CN102449284A - 内燃机的运行方法和根据该方法的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种往复类型的内燃机(10)，所述内燃机包括：一容器(23)；至少一汽缸(11)；一活塞(12)，该活塞能在该汽缸内部进行往复轴向运动，该活塞具有一头部和与该头部铰接的一臂形件；以及至少一进气阀(19)和至少一排气阀(20)，所述进气阀和排气阀布置在所述活塞(12)上方和两喷射器(21a和21b)上方的汽缸上。所述内燃机配有用于通过水的电解产生气态二氢的装置(27)，气态二氢被引入到汽缸(11)中和气态二氢的爆炸开始使得活塞(12)移动超出顶部死点(PMH)。继而注入预定体积的水，该预定体积的水在气态二氢的爆炸产生的热量作用下瞬时地蒸发。热的水蒸汽将活塞(12)向底部死点(PMB)推动。通过蒸发和气态二氢的燃烧产生的水蒸汽继而通过排气阀(20)排出。该内燃机的优点在于该内燃机是清洁的，因为该内燃机仅产生水蒸汽并且只使用一种燃料，所述燃料是无限期地可再生的一种自然产品，即盐水，例如海水。

Description

内燃机的运行方法和根据该方法的内燃机
技术领域
本发明涉及一种往复类型的内燃机的运行方法，所述内燃机包括：一水容器；至少一汽缸；一活塞，该活塞能在该汽缸内部进行往复轴向运动，该活塞具有一头部和与该头部铰接的一臂形件；以及至少一进气阀和至少一排气阀，所述进气阀和排气阀布置在所述活塞上方的汽缸上，在所述方法中使用气态二氢。
本发明还涉及一种往复类型的内燃机，所述内燃机包括：一水容器；至少一汽缸；一活塞，该活塞能在该汽缸内部进行往复轴向运动，该活塞具有一头部和与该头部铰接的一臂形件；以及至少一进气阀和至少一排气阀，所述进气阀和排气阀布置在所述活塞上方的汽缸上。
背景技术
存在许多基于碳氢燃料燃烧的类型的内燃机，特别是基于化石燃料燃烧的内燃机。这些内燃机的运行原理是为人熟知的，虽然这些年已提出了趋于提高效率、减少消耗和降低污染的很大改进，但仍旧要进行改进。此外知晓的是，许多自然能源变得稀少，主要地是化石燃料的储量变得稀少。此外，能够产生油或乙醇的农产品——特别是油菜和甘蔗，需要首先供给人和动物食用。如今，农业资源不再足以达到这些目的。
因此有利地是，寻求同时是丰富的和具有可再生的优点的能源，以供给稳定增长的需要。太阳能和风能已被广泛地使用来产生电能，不过存在这种能量的存储问题，这缩小了其使用的范围。
淡水可以代表一种吸引人的解决方案，不过地球变暖表明这种资源也具有变得稀少的危险，这是因为淡水对于满足人类、动物和植物的需求是绝对不可缺少的。
相反地，海水占据地球表面的70％并且通过雨水和冰川的融化再生更新。海水作为能源的使用可以表示对现有能源的一种有利的选择，只要开发一种简易的、经济的和有效的工具来对海水进行开发以产生能量。
现有的往复式内燃机，通过化石燃料或合成碳氢燃料进行供给，其是二冲程的或四冲程的，在今天还代表着产生直接可使用的机械能，来保证传动、驱动、牵引或直接可利用的相似作用的各种作用的最有效的方式之一。实际上，通过爆炸在这类内燃机的活塞头上施加的压力，基本垂直于活塞的表面和通过产生该内燃机的输出轴的转动运动引起移动。虽然已开发出转动装置如汪盖尔内燃机和准涡轮，来避免被迫将往复运动转化为转动运动，但爆炸压力或膨胀压力所施加的角度比在往复式内燃机上的角度较为不利。将可以注意到，准涡轮比汪盖尔方法提供略好的角度。
现有的往复式内燃机的主要弊端之一源于这样的事实：产生剧烈的能源释放的爆炸产生，而活塞位于顶部死点(PMH)。这时刻，由连杆的角度和曲柄轴的中心限定的杠杆臂最小。
为了使得条件是理想的，在往复式内燃机中的爆炸会发生，而连杆相对于曲柄轴是水平的，即杠杆臂也是最大的。某些系统，如喷枪式内燃机，提出推迟爆炸以使得其发生最大的作用，而对应的往复式内燃机的活塞超出其顶部死点(PMH)数十度。
