CN104454247A - 油水混合动力发动机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油水混合动力发动机，其包括：气缸和气缸内的活塞，活塞上方设有用于向气缸内喷射温度高于200℃的高压水蒸气的高温高压喷嘴。所述活塞的顶面和/或气缸内壁的顶部设有储能蒸发器。发动机工作时，油与空气的混合气在活塞的上止点被点燃后瞬间燃爆，然后在做功行程中，喷嘴喷出的定量水雾在吸收气缸内的热能后瞬间形成高温高压水蒸气并膨胀，以进一步推动活塞做功，具体过程是：瞬间膨胀的高温高压水蒸气使气缸4内的气压在做功行程中的降低速度大幅减缓，以利于使气缸4内的高压气体推动活塞1做功，并通过连杆2转动曲轴对外输出转矩。同时，该过程大幅提高了活塞的做功量和做功的持续性，以及发动机转矩输出的均匀性。

Description

油水混合动力发动机及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种发动机，具体是一种油水混合动力发动机及其工作方法。

背景技术

传统的发动机均采用雾状燃油(汽油、柴油等)在气缸的燃烧室内燃烧，体积快速膨胀，从而驱动活塞动作，进而带动曲轴旋转，实现带动负载做功的目的；但是其能源利用效率较低，现有的高档柴油机的热效率大约为35％，而高档汽油发动机的热效率大约为27％。热效率是指发动机输出的机械功与燃烧燃油产生的化学能之间的比率。即评价有多少热量转化成有效功。如何进一步提高发动机的热效率，是本领域的技术难题。

中国专利文献CN1206791A公开了一种适用于各种车辆和船舶使用的油水发动机，其包括缸体、活塞、连杆和曲柄，在发动机点火做功的行程中，通过安装在缸体上的喷头向缸体内喷射雾化的水或助燃剂。该喷头管路依次与高压泵和液体容器相连接。

上述现有技术的不足之处在于：向缸体内喷射雾化的水或助燃剂时，会使缸体内的温度骤降，并瞬间使缸体内的气压大幅降低，导致发动机无法正常做功。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、可靠性较高且可大幅提高发动机热效率的油水混合动力发动机及其工作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的发动机，其包括：气缸和气缸内的活塞，活塞上方设有用于向气缸内喷射温度高于200℃的高压水雾（优选高压细水雾）的高温高压喷嘴。发动机工作时，油与空气的混合气在活塞到达上止点时被压燃或被点燃后瞬间燃爆，然后在做功行程中，高温高压喷嘴瞬间喷出定量温度高于200℃的高压水雾，水雾在气缸内吸热后瞬间形成水蒸气并瞬间膨胀，以进一步推动活塞做功。

喷入气缸内的高压水雾的温度高于200℃时，即喷入前的水压大于10个大气压，喷入的水雾可在吸收少量热能后瞬间成为高温高压水蒸气并膨胀，可以在做功行程中避免使气缸内出现加速减压的情况。

进一步优选地，所述活塞的顶面和/或气缸内壁的顶部设有储能蒸发器，以提供较大的储热、换热面积，用于与喷入的水雾和同时生成的高温高压水蒸气迅速换热，使其瞬间生成高温高压蒸汽并瞬间膨胀，以进一步推动活塞做功，避免因水蒸气大幅吸热，而使气缸内出现加速减压的情况。

进一步，所述储能蒸发器由粉末冶金工艺形成的多孔材料构成，或为多个翅片（即为多片间隙排列分布的金属片）。

进一步，为了充分利用发动机尾气的热能，并生成上述高温高压的水雾，上述发动机还包括：多个用于加热水的换热器串设在与所述气缸的排气门相连的排气管上, 各换热器的换热水管依次串连，且水在各换热器之间流动的方向与所述排气管中的气流方向相反；末级换热器的热水出口采用耐温耐压管与所述高温高压喷嘴相连，耐温耐压管上串设有耐温高压水泵或高压电喷装置；首级换热器的入水口经一高压水泵与一水箱相连，该水箱内设有蒸馏水，或蒸馏水与用于清除水垢的化学助剂的混合液。

进一步，所述排气管的末端与一废水收集箱相连，该废水收集箱的中上部或顶部设有排气口，水箱中的水进行无害化处理后，排放。

进一步，所述活塞上方还设有高压喷油嘴。所述活塞通过连杆带动曲轴对外输出转矩，缸盖上设有进、排气门；一凸轮轴与所述曲轴通过同步带传动配合，且该凸轮轴用于控制所述进、排气门交替开闭。

进一步，所述活塞顶面的储能蒸发器呈平面分布，所述气缸内壁上的储能蒸发器呈环形且与气缸同轴分布，且该环形储能蒸发器的内径与所述气缸的内径一致；所述活塞顶面的储能蒸发器的厚度与所述气缸内壁上的储能蒸发器的轴向高度一致，以减小气缸空间。

