摘 要

微型新概念装备及MEMS技术在21世纪飞速发展，对动力系统提出了轻量化、体积小、高续航能力等要求。其中微型内燃机以其燃料能量密度高、能量输出稳定等特点，成为一大研究热点。而汪克尔转子发动机因结构简单、活动部件少等优点，成为内燃机微型化的一个较好的发展方向。

为此，本文旨在设计一微小型汪克尔发动机发电动力系统，系统包括微小型汪克尔转子发动机、联轴器和发电机三部分组成。完成微小型汪克尔转子发动机的设计，进行联轴器、发电机选型，运用SolidWorks软件完成发动机建模，分析计算工作过程中缸内爆发压力，使用ANSYS Workbench17.0软件对汪克尔转子发动机缸体进行相关应力分析。仿真结果显示缸体满足设计要求。本文对后续研究量级更小的汪克尔转子发动机打下一定的基础。

关键词：微小型汪克尔转子发动机；基本参数设计；爆发压力；有限元分析；微小型发电动力系统

Abstract

Miniature new concept equipment and MEMS technology have developed rapidly in the 21st century, this imposes requirements on the power system such as lightweight, small size and high endurance. Among them, the micro-internal combustion engine has become a research hotspot due to its high fuel energy density and stable energy output. The Wankel Rotor Engine has become a better development direction for the miniaturization of internal combustion engines because of its advantages such as simple structure and few moving parts.

Therefore,the purpose of this paper is to design a microscopic Wankel engine power generation system. The system consists of a micro-small Wankel rotor engine, a coupling and a generator. This paper has completed the design of a micro-wankel rotary engine and selected couplings and generators. Using SolidWorks software to complete engine modeling. Analyzing and calculating the explosion pressure in the cylinder during combustion. Using ANSYS Workbench Software to Perform Stress Analysis on Rotor Engine Block. Simulation results show that the cylinder meets the design requirements. This article provides some ideas and foundations for in-depth study of the miniaturization of Wankel's rotor engine.

Key Words: Micro-Wangkel Rotor Engine; Basic parameter design; Burning pressure; Finite element analysis; Micro power generation system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 微小型发动机发展现状 1

