双转子活塞发动机工作过程理论研究

摘要

随着现代工业的发展和人民生活水平的提高，对于直升机、单人飞行器、飞行汽车、无人机等高紧凑性移动平台将有更多的需求，而这些装备无不要求极高的机动性；同时，随着石油资源的日益枯竭、燃料价格的上涨以及对排放要求的日益苛刻，要求作为主要动力输出装置的发动机更加注重燃料的经济性。通过发动机的轻量化不仅可以提高移动平台的机动性，而且可以减少耗油量，改善排放性能。发动机的轻量化可以通过改进结构、材料、制造工艺等方式实现，主要目的是提升发动机的功率密度即发动机的升功率指标或功重比指标。传统往复活塞式发动机由于受机构限制，存在着诸多固有缺陷，其功率密度基本没有大幅度提高的可能；三角转子发动机虽然具有较高的功率密度和较大的功重比，但是其固有的结构缺陷和密封问题使其燃油消耗率和稳定性都不理想。在世界发动机技术变革的新起点上，抓住机遇尽快研制出兼具往复活塞式发动机的稳定性和三角转子发动机的高功率密度等优点的新型发动机刻不容缓。
　　论文研究来源于部委级重大项目，在差速式发动机的基础上改进创新，课题组提出了一款新型的双转子活塞发动机，克服了现有发动机存在的主要不足并保留了诸多传统发动机成熟的设计经验。双转子活塞发动机具有作功密度高、排量大、体积小、重量轻等诸多优良特性，从而有效地提升了发动机的轻量化程度。本文将对双转子活塞发动机在工作过程中存在若干理论问题进行研究，为工程样机的试制及进行点火运转试验提供理论依据和技术指导。本文的主要内容如下：
　　（1）设计并研究双转子活塞发动机的总体方案。首先研究双转子活塞发动机的总体结构，对其中的能量转换组件和差速驱动组件进行结构设计和原理分析；探讨双转子活塞发动机的工作原理，针对其工作过程的特殊性，研究了发动机四冲程循环的过程；为了保证发动机工作循环的顺利进行，设计了润滑系统、冷却系统等辅机装置，并对气缸进行了密封性设计及分析；介绍了燃烧放热率、零维模型、准维模型及多维模型的特点，针对双转子活塞发动机的工作机理，探讨了对其燃烧过程进行模拟的策略。双转子活塞发动机与传统发动机相比，在获取高功率密度等性能方面具有如下技术优势：作功密度高；密封性好；燃烧方式多样；工作腔的形状有利于燃烧；动力缸传力特性好，功率、扭矩输出平稳。双转子活塞发动机是一款具有重大研发潜力的新型高功率密度发动机。
　　（2）建立双转子活塞发动机工作过程的零维模型。分析双转子活塞发动机的工作过程及其热力学特性，在模型假定条件的基础上，建立能量守恒方程、质量守恒方程和理想气体状态方程等基本热力学微分方程；对发动机气缸内单个工作腔的工作过程进行热力学分析，把整个热力学过程分为压缩、燃烧、膨胀、排气、压缩-膨胀和进气等6个子阶段进行分析；然后建立求解热力学微分方程组所需的相关约束关系和边界条件，最终完成零维燃烧模型的创建。
　　（3）基于 MATLAB/Simulink仿真计算发动机工作过程的零维燃烧模型。分析双转子活塞发动机工作过程零维模型的求解方法，根据试制样机的基本性能参数确定仿真模型必须的初始参数；利用状态流函数模块Stateflow进行状态转换，实现对工作时序的判别；根据边界条件的数学模型，建立边界条件的仿真模型；利用微分方程的求解方法，建立零维模型的主体仿真模型，并分别建立压缩、燃烧等6个子阶段仿真模型；最后根据主轴转角的变化，完成在一个工作循环内，对零维模型的数值计算。计算得出工作腔内工质的质量、温度、压力等状态参数的变化规律。进而在理论上得到双转子活塞发动机的功重比、升功率等性能参数的数值解，科学地验证了双转子活塞发动机确实是一款高功率密度发动机。
　　（4）利用 CFD技术对双转子活塞发动机进行多维模型的数值模拟。建立多维模型所需的物理模型，利用动网格技术对不断变化的工作腔进行了网格划分；在基本假设的基础上建立了多维模型所需的基本控制方程等数学模型；分析模拟工作腔内复杂流场所需的湍流模型，并对燃烧模型、初始条件和边界条件等进行了分析；利用FLUENT软件对发动机的工作过程进行数值模拟，得到了工作腔内部工质流动的变化规律，证实了环形气缸的设计更有利于燃烧，并与零维模型数值计算的结果进行对比，两组数据相互验证彼此的合理性，从而证明两个模型均是可用的，可以作为后续分析的理论基础。
　　（5）在已研究的发动机热力学特性的基础上，研究差速驱动组件的动力学特性。首先定义其基本的动力学参数；运用矢量力学分析法建立其主要构件的力、力矩平衡方程组；进而简化成矩阵形式的动态静力学理论计算模型；利用已研究的工作腔内工质压力的计算数据，将此压力作为施加于两个转子的动力输入；在主轴转速一定的条件下分析主要构件的质心运动规律并利用Matlab编程求解，进而求解差速驱动组件主要构件的动力学特性。利用多体动力学仿真软件对差速驱动组件的运行过程进行动力学仿真，求解出相关约束力的变化规律曲线，仿真结果与理论计算结果进行比较，校验所建立理论模型的合理性。对发动机工作过程中的动力学特性进行研究，可以为后续的零部件的试制及强度校验提供理论支撑。
　　（6）分析双转子活塞发动机电控系统的组成，探讨了发动机电控系统的控制策略，进而研制原理样机，进行初步的试验分析和冷车测试。验证双转子活塞发动机的差速运动特征，分析并验证发动机的密封性能、润滑及冷却油路的工作情况等问题。实验研究对促进双转子活塞发动机的工程化进程具有重要意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 旋转活塞式发动机发展现状概述

1.3 发动机燃烧模型综述

1.4 论文研究工作概述

第二章 双转子活塞发动机总体方案设计

2.1 引言

2.2 双转子活塞发动机方案设计

2.3 润滑和冷却系统设计

2.4 发动机燃烧过程数值模拟策略

2.5 本章小结

第三章 发动机工作过程零维模型的建立

3.1 引言

3.2 发动机工作过程的仿真模型

3.3 工作腔内热力过程分析

3.4 边界条件的确定

3.5 本章小结

第四章 零维模型基于MATLAB/Simulink的仿真与分析

4.1 引言

4.2 零位模型的求解方法

4.3 初始参数的确定

4.4 基于MATLAB/Simulink的仿真模型

4.5 仿真结果及讨论

4.6 本章小结

第五章 发动机多维模型基于CFD技术的数值模拟

5.1 引言

5.2 物理模型

5.3 数学模型

5.4 工作过程的数值模拟

5.5 本章小结

第六章 差速驱动组件的动力学特性研究与分析

6.1 引言

6.1 差速驱动组件的动态静力学数学模型

6.2 动态静力学模型的求解与分析

6.3 基于RecurDyn的动力学仿真

6.4本章小结

第七章 控制系统搭建与原理样机研制

7.1 引言

7.2 电控系统的组成

7.3 原理样机的研制

7.4 发动机冷车实验及性能测试

7.5 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果