單組元發動機的催化裝置製造方法

2023-06-18 03:09:31

單組元發動機的催化裝置製造方法
【專利摘要】一種用於單組元發動機的催化裝置,作為燃料供給裝置，應用於擺式發動機系統中，通過螺紋連接嵌入到發動機缸體內。它由柱塞本體、密封圈、催化銀網、柱塞、滑套、柱塞閥套和氣體噴嘴組成。柱塞一端為柱塞杆，一端為柱塞閥，它是該裝置中唯一的運動件，與滑套和柱塞閥套對應形成運動副，左端裝在柱塞本體上，右端旋有氣體噴嘴。該單元組元催化裝置結構簡單，可以使過氧化氫溶液在其中充分反應，並能提高反應後氣體的輸出速度，將燃料的化學能轉化為機械能輸出。
【專利說明】單組元發動機的催化裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種單組元發動機的催化裝置，特別涉及一種採用高濃度過氧化氫作為燃料的微型擺式單組元發動機的催化裝置。
【背景技術】
[0002]液態碳氫燃料能量密度高，碳氫化合物儲存的能量密度大約為40?50MJ/kg，碳氫液態燃料微型內燃機發電系統應該是理想的供電裝置。但由於微型內燃機混合氣形成、燃燒過程組織困難，供油點火系統複雜，導致其便攜性差、效率低下，這仍然是現階段難以克服的缺點。
[0003]過氧化氫在催化劑作用下會快速分解為水蒸氣和氧氣，釋放出大量熱能。分解過程無需吸入空氣，分解產物對環境無任何汙染，被視為綠色能源。如果將Imol濃度不同的H2O2溶液，化學式表示為H2O2.mH20，其催化分解的化學反應方程式如下:
[0004]H202+mH20 — (l+m)H20+0.502
[0005]根據化學反應式，對濃度90%的HTP溶液，在催化劑作用下，完全分解為氧氣和水蒸氣時，將釋放出2.6MJ的高熱值熱量，可轉換為機械功的低熱值能量約為1.2MJ/kg。通過分析計算90%的HTP溶液，其質量能量密度為282W.h.kg'而鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等儲能裝置的質量能量密度分別為:40W.h.kg—1，30?50W.h.kg—1，120W.h.kg—1，與其相比，HTP的質量能量密度具有明顯優勢。該HTP燃料經催化分解後，所產生的高溫約為1000K, 90%的過氧化氫分解溫度為750°C，混合氣產物僅由氧氣和水蒸氣組成，不產生任何汙染排放物。
[0006]因此，很多國家相繼開展了以過氧化氫作為「燃料」的動力裝置研究。研究過氧化氫單組元微型擺式發動機裝置，對解決移動電子設備供電問題，具有重要的理論意義和應用價值。
[0007]微型擺式內燃機，是以一擺式構件在腔內擺動的方式，將燃料化學能轉變為機械能的微型動力源裝置。具有結構簡單，利於MEMS(Micro-electromechanicalSystems)化的平面結構，可直接輸出往復運動。與常規曲軸式內燃機相比，無凸輪機構、複雜的排氣口機構，無需燃料與空氣的混合、壓縮衝程、點火或噴油正時；無起動裝置，如電機以及起動、空轉和怠速過程；壓縮比控制難題不復存在；無點火正時及複雜的氣道、氣口設計；在高原、水下及太空等各種缺氧或無氧的環境中工作，適應範圍寬。
