Проблемы проектирования в миниатюризации отто-циклов для портативных устройств

Физика миниатюризации: фундаментальные компромиссы

Миниатюризация двигателя цикла Отто заставляет инженеров противостоять суровым законам масштабирования, которые управляют термодинамикой, динамикой жидкости и теплообменом. По мере того, как цилиндрический штанги сокращается, отношение поверхности к объему взлетает. Типичный автомобильный двигатель может иметь отношение около 0,5 см-1, в то время как 10-мм штанги двигателя может превышать 20 см-1. Этот сдвиг имеет глубокие последствия: потери тепла к стенкам камеры становится доминирующим, тепловая эффективность падает, а устойчивое горение становится неустойчивым. Расстояние закалки - наименьший разрыв, через который может распространяться пламя - остается около 0,5 мм в стехиометрических условиях. Когда диаметр цилиндра сокращается до нескольких миллиметров, вся камера сгорания может упасть в этом пределе закалки, что приводит к исчезновению пламени или неполному горению. Кроме того, число Рейнольдса резко падает, подавляя турбулентное смешивание, которое ускоряет распространение пламени в макродвигателях. Освоение этих явлений масштабирования - это первый шлюз, который должен пройти любой миниатюрный двигатель От

Основные проблемы дизайна

1.Нестабильность горения в микромасштабе

Достижение надежного и повторяемого распространения пламени в крошечном объеме, возможно, является самым трудноразрешимым препятствием. В макродвигателях турбулентность и вихрь увеличивают скорость пламени; в микромасштабе поток остается доминирующим ламинарным. Эта ламинарная скорость пламени слишком медленна для полного сгорания в течение короткого периода цикла при приемлемых оборотах. Кроме того, увеличенная площадь поверхности утоляет фронт пламени, что приводит к высоким несгоревшим выбросам углеводородов и плохой экономии топлива. Исследователи экспериментировали с каталитическими поверхностными покрытиями для содействия низкотемпературным реакциям, но контроль теплового бегства остается деликатным. Инновационные стратегии искрового воспламенения и многоточечного воспламенения с использованием микроэлектродов изучаются для стабилизации горения в камерах размером до 1 см3. Другой подход включает в себя предварительное воспламенение - небольшой, более богатый объем, где прочное ядро пламени устанавливает, а затем струи в основную камеру. Тем не менее, по своей сути высокое соотношение поверхности к объему означает, что даже

2.Тепловое управление и тепловой отказ

При таком высоком соотношении поверхности к объему небольшие двигатели отбрасывают гораздо большую долю тепла в окружающую среду. Хотя это может показаться полезным для охлаждения, это создает серьезные проблемы: стенки цилиндров становятся слишком холодными, чтобы выдерживать испарение топливной пленки, вызывая смачивание и неисправности. Вязкость масла смазки увеличивается при более низких температурах стенки, добавляя паразитное трение. И наоборот, локализованные горячие точки в выхлопном порту могут превышать пределы материала. Обычные системы жидкого охлаждения с радиаторами непрактичны из-за ограничений по размеру. Конструкторы вместо этого обращаются к интегрированным тепловым трубам, микрожидкостным каналам, вытравленным непосредственно в блок двигателя, или к материалам фазового изменения, которые поглощают пиковое тепло и постепенно выделяют его. Система управления температурой должна изолировать камеру сгорания достаточно, чтобы удерживать тепло для эффективности, но не допускать перегрева чувствительных компонентов, таких как датчики и уплотнения. Нежный баланс. Некоторые конструкции интегрируют рекуператор встреч

3.Толерантность в отношении изготовления и сборки

Производство деталей двигателя с функциями, измеренными в микронах, требует методов, выходящих далеко за рамки традиционной обработки. Например, клиренсы от поршня до цилиндра могут быть такими же низкими, как 2-3 мкм для поддержания сжатия без захвата трения. Достижение такой точности в производственных пробегах требует сверхточного алмазного поворота, обработки электрическим разрядом (EDM) и лазерной микрообработки. Сборка этих компонентов без искажений или загрязнения является жесткой: даже микроскопическая частица пыли может заклинивать микроподшипник или набирать стенку цилиндра. Автоматическая сборка в условиях чистого помещения, часто заимствованная из полупроводникового производства, становится необходимостью. Толерантность также должна учитывать дифференциальное тепловое расширение между несходными материалами. Например, алюминиевый поршень в керамической цилиндровой облицовке будет расширяться с разной скоростью, потенциально вызывая захват при рабочей температуре, если холодный клиренс не установлен тщательно. Передовые методы измерения, такие как интерферометрия белого света и координатные измерительные машины с точностью до суб

