微型發(fā)動機燃燒技術(shù)

微型發(fā)動機燃燒技術(shù)

1微型發(fā)動機燃料的燃燒目前，最大的電池能量密度僅為0.50mj，碳氫燃料的能量密度約為45mj。因此,即使熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率只有10%,碳氫燃料所能提供的能量密度也是電池的10倍左右。考慮到碳氫燃料在能量密度方面的優(yōu)勢,人們提出了微型發(fā)動機的概念。所謂的微型發(fā)動機是指以近幾年發(fā)展起來的微機電系統(tǒng)(MEMS)和微加工技術(shù)為基礎(chǔ),體積在1cm3量級上,能產(chǎn)生大約10～100W功率的熱力發(fā)動機。由于微型發(fā)動機燃燒器的燃燒空間極小,燃燒器內(nèi)的最高溫度可達1600°C左右,常規(guī)發(fā)動機的燃燒器材料很難適應(yīng)這么高的溫度。其次,在微型燃燒器內(nèi)燃料燃燒的駐留時間也急劇縮短,很難保證燃料能完全燃燒。此外隨著燃燒空間的縮小,燃燒器的面積-容積比增大,從而使熱量損失比較嚴(yán)重。所以,在微體積內(nèi)如何使燃料保持穩(wěn)定的燃燒,采用何種措施提高微型燃燒器內(nèi)熱量利用效率等,給微型發(fā)動機燃燒器的研究提出了挑戰(zhàn)。2小型汽油箱的開發(fā)與研究2.1微型發(fā)動機燃料的加工常規(guī)發(fā)動機燃燒器所用的材料一般為鑄鐵或鋁合金,部分零件則使用鈦、鎳鈷合金等,這些材料對溫度和應(yīng)力有嚴(yán)格的要求與限制,以至于在常規(guī)發(fā)動機中都有較強的冷卻系統(tǒng)來降低燃燒器壁面的溫度。由于微型發(fā)動機的體積很小,一般不宜再設(shè)計冷卻系統(tǒng),造成燃燒器的壁面溫度急劇升高,所以制造微型燃燒器的材料必須具有較強的耐高溫性能。近幾年研制的耐火陶瓷(如氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC))在微尺寸范圍內(nèi)具有承受應(yīng)力高、可適應(yīng)溫度范圍廣、機械性能以及抗幾何變形能力強等優(yōu)點。這正是微型發(fā)動機燃燒器的壁面材料所應(yīng)具有的性能。常規(guī)發(fā)動機零部件的加工精度一般在毫米級上,而微型發(fā)動機一般的零部件尺寸都在10～100μm級上。在如此小的基準(zhǔn)尺寸上要保持較高的加工精度,其難度是很大的。常規(guī)的機械加工方法不能用來制造微型發(fā)動機的零部件,只有使用超強等離子體的化學(xué)蒸發(fā)處理技術(shù)、深度活性離子蝕刻技術(shù)、電子放電技術(shù)、以及電化學(xué)加工技術(shù)等才能達到這樣的加工精度。2.2燃料在燃燒內(nèi)充分燃燒在微型發(fā)動機燃燒器中最重要、最具有技術(shù)挑戰(zhàn)性的一點就是如何提高和分配燃燒的駐留時間。駐留時間一般包括燃料的混合時間和化學(xué)反應(yīng)所用的時間。其中,化學(xué)反應(yīng)所用的時間只有幾百μs甚至更少,大部分時間都用于燃料的混合。如果將常規(guī)燃燒器的容積減小500倍,并保持相同的單位面積質(zhì)量流率,那么在微型燃燒器內(nèi)的駐留時間就為0.05～0.1ms。這和碳氫燃料的化學(xué)反應(yīng)特征時間(0.01～0.1ms)處于同一量級上。顯然,在這么短的駐留時間內(nèi)燃料的混合和燃燒都是不充分的。