微型摆式单组元发动的制造方法
【专利摘要】一种微型摆式单组元发动机，其包括燃料罐、电控单元、催化装置、摆式发动机、燃料配流阀、排气单向阀以及消音器。其以高浓度过氧化氢溶液为燃料，电控单元控制燃料配流阀向指定的催化装置供应燃料，并通过催化反应将上述燃料分解产生的高温高压气体直接作用在摆式发动机的中心摆上，实现摆动力的直接输出或以电能输出。该发动机具有工作模式高度集成、结构简单、控制方便能量密度高等优点，适用于太空、极地、高原、钻井平台或水下等各种缺氧或无氧环境中的能量供给装置。
【专利说明】微型摆式单组元发动机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种单组元发动机，特别涉及一种采用高浓度过氧化氢作为燃料的微型摆式单组元发动机。
【背景技术】
[0002]液态碳氢燃料能量密度高，碳氢化合物储存的能量密度大约为40?50MJ/kg，碳氢液态燃料微型内燃机发电系统应该是理想的供电装置。但由于微型内燃机混合气形成、燃烧过程组织困难，供油点火系统复杂，导致其便携性差、效率低下，这仍然是现阶段难以克服的缺点。
[0003]过氧化氢在催化剂作用下会快速分解为水蒸气和氧气，释放出大量热能。分解过程无需吸入空气，分解产物对环境无任何污染，被视为绿色能源。如果将Imol浓度不同的H2O2溶液，化学式表示为H2O2.mH20，其催化分解的化学反应方程式如下:
[0004]H202+mH20 — (l+m)H20+0.502
[0005]根据化学反应式，对浓度90%的HTP溶液，在催化剂作用下，完全分解为氧气和水蒸气时，将释放出2.6MJ的高热值热量，可转换为机械功的低热值能量约为1.2MJ/kg。通过分析计算90%的HTP溶液，其质量能量密度为282W.h.kg'而铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池等储能装置的质量能量密度分别为:40W.h.kg—1，30?50W.h.kg—1，120W.h.kg—1，与其相比，HTP的质量能量密度具有明显优势。该HTP燃料经催化分解后，所产生的高温约为1000K90%的过氧化氢分解温度为750°C，混合气产物仅由氧气和水蒸气组成，不产生任何污染排放物。
[0006]因此，很多国家相继开展了以过氧化氢作为“燃料”的动力装置研究。研究过氧化氢单组元微型摆式发动机装置，对解决移动电子设备供电问题，具有重要的理论意义和应用价值。
[0007]微型摆式内燃机，是以一摆式构件在腔内摆动的方式，将燃料化学能转变为机械能的微型动力源装置。具有结构简单，利于MEMS (Micro-electromechanical Systems)化的平面结构，可直接输出往复运动。与常规曲轴式内燃机相比，无凸轮机构、复杂的排气口机构，无需燃料与空气的混合、压缩冲程、点火或喷油正时；无起动装置如电机和起动、空转和怠速过程；压缩比控制难题不复存在；无点火正时及复杂的气道、气口设计；在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中工作，适应范围宽。
[0008]以单组元为“燃料”的动力装置近几年受到国内外的广泛关注，许多科研机构在工程和民用领域都开展了将HTP作为替代能源的研究。虽然所研制的单组元发动机结构形式各不相同，但通过验证性试验研究，都得出了一个相同结论，即:以单组元燃料代替汽油等矿物燃料作为驱动发动机的动力是可行的。
[0009]由于单组元动力源系统属于一类新型特种发动机，研究涉及到工程热力学、应用化学、流体力学、传热学、材料、控制技术等多门学科，值得研究的内容很多。目前研究大多集中在原理样机的验证性研究方面，要研制出性能优良的单组元发动机，尚有许多关键科学问题需要解决。单组元燃料催化及其与单组元发动机工作特性的匹配关系，单组元发动机燃料浓度、控制策略对电载荷系统的效率、能量及功率密度的影响与评价，单组元发动机动力学特性及能量转换、流动及分配规律等都需要科学界深入探讨。因此，解决以上问题具有重要的理论意义，对该类装置应用于国防和国民需求具有较重要的科学贡献。
[0010]但现有技术的微型摆式发动机存在以下技术问题:
