CN103912409A - 内燃蒸汽机 - Google Patents

Abstract

所属工程系列热机范围。提高热机热功效率并设置减排功能是“内然蒸汽机”所要解决的技术问题。受奥拓将燃油火炉“搬进”工作缸发明内燃机的提示，发明人又将锅炉“搬进”工作缸，以水为工作介质，吸收在做工行程中即将以废气排出的热能和燃烧室及相邻部件所吸收的热能汽化膨胀，增压再做工。以此提高热功效率。因介质直接注入缸(腔)内起到内冷、降温、水气混合的作用，提供了尾气净化的前置条件。经喷淋等程序形成了尾气自身净化功能。以上即是解决问题的技术方案要点。“内然蒸汽机”的做工模式和减排方法适用于现往复式、三角活塞式及燃气、蒸汽、喷气等热机范围。

Description

内燃蒸汽机

(一)技术领域及发明名称：

内燃蒸汽机

所属技术领域：工程系列，热机范围。

(二)背景技术

冠名的启示：瓦特看见蒸汽推动壶盖，发明了蒸汽机；狄塞尔将燃油火炉直接“搬进”工作缸内，故名狄塞尔内燃机……。现发明人又将蒸汽锅炉再“搬进”内燃机中，按其冠名惯例直观形象地说它就是：“内燃蒸汽机”。从我萌生要研制这种既节能又环保的机型至今已有一段时间了，在这期间由于工业的高速发展，城镇化步伐的加快，人民物质文化生活的提高，汽车已经进入普通家庭；车辆的剧增形成燃油的紧缺，污染物的排放已经危及到人类的生存!要解决以上情况的办法只有技术创新，研制一种节能又环保的机型是势在必行、迫在眉稍。由于燃油的紧缺，在常规动力燃料中人们试图找到一种能替代现油、气的物质，人们想到占地球面积百分之七十的江、河、湖、海中的水可否能为一种新的能源?据我所知：从上世纪的八、九十年代至今已有很多人从事该项研究。在上世纪的八、九十年代就有人提出“雾化电解水”用水开动机器的设想，他们的理论：用电解的方法将水电解为氢和氧，再用氢和氧燃烧推动活塞做工。按这种模式，根据能量守恒和热机的热功效率规律将会有百分之七十的能量流失。等于投入壹元钱最多只有叁角钱的收益，所以至今无果。

现在多数从事发动机工作的师傅都知道：蒸汽机的热功效率不足百分之十五，内燃机的热功效率在百分这之四十左右，百分之五十多的热能是通过不同的渠道排入大气中，成为了大气的一个重要污染源。这是一道又可惜又可恨的难题。可惜的是百分之五十多的能量流失了，可恨的是排放物直接排入大气之中给人类的生存带来灾难性的后果。为解此题从本人在长期的生活、生产中对一些现象的观察和微观分析萌生了创意灵感，所观查的现象如下：

现象①：中国在上世纪五六十年代前很多山区和交通不便的地方还在用植物油(菜籽油、桐籽油等)点灯照明，照明工具是一种边沿开口的小陶盘，用一种叫灯草的植物草芯做灯芯，当添置灯芯时拿灯芯的手指上粘有一点水而使灯芯粘上少量的水，在点燃灯后火焰会发出：啪!啪!的爆裂声。

现象②在没有救火车的年代，火灾发生时大家只能拿出家中的盆、桶担水救火。在火燃得很旺的时候第一桶水倒入火中将是“膨”的一声，一股气浪将火焰冲得更高，将站在前排的人冲得倒退。

这两种现象都是水与火的直接热交换的能量释放的直观演示。

我们在前面谈到现热机有百分之五十多的能量流失，它们是怎样流失的?下面是发明人的一个实验观察：

把一台发动机的排气支管拆下，再发动机器，我们会看见每一个排气口就像一挺速射的机关枪，叭!叭!叭!……地向外喷火，眼凭实见!威力巨大的能量就这样白白地流进大气之中。根据观察和分析这个流失的能量是集中具有规律的排放，如若方法得当是可以部分或大部分回收利用。