因此使得，使用化石燃料或相似的碳氢燃料的现有的内燃机——虽然这些内燃机的性能相对良好，不允许在最优条件中产生机械能。此外，正在耗尽的化石燃料的使用会在相对近的未来中止。最后，化石燃料的使用是污染性的，因为其排放碳酐块和未燃烧的颗粒，对气候变暖和我们大气的污染负有部分责任。
发明内容
本发明提出一种选择，其目的在于，通过提出一种内燃机——所述内燃机的运行被优化，以使得在运行周期过程中产生的能量被最优地使用，以产生机械作用力——来消除通常由现有的热能发动机产生的排放气体的污染，同时消除开采困难和危险的化石燃料的使用，并使用在地球上无限期地可再生的物质。
为此，本发明的方法的特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.第一步骤，在该第一步骤过程中，将预定体积的气态二氢和预定体积的包含有氧气的气态混合物引入到所述汽缸的位于所述活塞的头部上方的空间中；
b.第二步骤，在该第二步骤过程中，在活塞超出顶部死点(PMH)时，引起引入到汽缸中的气态二氢的爆炸；
c.至少一第三步骤，在第三步骤过程中，在所述汽缸中，将预定体积的水注入到位于所述活塞上方的空间中，用以在通过气态二氢的爆炸所产生的热量作用下瞬时地蒸发水和用以冷却内燃机；和
d.第四步骤，在该第四步骤过程中，排出通过注入的水的蒸发和气态二氢的燃烧所产生的水蒸汽。
有利地，所述方法包括一预备步骤，在该预备步骤过程中，通过所述水容器的水的电解，产生气态二氢，在内燃机的所述第一运行步骤过程中，提取至少一预定体积的气态二氢。
在所述预备步骤过程中，优选地使用在所述容器中容纳的盐水，以通过电解产生气态二氢和冷却内燃机。
所述第一运行步骤、第二运行步骤和第三运行步骤优选地在所述活塞从顶部死点(PMH)过渡到底部死点(PMB)期间执行；并且，所述第四运行步骤在所述活塞从底部死点(PMB)过渡到顶部死点(PMH)期间执行。
特别有利地，所述内燃机包括多个汽缸，每个汽缸包括容置在所述汽缸之一中的一活塞，并且在所述内燃机的每个汽缸中单独地执行全部第一步骤、第二步骤、第三步骤和第四步骤，在汽缸之一中执行的每个所述步骤相对于在所述内燃机的所述汽缸的另一个中执行的对应步骤在时间上岔开。
还是为此目的，本发明的内燃机，如在序言中所定义的，其特征在于，所述内燃机包括：
a.部件，其用于在第一步骤过程中，在所述汽缸中，将预定体积的气态二氢和预定体积的包含有氧气的气态混合物引入到位于所述活塞的头部上方的空间中；
b.部件，其用于在第二步骤过程中，在活塞超出顶部死点(PMH)时，引起容纳在汽缸中的气态二氢和氧气混合物的爆炸；
c.部件，其用于在至少第三步骤过程中，在所述汽缸中，将预定体积的水注入到位于所述活塞上方的空间中，用以在通过气态二氢和氧气的爆炸产生的热量作用下瞬时地蒸发水和用以冷却内燃机；和
d.部件，其用于在第四步骤过程中，排出通过注入的水的蒸发和气态二氢的燃烧所产生的水蒸汽。
内燃机优选地包括用于通过在所述容器中容纳的水的电解来产生气态二氢的部件。
在一实施变型中，气态二氢的产生可以包括用于执行高温电解的部件。
优选地，所述容器包含有用于通过电解产生气态二氢的盐水。
根据一有利实施方式，所述用于在第一步骤过程中引入预定体积的气态二氢的部件包括一喷射器。
此外，所述用于在第一步骤过程中引入预定体积的包含有氧气的气态混合物的部件包括一进气阀。
用于在所述汽缸中注入预定体积的水的部件可以包括经过一喷射泵与所述容器相连接的一喷射器。
在一内燃机——其具有多个汽缸，每个汽缸包括容置在这些汽缸之一中的一活塞——的情形中，内燃机有利地包括控制部件，以使得在每个汽缸中，对应汽缸之一的步骤相对于在每个其它汽缸中的对应步骤在时间上岔开。
附图说明
本发明和本发明的优点将在以下对以非限制性示例给出的实施方式并参照附图进行的描述中更好地显现出来，附图中：