[0008]以單組元為「燃料」的動力裝置近幾年受到國內外的廣泛關注，許多科研機構在工程和民用領域都開展了將HTP作為替代能源的研究。雖然所研製的單組元發動機結構形式各不相同，但通過驗證性試驗研究，都得出了一個相同結論，即:以單組元燃料代替汽油等礦物燃料作為驅動發動機的動力是可行的。
[0009]由於單組元動力源系統屬於一類新型特種發動機，研究涉及到工程熱力學、應用化學、流體力學、傳熱學、材料、控制技術等多門學科，值得研究的內容很多。目前研究大多集中在原理樣機的驗證性研究方面，要研製出性能優良的單組元發動機，尚有許多關鍵科學問題需要解決。單組元燃料催化及其與單組元發動機工作特性的匹配關係，單組元發動機燃料濃度、控制策略對電載荷系統的效率、能量及功率密度的影響與評價，單組元發動機動力學特性及能量轉換、流動及分配規律等都需要科學界深入探討。因此，解決以上問題具有重要的理論意義，對該類裝置應用於國防和國民需求具有較重要的科學貢獻。
[0010]但現有技術的微型擺式發動機的催化裝置存在以下技術問題:過氧化氫溶液在催化裝置中反應不充分，或者反應後混合氣體輸出的速度不穩定，大部分催化裝置還存在結構複雜，製作成本過高的現象。

【發明內容】

[0011]本發明的主要目的在於現有技術條件下，提出一種具有結構簡單，化學分解反應充分，燃料使用率高，並能提高反應後氣體輸出速度等優點的微型擺式單組元發動機的催
化裝置。
[0012]本發明公開一種用於單組元發動機的催化裝置，該催化裝置的柱塞本體內設置多個燃料通道；燃料通道的右端設置催化銀網，催化銀網呈多層環形排布，帶有初始壓力的高濃度過氧化氫溶液流過催化銀網時，被迅速催化分解，釋放出高溫氣體，催化裝置中的唯一運動件為柱塞，柱塞與催化銀網裝配在柱塞閥套上；柱塞本體內的中心孔嵌有耐磨滑套，柱塞的左側柱塞杆與該滑套間隙配合形成運動副；柱塞上的中心孔用於柱塞向左運動時排氣洩壓；催化銀網的右端設置為柱塞閥套，柱塞閥套與柱塞本體螺紋連接，連接端部裝有密封圈；柱塞閥套與柱塞配合形成可變擠壓腔，柱塞在其左右兩端壓差的作用下，在閥套和滑套內左右滑動；在柱塞大頭端，加工有斜向氣體噴孔，氣體噴孔與氣體噴嘴相通；沙漏型的氣體噴嘴通過螺紋連接在柱塞閥套上，高溫高壓氣體被該噴嘴內的壓力直接噴入發動機的工作腔，將燃料的化學能轉化為機械能。該單組元催化裝置結構簡單，可以使過氧化氫溶液在其中充分反應，並能提高反應後混合溶液的輸出速度。
[0013]該氣體在柱塞與柱塞閥套形成的左腔不斷聚集，推動柱塞向右滑動，讓開的容積將進一步吸入高溫氣體。當柱塞移動到最右端後，容積不再變化，而容腔內氣體不斷聚集，導致壓力不斷上升。腔內的高溫高壓氣體，將穿過柱塞的斜向氣體噴口，進入到氣體噴嘴內腔；氣體噴嘴內腔直通發動機工作室，與發動機中心擺擺動周期配合，推動中心擺擺動做功。當氣體噴嘴腔室壓力高於柱塞左腔室壓力時，柱塞被壓差推動，向左側滑動。滑動到最左端後，將燃料供給通道切斷，完成一個燃料供給周期。為了保證柱塞左移滑動，在柱塞中心鑽有小孔，以便釋放柱塞被壓。隨著氣體噴嘴內腔高溫高壓氣體流入發動機工作室，該腔內的壓力隨中心擺的擺動而下降。當中心擺擺動到最遠端時，由於發動機上的換氣閥開啟，使發動機工作室壓力迅速下降形成負壓，該壓力降至噴嘴內腔再次將柱塞打開，開始下一個循環。
[0014]其中柱塞內氣體噴孔朝向催化裝置的中心線傾斜設置，其半徑小於燃料管道的半徑，優選為燃料管道半徑的1/2。傾斜角度與噴嘴內腔斜面平行。
