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1、浙江大学 硕士学位论文 微型三角转子发动机性能研究 姓名：甘霖 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：李伟 20040501 Y6 8 0 0 5 8 摘要 P o w e rM E M S ( 功率微机电系统) 与M E M S ( 微机电系统) 发展密切相关。 本文归纳了P o w e rM E M S 研究的现状，根据三角转子发动机一发电机方案，分 析了该领域尚待解决的关键问题微型燃烧室内迸气和排气冲程的分析和传 热和淬熄过程的研究。 本文第一章绪论综述了本课题的研究背景，P o w e rM E M S 的发展状况以及该 领域目前尚待解决的关键问题、本课题研究的意义和主要研
2、究内容。 第二章介绍了微型三角转子发动机的基本构造和燃烧机理研究，为微型发动 机设计提供基础。 第三章介绍了厘米级微型三角转子发动机的结构设计。 第四章通过对燃烧过程的研究和分析，改进奥托循环。 第五章对于如何利用数学模型分析微型燃烧室内传热和淬熄过程进行了深 入探讨。 第六章对本文的研究成果进行了归纳和总结，并指出课题进一步开展研究工 作的设想。 A B S T R A C T T h ed e v e l o p m e n to fP o w e rM E M Si sa s s o c i a t e dw i t hM E M S c l o s e l y S o m e i n
3、f o r m a t i o nc o n c e r n i n gc u r r e n ts t u d yo nm i c r op o w e rs o u r c et e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d i nt h ep 印e r A c c o r d i n gt ot h es c h e m eo fm i c r o r o t o rm o t o r & m i c r o - g e n e r a t o r , t h e k e yt e c h n o l o g yo f P o w e rM E M Si
4、 sa n a l y z e d ：h e a tt r a n s f e ra n dq u e n c h i n g a n a l y s i so f c o m b u s t i o ni nam i c r oc o m b u s t i o n v e s s e l ；i n p u ts t r o k ea n do u t p u ts t r o k e I nc h a p t e ro n e ，i n t r o d u c t i o ns u m m a r i z e st h eb a c k g r o u n do ft h i sr e s
5、 e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f P o w e rM e m s ，a sw e l la st h et e c h n i c sf l o wo f i t C h a p t e rt w oa n a l y z e st h eb a s i c s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fc o m b u s t i o no ft h e m i c r o m o t o r I nc h a p t e rt h r e e ，O i lt h eb a s i so ft h e
6、g e o m e t r i co f m i c r o m o t o r , d e s i g nt h em o d e l m a c h i n e C h a p t e r f o u ra n a l y z e st h ec o m b u s t i o n p r o c e s s ，t h em o d i f i c a t i o no f O t t oc y c l ei s d i s c u s s e d I d e a lO t t oc y c l ea n dt h ei n p u ts t r o k ea n do u t p u t
7、s t r o k ea r ei n t r o d u c e d ，t h e p r o b l e m sa n d r e l e v a n ts o l u t i o n sa r ed i s c u s s e d I nc h a p t e rf i v e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tt r a n s f e ra n dq u e n c h i n ga n a l y s i s o f c o m b u s t i o ni nam i c r o c o m b u s t i o n
8、v e s s e li sp r o p o s e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l F i n a l l y ，i nc h a p t e rs i x ，as u m m a r i z a t i o no n t h es t u d yo ft h i sp a p e ri sg i v e n ，t h e c o n c e i to f t h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r ki sp o i n t e do u t 1 前言 第一章绪论 从广义上讲，M E M S ( M i c r
