微型擺式單組元發動的製造方法

2023-08-05 19:14:11 1

微型擺式單組元發動的製造方法
【專利摘要】一種微型擺式單組元發動機，其包括燃料罐、電控單元、催化裝置、擺式發動機、燃料配流閥、排氣單向閥以及消音器。其以高濃度過氧化氫溶液為燃料,電控單元控制燃料配流閥向指定的催化裝置供應燃料,並通過催化反應將上述燃料分解產生的高溫高壓氣體直接作用在擺式發動機的中心擺上,實現擺動力的直接輸出或以電能輸出。該發動機具有工作模式高度集成、結構簡單、控制方便能量密度高等優點，適用於太空、極地、高原、鑽井平臺或水下等各種缺氧或無氧環境中的能量供給裝置。
【專利說明】微型擺式單組元發動機
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種單組元發動機，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。
【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1000K90%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-electromechanical Systems)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；無起動裝置如電機和起動、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存在以下技術問題:
[0011](I)原微型擺式發動機是按照內燃方式設計，結構遵循常規內燃機的進氣、壓縮、作功、排氣四個過程；而單組元擺式發動機卻簡化為作功和排氣兩個過程，雖然僅為兩個過程，但過程的實現反而更難，某工作室作功時，希望背壓儘可能小，作功行程儘可能長，但這取決於催化床產生的衝量和工作容積，即與催化床參數匹配特性規律有待深入研究；原內燃機的壓縮過程現成為回程排氣過程，由於作功行程變長，在排氣過程卻沒有了自由排氣階段，整個過程為強制排氣，所以希望整個排氣過程實現零背壓排氣。但在排氣結束時，期望工作室內殘留一定的廢氣，形成氣墊以免中心擺與缸體產生撞擊。所以，掌握微型單組元擺式發動機排氣特性，在理論上更為重要，該過程取決於排氣正時，餘隙容積，壓縮比，殘餘廢氣係數等。雖然擺式單組元發動機原理樣機已有人提出，但這一關鍵問題至今無人解答。
[0012](2)微型擺式單組元發動機作功單元與燃料噴注單元的耦合匹配、配流換向閥與作功時序的匹配、動力輸出與質量載荷與電載荷耦合調節等。這些組件間性能參數耦合匹配是建立系統優化匹配方案和數學模型的關鍵。這些內在參數間的匹配關係，尚缺少系統分析。
[0013](3)研究該系統的目的是要解決移動電子設備的供能問題，所以系統的集成化到微型化的發展趨勢是必然的。目前尚缺少過氧化氫催化裝置、配流閥、排氣閥與擺式發動機的集成化研究，集成過程中遇到的結構性問題仍未受到關注。
實用新型內容
[0014]本實用新型的主要目的在於在現有技術條件下，提出一種微型擺式單組元發動機，其具有結構簡單、功率密度大、工作安全可靠、控制方便等優點，特別適用於太空、極地、高原、鑽井平臺或水下等各種缺氧或無氧環境中的能量供給裝置。
[0015]本實用新型微型擺式單組元發動機，其包括燃料罐、電控單元、催化裝置、擺式發動機、燃料配流閥、排氣單向閥以及消音器。燃料罐上側設置有燃料加注口、高速電磁閥和壓力表，其下側出口端設置有燃料緊急排放閥和燃料配流閥，燃料配流閥出口端通過管道分別與缸體左右兩側的催化裝置連接。當帶有初壓力的燃料流經燃料配流閥時，電控單元將智能控制其換向，向特定的催化裝置供應燃料。