-图1是示出本发明的内燃机的原理图；
-图2是示出图1的内燃机的运行周期的第一阶段的视图；
-图3是示出图1的内燃机的运行周期的第二阶段的视图；
-图4是示出图1的内燃机的运行周期的第三阶段的视图；和
-图5是示出图1的内燃机的运行周期的第四阶段的视图。
具体实施方式
参照图1，内燃机10，如示意性示出的，在第一简化版本中，包括单个汽缸11，往复线性移动的活塞12容置在该汽缸中，活塞与连杆13相连在一起，连杆在其端部14之一转动地安装在一飞轮15上，飞轮是转动的并由一中心轴16承载，该连杆13此外在其相对的端部17铰接安装在活塞12上。在汽缸11的顶部，内燃机块10包括一汽缸盖18，在该汽缸盖中特别是容置有一进气阀19、一排气阀20、第一喷射器21a、第二喷射器21b和一火花塞22，或相似物，这些部件的作用将在下文中定义。进气阀19在汽缸盖18中安装在一进气管道19a的出口上，在进气管道上安装有一空气过滤器19b。
内燃机10与水容器23——例如盐水容器——相连接，与蓄电池24和交流发电机25相连接，交流发电机例如通过传动带26被飞轮15带动，以对蓄电池24进行充电。在所描述的实施例中，容器23容纳一电解装置27，该电解装置被布置以通过在容器23中容纳的盐水的电解产生气态二氢。显然，该电解装置27也可以布置在容器23外。电解装置27经过一供二氢线路28通过安装在供给线路28上的一喷射泵28a与喷射器21a连接。此外，容器23通过一供水线路29连接到与喷射器21b联接的一喷射泵30上，该喷射泵被设置以将加压水注入到由活塞12的顶部和汽缸11的顶部所界定的空间中。
在运行过程中，优选地在预备步骤过程中，通过电解产生少量的气态二氢，并且在第一步骤中，通过与喷射器21a连接的供给线路28注入预定体积的这种气体，来对内燃机10进行供给。气态二氢被作为碳氢燃料使用和经过进气管道19a通过进气阀19添加作为助燃剂的空气或氧气，所述进气管道通到由活塞12的顶部和汽缸11的顶部所界定的空间中。在另一运行步骤的过程中，经过供给线路29注入液态的盐水，所述供给线路通过喷射泵30将容器23的底部与喷射器21b连接。
作为变型，内燃机10运行所需的气态二氢可以根据高温电解方法产生，这需要附加的水循环装置。该设备由通到汽缸盖18中的导管31和32示出，所述设备要求用于蒸发来自容器23的水的部件。
通常需要一线圈-断路器组件的在内燃机中使用的常见的火花塞22，在此情形下可以由具有耗电少的优点的一压电系统替代。这种供给示意性地示出和标记为33。这种技术方案可以被应用，因为氢气的爆炸仅需要很少的能量来引发。
将参照图2到图5更详细地描述内燃机的运行步骤，图2到图5示出本发明的方法的原理。图2示出第一步骤，在该步骤过程中，一体积的空气在汽缸11的顶部(附图上)被吸入，如箭头A所示，这种吸入源自在活塞12下降时在汽缸11中产生的负压。略微偏移地，在预备步骤过程中通过电解产生的预定体积的气态二氢经过喷射器21a被注入到汽缸11的顶部(附图上)，如箭头B所示。因此，在活塞12的顶部和汽缸11的顶部之间的空间被气态二氢和空气的爆炸性混合物填满。
图3示出第二步骤，在该第二步骤过程中，通过火花塞22产生的火花，引起气态二氢和空气的混合物的爆炸。这种爆炸具有在活塞12上产生一推力的作用，借助于活塞12和飞轮15通过连杆13的连接，通过带动飞轮15，引起活塞向下移动(附图上)。
由图4示出的下一步骤包括将在容器23中提取的一定量的水通过喷射器21b注入到位于活塞12的顶部和汽缸11的顶部之间的空间中。对喷射器21b的供给由箭头C示意性地示出。在先前步骤过程中通过气态混合物的爆炸，该空间被增加到非常高的温度，注入的水通过转化为非常高压的水蒸汽瞬时地蒸发。这种压力有助于将活塞12向汽缸底部(附图上)压入和产生飞轮15的较大的传动力矩。
