CN102767428A - 吸热式干冰发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用干冰遇热升华体积膨胀推动活塞做功的发动机，具体有三种实施例模式：实施例1为为双缸分离式，而且对于现行的发动机改动较小，热气缸和冷气缸各自独立工作；实施例2为单气缸模式，在传统气缸上端增加一个干冰喷射头，将四冲程发动机改为六冲程发动机；实施例3为复合式气缸，在热气缸外部再套一个更大的冷气缸，将冷气缸的活塞变为圆柱体，热气缸活塞和冷气缸活塞相互协调独立运行。三种实施例中，为配合干冰的稳定输送，还配有干冰储存输送设备。本发明整个过程省去传统发动机的散热冷却系统，加大了发动机能量利用效率，提升了汽车的整体动力，减少了废气的排放量，减少了发动机热量对空气的热污染，改善保护了自然环境。

Description

吸热式干冰发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机，具体来说是涉及一种利用干冰遇热体积膨胀推动活塞做功的发动机。

背景技术

目前，汽车已经是我们生活当中不可或缺的载物及代步工具，需要发动机动力的大型机械及工厂遍布生活生产中的各个方面，日益上升的石油价格抬高了汽车消费成本，也抬高了工农业生产及日常生活的成本,但是常用发动机在燃烧燃油做功的过程当中只有30％~40％被利用，其余均以热量的形式散失。很早以前人们就开发利用这部分余热，有空调制冷、车内采暖、涡轮增压、预热燃料等，目前新能源发动机的发展方向主要是纯电动、混合动力、氢燃料电池、太阳能、液化气、生物燃料等，虽然有很好的前景，但是技术不够成熟。本发明是一种既能利用发动机余热又自成一系的全新技术，和以上所列都不相同。

普通发动机就是通过内部燃烧汽油等油料，把化学能转化为机械能的过程，以汽车四冲程发动机为例，分为进气、压缩、燃烧、排气四个过程，同时发动机曲轴转动2圈完成一个工作周期。

在压缩燃烧做功的过程当中，气缸里的温度可达到1900~2500℃，排气过程中，出口废气的温度是600~900℃。燃料在发动机内通过燃烧之后,其化学能转化为热能,其中一部分通过内燃机循环变成有用功,驱动汽车运动,其余部分以发动机冷却余热和尾气余热形式排放到大气中。经研究燃料化学能的大体流向如附图5所示：

①实际有用功1/3(强)

②排气带走的余热1/3

③冷却液散失的热量1/3（弱）

由此可见，发动机燃烧过程中的大部分能量随着排气和散热系统白白损失掉了，现在有关人员也在研究排出的能量高效利用，但一直未研究出更好的方式。

发明内容

经过对很多种物质的对比，最终选择干冰做为本发明的原料，即利用干冰遇热升华膨胀推动活塞做功的发动机。

干冰是二氧化碳的固体形态，它受热后不经液化而直接升华为无毒、无味的，比固体体积大600倍以上的二氧化碳气体，无任何残留，不助燃，不可燃，有灭菌作用，所以平时干冰不能储存于密封性能好、体积较小的容器中，否则很容易爆炸。

本发明就是基于干冰受热易升华的独有特性，把它作为一种新型发动机的“燃料”。具体方法为：在一个气缸中吸收高温废气进行压缩，在活塞抵达顶点位置附近温度变为最高时喷入干冰，干冰遇热吸收热量升华膨胀，体积瞬间增大600~800倍，推动活塞做功，之后排出冷却气体，整个工作周期也是四个冲程。与汽油燃烧放出大量爆发能量气体，膨胀推动活塞做功化学能转化为机械能和热能相反，干冰受高温吸收热量急剧升华，体积膨胀600倍以上推动活塞做功热能转化为机械能和化学能，而这种新型的发动机称为吸热式干冰发动机。

在此以常见的四冲程汽油发动机为发明主例，不论柴油发动机或其他各类型提供热源的发动机，统统代称为热气缸，实际应用中，热气缸也可以是其它各类热源及其他能够提供高温能量的能量体。本发明所示吸热式干冰发动机，代称为冷气缸。

