CN102713190A

CN102713190A - 热气的使用及设备

Info

Publication number: CN102713190A
Application number: CN2010800471724A
Authority: CN
Inventors: 伊斯拉埃尔·赫什伯格
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: CN102713190B; IL201610B; EP2488736A4; EP2488736A1; WO2011045799A1; IL201610A0; US20120198814A1

Abstract

一种增加内燃机效率的方法，该方法基于使用发动机冷却空气和排气，通过使上述冷却空气和排气的混合气流入渐缩喷嘴而加速所述混合气且通过喷嘴出口将其喷出，从而在期望的方向上产生可以推动陆地、空中或海上交通工具的推力。另一选择是利用加速后的气体来驱动涡轮，所述涡轮可以向发动机增加转矩或驱动发电机产生电能。

Description

热气的使用及设备

技术领域

本发明涉及通过使作为燃烧化石燃料的产物的气体加速通过渐缩喷嘴从而将存储在气体中的内能转换为动能来使用气体中的余热的方法和设备，所述动能可用于驱动涡轮以产生电能或用作推进力。

背景技术

由于发动机活塞和汽缸之间的内摩擦严重，用于向交通工具或固定系统提供动力的内燃机被认为是低效能设备。这种摩擦是热能净浪费。此外，作为排气的已燃空气燃料混合物的温度在大约300摄氏度，因此包含了相当可观数量的能量。现在，这些气体被喷射到大气中而未被利用并且事实上还导致了全球变暖。这种发动机的总效率大约为30-40％。这意味着发动机输出有用功仅为总的燃料燃烧能的30-40％。

期望更好地利用存储在用于冷却发动机散热器的热气中的热量和存储在排气中的热量。

发明内容

根据本发明，提供一种通过使排气或用于冷却散热器的热气流入渐缩喷嘴而使排气中的热量或用于冷却散热器的热气中的热量转换为动能并利用该动能来产生电力或推进力的方法和系统。

本发明的主要方面是将热气与大气空气混合，并通过使混合气流过渐缩喷嘴以朝向喷嘴喉部加速混合气，其中混合气以喷气排出以向交通工具例如航行器、陆地交通工具或海洋运输工具提供推力，或驱动驱动发电机的涡轮或为任何用途提供机械动量。

本发明的另一方面是将航行器的燃烧发动机封入冷却空气流中，并且使该空气流过渐缩喷嘴以使空气加速并以高速喷气喷出，因此产生推动航行器的喷气推力，这是活塞喷气发动机。

本发明的又一方面是将航行器的内燃机封入冷却空气流中，同时将发动机排气与冷却空气混合，气体混合物流过渐缩喷嘴从而气体混合物被加速且以高速喷气喷出，因此产生推动航行器的喷射推力，这就是活塞喷气发动机。

本发明的另一方面是具有可变出口面积以使出口面积空气速度适应各种大气条件的活塞喷气发动机。

本发明的又一方面是通过使内燃机排气流入大气空气流并且通过使该气体混合物流过渐缩喷嘴而加速该气体混合物来使用内燃机排气，所述渐缩喷嘴使混合物加速并且气体混合物驱动涡轮，该涡轮驱动发电机或为任何用途提供其机械动量。

本发明的又一方面是使散热器冷却空气流入渐缩喷嘴，该渐缩喷嘴使所述空气加速，并且加速后的空气驱动涡轮，该涡轮驱动发电机或为任何用途提供其机械动量。

本发明的又一方面是使大气空气和散热器冷却空气流入渐缩喷嘴，该渐缩喷嘴使空气混合物加速，该空气混合物驱动涡轮，该涡轮驱动发电机或为任何用途提供其机械动量。

本发明的又一方面是使散热器冷却空气流向渐缩喷嘴，同时将其与发动机排气混合，从而渐缩喷嘴使混合气加速并且气体混合物驱动涡轮，该涡轮驱动发电机或为任何用途提供其机械动量。

