雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程理論研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)于直升機(jī)、單人飛行器、飛行汽車、無人機(jī)等高緊湊性移動(dòng)平臺(tái)將有更多的需求，而這些裝備無不要求極高的機(jī)動(dòng)性；同時(shí)，隨著石油資源的日益枯竭、燃料價(jià)格的上漲以及對(duì)排放要求的日益苛刻，要求作為主要?jiǎng)恿敵鲅b置的發(fā)動(dòng)機(jī)更加注重燃料的經(jīng)濟(jì)性。通過發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化不僅可以提高移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性，而且可以減少耗油量，改善排放性能。發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化可以通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等方式實(shí)現(xiàn)，主要目的是提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度

2、即發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率指標(biāo)或功重比指標(biāo)。傳統(tǒng)往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)由于受機(jī)構(gòu)限制，存在著諸多固有缺陷，其功率密度基本沒有大幅度提高的可能；三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)雖然具有較高的功率密度和較大的功重比，但是其固有的結(jié)構(gòu)缺陷和密封問題使其燃油消耗率和穩(wěn)定性都不理想。在世界發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)變革的新起點(diǎn)上，抓住機(jī)遇盡快研制出兼具往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率密度等優(yōu)點(diǎn)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)刻不容緩。
　　論文研究來源于部委級(jí)重大項(xiàng)目，在差速式發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上改

3、進(jìn)創(chuàng)新，課題組提出了一款新型的雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，克服了現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)存在的主要不足并保留了諸多傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)具有作功密度高、排量大、體積小、重量輕等諸多優(yōu)良特性，從而有效地提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化程度。本文將對(duì)雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中存在若干理論問題進(jìn)行研究，為工程樣機(jī)的試制及進(jìn)行點(diǎn)火運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。本文的主要內(nèi)容如下：
　?。?）設(shè)計(jì)并研究雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的總體方案。首先研究雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)

4、機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，對(duì)其中的能量轉(zhuǎn)換組件和差速驅(qū)動(dòng)組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理分析；探討雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，針對(duì)其工作過程的特殊性，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)四沖程循環(huán)的過程；為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的順利進(jìn)行，設(shè)計(jì)了潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等輔機(jī)裝置，并對(duì)氣缸進(jìn)行了密封性設(shè)計(jì)及分析；介紹了燃燒放熱率、零維模型、準(zhǔn)維模型及多維模型的特點(diǎn)，針對(duì)雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理，探討了對(duì)其燃燒過程進(jìn)行模擬的策略。雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在獲取高功率密度等性能方面

5、具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：作功密度高；密封性好；燃燒方式多樣；工作腔的形狀有利于燃燒；動(dòng)力缸傳力特性好，功率、扭矩輸出平穩(wěn)。雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是一款具有重大研發(fā)潛力的新型高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)。
　?。?）建立雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的零維模型。分析雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程及其熱力學(xué)特性，在模型假定條件的基礎(chǔ)上，建立能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程等基本熱力學(xué)微分方程；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)單個(gè)工作腔的工作過程進(jìn)行熱力學(xué)分析，把整個(gè)熱力學(xué)過

6、程分為壓縮、燃燒、膨脹、排氣、壓縮-膨脹和進(jìn)氣等6個(gè)子階段進(jìn)行分析；然后建立求解熱力學(xué)微分方程組所需的相關(guān)約束關(guān)系和邊界條件，最終完成零維燃燒模型的創(chuàng)建。
　?。?）基于 MATLAB/Simulink仿真計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的零維燃燒模型。分析雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程零維模型的求解方法，根據(jù)試制樣機(jī)的基本性能參數(shù)確定仿真模型必須的初始參數(shù)；利用狀態(tài)流函數(shù)模塊Stateflow進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作時(shí)序的判別；根據(jù)邊界條件的數(shù)學(xué)模

7、型，建立邊界條件的仿真模型；利用微分方程的求解方法，建立零維模型的主體仿真模型，并分別建立壓縮、燃燒等6個(gè)子階段仿真模型；最后根據(jù)主軸轉(zhuǎn)角的變化，完成在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，對(duì)零維模型的數(shù)值計(jì)算。計(jì)算得出工作腔內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量、溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律。進(jìn)而在理論上得到雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的功重比、升功率等性能參數(shù)的數(shù)值解，科學(xué)地驗(yàn)證了雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)是一款高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)。
　?。?）利用 CFD技術(shù)對(duì)雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行多維模型的

8、數(shù)值模擬。建立多維模型所需的物理模型，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)不斷變化的工作腔進(jìn)行了網(wǎng)格劃分；在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了多維模型所需的基本控制方程等數(shù)學(xué)模型；分析模擬工作腔內(nèi)復(fù)雜流場(chǎng)所需的湍流模型，并對(duì)燃燒模型、初始條件和邊界條件等進(jìn)行了分析；利用FLUENT軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了工作腔內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)的變化規(guī)律，證實(shí)了環(huán)形氣缸的設(shè)計(jì)更有利于燃燒，并與零維模型數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩組數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證彼此的合理性，從而證明兩個(gè)模型均

9、是可用的，可以作為后續(xù)分析的理論基礎(chǔ)。
　?。?）在已研究的發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，研究差速驅(qū)動(dòng)組件的動(dòng)力學(xué)特性。首先定義其基本的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；運(yùn)用矢量力學(xué)分析法建立其主要構(gòu)件的力、力矩平衡方程組；進(jìn)而簡(jiǎn)化成矩陣形式的動(dòng)態(tài)靜力學(xué)理論計(jì)算模型；利用已研究的工作腔內(nèi)工質(zhì)壓力的計(jì)算數(shù)據(jù)，將此壓力作為施加于兩個(gè)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力輸入；在主軸轉(zhuǎn)速一定的條件下分析主要構(gòu)件的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)規(guī)律并利用Matlab編程求解，進(jìn)而求解差速驅(qū)動(dòng)組件主要構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)特

10、性。利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)差速驅(qū)動(dòng)組件的運(yùn)行過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，求解出相關(guān)約束力的變化規(guī)律曲線，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，校驗(yàn)所建立理論模型的合理性。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，可以為后續(xù)的零部件的試制及強(qiáng)度校驗(yàn)提供理論支撐。
　?。?）分析雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的組成，探討了發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的控制策略，進(jìn)而研制原理樣機(jī)，進(jìn)行初步的試驗(yàn)分析和冷車測(cè)試。驗(yàn)證雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的差速運(yùn)動(dòng)特征，分析并驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性