微型往復(fù)活塞式內(nèi)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(lǐng)域的廣泛需要。從能量密度和轉(zhuǎn)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(dá)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(fù)活塞式內(nèi)燃機由于結(jié)構(gòu)簡單，有可能成為實用化微能源動力系統(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)燃機性能測試平臺。以排量0.99 cc的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機為研究對象，對微型活塞式內(nèi)燃機性能進(jìn)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(nèi)燃機的技術(shù)特征，評估其結(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(fù)荷不高；但其平均機械損失壓力受轉(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其它類比機型。
　　2因微尺寸結(jié)構(gòu)限制，微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機采用獨特的鉑絲熾熱點火燃燒模式。為此構(gòu)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(jié)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(nèi)燃機延長約20度；由于燃燒始點變化很大，導(dǎo)致其燃燒過程很不穩(wěn)定；改善缸內(nèi)燃燒狀況成為微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)縮減的關(guān)鍵問題之一。在此基礎(chǔ)上，設(shè)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(jìn)行比較。兩種燃燒模式對比分析表明：微型往復(fù)活塞式內(nèi)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(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(shè)計了甲醇和乙醇混合不同比例硝基甲烷的燃燒測試，結(jié)果表明：硝基甲烷可調(diào)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(jìn)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(diào)節(jié)鉑絲熾熱強度有助于提高微型往復(fù)活塞式內(nèi)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(fù)活塞式內(nèi)燃機工作過程，熱力學(xué)分析表明：微型活塞式內(nèi)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(nèi)燃機進(jìn)一步微細(xì)化的方向是提高運行轉(zhuǎn)速，并力圖改善其充量交換和缸內(nèi)燃燒過程。此外，活塞泄漏間隙和壓縮比對微型活塞式內(nèi)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(dǎo)致發(fā)動機性能降低。
　　6為探索微型活塞式內(nèi)燃機的最小極限尺寸，數(shù)值模擬微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)尺寸縮減的“Sca

9、le Down”過程。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(dǎo)致比功率和平均指示壓力呈下降趨勢；熱力學(xué)數(shù)值推演得出微型活塞式內(nèi)燃機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