[實用新型]微型擺式單組元發動機

有效

• 申請號: 201320881468.7
• 申請日: 2013-12-30
• 公開（公告）號: CN203669937U
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 郭志平;張艷鋒;郭浩;郝鍵美;劉海龍;苗淑靜;張慧杰;劉江;齊菲;周鵬飛;孟玉剛
• 申請（專利權）人: 內蒙古工業大學
• 主分類號: F01C9/00
• 分類號: F01C9/00;F01C13/00;F01C21/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及一種單組元發動機，特別涉及一種采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

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。但由于微型內燃機混合氣形成、燃燒過程組織困難，供油點火系統復雜，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。

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污染，被視為綠色能源。如果將1mol濃度不同的H₂O₂溶液，化學式表示為H₂O₂·mH₂O，其催化分解的化學反應方程式如下：

H₂O₂+mH₂O→(1+m)H₂O+0.5O₂

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^-1。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燃料經催化分解后，所產生的高溫約為1000K90%的過氧化氫分解溫度為750℃，混合氣產物僅由氧氣和水蒸氣組成，不產生任何污染排放物。

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。

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，利于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、復雜的排氣口機構，無需燃料與空氣的混合、壓縮沖程、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；無點火正時及復雜的氣道、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，適應范圍寬。

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。雖然所研制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。

由于單組元動力源系統屬于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，要研制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系，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，對該類裝置應用于國防和國民需求具有較重要的科學貢獻。

但現有技術的微型擺式發動機存在以下技術問題：

(1)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，希望背壓盡可能小，作功行程盡可能長，但這取決于催化床產生的沖量和工作容積，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，由于作功行程變長，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，該過程取決于排氣正時，余隙容積，壓縮比，殘余廢氣系數等。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。