CN102756660A - 节油一半的汽车 - Google Patents

Abstract

节油一半的汽车就是不增加油耗而提升内燃机一倍的动力。本发明就是充分利用内燃机车的燃料爆炸所产生的全部能量。因为混合气体爆炸是一个巨烈的化学反应过程，它会瞬间产生高温和高压这对孪生兄弟。到此为止，人们所利用的往往只有它的一部分——高压。高温能量却被冷却水和散热风扇丢弃在大自然中白白地浪费掉。本发明就是将机车工作时所产生的高温能也用高科技新材料：温差热电转换晶片和特殊的热交换器的方法将热能回收利用起来。让汽车的热量不至于白白地浪费空气中。从而达到省油一半的节能目的。

Description

节油一半的汽车

一：技术领域

本发明涉及到能源和交通领域。 

二：背景技术

温差发电技术即塞贝克效应 

三：发明内容

节油一半的汽车 

即不增加油耗提升内燃机一倍的动力。 

本发明的实质是充分利用了内燃机的燃料与空气混合压缩到气缸顶部爆炸后所产生的全部能量。 

“汽车”本为燃烧柴油、汽油、重油、天然气、液化气等物质的内燃机车。而本发明对“汽车”的定义却还包括用于其它领域的内燃发动机，如发电机、船舶、飞行器和一些固定场合和特殊场合用途的内燃发动机。以下我们就将内燃式发动机和汽车统称它为“机车”以便叙说。 

塞贝克效应的实质是：两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。由于半导体的温差电动势较大，可用作温差发电片。但就现今科技水平，实验室内的热电转换效率还不 到26％，我们国家现有的生产的热电转换晶片的工业化水平也已经达到了15％的热电转换率，可喜的是美国由于在转换片中增加1％的稀土元素铈(cerium)或镱(ytterbium)，增加到“碲锑锗银”材料中，将热电转换工业化效率已经提升到了25％。相信不久的将来其热电转换效率一定会提高到35-40％，甚至更高。要知道当初塞贝克做实验时只有让微安表摆动一点点的微弱电流。可现在最高已经达到26％了，科技的发展实在是不能让人预测的。 

然而，就我国现行的工业化生产的热电转晶片这15％的效率就已经很了不起了，它已经仅次于当今内燃机输出的机械能。 

随着科技的发展，热电转换效率会日夜提高，迟早有一天：电能的输出功率将远远大于内燃机的机械输出功率。到那时，机车的发动机额定功率、体积、重量均可可以减小一半以上，提速、上坡，将是双驱动同时工作，并且电驱动工作的时间远远长于机械工作的时间，内燃机只是在电池电流不济的时候才启动工作。 

自从内燃机发明那天起，一直到科技腾飞的今天，人们一直将内燃机工作时所产生的以另外一种形式存在的一大部分能量——热能忽略而白白地浪费掉了。这其实是科技的悲哀、人类的悲哀。众所周知：内燃机的工作原理是将油品和空气混合送入燃烧室压缩后爆炸而产生高温高压气体，从而推动活塞运动而作功。 

也许让你感到不可思议的是：我们现行所使用的内燃机车其实只利用了混合 气体爆炸后所产生的总能量的10-15％，外加5％用于活塞下一个压缩冲程压缩混合气时所消耗的能量。即充其量也只利用了总能量的20％左右。 

殊不知还有一个暗藏的不低于总能量40％的巨大能量却自内燃机发明那天起到现在都一直被人忽视而白白地浪费掉——那就是热能。爆炸后所产生的高温热能。 

因为混合气体爆炸是一个巨烈的化学反应过程，它会瞬间产生高温和高压。到此为止，人们现在所利用的往往只有它的一部分——那就是爆炸所产生的瞬间压力，即高压。而唱独角戏的高压能却首先还要留下一部分用于自身对混合气的压缩，以维持下一个做功冲程的继续，就像负荷着同缸径的高气压压缩机一般，只有满足这个先决条件然后再对外输出可怜的动力，可见其效率是何等的低下？而不用支付自身任何负荷的高温能量却被冷却水和散热风扇丢弃在大自然中白白地浪费掉。 

