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《重庆大学》 2015年
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微型往复活塞式内燃机最小极限的研究

尚会超  
【摘要】:微能源动力系统(Power MEMS/Micro Power Generators)可实现微尺度/中介尺度下超高能量密度的能源动力输出,从而满足微型飞行器、便携式装备等领域的广泛需要。从能量密度和转换效率来看,中介尺度液态烃类燃料气体动力循环微型热机具有同Li SO2电池系统竞争的潜力(烃类燃料的低热值可达到105 k J/kg量级,而Li SO2电池的能量密度仅为102 k J/kg量级),因而对基于烃类燃料的微型热机研究广泛。其中,微型往复活塞式内燃机由于结构简单,有可能成为实用化微能源动力系统的结构形式。有鉴于此,本文提出微型往复活塞式内燃机最小极限的研究,在排量0.99 cc的微型往复活塞式内燃机结构形式的基础上,探索其结构尺寸进一步缩减所能形成的中介尺度往复活塞式内燃机的最小极限。主要内容如下:1基于扭矩组合差量法原理,建立微型活塞式内燃机性能测试平台。以排量0.99 cc的往复活塞式内燃机为研究对象,对微型活塞式内燃机性能进行测评,并利用相似性原理类比各种宏观尺度机型的性能数据,从而分析微型活塞式内燃机的技术特征,评估其结构尺寸进一步缩减的可能。结果表明:微型活塞式内燃机平均有效压力显著低于其它常规尺寸机型,燃油消耗率高、有效热效率低、热负荷不高;但其平均机械损失压力受转速升高的影响不显著,故能达到较高工作转速,并使其单位容积功率密度反而超过其它类比机型。2因微尺寸结构限制,微型往复活塞式内燃机采用独特的铂丝炽热点火燃烧模式。为此构建燃烧测试平台,测试诊断微空间铂丝炽热点火燃烧的基本特性。结果表明:铂丝炽热点火燃烧的放热速率较低、燃烧持续期很长,其快速燃烧期较常规尺寸火花点火活塞式内燃机延长约20度;由于燃烧始点变化很大,导致其燃烧过程很不稳定;改善缸内燃烧状况成为微型往复活塞式内燃机结构缩减的关键问题之一。在此基础上,设计压燃燃烧运行工况的燃烧测试,并与铂丝炽热点火燃烧模式进行比较。两种燃烧模式对比分析表明:微型往复活塞式内燃机压燃燃烧模式的燃烧放热特征明显优于铂丝炽热点火模式;但压燃模式的燃烧极不稳定,很难通过热力过程组织实现稳定的压燃燃烧。有鉴于此,提出融合铂丝炽热点火燃烧和压燃燃烧的混合燃烧模式。3针对铂丝炽热点火燃烧模式的失火率高、放热速率低、燃烧持续期长等问题,提出了通过醇类燃料成分的调整改善其微空间燃烧特征的途径以适应燃烧空间进一步缩减的要求。首先,分别设计了甲醇、乙醇添加硝基甲烷、双氧水添加剂的燃烧测试,测试表明:硝基甲烷使着火时刻提前、燃烧放热速率加快、循环变动降低;而双氧水却使燃烧速率减慢、失火率升高。为分析硝基甲烷对铂丝炽热点火燃烧的助燃机理,分别设计了甲醇和乙醇混合不同比例硝基甲烷的燃烧测试,结果表明:硝基甲烷可调节燃烧始点从而影响甲醇、乙醇铂丝炽热点火燃烧的平均指示压力及其循环变动;硝基甲烷的添加所产生的燃烧始点的提前及燃烧持续期的缩短是循环变动降低的重要原因;但硝基甲烷比例过高时,铂丝炽热点火模式的燃烧始点位置分散、循环变动增大、平均指示压力下降。4面向燃烧空间进一步缩减的要求,提出增强铂丝炽热强度改善微空间铂丝炽热点火燃烧特征的途径。试验表明:提高铂丝炽热强度可使燃烧始点提前,但循环变动范围却明显增加;燃烧持续期有缩短趋势,但燃烧放热率反而降低;在失火率较高的状态下,提高铂丝炽热强度可明显减少失火循环。总体而言,通过调节铂丝炽热强度有助于提高微型往复活塞式内燃机在极限微空间条件下的燃烧稳定性。5采用循环模拟数值方法分析微型往复活塞式内燃机工作过程,热力学分析表明:微型活塞式内燃机的平均有效压力低于其它常规尺寸机型的主要原因是充气效率低;而有效热效率低下的原因除了充气效率低和活塞泄漏之外,主要还是混合气较浓、燃烧不充分以及燃油在扫气过程中直接排出气缸所致。因此,微型活塞式内燃机进一步微细化的方向是提高运行转速,并力图改善其充量交换和缸内燃烧过程。此外,活塞泄漏间隙和压缩比对微型活塞式内燃机的性能有重要影响,采用过高的压缩比会使泄漏损失增大,从而导致发动机性能降低。6为探索微型活塞式内燃机的最小极限尺寸,数值模拟微型往复活塞式内燃机结构尺寸缩减的“Scale Down”过程。模拟结果表明:随着缸径缩减,充量交换特性更有利于微型往复活塞式内燃机高速工况运行。但活塞间隙横截面积与气缸横截面积的比值及燃烧室的面容比增大,使单位容积活塞漏气量和传热损失率增加,导致比功率和平均指示压力呈下降趋势;热力学数值推演得出微型活塞式内燃机最小极限缸径尺寸在4~5 mm之间,工作转速在40000~50000 r/min范围之内。在“Scale Down”极限尺寸基础上,若适当降低气缸和曲轴箱压缩比并缩短扫气和排气持续期,还可将微型往复活塞式内燃机的最小极限缸径尺寸降低到4 mm以下。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TK401

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