章动发动机性能预测(译文).doc

摆盘式发动机介绍及性能预测 本文介绍了一种新型内燃机及它的热力循环。该发动机的核心是一个摆动而不旋转的圆盘，即摆盘，摆盘的中心安装在Z形轴的中点。轴的两端旋转，而圆盘摆动。圆盘边缘的运动轨迹是一部分球面。一部分盘面用来进气和压缩，一部分用来密封，其余部分用作膨胀和排气。压缩后的空气导入外部的蓄压腔中，在进入摆盘做功膨胀侧前，先进入一外部燃烧室。蓄压腔及燃烧室保持压力不变。该发动机与活塞式发动机的运行相似，但象燃气轮机一样，有专门设计的压缩、燃烧、膨胀空间。与相同尺寸的燃气轮机及活塞式发动机相比，热效率相近。在相同体积和重量下，该发动机比功率小于燃气轮机，但与活塞式发动机相比，大约是二冲程发动机功率的两倍，四冲程发动机功率的四倍。在10-200kW功率范围内，该发动机有优势。本文介绍了该发动机的几何尺寸及热力学模型，描述典型性能曲线，讨论相对其它发动机的优点。 简介 在无人机、鱼雷、小型车及其它类似应用中，不断增加的功率密度的需求不断挑战内燃机的设计极限。在感兴趣的功率范围内，燃气轮机和活塞式发动机都有明显的缺点。活塞式发动机的较小尺寸加上柴油火焰扩散的空间和速度限制，在各种不同压缩比下，对传统柴油供油系统速来固有的问题。对燃气轮机，由于燃烧是连续的，问题不是那么严重，但总体性能取决于各部件的效率，如压气机效率、涡轮机效率及压力损失。但由于涡轮机的大流量特性，流道变得很小，边界层流动占主要地位，小的离心式压气机及径向涡轮机效率较低。在小功率范围内，小型机有不断降低油耗，提高效率的需求。如军用无人机、小型水下舰艇及其它可移动动力装置如小型电站。对这一市场，可用传统的涡轮机或活塞发动机技术解决。在10-200 kW功率范围内，一种新型的高功率密度发动机概念具有很大潜力，它同时结合了活塞式发动机与涡轮机的优点，而且不需牺牲效率。 本文介绍了一种新奇的发动机，使用一个盘沿着旋转轴做章动。以前也开发过各种摆盘式发动机，但由于摆盘与轴一起旋转，因此沿着摆盘的边缘，磨损及密封问题很严重。目前，最为成功的盘式发动机由英国国家燃气轮机公司建造，在美国卡特皮勒测试。该发动机的设计也不同，有复杂的轮系，高速旋转盘导致高的密封速度，本文所涉及的发动机盘进行章动而不旋转，因而密封速度很低。Clarke 研究结论如下：a 虽然接触速度高，磨损大，但设计开发了良好的密封；b 发动机输出功率符合预测，但低于高增压柴油机的功率；c 由于盘式发动机的复杂性，制造成本高于柴油机；d 卡特皮勒没有经济或技术上的动机制造盘式发动机。与卡特皮勒合作项目的发动机相比，本主描述的发动机具有一些优点，如盘不旋转。随着技术的进步，这样的发动机应用将成为可能。 章动发动机的描述 Meyer的专利详细描述了章动发动机在机械方面的差异。图1到图4比较了这种发动机与燃气轮机和活塞式发动机。摆盘以一定角度安装在轴上，当轴旋转时，摆盘进行一种章动式运动。摆盘分成两部分，进气压缩侧及做功排气侧。一组盘边缘的密封扫过发动机缸体内部，另一组密封扫过分隔进排气的隔板。发动机缸体的内部由两个半摆盘所旋转过的容积确定。章动发动机的主要优点在于，发动机每旋转一周，摆盘的每一侧都使用一次。对进气压缩侧，当其中的A面进行进气过程时，B面在进行压缩，相位角提前90度。因为章动发动机每个过程持续270度曲轴转角，摆盘两侧的过程相差90度相位。做功排气侧也相似，做功和排气过程分别占有270度曲轴转角，C侧和D侧分别相差90度相位。结果，每旋转一周，有两个进气和两个做功行程。压缩后，工作介质导入蓄压器中，在蓄压器出口，有一阀门，将压缩后的空气供入到燃烧室中。在燃烧室中，喷入燃油并进行部分燃烧，形成预燃室。在正确的相位角，气口将工作介质导入摆盘的膨胀排气侧，在膨胀初期，完成余下的燃烧。 总之，如图1所示，Meyer的章动发动机与燃气轮机有某些方面的类似，压气机、燃烧器、膨胀器各自执行专门的热力学过程；而对于活塞发动机，使用同一个活塞/燃烧室执行所有的过程，章动发动机与此不同，但与活塞发动机的热力学过程相近。与传统活塞发动机相比，章动发动机有另一个优点，热力学过程持续270度曲轴转角并重叠90度，因此章动发动机的输出曲轴转角扭矩曲线更加平滑。摆盘的质量中心保持静止不动，轴承的负荷及尺寸较小。各种结构布置方案有相当的灵活性。压缩及膨胀侧可以设计不同的容积。一种方案是进气侧容积大于排气侧容积，因此可以在高海拔下实现自增压。与此相反，进气容积可以小于排气容积，可以膨胀到接近大气压，实现比活塞式发动机更高的热效率。另一种布置方案中，两个摆盘可以串联安装，相位差180度，可以减小轴向推力。在两个摆盘中联安装的布置方案中，其中一个盘可以设计为进行进气，第二个盘进行排气，这样可以减小缸体及盘的热应力。