CN103912314B

CN103912314B - 单组元发动机的催化装置

Info

Publication number: CN103912314B
Application number: CN201310743466.6A
Authority: CN
Inventors: 郭志平; 张艳锋; 齐菲; 郭浩; 贺向新; 郝键美; 刘海龙; 苗淑静; 张慧杰; 刘江; 周朋飞; 孟玉刚
Original assignee: Inner Mongolia University of Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Technology
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-12-30
Also published as: CN103912314A

Abstract

一种用于单组元发动机的催化装置,作为燃料供给装置，应用于摆式发动机系统中，通过螺纹连接嵌入到发动机缸体内。它由柱塞本体、密封圈、催化银网、柱塞、滑套、柱塞阀套和气体喷嘴组成。柱塞一端为柱塞杆，一端为柱塞阀，它是该装置中唯一的运动件，与滑套和柱塞阀套对应形成运动副，左端装在柱塞本体上，右端旋有气体喷嘴。该单元组元催化装置结构简单，可以使过氧化氢溶液在其中充分反应，并能提高反应后气体的输出速度，将燃料的化学能转化为机械能输出。

Description

单组元发动机的催化装置

技术领域

本发明涉及一种单组元发动机的催化装置，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的催化装置。

背景技术

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。

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1mol浓度不同的H₂O₂溶液，化学式表示为H₂O₂·mH₂O，其催化分解的化学反应方程式如下：

H₂O₂+mH₂O→(1+m)H₂O+0.5O₂

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^-1。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1000K，90％的过氧化氢分解温度为750℃，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。

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。

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，如电机以及起动、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。

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。

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。

但现有技术的微型摆式发动机的催化装置存在以下技术问题：过氧化氢溶液在催化装置中反应不充分，或者反应后混合气体输出的速度不稳定，大部分催化装置还存在结构复杂，制作成本过高的现象。

发明内容

本发明的主要目的在于现有技术条件下，提出一种具有结构简单，化学分解反应充分，燃料使用率高，并能提高反应后气体输出速度等优点的微型摆式单组元发动机的催化装置。

本发明公开一种用于单组元发动机的催化装置,该催化装置的柱塞本体内设置多个燃料通道；燃料通道的右端设置催化银网，催化银网呈多层环形排布，带有初始压力的高浓度过氧化氢溶液流过催化银网时，被迅速催化分解，释放出高温气体，催化装置中的唯一运动件为柱塞，柱塞与催化银网装配在柱塞阀套上；柱塞本体内的中心孔嵌有耐磨滑套，柱塞的左侧柱塞杆与该滑套间隙配合形成运动副；柱塞上的中心孔用于柱塞向左运动时排气泄压；催化银网的右端设置为柱塞阀套，柱塞阀套与柱塞本体螺纹连接，连接端部装有密封圈；柱塞阀套与柱塞配合形成可变挤压腔，柱塞在其左右两端压差的作用下，在阀套和滑套内左右滑动；在柱塞大头端，加工有斜向气体喷孔，气体喷孔与气体喷嘴相通；沙漏型的气体喷嘴通过螺纹连接在柱塞阀套上，高温高压气体被该喷嘴内的压力直接喷入发动机的工作腔，将燃料的化学能转化为机械能。该单组元催化装置结构简单，可以使过氧化氢溶液在其中充分反应，并能提高反应后混合溶液的输出速度。

该气体在柱塞与柱塞阀套形成的左腔不断聚集，推动柱塞向右滑动，让开的容积将进一步吸入高温气体。当柱塞移动到最右端后，容积不再变化，而容腔内气体不断聚集，导致压力不断上升。腔内的高温高压气体，将穿过柱塞的斜向气体喷口，进入到气体喷嘴内腔；气体喷嘴内腔直通发动机工作室，与发动机中心摆摆动周期配合，推动中心摆摆动做功。当气体喷嘴腔室压力高于柱塞左腔室压力时，柱塞被压差推动，向左侧滑动。滑动到最左端后，将燃料供给通道切断，完成一个燃料供给周期。为了保证柱塞左移滑动，在柱塞中心钻有小孔，以便释放柱塞被压。随着气体喷嘴内腔高温高压气体流入发动机工作室，该腔内的压力随中心摆的摆动而下降。当中心摆摆动到最远端时，由于发动机上的换气阀开启，使发动机工作室压力迅速下降形成负压，该压力降至喷嘴内腔再次将柱塞打开，开始下一个循环。

其中柱塞内气体喷孔朝向催化装置的中心线倾斜设置，其半径小于燃料管道的半径，优选为燃料管道半径的1/2。倾斜角度与喷嘴内腔斜面平行。

该气体喷嘴结构为中部半径较小，两端半径较大的沙漏形空腔。

根据发动机每循环燃料需求量，确定其中催化银网的厚度是燃料通道半径的5～10倍范围内。

所述的微型摆式单组元发动机的催化装置，其中柱塞阀套为环形回转结构，由4个阶梯孔构成，催化银网安装在左端最大阶梯孔中，以间隙配合，防止装配轴向力挤压；当柱塞背离催化银网移动时，柱塞阀套与柱塞之间的容积不断增大，顺利导入反应产物—即混合气体。