至于可恨的排放中所含碳、氮、硫及重金属氧化物和游离碳等物质，要清除这些物质就现在的物理、化学手段要解决它们真是易如反掌，但是现在热机大小不等，大到万匹机，小到不足一马力，而且遍布世界各地，不可能每一台机器后面建一个化工厂来处理它们的排放物，而且最难以处理的是这些物质在高温无水的情况下它们是互不兼容，难以“静”下来成为空中飘浮的幽灵，要处理它们的前置条件必须：降温，水气混合，就是要让这害人的幽灵“胎死腹中”，不要让它们具有生命的出生，这是最好的办法!要给每一台发动机创造一个对自身排放的有害物质能相互兼容并能“静”下来的程序，自行消化吸收自身的有害排放物。将这些排放物变成化肥厂，化工厂的原料，成为化肥和其他化工产品，造福人类。

根据已列举和未列举的现象分析，多方面的实验观察，瞬时概念思维，物理、化学的基础知识，以及现在的机械制造能力和技术，结合本人几十年从事机械制造和内燃机维修的实践工作经验，构成了本发明的背景技术。

(三)发明内容

“内然蒸汽机”它是热机热能转变为机械能的方法变革和用这种方法生产的产品及现行热机使用该方式、功能、设置或改装形成的产物。它的工作模式适用于现往复式内燃机，三角活塞、燃汽、蒸汽、喷气等热机范围。

就现在内燃机即使它的热功效率已是蒸汽机的二倍以上，但它的热功效率仍然只有百分之四十左右，其余百分之五十多的能量未被利用而流失。高热排放的尾气中的有害物质未经任何处理就直接排入大气之中。

就从能耗和排污这两个指标就可以说现内燃机并非尽善尽美，登峰造极了。也就是说还有很大的空间去探索、开发!

做为一种新型的热机怎样提高热功效率?怎样设置功能减少尾气污染物的排放?这就是内然蒸汽机所要解决的技术问题!

解决以上技术问题的技术方案：在“背景技术”冠名的启示中所述：将锅炉“搬进”内燃机中这确实起到了“一石二鸟”的特殊效果。这个锅炉的压力容器就是内燃机在做工行程中活塞顶部以上空间。它的“火炉”就是在缸内已完全燃烧后的炽热火焰和燃烧空间相邻部件所吸收的热能。工作介质是高压雾化的水，或水的混、化合物。热交换方式：高压雾化的介质和火焰直接对碰“中心开花”介质在热能的作用下发生“爆炸式”的膨胀(这是在背景技术中所观察到的①②现象的提示和启发)增加了活塞顶部压力从而提高了曲轴扭矩的输出。这就是将锅炉“搬进”缸内所获得的第一只鸟。以上是形象化的表述。

程序化的表述：内然蒸汽机和现在内燃机在一个工作周期中，吸气、压缩、排气程序等同。现内燃机在做工行程中，以上死点前十度至十七度开始点火(或喷油)在上死点后的三十度左右燃烧基本完成，此时做功空间最小只有整个工作空间的百分之十左右，所以此时此点前活塞顶部可获得最大压强，是产生最佳做工状态的时段。在七百二十度的一个工作周期中由于特异的几何空间变化就只有这三十来度的转角是活塞顶部受推力最大，但是对曲轴产生力矩最小的不对称角度状态。现时所有热机(包括往复式、三角活塞式、燃气和蒸汽轮机等)在做工程序中都有一个共同的致命弱点，就是只用了爆发力还有很大的后续力量没有继续组织跟进，在吸气行程中由于进气量受时间、进气支管截面积和多缸机各缸之间气波的干扰，进气行程至气门关闭缸内仍处于负压状态，形成了做工行程燃烧后的气态物质的体积也就是一个变数，所以在做工行程中在三十度至一百三十度，曲轴只旋转了一百度，工作空间剧增至三十度前的六至七倍，形成了空间剧增压力骤降，而此时正是活塞通过连杆对曲轴产生最佳力矩之时。这个时候如果缸内增加一个大气压对曲轴所产生的力矩是零至三十度时的七至八倍，但是现在的内燃机在此时已是“力不从心，或无能为力了”，“内然蒸汽机”即在这个时段即时、适量地注入工作介质，介质在燃烧室相邻部件所吸收的热能和燃烧后的火焰作用下汽化膨胀为过热蒸汽，致使工作缸内压力增加。由于蒸汽增压形成了一个新的力源，弥补了做工程序中在最佳工作角度时空间剧增压力骤降的缺陷。这就像很原始的人工推石磨一样：一个人推到吃力的时候，有一个人伸出一只手帮推一把，原推磨人一下就觉得很轻松，如果原推磨人还是用原来的力和参与推磨的人一起合作推这个磨，它就转得更快。这个比喻就是“内然蒸汽机”在一个工作周期中又增加了一个力源。即再做工程序，这个程序的力源就是将要排出的“废气”和燃烧室和相邻部件在燃烧过程中所吸收的热能转化所产生的效果。从而提高了发动机的热功效率，这就是前面形象表述过的“第一只鸟”。