所述蒸馏水箱适于与该发动机的散热器换热，以使蒸馏水箱的水温可升至90℃，既利于节能，又能提高所述末级换热器输出热水的温度，利于水雾在汽缸内瞬间汽化时少吸热，进而进一步提升发动机的输出功率及其稳定性。该散热器一般采用水冷装置给发动机散热，水冷装置主要有散热水箱、水泵、散热器、冷却风扇、节温器、发动机机体和气缸盖内的水套等组成。在散热水箱内装有足够的冷却水，发动机在工作过程中会产生很高的热量，通过水泵带动散热水箱内的冷却水在发动机内部循环。所述蒸馏水箱与散热水箱紧贴设置和/或，蒸馏水箱与散热水箱之间设有多个用于换热的换热管，以提高换热效果。

上述发动机的工作方法，包括：油与空气的混合气在活塞到达上止点时被压燃或被点燃后瞬间燃爆，然后在做功行程中，高温高压喷嘴瞬间喷出定量温度高于200℃的高压水雾，水雾在气缸内吸热后瞬间形成水蒸气并瞬间膨胀，以进一步推动活塞做功。

本发明具有的技术效果：

（1）本发明的发动机工作时，油与空气的混合气在活塞到达上止点时被压燃或被点燃后瞬间燃爆，然后在做功行程中，高温高压喷嘴喷出的定量水雾在气缸内吸热后瞬间形成水蒸气并瞬间膨胀，以进一步推动活塞做功（也可理解为二次推动活塞做功，原理是：水雾转换为水蒸汽的瞬间，导致缸内气体瞬间大幅增多，并瞬间吸热膨胀），具体过程是：水雾瞬间转换为水蒸汽，导致缸内气体瞬间大幅增多，进而使气缸内的气压在做功行程中的降低速度大幅减缓，以利于使气缸内的高压气体推动活塞做功，并通过连杆转动曲轴对外输出转矩。同时，该过程大幅提高了活塞的做功量和做功的持续性，以及发动机转矩输出的均匀性；

（2）采用本发明方案的柴油机的热效率可达45％以上，而汽油发动机的热效率可达40％以上；

（3）本发明发动机排出的尾气，通过多个换热器后，尾气中的水蒸气冷凝，并将尾气中的部分有害物质带入废水收集箱中，减少了有害物质排入空气。此外，排气管上设置的多个换热器可起到消声器的作用。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是实施例中的油水混合动力发动机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

如图1，本实施例的油水混合动力发动机包括：气缸4和气缸4内的活塞1，活塞1上方设有用于向气缸4内喷射温度高于200℃的高压水雾的高温高压喷嘴6。发动机工作时，汽油与空气的混合气在活塞1到达上止点时被点燃后瞬间燃爆，然后在做功行程中，高温高压喷嘴喷出的定量水雾瞬间形成高温高压水蒸气，导致缸内气体瞬间大幅增多，再吸收气缸4内的热能后瞬间膨胀，起到二次推动活塞的效果，使气缸4内的气压在做功行程中的降低速度大幅减缓，以利于使气缸4内的高压气体推动活塞1动作，活塞1通过连杆2带动曲轴对外输出转矩。同时，大幅提高了活塞的做功量和做功的持续性，以及发动机转矩输出的均匀性。

缸盖5上的进气门和排气门14由凸轮轴3控制其动作。该凸轮轴与所述曲轴通过同步带传动配合，以控制所述进、排气门交替开闭。

喷入气缸4内的高温高压水雾，可在吸收少量热能后瞬间膨胀，以进一步推动活塞1做功，避免因现有技术中喷入的低温水大幅吸热，而使气缸内出现加速减压、发动机输出转矩降低的情况。

所述活塞1的顶面和/或气缸4内壁的顶部设有储能蒸发器12，以提供较大的储热、换热面积，用于与由喷入的水雾而生成的高温高压水蒸气迅速换热，使其瞬间生成高温、高压蒸汽并瞬间膨胀，起到二次推动活塞的效果。高温高压喷嘴内的水压大于10个大气压，水温高于200℃时，喷出的水雾瞬间生成的水蒸气在储能蒸发器12的快速换热作用下，水蒸气的温度瞬间提升至2000℃以上，并使气缸4内的气压下降速度大幅减缓，并二次推动活塞1做功，因此大幅提升了发动机功率、提高了发动机热效率，并大幅节能。

所述储能蒸发器12由粉末冶金工艺形成的多孔材料构成，或为多片间隙排列分布的铜片。

为了充分利用发动机尾气的热能，并生成上述高温高压的水雾，上述发动机还包括：多个用于加热水的换热器11串设在与所述气缸4的排气门相连的排气管15上, 各换热器11的换热水管依次串连，且水在各换热器11之间流动的方向与所述排气管15中的气流方向相反；末级换热器的热水出口采用耐温耐压管与所述高温高压喷嘴6相连，耐温耐压管上串设有耐温高压水泵或电喷装置；首级换热器的入水口经一高压水泵9与一水箱8相连，该水箱内设有蒸馏水，或蒸馏水与用于清除水垢的化学助剂的混合液。