4. Доставка топлива и смешивание воздушных топлив

Традиционные карбюраторы не могут должным образом распылять топливо при мизерных расходах, необходимых. Микродвигатель Otto может потреблять всего несколько граммов топлива в час, с длительностью впрыска в микросекундном диапазоне. Достижение стехиометрической смеси в этих условиях требует сверхточных инжекторов, часто основанных на пьезоэлектрическом или электростатическом приведении в действие. Стратегии прямого впрыска становятся привлекательными, потому что они позволяют стратифицировать образование заряда - богатый карман возле свечи зажигания для надежного воспламенения, окруженный более стройной смесью. Однако изготовление микронасоса высокого давления и сборки сопла является сложной задачей. Многие прототипы вместо этого полагаются на премиксную доставку пара, но это вводит сложность в хранение топлива и регулирование. Испарительное смешивание с использованием капиллярных каналов и пористых сред является активной областью исследований для упрощения топливной системы. Для газообразных видов топлива, таких как пропан или водород, проблема смещается к поддержанию согласованного соотношения топливо-воздух, несмотря на изменения давления

5.Вибрация и шумоконтроль

Одноцилиндровый мини-двигатель, работающий на скорости 20 000 оборотов в минуту, производит интенсивные высокочастотные вибрации. Низкая масса двигателя означает, что даже небольшие несбалансированные силы могут генерировать большие тревожные амплитуды. В портативных устройствах такая вибрация может отсоединять внутренние соединения, повреждать чувствительную электронику или создавать неприемлемый пользовательский опыт. Активные балансирующие системы - с использованием вращающегося вала - часто являются миниатюрными версиями тех, которые в полноразмерных двигателях, но точность, необходимая для выравнивания таких небольших компонентов, делает их дорогими. Дизайнеры также могут использовать двойные противопоршневые конфигурации, которые отменяют первичные вибрации без громоздких балансировщиков. Демпфирующие материалы и тщательные структурные изоляционные установки также помогают управлять передачей шума. Выхлопной шум сам по себе является отдельной проблемой: крошечный глушитель должен помещаться в общий пакет, все еще ослабляя уровни звукового давления ниже нормативных пределов, особенно для ручной или окололичной работы. Акустические метаматериал

6. Ношение и долговечность при высоких оборотах

Миниатюрные двигатели должны вращаться чрезвычайно быстро, чтобы извлечь осмысленную мощность из их крошечного смещения. Двигатель 5 куб.см может работать при 25 000 оборотов в минуту для производства 100 Вт. На таких скоростях обычные поршневые кольца страдают от трепета и продува. Материалы сталкиваются с интенсивными трибологическими требованиями: высокие температуры, минимальная смазка и трение пограничного слоя. Для продления жизни дизайнеры экспериментируют с алмазоподобными углеродными (DLC) покрытиями, передовыми керамическими рукавами и самосмазывающимися композитами. Некоторые радикальные конструкции полностью устраняют кольца, используя жесткие поршневые цилиндры, которые подходят с минимальной утечкой, но требуют идеального выравнивания. Также изучаются экзотичные масляные составы или безмасляная работа с твердыми смазочными материалами, такими как дисульфид молибдена. Однако небольшой объем масла означает, что даже небольшая деградация может привести к быстрому отказу. Многие микродвигатели работают на системе смазки с полным потерям, но это

Материальные инновации для высокотемпературных, легких компонентов

Переход от алюминия и чугуна к высокопроизводительной керамике и композитам знаменует собой поворотный момент в конструкции микродвигателя. Нитрид кремния и карбид кремния сочетают исключительное сопротивление тепловому удару с низкой плотностью, что делает их идеальными для цилиндрических лайнеров и поршней в среде микродвигателя. Эти керамики могут работать при температурах, превышающих 1000 ° C, без активного охлаждения, регенерируя часть тепла, потерянного для стен. Для структурных частей, сплавы магния или алюминиды титана обеспечивают необходимое соотношение прочности к весу. Углеродные композиты, армированные углеродом, обеспечивают жизнеспособный путь для клапанных компонентов и соединительных стержней, уменьшая поршневую массу и обеспечивая более высокую RPM. Проблема остается в соединении этих разнородных материалов при сохранении газонепроницаемых уплотнений, поле, где усовершенствованная сварка и лазерная сварка прогрессируют. Кроме того, разработка функционально градуированных материалов - где состав постепенно меняется от одного региона к другому - позволяет одной части иметь жесткий, свариваемый

