目前，这些便携设备主要依赖于化学电池。转子发动机采用平面结构、部件少、能够自我开关调节运行，故非常适合采用微机电系统制造技术。微型转子发动机的尺寸为电火花加工制造技术精度的上限，因此泄漏问题严重影响微型转子发动机的效率。转子发动机的微型化受制于加工精度，因此有必要探究转子发动机的微型化极限与加工精度的关系。图5.14电池与矿物燃料能量密度的对比图5.14电池与矿物燃料能量密度的对比......
2023-06-23
小型转子发动机微型化极限分析
【摘要】：图5.24所示为热损失对转子发动机效率的影响。式中，effa为不考虑热损失的发动机效率；effh为考虑热损失的发动机效率。充量损失主要发生在膨胀阶段。
转速、燃烧室容积、泄漏间隙和压缩比四个参数对微小型转子发动机性能有很大影响，因此很有必要总结归纳发动机性能与这些参数的定量关系，为小型转子发动机的初始设计提供参考。
图5.18～图5.21所示分别为发动机转速、气缸容积和泄漏间隙对质量泄漏比和效率的影响。泄漏间隙是由加工水平、机械应力和热膨胀导致，不能随着气气缸积的减少而减少。泄漏面积与气缸容积的比例会随着气缸容积的减小而增大，加剧了泄漏问题。对于气缸容积0.5mL，发动机转速24 000r/min，泄漏间隙10μm，泄漏比例可达到0.47。而对于气缸容积5mL，泄漏比例减小到0.15。注意到泄漏间隙与质量泄漏速率的关系为m·～h3，微小泄漏间隙的变化就能导致发动机性能的较大变化。例如，对气缸容积1mL，转速24 000r/min，当泄漏间隙从10μm增大到15μm，泄漏比例从0.35增加到0.62（图5.18、图5.19），而对应的效率由22%减少到9%（图5.20、图5.21），高转速可缩短泄漏时间进而降低泄漏量并提高循环效率。
图5.18 不同转速下泄漏比例与气缸容积的关系（泄漏间隙：10μm）
图5.19 不同转速下泄漏比例与气缸容积的关系（泄漏间隙：15μm）
图5.20 不同转速下效率与气缸容积的关系（泄漏间隙：10μm）
图5.21 不同转速下效率与气缸容积的关系（泄漏间隙：15μm）
对于气缸容积1mL和泄漏间隙10μm，当转速从24 000r/min增加到48 000r/min，指示功率从0.25kW/mL提高到0.7kW/mL。在相同工作条件下，当间隙提高到15μm，指示功率由0.16kW/mL提高到0.48kW/mL，如图5.22和图5.23所示。
图5.22 不同转速下指示功率与气缸容积的关系（泄漏间隙：10μm）
图5.23 不同转速下指示功率与气缸容积的关系（泄漏间隙：15μm）
2.热损失的影响
随着气缸容积的减小，气缸内壁面的面积与气缸容积的比例增大，导致更高的壁面热量损失。图5.24所示为热损失对转子发动机效率的影响。对于气缸容积1mL，转速12 000r/min，绝热壁面可使效率从12%提高到17%。对转速48 000r/min，绝热壁面使效率从29%提高到35%。值得注意的是，热损失可以减少泄漏损失但降低了发动机效率，如图5.25所示。绝热壁面可以导致较高的缸内压力，因此导致更多的泄漏量。图5.26和图5.27所示分别为缸内压力和缸内温度曲线。可以看出，有无热损失对缸内压力的影响可以忽略，但无热损失可显著提高缸内温度，使燃烧过程更高效。
图5.24 不同气缸容积下热损失对发动机效率的影响曲线
图5.25 不同气缸容积下热损失对泄漏比例的影响曲线
图5.26 有无热损失下缸内压力随着偏心轴转角的变化曲线
图5.27 有无热损失下缸内温度随着偏心轴转角的变化曲线
为了分析热损失对发动机性能的影响，定义了热损失因子