本发明的又一方面是使大气空气流动并使其与散热器冷却空气混合，同时流向渐缩喷嘴并且使其与发动机排气混合，从而渐缩喷嘴使所述混合气加速并且气体混合物驱动涡轮，该涡轮驱动发电机或为任何用途提供其机械动量。

附图说明

结合附图，通过以下详细说明，将进一步理解并领会本发明，其中：

图1是安装在具有入口和出口的吊舱(pod)内的活塞发动机的俯视横截面图，该发动机是根据本发明的活塞喷气发动机。

图2是根据本发明的具有可变出口面积的活塞喷气发动机的俯视横截面图。

图3是安装在具有可选的一个或多个轴向风扇的吊舱内的活塞发动机的俯视横截面图。

图4是根据本发明的将排气热量转换为电能的设备的横截面图。

图5是根据本发明的将散热器冷却空气和排气热量转换为电能的设备的横截面图。

图6是根据本发明的将大气空气与散热器冷却空气和排气混合并且把存储在气体混合物中的热量转换为电能的设备的横截面图。

具体实施方式

注释：支持本发明的物理学是作者为密歇根州立大学，航空工程学院的A.M.KUETHE和J.D.SCHETZER的“空气动力学基础(Foundations of aerodynamics)”的参考书中介绍的可压缩流理论-见本申请的附录第一页。

本发明公开了这样的方法和设备：其使用作为内燃机运行的副产物的气体中的余热。典型的内燃机，也就是已知的活塞发动机，在驱动汽车、卡车和小型航行器中是非常普遍的。活塞发动机燃烧化石燃料。这种燃烧的产物是排气，排气非常热，大约为300℃，因此，它包含由焓E表达的热能：

E＝M*C_P*T，

其中M是气体的质量；

C_P是气体定压比热；

T是气体绝对温度(开氏温标或兰金温标)

通常，该排气能量通过排气管排出并且被浪费。由数百万辆汽车和卡车每天排出的热量是全球变暖的主要因素，全球变暖给地球正常气候和海平面带来一系列威胁。

当活塞发动机燃烧燃料时，其活塞在它们的汽缸内快速移动并且产生摩擦，这使汽缸和整个发动机变热。该热量必须从发动机中排出，否则发动机润滑油会被加热到超过其最高允许温度并且失去其将摩擦保持在低水平的能力。当这发生时，发动机过热并且被毁坏。为了防止润滑油过热，安装了冷却系统。一个这样的系统利用的是围绕发动机流动、变热并且流向散热器的水，大气空气被迫流过该散热器且冷却散热器中的水，如此该被冷却的水流回以冷却发动机等。该冷却系统的“产物”是热空气，含有热能的这种热空气被弃于大气中且加速了全球变暖。活塞发动机总效率大约为30％，也就是说燃烧过程产生的约70％的热能不仅仅是一种浪费！对于全球变暖，它是主要因素。本发明公开了一种使用活塞发动机废热的有效方法，该方法通过将该废能转换为如电能或机械能的有用的能量，这最终降低了燃烧燃料的量且降低了传入大气的热量。作为副产物，本发明还创造了更经济的发动机。

图1是通过具有入口12和出口18的外壳10的横截面图。活塞发动机40安装在吊舱喷嘴13内且可选地被内部吊舱50封闭，内部吊舱50优选地由金属皮制成。内部吊舱50的目的在于减少流32和发动机汽缸41，47之间的摩擦。该活塞发动机包括两个汽缸41和47，但是可能是任何数目的汽缸。该活塞发动机主轴58(曲轴)被活塞42旋转。