[0011](I)原微型摆式发动机是按照内燃方式设计，结构遵循常规内燃机的进气、压缩、作功、排气四个过程；而单组元摆式发动机却简化为作功和排气两个过程，虽然仅为两个过程，但过程的实现反而更难，某工作室作功时，希望背压尽可能小，作功行程尽可能长，但这取决于催化床产生的冲量和工作容积，即与催化床参数匹配特性规律有待深入研究；原内燃机的压缩过程现成为回程排气过程，由于作功行程变长，在排气过程却没有了自由排气阶段，整个过程为强制排气，所以希望整个排气过程实现零背压排气。但在排气结束时，期望工作室内残留一定的废气，形成气垫以免中心摆与缸体产生撞击。所以，掌握微型单组元摆式发动机排气特性，在理论上更为重要，该过程取决于排气正时，余隙容积，压缩比，残余废气系数等。虽然摆式单组元发动机原理样机已有人提出，但这一关键问题至今无人解答。
[0012](2)微型摆式单组元发动机作功单元与燃料喷注单元的耦合匹配、配流换向阀与作功时序的匹配、动力输出与质量载荷与电载荷耦合调节等。这些组件间性能参数耦合匹配是建立系统优化匹配方案和数学模型的关键。这些内在参数间的匹配关系，尚缺少系统分析。
[0013](3)研究该系统的目的是要解决移动电子设备的供能问题，所以系统的集成化到微型化的发展趋势是必然的。目前尚缺少过氧化氢催化装置、配流阀、排气阀与摆式发动机的集成化研究，集成过程中遇到的结构性问题仍未受到关注。
【发明内容】
[0014]本发明的主要目的在于在现有技术条件下，提出一种微型摆式单组元发动机，其具有结构简单、功率密度大、工作安全可靠、控制方便等优点，特别适用于太空、极地、高原、钻井平台或水下等各种缺氧或无氧环境中的能量供给装置。
[0015]本发明微型摆式单组元发动机，其包括燃料罐、电控单元、催化装置、摆式发动机、燃料配流阀、排气单向阀以及消音器。燃料罐上侧设置有燃料加注口、高速电磁阀和压力表，其下侧出口端设置有燃料紧急排放阀和燃料配流阀，燃料配流阀出口端通过管道分别与缸体左右两侧的催化装置连接。当带有初压力的燃料流经燃料配流阀时，电控单元将智能控制其换向，向特定的催化装置供应燃料。
[0016]上述的微型摆式单组元发动机，摆式发动机由缸体、传动轴和中心摆等部分组成；缸体中间加工有对称扇形内腔，中心摆将其分割成四个容积可变的工作腔(A、B、C、D)，工作腔(A、C)与工作腔(B、D)分别构成一组动力腔。在缸体的上、下两侧面与四个工作腔对应的排气口外连接有排气单向阀，排气单向阀排气口连有消音器；在四个工作腔对应的进气口内分别嵌入催化装置，由其产生的高温高压气体可沿缸体内壁直接喷进工作腔，推动中心摆转动。摆式发动机的中心摆与缸体之间设计有端面密封装置，密封装置由弹簧、滚针和顶针组成，且滚针与缸体内壁为线接触。
[0017]燃料罐上侧压力表内压力传感器和四个工作腔(A、B、C、D)内压力传感器输出端与电控单元的相应输入端连接，实时监测燃料罐和各工作腔压力变化；排气单向阀、燃料配流阀和燃料紧急排放阀的控制端分别与电控单元的相应输出端连接，有电控单元控制整个发动机工作，摆式发动机的工作频率等于燃料配流阀的切换频率。
[0018]本发明单组元发动机以高浓度高浓度过氧化氢溶液为燃料，通过催化装置将燃料催化分解产生的高温高压气体作为驱动发动机工作的动力，无需点火、喷油和启动装置，结构简单可靠。由于该发动机具有工作模式高度集成、结构简单、控制方便、能量密度高等优点，特别适用太空、极地、高原、钻井平台或水下等各种缺氧或无氧环境中的能量供给装置。
[0019]本微型摆式单组元发动机起、停控制容易，操作简单。与传统内燃机相比，无需暖缸过程，起动容易；控制单元切断电磁阀，发动机立即停止运转；开启燃料控制阀，发动机可立即起动，单个冲程可控，发动机整体控制灵活。无起动、空转和怠速过程，能量转换效率闻。
[0020]本微型摆式单组元发动机的工作寿命长，噪音小，能量转化率高。发动机的中心摆和缸壁之间为滚动摩擦，无侧向力，摩擦损失减小，工作周期长。控制系统的鲁棒性好。当通过发电机输出电能时，输出的交流电频率与发动机的工作频率相等，可以由电控单元(ECU)控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为微型摆式单组元发动机的系统原理图；
[0022]图2为摆式发动机结构图；
[0023]图3为摆式发动机的剖视图；
[0024]图4为催化装置的正视图；
[0025]图5为催化装置的剖视图；