[0016]上述的微型擺式單組元發動機，擺式發動機由缸體、傳動軸和中心擺等部分組成；缸體中間加工有對稱扇形內腔，中心擺將其分割成四個容積可變的工作腔(A、B、C、D)，工作腔(A、C)與工作腔(B、D)分別構成一組動力腔。在缸體的上、下兩側面與四個工作腔對應的排氣口外連接有排氣單向閥，排氣單向閥排氣口連有消音器；在四個工作腔對應的進氣口內分別嵌入催化裝置，由其產生的高溫高壓氣體可沿缸體內壁直接噴進工作腔，推動中心擺轉動。擺式發動機的中心擺與缸體之間設計有端面密封裝置，密封裝置由彈簧、滾針和頂針組成，且滾針與缸體內壁為線接觸。
[0017]燃料罐上側壓力表內壓力傳感器和四個工作腔(A、B、C、D)內壓力傳感器輸出端與電控單元的相應輸入端連接，實時監測燃料罐和各工作腔壓力變化；排氣單向閥、燃料配流閥和燃料緊急排放閥的控制端分別與電控單元的相應輸出端連接，有電控單元控制整個發動機工作，擺式發動機的工作頻率等於燃料配流閥的切換頻率。
[0018]本實用新型單組元發動機以高濃度高濃度過氧化氫溶液為燃料，通過催化裝置將燃料催化分解產生的高溫高壓氣體作為驅動發動機工作的動力，無需點火、噴油和啟動裝置，結構簡單可靠。由於該發動機具有工作模式高度集成、結構簡單、控制方便、能量密度高等優點，特別適用太空、極地、高原、鑽井平臺或水下等各種缺氧或無氧環境中的能量供給
>J-U ρ?α裝直。
[0019]本微型擺式單組元發動機起、停控制容易，操作簡單。與傳統內燃機相比，無需暖缸過程，起動容易；控制單元切斷電磁閥，發動機立即停止運轉；開啟燃料控制閥，發動機可立即起動，單個衝程可控，發動機整體控制靈活。無起動、空轉和怠速過程，能量轉換效率聞。
[0020]本微型擺式單組元發動機的工作壽命長，噪音小，能量轉化率高。發動機的中心擺和缸壁之間為滾動摩擦，無側向力，摩擦損失減小，工作周期長。控制系統的魯棒性好。當通過發電機輸出電能時，輸出的交流電頻率與發動機的工作頻率相等，可以由電控單元(ECU)控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為微型擺式單組元發動機的系統原理圖；
[0022]圖2為擺式發動機結構圖；
[0023]圖3為擺式發動機的剖視`圖；
[0024]圖4為催化裝置的正視圖；
[0025]圖5為催化裝置的剖視圖；
[0026]圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14為微型擺式發動機組工作過程圖。
[0027]其中:1燃料罐2燃料加注口 3高速電磁閥4壓力表5電控單元6催化裝置7消音器8擺式發動機9發電機10角度傳感器11用電設備12燃料配流閥13燃料緊急排放閥14缸體15傳動軸16排氣單向閥17密封裝置18中心擺19鍵20工作腔21前缸蓋22前端蓋23後缸蓋24後端蓋25緊固螺栓26柱塞本體27擠壓腔28柱塞29氣體噴嘴30燃料通道31滑套32密封圈33催化銀網34柱塞閥套35氣體噴孔36中心孔
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0029]圖1示出本實用新型公開的微型擺式單組元發動機的系統工作原理。該微型擺式單組元發動機包括單組元燃料罐1、擺式發動機8、燃料配流閥12、催化裝置6、角度傳感器10以及電控單元(E⑶)5。燃料罐I上側設置有燃料加注口 2、高速電磁閥3和壓力表4，其下側出口端設置有燃料緊急排放閥13和燃料配流閥12，燃料配流閥12出口端通過管道分別與擺式發動機8的缸體14左右兩側催化裝置6連接。壓力表4中的壓力傳感器的輸出接至電控單元5的相應輸入端，燃料配流閥12和燃料緊急排放閥13的控制端分別與電控單元5的相應輸出端連接。