借助于源自气态二氢和空气或氧气的混合物的爆炸的联合推力，飞轮15通过带动活塞12首先从顶部死点(PMH)向底部死点(PMB)继而超出底部死点(PMB)而进行转动，所述混合物的爆炸与在汽缸11中产生的水蒸汽的膨胀结合。在汽缸11中容纳的气体的排出步骤在活塞12的“回升”过程中进行。该步骤通过图5示出。排出气体经过排气阀20和排气管道20a排出，如箭头D所示。
将注意到，内燃机10是二冲程类型的内燃机，这使得内燃机是特别有效的，因为在每个工作步骤仅对应一反应阶段，每个工作步骤对应活塞12在所述活塞的头部上产生的推力作用下的下降，所述反应阶段对应活塞12的回升和气体的排出。
水的电解，特别是盐水的电解和例如海水的电解，用于产生较小体积的气态二氢，这是因为最大部分的推力通过注入到汽缸中的水的瞬时蒸发产生。因此，发电器，例如小尺寸的交流发电机，足够用于产生所需的电能。此外，水的注入具有冷却汽缸11的副作用，从而避免注入温度大于其自动点火温度的气态二氢，该自动点火温度大约为550℃。考虑到在气态混合物爆炸时达到的温度非常高，仅仅水的注入可能不足以合适的方式冷却内燃机。在此情形下，第二，甚至多个循环可以在没有爆炸性气态混合物爆炸的情况下被执行，并且内燃机可以如一简易蒸汽机一样转动。蒸汽通过气态混合物爆炸的残余热量和在每次循环开始时水在汽缸顶部的受控注入产生。为此，合适的温度和压力传感器被布置以向一中央控制单元提供信息，所述中央控制单元控制喷射器和阀门。
虽然所描述的内燃机10仅包括单个汽缸11，本发明的内燃机可以配有多个汽缸，汽缸平行安装并具有相似的操作模式。在此情形下，内燃机10将设有一曲柄轴，曲柄轴与不同活塞的不同连杆联接。每个汽缸的每个活塞的运行阶段在此情形下是相同的。不过不同的活塞彼此相对岔开并且运行步骤也岔开以优化在曲柄轴上施加的力矩。
此外，如所述的内燃机10可以经历许多修改并且具有本发明所覆盖的许多变型。本发明的内燃机的基本优点之一在于这样的事实：气态二氢的存储通常被认为是危险的，在其生产时直接地被消耗，这从整体上消除固有的存储危险。在预备步骤过程中产生的体积实际上在内燃机的每个运行周期的第一步骤过程中被消耗。产生的排放气体是水蒸汽和空气。运行是经济的和无污染的。

Claims (14)

1.往复类型的内燃机(10)的运行方法，所述内燃机包括：一水容器(23)；至少一汽缸(11)；一活塞(12)，该活塞能在该汽缸内部进行往复轴向运动，该活塞具有一头部和与该头部铰接的一臂形件；以及至少一进气阀(19)和至少一排气阀(20)，所述进气阀和排气阀布置在所述活塞(12)上方的所述汽缸(11)上，在所述方法中使用气态二氢，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.第一步骤，在该第一步骤过程中，将预定体积的气态二氢和预定体积的包含有氧气的气态混合物引入到位于所述活塞(12)的头部上方的所述汽缸(11)的空间中；
b.第二步骤，在该第二步骤过程中，在所述活塞(12)超出顶部死点(PMH)时，引起引入到所述汽缸(11)中的气态二氢和氧气的混合物的爆炸；
c.至少一第三步骤，在第三步骤过程中，在所述汽缸(11)中，将预定体积的水从所述水容器(23)注入到位于所述活塞(12)上方的空间中，用以在通过气态二氢和氧气的混合物的爆炸所产生的热量作用下瞬时地蒸发水和用以冷却内燃机；和