由Kerrebrock給出的燃燒器駐留時間的簡化公式:τres∝L?(Ab/A2)?π1/γcm˙/A2τres∝L?(Ab/A2)?πc1/γm˙/A2式中,L為長度;Ab為燃燒器橫截面積;A2為壓縮器流通面積;πc為壓縮比;γ為多變指數(shù);m˙m˙為空氣流通速率;τres為駐留時間。假設(shè)兩者的單位面積質(zhì)量流率m˙/A2m˙/A2相同時,受發(fā)動機的總體尺寸的約束,壓縮器的流通面積A2和燃燒器的特征長度L以及多變指數(shù)γ,基本上保持不變。因此,只有增大燃燒器相對于發(fā)動機的尺寸Ab,才能提高燃燒的駐留時間,從而保證燃料在燃燒器內(nèi)充分燃燒。另一方面,也可以從減少燃料在燃燒器內(nèi)的混合時間以及燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)時間的角度來縮短燃料燃燒的駐留時間,從而使燃料在微型燃燒器內(nèi)充分燃燒。例如:采取稀燃技術(shù)、提高燃燒器內(nèi)的工作壓力和混合氣溫度、以及在燃料和空氣進入燃燒室前就將兩者進行充分的混合等方法,都可以減少燃料的混合時間。在減少燃料的燃燒時間方面,可以采用催化燃燒或者使用燃燒時間更短的燃料,如氫氣、氫水混合氣等。2.3燃燒系統(tǒng)優(yōu)化由于微型發(fā)動機體積的縮小,使得面積-容積比急劇增大,進而造成較大的熱量損失。傳熱損失不僅降低微型發(fā)動機燃燒器的效率而且還影響到燃料燃燒的穩(wěn)定性。減少傳熱損失應(yīng)從以下幾方面來考慮:(1)降低燃燒混合氣與燃燒器壁面之間的溫差,可以減少由于溫差傳熱造成熱量損失。為此應(yīng)盡量使用不需冷卻的耐火陶瓷,提高燃燒器壁面的溫度來降低兩者之間的溫差。(2)應(yīng)用催化燃燒技術(shù)可以降低燃料的著火溫度,進而可降低整個燃燒器內(nèi)的溫度,減少傳熱損失。(3)由于傳熱速率與氣體的流速以及傳熱距離成正比,而與氣體的運動粘度成反比,因此降低進入燃燒器的混合氣的流速、合理設(shè)置燃燒火焰中心的位置以及使用適當(dāng)?shù)幕旌蠚鉂舛榷伎梢越档蛡鳠崴俾?從而減少傳熱損失。3三種小型燒傷設(shè)計方法3.1個硅基薄膜的熱壓設(shè)計圖1是微型燃氣輪發(fā)動機燃燒器的設(shè)計方案,包括徑流式壓縮器、燃燒器、徑流式渦輪和啟動器/電機等部件。整體尺寸約為直徑1cm,高3mm。該微型發(fā)動機是由六個硅基薄片逐層疊加熔合粘接而成,并根據(jù)發(fā)動機的整體結(jié)構(gòu)來分別設(shè)計每個薄片的具體外形和加工尺寸。空氣經(jīng)壓縮機壓縮后與燃料進行混合,通過火焰穩(wěn)定器到達燃燒器內(nèi)進行燃燒,混合氣體經(jīng)燃燒膨脹推動渦輪機的葉片高速旋轉(zhuǎn)。這樣就將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為機械能,并通過渦輪機軸對外作功。Epstein等人以氫氣為燃料所做的初步分析表明,當(dāng)速度達到500m/s,壓縮比為4.5∶1,渦輪進氣溫度為1600K,進氣口的面積為1mm2時,該微型燃氣輪機能產(chǎn)生10～20W的功率。3.2轉(zhuǎn)子之間的工作循環(huán)圖2為該微型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機燃燒器設(shè)計示意圖。轉(zhuǎn)子中心與燃燒器中心有一定的偏心距。