擺式發動機8由缸體14、傳動軸15和中心擺18等部分組成；缸體14中間加工有對稱扇形內腔，中心擺18將其分割成四個容積可變的工作腔20 (A、B、C、D)，工作腔20 (A、C)與工作腔20 (B、D)各構成一組動力腔。四個工作腔20 (A、B、C、D)內分別裝有壓力傳感器，傳感器輸出端與電控單元5的相應輸入端連接，實時監測各腔室壓力變化。與四個工作腔20分別對應在缸體14的上、下兩側面設置有排氣單向閥16和消音器7，左、右兩側面內嵌入催化裝置6。擺式發動機8的傳動軸15上連接有發電機9和角度傳感器10，角度傳感器10與控制單元5的輸入端連接，發電機9將擺式發動機8的機械能轉化為電能輸出，供用電設備11使用。
[0030]圖2示出了擺式發動機8的結構。擺式發動機8的缸體14中心被加工成上下對稱的扇形腔，前缸蓋21、後缸蓋23與缸體14形成密閉行腔，中心擺18將其分割為A、B、C、D四個工作腔20，前缸蓋21、並繞傳動軸15在缸體14擺動；擺式發動機8的缸體14左右兩側面內嵌入微型柱塞式催化裝置6，催化裝置6的氣體噴嘴29直接與擺式發動機8的四個工作腔20 (包括處於對角位置的兩個扇形腔)相連，為各工作腔提供高溫高壓氣體。中心擺18設計有端面密封裝置17，密封裝置17由彈簧、滾針和頂針組成，且滾針與缸體14內壁為線接觸。
[0031]圖3示出催化裝置6的具體結構。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26內設置多燃料通道30，燃料通道30右端設置催化銀網3。催化裝置中的唯一運動件為柱塞28，柱塞28與催化銀網33裝配在柱塞閥套34上；柱塞本體26內的中心孔嵌有耐磨滑套31，柱塞28與該滑套31間隙配合形成運動副。柱塞28上的中心孔36用於柱塞向左運動時排氣洩壓。催化銀網33的右端設置為柱塞閥套34，柱塞閥套34與柱塞本體26螺紋連接，連接端部裝有密封圈32 ;柱塞閥套34與柱塞28配合形成可變容腔，柱塞28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28大頭端，加工有斜向氣體噴孔35，氣體噴孔35與氣體噴嘴29相通；沙漏型的氣體噴嘴29通過螺紋連接在柱塞閥套34上，高溫高壓混合氣體通過該噴嘴內的壓力直接噴入發動機的做功腔室。
[0032]圖4 (a)-4 (c)示出單組元發動機的工作過程。當發動機未工作時，如圖4 (a)所示，燃料配流閥12處於中位時，A、B、C、D四個工作腔20均不供給燃料，對應的催化裝置均不工作，排氣單向閥16A、B、C、D均關閉；燃料配流閥12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16A、C關閉，B、D開啟，高溫高壓混合液體推動中心擺18順時針擺動；燃料配流閥12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16A、C開啟，B、D關閉，高溫高壓混合液體推動中心擺18逆時針擺動。發動機循環以上過程，實現能量轉化。
[0033]本實用新型包括四個催化裝置6，其與以往出現的兩口聯動的模式相比，存在以下優點:
[0034](I)四個催化裝置完成的工作模式是兩口聯動工作模式的高度集成化，燃料配流閥和催化裝置更加微型化，結構簡單，控制方便；
[0035](2)高濃度的過氧化氫具有強氧化性，不易儲藏運輸。將用一個三位換向閥燃料配流閥取代其原有的兩個換向閥，減少了運輸高濃度的過氧化氫管道，燃料配送簡單方便，可控性高；