d.第四步骤，在该第四步骤过程中，排出通过注入的水的蒸发和气态二氢的燃烧所产生的水蒸汽。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括一预备步骤，在该预备步骤过程中，通过所述水容器(23)的确定体积的水的电解，产生气态二氢，在所述第一步骤过程中，提取至少一预定体积的气态二氢。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述容器(23)的水的电解根据高温电解方法执行。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述预备步骤过程中，使用盐水，以通过电解产生气态二氢。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一运行步骤、第二运行步骤和第三运行步骤在所述活塞(12)从顶部死点(PMH)过渡到底部死点(PMB)期间执行；并且，所述第四运行步骤在所述活塞(12)从底部死点(PMB)过渡到顶部死点(PMH)期间执行。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法由一内燃机(10)实施，所述内燃机包括多个汽缸(11)，每个汽缸包括容置在所述汽缸之一中的一活塞(12)，其特征在于，在所述内燃机(10)的每个汽缸(11)中单独地执行全部第一步骤、第二步骤、第三步骤和第四步骤，在所述汽缸(11)之一中执行的每个所述步骤相对于在所述内燃机(10)的所述汽缸(11)的另一个中执行的对应步骤在时间上岔开。
7.往复类型的内燃机(10)，所述内燃机包括：一水容器(23)；至少一汽缸(11)；一活塞(12)，该活塞能在该汽缸内部进行往复轴向运动，该活塞具有一头部和与该头部铰接的一臂形件；至少一进气阀(19)和至少一排气阀(20)，所述进气阀和排气阀布置在所述活塞上方的汽缸上，其特征在于，所述内燃机包括：
a.部件(19，21a)，其用于在第一步骤过程中，在所述汽缸(11)中，将预定体积的气态二氢和预定体积的包含有氧气的气态混合物引入到位于所述活塞(12)的头部上方的空间中；
b.部件(22)，其用于在第二步骤过程中，在所述活塞(12)超出顶部死点(PMH)时，引起引入到汽缸(11)中的气态二氢和氧气的混合物的爆炸；
c.部件(21b)，其用于在至少一第三步骤过程中，在所述汽缸(11)中，将预定体积的水从所述容器(23)注入到位于所述活塞(12)上方的空间中，用以在通过气态二氢和氧气的爆炸所产生的热量作用下瞬时地蒸发所述预定体积的水和用以冷却所述内燃机；和
d.部件(20)，其用于在第四步骤过程中，排出通过注入的水的蒸发和气态二氢的燃烧所产生的水蒸汽。
8.根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机包括用于通过所述容器(23)的水的电解来产生气态二氢的部件(27)。
9.根据权利要求8所述的内燃机，其特征在于，所述水容器(23)包含有用于通过电解产生气态二氢的盐水。
10.根据权利要求8所述的内燃机，其特征在于，所述用于产生气态二氢的部件是用于执行高温电解的部件。
11.根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述用于在第一步骤过程中引入预定体积的气态二氢的部件包括一喷射器(21a)。
12.根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述用于在第一步骤过程中引入预定体积的包含有氧气的气态混合物的部件包括与一进气管道(19a)相连接的一进气阀(19)。
13.根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述用于在所述汽缸(11)中注入预定体积的水的部件包括经过一喷射泵(30)与所述水容器(23)连接的一喷射器(21b)。
14.根据权利要求7所述的内燃机，所述内燃机具有多个汽缸(11)，每个汽缸包括容置在所述汽缸中的一活塞(12)，其特征在于，所述内燃机包括控制部件，以使得在每个汽缸(11)中，对应汽缸之一的步骤相对于在每个其它汽缸中的对应步骤在时间上岔开。
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