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作者(中文):李彥均
作者(外文):Lee, Yen-Chun
論文名稱(中文):鋁線氧化熱推進引擎之噴火嘴開發及氧化熱推動力之量測分析
論文名稱(外文):Development of spitfire nozzle for Al-oxidation-energy powered engine and study on propulsion forces from Al-oxidation and fuel combustion
指導教授(中文):葉均蔚
謝光前
指導教授(外文):Yeh, Jien-Wei
口試委員(中文):洪建龍
曹春暉
葉均蔚
謝光前
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程學系
學號:101031566
出版年(民國):103
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:163
中文關鍵詞:鋁線引擎電弧汽化固態燃料線引擎噴火嘴燃料氧化熱比較
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本研究的目標為開發不以傳統汽柴油而以固態鋁線作為燃料的引擎,由於每克鋁的氧化熱約為汽柴油的七成,每毫升為2.17倍,不產生二氧化碳,且產生氧化鋁可經電解回收重複使用,所以此引擎的開發甚具未來性。
為了解以鋁線取代傳統燃料的可行性,本研究對金屬線材及汽油燃料在0.5公升定容容器內進行燃燒爆炸,測量其壓力對時間變化曲線;結果顯示5356鋁合金線汽化及氧化確實可以提升容器內部氣壓,而與液態燃料相比,燃燒時間於50-70 ms時,兩者效率相近。
此外本實驗以二行程引擎為試驗,以接觸式起弧進行鋁線氧化爆炸。操作時,鋁線由噴火嘴中心經石墨杯噴火口垂直送向往復運動活塞表面的突出電極,鋁線於上死點與突起電極將引發電弧及汽化,進而氧化爆炸,其中石墨杯的設計目的是為了侷限電弧的熱量以增進鋁線線頭的汽化及氧化。經不同設計的噴火嘴做測試,結果顯示此一機構確實能使鋁線在上死點瞬間汽化及氧化爆炸的效果,但發現仍存在兩項主要缺點:1.電弧力常使杯中的鋁液濺出液滴,進而接觸不良,影響連續爆炸運作;2.靠近點火處的鋁線受熱膨脹與通道會產生咬住現象,使送線送線被迫停止。因此,此兩項缺點成為未來首需克服的問題。此外,本研究對引擎排氣口收集的粉末進行產物分析,結果證實純鋁線的汽化及氧化產生粒徑10到數百nm的球狀γ-氧化鋁,而5356合金線材則產生粒徑相似的球狀γ-氧化鋁及尖晶石氧化鋁鎂。
Abstract I
摘 要 III
致 謝 V
目 錄 VII
圖目錄 XI
表目錄 XXII
壹、前言 1
貳、文獻回顧 4
2.1. 燃料比較 4
2.2. 電弧消耗線材 9
2.2.1. 電弧放電特性與起弧方式 9
2.2.1.1. 電弧放電特性 9
2.2.1.2. 電弧的伏安特性 13
2.2.1.3. 起弧方式 16
2.2.2. 電流對液滴傳遞方式的影響 16
2.3. 鋁反應 24
2.3.1. 鋁的氧化機制 24
2.3.1.1. 鋁蒸氣的氧化機制 24
2.3.1.2. 鋁顆粒及鋁液滴的氧化機制 27
2.3.2. 高溫下鋁與耐火材料的反應 31
2.4. 氧化熱推動力 40
2.4.1. 內燃機簡介 40
2.4.2. 燃燒特性比較 43
參、實驗方法 49
3.1. 實驗流程 49
3.1.1. 實驗手法及細節 50
3.1.1.1. 燃料特性與比較 50
3.1.1.2. 鋁線引擎實現試驗 51
3.1.2. 實驗儀器 52
3.1.2.1. 爆炸容器 52
3.1.2.2. 氬焊機 53
3.1.2.3. 壓力計與記錄器 54
3.1.2.4. 二行程引擎 54
3.2. 分析儀器介紹 56
3.2.1. 高速攝影機 56
3.2.2. X光繞射分析儀(XRD) 57
3.2.3. 掃描式電子顯微鏡(SEM) 57
3.2.4. TEM 58
肆、結果與討論 59
4.1. 5356鋁合金線材之氧化熱試驗 59
4.1.1. 電弧放電時間 60
4.1.2. 線材形貌 64
4.1.3. 重量損失 66
4.1.4. 壓力對時間變化曲線 70
4.2. 與其他燃料比較 77
4.2.1. W-W 77
4.2.2. 液態燃料 82
4.3. 引擎實驗參數 89
4.3.1. 起弧方式(高壓擊穿 vs. 接觸起弧) 89
4.3.2. 焊接模式(氬焊 vs. 電焊) 92
4.3.3. 引擎行程(四行程vs.二行程) 93
4.3.4. 送線速度調整 96
4.3.5. 焊接電流 98
4.4. 噴火嘴的幾何設計 100
4.4.1. 石英管觀察實驗 100
4.4.1.1. 擠入固定型石墨嘴 102
4.4.1.2. 螺牙固定型石墨嘴 109
4.4.1.3. 增長石墨之中段喇叭設計 113
4.4.1.4. 噴火嘴漏斗與活塞石墨角度銳化 117
4.4.1.5. 顛倒世界 119
4.4.1.6. 石英管觀察實驗小結 122
4.4.2. 二行程引擎實驗 123
4.4.2.1. 基本內縮型噴火嘴 123
4.4.2.2. 散熱型噴火嘴 127
4.4.2.3. 長型喇叭加銳化陰極 135
4.4.2.4. 二行程引擎小結 140
4.5. 引擎排放粉末之分析 141
4.5.1. XRD分析 141
4.5.2. SEM分析 144
4.5.3. TEM分析 150
伍、結 論 157
陸、未來研究方向 159
柒、參考文獻 160
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