[0015]該氣體噴嘴結構為中部半徑較小，兩端半徑較大的沙漏形空腔。
[0016]根據發動機每循環燃料需求量，確定其中催化銀網的厚度是燃料通道半徑的5?10倍範圍內。
[0017]所述的微型擺式單組元發動機的催化裝置，其中柱塞閥套為環形迴轉結構，由4個階梯孔構成，催化銀網安裝在左端最大階梯孔中，以間隙配合，防止裝配軸向力擠壓；當柱塞背離催化銀網移動時，柱塞閥套與柱塞之間的容積不斷增大，順利導入反應產物一即混合氣體。
[0018]其中該柱塞閥套為環形迴轉結構，其與催化銀網同心，其內徑大於催化銀網的內徑；當柱塞背離催化銀網移動時，在柱塞閥套與柱塞之間形成一個通道，允許反應後的氣體通過，其中燃料通道的位置正對著柱塞閥套，而非所述形成的通道，從而使得過氧化氫溶液在催化銀網中充分反應。
[0019]其中該催化裝置的結構設置為:當過氧化氫溶液經燃料通道進入該催化裝置後，與催化銀網上的催化劑充分混合併發生劇烈的化學反應，生成大量的高溫高壓水蒸氣和氧氣，高溫高壓氣體進入柱塞閥套與柱塞圍成的擠壓腔，推動柱塞移動；當柱塞停止移動時，高溫高壓氣體經柱塞上氣體噴孔集聚在氣體噴嘴的內腔,氣體並由扇形氣體噴嘴沿缸體內壁噴出，噴出的氣體具有一定的動能推動擺式發動的中心擺運動，將燃料的化學能轉為機械能輸出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為催化裝置結構示意圖和催化裝置的剖視圖；
[0021]圖2為微型擺式單組元發動機的系統原理圖；
[0022]圖3為單元組發動機機構示意圖和單元組發動機的剖視圖；
[0023]圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)為微型擺式單元組發動機組工作過程圖。
[0024]
[0025]
[0026]其中:
[0027]I柱塞本體2燃料通道3催化銀網4柱塞閥套5擠壓腔6柱塞7氣體噴嘴8氣體噴孔9氣體通道10密封圈11滑套12燃料罐13燃料加注口 14高速電磁閥15壓力表16電控單元17擺式發動機18角度傳感器19用電設備20發電機21排氣單向閥22催化裝置23燃料配流閥24燃料緊急排放閥25發動機缸體26工作腔27中心擺28密封裝置29前缸蓋30前端蓋31後缸蓋32後端蓋33傳動軸34軸承35鎖緊螺栓
【具體實施方式】
[0028]下面結合附 圖對本發明作進一步說明。圖1示出了催化裝置22的具體結構。其中該催化裝置22的燃料入口柱塞本體I內設置多個燃料通道2，燃料通道2的右端設置催化銀網3。催化裝置中的唯一運動件為柱塞6，柱塞6與催化銀網3裝配在柱塞閥套4上；催化裝置的柱塞本體I的有中心孔內嵌有滑套11，柱塞6與該滑套11間隙配合形成運動畐O。柱塞6上的中心孔9用於柱塞向左運動時排氣洩壓。催化銀網3的右端設置為柱塞閥套4，柱塞閥套4與柱塞本體I螺紋連接；柱塞閥套4的右側設置有柱塞6的大端，兩者之間形成一定體積的擠壓腔5 ;柱塞6的半徑較小端伸入滑套11內，並可在其中左右滑動；柱塞6的較大端具有氣體噴孔8，氣體噴孔8的出口連接至氣體噴嘴7的內腔；沙漏型的氣體噴嘴7通過螺紋連接在柱塞閥套4上，高溫高壓氣體由其直接噴進發動機的工作腔，將燃料的化學能轉化為機械能輸出。該單組元催化裝置結構簡單，可以使過氧化氫溶液在其中充分反應，並能提高反應後混合溶液的輸出速度。