Передовые технологии производства и сборки

Аддитивное производство

3D-печать металлов, в частности с помощью лазерного порошкового сплава, позволяет инженерам создавать сложные внутренние охлаждающие каналы, конформные портовые геометрии и решетчатые структуры, которые невозможно обрабатывать обычным способом. Микроцилиндровую головку можно печатать с помощью интегрированного теплообменника и топливного прохода, уменьшая количество деталей и устраняя пути утечки. Способность консолидировать несколько компонентов в один монолитный кусок также упрощает сборку. Исследования в таких учреждениях, как Гарвардская лаборатория микророботики, демонстрируют, как этот подход может быть распространен на миллиметровые двигатели. Однако шероховатость поверхности от процесса порошкового слоя часто требует постобработки, такой как электрохимическая полировка, для достижения зеркальных поверхностей, необходимых для движения поршня с низким трением. Стоимость металлического аддитивного производства остается высокой, но по мере увеличения пропускной способности машины становится жизнеспособной для малых и средних производственных циклов.

Микромеханическая обработка на основе MEMS

Методы изготовления микроэлектромеханических систем (MEMS), первоначально разработанные для полупроводников, адаптируются для компонентов двигателя. Глубокое реактивное ионное травление может производить камеры сгорания на основе кремния и каналы с субмикронной точностью. Проект микродвигателя MIT лихо продемонстрировал кремниевый вафельный стековый двигатель, который работал на бутане и достиг высоких оборотов. В то время как кремний имеет ограниченную температурную терпимость, он доказывает концепцию монолитного серийного производства, снижая стоимость единицы для больших объемов. Совсем недавно карбид кремния MEMS появился в качестве надежной альтернативы, выдерживая температуры до 600 ° C, все еще используя установленные процессы в чистом помещении. Способность интегрировать датчики, исполнительные механизмы и даже управляющую электронику на том же чипе - это священный Грааль. Хотя ни один коммерческий продукт еще не вышел на рынок, исследовательские прототипы показали непрерывные пробеги, превышающие 100 часов, прокладывая путь для одноразовых микроисточников питания.

Лазерная сварка и присоединение

Постоянное соединение субкомпонентов микродвигателя часто зависит от лазерной микросварки. Эта техника может сплавлять несхожие металлы, такие как цилиндр из нержавеющей стали с титановой головкой, без введения наполнителя, который может изменять зазоры. Минимальная зона, подверженная тепловому воздействию, сохраняет точность предварительно обработанных форм. Ультразвуковая сварка также исследуется для соединения термопластичных композитных компонентов, что позволяет быстрое, чистое соединение без клеев, которые могут вытекать. Переходное соединение жидкой фазы, используя тонкие прослойки металлов, таких как медь или никель, является еще одним методом, получающим тягу для высокотемпературных соединений. Ключ заключается в том, чтобы избежать пористости и обеспечить герметичность, поскольку даже микроскопическая утечка мимо прокладки головки цилиндра может вызвать потерю сжатия и отказа. Многие микродвигатели не используют прокладку вообще, полагаясь вместо этого на прямое уплотнение металла металлу с точными поверхностными отделками, что требует безупречных методов соединения.

Электронные контроллеры и сенсорная интеграция

Микро-ECU и адаптивное зажигание

Миниатюрный двигатель Otto требует высокоинтеллектуальной системы управления для эффективного функционирования при различных нагрузках и условиях окружающей среды. Современные микроэлектронные блоки управления (ECU) используют быстрые циклы процессора и алгоритмы на основе моделей для регулировки времени зажигания, впрыска топлива и даже приведения в действие переменного клапана в режиме реального времени. Например, технология ионного зондирования с использованием самой свечи зажигания может обнаруживать начало стука или неисправности, позволяя ECU продвигать или замедлять время цикла за циклом. Эта адаптивность имеет решающее значение для двигателя, который редко работает в устойчивом состоянии в портативных приложениях. Миниатюризация таких ECU была включена устройствами системы на чипе (SoC), которые объединяют микроконтроллер, память и аналого-цифровые преобразователи на одном кристалле. Потребление энергии самого ECU должно быть сведено к минимуму - часто менее 100 мВт - так что он не значительно отвлекает от чистой выходной мощности двигателя. Некоторые продвинутые конструкции даже собирают энергию от импульсов зажигания или от небольшого термоэлектрического генератор