现在内燃机不管是风冷还是水冷都是外冷式，“内然蒸汽机”则是将工作介质直接喷入工作缸(腔)内，吸收了缸内相关部件温度和“废气”，温度起到了直接内冷的作用。由于火焰和介质直接接触汽化，形成了燃烧后产物和水蒸汽的均匀混合，为下一步将这些有害物质回收、利用减排提供了前置条件——降温，水汽混合。但是水进入缸内将会形成高压短路影响内燃机的连续运行，为克服这个情况，介质的注入量只能是所产生的蒸汽必须是过热蒸汽，在绝对汽化状态下在排汽行程中全部排除。经降温后的水、气混合物进入排气支管后经喷淋再降温至一百度左右的常温蒸汽进入下一流程，进入热交换器的尾气和水蒸汽的混合体随着温度的下降，水蒸汽开始雾化成雾状小颗粒而附着在排放物中的颗粒物上。随着水粒的增大这些颗粒物便失去飘浮能力而坠入水中。尾气中的碳、氮、硫及部分重金属氧化物它们中的部分或大部分可以和雾状的水颗粒生成水的化合物而溶入水中。这就是在“背景技术”中所说的将这个害人的幽灵“胎死腹中”。只要这些物质进入水中就可以用我们现在物理、化学手段任其宰割。这就是锅炉进缸所获得的“第二只鸟”。

经热交换冷凝、气水分离后的水和水溶物及碳颗粒经布有活性碳、硅沙、钙盐颗粒的过滤层，阻止了颗粒物的流通、沉积在过滤层的一端，重金属氧化物被活性碳吸附，硫的氧化物经钙盐固化沉淀，氮，碳的氧化物则是制造化肥的原料过滤后的水可以在机内反复循环使用，当水中的氮、碳氧化物达到一定浓度时可以净水置换，将所换下的水和活性碳吸附物，由化肥厂和化工厂作为化肥和化工产品的原料回收利用。

“内然蒸汽机”和现有热机比较，“内然蒸汽机”的有益效果：“内燃蒸汽机”顾名思义：蒸汽机就是利用蒸汽推动活塞做工，但是它和原始的蒸汽机相比它的蒸汽产生就大不一样，“内然蒸汽机”在蒸汽机前面还有“内燃”二字。原始蒸汽机它的介质加热是间接加热，所以很大一部分热能流失，所以它的热功效率低下，还不到百分之十五。而“内然蒸汽机”是在缸内直接转化，不但吸收了即将以尾气排放的热能，就是在做工行程中燃烧室及相邻部件将要经热传导流失的热能都参与了再做工。在原始的蒸汽机中从原煤转化为蒸汽最好也就只有百分之三十的效率，就有百分之七十的热能流失。占据了总能量的百分之七十以上的能量都是经火炉和锅炉流失的，所以‘内然蒸汽机’的内燃二字就是避开了这两个热能流失环节，将介质和热源直接接触达到热源，介质和做工的合理转化。让原流失的百分七十的能量得以最大限度的开发利用。

“内然蒸汽机”它具备内燃机的工作程序，但它不单纯追求以提高转速来达到提高动力输出，而是以充分的进气，完全的燃烧，分段利用做工实现每一个工作周期的最大效益化。

“内然蒸汽机”就其以上和蒸汽机，内燃机相比较，“内然蒸汽机”体现了热源，介质和做工的合理转化，和每一个工作周期的最大效益化，从而提高了热功效率，这就是“内然蒸汽机”的节能效果。现时的热机几乎没有尾气减排处理功能，尾气满天飞，而“内然蒸汽机”则是将尾气中的有害物质纳入水中进而回收利用，这就是“内然蒸汽机”的减排效果。

(四)具体实施方式：

一项科研成果或一项专利最后成功与否，要取决于制造商和终端消费者都能接受。

作为一项专利的申请人首先要考虑的是我申报的这个“东西”能做得出来不?而且做出来的东西必须安全、实用、美观……。比如一辆宝马车要换装你的发动机要使他的车在引擎盖上鼓一个包，车主绝不会同意换装。所以你还得考虑你这个机器的使用空间。电动车本来很经济，但是现行推广仍然缓慢，大家还不适应它的连续行驶里程受限。

