Experimental Characterization of a Meso-Scale Combustion Driven Actuator Designed for High Efficiency
Notice bibliographique
Résumé
Meso-scale power systems (10 W to 1000 W) are needed to power untethered mobile robots and assisting devices such as powered exoskeletons. Air-breathing combustion driven actuators, used in a direct acting manner, can be used for such applications and take advantage of the high power density of fluidic actuators and the high energy density of chemical fuels. However, fuel-to-mechanical energy conversion efficiency is critical to make such chemical systems viable over electrical systems. This paper presents the efficiency-based design and experimental characterization of two combustion driven actuators intended to reach high specific power and specific energy. First, efficiency oriented design principles are derived from internal combustion engine theory: (1) an ideal-cycle thermodynamic model of a generic constant volume combustion system suggests that compression ratio and the expansion/compression ratio should both be maximized, and (2) the practical effects of heat, mass and friction losses as well as fuel choice in a small scale combustion chamber context are discussed. Second, two simplified prototypes are built and tested. The first prototype uses a rolling diaphragm seal to limit the effect of mass and friction losses. The second prototype consists of a standard air cylinder that minimizes heat losses by reducing the surface-to-volume ratio of the combustion chamber. Hydrogen is selected as fuel because it allows lean combustion which limits the effect of heat loss with low combustion temperatures. Compression ratio and equivalence ratio are varied experimentally to evaluate their effect on efficiency. Experimental results demonstrate an energy conversion efficiency of 15.3% at a compression ratio of 4.15 and a low equivalence ratio of 0.3. Ragone analysis of relevant meso-scale power systems for mobile robotic suggest that, with proper optimization and system integration, combustion driven power systems can become a viable solution for lightweight and long range meso-scale robotic applications.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».