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程中,轉(zhuǎn)子的三個頂點將燃燒器內(nèi)腔分隔成三個封閉、獨立的空間。每一空間都依次經(jīng)歷吸氣、壓縮、點火作功以及排氣等四個過程,從而完成一個工作循環(huán),即轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈在外旋輪形燃燒器中進行三個這樣的工作循環(huán)。當(dāng)轉(zhuǎn)子的掃氣半徑、轉(zhuǎn)子的寬度以及兩軸之間的偏心距確定后發(fā)動機的其他參數(shù)(如排量、壓縮比、轉(zhuǎn)子最大速率等)也就確定了。初步設(shè)計的微轉(zhuǎn)子發(fā)動機的掃氣容積為77.5mm3,微型燃燒器的特征長度為0.45mm,輸出的功率可以達到13.9W。3.3能源裝置的節(jié)能技術(shù)圖3為微型“瑞士面包卷”燃燒器的工作原理示意圖。這種經(jīng)電化學(xué)方法加工所得的“瑞士面包卷”燃燒器是一種沒有運動部件和不需要高精度加工與裝配的能源裝置,可以避免在摩擦、泄露、制造以及裝配等方面所遇到的許多困難。此結(jié)構(gòu)最顯著的優(yōu)點是具有充分對流換熱面積,燃燒釋放的熱量在排出過程中經(jīng)面包卷的壁面與反應(yīng)物進行充分的熱量交換,從而增大了反應(yīng)物的總能量(化學(xué)能+熱能),同時也降低了微型燃燒器由于尺寸急劇縮小而帶來的熱量損失。在面包卷燃燒器壁內(nèi)鑲有熱電材料,可以直接將熱能轉(zhuǎn)化成電能。4tpv熱輻射與燃燒氫氣的能量密度可以達到550MJ/kg,比碳氫燃料的能量密度要高10倍,但氫氣的駐留時間卻是碳氫燃料的1/5～1/50。針對氫氣的這一特性,同時考慮到國內(nèi)的機械加工水平,提出了新型的微型TPV(熱光電)燃燒系統(tǒng),將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為燃燒器的熱輻射,并激活TPV材料產(chǎn)生電能。該系統(tǒng)最大的優(yōu)勢:(1)將大多數(shù)燃燒器中由于大的面積-容積比造成的傳熱損失這一不利因素轉(zhuǎn)化為有利因素,可以進一步利用發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的熱量損失來加熱微型發(fā)動機燃燒器的壁面,增大微型發(fā)動機燃燒器的熱輻射,提高微型發(fā)動機燃燒器利用效率;(2)該系統(tǒng)不包括任何運動部件,相對于上述三種微型發(fā)動機而言其加工與裝配就顯得簡單多了,從而可以降低整個裝置的制造成本。因此,這種微型動力裝置將更具有廣泛的應(yīng)用前景以及較高的商業(yè)開發(fā)價值。為此著重在簡易的微型管道內(nèi)以氫氣-空氣組成的混合氣為燃料進行了燃燒實驗,并在此基礎(chǔ)上對微體積內(nèi)的燃燒進行更全面的模擬計算,了解和確定影響微體積內(nèi)氫氣燃燒的諸多因素,開發(fā)新的微燃燒器燃燒方案,從而提高氫氣的燃燒駐留時間,使得氫氣在有限的駐留時間內(nèi)實現(xiàn)完全燃燒,進一步提高整個微型燃燒器的效率。5燃料內(nèi)保留時間和燃燒效率(1)微型發(fā)動機燃燒器的體積很小,燃料燃燒的溫度很高,一般的金屬材料都不能適應(yīng)其內(nèi)部的工作環(huán)境,只有選用耐高溫的碳化硅材料。(2)微型燃燒器內(nèi)燃料燃燒的完全程度與混