其中该柱塞阀套为环形回转结构，其与催化银网同心，其内径大于催化银网的内径；当柱塞背离催化银网移动时，在柱塞阀套与柱塞之间形成一个通道，允许反应后的气体通过，其中燃料通道的位置正对着柱塞阀套，而非所述形成的通道，从而使得过氧化氢溶液在催化银网中充分反应。

其中该催化装置的结构设置为：当过氧化氢溶液经燃料通道进入该催化装置后，与催化银网上的催化剂充分混合并发生剧烈的化学反应，生成大量的高温高压水蒸气和氧气，高温高压气体进入柱塞阀套与柱塞围成的挤压腔，推动柱塞移动；当柱塞停止移动时，高温高压气体经柱塞上气体喷孔集聚在气体喷嘴的内腔，气体并由扇形气体喷嘴沿缸体内壁喷出，喷出的气体具有一定的动能推动摆式发动的中心摆运动，将燃料的化学能转为机械能输出。

附图说明

图1为催化装置结构示意图和催化装置的剖视图；

图2为微型摆式单组元发动机的系统原理图；

图3为单元组发动机机构示意图和单元组发动机的剖视图；

图4(a)、图4(b)和图4(c)为微型摆式单元组发动机组工作过程图。

其中：

1柱塞本体 2燃料通道 3催化银网 4柱塞阀套 5挤压腔 6柱塞 7气体喷嘴 8气体喷孔 9气体通道 10密封圈 11滑套 12燃料罐 13燃料加注口 14高速电磁阀 15压力表 16电控单元 17摆式发动机 18角度传感器 19用电设备 20发电机 21排气单向阀 22催化装置 23燃料配流阀 24燃料紧急排放阀 25发动机缸体 26工作腔 27中心摆 28密封装置 29前缸盖 30前端盖 31后缸盖 32后端盖 33传动轴 34轴承 35锁紧螺栓

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。图1示出了催化装置22的具体结构。其中该催化装置22的燃料入口柱塞本体1内设置多个燃料通道2，燃料通道2的右端设置催化银网3。催化装置中的唯一运动件为柱塞6，柱塞6与催化银网3装配在柱塞阀套4上；催化装置的柱塞本体1的有中心孔内嵌有滑套11，柱塞6与该滑套11间隙配合形成运动副。柱塞6上的中心孔9用于柱塞向左运动时排气泄压。催化银网3的右端设置为柱塞阀套4，柱塞阀套4与柱塞本体1螺纹连接；柱塞阀套4的右侧设置有柱塞6的大端，两者之间形成一定体积的挤压腔5；柱塞6的半径较小端伸入滑套11内，并可在其中左右滑动；柱塞6的较大端具有气体喷孔8，气体喷孔8的出口连接至气体喷嘴7的内腔；沙漏型的气体喷嘴7通过螺纹连接在柱塞阀套4上，高温高压气体由其直接喷进发动机的工作腔，将燃料的化学能转化为机械能输出。该单组元催化装置结构简单，可以使过氧化氢溶液在其中充分反应，并能提高反应后混合溶液的输出速度。

图2示出本发明公开的微型摆式单组元发动机的系统原理图。该微型摆式单组元发动机包括单组元燃料罐12、摆式发动机17、燃料配流阀23、催化装置22、角度传感器18以及电控单元(ECU)16。其中燃料配流阀23的进口端与燃料罐12连接，其出口端通过管道分别与4个催化装置22的柱塞本体1连接。单组元燃料罐12上设置燃料加注口，用压力传感器检测罐内压力，燃料罐12出口通过管道直通摆式发动机17本体上的燃料配流阀23，燃料换向阀23由电磁阀控制。单组元燃料罐12上还设置有燃料加料口、燃料加注口13、高速电磁阀14和压力表15，压力表15中的压力传感器的输出端与电控单元16相应的输入端连接。其还包括一个燃料紧急排放阀24，该燃料紧急排放阀24的进口端与单组元燃料罐12连接，它的控制端与电控单元16相应输出端连接。控制阀由电控单元16按照发动机摆动工作时序，分别向对应的催化装置22供入过氧化氢燃料。摆式发动机17和电控单元16可以集成为一体，其中包括用电设备19，角度传感器18用于实时检测和控制发动机摆动活塞的摆动幅角。燃料配流阀23可以采用三位四通换向阀。该装置还包括附带消音器的排气单向阀21。