本发明中提供热能的热源是以四冲程汽油发动机为例，目前使用柴油、汽油等石化燃料的发动机在燃烧上不够完全，在排气中含有大量对空气和人类有害的气体。所以在以此为热源的情况下，由于汽油等石化燃料在气缸不充分燃烧，产生大量对人体有害的HC、CO及NOx气体，就需要触媒转换器转换为无害的H₂O，CO₂，N₂和O₂。而为了过滤有毒气体，在热气缸的排气管上接一个触媒转换器，有毒的废气经过过滤，然后再接入冷气缸的进气管。如果热气缸燃料完全燃烧，废气中没有需要处理的有毒物质，可省去触媒转换器，出来的高温能量气体直接接到冷气缸里即可。其他形式的热源及能量体，在输入时只要符合排放条件，可靠，安全，无毒的情况下均可直接接入冷气缸。

冷气缸做功时由于干冰剧烈膨胀使其排气量也远大于进气量，所以在其排气管上接一个涡轮增压器，利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入热气缸。热气缸增加了空气充入量，使燃油更充分燃烧，由于燃烧完全，机械效率提高，降低了燃油的消耗，改善了废气生成，提升了热缸发动机的功率输出。

发动机由于油料燃烧点的存在，特别是汽油的燃点高于柴油，使得汽油发动机的压缩比要控制在一个特定的范围内，通常为6~10，柴油机一般为16~22。汽油发动机的压缩比远远小于柴油机的压缩比，原因就是汽油发动机需要控制缸内的温度，增大压缩比而增加的温度会导致汽油自燃而产生爆缸爆震现象。而干冰吸热发动机没有了汽油机需要控制缸内温度的问题，也没有火花塞点燃的问题。温度越高，对其工作的效率越高，而压缩比越大，输出功率也就越大。所以干冰吸热发动机在其进气量的控制，压缩比的控制，温度的控制，与功率的大小都是可控的可协调并成正比的关系。当进气量，压缩比，温度协调到一个最佳点时，即使干冰吸热膨胀做功，释放出最大的爆发能量，成为发动机的动力输出，就是缸体所能承受范围内所能输出的最大功率，也是最佳工作效率状态。

干冰遇热不经液化直接升华为气体，常温下，干冰粒接触空气后，在几千分之一秒内气化，其体积瞬间膨胀600～800倍。而影响升华速率的因素有：温度，受热面积，空气流动速率。温度越高，干冰受热的表面积越大，空气流动越快，那么干冰升华的速度就越快，从而使其爆发的速率越快，发动机效率越高。

本发明有三种实施例：

实施例1的目的是这样来实现的：包括热气缸、冷气缸、火花塞、干冰喷射头、活塞、曲轴，其特征在于：从热气缸排出的废气进入冷气缸进气管，在冷气缸内温度最高而且冷气缸活塞位置最高时由干冰喷射头喷入干冰，使干冰迅速升华产生二氧化碳气体膨胀推动冷气缸活塞做功。

实施例1的目的还可以这样来实现：热气缸为任何热能发动机或各类热源及其他能够提供高温能量的能量体；热气缸排气管上增加涡轮增压器和触媒转换器，冷气缸排气管上也增加一个涡轮增压器，涡轮增压器增压的空气通过热气缸进气管进入热气缸。从热气缸完成一个工作周期排出高温废气，气体引导进入冷气缸，热气缸排气行程即是冷气缸的吸气行程的开始，两个气缸相互连接同步工作但是之间差一个做功行程。

实施例2的目的是这样来实现的：包括气缸顶端安装一个进气管和一个排气管，气缸顶部安装火花塞，气缸内部有一活塞连接曲轴，其特征在于：气缸顶端安装干冰喷射头，活塞第一次回程压缩过程点燃火花塞，利用油气点燃使活塞做功，第二次回程压缩过程由干冰喷射头喷射干冰，干冰遇热升华气体膨胀使活塞做功，一个循环共六个冲程，曲轴转动三圈，做功两次。

