微型往复活塞式内燃机最小极限的研究

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1、微型往复活塞式内燃机最小极限的研究重庆大学博士学位论文学生姓名：尚会超指导教师：张力教授专业：机械工程学科门类：工学重庆大学汽车工程学院二O一五年三月StudyonMiniaturizationLimitofMicroReciprocatingInternalCombustionEngineAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByShang

2、HuichaoSupervisedbyProf.ZhangLiSpecialty:MechanicalEngineeringCollegeofAutomotiveEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMarch,2015中文摘要摘要微能源动力系统（PowerMEMS/MicroPowerGenerators）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

3、动力循环5微型热机具有同LiSO2电池系统竞争的潜力（烃类燃料的低热值可达到10kJ/kg2量级，而LiSO2电池的能量密度仅为10kJ/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0.99cc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

4、试平台。以排量0.99cc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

5、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

6、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I重庆大学博士学位论文变动降低；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

7、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

8、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