图3示出了摆式发动机17的结构。摆式发动机17的缸体25中心被加工成上下对称的扇形腔，中心摆27将其分割为A、B、C、D四个工作腔；每个摆式发动机17的缸体上催化剂入口内都被放置微型柱塞式催化装置22，催化装置22的出口端直接分别与摆式发动机17的四个工作腔26(包括处于对角位置的两个扇形腔)相连，为各自工作腔提供高温高压气体。燃料配流阀23共有三个工作状态：①中位：A、B、C、D四个工作腔均不供给燃料，即摆式发动机17不工作；②左侧：A、C两个工作腔供给燃料，B、D两个工作腔均不供给燃料，中心摆顺时针摆动；③右侧：A、C两个工作腔不供给燃料，B、D两个工作腔均供给燃料，中心摆逆时针摆动。电控单元(ECU)6通过脉冲信号控制燃料配流阀23的状态，实现燃料的供给切换，使摆式发动机17连续工作。中心摆27设计有端面密封装置，可以有效地防止高压气体泄露。每个工作腔26的排气孔各接一个排气单向阀21，排气单向阀21的开闭由电控单元16协调控制。

催化装置内嵌入微型摆式发动机工作过程如图4(a)，4(b)，4(c)所示。当发动机未工作时，如图4(a)所示，燃料配流阀23处于中位，A、B、C、D四个工作腔26均不供给燃料，对应的催化装置均不工作，排气单向阀21(A、B、C、D)均关闭；燃料配流阀23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21(A、C)关闭，B、D开启，高温高压气体推动中心摆27顺时针摆动；燃料配流阀23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21A、C开启，B、D关闭，高温高压气体推动中心摆27逆时针摆动。发动机循环以上过程，实现能量转化。

该微型摆式单组元发动机采用高浓度过氧化氢单组元燃料，并通过催化分解将上述单组元燃料分解为高温高压气体，以作为直接驱动摆式发动机17工作的动力，实现摆动动力的直接输出或通过发电机20实现电能输出。通过电控单元16控制燃料配流阀23的通断频率，可以控制摆式发动机17摆动工作频率或输出交流电的频率。与常规曲轴式内燃机相比，本发明具有体积小、重量轻、能量密度高、运动件少、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；能够在高原、水下及太空等各种缺氧或无氧的环境中正常工作，适应范围宽。摆式发动机17由二冲程摆动内燃机改造而成，结构简单。

该微型摆式单组元发动机直接输出的动力为往复摆动，可以满足于往复运动的需求，如机器人的摆动关节、工业生产线上的往复移动机构、液压马达等；或通过发电机20实现电能输出，为各类移动设备提供电能。摆式发动机17的工作频率可由用户终端控制，摆式发动机的工作频率等于燃料配流阀的切换频率。

Claims

1.一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(1)内设置多个燃料通道(2)，燃料通道(2)的右端设置催化银网(3)；催化装置中的唯一运动件为柱塞(6)，柱塞(6)与催化银网(3)装配在柱塞阀套(4)上；柱塞本体(1)内的中心孔嵌有耐磨滑套(11)，柱塞(6)的左侧柱塞杆与该耐磨滑套(11)间隙配合形成运动副；柱塞(6)上的中心孔(9)用于柱塞向左运动时排气泄压；催化银网(3)的右端设置为柱塞阀套(4)，柱塞阀套(4)与柱塞本体(1)螺纹连接，连接端部装有密封圈(10)；柱塞阀套(4)与柱塞(6)配合形成可变挤压腔(5)，柱塞(6)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(6)大头端，加工有斜向气体喷孔(8)，气体喷孔(8)与气体喷嘴(7)相通；沙漏型的气体喷嘴(7)通过螺纹连接在柱塞阀套(4)上，高温高压气体被该气体喷嘴内的压力直接喷入发动机的工作腔(26)。

2.如权利要求1所述的用于单组元发动机的催化装置，其中气体喷孔(8)朝向催化装置(22)的中心线倾斜设置，其半径小于燃料通道(2)的半径，倾斜角度与喷嘴(7)内腔斜面平行。

3.如权利要求1所述的用于单组元发动机的催化装置，其中气体喷嘴(7)形成为中部半径较小，两端半径较大的沙漏形空腔。

4.如权利要求1所述的用于单组元发动机的催化装置，其中催化银网(3)的厚度是燃料通道(2)半径的5～10倍范围内。

5.如权利要求1所述的用于单组元发动机的催化装置，其中柱塞阀套(4)为环形回转结构，由4个阶梯孔构成，催化银网安装在左端最大阶梯孔中，以间隙配合，防止装配轴向力挤压；当柱塞(6)背离催化银网(3)移动时，柱塞阀套(4)与柱塞(6)之间的容积不断增大，顺利导入反应产物—即混合气体。

6.如权利要求2所述的用于单组元发动机的催化装置，其中气体喷孔(8)的半径为燃料通道(2)的半径的1/2。