发动机主轴58驱动风扇20，该风扇包括从2个到任何期望数量的任何数量的叶片62。风扇20旋转并且将大气空气30吸到吊舱的入口12中。当空气流32，34通过风扇时，其压力增加且其具有确定的速度VI。外部空气流32围绕发动机的可选壳体50流动并且从金属皮50吸收热量，该金属皮吸收活塞发动机产生的热量。该空气流作为空气流34继续流向出口18，其与通过开口57离开壳体50的空气流58混合。空气流34围绕活塞发动机汽缸43，47流动并从汽缸冷却肋44吸收热量，然后继续流动并且通过开口57和可选的开口59流出壳体50。可选地，燃烧燃料排气46通过导管48排出汽缸43。应该注意到，排气气体46非常热并且当其遇到空气流32时，其迅速地与空气流混合，因此在开口48与开口57之间的距离内传递其热量。因此，空气流34的温度高于空气流30的温度。空气流58由于从汽缸43，47吸收了热量，其温度也高于空气流30的温度。最后，空气流35流入渐缩喷嘴15中，根据连续性定律，空气流35被迫朝向喉口18加速。

ρvA＝常数等式1-见参考书第155页，等式22-也在本文的附录的第2页中，由于喷嘴15的横截面减小而加速了空气流速度。

连续性定律：ρvA＝常数

其中：ρ是气体密度；

v是气体速度；和

A是流动截面面积-假设在此面积上的平均速度为v。

注释：连续性定律源于质量守恒定律。因为气体质量比率(gas mass rate)在每个横截面上是恒定的，所以当横截面减小时速度V是增加的，这就意味着气体动能朝向喉口18增加，该喉口的横截面面积最小。气体动能的增加以气体温度T的损失为代价，根据可压缩流的伯努利定律：

C_PT+v²/2＝常数-等式2-见参考书第140页，等式24-附录的第3页中。

其中：C_P是气体定压比热，C_P｜air＝6000ft-lb/slug⁰R

T是气体绝对温度(兰金温标)

v是气体速度[FT/SEC]

此等式用于单位质量(在英制单位系统中m＝[slug]；在公制单位中m＝[KGM]。

因此，在18处横截面的面积与喷嘴15在59处的面积之间的比率决定了空气流38的速度，由于风扇20给予空气流32大约100米/秒的初始速度并且在面积比为3的情况下，上述空气流的速度可以高达Mach＝1，这意味着空气流38具有大约300米/秒的速度。然而，活塞发动机向流30加入了燃烧后的燃料质量，因此，实际的流38的速度增加了这样一个系数：此因数大于入口12的面积除以出口18的面积。

因为在渐缩喷嘴中加速气体降低了气体的温度，根据不可压缩流的伯努利定律，来自活塞发动机(排气流46和冷却流58，59)的热量显著地提升了空气流38的温度，并且根据以下公式，这增加了出口处的声速(Mach＝1)a：

a＝√(γRT)(a是声速)；

其中：γ为C_P/Cv＝定压比热与定容比热的比值，即，对于空气来说，γ＝1.4；

R是气体常数(1715ft-lb/slug⁰R)

T是绝对温度[兰金温标]

范例：

1.对于标准大气在海平面上的声速计算，其中：

T＝59⁰F＝519⁰R→a＝√(γRT)＝√(1.4*1715*519)＝√(1246119)＝1116.2FT/SEC

2.对于标准大气在10000FT的高度上的声速计算，其中：

T＝23.36⁰F＝483.36⁰R→a＝√(γRT)＝√(1.4*1715*483.36)＝√(1160547)＝1077.3FT/SEC

增加喉口18处的声速能使空气流38获得更高的速度，同时不超过Mach＝1，这可能是低压出口流38的极限。增加出口流38的速度意味着增大设备推力。因为，风扇20的效率等于或大于已知的螺旋桨效率并且该设备还能把存储在冷却空气58和排气46中的活塞发动机热量转换为速度，所以从活塞发动机燃烧的相同数量的燃料我们得到了更大推力。因此，这是通过活塞发动机产生动力的喷气发动机，其比活塞发动机-螺旋桨组合体更高效。增加流38的温度也增大了出口流压力，因此能够实现更高的流速并因此实现更高的推力。

