微型往復活塞式內燃機最小極限的研究.pdf

1、微能源動力系統(tǒng)（Power MEMS/Micro Power Generators）可實現(xiàn)微尺度/中介尺度下超高能量密度的能源動力輸出，從而滿足微型飛行器、便攜式裝備等領域的廣泛需要。從能量密度和轉換效率來看，中介尺度液態(tài)烴類燃料氣體動力循環(huán)微型熱機具有同 LiSO2電池系統(tǒng)競爭的潛力（烴類燃料的低熱值可達到105 kJ/kg量級，而LiSO2電池的能量密度僅為102 kJ/kg量級），因而對基于烴類燃料的微型熱機研究廣泛。其中，微型往

2、復活塞式內燃機由于結構簡單，有可能成為實用化微能源動力系統(tǒng)的結構形式。有鑒于此，本文提出微型往復活塞式內燃機最小極限的研究，在排量0.99 cc的微型往復活塞式內燃機結構形式的基礎上，探索其結構尺寸進一步縮減所能形成的中介尺度往復活塞式內燃機的最小極限。主要內容如下：
　　1基于扭矩組合差量法原理，建立微型活塞式內燃機性能測試平臺。以排量0.99 cc的往復活塞式內燃機為研究對象，對微型活塞式內燃機性能進行測評，并利用相似性原理類

3、比各種宏觀尺度機型的性能數(shù)據(jù)，從而分析微型活塞式內燃機的技術特征，評估其結構尺寸進一步縮減的可能。結果表明：微型活塞式內燃機平均有效壓力顯著低于其它常規(guī)尺寸機型，燃油消耗率高、有效熱效率低、熱負荷不高；但其平均機械損失壓力受轉速升高的影響不顯著，故能達到較高工作轉速，并使其單位容積功率密度反而超過其它類比機型。
　　2因微尺寸結構限制，微型往復活塞式內燃機采用獨特的鉑絲熾熱點火燃燒模式。為此構建燃燒測試平臺，測試診斷微空間鉑絲熾熱

4、點火燃燒的基本特性。結果表明：鉑絲熾熱點火燃燒的放熱速率較低、燃燒持續(xù)期很長，其快速燃燒期較常規(guī)尺寸火花點火活塞式內燃機延長約20度；由于燃燒始點變化很大，導致其燃燒過程很不穩(wěn)定；改善缸內燃燒狀況成為微型往復活塞式內燃機結構縮減的關鍵問題之一。在此基礎上，設計壓燃燃燒運行工況的燃燒測試，并與鉑絲熾熱點火燃燒模式進行比較。兩種燃燒模式對比分析表明：微型往復活塞式內燃機壓燃燃燒模式的燃燒放熱特征明顯優(yōu)于鉑絲熾熱點火模式；但壓燃模式的燃燒極不

5、穩(wěn)定，很難通過熱力過程組織實現(xiàn)穩(wěn)定的壓燃燃燒。有鑒于此，提出融合鉑絲熾熱點火燃燒和壓燃燃燒的混合燃燒模式。
　　3針對鉑絲熾熱點火燃燒模式的失火率高、放熱速率低、燃燒持續(xù)期長等問題，提出了通過醇類燃料成分的調整改善其微空間燃燒特征的途徑以適應燃燒空間進一步縮減的要求。首先，分別設計了甲醇、乙醇添加硝基甲烷、雙氧水添加劑的燃燒測試，測試表明：硝基甲烷使著火時刻提前、燃燒放熱速率加快、循環(huán)變動降低；而雙氧水卻使燃燒速率減慢、失火率升高

6、。為分析硝基甲烷對鉑絲熾熱點火燃燒的助燃機理，分別設計了甲醇和乙醇混合不同比例硝基甲烷的燃燒測試，結果表明：硝基甲烷可調節(jié)燃燒始點從而影響甲醇、乙醇鉑絲熾熱點火燃燒的平均指示壓力及其循環(huán)變動；硝基甲烷的添加所產(chǎn)生的燃燒始點的提前及燃燒持續(xù)期的縮短是循環(huán)變動降低的重要原因；但硝基甲烷比例過高時，鉑絲熾熱點火模式的燃燒始點位置分散、循環(huán)變動增大、平均指示壓力下降。
　　4面向燃燒空間進一步縮減的要求，提出增強鉑絲熾熱強度改善微空間鉑絲

7、熾熱點火燃燒特征的途徑。試驗表明：提高鉑絲熾熱強度可使燃燒始點提前，但循環(huán)變動范圍卻明顯增加；燃燒持續(xù)期有縮短趨勢，但燃燒放熱率反而降低；在失火率較高的狀態(tài)下，提高鉑絲熾熱強度可明顯減少失火循環(huán)?？傮w而言，通過調節(jié)鉑絲熾熱強度有助于提高微型往復活塞式內燃機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活塞式內燃機工作過程，熱力學分析表明：微型活塞式內燃機的平均有效壓力低于其它常規(guī)尺寸機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程中直接排出氣缸所致。因此，微型活塞式內燃機進一步微細化的方向是提高運行轉速，并力圖改善其充量交換和缸內燃燒過程。此外，活塞泄漏間隙和壓縮比對微型活塞式內燃機的性能有重要影響，采用過高的壓縮比會使泄漏損失增大，從而導致發(fā)動機性能降低。
　　6為探索微型活塞式內燃機的最小極限尺寸，數(shù)值模擬微型往復活塞式內燃機結構尺寸縮減的“Sca

9、le Down”過程。模擬結果表明：隨著缸徑縮減，充量交換特性更有利于微型往復活塞式內燃機高速工況運行。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，導致比功率和平均指示壓力呈下降趨勢；熱力學數(shù)值推演得出微型活塞式內燃機最小極限缸徑尺寸在4~5 mm之間，工作轉速在40000~50000 r/min范圍之內。在“Scale Down”極限尺寸基礎上，若適當降低氣缸和曲軸箱壓縮比并縮短掃