本发明就是充分利用内燃机车的燃料与空气混合压缩到气缸顶部后爆炸时所产生的全部能量，具体就是将机车工作时所产生的高温能也利用起来。让汽车的热量不至于白白地浪费空气中。从而达到理论上省油一半的节能目的。 

从理论上讲，这样可以充分利用了油品燃烧后的全部能量。 

于是：从使用者自身来讲，大大地节约了油料，从而降低了机车的使用成本，从社会角度来讲，大大节省了不可再生资源，降低了二氧化碳和有毒气体的排放量，从而减少了温室效应。于已于社会均是有利的。 

随着能源的紧缺，人们开始使用电动机车，同时又利用太阳能做为汽车的辅助能源，为了使用的方便和保险，于是油机动力和电动力双驱动机车就应运而生，可以说：将来的机车一定是纯电驱动或者机械和电力双驱动甚至是多驱动机车的天下。而内燃机也存在于机车中，不过是为了应急和能量的补充。 

本发明最大的受益者是有着电辅助驱动的机车。 

就现在的油品驱动机车而言，用于自身电器用的发电所消耗的动力也是惊人的，特别是空调和前大灯，如果将原有的机车发电机作为应急辅助发电，用发动机工作所产生的热量免费供电，这样势必节约许多动力，从而降低了油品的消耗。同时还不用将发动机的冷却水改成冷却矿物油，就已经供电绰绰有余。甚至只要分出一部分热能就能满足维持机车运行的全部电能。虽然这是小小的改革，但节能却效果却很显著。 

本发明其实就是一个热交换器，放置的位置可以因地制宣，形状大小也可以因地制宜。本发明的最大优点就是在不改变机车原来的结构，也就是在不破坏机车发动机整体结构和造型的情况下捕捉机车浪费掉的巨大热能。 

工作原理：在机车的发动机冷却水出口与原冷却水箱之间串一个热交换器，将冷却水箱和发动机冷却系统分开，发动机的冷却液换成冷却矿物油，用发动机的高温冷却矿物油与水箱里的冷却水形成高温差从而驱动晶体温差发电片发电。发动机的冷却液之所以改成用油而不用水，是因为油可以加热到100度以上的高温，而水却最高温度只有100度，要想与水箱里的冷却水产生温差发电 

晶片所需的最佳温度：60度以上的温差很困难，而高温油却是轻而易举。于是我们选择了冷却油作为发动机的冷却和贮能媒介。当然也可以用冷却水，但效果稍差。 

实施方案 

1】原来的水箱仍然不动，作为热交换器的低温散热用；将发动机端的冷却水换成冷却矿物油；原来的水泵作为油泵用，在在水箱和发动机之间，或者在它们之间的旁边，增加了一个安装有温差发电晶片的油、水热交换器。给水箱增加一个直流电动水泵。 

其实发动机的工作的最佳温度并不是温度越低越好，用水作为冷却液，也不是最科学，用水做为冷却液在油品的雾化上，远不如用矿物油作为冷却液的好，同时耗油量还比用油作为冷却液时大，因为它的工作温度低，油品会不能完全燃烧而白白地浪费掉，不过，它也不是一无是处，他的最大优点就是是成本低廉、取舍方便、无污染、内燃机的机械磨损小，发动机的寿命相对于用矿物油做冷却液是要长。而用油品做机车的冷却液的优缺点却与用水做机车的冷却液时恰恰相反。其实，就比水冷却的机车易磨损而言，也不是有明显的差别，再说现在科技的发达，机车造价越来越低，而且到了使用年限就无论是否能用都得强行报废，这点微不足道的机械磨损自然不必大惊小怪，再去计较这一丁 点磨损已经没有什么含义。因为相对节约油的意义远大于这丁点磨损的意义。 

2】除了在水箱和发动机之间增加了一个安装有温差发电晶片的油、水热交换器外，还在排气管根部再串联一个安装有温差发电晶片的油、水热交换器，从而将被高温气体带走的热量也收集起来。 

这里要求排气管由原来的直通式改成迷宫式，再将这个迷宫式的排气管浸泡在热交换器的矿物油中，从而尽量使热量留在矿物油中，再送入热交换器中发电。排气管上的热电交换器中的冷却水散热水箱与发动机的热交换器冷却水箱共用，为机车原来的百叶窗水箱。 