在现有的用于航行器、汽车、摩托车的活塞发动机和其它活塞发动机中，存储在排气中的产生热和由于活动部件特别是活塞和汽缸之间的摩擦产生的热，被视为需要额外的系统去排除的问题。但是，在本发明中，对于相同量的燃烧燃料，这些热量被很好利用并且增大了发动机推力。热气的有益利用是本发明的主要方面。

这种喷气发动机比现有的结合有螺旋桨的活塞发动机更高效，因为由于增加的叶片数量，多翼板短叶片62风扇比螺旋桨更高效，所述叶片更有效地将发动机旋转动力传递给流，由于所述风扇叶片比螺旋桨叶片短，因此风扇允许以更高的RPM旋转但在叶片的末端不会达到Mach1。因此，风扇可能达到90％的效率，然而螺旋桨的效率为大约80％。

这种发动机的主要优点是吸入大气空气30并且使其加速通过渐缩喷嘴15，因此利用其自然存储的热量并根据伯努利定律将其转换为动能。配备有螺旋桨的现有航行器活塞发动机仅仅向后方推出空气以便产生推力。在本发明中，空气30被向后推动并且进一步在渐缩喷嘴15中被加速，因此，利用空气自然温度来增大发动机推力，即，它的效率。

本发明的另一个优点是将热空气或气体与大气空气在喷嘴中混合。这种流动气体的混合是非常快速的，因此，当气体混合物到达喷嘴出口时，其具有统一的温度。值得注意的是，风扇可以安装在吊舱50的前面或在喷嘴13或渐缩喷嘴15中的任何位置。

图2是通过具有与图1相似设计的吊舱10的横截面图。这是具有可变出口面积18机构的活塞喷气发动机。因为该图描述了相同的活塞发动机40和风扇20设计，图1的说明和附图标记也应用于此。在该设计中不同的部分是吊舱10的后部，即，可动的多个部件19，每个都能够绕其自身的轴线77旋转。各个部件19的各个动力致动器73可以是电动的或液压的，推-拉杆74附接于铰链75，铰链75通过支架76连接到部件19。当杆74缩回时，铰链75朝向铰链72移动并且部件19绕轴线77转动，因此出口面积18增加。该设计的重要性是，根据在不同飞行高度和大气条件下(即温度和压力)的不同航行器速度下的所需推力，使出口面积18适应空气流38的质量流和速度。

应该注意的是，出口面积可以通过考虑飞行速度、飞行高度、空气密度的计算机系统控制或通过发动机操作员来控制。应该注意，风扇可以安装在吊舱50的前面或在喷嘴13或渐缩喷嘴15中的任何位置。

图3是通过具有与图1相似设计的吊舱10横截面图。这是具有可选的两个轴向风扇20，22的活塞喷气发动机，风扇使空气流动并穿过喷嘴13以冷却活塞发动机并且吸收其内由于活塞42与汽缸41，47之间摩擦产生的热量和存储在已燃(排气)气体46内的热量。可选风扇22可以直接通过活塞发动机主轴58或通过可选的电动机60而被旋转。

可选风扇22可以由涡轮替代，因此使用流动空气动能来产生转矩以旋转曲轴58。定子23引导空气流以增加风扇22或涡轮22的效率。

关于图1的相同说明应用于此。图3的设备目的在获得于比图1中的设备更低的速度(例如摩托车)和因此在此未包括图1的内部吊舱50。空气流34包含活塞发动机产生的所有热量并且通过渐缩喷嘴15流向出口18，渐缩喷嘴15以大约2到10倍系数使空气流38加速，但是在出口平面18处不超过马赫数1。加入到流38的这种动能以流温度的损失为代价，根据定熵可压缩流的伯努利定律：