所述排气管15的末端与一废水收集箱10相连，该废水收集箱10中的水进行无害化处理后，排放。所述活塞1上方还设有高压喷油嘴7，高压喷油嘴7通过高压油泵或电喷装置与油箱相连。

所述活塞1顶面的储能蒸发器12呈平面分布，所述气缸4内壁上的储能蒸发器12呈环形等高、同轴分布，且该环形储能蒸发器的内径与所述气缸的内径一致；所述活塞顶面的储能蒸发器的厚度与所述气缸内壁上的储能蒸发器的轴向高度一致，以减小气缸空间。

高温高压喷嘴7与上述活塞顶面的储能蒸发器相对设置，以使。

高温高压喷嘴可以有固定在缸盖5上的多个，分别与所述活塞顶面上的和气缸内壁上的储能蒸发器相对设置。

为了进一步节能，所述活塞顶面上的储能蒸发器与活塞顶面之间设有隔热材料13，气缸内壁上的储能蒸发器与气缸内壁之间设有隔热材料；各换热器11上包裹有隔热层，相邻换热器之间设有隔热板14。

作为进一步优选的方案，所述蒸馏水箱适于与该发动机的散热器换热（具体可采用换热管连接所述蒸馏水箱和散热器），以使蒸馏水箱的水温可升至90℃，既利于节能，又能提高所述末级换热器输出热水的温度，利于水雾在汽缸内瞬间汽化时少吸热，进而进一步提升发动机的输出功率及其稳定性。该散热器一般采用水冷装置给发动机散热，水冷装置主要有散热水箱、水泵、散热器、冷却风扇、节温器、发动机机体和气缸盖内的水套等组成。在散热水箱内装有足够的冷却水，发动机在工作过程中会产生很高的热量，通过水泵带动散热水箱内的冷却水在发动机内部循环。所述蒸馏水箱与散热水箱紧贴设置和/或，蒸馏水箱与散热水箱之间设有多个用于换热的换热管，以提高换热效果。

上述发动机的工作方法，包括：油与空气的混合气在活塞到达上止点时被压燃（属于柴油机的情况）或被点燃后瞬间燃爆（属于汽油机的情况），然后在做功行程中，高温高压喷嘴瞬间喷出定量温度300℃的高压水雾，水雾在气缸内吸热后瞬间形成水蒸气并瞬间膨胀，以进一步推动活塞做功（也可理解为二次推动活塞做功），具体过程是：瞬间膨胀的高温高压水蒸气使气缸内的气压在做功行程中的降低速度大幅减缓，以利于推动活塞做功，并通过连杆转动曲轴对外输出转矩。本发明可避免因现有技术中喷入的低温水而大幅吸热，进而使气缸内出现加速减压的情况。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种发动机，包括：气缸和气缸内的活塞，其特征在于：活塞上方设有用于向气缸内喷射温度高于200℃的高压水雾的高温高压喷嘴。

2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述活塞的顶面和/或气缸内壁的顶部设有储能蒸发器。

3.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于：所述储能蒸发器为多个翅片，或由粉末冶金工艺形成的多孔材料构成。

4.根据权利要求1-3之一所述的发动机，其特征在于：多个用于加热水的换热器串设在与所述气缸的排气门相连的排气管上, 各换热器的换热水管依次串连，且水在各换热器之间流动的方向与所述排气管中的气流方向相反；

末级换热器的热水出口采用耐温耐压管与所述高温高压喷嘴相连，耐温耐压管上串设有耐温高压水泵或高压电喷装置；

首级换热器的入水口经一高压水泵与一蒸馏水箱相连。

5.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于：所述排气管的末端与一废水收集箱相连，该废水收集箱的中上部或顶部设有排气口。

6.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述活塞上方还设有高压喷油嘴；

所述活塞通过连杆带动曲轴对外输出转矩，缸盖上设有进、排气门；一凸轮轴与所述曲轴通过同步带传动配合，且该凸轮轴用于控制所述进、排气门交替开闭。

7.根据权利要求3所述的发动机，其特征在于：所述活塞顶面的储能蒸发器呈平面分布，所述气缸内壁上的储能蒸发器呈环形且与气缸同轴分布，且该环形储能蒸发器的内径与所述气缸的内径一致；

所述活塞顶面的储能蒸发器的厚度与所述气缸内壁上的储能蒸发器的轴向高度一致。

8.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于：所述蒸馏水箱适于与该发动机的散热器换热。

9.一种权利要求1所述的发动机的工作方法，包括：油与空气的混合气在活塞到达上止点时被压燃或被点燃后瞬间燃爆，然后在做功行程中，高温高压喷嘴瞬间喷出定量温度高于200℃的高压水雾，水雾在气缸内吸热后瞬间形成水蒸气并瞬间膨胀，以进一步推动活塞做功。