1.2.1 微小型发动机国内外研究现况 1

1.2.2 微小型汪克尔转子发动机作为微动力源的主要优势 3

1.2.3 微小型汪克尔转子发动机研究面临的主要问题 4

1.3 主要研究内容 4

1.4 论文内容安排 4

第2章 微小型汪克尔转子发动机发电动力系统 6

2.1 微小型汪克尔转子发动机的机理 6

2.1.1 微小型汪克尔转子发动机构造原理 6

2.1.2 微小型汪克尔转子发动机的工作原理 7

2.1.3 微小型汪克尔转子发动机主要零部件结构 8

2.1.3.1 缸体 8

2.1.3.2 转子 9

2.1.3.3 偏心轴 10

2.1.3.4 相位齿轮 11

2.1.4 微型汪克尔转子发动机的其他参数 12

2.2 微小型汪克尔转子发动机的密封问题 13

2.2.1 微小型汪克尔转子发动机的端面密封 14

2.2.2 微小型汪克尔转子发动机的径向密封 14

2.2 联轴器粗选 14

2.3 电机粗选 15

第3章 微小型汪克尔转子发动机发电动力系统设计 17

3.1 微小型汪克尔转子发动机主燃剂及点火方式的选择 17

3.2 微小型汪克尔转子发动机参数确定 17

3.2.1 微小型汪克尔转子发动机参数确定步骤 17

3.2.2 微小型汪克尔转子发动机的参数确定 18

3.2.2.1 基本参数确定 18

3.2.2.2 主要零部件的设计 20

3.2.2.3 其他零部件的设计与选择 24

3.2.2.4 微小型汪克尔转子发动机其他参数的计算 25

3.3 微小型汪克尔转子发动机设计小结 26

3.4 联轴器及发电机选型 28

3.4.1 联轴器选型 28

3.4.2 发电机选型 29

第4章 发动机缸内爆发压力分析及相关测算 30

4.1 燃料热化学计算 30

4.2 进气过程参数计算 31

4.3 压缩过程参数计算 32

4.4 燃烧过程参数计算 32

4.5 膨胀过程参数计算 34

4.6 发动机气缸工作能力计算 34

第5章 发动机缸体的变形及应力数值计算 37

5.1 确定材料属性 37

5.2 定义单元格类型 37

5.3 设置边界条件 38

5.4 运算求解 39

第6章 总结与展望 40

6.1 工作总结 40

6.2展望 40

参考文献 41

致谢 43

第1章 绪论

1.1 引言

随着纳米科技的兴起，微型机电系统MEMS（Micro electro Mechanical System）^[1]对国防科技的发展有着革命性的影响，是未来增强国防实力的重要支撑技术^[2]。MEMS作为飞行器微型化、智能化以及无人机、微型飞行器发展的关键技术，可实现装置的轻量化、微型化、精确化。

在微型飞行器MAV（Micro Aerial Vehicle）^[3]、微小型机器人等新概念装备的研发过程中，对系统中的动力来源提出了新的要求。要求动力来源体积小、重量轻、续航能力强，需满足在微尺度和中介尺度下超高能量密度的能源动力输出。在1996年，Epstein^[4]和Senturia^[4]提出了“微型动力系统Power MEMS”（Power Micro electro Mechanical System）^[4]的概念。微型动力系统是指利用微型发动机、微型燃料电池等驱动微型发电机产生电能的系统。^[4]

随着微型新概念装备及MEMS技术的飞速发展，对电源提出了更高的要求，传统燃料电池的能量密度早已无法满足系统需求，目前能量密度较高的电池为LiSO₂电池，其能量密度为10²kJ/kg量级，而烃类燃料的能量密度可达10⁵kJ/kg量级，相较LiSO₂，烃类燃料更具优势。^[5]且内燃机具有结构紧凑、输出功率大等优点，因此微型内燃机为多数科研人员所研究。将微型内燃机与发电机联结为一个整体，构成相对独立的微型发动机动力系统，作为微型新概念装备和MEMS系统的电能源投入使用。

采用内燃机为原动机的微型发动机发电动力系统不仅具有较高的能量密度，且具有较好的稳定性。传统化学电池其输出电压随着运作时长的增加而显著减退，影响系统工作稳定性，而微型内燃机则可以维持稳定的电压输出。

对于微型新概念装备，电源的体积、重量、续航能力已成为其主要障碍；同时，传统化学储能电池能量密度的限制以成为该项技术推进的主要瓶颈之一。因此开发具有高能量密度的微型发动机发电动力系统成为解决该瓶颈的一大突破口，具有较大的现实意义。

1.2 微小型发动机发展现状

1.2.1 微小型发动机国内外研究现况

从上世纪末开始，国内外相继展开了关于微小型发动机的研究。研究主要集中在微型汪克尔转子发动机、摆式发动机、涡轮喷气发动机、自由活塞式发动机等方面。

麻省理工学院研发出以碳化硅为主体材料微型涡轮发动机^[6]，其容积小于1cm³，其主燃剂为氢，输出功率为10~50W,可将质量为50g的微小型无人机推至空中飞行。

图1.1 微型涡轮发动机原理图

加州大学伯克利分校（UCB）Fernandez-Pello教授研发出一种微型三角转子发动机^[7]。其材料为硬质钢铝合金，通过细微电火花技术（EDM）加工而成，其燃烧室容积达77.5mm3,燃烧室特征长度为0.45mm，其输出功率为13.9W。

图1.2 微型三角转子发动机实体图 图1.3 微型摆式发动机原理图

密西根大学研发了一种微型摆式发动机^[8]，其结构一大主要特点是解决了普通内燃机运动死点的问题，即无需外部启动器即可启动。其主要材料为不锈钢，通过电火花线切割工艺加工而成，燃料为氢或甲烷。质量约为54g，体积为17cm3，其输出功率为37.2W。