[0026]图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14为微型摆式发动机组工作过程图。
[0027]其中:1燃料罐2燃料加注口 3高速电磁阀4压力表5电控单元6催化装置7消音器8摆式发动机9发电机10角度传感器11用电设备12燃料配流阀13燃料紧急排放阀14缸体15传动轴16排气单向阀17密封装置18中心摆19键20工作腔21前缸盖22前端盖23后缸盖24后端盖25紧固螺栓26柱塞本体27挤压腔28柱塞29气体喷嘴30燃料通道31滑套32密封圈33催化银网34柱塞阀套35气体喷孔36中心孔
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0029]图1示出本发明公开的微型摆式单组元发动机的系统工作原理。该微型摆式单组元发动机包括单组元燃料罐1、摆式发动机8、燃料配流阀12、催化装置6、角度传感器10以及电控单元(E⑶)5。燃料罐I上侧设置有燃料加注口 2、高速电磁阀3和压力表4，其下侧出口端设置有燃料紧急排放阀13和燃料配流阀12，燃料配流阀12出口端通过管道分别与摆式发动机8的缸体14左右两侧催化装置6连接。压力表4中的压力传感器的输出接至电控单元5的相应输入端，燃料配流阀12和燃料紧急排放阀13的控制端分别与电控单元5的相应输出端连接。摆式发动机8由缸体14、传动轴15和中心摆18等部分组成；缸体14中间加工有对称扇形内腔，中心摆18将其分割成四个容积可变的工作腔20 (A、B、C、D)，工作腔20 (A、C)与工作腔20 (B、D)各构成一组动力腔。四个工作腔20 (A、B、C、D)内分别装有压力传感器，传感器输出端与电控单元5的相应输入端连接，实时监测各腔室压力变化。与四个工作腔20分别对应在缸体14的上、下两侧面设置有排气单向阀16和消音器7，左、右两侧面内嵌入催化装置6。摆式发动机8的传动轴15上连接有发电机9和角度传感器10，角度传感器10与控制单元5的输入端连接，发电机9将摆式发动机8的机械能转化为电能输出，供用电设备11使用。
[0030]图2示出了摆式发动机8的结构。摆式发动机8的缸体14中心被加工成上下对称的扇形腔，前缸盖21、后缸盖23与缸体14形成密闭行腔，中心摆18将其分割为A、B、C、D四个工作腔20，前缸盖21、并绕传动轴15在缸体14摆动；摆式发动机8的缸体14左右两侧面内嵌入微型柱塞式催化装置6，催化装置6的气体喷嘴29直接与摆式发动机8的四个工作腔20 (包括处于对角位置的两个扇形腔)相连，为各工作腔提供高温高压气体。中心摆18设计有端面密封装置17，密封装置17由弹簧、滚针和顶针组成，且滚针与缸体14内壁为线接触。
[0031]图3示出催化装置6的具体结构。一种用于单组元发动机的催化装置，其中该催化装置的柱塞本体26内设置多燃料通道30，燃料通道30右端设置催化银网3。催化装置中的唯一运动件为柱塞28，柱塞28与催化银网33装配在柱塞阀套34上；柱塞本体26内的中心孔嵌有耐磨滑套31，柱塞28与该滑套31间隙配合形成运动副。柱塞28上的中心孔36用于柱塞向左运动时排气泄压。催化银网33的右端设置为柱塞阀套34，柱塞阀套34与柱塞本体26螺纹连接，连接端部装有密封圈32 ;柱塞阀套34与柱塞28配合形成可变容腔，柱塞28在其左右两端压差的作用下，在阀套和滑套内左右滑动；在柱塞28大头端，加工有斜向气体喷孔35，气体喷孔35与气体喷嘴29相通；沙漏型的气体喷嘴29通过螺纹连接在柱塞阀套34上，高温高压混合气体通过该喷嘴内的压力直接喷入发动机的做功腔室。
[0032]图4 (a)-4 (c)示出单组元发动机的工作过程。当发动机未工作时，如图4 (a)所示，燃料配流阀12处于中位时，A、B、C、D四个工作腔20均不供给燃料，对应的催化装置均不工作，排气单向阀16A、B、C、D均关闭；燃料配流阀12处于左侧时，如图4 (b)所示，A、C两个工作腔供给燃料，B、D两个工作腔均不供给燃料，A、C工作腔对应的催化装置工作，B、D工作腔对应的催化装置不工作`，排气`单向阀16A、C关闭，B、D开启，高温高压混合液体推动中心摆18顺时针摆动；燃料配流阀12处于右侧时，如图4 (c)所示，B、D两个工作腔供给燃料，A、C两个工作腔均不供给燃料，A、C工作腔对应的催化装置不工作，B、D工作腔对应的催化装置工作，排气单向阀16A、C开启，B、D关闭，高温高压混合液体推动中心摆18逆时针摆动。发动机循环以上过程，实现能量转化。
