本文關(guān)鍵詞：微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)最小極限的研究

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【摘要】：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Li SO2電池系統(tǒng)競爭的潛力(烴類燃料的低熱值可達(dá)到105 k J/kg量級(jí),而Li SO2電池的能量密度僅為102 k J/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,微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單,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)行測評(píng),并利用相似性原理類比各種宏觀尺度機(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)建燃燒測試平臺(tái),測試診斷微空間鉑絲熾熱點(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,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)延長約20度;由于燃燒始點(diǎn)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(jī)結(jié)構(gòu)縮減的關(guān)鍵問題之一。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穩(wěn)定,很難通過熱力過程組織實(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(jì)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(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。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,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)�？傮w而言,通過調(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(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“Scale 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(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;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氣和排氣持續(xù)期,還可將微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的最小極限缸徑尺寸降低到4 mm以下。
【關(guān)鍵詞】：微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī) 微能源動(dòng)力系統(tǒng) 熾熱點(diǎn)火 燃燒診斷 極限尺寸
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK401
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 緒論11-25
• 1.1 課題研究背景11-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-22
• 1.2.1 微能源動(dòng)力系統(tǒng)研究現(xiàn)狀13-19
• 1.2.2 微尺度燃燒研究現(xiàn)狀19-22
• 1.3 課題來源和研究意義22-23
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容23-25
• 2 微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的性能測評(píng)25-45
• 2.1 微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)及原理25-28
• 2.1.1 微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理25-26
• 2.1.2 扭矩組合差量測量法26-28
• 2.2 微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)性能測試平臺(tái)構(gòu)建與性能測試28-38
• 2.2.1 微型試驗(yàn)臺(tái)測試系統(tǒng)的構(gòu)建29-32
• 2.2.2 微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的性能測量32-33
• 2.2.3 測試結(jié)果與評(píng)價(jià)33-38
• 2.3 微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)性能參數(shù)的相似性類比分析38-43
• 2.3.1 相似性評(píng)價(jià)方法38-41
• 2.3.2 數(shù)據(jù)分析41-43
• 2.4 本章小結(jié)43-45
• 3 微空間鉑絲熾熱點(diǎn)火燃燒和壓燃燃燒的測試診斷45-67
• 3.1 燃燒測試平臺(tái)的構(gòu)建45-48
• 3.2 鉑絲熾熱點(diǎn)火基本燃燒特性的測試48-57
• 3.2.1 鉑絲熾熱點(diǎn)火燃燒特性診斷分析48-52
• 3.2.2 與常規(guī)尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性類比分析52-57
• 3.3 壓燃燃燒的實(shí)現(xiàn)與燃燒特性的測試57-64
• 3.3.1 壓燃燃燒模式的實(shí)現(xiàn)57-60
• 3.3.2 壓燃燃燒模式的基本特性60-63
• 3.3.3 燃燒模式適應(yīng)性分析63-64
• 3.4 本章小結(jié)64-67
• 4 改善微空間鉑絲熾熱點(diǎn)火燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究67-87
• 4.1 甲醇和乙醇燃料微空間燃燒特性測試67-70
• 4.2 添加劑對(duì)鉑絲熾熱點(diǎn)火微空間燃燒特性的影響70-80
• 4.2.1 硝基甲烷和雙氧水的助燃效果70-74
• 4.2.2 硝基甲烷添加比例對(duì)助燃效能的影響74-80
• 4.3 鉑絲通電特性對(duì)微空間燃燒特性的影響80-86
• 4.3.1 電流強(qiáng)度因素的測試80-83
• 4.3.2 不同燃料因素的測試83-86
• 4.4 本章小結(jié)86-87
• 5 微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)模擬87-107
• 5.1 活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)模擬數(shù)學(xué)模型87-90
• 5.2 模型參數(shù)及其試驗(yàn)測試90-96
• 5.2.1 摩擦損失模型92-93
• 5.2.2 氣體交換模型93-95
• 5.2.3 活塞泄漏模型95-96
• 5.3 循環(huán)模型的驗(yàn)證96-98
• 5.4 熱力循環(huán)的分析98-105
• 5.4.1 性能和效率的分析98-100
• 5.4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的分析100-105
• 5.5 本章小結(jié)105-107
• 6 微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)極限尺寸的數(shù)值推演107-119
• 6.1 Scale Down模型條件分析107-108
• 6.2 微型往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)極小化數(shù)值推演108-111
• 6.3 極限尺寸往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的性能優(yōu)化111-116
• 6.3.1 曲軸箱壓縮比111-112
• 6.3.2 氣缸壓縮比112-114
• 6.3.3 掃氣和排氣相位114-116
• 6.4 本章小結(jié)116-119
• 7 結(jié)論和展望119-123
• 7.1 全文總結(jié)119-121
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)121-122
• 7.3 工作展望122-123
• 致謝123-125
• 參考文獻(xiàn)125-135
• 附錄135-136
• A. 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄135-136
• B. 作者在攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目136
• C. 作者在攻讀博士學(xué)位期間所獲獎(jiǎng)勵(lì)136

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：767616