式中，effa为不考虑热损失的发动机效率；effh为考虑热损失的发动机效率。由图5.28可以看出，较低发动机转速和较小气缸容积显著提高了热损失因子。随着气缸容积的增加，热损失因子降低到0.2以下并变得平滑。这说明随着转子发动机气缸容积的减小，壁面热损失对于发动机效率的影响越来越大。减少壁面热损失可以同时提高发动机效率和缸内温度，同时不会引起充量泄漏的显著提高。
图5.28 不同发动机转速下热损失因子随气缸容积的变化曲线
图5.29所示为缸内充量从转子侧面和转子顶端泄漏的质量速率，转子顶端的泄漏量占总泄漏量的75%。充量损失主要发生在膨胀阶段。图5.30所示为不同转速下转子顶端的充量泄漏速度，可以看出泄漏速度在压缩阶段保持一致。在三种不同速度下，压缩阶段充量泄漏速度随着缸内压力增加而增加。泄漏速度在偏心轴转角194°时达到声速，而后升高的缸内压力导致泄漏出口的压力升高，降低了充量泄漏速度。在上止点，缸内充量被点燃，缸内压力急剧升高而后下降，而充量泄漏速度升高。图5.31为不同泄漏间隙下马赫数随着偏心轴转角的变化曲线，可以看出泄露间隙较大时，堵塞流提前开始结束。图5.32为不同气缸容积下马赫数随着偏心轴转角的变化曲线，当缸内容积较大时，充量泄漏的影响减弱并且使堵塞流的持续偏心轴转角变长。
图5.29 泄漏质量速率随偏心轴转角的变化曲线
图5.30 泄漏气体速度随偏心轴转角的变化曲线
图5.31 不同泄漏间隙下马赫数随着偏心轴转角的变化曲线
图5.32 不同气缸容积下马赫数随着偏心轴转角的变化曲线
图5.33～图5.35所示为压缩比对发动机效率的影响规律。图5.33与图5.34相似，说明缸内压力降低使循环效率降低。图5.33表明对于相同的转速和泄漏间隙，当气缸容积较小时，较高的压缩比可降低发动机效率；而当气缸容积较大时，较高的压缩比可提高发动机效率。这是由于较高的缸内压力导致质量损失的增加，抵消了缸内压力升高对提高效率的正向作用，如图5.34所示。在图5.34中，较低的转速和较高的压缩比导致了较高的泄漏量。当转速相同时，例如转速为12 000r/min，压缩比对泄漏量的影响随着气缸容积的增大而减弱。图5.35给出了发动机效率与压缩比的关系曲线。可以看出，当气缸容积较小时，发动机效率随着压缩比的升高而降低，但过低的压缩比使得点火过程变得困难。因此当转子发动机微型化设计时，压缩比的选择要同时考虑效率和点火两个因素。
图5.33 不同压缩比下发动机效率随气缸容积的变化曲线
图5.34 不同压缩比下泄漏比例随气缸容积的变化曲线
图5.35 不同气缸容积下发动机效率随压缩比的变化曲线
图5.36和图5.37所示为不同气气缸积下压缩比对缸内温度的影响。为了保证在上止点附近缸内新鲜充量能够被顺利点燃，缸内充量温度应该高于某一特定温度。由图5.35可知，当转子发动机气缸容积减小，其效率会随着压缩比的升高而降低，因此在转子发动机微型化设计中，从提高效率的角度出发，需要降低压缩比；而从提高上止点附近的充量温度出发，需要提高压缩比。在图5.36中，虚线代表发动机效率为零，虚线左边发动机效率为正值，虚线右边发动机效率为负值。如果保证顺利点火的最低缸内温度为550 K，可以看出在保证发动机效率为正值且缸内温度高于最低限度的最小气缸容积为0.48mL，此时的压缩比为1∶11。在图5.37中，当转速升高到48 000r/min，根据以上方法同样可以得出此条件下的最小气缸容积为0.16mL，此时的压缩比仍然为1∶11。对于微型转子发动机，其上止点缸内温度和发动机效率是决定压缩比的重要因素，在现阶段加工精度水平下，减小壁面热损失是提高压缩终点缸内温度的有效措施。
图5.36 不同气缸容积下压缩终点缸内温度随压缩比的变化曲线（发动机转速=24 000r/min）
图5.37 不同气缸容积下压缩终点缸内温度随压缩比的变化曲线（发动机转速=48 000r/min）
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