9、 o e l e c t r oM e c h a n i c a lS y s t e m ) 是指集微型传感器、 微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微机 电系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微 型系统，完成大尺寸机电系统所不能完成的任务；也可以嵌入大尺寸系统中，从 而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。微型电子机械系统并不是 传统机械电子的直接微型化，在物质结构、尺度、材料、制造工艺和工作原理等 方而远远超出传统机械电子的概念和范畴它可以说是微电子技术的拓宽和 延伸，将微电子、精密机械、传感器等技术相互融合，实现了微
10、电子与机械融为 1 体的系统。 一般来说，M E M S 系统具有移动性、自控性、集成化。移动性，意味着不能 使用带连线的电源。自控性，意味着不能使用一次性电池。常规电池已经开始不 能满足M E M S 系统对小型化、集成化日益增长的要求。相比之下，功率器件的微 型化问题就突出起来电源也必须完成小型化、微型化的革命。 科学家在2 0 世纪8 0 年代初就已开始了薄膜型可充电电池的研究，2 0 世纪 9 0 年代初才提出微电池的概念。国外某些专家建议，把微电池定义为其底面积 不大于1 0 r m n 2 的电池。目前，适用于M E M S 的微电池其尺度可能在毫米级，适用 于微芯片的微电池的尺度
11、可能在微米级。微电池的功率范围应在微瓦级，它应当 具有与微电子芯片、M E M S 能集成的相容性。 机电系统微型化后，电源装置将决定整个系统的尺寸。没有微型化或小型化 的电源装置提供能源，M E M S 系统将难以发挥其微型化的优势来完成其预定的功 能，甚至有可能失去其微型化的本来意义。有鉴于此，处于研究前沿的各国科学 家们敏锐地将能为M E M S 系统提供电能的微( 小) 型功率器件( P o w e rM E M S ) 的 研制问题提到了议事日程，并于九十年代末期，二一卜世纪初开始了相关项目研究， 力图占领这一关系到M E M S 研究全局的制高点。 2 国内外P o w e rM
12、E M S 的研究现状 作为一类全新的M E M S 系统，国际范围的P o w e rM E M S 研究还只不过是几年之 内的事情。主要研究单位及其研究概况为： 美国加州大学伯克利分校研究了基于硅芯片技术的微旋转内燃机构“，采 用了汪克尔( W a n k e l ) 发动机形式。如图1 所示，此小发动机与一枚硬币参照大 小。其燃烧室空间最小可做到l 立方毫米，燃料为液体碳氢化合物，能产生和输 出毫瓦级的功率。与目前一般的汽车发动机类似，W a n l e l 发动机中燃料和空气 混合物点燃释放热量。W a n l e l 发动机是微小燃烧室中带有三角转子的平面行星 结构。图2 为W a
13、n l e l 发动机结构示意图。转子将气缸发分成三部分，高温高压 燃气膨胀推动转子，从而带动输出轴转动。输出轴与发电机连接，产生电能。图 3 为相同时间内输出同等功率条件下微发动机与电池的设想质量比较，据此目 标，未来笔记本电脑、数码相机等都可望用此种新型便携高效电源替代现在使用 的电池。 图卜1 钢制小型发动机图卜2W a n l e l 发动机结构示意图 图卜3 相同时间内输出同等功率条件下微发动机与电池的设想质量比较 2 美国M I T 将微功率器件研究作为M E M S 研究的三大目标( 微功率机械，适应 恶劣环境的M E M S 和生物微流体芯片) 之一，丌展了芯片发动机( E n
14、 g i n e s - - o n - - c h i p ) 的研究。其发动机的直径为2 厘米，厚度3 毫米，设计输出功率接近 l o w 。如图4 所示，M I T 设计的微汽轮机一发电机剖面图。主要部件含压缩机、 燃烧室、汽轮机。 S 自舸， 8 e n O B t o r M i e r o - g a # t u r b i n e g e t ；e r o t o rc m # 一s e d t o 图卜4 微汽轮机一发电机剖面图 M I T 和哥伦比亚大学还进行了空气轴承感应式微马达的研究。美国乔治亚技 术学院则进行着燃烧驱动永磁体微发动机系统研究。其特色在于：在研究阀与火 花
15、塞子系统的基础上采用了闭环控制的自由活塞发动机，并且微发电机制造运用 了分布式永磁体与线圈结构，使发动机活塞与发电机“转子”一体化。研究自由 活塞发动机的还有美明尼苏达大学。美U S C 喷气推进实验室推出了颇具新意的 “M i c r o F I R E ”方案：它将热电元件置于微发动机进汽( c o l ds i d e ) 与出汽( h o t s i d e ) 隔层之间来直接完成化学能热能电能之间的转换，使整个微电源 系统无需可移动的结构部分，其不足之处则是效率相对较低。 与上述研究有较大区别，美国密歇根大学机械系与电力工程系研制的小型化 内燃发动机一发电机样品( S m a l l
16、 s c a l el i g h t - - w e i g h tp o r t a b ep o w e r g e n e r a t i o ns y s t e mo rM i n i a t u r eP o w e rS y s t e m ) 有较大的几何尺寸和输出功 率，它完全使用于大部分潜在的应用场合并可依靠相对成熟的加工制作工艺“3 。 其采用回转式发动机和丁烷燃料。发动机主要技术指标为：重量5 4 克( 无燃料) ； 体积1 7 立方厘米：工作频率1 0 2 8 赫兹；热效率1 4 4 ；机械功率3 7 2 瓦： 电功率2 1 1 瓦。 美国其它的一些著名学府如哥伦比亚大学，马罩兰大学，明尼苏达大学，辛 辛那提大学也加入到研究的行列。日本科学家则参加了小尺寸旋转发动机( S m a l l s c a l eR o t a r yE n g i n e s ) 和微型发动机的研究。 此外，国外一些主要研究单位还针对P o w e rM E M S 进行了燃烧动力学、摩擦