Диагностика in-Situ

Встроенные датчики дополнительно повышают самосознание двигателя. Микропреобразователи давления, установленные в головке цилиндра, обеспечивают следы давления сгорания, которые могут использоваться для оценки крутящего момента и диагностики неполных событий сгорания. Термопары и акселерометры MEMS подают данные о тепловом состоянии и вибрации, позволяя прогнозировать техническое обслуживание и обнаружение неисправностей. Задача заключается в упаковке этих датчиков без создания точек вторжения для утечек и защите электроники от электромагнитных помех, создаваемых минутной высоковольтной системой зажигания. Беспроводная телеметрия, используя связь ближнего поля или маломощный Bluetooth, исследуется для снижения сложности проводки в многоцилиндровых микродвигателях. Данные в реальном времени могут передаваться в пользовательский интерфейс на смартфоне, позволяя операторам контролировать расход топлива, регулировать настройки и даже дистанционно отключать двигатель. Эта связь особенно ценна для беспилотников и платформ дистанционного зондирования, где физический доступ ограничен.

Тематические исследования: прототипы и прорывы

Программа микродвигателей DARPA

В конце 1990-х и начале 2000-х годов Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA) финансировало амбициозные проекты по разработке двигателя, настолько маленького, что он мог бы заменить батареи в портативном оборудовании. Исследователи в компаниях и университетах производили двигатели с рабочим объемом от 0,1 до 10 куб.см, используя такие виды топлива, как водород и JP-8. В то время как полная интегрированная система питания не полностью созрела, программа дала критические достижения в микрообработке, регенеративных воздушных подогревателях и сверхвысокоскоростных подшипниках. Подробный обзор доступен в этом документе ASME о разработке микродвигателей . Одним из заметных подпроектов была «микрогазовая турбина», работавшая на цикле Брэйтона, достигая 50 Вт электрической мощности от упаковки размером с банку соды. Хотя это не был двигатель цикла Отто, разработанные материалы и методы производства были непосредственно переведены на поршневые микродвигатели. Программа DARPA продемонстрировала, что двигатели миллиметрового масштаба были физически возможны, но она также подчеркнула необходимость прорывов в

Университетские исследования и коммерческие спин-оффы

Калифорнийский университет, исследовательская группа Беркли по горению, произвела миниатюрный роторный двигатель Wankel с рабочим объемом всего 1,5 куб. см, достигая плотности мощности более 1 кВт / кг. Между тем, европейский консорциум разработал двухтактный двигатель 5 куб. см для портативной зарядки аккумулятора, демонстрируя непрерывную мощность 150 Вт. Эти прототипы доказали, что двигатели цикла микро-Отто могут превзойти литий-ионные батареи в конкретных миссиях, длящихся более нескольких часов. Некоторые технологии просочились в коммерческие продукты: например, двигатели небольших беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) специализированных производителей теперь интегрируют многие из описанных инноваций в области управления и материалов. На потребительском рынке ручные генераторы, такие как «PowerPed» (фиктивный пример) используют 10 куб. см двигатель с электронным впрыском топлива для обеспечения 500 Вт для кемпинга и аварийного использования. Экономика все еще сложна - такой генератор может стоить в несколько раз больше, чем эквивалент батареи - но для пользователей, которым нужна непрерывная мощность в течение нескольких дней в отдаленны

Вместо замены батарей, миниатюрный двигатель Отто часто работает лучше всего в качестве расширителя диапазона или гибридного партнера. В такой системе двигатель работает с перерывами в своей наиболее эффективной рабочей точке для зарядки небольшой батареи или суперконденсатора, который затем обрабатывает пиковые требования мощности. Эта компоновка отделяет двигатель размера от мгновенной нагрузки, позволяя оптимизировать двигатель внутреннего сгорания исключительно для топливной эффективности. Архитектура напоминает серийный гибридный автомобиль, но масштабируется на персональную портативную электронику. Такие компании, как Водолеи Двигатели, которые могут входить в эту роль, предлагая десятки часов работы от одного топливного канистра. Их двигатель использует линейный генератор вместо коленчатого вала, устраняя многие точки трения и упрощая масштабирование до микроразмеров. Гибридный подход также смягчает проблемы с вибрацией и шумом, поскольку двигатель может работать с постоянной скоростью, когда это необходимо, и выключается, когда батарея полна. Для носимых или портативных устройств эта гибридная топология может обеспечить лучшее из обоих миров: высокую плотность энергии жидкого топлива