双转子活塞式高功率密度发动机力学特性研究

Increasing efficiency and power density of a engine are the target the designers always chase. The potential of conventional crank power transmission institution has been close to limit, and only designing a new power transmission institution is according to the trend. A new annulus series cylinder rotor piston engine is submitted, around which the works below are developed: research on the method of increarsing power density of a engine, the study on the structure and moment transition of rotor, research on the characteristic of the force transition, analysis of the kinematics modeling and dynamics of the power transmission institution, study on the structure of rotating inertia force self-balance, testing and validating momentum characteristic of the prototype, and so on. The innovating designing mind, the dynamically increasing the volume of the cylinder and the times of combustion, is first brought forward in the subject, enlightening revolution of increasing power density. Moment transition can be improved by changing the forms of disposal of cylinder, and the target enhancing the efficiency of power transition would be realized. In engineering work, it is a efficacious method. The study of the subject is the academic base on mechanics for designing a new type of high power density engine.

提高发动机能量转换效率以及发动机的功率密度是发动机设计人员追求的永恒目标。传统的基于曲柄滑块式功率传输机构的发动机，其潜力挖掘已经接近极限，唯有创新设计新的功率传输机构才可能取得突破。本项目组提出了一种新型环形串联气缸双转子活塞发动机，围绕该发动机的若干关键技术开展以下工作；大幅度提高发动机功率密度的方法研究、转子活塞结构形式与力矩转换特性研究、功率传输机构的传力特性研究、功率传输机构的运动学建模与动力学分析、旋转惯性力矩自平衡结构形式研究、新型功率传输机构运动原理样机的动力特性测试验证等工作。本项目首次提出气缸动态扩容和倍频做功的创新设计思想，为大幅度提高发动机的功率密度指明了方向，提出的通过改变气缸布置型式来改善机构的力矩转换特性，从而提高发动机能量转换效率之目的，工程上是一种行之有效的手段。本项目研究成果将为设计新型高功率密度发动机提供力学设计理论依据，意义重大。

项目首次提出并研究了气缸动态扩容和倍频做功的创新设计思想，通过改变气缸布置形式来改善机构的力矩转换特性，本项目研究成果将为设计新型高功率密度发动机提供力学设计理论依据。.项目研制期间主要完成了大幅度提高发动机功率密度的方法研究，提出了一种新型的功率传输机构，研究了气缸、活塞结构形状与做功频率之间的关系，研究了气缸容积动态扩容原理以及气缸不同布置形式的传力特性。研究了转子活塞结构形式与力矩转换特性，分别对于几种活塞的力矩传递特性建立了数学模型并进行了深入的特性研究。对多种功率传输机构的传力特性作了定量分析，分别建立了凸轮式功率传输机构、内、外摆线功率传输机构、周摆线功率传输机构以及摆盘的功率传输机构的传力特性研究模型，研究了传动角的大小和变化规律，为确定功率传输机构的最优选型提供依据。.建立了功率传输机构运动学模型，进行了动力学特性分析，项目建立了功率传输机构的运动模型，对于机构的运动学和动力学特性进行了分析，分析了内燃机气缸容积变化规律与燃烧爆炸做功过程的关系，综合考虑气缸容积变化规律与功率传输机构的运动过程的关系，分析了各构件运动所产生惯性力大小和方向变化规律，.设计了新型高功率密度转子活塞发动机，研究了旋转惯性力矩自平衡结构形式，研究了运动构件的旋转惯性力矩，设计了反向同步运动的结构形式，研究了转子活塞组件惯性力矩大小及变化规律，研究了功率传输机构中各运动构件惯性力和惯性力矩变化规律；确定了变速旋转运动构件反向对转同步运动构件结构形式，分析了总体惯性力系大小及变化。.完成了新型功率传输机构运动原理样机的动力特性测试及验证。项目研制新型功率传输机构运动原理样机，搭建了动力特性测试环境，对于新型功率传输机构进行了运动学以及动力学特性测试。.项目研究对于创新功率传输机构结构、优化部件设计以及拓展新型功率传输机构构型夯实了理论基础。