“内然蒸汽机”都兼顾了以上种种条件：

首先我们考虑怎样制造：现在发动机品种繁多，不胜枚举，为了新机型的推广，降低新机型的使用成本，将“内然蒸汽机”的做工模式用于现机型的改造，尽量考虑使用原机大部件，将所要配置和变动部分集中在几个部件上，这样原发动机生产厂商要生产“内然蒸汽机”原百分之七十的生产线只要适当调整增设功能即可再投入使用。缸盖、进排气支管则是从模型、铸造到精加工都要重新布置生产线，重新配置冷却系统，新增高压供水工作系统，再冷却喷淋，热交换系统，气水分离，过滤回收系统。在具体的操作当中：即时、适量地注入工作介质是发挥“内然蒸汽机”工作效能的关键控制部分。怎样配置安装高压水泵：它可以和现内燃机大泵串联，也可以另设正时输出孔单独安装。为了对高压水泵偶件的润滑，在发明内容中谈到注入介质：水或水的混、化合物。例如：在介质中加入乳化液之类。怎样即时：“内然蒸汽机”的介质注入泵安装在正时输出的弹性联接盘上，联接盘设有圆周刻度可以反顺调整刻度以改变介质注入时间以达到最佳动力输出效果为止。高压介质注入泵也可以和现燃油泵串联，这种安装配置由于一个泵的时间变化将会导致另一个泵的时间变化，所以调整较为复杂，但这种方法可以就原缸体使用。怎样适量：现在柴油机的大泵供油是以速度控制油量的增减。“内然蒸汽机”的介质注入量则是以排气温度来控制介质的注入量；即在设定的地点安装测温探头，按温度的变化指挥介质泵准确注入以温度相匹配的介质量。

以上即是“内然蒸汽机”怎样制造?现在内燃机怎样改造、安装、调整的节能部分简要具体实施方式。怎样减排的实施：如果我们造一台样机让人参观，只要别人看得懂，怎样摆放都行。但是我们研制一种机器不是让人看一下就完了，而是在于应用。我们以现交通工具为例：就像前面所说，让车主的宝马车在引擎盖上鼓一个包或者像上世纪六七十年代烧天燃气的公交车在车顶上背一个大气囊一样，有失观展。如果那样你再好的发动机也得不到推广使用。

“内然蒸汽机”的设计原则：以现交通和工程机械为例：在复盖件面上除原有设置之外不能多加一颗螺丝，更不能有损外型。就只有在有限的空间，繁杂密布的配系中按其所需，改变它们的功能而为之!现在内燃机都是经热传导后的外冷式发动机，以水或空气为冷却介质将热量带出经水泵的强制循环，经水箱的热、冷交换来维持发动机的连续运行。“内然蒸汽机”因介质直接喷进缸内吸收了缸内机件表面温度和尾气的温度起到了直接内冷的效果。但是还是有少量热量经热传导至缸体和缸盖，为保护缸体和缸盖不至于过热，仍然保留原缸体和缸盖内的水道和容水空间保持对流式的冷却方式。在排汽过程中，缸内过热蒸汽和燃烧后的混合体进入排气支管后经支管内喷淋喷头的再次喷淋冷却至常温蒸汽，这个过程也就是第一次对排放尾气的水洗过程。经过水洗后尾气和常温蒸汽经热交换器的再降温至水蒸汽液化，再进行气、水分离，在这个过程中就是前面所阐述的很多有害物质已经溶入和纳入水中。由于氮、硫氧化物的溶入，液化的水已经具有很强的腐蚀性，在水的往复循环使用中不能进入缸体和缸盖内，只能在排气支管喷淋和热交换器这个循环圈内循环使用。由于整台发动机的尾气都要经过热交换器再排放。“内然蒸汽机”热交换器的材质必须是不锈钢或其他具有良好导热性和抗腐蚀的材料。结构要具有尾气的畅通排放和汽水分离的功能。并在热交换器的下部设置一具活性碳、硅沙和钙盐颗粒过滤层，经过滤后的液体经水泵驱动进入喷淋降温至热交换器之间的循环，类似于现内燃机的小循环。经循环使用后的水中的氮、碳氧化物达到具有回收价值时以净水置换，进行下一段的循环使用。这就是“内然蒸汽机”减排具体实施的简要说明。

