微型发动机燃烧技术

微型发动机燃烧技术

1微型发动机燃料的燃烧目前，最大的电池能量密度仅为0.50mj，碳氢燃料的能量密度约为45mj。因此,即使热能转化为电能的效率只有10%,碳氢燃料所能提供的能量密度也是电池的10倍左右。考虑到碳氢燃料在能量密度方面的优势,人们提出了微型发动机的概念。所谓的微型发动机是指以近几年发展起来的微机电系统(MEMS)和微加工技术为基础,体积在1cm3量级上,能产生大约10～100W功率的热力发动机。由于微型发动机燃烧器的燃烧空间极小,燃烧器内的最高温度可达1600°C左右,常规发动机的燃烧器材料很难适应这么高的温度。其次,在微型燃烧器内燃料燃烧的驻留时间也急剧缩短,很难保证燃料能完全燃烧。此外随着燃烧空间的缩小,燃烧器的面积-容积比增大,从而使热量损失比较严重。所以,在微体积内如何使燃料保持稳定的燃烧,采用何种措施提高微型燃烧器内热量利用效率等,给微型发动机燃烧器的研究提出了挑战。2小型汽油箱的开发与研究2.1微型发动机燃料的加工常规发动机燃烧器所用的材料一般为铸铁或铝合金,部分零件则使用钛、镍钴合金等,这些材料对温度和应力有严格的要求与限制,以至于在常规发动机中都有较强的冷却系统来降低燃烧器壁面的温度。由于微型发动机的体积很小,一般不宜再设计冷却系统,造成燃烧器的壁面温度急剧升高,所以制造微型燃烧器的材料必须具有较强的耐高温性能。近几年研制的耐火陶瓷(如氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC))在微尺寸范围内具有承受应力高、可适应温度范围广、机械性能以及抗几何变形能力强等优点。这正是微型发动机燃烧器的壁面材料所应具有的性能。常规发动机零部件的加工精度一般在毫米级上,而微型发动机一般的零部件尺寸都在10～100μm级上。在如此小的基准尺寸上要保持较高的加工精度,其难度是很大的。常规的机械加工方法不能用来制造微型发动机的零部件,只有使用超强等离子体的化学蒸发处理技术、深度活性离子蚀刻技术、电子放电技术、以及电化学加工技术等才能达到这样的加工精度。2.2燃料在燃烧内充分燃烧在微型发动机燃烧器中最重要、最具有技术挑战性的一点就是如何提高和分配燃烧的驻留时间。驻留时间一般包括燃料的混合时间和化学反应所用的时间。其中,化学反应所用的时间只有几百μs甚至更少,大部分时间都用于燃料的混合。如果将常规燃烧器的容积减小500倍,并保持相同的单位面积质量流率,那么在微型燃烧器内的驻留时间就为0.05～0.1ms。这和碳氢燃料的化学反应特征时间(0.01～0.1ms)处于同一量级上。显然,在这么短的驻留时间内燃料的混合和燃烧都是不充分的。由Kerrebrock给出的燃烧器驻留时间的简化公式:τres∝L⋅(Ab/A2)⋅π1/γcm˙/A2τres∝L⋅(Ab/A2)⋅πc1/γm˙/A2式中,L为长度;Ab为燃烧器横截面积;A2为压缩器流通面积;πc为压缩比;γ为多变指数;m˙m˙为空气流通速率;τres为驻留时间。假设两者的单位面积质量流率m˙/A2m˙/A2相同时,受发动机的总体尺寸的约束,压缩器的流通面积A2和燃烧器的特征长度L以及多变指数γ,基本上保持不变。因此,只有增大燃烧器相对于发动机的尺寸Ab,才能提高燃烧的驻留时间,从而保证燃料在燃烧器内充分燃烧。另一方面,也可以从减少燃料在燃烧器内的混合时间以及燃料燃烧的化学反应时间的角度来缩短燃料燃烧的驻留时间,从而使燃料在微型燃烧器内充分燃烧。例如:采取稀燃技术、提高燃烧器内的工作压力和混合气温度、以及在燃料和空气进入燃烧室前就将两者进行充分的混合等方法,都可以减少燃料的混合时间。在减少燃料的燃烧时间方面,可以采用催化燃烧或者使用燃烧时间更短的燃料,如氢气、氢水混合气等。2.3燃烧系统优化由于微型发动机体积的缩小,使得面积-容积比急剧增大,进而造成较大的热量损失。传热损失不仅降低微型发动机燃烧器的效率而且还影响到燃料燃烧的稳定性。