实施例3的目的是这样来实现的：在热气缸外围设置一冷气缸，冷气缸顶端和热气缸顶端连为一体，气缸进气管伸入热气缸，在顶端设置一干冰喷射头伸入冷气缸，热气缸排气管直接伸入冷气缸，冷气缸内部有冷气缸活塞，热气缸内部有热气缸活塞；热气缸做功产生的高温废气排出来后就进入了冷气缸，而且热气缸壁散发的热量直接作用在了冷气缸内部，冷气缸吸收热量也为热气缸起到了降温的作用。

实施例3的目的还可以这样来实现：冷气缸活塞形状为圆柱体，冷气缸活塞内圆壁紧贴热气缸外壁，外圆壁紧贴冷气缸内壁，冷气缸活塞和热气缸活塞运动方向反向。

为使干冰的供应可靠充足，在实施例1、2、3中，本发明还在发动机上安装了干冰储存输送设备，干冰储存器内为保温胆和外壁间有真空层隔热，干冰挥发产生的气体可从干冰输送控制器缝隙释放至干冰输送管，使内部压力减小，避免爆炸现象发生。

完全排出的废气其主要含量便是二氧化碳，其他还有氮气，氧气等少量气体。全部排向空气中会进一步造成全球的温室效应，且二氧化碳具有极大的经济效益，应该尽力回收。所以要对其中的二氧化碳进行回收收集。由于产生的二氧化碳量巨大而且会累积增加，所以不适合化学反应方式收集处理，最好的方式是使二氧化碳转化为干冰，其他气体可排放入大气。既处理了尾气，又收集了二氧化碳，并且转化的干冰可用于发动机的动力原料，形成二氧化碳的冷气缸动力燃料循环。方式上，不受空间重量等条件限制的场合可以使用普遍应用的液体二氧化碳制取法-中压法，再按需要转化为干冰，如果汽车上使用，可以用干冰机或高压液化二氧化碳再控制其生成干冰或再实施例全新的收集转化二氧化碳为干冰的发明方法，这里就不在讨论。最后转化的干冰应该储存在高压钢瓶中。二氧化碳及干冰是一种用途很广的化工原料，广泛用于食品，饮料，化工，制造，农业，航天等等领域，具有广阔的经济价值。相比传统白白把二氧化碳排入大气的做法，收集再利用显然是更佳的选择。不仅从废气里创造了经济效益，又保护了大气自然环境，同时又成为可循环使用的能源，一举数得。

干冰作为整个过程的重要元素，其总量和体积会随着发动机的燃烧而不断变大，但是吸热式干冰发动机对干冰这种燃料的需求是一个定量。即，干冰作为一个可循环使用的能源体，无论是传统燃料燃烧生成的二氧化碳换是升华变作的二氧化碳，都是可以再次转变为干冰，再次成为可使用的能源体。如果二氧化碳转化为干冰的速率能赶上干冰消耗的速率，那么即使不做干冰储备，整个系统也可以照常运行。相对来讲，每台运行此燃料的机器所消耗的干冰广义来看都是一个循环定值。节省了传统上需不断加注燃料的程序，而且多出来的干冰可以用作其他用途等等，由此，带来各种好处。

有益效果：本发明的整个过程呈现各式能量往复循环，新型吸热式干冰发动机能充分利用各种高温能量，提高了发动机的能量利用效率和扩大了其应用范围。汽车上使用，可相对省去传统发动机的散热冷却系统，减少了发动机的配件，减轻车重，提高机械整体的可靠性又扩大了内部空间。同时节省了各种能源消耗，加大了发动机能量利用效率，节省油耗又提升了汽车的整体动力，减少了废气的排放量，减少了发动机热量对空气的放热炙烤，改善保护了自然环境。不光汽油柴油机，各种利用燃料的热能发动机及场所均可采用。应用范围包括工厂，各类大型机械，家用汽车等等方面。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例2结构示意图；