“内然蒸汽机”在其他热机中的实施方式：

做为蒸汽轮机，燃气轮机和喷气式发动机它们都是大功率，用于热电、船舶、航空等领域。

高耗能：一架喷气式飞机几吨油一两个钟头就没有了；火箭：几吨、几十吨甚至几百吨，几分钟、十几分钟就没有了。当然我不是这方面的专家，我只知道这是利用反作用力，但是这个反作用力的支撑点太昂贵了。我们小时候打火枪，当装好火药后塞上手续那么大点纸，它的后座力比没有塞纸的后座力大得多，后来我们在厂里民兵射击训练就亲身体验使用苏式7.62步枪和我们国产半自动步枪因口径大小不同而导致弹头大小不同，7.62的弹头就比半自动大了一点，但是射击时它的后座力就是半自动的好几倍。我们现在反过来把枪比作火箭或飞机，它的后座力支撑点就是空气和它的自带燃料燃烧所喷出的压力，我们以前面的一些感受我们体会到就那么一小点纸或弹丸几克重量之差，都会产生那么大的变化。我们怎样将那么一小点纸的效应用于我们的火箭、飞机，在它们的燃气喷出口预设一个压力空间，即设立一个反作用力的支撑点，就像飞机在航母上起飞一样，在飞机的后面设置一块具有一定倾角的挡板，提高了飞机起飞的初速度，应该说这就是当初设置这块挡板的初衷吧!如若如此即证明了在喷口设置支撑点的有益效果，但是怎样设置这个支点：现时的热机有一个共同点就是只使用了燃烧爆发力，那么是否可以使用“内然蒸汽机”的做工模式再为火箭、飞机助一把力。将燃油或燃料燃烧后已形成既定压力喷至喷口已完成原定做工程序的热能使液态工作介质迅速气化膨胀形成预设压力空间，成为了一个有力的支点，就像航母上起飞挡板一样，但这个支撑点的造价就不那么昂贵了。如果一架飞机起飞带一半的油，另一半则是水，能达到原来满带燃油的航程，或者百分之六十的油，百分之四十的水，我们的飞行员训练成本就会降低百分这四十至五十……。

现在蒸汽轮机，燃气轮机的节能减排：

这两种机型都是高能耗，重污染的机型，在我们小时候画轮船，就是一个船体下面一道波纹线，上面一个烟洞，烟洞上面是一串向后飘泊的烟云，这个图案我觉得用在今天的重污染标志倒是很形象，就今天改用燃油和燃气也一样是高能耗，重污染源。治理一座热电站一艘轮船所产生的效益相当于一百辆以上的载重车的治理效益，常规动力热电一般大型的基本上都是燃汽、蒸汽轮机，作为蒸汽轮机，我们前面所述，由于蒸汽的产生环节就是能量流失和造成污染的环节，避开这个环节，即节能又环保。将煤“汽化”这是现时的成熟而经常运用的技术，有了煤汽原蒸汽轮机就可改变为燃汽轮机，将蒸汽轮机“内燃化”，只要进入这个程序就可以施以“内然蒸汽机”的节能减排做工方法。

当然在现时热电之中有很多是利用坑口劣质煤、煤干石，这些的“气化”是另一个课题，为了实现减排这也是一门必修之课。

Claims (5)

1.比内燃机在做工行程中增设了以水为做工介质吸收在做工行程中完全燃烧后即将以废气排放的热能和缸内各相关部件所吸收的热能汽化膨胀，增压再做工程序。

2.比蒸汽机：减少了庞大的火炉、锅炉，将工作介质直接注入工作缸内(腔内)吸热气化膨胀做工，减少了蒸汽机的全部流程，即减去了所有能量流失环节，而又收到蒸汽做工的效果。

3.比所有热机：现在所有热机在做工程序中只使用了爆发力，大量的热能以热传导和废气直接排入大气之中既浪费了资源又污染了环境，现时所有热机都不具备尾汽净化功能。而“内然蒸汽机”因介质的直接注入做工提高了热功效率，并改变了发动机由外冷成为内冷，提供了尾气净化的前置条件，再经喷淋等程序造就了尾气自身净化功能。

4.“内然蒸汽机”是热机的一种新的做工模式，是提高热机热功效率和减排功能程序设置方法。

5.凡是“内然蒸汽机”的所有特征，使用“内然蒸汽机”的做工模式提高热功效率、减排功能程序设置方法或以上部分功能、方法所制造的产品的生产、销售，产品零部件的生产、销售，利用“内然蒸汽机”的做工模式，减排功能或部分功能方法对其已有的热机进行改造的热机的改装、组装，及改装、组装零部件的生产、销售，均为本专利的保护范围。