减少传热损失应从以下几方面来考虑:(1)降低燃烧混合气与燃烧器壁面之间的温差,可以减少由于温差传热造成热量损失。为此应尽量使用不需冷却的耐火陶瓷,提高燃烧器壁面的温度来降低两者之间的温差。(2)应用催化燃烧技术可以降低燃料的着火温度,进而可降低整个燃烧器内的温度,减少传热损失。(3)由于传热速率与气体的流速以及传热距离成正比,而与气体的运动粘度成反比,因此降低进入燃烧器的混合气的流速、合理设置燃烧火焰中心的位置以及使用适当的混合气浓度都可以降低传热速率,从而减少传热损失。3三种小型烧伤设计方法3.1个硅基薄膜的热压设计图1是微型燃气轮发动机燃烧器的设计方案,包括径流式压缩器、燃烧器、径流式涡轮和启动器/电机等部件。整体尺寸约为直径1cm,高3mm。该微型发动机是由六个硅基薄片逐层叠加熔合粘接而成,并根据发动机的整体结构来分别设计每个薄片的具体外形和加工尺寸。空气经压缩机压缩后与燃料进行混合,通过火焰稳定器到达燃烧器内进行燃烧,混合气体经燃烧膨胀推动涡轮机的叶片高速旋转。这样就将燃料的化学能直接转化为机械能,并通过涡轮机轴对外作功。Epstein等人以氢气为燃料所做的初步分析表明,当速度达到500m/s,压缩比为4.5∶1,涡轮进气温度为1600K,进气口的面积为1mm2时,该微型燃气轮机能产生10～20W的功率。3.2转子之间的工作循环图2为该微型三角转子发动机燃烧器设计示意图。转子中心与燃烧器中心有一定的偏心距。在转子旋转的过程中,转子的三个顶点将燃烧器内腔分隔成三个封闭、独立的空间。每一空间都依次经历吸气、压缩、点火作功以及排气等四个过程,从而完成一个工作循环,即转子每转一圈在外旋轮形燃烧器中进行三个这样的工作循环。当转子的扫气半径、转子的宽度以及两轴之间的偏心距确定后发动机的其他参数(如排量、压缩比、转子最大速率等)也就确定了。初步设计的微转子发动机的扫气容积为77.5mm3,微型燃烧器的特征长度为0.45mm,输出的功率可以达到13.9W。3.3能源装置的节能技术图3为微型“瑞士面包卷”燃烧器的工作原理示意图。这种经电化学方法加工所得的“瑞士面包卷”燃烧器是一种没有运动部件和不需要高精度加工与装配的能源装置,可以避免在摩擦、泄露、制造以及装配等方面所遇到的许多困难。此结构最显著的优点是具有充分对流换热面积,燃烧释放的热量在排出过程中经面包卷的壁面与反应物进行充分的热量交换,从而增大了反应物的总能量(化学能+热能),同时也降低了微型燃烧器由于尺寸急剧缩小而带来的热量损失。在面包卷燃烧器壁内镶有热电材料,可以直接将热能转化成电能。4tpv热辐射与燃烧氢气的能量密度可以达到550MJ/kg,比碳氢燃料的能量密度要高10倍,但氢气的驻留时间却是碳氢燃料的1/5～1/50。针对氢气的这一特性,同时考虑到国内的机械加工水平,提出了新型的微型TPV(热光电)燃烧系统,将燃料燃烧产生的热量转化为燃烧器的热辐射,并激活TPV材料产生电能。该系统最大的优势:(1)将大多数燃烧器中由于大的面积-容积比造成的传热损失这一不利因素转化为有利因素,可以进一步利用发动机燃烧产生的热量损失来加热微型发动机燃烧器的壁面,增大微型发动机燃烧器的热辐射,提高微型发动机燃烧器利用效率;(2)该系统不包括任何运动部件,相对于上述三种微型发动机而言其加工与装配就显得简单多了,从而可以降低整个装置的制造成本。因此,这种微型动力装置将更具有广泛的应用前景以及较高的商业开发价值。为此着重在简易的微型管道内以氢气-空气组成的混合气为燃料进行了燃烧实验,并在此基础上对微体积内的燃烧进行更全面的模拟计算,了解和确定影响微体积内氢气燃烧的诸多因素,开发新的微燃烧器燃烧方案,从而提高氢气的燃烧驻留时间,使得氢气在有限的驻留时间内实现完全燃烧,进一步提高整个微型燃烧器的效率。5燃料内保留时间和燃烧效率(1)微型发动机燃烧器的体积很小,燃料燃烧的温度很高,一般的金属材料都不能适应其内部的工作环境,只有选用耐高温的碳化硅材料。(2)微型燃烧器内燃料燃烧的完全程度与混