C_PT+v²/2＝常数＝C_pT⁰等式3-见参考书第153页，等式20-在附件第4页。

其中：

T⁰是滞止温度，其在定熵可压缩流中是常数。

C_P是气体定压比热，C_P｜air＝6000ft-lb/slug⁰R

T是气体绝对温度(兰金温标)

v是气体速度[FT/SEC]

因此，由于渐缩喷嘴15使流加速，即，使等式(3)中的v增加，T必须降低(见参考书第153页图4)。该机构将活塞发动机产生的热量转变为动能，并且目前我们有高速流38，其对交通工具贡献了相当数量的推力。

应该注意到，风扇可以安装在吊舱51的前面或在喷嘴13或渐缩喷嘴15中的任何地方。

图4是穿过通过热气发电的设备的横截面图。电力发动机140旋转轴58，轴58旋转风扇20，风扇20由多个叶片62制成。流30或者是大气气体或者是用于冷却诸如发电机的其它系统或类似系统的热空气。导管120将诸如由内燃机(活塞发动机)产生的热气引导至设备喷嘴13。被吸入的大气空气32与热气130混合并且混合气34流向渐缩喷嘴15，渐缩喷嘴15以气体自身温度为代价加速气体-参见关于图1的说明，其中安装了涡轮140。加速后的气体35旋转涡轮转子142，其安装在轴58上且使轴58旋转。轴58通过轴承54和148安装。涡轮140优选的为包括定子141和转子142的轴向涡轮。轴58旋转发电机150，发电机150产生电能。应该注意，电力发动机140和发电机150可以由一个电力发动机140代替，当轴58以稍微高于电力发动机140的额定速度旋转时电力发动机140自身转变为发电机。例如，如果电力发动机的额定速度是3000RPM且涡轮转子以3200RPM旋转轴，那么电力发动机140作为发电机运行，即产生电力而不是消耗电力。在这种情况下，风扇20被设计为以3200RPM旋转，同时涡轮转子被设计为以3200RPM旋转。

该设计可以被用在混合动力汽车上，以从汽车活塞发动机的排气产生电能，虽然包含宝贵的热能但排气目前是被废弃的，这促进全球变暖。因此，本设计很好地利用了由活塞发动机驱动的大约2.5亿辆汽车产生的废气。应该注意到，涡轮150的动力输出大于驱动风扇20所需的动力，因此产生了电力形式的净动力并且该净动力可以用电力电池存储或驱动为车轮提供动力的电动机。

该设备的另一个用途是使用由用于发电的气动涡轮发电机产生的热气。在目前的设计中，虽然处于200华氏度，但涡轮燃烧气体是被废弃的。这是净浪费并且是对全球变暖的另一个负面条件。应该注意，风扇可以安装在吊舱12的前面或在喷嘴13或渐缩喷嘴15中的任何位置。

图5是与图4相似的设备的横截面图。这里不同的是，安装在吊舱10的入口12处的散热器150。散热器150的入口管152使发动机热冷却液体153流到散热器，类似于建立在现代的汽车中的那些设计，即空气流30被风扇20吸入并且流过散热器且吸收其热量。因此，流32比流30热。可选的导管120使附加的热气体130流入设备喷嘴。所述设备的后部，即渐缩喷嘴、涡轮和发电机150与图3中的相同。该设备的目的与图4中的类似。应该注意，风扇可以安装在散热器150的前面或在喷嘴13或渐缩喷嘴15中的任何位置。

图6是图5所示设备的另一个形式的横截面图，其中散热器150小于设备入口面积，因此大气空气31进入该设备而不需要流过散热器50。该设计的优点是流31进入设备而不被散热器150阻挡，因此，能使设备中的质量流增加。涡轮产生的动力是流35的速度、质量和温度的函数。所以，通过加入大气空气质量来增加流动质量比率，增加了涡轮动力输出。应该注意到，风扇可以安装在散热器150的前面或在喷嘴13或渐缩喷嘴15中的任何位置。

