金屬氧化熱推進引擎之固態燃料線與噴火嘴開發研究

林昌羿

指導教授 ： 葉均蔚 ； 謝光前

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2013年)

摘要

本研究目標在於開發一種全新的引擎，其燃料不使用傳統的汽柴油；而是使用固態金屬線做為燃料，在引擎活塞的壓縮階段，以電極對金屬線線頭產生弧光放電，形成金屬氣體及液滴而與氧氣或空氣中的水氣引發劇烈氧化而爆炸，使氣體膨脹推進活塞。
為了得到金屬線的氧化熱，必須將金屬線升溫到沸點以上(如鋁為2500oC)，因此本研究之構想係採用局部溫度可高達12000oC的電弧放電，來汽化金屬線。去年王建舜針對此一構想進行初步的研究，包括對鋁線汽化、燃燒、生成物及機制做一系列探討，以評估鋁線引擎之可行性，並作為鋁線電弧噴火嘴裝置的設計基礎。其中以快速攝影機觀察常溫常壓下鋁線對鋁線放電時，鋁線線頭從室溫升溫至電弧產生所需時間，結果證明其放電氧化速率能配合四衝程引擎的高轉速。以鋁線對鋁線放電，量測正負極的消耗重量，並觀察其熔融長度，結果證明鋁線應接正極，汽化效率較高，更藉此瞭解燃燒時電極尖端的溫度分布。經電子顯微鏡及X光繞射分析，確認鋁線放電的產物為直徑10~150 nm的γ-氧化鋁球狀奈米顆粒，屬於均質成核機制，但若在放電時沈積於電弧附近的基材，則屬自我催化成核控制的沈積機制。
本研究在此基礎上，更進一步地針對不同金屬燃料線進行研究。結果得知鋁鎂合金線(5356) 除氣化外，能產生大量的小顆粒噴濺，增加氣化率及氧化熱量，是最有效率的金屬線，除此之外在相同能量下利用大電流短時間(<10ms)可增加5356合金的消耗量，更顯示使用更大電流的可行性。最後蒐集5356放電後粉末，確認放電所產生的粉末粒徑介於30 ~80 nm，包含γ-氧化鋁、MgAl2O4與不具計量比的MgAl2O4。
在噴嘴使用的部分，由於王建舜將鋁線頭及電弧局限在一個小空間內，以避免電弧的光線或熱將能量帶到汽缸大範圍的空間而降低局部電弧溫度的提升，此方法可提升鋁線尖端的汽化效率約 6倍，因此噴火嘴設計一開始以侷限性噴火嘴設計為主，但缺點為氧化鋯易熔化後使放電不穩定，並造成鋁線與鎢銅極短路而導通，失去電弧氣化的作用。
最後改進氧化鋯無法承受長時間高熱使用，設計以活塞放電式噴活嘴，藉由活塞的往復式運動對伸出洞口的燃料線進行正時點火，可確保氧化鋯的完整，並進行長時間的放電。

關鍵字

鋁線引擎 ； 引擎噴火嘴 ； 固態燃料線

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