CN101008320A

CN101008320A - 脉冲摆式单组元发动机

Info

Publication number: CN101008320A
Application number: CN 200610064697
Authority: CN
Inventors: 汪劲松; 夏必忠; 张辉; 郁鼎文; 刘学平; 段广洪; 毛乐山
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2007-08-01

Abstract

一种脉冲摆式单组元发动机，包括单组元燃料罐、储气罐、催化床、电控单元、摆式发动机、燃料控制电磁阀和紧急排放阀。它以单组元推进剂如高浓度过氧化氢和柴油的混合物为燃料，并通过催化反应将上述混合单组元燃料分解为高温高压混合气并储存于储气罐中；当储气罐中混合气的压力达到设定压力值时，由电控单元通过两个气动开关阀控制发动机工作，实现摆动动力的直接输出或通过发电机实现电能输出。摆式发动机的工作频率等于两个气动开关阀的切换频率。本发明具有体积小、重量轻、能量密度高、运动件少、工作可靠及使用范围宽等特点，是适用于太空、高原或水下等各种缺氧或无氧环境中的能量供应装置。

Description

脉冲摆式单组元发动机

技术领域

本发明涉及一种单组元发动机，特别涉及一种可为能量自治机器人、野外作业的便携式电子产品或设备以及无氧或缺氧环境(如太空、水下或高原等)中的摆动动力的直接或间接利用的装置，属于能源和动力技术领域。

背景技术

大多数微小型能量自主机器人、微机电系统或设备、野外作业的便携式电子产品需求1mW～1000W的能量和动力供应装置。一般而言，目前在此功率范围内的主要能量供给装置有化学电池、燃料电池或小型内燃发电机组。然而这些能量或动力供应装置都存在一些不足之处：如化学电池的能量密度低，使得其难以适用长时间工作；燃料电池虽较化学电池具有较高的能量密度，但即使不考虑其储氢技术难题，由于其功率密度低，所以难以胜任需功率快速提升的应用场合；对同样的输出功率而言，与上述化学或燃料电池配套使用的电动执行机构一般而言较液压或气动机构大且笨重，所以将导致系统能量和功率密度的降低。对小型内燃发电机组而言，虽然汽油或柴油本身的能量密度高，但是所有的碳氢燃料发动机除了本身的运动件如曲轴和活塞外，还需要复杂的压缩及点火等辅助子系统；另外，小型内燃机必须以很高的速度运转才能获得良好的功率密度，这样为了匹配内燃机和执行机构运动关系，齿轮减速装置常常是必不可少的，这不但增加了系统的复杂性而且导致系统能量密度和功率密度的降低。此外，由于碳氢燃料内燃机对空气中氧气的依赖性，使得它们在无氧环境(如水底或太空)中的应用受到了很大的限制。

发明内容

针对上述常规供能装置存在的不足或缺陷，本发明的目的是提供一种脉冲摆式单组元发动机，具有能量密度高、功率密度大的特点，特别适合于微小型能量自治机器人或其他机械电子装置在野外、高原、太空及水下等环境中使用，同时具有工作可靠、体积小、重量轻、使用范围宽等特点。

本发明脉冲摆式单组元发动机包括单组元燃料罐、储气罐、催化床、电控单元(ECU)和摆式发动机，所述单组元燃料罐上设置燃料加注/增压口，单组元燃料罐出口端连接燃料控制电磁阀和紧急排放阀，燃料控制电磁阀的出口端与所述催化床进口端连接，催化床出口端与所述储气罐连接，储气罐连接两个气动开关阀，两个气动开关阀的出口端分别与所述摆式发动机的两组动力腔相连，所述燃料控制电磁阀、紧急排放阀和两个气动开关阀的控制端分别与电控单元的相应输出端连接。

上述摆式发动机含有发动机缸体、动力输出轴以及设置在缸体内动力输出轴上的中心摆；所述中心摆将发动机缸体内腔分割成四个容积可变的扇形腔，每两个处于对角位置的扇形腔构成一组动力腔；所述发动机缸体上、下两侧对称设置上排气口和下排气口。

所述的催化床为内含固体网状催化剂或固体粒子催化剂的催化床。单组元燃料罐内的单组元燃料可以是高浓度过氧化氢，也可以是过氧化氢与柴油矿物燃料的混合物。

本发明直喷摆式单组元发动机通过催化床将单组元燃料催化分解为高温高压混合气，作为驱动发动机工作的动力，故无需燃料/空气的混合及工质的压缩过程，无需点火或喷油装置，无需起动装置(如电机)，结构简单，工作可靠。由于单组元燃料的分解反应无需氧化剂(如空气等)参与，可以在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中工作，使用范围宽。