佐治亚理工大学的研究人员主要进行微型自由活塞发动机的研究^[9]，该发动机结构简单，但尚存在振动过大、磁性减弱等问题，需要进一步的完善。

图1.4 微型自由活塞发动机结构原理图

目前国内也有大量关于微型发动机的研发。北京工业大学的钟晓晖等人^[10]研制出的重量约为300g的微型三角转子发动机，其输出功率可达220W。浙江大学搭建并完善了微型转子发动机测试实验平台^[10]，并实验完成在空载条件下的电动势测定及损耗曲线。岑可法等人^[11]首次提出了微尺度燃烧问题，微尺度燃烧与常规尺度燃烧不同，微尺度下易熄火，造成燃烧不稳定。林其钊等人^[13]在研究微燃烧的双区准维模型（已燃区和未燃区）的基础上，考虑壁面熄火效应，引入第三区——熄火区，提出了三区准维模型，增加了燃烧计算的可靠性及准确性。

目前国内外已完成对汪克尔转子发动机微型化的总体设计任务，正在开展相关微型转子发动机的性能优化研究，如通过改变发动机燃料配比提高燃料利用率，以提高经济型；通过对微型转子发动机的结构优化，以提高其密封性，减少泄露；研究发动机微型化后带来的微燃烧问题，对微燃烧研究方法的探讨与研究；开发微型汪克尔转子发动机性能测试平台。对其工作性能进行检测验证等。同时国内外也开展了微型汪克尔转子发动机动力系统的完善设备，如改善润滑条件及冷却问题等。与国外相比，我国对微型发动机发电系统的研究尚有较大的差距，因此开展对相关方面研究是必要的。

目前，对微型汪克尔转子发动机研究的主要集中在微燃烧问题和密封问题上，密封问题是目前亟待解决的问题，提高密封性主要从优化腔体、密封件结构，以及研发先进的制造工艺等方面着手，以提高制造精度。

1.2.2 微小型汪克尔转子发动机作为微动力源的主要优势

汪克尔转子发动机（三角转子发动机）其自身组件多为2D平面结构，活动部件较少^[5]，活动部件转速较低，可靠性高，因此适合微型化设计。其主要具有以下优点：

1．结构简单。汪克尔转子发动机其自身构件多为2D平面结构^[14]，且在燃烧膨胀做功过程中，气体对转子的压力直接转化为对偏心轴的扭矩，结构中通过转子结构省去了连杆，其主要的运动部件为转子和主轴。因此在零件加工、装配等方面得以简化。

2. 高速性能好。由于燃料具有极高的能量密度，因此系统有较高的升功率及单位质量功率，高速性能好，转子发动机以旋转机械功作为能量输出，连接发电机后，将机械功转化为电能。

3. 腔内气体流动性好。内燃机微型化后，燃烧室尺寸已和点火和燃烧的淬熄特征尺寸相差无几，这成为燃烧不稳定的重要影响因素。但汪克尔转子发动机燃烧室内的气体基本上是单向流动^[15]的，这有利于缸内气体分层。且发动机点火方式为电热塞点燃着火方式，因此燃烧稳定性相对改善。

4. 噪音小^[16]。对于往复式发动机，活塞在做往复运动的时产生不可避免的振动。而汪克尔转子发动机通过气体压力推动转子运动，进而带动主轴运转，克服了活塞往复运动中的惯性力和惯性力矩。

1.2.3 微小型汪克尔转子发动机研究面临的主要问题

1. 密封问题。考虑到汪克尔转子发动机微型化后加工精度及加工难度的问题，省去大型机中的端面密封条和密封销，密封效果有一定程度上的减弱。在发动机工作过程中，转子高速运转，其端面于缸盖间发生磨损，顶点密封片与缸体表面同样发生磨损，磨损导致其配合关系发生变化，降低了密封效率并且在发动机工作过程中，产生大量热量，易造成热变形，加大了泄漏的概率。

2. 燃烧问题。在微尺度条件下的扩散运动导致燃料与空气混合不均匀，进而导致燃烧不完全^[17]；高速运转下使得燃烧反应时间缩短，导致燃烧不充分；同时受壁面熄火效应的影响，导致燃烧效率低下。