当然也可以让排气管管壁直接与水形成气水温差换器，但由于温差片最高极限温度是180度，而排气管的温度有时可达到400度以上，例如爬长坡、超负荷时都会产生长时间的高温，这样就会损坏温差发电晶片，所以必须通过矿物油作为缓冲和贮能媒介。 

3】将发动机机盖改装，使排气管在发动机的机体中形成迷宫式布置，从而将热量能留在发动机中，被发动机的冷却矿物油带走并送往热交换器中发电，这样就省去了排气管上面的多余的热交换器。不过这样就要改变机车缸盖的传统设计，也就是说要改变机车的形状与结构，这一时会让人很难接受，不过这是最终的设计，是机车发展趋势。迟早有一天，人们会尝到发动机成熟的热能 

的利用技术的甜头而接受发动机改形的客观现实。于是机车发动机就会改变自己的结构和形状，这是无可否定的最终完美结果。 

4】通过改装后的机车，在发动机的外壳设计理念上就从根本上发生了变化：那就是：不是让它尽快地散热，而是在外壳上涂上优质特种保温材料以形成发动机保温层，以确保发动机的热量不至于对外散发。 

5】就目前现有的技术水平：温差发电片要在温差大于等于60度的情况下才能输出较大的大电流和电压，但在三伏天或者炎热的热带地区，效果会稍差，于是机车顶棚加装太阳能电池做为辅助能源却刚好能够补充气温高所造成的不足与损失。 

6】现行无电驱动机车，只是取代发电机的作用：改装后发动机冷却液仍然用冷却水。其布置方法一：在发动机出来的高温冷却水与冷却水箱之间串联一个热电交换器，该热电交换器是将发动机出来的高温冷却水与电动散热风扇鼓进的冷却空气发进行热电交换而发电，其热电交换器如图五所示，这种方法最大的优点就是不用改变机动车原有的结构和布置，且改装也不用什么专业技术。布置方法二：发动机出来的高温冷却水与水箱冷却水产生温差驱动温差发电晶片发电，虽然发电效果稍差，但已经足够维持机车的正常电能的使用。布置三： 

对于一些大功率机车甚至还只能取其一部分热能，只能并联分一部分发动机的冷却水外加冷却风扇式热交换器进行分量差温发电。 

7】将热电交换器集成在发动机里面，与发动机一体化设计。 

8】机车终结者：这其实就是大胆地改型：即机车发动机不是输出机械能驱动机车，而是一个彻头彻尾的发电机，机车将用大功率电机直接驱动，发电机同时向电池和驱动电机馈电，电池担任着电流的缓冲、暂存、稳压、蓄电的功能，发动机的结构也随之发生变化，排气管已经在缸盖上形成了迷宫式，发动机机身外壳布满了热电交换晶片与空气直接产生温差发电，热量很难被废气带走，只要用一个热电交换器就可以将发动机和废气的热能收集起来，再加上太阳能电池的附加充电，还有用本人发明的偏心轮式震动摇晃发电机回收的震动、摇晃、加减速、制动拐弯等所浪费的能量。于是发动机发出的电、温差晶片所收集的电、太阳能电池所发出的电、偏心轮式发电机所回收的电，四电合一再由电动机驱动机车。 

这种单一的电驱动机车省去了笨重和繁杂的机械变速和传动装置和复杂繁琐的机械操作，从而使机车大大地瘦身而变得轻便、结构大大的简化，瘦身后的机车又节约了因自身重量所损耗的能量。随着以后科技的发达，热电转换芯片的转换效率会大大的提高，理论上机车将比现行的单机械驱动机车要节油三 分之二，而且造价也会成倍降低。而操作却变得非常简便和容易，更大的优势是：更容易实行全自动智能控制，这肯定是未来机车的最高境界和终结者。 