[0029]圖2示出本發明公開的微型擺式單組元發動機的系統原理圖。該微型擺式單組元發動機包括單組元燃料罐12、擺式發動機17、燃料配流閥23、催化裝置22、角度傳感器18以及電控單元(ECU) 16。其中燃料配流閥23的進口端與燃料罐12連接，其出口端通過管道分別與4個催化裝置22的柱塞本體I連接。單組元燃料罐12上設置燃料加注口，用壓力傳感器檢測罐內壓力,燃料罐12出口通過管道直通擺式發動機17本體上的燃料配流閥23，燃料換向閥23由電磁閥控制。單組元燃料罐12上還設置有燃料加料口、燃料加注口 13、高速電磁閥14和壓力表15,壓力表15中的壓力傳感器的輸出端與電控單兀16相應的輸入端連接。其還包括一個燃料緊急排放閥24，該燃料緊急排放閥24的進口端與單組元燃料罐12連接，它的控制端與電控單元16相應輸出端連接。控制閥由電控單元16按照發動機擺動工作時序，分別向對應的催化裝置22供入過氧化氫燃料。擺式發動機17和電控單元16可以集成為一體，其中包括用電設備19，角度傳感器18用於實時檢測和控制發動機擺動活塞的擺動幅角。燃料配流閥23可以採用三位四通換向閥。該裝置還包括附帶消音器的排氣單向閥21。
[0030]圖3示出了擺式發動機17的結構。擺式發動機17的缸體25中心被加工成上下對稱的扇形腔，中心擺27將其分割為A、B、C、D四個工作腔；每個擺式發動機17的缸體上催化劑入口內都被放置微型柱塞式催化裝置22，催化裝置22的出口端直接分別與擺式發動機17的四個工作腔26 (包括處於對角位置的兩個扇形腔)相連，為各自工作腔提供高溫高壓氣體。燃料配流閥23共有三個工作狀態:①中位:A、B、C、D四個工作腔均不供給燃料，即擺式發動機17不工作；②左側:A、C兩個工作腔供給燃料，B、D兩個工作腔均不供給燃料，中心擺順時針擺動；③右側:A、C兩個工作腔不供給燃料，B、D兩個工作腔均供給燃料，中心擺逆時針擺動。電控單元(ECU)6通過脈衝信號控制燃料配流閥23的狀態，實現燃料的供給切換，使擺式發動機17連續工作。中心擺27設計有端面密封裝置，可以有效地防止高壓氣體洩露。每個工作腔26的排氣孔各接一個排氣單向閥21，排氣單向閥21的開閉由電控單元16協調控制。
[0031 ] 催化裝置內嵌入微型擺式發動機工作過程如圖4所示。當發動機未工作時，如圖4 Ca)所示，燃料配流閥23處於中位，A、B、C、D四個工作腔26均不供給燃料，對應的催化裝置均不工作，排氣單向閥21 (A、B、C、D)均關閉；燃料配流閥23處於左側時，如圖4 (b)所示，A、C兩個工作腔供給燃料，B、D兩個工作腔均不供給燃料，A、C工作腔對應的催化裝置工作，B、D工作腔對應的催化裝置不工作，排氣單向閥21 (A、C)關閉，B、D開啟，高溫高壓氣體推動中心擺27順時針擺動；燃料配流閥23處於右側時，如圖4 (c)所示，B、D兩個工作腔供給燃料，A、C兩個工作腔均不供給燃料，A、C工作腔對應的催化裝置不工作，B、D工作腔對應的催化裝置工作，排氣單向閥21A、C開啟，B、D關閉，高溫高壓氣體推動中心擺27逆時針擺動。發動機循環以上過程，實現能量轉化。
