Konstrukcja i wytwarzanie mikrosilnika tłokowego

• Autorzy: Jiang K. , Jin P. , Kim J.-S.

Warianty tytułu

EN

Design and fabrication of a micro reciprocating engine

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono realizowany projekt rozwoju konstrukcji tłokowego mikrosilnika spalinowego. Silnik skonstruowany jest na bazie dwusuwowego silnika tłokowego, jednakże wprowadzono w jego budowie istotne modyfikacje konstrukcyjne w celu przystosowania do produkcji. Modyfikacje te zostały stworzone z wykorzystaniem systemu projektowania 2D MEMS. Wszystkie elementy silnika rozmieszczone są na dwóch płaszczyznach. Uszczelniania tłoków nie są stosowane, a przedmuchom zapobiega się poprzez zastosowanie mikrorowków na tłokach, dużą dokładność wykonania oraz przez powiększoną powierzchnię styku między tłokiem i cylindrem. W połączeniu z warstwą filmu oleju smarującego rozwiązanie to skutecznie zapobiega przedmuchom. Opracowano nowy i tani sposób wytwarzania elementów silnika narażonych na działanie wysokiej temperatury. Metoda ta polega na zastosowaniu procesu o nazwie UltraThick SU-8 Process, nazywanego w skrócie UTSP do wytwarzania mikroform; następnie przy wykorzystaniu tej formy można wytwarzać ceramiczne i metalowe elementy silnika. UTSP wykorzystuje litografię ultrafioletową UV, która jest zastosowana do wytwarzania warstw SU-8 o grubości do 1000 mm, a uzyskane rezultaty są porównywalne z tymi, jakie uzyskuje się przy zastosowaniu procesu naświetlania promieniowaniem rentgenowskim dla takich samych grubości. Wykonano kompletny mikrosilnik do prób wykorzystując powłoki SU-8 otrzymane w procesie UTSP. Bazując na formach SU-8 wyprodukowano wysokiej jakości ceramiczne i metalowe elementy, tym samym potwierdzono przydatność nowej metody do budowy odpornych na wysokie temperatury mikrosilników przy zachowaniu niskich kosztów.

EN

This paper presents an ongoing project of developing a micro reciprocating internal combustion engine. The engine is designed on the basis of a two stroke piston engine, but heavy modifications have been made to suit the 2D MEMS fabrication. All the engine parts are located in two layers. Piston seals are not used and leakage is prevented by the introduction of microgrooves on the piston, tight tolerance control and an extended contact area between the piston and the cylinder. With the assistance of a film of lubrication oil, these measures prove effective in preventing leakage. A new approach has been developed to fabricate high temperature resistant engine components at low cost. The approach relies on the UltraThick SU-8 Process (UTSP) to make micromoulds; then ceramic and metallic engine components can be produced based on the moulds. The UTSP is a UV lithography process for producing up to 1000 mm thick SU-8 layers and the quality of the fabrication results can be compared with those made by using X ray exposure process in the same thickness. A complete microengine has been fabricated in SU-8 using the UTSP for test drive. High quality ceramic and metallic components have been produced based on the SU-8 moulds, proving the new approach is feasible for building durable micro hot engines at a low cost.

Słowa kluczowe

PL

silnik spalinowy; mikrosilnik; UltraThick Process UTSP SU-8; mikroformowanie

EN

microengine; UltraThick Process UTSP SU-8; micromoulding

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Silniki Spalinowe
• Rocznik: 2005
• Tom: R. 44, nr 3
• Strony: 32--41
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz.

Twórcy

autor

Jiang K.

• Szkoła Inżynierska, Uniwersytet Birmingham, Wlk. Brytania

autor

Jin P.

• Szkoła Inżynierska Elektryczności i Automatyki, Instytut Technologii w Harbin, Chiny

autor

Kim J.-S.

• Szkoła Inżynierska, Uniwersytet Birmingham, Wlk. Brytania

Bibliografia

• [1] Lee C. H., Jiang K., Jin P. and Prewett D.: Design and fabrication of a micro internal combustion Wankel engine. In press, Microelectronic Engineering, 2004.
• [2] Mehra A., Ayon A.A., Waitz I.A. and Schmidt M.A.: Microfabrication of high-temperature silicon devices using wafer bonding and deep reactive ion etching. IEEE J. MEMS, vol. 8, 152, 1999.
• [3] Ayon A.A., Braff B., Lin C.C., Sawin H.H. and Schmidt M.A.: Characterization of a Time Multiplexed Inductively Coupled Plasma Etcher. Journal of Electrochemical Society, vol. 146, 1, pp 33-349, 1999.
• [4] Fu K., Knobloch A.J., Cooley B.A., Walter D.C., Fernandez-Pello C., Liepmann D. and Miyaska K.: Microscale combustion research for applications to MEMS rotary IC engine. NHTC 2001: Proc. Conf. ASME 35th National Heat Transfer, 2001.
• [5] Yang W.: MEMS Free Piston Knock Engine. 28th International Symposium on Combustion, The Combustion Institute, Edinburgh, UK, July 30-August 4, 2000. Also DARPA MEMS PI Meeting Poster, Broomfield, CO, August 29, 2001.
• [6] Allen M.G.: Ceramic Micromachining Technology. DARPA Workshop on Combustion-based MEMS Power Generation on the Microscale, for the Microscale, Washington, DC, 1998.
• [7] Lee D. H. and Kwon S.: Heat transfer and quenching analysis of combustion in a micro combustion vessel. Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 12, pp 670-676, 2002.
• [8] Ashby M. F.: Materials Selection in Mechanical Design. Pergamon Press, Oxford, 1992.
• [9] Blair G. P.: Design and simulation of two stroke engines, SAE International, pp 18, 1996.
• [10] Robert Bosch Gmbh, patents 4855017 and 4784720 (USA) and 4241045C1 (Germany).
• [11] Shaw J. M., Gelorme J. D., LaBianca N. C., Conley W. E. and Holmes S. J.: Negative photoresists for optical lithography. IBM Journal of Research and Development, Optical lithography, vol. 41, 1/2, 1997.
• [12] Chang H.K., Kim Y.K.: UV-LIGA process for high aspect ratio structure using stress barrier and C-shape etch hole. Sensor and Actutors, vol. 84, pp 342-350, 2000.
• [13] LaBianca N. and Gelorme J. D.: High aspect ratio resist for thick film applications. Proc. SPIE, vol. 2438, 846-852, 1995.
• [14] Zhang J., Tan K.L., Hong G.D., Yang L.J. and Gong H.Q.: Polymerization Optimization of SU-8 Photoresist and its Applications in Microfluidic Systems and MEMS. J. Micromech. Microeng., vol. 11, pp 20-26, 2001.
• [15] Ling Z.G., Lian K., Jian L.K.: Improved patterning quality of SU-8 microstructures by optimizing the exposure parameters. Proc. SPIE, vol. 3999, pp 1019-1027, 2000.
• [16] Jin P., Jiang K. and Sun N.: Microfabrication of ultra-thick SU-8 photoresist for microengines. Proc. SPIE, vol. 4979, pp. 105-110, San Jose, 2003.
• [17] Resolution Performance Products: EPON Resin SU-8 (a.k.a.EPIKOTE157). Product Bulletin, SC: 1580-01.
• [18] Yamaguchi A., Jin P., Tsuchiyama H., Masuda T., Sun K., Matsuo S. and Misawa H.,: Rapid fabrication of electrochemical enzyme sensor chip using polydimethylsiloxane microfluidic channel. Analytica Chimica Acta, vol. 468, pp 143-152, 2002.