图3为本发明实施例3结构示意图；

图4为本发明干冰储存输送设备示意图；

图5为普通发动机化学能流向示意图。

具体实施方式

附图中各部件标号如下：

气缸1（热气缸1.1、冷气缸1.2）、气缸进气管2（热气缸进气管2.1、冷气缸进气管2.2）、排气管3（热气缸排气管3.1、冷气缸排气管3.2）、触媒转换器4、涡轮增压器5、火花塞6、干冰喷射头7、活塞8（热气缸活塞8.1、冷气缸活塞8.2）、曲轴9（热气缸曲轴9.1、冷气缸曲轴9.2）、干冰储存器10、干冰11、干冰输送控制器12、干冰输送管13。

如图1所示，本发明实施例1为双发动机气缸，包括热气缸1.1、冷气缸1.2、火花塞6、干冰喷射头7、活塞8、曲轴9，其特征在于：从热气缸1.1排出的废气进入冷气缸进气管2.2，在冷气缸1.2内温度最高而且冷气缸活塞8.2位置最高时由干冰喷射头7喷入干冰，使干冰迅速升华产生二氧化碳气体膨胀推动冷气缸活塞8.2做功。

在实施例1中，热气缸1.1为任何热能发动机或各类热源及其他能够提供高温能量的能量体；热气缸排气管3.1上增加涡轮增压器5和触媒转换器4，冷气缸排气管3.2上也增加一个涡轮增压器5，涡轮增压器增压的空气通过热气缸进气管2.1进入热气缸1.1；从热气缸1.1完成一个工作周期排出高温废气，气体引导进入冷气缸1.2，热气缸1.1排气行程即是冷气缸1.2的吸气行程的开始，两个气缸相互连接同步工作但是之间差一个做功行程。

如图2所示，本发明实施例2为单发动机气缸，包括气缸1顶端安装一个进气管2和一个排气管3，气缸顶部安装火花塞6，气缸1内部有一活塞8连接曲轴9，其特征在于：气缸1顶端安装干冰喷射头7，活塞8第一次回程压缩过程点燃火花塞6，利用油气点燃使活塞8做功，第二次回程压缩过程由干冰喷射头7喷射干冰，干冰遇热升华气体膨胀使活塞8做功，一个循环共六个冲程，曲轴9转动三圈，做功两次。

在实施例2中，汽油燃烧废气会在压缩过程中继续燃烧，放出更多热量，给干冰膨胀提供更多能量。同室做功的好处是没有热量更多的边际散失，直接在缸体里吸收，充分利用，还能清洁气缸内壁，节省了还要另外增加程序配置气缸，提高了动力输出的整体性。

如图3所示，本发明实施例3为复式缸体，即冷气缸包围热气缸，在热气缸1.1外围设置一冷气缸1.2，冷气缸1.2顶端和热气缸1.1顶端连为一体，气缸进气管2伸入热气缸1.1，在顶端设置一干冰喷射头7伸入冷气缸1.2，热气缸排气管3.1直接伸入冷气缸1.2，冷气缸1.2内部有冷气缸活塞8.2，热气缸1.1内部有热气缸活塞8.1；热气缸1.1做功产生的高温废气排出来后就进入了冷气缸1.2，而且热气缸1.1壁散发的热量直接作用在了冷气缸1.2内部，冷气缸1.2吸收热量也为热气缸1.1起到了降温的作用。

实施例3中，冷气缸活塞8.2形状为圆柱体，冷气缸活塞8.2内圆壁紧贴热气缸1.1外壁，外圆壁紧贴冷气缸1.2内壁，冷气缸活塞8.2和热气缸活塞8.1运动方向反向。

为了对发动机提供稳定充足的干冰，在实施例1、2、3中，本发明还增加了干冰储存输送设备，干冰储存器10内为保温胆和外壁间有真空层隔热，干冰11挥发产生的气体可从干冰输送控制器12缝隙释放至干冰输送管13，使内部压力减小，避免爆炸现象发生，干冰输送管连接干冰喷射头7。

