微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)最小極限的研究.pdf

1、微能源動(dòng)力系統(tǒng)（Power MEMS/Micro Power Generators）可實(shí)現(xiàn)微尺度/中介尺度下超高能量密度的能源動(dòng)力輸出，從而滿足微型飛行器、便攜式裝備等領(lǐng)域的廣泛需要。從能量密度和轉(zhuǎn)換效率來(lái)看，中介尺度液態(tài)烴類燃料氣體動(dòng)力循環(huán)微型熱機(jī)具有同 LiSO2電池系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的潛力（烴類燃料的低熱值可達(dá)到105 kJ/kg量級(jí)，而LiSO2電池的能量密度僅為102 kJ/kg量級(jí)），因而對(duì)基于烴類燃料的微型熱機(jī)研究廣泛。其中，微型往

2、復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有可能成為實(shí)用化微能源動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。有鑒于此，本文提出微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)最小極限的研究，在排量0.99 cc的微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，探索其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)一步縮減所能形成的中介尺度往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的最小極限。主要內(nèi)容如下：
　　1基于扭矩組合差量法原理，建立微型活塞式內(nèi)燃機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)。以排量0.99 cc的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)微型活塞式內(nèi)燃機(jī)性能進(jìn)行測(cè)評(píng)，并利用相似性原理類

3、比各種宏觀尺度機(jī)型的性能數(shù)據(jù)，從而分析微型活塞式內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)特征，評(píng)估其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)一步縮減的可能。結(jié)果表明：微型活塞式內(nèi)燃機(jī)平均有效壓力顯著低于其它常規(guī)尺寸機(jī)型，燃油消耗率高、有效熱效率低、熱負(fù)荷不高；但其平均機(jī)械損失壓力受轉(zhuǎn)速升高的影響不顯著，故能達(dá)到較高工作轉(zhuǎn)速，并使其單位容積功率密度反而超過(guò)其它類比機(jī)型。
　　2因微尺寸結(jié)構(gòu)限制，微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)采用獨(dú)特的鉑絲熾熱點(diǎn)火燃燒模式。為此構(gòu)建燃燒測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試診斷微空間鉑絲熾熱

4、點(diǎn)火燃燒的基本特性。結(jié)果表明：鉑絲熾熱點(diǎn)火燃燒的放熱速率較低、燃燒持續(xù)期很長(zhǎng)，其快速燃燒期較常規(guī)尺寸火花點(diǎn)火活塞式內(nèi)燃機(jī)延長(zhǎng)約20度；由于燃燒始點(diǎn)變化很大，導(dǎo)致其燃燒過(guò)程很不穩(wěn)定；改善缸內(nèi)燃燒狀況成為微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)縮減的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)壓燃燃燒運(yùn)行工況的燃燒測(cè)試，并與鉑絲熾熱點(diǎn)火燃燒模式進(jìn)行比較。兩種燃燒模式對(duì)比分析表明：微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)壓燃燃燒模式的燃燒放熱特征明顯優(yōu)于鉑絲熾熱點(diǎn)火模式；但壓燃模式的燃燒極不

5、穩(wěn)定，很難通過(guò)熱力過(guò)程組織實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的壓燃燃燒。有鑒于此，提出融合鉑絲熾熱點(diǎn)火燃燒和壓燃燃燒的混合燃燒模式。
　　3針對(duì)鉑絲熾熱點(diǎn)火燃燒模式的失火率高、放熱速率低、燃燒持續(xù)期長(zhǎng)等問(wèn)題，提出了通過(guò)醇類燃料成分的調(diào)整改善其微空間燃燒特征的途徑以適應(yīng)燃燒空間進(jìn)一步縮減的要求。首先，分別設(shè)計(jì)了甲醇、乙醇添加硝基甲烷、雙氧水添加劑的燃燒測(cè)試，測(cè)試表明：硝基甲烷使著火時(shí)刻提前、燃燒放熱速率加快、循環(huán)變動(dòng)降低；而雙氧水卻使燃燒速率減慢、失火率升高

6、。為分析硝基甲烷對(duì)鉑絲熾熱點(diǎn)火燃燒的助燃機(jī)理，分別設(shè)計(jì)了甲醇和乙醇混合不同比例硝基甲烷的燃燒測(cè)試，結(jié)果表明：硝基甲烷可調(diào)節(jié)燃燒始點(diǎn)從而影響甲醇、乙醇鉑絲熾熱點(diǎn)火燃燒的平均指示壓力及其循環(huán)變動(dòng)；硝基甲烷的添加所產(chǎn)生的燃燒始點(diǎn)的提前及燃燒持續(xù)期的縮短是循環(huán)變動(dòng)降低的重要原因；但硝基甲烷比例過(guò)高時(shí)，鉑絲熾熱點(diǎn)火模式的燃燒始點(diǎn)位置分散、循環(huán)變動(dòng)增大、平均指示壓力下降。
　　4面向燃燒空間進(jìn)一步縮減的要求，提出增強(qiáng)鉑絲熾熱強(qiáng)度改善微空間鉑絲

7、熾熱點(diǎn)火燃燒特征的途徑。試驗(yàn)表明：提高鉑絲熾熱強(qiáng)度可使燃燒始點(diǎn)提前，但循環(huán)變動(dòng)范圍卻明顯增加；燃燒持續(xù)期有縮短趨勢(shì)，但燃燒放熱率反而降低；在失火率較高的狀態(tài)下，提高鉑絲熾熱強(qiáng)度可明顯減少失火循環(huán)。總體而言，通過(guò)調(diào)節(jié)鉑絲熾熱強(qiáng)度有助于提高微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)在極限微空間條件下的燃燒穩(wěn)定性。
　　5采用循環(huán)模擬數(shù)值方法分析微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程，熱力學(xué)分析表明：微型活塞式內(nèi)燃機(jī)的平均有效壓力低于其它常規(guī)尺寸機(jī)型的主要原因是充氣效

8、率低；而有效熱效率低下的原因除了充氣效率低和活塞泄漏之外，主要還是混合氣較濃、燃燒不充分以及燃油在掃氣過(guò)程中直接排出氣缸所致。因此，微型活塞式內(nèi)燃機(jī)進(jìn)一步微細(xì)化的方向是提高運(yùn)行轉(zhuǎn)速，并力圖改善其充量交換和缸內(nèi)燃燒過(guò)程。此外，活塞泄漏間隙和壓縮比對(duì)微型活塞式內(nèi)燃機(jī)的性能有重要影響，采用過(guò)高的壓縮比會(huì)使泄漏損失增大，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低。
　　6為探索微型活塞式內(nèi)燃機(jī)的最小極限尺寸，數(shù)值模擬微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸縮減的“Sca

9、le Down”過(guò)程。模擬結(jié)果表明：隨著缸徑縮減，充量交換特性更有利于微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)高速工況運(yùn)行。但活塞間隙橫截面積與氣缸橫截面積的比值及燃燒室的面容比增大，使單位容積活塞漏氣量和傳熱損失率增加，導(dǎo)致比功率和平均指示壓力呈下降趨勢(shì)；熱力學(xué)數(shù)值推演得出微型活塞式內(nèi)燃機(jī)最小極限缸徑尺寸在4~5 mm之間，工作轉(zhuǎn)速在40000~50000 r/min范圍之內(nèi)。在“Scale Down”極限尺寸基礎(chǔ)上，若適當(dāng)降低氣缸和曲軸箱壓縮比并縮短掃