可以理解的是，本发明不限于上面仅仅以示例的方式已经描述的内容。而是，本发明仅由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种使用气体内能的方法，所述气体内能即热能+动能，所述气体内能是系统或内燃机的冷却部件的产物、或者是燃烧任何类型的燃料并且尤其是诸如油、煤气、汽油、煤油、柴油燃料、煤或其他类型的化石燃料的产物，所述方法包括以下步骤：

a.使所述气体流过喷嘴，所述喷嘴的至少一部分是渐缩喷嘴，该渐缩喷嘴根据可压缩流的伯努利定律在气体变冷的同时加速气体速度，即：流动气体的每单位质量的动能增益ΔV²/2(V是气体速度)等于每单位质量气体热能的减少C_P*ΔT，其中C_P是气体定压比热并且ΔT是在所述渐缩喷嘴的内部加速期间气体温度的降低；

b.使加速后的气体流过涡轮，该涡轮驱动发电机产生电力，所述电能约等于流动气体内能的减少，其次且进一步将该气体通过喷嘴出口喷出以产生推力，或者，

将所述加速后的气体喷射到大气中以产生与所述气体速度方向相反的推力，或者，

使所述气体流过所述涡轮以及使气体产生推力相结合以在期望的方向上推动交通工具。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，使热气与大气空气混合，所述大气空气与该热气一起流入所述渐缩喷嘴。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涡轮向发动机曲轴或者向风扇驱动轴增加转矩。

4.一种根据权利要求2的喷气发动机，该喷气发动机包括：

a.喷嘴，该喷嘴具有入口以及喷嘴出口，所述喷嘴的至少一部分为渐缩喷嘴，其中，气体流过喷嘴入口、渐缩喷嘴并且进一步流向喷嘴出口以产生推力；

b.内燃机，该内燃机安装于所述喷嘴的附近或优选地安装在所述喷嘴的内部，并且将其产生的热量的一部分或全部传递给所述喷嘴内的流；

c.动力风扇，该动力风扇安装在所述喷嘴内，或者由所述活塞发动机提供动力或者由独立的电动机或其它动力源提供动力，所述风扇推动气体以在所述喷嘴的内部流动；

d.可选的涡轮，该涡轮安装在所述喷嘴内且将气体动能的一部分转换为机械能。

5.根据权利要求4所述的喷气发动机，所述喷气发动机具有可变出口面积。

6.根据权利要求5所述的喷气发动机，其中，所述出口面积或者由计算机系统控制或者直接由该发动机的操作员控制。

7.根据权利要求4所述的喷气发动机，其中所述涡轮驱动发电机，或者向所述内燃机或所述风扇驱动轴增加转矩。

8.一种根据权利要求1的用于产生电力的设备，所述设备包括：

a.喷嘴，该喷嘴具有入口、渐缩喷嘴和出口，其中热气从入口流向出口；

b.电力发动机，该电力发动机安装在所述喷嘴附近或优选地安装在所述喷嘴的内部，并且将其产生的热量的一部分或全部传递给所述喷嘴内的流；

c.风扇，该风扇安装在所述喷嘴内，所述风扇由电力发动机驱动并且吸取作为燃烧过程的产物的热气并使其流入所述喷嘴；

d.渐缩喷嘴，该渐缩喷嘴是所述喷嘴的一部分，所述渐缩喷嘴使所述流朝向喷嘴喉口加速；

e.涡轮，该涡轮安装在所述喉口附近或所述喉口处，并且由在所述渐缩喷嘴中被加速的所述流驱动，所述涡轮驱动发电机。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，大气空气流被加入到热气流中。

10.根据权利要求8所述的设备，其中，冷却散热器安装在所述喷嘴内，使得大气空气流过该散热器并且从该散热器吸收热量，所述空气流流过所述喷嘴。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，冷却散热器安装在所述喷嘴内，使得大气空气的一部分流过该散热器，并且大气空气的另一部分绕过该散热器流入所述喷嘴。