它无需暖缸过程，起动容易；通过切断/开启电磁阀可立即控制发动机停转/启动，起、停控制容易。它无需空转和怠速过程，单个冲程可控。每个冲程的可控性为整个发动机控制策略的选择提供了更大的灵活性。

本发动机零件数目少，结构紧凑，其摆动自由活塞组件为该单组元自由活塞发动机中的唯一基本运动件，它既作为各工作室之间的密封元件，又作为机械能量的输出元件。发动机的摆动活塞和缸壁之间无侧向力，摩擦损失减小，可有效提高发动机的工作寿命。

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，可由电控单元控制。

由于采用简单的扁平结构，制造容易，可进一步微型化。

附图说明

图1为本实施例整个脉冲摆式单组元发动机的系统原理图；

图2为摆式发动机沿输出轴方向的剖视图；

图3为其摆式发动机的正视图(端视图)；

图4a、4b为该摆式发动机的气口布置及工作示意图；

图5为脉冲摆式单组元发动机逆时针摆动时内部燃料和混合气的流动示意图；

图6为脉冲摆式单组元发动机顺时针摆动时内部燃料和混合气的流动示意图；

图7为紧急情况下的燃料排放示意图。

具体实施方式

本发明脉冲摆式单组元发动机以单组元推进剂如高浓度过氧化氢和柴油的混合物为燃料，并通过催化反应将上述混合单组元燃料分解为高温高压混合气并储存于储气罐中；当储气罐中混合气的压力达到设定压力值时，由电控单元(ECU)通过两个气动开关阀控制发动机工作，实现摆动动力的直接输出或通过发电机实现电能输出。摆式发动机的工作频率等于两个气动开关阀的切换频率。本发明具有体积小、重量轻、能量密度高、运动件少、工作可靠及使用范围宽等特点，是适用于太空、高原或水下等各种缺氧或无氧环境中的功率级从毫瓦到几十瓦的能量供应装置。下面结合附图对本发明的具体原理、具体结构和工作过程作进一步的说明。

图1为整个脉冲摆式单组元发动机的系统原理图。该脉冲摆式单组元发动机主要包括单组元燃料罐1，内含催化剂的催化床14，储气罐13，燃料控制电磁阀15，紧急排放阀16，摆式发动机9，第一气动控制电磁阀12，第二气动控制电磁阀11，电控单元(ECU)6及发电机8等几个组成部分；其中第一燃料控制电磁阀15的进口端与燃料罐1的底部连接，其出口端与催化床14的进口端连接，而催化床14的出口端与储气罐13相连；所述的第一气动控制电磁阀12的进口端与储气罐13的连接，其出口端与摆式发动机9的第一动力腔(包括处于对角位置的两个扇形腔91、93)通过管道连接；所述的第二气动控制电磁阀11的进口端与储气罐13的连接，其出口端与摆式发动机9的第二动力腔(包括处于对角位置的两个扇形腔92、94)通过管道连接；所述的电控单元6通过控制线路分别与燃料控制电磁阀15、第一气动控制阀12、第二气动控制阀11以及紧急排放阀16相连。单组元燃料罐1上设置燃料加注/增压口2、燃料罐压力指示器4和燃料罐安全装置3。储气罐13上设置压力指示器5。发电机8的动力轴与摆式发动机9的动力输出轴21联接，从而将摆动自由活塞组件的机械能转换为电能输出，图中7表示用电设备。

参照图2，摆式发动机9由前端盖18、后端盖19和发动机缸体20以及中心摆17、动力输出轴21等主要部分组成，动力输出轴21通过轴承安装于前端盖18和后端盖19上，中心摆17安装在发动机缸体20内的动力输出轴上。

图4a、4b分别为摆式发动机9的正反摆动示意图。参照图3、图4a、图4b，中心摆17将发动机缸体20的内腔分割成左上、右上、左下、右下四个容积可变的扇形腔91、92、93、94；左上方的扇形腔91和右下方的扇形腔93构成一组动力腔，定义了第一动力腔，右上方的扇形腔92和左下方的扇形腔94构成一组动力腔，定义了第二动力腔；第一动力腔的两个扇形腔91、93上均设有进气口22，第二动力腔的两个扇形腔92、94上均设有进气口23，且发动机缸体的纵向轴线位置对称设有上排气口24和下排气口25。

发动机缸体20的上排气口24和下排气口25处均设置消声器10。

本脉冲摆式单组元发动机使用单组元燃料，单组元燃料装于单组元燃料罐1中。单组元燃料可以是高浓度过氧化氢，如重量比浓度高于67％的过氧化氢；也可以是过氧化氢与柴油矿物燃料组成的混合单组元燃料，如含柴油等矿物燃料的质量分数不大于20％。它的催化床14采用内含固体网状催化剂或固体粒子催化剂的催化床。

