1 0 ) 在点4 ，我们假定排气门打开，压力下降到环境压力，而排气温度下降到 r s 圳旧( 4 - - 1 1 ) 当发动机从下止点到上止点运动时，大部分废气被排出，发动机中在上止点时所 残留的废气为 n x ：p 1 i v t 品d c ( 4 1 2 ) r 丁5 、 现在排气门关闭，进气门打开，而活塞或转子慢慢地运动到下止点位置，在此期 间燃秒名气混合物的膳摩尔进入工作空间，与删混合后温度将为t 1 。 在进气冲程期间，进入发动机中的燃秒玺气混合物，在进气管中最初占用容积 v m 。在n m + n x 四周设置一个控制质量，控制质量中初始能量为 n x u p p 5 ) + n m u 。( t m ) ( 4 1 3 ) 能量方程可以简化为 潞一- ) 丽t 1 2 + c r + 万t m 一面c p pj l 面t i c r = 。( 4 - - 1 4 ) 式中c 肼一一燃秒玺气混合物的定压热容量仁勿厶。，七) 。 方程( 4 1 4 ) 可以求解t i 。如果c p p 与c p m 之间差值可以忽略不计，则方程 ( 4 1 4 ) 可以简化为个简单表达式 m 不c 丽r t m 啄( 4 - - 1 5 ) 内能与燃烧室形状无关，用新的数值t i ，n m ，n x 就可以算出一个新值c p r ，从 压缩过程方程( 4 - - 4 ) 开始，计算继续到第二个循环，然后第三个循环，等等。 显然，当逐次循环产生相同数据时，计算暂停，通常，收敛很快。 现在，将能量方程( 4 - - 6 ) 改写成为： 9 v = ( ，妇，p 3 ) 一“，p 2 ) ( 4 一1 6 ) 4 1 2 计算和结论 实验采用燃料：甲醇( c h ，o h ) 。设，值与产物气体之间相应为 1 = c 0 ， 2 = c 0 2 ， 3 = h 2 0 ， 4 = n 2 ， 5 = 0 2 用】，表示d 2 摩7c 3 明摩尔，燃秒玺气混合物为 c h ，o h + y n + 3 7 6 y n 2 因而，由上面给出的定义得： n m o = l + 4 7 6 y n p 0 = 3 + 3 0 7 6 y ( 1 y 1 5 、 n p 0 = 1 5 + 4 7 6 y ( y 1 5 、 ( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) 由于燃烧是在容积不变的情况下发生的，根据2 , 2 1 节所述，得出 q = 一眇。+ 2 ( 1 t s - y ) 2 8 1 4 0 0 n 篇o 式中 c m ：坐坠+ 坚 n m on p o ( 4 1 9 ) 对于y 值由方程( 4 1 8 ) 确定n m o ，n p o ；c m 只不过是一个标尺系数，把摩 尔数减到大小适应发动机，只要n m ，n x 均为已知，或对于第一个循环假设在 n x 的情况下就可求出标尺系数c m 。 表4 1 说明计算的快速收敛。相应的功率与热效率列于表4 2 。 理想奥托循环，化学标准c h 一气混合物 c r = 1 2 ，v d i s p = 4 9 9 c c ，p 1 = l a t m ，t m = 3 0 0 k 循 t l ( kt 2 ( k t 3 ( k ) t 4 ( k ) t 5 ( k ) p 2 ( a t m )p 3 ( a t m ) p 4 ( a t m )k rk pn m 环 n m + n x l3 06 5 83 1 6 71 8 6 71 2 9 51 9 81 0 1 6 61 31 21 0 0 oo64 23 27 2 03 1 5 21 8 5 71 3 1 31 9 89 1 76 01 31 20 9 7 864 33 27 2 03 1 5 31 8 5 81 3 1 31 9 89 1 76 0l - 31 - 20 9 7 864 表4 一l + 删值表示在第一个循环之后，9 7 的反应气体均为燃料与空气，只 有3 残余废气。 理想奥托循环 循环功率( k w )平均有效压力 r lr h ( a t m ) 10 6 16 5 11 7 0 2o 6 16 5 11 5 3 3o 6 16 5 11 5 3 表4 2 功率与热效率 热效率可由下式计算 w n 疆n m 0 2 可面 ( 4 2 0 ) 因此，得出： 器= 丽c r 一爿篙铷胁4 ) ) 七叫留) ) ( 4 - 2 1 ) 上式方程中，压缩比，压力，温度，摩尔比都是集中参数，发动机的大小对 其无影响。 当压缩比增加时，压缩冲程期间发动机中的残余废气的数量减少，压缩开始 气缸温度，1 也是如此。