Claims (9)

1.吸热式干冰发动机，包括热气缸（1.1）、冷气缸（1.2）、火花塞（6）、干冰喷射头（7）、活塞（8）、曲轴（9），其特征在于：从热气缸（1.1）排出的废气进入冷气缸进气管（2.2），在冷气缸（1.2）内温度最高而且冷气缸活塞（8.2）位置最高时由干冰喷射头（7）喷入干冰，使干冰迅速升华产生二氧化碳气体膨胀推动冷气缸活塞（8.2）做功。

2.根据权利要求1所述的吸热式干冰发动机，其特征在于：热气缸（1.1）为任何热能发动机或各类热源及其他能够提供高温能量的能量体；热气缸排气管（3.1）上增加涡轮增压器（5）和触媒转换器（4），冷气缸排气管（3.2）上也增加一个涡轮增压器（5），涡轮增压器增压的空气通过热气缸进气管（2.1）进入热气缸（1.1）。

3.根据权利要求1所述的吸热式干冰发动机，其特征在于：从热气缸（1.1）完成一个工作周期排出高温废气，气体引导进入冷气缸（1.2），热气缸（1.1）排气行程即是冷气缸（1.2）的吸气行程的开始，两个气缸相互连接同步工作但是之间差一个做功行程。

4.吸热式干冰发动机，包括气缸（1）顶端安装一个进气管（2）和一个排气管（3），气缸顶部安装火花塞（6），气缸（1）内部有一活塞（8）连接曲轴（9），其特征在于：气缸（1）顶端安装干冰喷射头（7），活塞（8）第一次回程压缩过程点燃火花塞（6），利用油气点燃使活塞（8）做功，第二次回程压缩过程由干冰喷射头（7）喷射干冰，干冰遇热升华气体膨胀使活塞（8）做功，一个循环共六个冲程，曲轴（9）转动三圈，做功两次。

5.吸热式干冰发动机，其特征在于：在热气缸（1.1）外围设置一冷气缸（1.2），冷气缸（1.2）顶端和热气缸（1.1）顶端连为一体，气缸进气管（2）伸入热气缸（1.1），在顶端设置一干冰喷射头（7）伸入冷气缸（1.2），热气缸排气管（3.1）直接伸入冷气缸（1.2），冷气缸（1.2）内部有冷气缸活塞（8.2），热气缸（1.1）内部有热气缸活塞（8.1）；热气缸（1.1）做功产生的高温废气排出来后就进入了冷气缸（1.2），而且热气缸（1.1）壁散发的热量直接作用在了冷气缸（1.2）内部，冷气缸（1.2）吸收热量也为热气缸（1.1）起到了降温的作用。

6.根据权利要求5所述的吸热式干冰发动机，其特征在于：冷气缸活塞（8.2）形状为圆柱体，冷气缸活塞（8.2）内圆壁紧贴热气缸（1.1）外壁，外圆壁紧贴冷气缸（1.2）内壁，冷气缸活塞（8.2）和热气缸活塞（8.1）运动方向反向。

7.根据权利要求1、2、3所述的吸热式干冰发动机，其特征在于：干冰储存器（10）内为保温胆和外壁间有真空层隔热，干冰（11）挥发产生的气体可从干冰输送控制器（12）缝隙释放至干冰输送管（13），干冰输送管连接干冰喷射头（7）。

8.根据权利要求4所述的吸热式干冰发动机，其特征在于：干冰储存器（10）内为保温胆和外壁间有真空层隔热，干冰（11）挥发产生的气体可从干冰输送控制器（12）缝隙释放至干冰输送管（13），干冰输送管连接干冰喷射头（7）。

9.根据权利要求5、6所述的吸热式干冰发动机，其特征在于：干冰储存器（10）内为保温胆和外壁间有真空层隔热，干冰（11）挥发产生的气体可从干冰输送控制器（12）缝隙释放至干冰输送管（13），干冰输送管连接干冰喷射头（7）。

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