[0036](3)四個微小催化結構緊湊，通過螺紋完全鑲嵌於微型擺式內燃機缸體內，使用維護方便；催化裝置採用噴嘴設計，高溫高壓氣體集聚在擠壓腔內，經過氣體噴嘴沿缸體內壁直接噴入腔內，減少氣體流量損失；
[0037](4)過氧化氫經過催化裝置反應產生的高溫高壓的混合氣體無需管道運輸，可直接噴到做功腔室推動中心擺做功；
[0038](5)本設計結構的零件高度集成化，體積較小，控制攜帶方便，零件數目少，結構緊湊，加工製造方便；微型直噴擺式單組元發動機起、停控制容易，操作簡單。開啟燃料控制閥，發動機可立即起動，單個衝程可控，發動機整體控制靈活。
[0039]上述具體實施例通過示例描述，應該理解到，這些實施例受到不同變形和可選形式的影響。還應進一步理解到，權利要求並不意味限於公開的特定形式，而應該覆蓋落在本實用新型實質和範圍內的所有變形、等價替換和可選方式。
【權利要求】
1.一種微型擺式單組元發動機，其包括燃料罐(I)、電控單元(5)、催化裝置(6)、擺式發動機(8)、燃料配流閥(12)、排氣單向閥(16)以及消音器(7);燃料罐(I)上側設置有燃料加注口( 2)、高速電磁閥(3)和壓力表(4)，其下側出口端設置有燃料緊急排放閥(13)和燃料配流閥(12)，燃料配流閥(12)出口端通過管道分別與缸體(14)左右兩側的催化裝置(6)連接；壓力表(4)中的壓力傳感器的輸出接至電控單元(5)的相應輸入端，燃料配流閥(12)和燃料緊急排放閥(13)的控制端分別與電控單元(5)的相應輸出端連接。
2.如權利要求1所述的微型擺式單組元發動機,擺式發動機(8)由缸體(14)、傳動軸(15)和中心擺(18)等部分組成；缸體(14)中間加工有對稱扇形內腔，中心擺(18)將其分割成四個容積可變的工作腔(20) (A、B、C、D)，工作腔(20) (A、C)與工作腔(20) (B、D)分別構成一組動力腔；四個工作腔(20) (A、B、C、D)內分別裝有壓力傳感器，傳感器輸出端與電控單元(5)的相應輸入端連接，實時監測各腔室壓力變化；與四個工作腔(20)分別對應在缸體(14)的上、下兩側面設置有排氣口，在左、右兩側面有燃料進入的螺紋孔。
3.如權利要求1所述的微型擺式單組元發動機，其中該中心擺(18)與發動機缸體(14)之間設計有端面密封裝置(17)，密封裝置(17)由彈簧、滾針和頂針組成，且滾針與缸體(14)內壁為線接觸。
4.如權利要求1所述的微型擺式單組元發動機，其中每個工作腔(20)的排氣孔各連接一個排氣單向閥(16 )，該排氣單向閥(16 )的開閉由電控單元(5 )協調控制，排氣單向閥(16)氣體出口處均設置消音器(7)。
5.如權利要求1所述的微型擺式單組元發動機，在缸體(14)左、右兩側面的螺紋孔內嵌入柱塞式催化裝置(6)，由其產生的高溫高壓氣體可直接沿缸體(14)內壁噴進工作腔(20)。
6.如權利要求1所述的微型擺式單組元發動機，其中燃料罐(I)與催化裝置(6)之間設有燃料配流閥(12);當帶有初壓力的燃料流經燃料配流閥(12)時，電控單元(5)將智能控制其換向，向特定的催化裝置供應燃料。
7.如權利要求1所述的微型擺式單組元發動機，其中儲存在燃料罐(I)上側壓力表(4)內的壓力傳感器與電控單元(5)連接，電控單元(5)實時監測燃料罐(I)內壓力變化，保證燃料罐(I)內壓力可抑制高溫高壓氣體沿管道回流；當燃料罐(I)內壓力較低時，可通過燃料加注口(2)向燃料罐(I)內增壓。
【文檔編號】F01C9/00GK203669937SQ201320881468
【公開日】2014年6月25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, 郭浩, 郝鍵美, 劉海龍, 苗淑靜, 張慧傑, 劉江, 齊菲, 周鵬飛, 孟玉剛 申請人:內蒙古工業大學