当压缩比增加时，这两个因素结合起来使功率与热效率 增加，把由这些计算所得的热效率列于表4 - 3 。 理想奥托循环压缩比的影响，化学标准 h a 气混合物，1 6 0 0 0 r p m v d i s p = 4 9 9 c c ，p 1 = l a t m ，t m = 3 0 0 k c rn m 功率 t l ( k )t 3 ( k )v s ( k )p 3 ( a t m )叩m n m 七n x( k w ) 34 l l 2 9 4 41 6 0 22 2 7o 9 10 3 94 1 ，2 53 5 73 0 4 21 4 5 04 5 20 9 50 4 74 9 6 73 3 83 1 0 51 3 6 86 8 20 9 60 5 55 8 3 93 2 83 1 5 31 3 1 39 1 70 9 7o 6 l 6 5 1 1 13 2 23 1 9 41 2 7 31 1 5 o0 9 80 6 26 6 2 1 23 1 6 3 2 4 61 2 2 21 3 20 9 90 6 67 0 8 1 33 0 83 2 8 41 1 8 31 4 60 9 80 6 57 2 1 1 53 0 23 3 1 61 1 4 71 6 80 9 70 6 4 7 3 5 4 2 进气和排气过程 表4 3 发动机工作时排气和进气过程的分析是建立在活塞运动非常缓慢的假设基 础之e 的。转子以有限的速度运动，速度可以变快；当速度变快时，转子的运动 将对其性能产生重大的影响。在本章中，排气和进气冲程将进行重新研究。表示 进气和排气过程，设有一个控制容积分析使问题容易解决一些。 4 2 1 理论模型 活塞从右移动到左边。当发动机容积为时，压力只和温度t 均为已知， 同时也己知废气的质量吖。；在某一时刻r ，发动机状况取决于p 、从碍口m ， 而在过一时刻r + 讲，这些都变为p + 卯、矿+ d v , t + d 卿肘+ d m 。质量守恒 必须使一d m 在时间间隔西离开气缸。( 显然，m 减少，因l t t s d m 为负值) 。设r 表示排气管和曲轴箱的压力。在时间f ，控制容积中的能量为： m c 。t( a ) 在时间间隔出中，离开控制容积的能量为 一d 协。t ( b ) 同时，由力f 所做的功进入控制容积 f d x = ( p 一尸o ) 4 。d x = 一( p r ) d r ( c ) 式中爿。为活塞面积，出如图中所示为正值。在d t 时，某些空气州。将 进入控制容积，带入能量 。d n 。= ( “。+ p 。v 。) 州。= “。d n 。一p o d v( d ) 假定没有热量传到控制容积边界。在时间t + 西控制容积中的能量为 ( m + d m ) c ，( r + d t ) + “。d 。 ( e ) 用这些项次表示，能量守恒的表达式可写成 ( 日) 一( b ) + ( c ) + ( d ) = ( e ) 代入每一项，消项并删去表达式( e ) 中的第二项，方程简化为 一p d v + ( c 。一c ，) r d m m c ，d t = 0 将废气作为理想气体，因此 d pd vd md t + = + pvmt 消去最后两个方程之间的d t 古k 塑p + 坐v 一丝m = 。 p 。 方程( 1 ) 可以立即积分，得出 七：生 c r p ( 面v ) = p v b = 常数 发动机内的气体会处于绝热的、可逆变化的状态。将方程( 1 ) 写成工作形式 竺d t = k , p ( 1d m id 讲v ) ( ( 2 ) 回到进气冲程，进行同样形式处理，在时间r 控制容积中的能量为 m c 。t + 珏q d nn - 与n m d m ( 正值) 一起进入的能量为 c p l d m 式中乙为进气管中气体的温度。由于力，作用的结果，进入控制容积的能量为 一融= 一( p r ) 爿。d x = - ( p p o ) d v 宝粤璺、4 1 中所示为正值。空气由于活塞运动排出控制容积并随活塞运动产生 的能量为 矗。d n 。= ( 。+ p o v 。o ) a n 。= u a d n 。+ p 0 d 矿 而在时间f + d t 控制容积中的能量为 ( m + d m ) c ，f + d t ) 根据能量守恒表达式，上列式子变为： 昙警+ 詈譬邶等一了t 百a m = 。 c v 和r 与气缸中气体有关，而c ，则与进气管中气体有关，设 生：舡 c 。 则对于进气冲程的工作形式为 等吐( 等i d m p ，d 甜v ) 当方程( 1 ) 、( 2 ) 两者都需要质量流量值警它可由流体力学的计算结果求得， 即： 当气体在| p 、，具有比热比t 流经个开启的有效面积一，在压力p n 下进入 一个区域，