3. 热损问题。由于微型发动机体积的缩小，使得面容比（S/V）急剧增大^[17]，导致较大的壁面热量损失，使得传热效率下降，并且一定程度上影响燃烧稳定性。

1.3 主要研究内容

1. 微小型汪克尔转子发动机的结构参数设计

通过查阅国内外相关汪克尔转子发动机的相关资料，掌握其工作机理及其主要设计参数。总结汪克尔转子发动机微型化后的优势，探讨其设计难点及解决思路。依据题目设计指标，同时考虑装配、燃烧效率、热损、壁面熄火效应等方面，确定微型汪克尔转子发动机（概念样机）的基本性能参数及尺寸参数。并运用Solid Works三维CAD软件建立模型，完成装配。根据系统整体外形要求、重量要求，以及发动机功率转速性能、电机扭矩转速性能对发电机进行选型与匹配，使得系统的结构相对紧凑。

2. 微小型汪克尔转子发动机缸内爆发压力分析

查阅相关书籍和论文中关于汪克尔转子发动机压力曲线计算相关内容，依据给定标定功率、转速指标进行燃烧爆发压力、工作能力等的相关计算分析。

3. 微小型汪克尔转子发动机的外壳变形及应力分析

运用ANSYS软件，依据所推算的发动机工作过程压力，分析腔内压力变化，确定转子发动机缸体各处应力分布，完成对发动机缸体的有限元分析。

1.4 论文内容安排

本文将进行微小型汪克尔转子发动机动力系统的设计，完成燃烧爆发压力分析及缸体应力分析，完成总体结构优化。全文共6章。具体论文结构安排如下：

第1章为绪论，首先首先介绍国内外对微型动力系统的需求以及其研究和开发的目的与意义；简单介绍国内外微小型发动机的研究现状，并进一步说明汪克尔转子发动机作为微动力源的优势以及汪克尔转子发动机微型化后面临的主要问题；最后总结本文研究内容及论文安排。

第2章主要介绍汪克尔转子发动机的机理，包括其工作原理、主要零部件结构以及其他结构参数的介绍。

第3章主要进行微小型汪克尔转子发动机发电动力系统结构设计，主要包括微小型转子发动机主燃剂、点火方式的选择，发动机主要参数的确定以及联轴器及发电机的选型。

第4章主要进行微小型汪克尔转子发动机燃烧过程中的压力分析以及发动机工作能力的相关计算。

第5章运用ANSYS对缸体进行变形及应力数值计算。

第6章主要是对以上研究结果进行总结和分析，得出所研究的结论和成果，并提出以后工作中所需要改进与解决的问题。

第2章 微小型汪克尔转子发动机发电动力系统

微小型汪克尔转子发动机发电系统主要由微小型汪克尔转子发动机、联轴器、电机三部分组成，在本章将主要针对微型汪克尔转子发动机相关工作机理、微小型汪克尔转子发动机的密封、联轴器粗选、电机粗选等方面进行介绍。

2.1 微小型汪克尔转子发动机的机理

汪克尔转子发动机微型化过程当中，为减小由于复杂系统带来的空间利用率低、体积增大等问题，在设计过程中，省去润滑系统及冷却系统，并进行了其他结构的简化。但其主体机构、主要参数关系未发生改变。

2.1.1 微小型汪克尔转子发动机构造原理

汪克尔转子发动机是一种四冲程循环的发动机^[18]，与活塞式发动机相比，其几何关系复杂,但结构平面化。活塞式发动机的主机构是曲柄连杆机构，工作循环均在一个工作腔内完成。而汪克尔转子发动机的主机构是有一对相位内外齿轮和偏心轴所组成的行星机构^[19],气缸的理论型线为双弧长短幅圆外旋轮线,转子的理论型线为缸体型线的内包络线^[20]。

汪克尔转子发动机的主要由三角转子、前后端盖、缸体、偏心轴、相位齿轮、密封件等主要零件组成。由于转子其外形类似三角形，因此转子也叫三角旋转活塞，汪克尔转子发动机又名三角转子发动机^[20]。

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