9】发动机机身遍布热电转换晶片，用自然空气散热形成温差发电以回收发动机的辐射热量。 

10】热交换器有三种形式 

一：模块式：如图1所示，它的同极之间串接管是铜管或者铝管以及导热较好的材料制成，这种热交换器就像冰箱的热交换器一样焊接固化好，再外充以保温材料，这种结构的最大优点就是牢固可靠，相对体积较小，缺点就是：它是模块式，要更换发电片必须要有铜管焊接的专业工具和专业技术，维修的成本高时间长，技术要求太苛刻，否则只有更换总成，从而大大提高了维修成本和增加了电子垃圾； 

二：组装式，如图如图2所示，他是由单个交换单元外面通过可拆卸的活动橡胶管连接同类交换单元。 

它的最大优点就是便于维修。缺点就是体积比模块式大，且不如模块式可靠效率高。 

三：直接与空气差温式： 

就是在上面两种布置的基础上，将低温单元改成风冷，如图4所示。 

附图说明

图1为模块式热电交换器，图中：1为温差发电晶片；2为冷却水低温单元；3为发动机冷却矿物油高温单元，4为冷却水进水口；5为冷却水出水口；4、5可同时朝上也可以同时朝下，也可以一个朝上一个朝下；6为发动机冷却油进口，7为冷却油的出油口，6、7可同时朝上也可以同时朝下，也可以一个朝上一个朝下。也可以用4、5通道为发动机矿物冷却油通道，但必须遵守对角式布置，也就是冷却油的进口必须与冷却油的进口互不在交换器的同一端，否则热电转换晶片发电量出现严重的不平衡而影响热电转换晶片的使用寿命。 

图2为可拆卸组装式热电交换器。 

图中：热交换单元和热电转换晶片的功能和作用、布置均与图一一样，只是它可以拆卸维修。其中：上图为俯视图，下图为侧视图，13为保温充填料；14为固定螺栓；15为固定支架钢板；16固定螺丝孔；17为底壳；18为顶壳。 

图3为交换器单元连接件放大。其中1为热电转换晶片；8为单元连接管；9为连接耐高温橡胶；10为橡胶管扎箍；11为锁紧螺丝。 

图4为热的交换器局部放大俯视图，其中1为热电转换晶片；8为单元连接管；9为连接耐高温橡胶；10为橡胶管扎箍；11为锁紧螺丝；12为矿物油添加、泄气盖。 

图5为直接风冷式热电交换器，其中：1为温差发电晶片；3为高温水循环单元；6为高温水进口；7为高温水出口；6、7互换效果一样；19为散热风扇；20为导流罩。 

Claims (10)

1.全世界首先提出、设计和使用和回收内燃机的热能做功。

2.凡是用热电交换发电和热能发电的方法回收内燃机工作时所产生的热能的。

3.使用矿物油作为发动机的冷却液以便产生高温差而提高温差晶片转换效率的方法。

4.用温差发电晶片发电替代现行机车供电发电机的现行机车供电方法和设计。

5.热电交换器的结构、形状、种类以及热电交换器布置方式、热交换方式。

6.新概念内燃机缸盖改革与设计：排气管在缸盖里面迷宫式布置以尽量留住废气上的热量。

7.发动机机身遍布热电转换晶片以回收发动机的辐射热量的构思与设计。

8.将废气所带走的热量回收及其回收方法，其中排气管根部安装热电交换器的方法和缸盖改成比喻余热回收的迷宫是缸盖设计。

9.将热电交换器集成在发动机里面，与发动机一体化设计。

10.未来机车的终结者的设计：即机车改成纯电驱动，而机车发动机已是一个彻头彻尾的发电机，机车将用大功率电机直接驱动，发电机同时向电池和驱动电机馈电，电池担任着电流的缓冲、暂存、稳压、蓄电的功能，发动机的结构也随之发生变化，排气管已经在缸盖上形成了迷宫式，热能不再被废气带走；还有发动机机身外壳布满了热电交换晶片与空气直接产生温差发电，以回收内燃机机身的辐射热量；只要用一个热电交换器就可以将发动机和废气的热能收集起来；再加上太阳能电池的附加充电；还有用本人发明的偏心轮式震动摇晃发电机回收的震动、摇晃、加减速、制动拐弯等所浪费的能量。于是发动机发出的电、温差晶片所收集的电、太阳能电池所发出的电、偏心轮式发电机所回收的电，四电合一再由电动机驱动机车之最佳搭配方法与设计。

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