[0033]本发明包括四个催化装置6，其与以往出现的两口联动的模式相比，存在以下优
占-
^ \\\.[0034](I)四个催化装置完成的工作模式是两口联动工作模式的高度集成化，燃料配流阀和催化装置更加微型化，结构简单，控制方便；
[0035](2)高浓度的过氧化氢具有强氧化性，不易储藏运输。将用一个三位换向阀燃料配流阀取代其原有的两个换向阀，减少了运输高浓度的过氧化氢管道，燃料配送简单方便，可控性高；[0036](3)四个微小催化结构紧凑，通过螺纹完全镶嵌于微型摆式内燃机缸体内，使用维护方便；催化装置采用喷嘴设计，高温高压气体集聚在挤压腔内，经过气体喷嘴沿缸体内壁直接喷入腔内，减少气体流量损失；
[0037](4)过氧化氢经过催化装置反应产生的高温高压的混合气体无需管道运输，可直接喷到做功腔室推动中心摆做功；
[0038](5)本设计结构的零件高度集成化，体积较小，控制携带方便，零件数目少，结构紧凑，加工制造方便；微型直喷摆式单组元发动机起、停控制容易，操作简单。开启燃料控制阀，发动机可立即起动，单个冲程可控，发动机整体控制灵活。
[0039]上述具体实施例通过示例描述，应该理解到，这些实施例受到不同变形和可选形式的影响。还应进一步理解到，权利要求并不意味限于公开的特定形式，而应该覆盖落在本发明实质和范围内的所有变形、等价替换和可选方式。
【权利要求】
1.一种微型摆式单组元发动机，其包括燃料罐(I)、电控单元(5)、催化装置(6)、摆式发动机(8)、燃料配流阀(12)、排气单向阀(16)以及消音器(7);燃料罐(I)上侧设置有燃料加注口( 2)、高速电磁阀(3)和压力表(4)，其下侧出口端设置有燃料紧急排放阀(13)和燃料配流阀(12)，燃料配流阀(12)出口端通过管道分别与缸体(14)左右两侧的催化装置(6)连接；压力表(4)中的压力传感器的输出接至电控单元(5)的相应输入端，燃料配流阀(12)和燃料紧急排放阀(13)的控制端分别与电控单元(5)的相应输出端连接。
2.如权利要求1所述的微型摆式单组元发动机,摆式发动机(8)由缸体(14)、传动轴(15)和中心摆(18)等部分组成；缸体(14)中间加工有对称扇形内腔，中心摆(18)将其分割成四个容积可变的工作腔(20) (A、B、C、D)，工作腔(20) (A、C)与工作腔(20) (B、D)分别构成一组动力腔；四个工作腔(20) (A、B、C、D)内分别装有压力传感器，传感器输出端与电控单元(5)的相应输入端连接，实时监测各腔室压力变化；与四个工作腔(20)分别对应在缸体(14)的上、下两侧面设置有排气口，在左、右两侧面有燃料进入的螺纹孔。
3.如权利要求1所述的微型摆式单组元发动机，其中该中心摆(18)与发动机缸体(14)之间设计有端面密封装置(17)，密封装置(17)由弹簧、滚针和顶针组成，且滚针与缸体(14)内壁为线接触。
4.如权利要求1所述的微型摆式单组元发动机，其中每个工作腔(20)的排气孔各连接一个排气单向阀(16 )，该排气单向阀(16 )的开闭由电控单元(5 )协调控制，排气单向阀(16)气体出口处均设置消音器(7)。
5.如权利要求1所述的微型摆式单组元发动机，在缸体(14)左、右两侧面的螺纹孔内嵌入柱塞式催化装置(6)，由其产生的高温高压气体可直接沿缸体(14)内壁喷进工作腔(20)。
6.如权利要求1所述的微型摆式单组元发动机，其中燃料罐(I)与催化装置(6)之间设有燃料配流阀(12);当带有初压力的燃料流经燃料配流阀(12)时，电控单元(5)将智能控制其换向，向特定的催化装置供应燃料。
7.如权利要求1所述的微型摆式单组元发动机，其中储存在燃料罐(I)上侧压力表(4)内的压力传感器与电控单元(5)连接，电控单元(5)实时监测燃料罐(I)内压力变化，保证燃料罐(I)内压力可抑制高温高压气体沿管道回流；当燃料罐(I)内压力较低时，可通过燃料加注口(2)向燃料罐(I)内增压。
【文档编号】F01C13/00GK103742198SQ201310742717
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】郭志平, 张艳锋, 郭浩, 郝键美, 刘海龙, 苗淑静, 张慧杰, 刘江, 齐菲, 周朋飞, 孟玉刚 申请人:内蒙古工业大学