下面结合图5-7说明本脉冲摆式单组元发动机的工作过程：

①在电控单元6发出命令开启燃料控制阀15时，已被预增压而储存于燃料罐1中的单组元燃料将被输送至催化床14；在催化剂的作用下，单组元燃料即高浓度过氧化氢在催化床6内的流动过程中，将产生剧烈的分解反应，生成由氧气和水蒸气所组成的高温高压混合气；且所生成的高温混合气通过管道储存于储气罐13中。

②当储气罐13内的气体压力达到规定值时，由电控单元6发出命令开启第一气动控制阀12，这样在气体工质压力的作用下，发动机活塞(即中心摆17)将顺时针摆动；当活塞摆动到指定位置时，电控单元6发出控制命令开启第二气动控制阀11，这样在气体工质压力的作用下，发动机活塞将逆时针摆动；重复上述两个过程，可以实现摆式发动机的持续摆动，从而实现燃料的化学能转换的机械能，还可通过发电机8进一步将摆动自由活塞组件17的机械能转换为电能输出。

③在发动机的工作过程中，若储气罐13内部混合气的压力大于设定值的上限时，电控单元将发出命令关闭燃料控制阀15。

④当电控单元6发出控制命令关闭燃料控制阀15，且同时关闭两个气动控制阀11和12时，发动机将停止运转。

⑤在发生紧急故障时，电控单元6发出命令开启紧急排放阀16，从而将燃料罐1中的燃料直接排放至水槽等安全设备中。

由于在发动机工作过程中，单组元燃料催化分解所产生的高温高压混合气是通过储气罐储存而为摆式发动机所用，且在正常情况下，燃料控制电磁阀是以通/断两种方式工作，故称为脉冲摆式单组元发动机。

本脉冲摆式单组元发动机具有以下突出的特点：①结构简单，工作可靠。与内燃发动机相比，直喷摆式单组元发动机以单组元燃料催化分解所产生的混合气作动力，故无需燃料与空气的混合及工质的压缩过程，无需点火或喷油装置，无需起动装置(如电机)。②起、停控制容易。与内燃发动机相比，无需暖缸过程，起动容易；切断电磁阀，发动机将立即停止运转。③无需空转和怠速过程，单个冲程可控。发动机每个冲程的可控性为整个发动机控制策略的选择提供了更大的灵活性。④零件数目少，结构紧凑。摆动自由活塞组件为单组元发动机中的唯一基本运动件，它既作为各工作室之间的密封元件，又作为机械能量的输出元件。⑤发动机的工作寿命长。发动机的摆动活塞和缸壁之间无侧向力，摩擦损失减小。⑥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，可由电控单元ECU控制；⑦由于单元燃料的分解反应无需氧化剂(如空气等)参与，可以在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中工作，使用范围宽。⑧摆式发动机9采用简单的扁平结构，制造容易，可进一步使整个脉冲摆式单组元发动机微型化。

Claims

1、一种脉冲摆式单组元发动机，其特征在于：包括单组元燃料罐(1)、储气罐(13)、催化床(14)、电控单元(6)和摆式发动机(9)，所述单组元燃料罐(1)上设置燃料加注/增压口(2)，单组元燃料罐(1)出口端连接燃料控制电磁阀(15)和紧急排放阀(16)，燃料控制电磁阀(15)的出口端与所述催化床(14)进口端连接，催化床(14)出口端与所述储气罐(13)连接，储气罐(13)连接两个气动开关阀(11和12)，两个气动开关阀(11和12)的出口端分别与所述摆式发动机(9)的两组动力腔相连，所述燃料控制电磁阀(15)、紧急排放阀(16)和两个气动开关阀(11和12)的控制端分别与电控单元(6)的相应输出端连接。

2、根据权利要求1所述的脉冲摆式单组元发动机，其特征在于：所述摆式发动机(9)含有发动机缸体(20)、动力输出轴(21)以及设置在缸体(20)内动力输出轴上的中心摆(17)；所述中心摆(17)将发动机缸体(20)内腔分割成四个容积可变的扇形腔(91、92、93、94)，每两个处于对角位置的扇形腔构成一组动力腔；所述发动机缸体(20)上、下两侧对称设置上排气口(24)和下排气口(25)。

3、根据权利要求2所述的脉冲摆式单组元发动机，其特征在于：所述发动机缸体(20)的上排气口(24)和下排气口(25)处均设置消声器(10)。

4、根据权利要求2所述的脉冲摆式单组元发动机，其特征在于：还包括发电机(8)，发电机(8)的动力轴与摆式发动机(9)的动力输出轴(21)联接。

5、根据权利要求1所述的脉冲摆式单组元发动机，其特征在于：所述催化床采用内含固体网状催化剂或固体粒子催化剂的催化床。