[0032]該微型擺式單組元發動機採用高濃度過氧化氫單組元燃料，並通過催化分解將上述單組元燃料分解為高溫高壓氣體，以作為直接驅動擺式發動機17工作的動力，實現擺動動力的直接輸出或通過發電機20實現電能輸出。通過電控單元16控制燃料配流閥23的通斷頻率，可以控制擺式發動機17擺動工作頻率或輸出交流電的頻率。與常規曲軸式內燃機相比，本發明具有體積小、重量輕、能量密度高、運動件少、無凸輪機構、複雜的排氣口機構，無需燃料與空氣的混合、壓縮衝程、點火或噴油正時；無起動裝置如電機和起動、空轉和怠速過程；能夠在高原、水下及太空等各種缺氧或無氧的環境中正常工作，適應範圍寬。擺式發動機17由二衝程擺動內燃機改造而成，結構簡單。
[0033]該微型擺式單組元發動機直接輸出的動力為往復擺動，可以滿足於往復運動的需求，如機器人的擺動關節、工業生產線上的往復移動機構、液壓馬達等；或通過發電機20實現電能輸出，為各類行動裝置提供電能。擺式發動機17的工作頻率可由用戶終端控制，擺式發動機的工作頻率等於燃料配流閥的切換頻率。
【權利要求】
1.一種用於單組元發動機的催化裝置，其中該催化裝置的柱塞本體(I)內設置多個燃料通道(2)，燃料通道(2)的右端設置催化銀網(3);催化裝置中的唯一運動件為柱塞(6)，柱塞(6)與催化銀網(3)裝配在柱塞閥套(4)上；柱塞本體(I)內的中心孔嵌有耐磨滑套(11)，柱塞(6 )的左側柱塞杆與該滑套(11)間隙配合形成運動副；柱塞(6 )上的中心孔(9 )用於柱塞向左運動時排氣洩壓；催化銀網(3)的右端設置為柱塞閥套(4)，柱塞閥套(4)與柱塞本體(I)螺紋連接，連接端部裝有密封圈(10 );柱塞閥套(4)與柱塞(6 )配合形成可變擠壓腔(5)，柱塞(6)在其左右兩端壓差的作用下，在閥套和滑套內左右滑動；在柱塞(6)大頭端，加工有斜向氣體噴孔(8)，氣體噴孔(8)與氣體噴嘴(7)相通；沙漏型的氣體噴嘴(7)通過螺紋連接在柱塞閥套(4)上，高溫高壓氣體被該噴嘴內的壓力直接噴入發動機的工作腔(26)。
2.如權利要求1所述的微型擺式單組元發動機的催化裝置，其中氣體噴孔(8)朝向催化裝置(22)的中心線傾斜設置，其半徑小於燃料通道(2)的半徑，優選為燃料通道(2)的半徑的1/2，傾斜角度與噴嘴(7)內腔斜面平行。
3.如權利要求1所述的微型擺式單組元發動機的催化裝置，其中氣體噴嘴(7)形成為中部半徑較小，兩端半徑較大的沙漏形空腔。
4.如權利要求1所述的微型擺式單組元發動機的催化裝置，其中催化銀網(3)的厚度是燃料通道(2)半徑的5?10倍範圍內。
5.如權利要求1所述的微型擺式單組元發動機的催化裝置，其中柱塞閥套(4)為環形迴轉結構，由4個階梯孔構成，催化銀網安裝在左端最大階梯孔中，以間隙配合，防止裝配軸向力擠壓；當柱塞(6)背離催化銀網(3)移動時，柱塞閥套(4)與柱塞(6)之間的容積不斷增大，順利導入反應產物一即混合氣體。
【文檔編號】F01C21/00GK103912314SQ201310743466
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】郭志平, 張豔鋒, 齊菲, 郭浩, 賀向新, 郝鍵美, 劉海龍, 苗淑靜, 張慧傑, 劉江, 周朋飛, 孟玉剛 申請人:內蒙古工業大學