CN105179158A - 液力发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的液力发动机，包括储液箱、高压供液泵、活塞式气缸和中央控制器；所述高压输液管与活塞式气缸之间设有将高压输液管内的高压液态工质喷射入活塞式气缸的工作室内的电磁喷液器，活塞式气缸上设有触发工作室内液态工质爆炸做功的高压脉冲发生器；所述活塞式气缸上还设有回收高温高压等离子体的等离子体回收器，等离子体回收器与储液箱之间还设有将活塞式气缸的工作室内的排出物重复循环利用的闭环等离子体发电器和气体冷凝器；所述中央控制器还连接有蓄电池组，所述等离子体回收器收集的等离子体经闭环等离子体发电器后产生不断向外供给的电能，并由气体冷凝器冷却降温后将转化的液态工质回收注入储液箱重复循环利用。

Description

液力发动机

【技术领域】

本发明涉及发动机技术，尤其涉及一种液力发动机。

【背景技术】

发动机中，尤其是柴油发动机已经具有100多年的发展历程，在此过程中，柴油发动机按照电控燃油喷射技术分别经历了位置控制、时间控制、时间压力控制三个阶段的重大技术突破，使柴油发动机技术达到今天的水平。但从柴油发动机技术的发展过程来看，现有柴油发动机技术都只是在节能、减排、高效中去完善和提高设备性能，且柴油发动机燃烧效率的提升已到极限，不可能再有大的效率提升，这些都不能从根本上解决排放污染物的弊端。

由此，一些设计人员考虑采用氢气作为燃料的氢气发动机及开发对应的动力循环控制系统，通过采用铁催化剂与水接触产生氢气，氢气作为发动机的燃料，但在该系统中，铁催化剂在很短的时间里就会被氧化而失去活性，进而停止水分解反应，同时氢气产出率也不是很高，还导致电解装置及控制系统的结构复杂。

【发明内容】

本发明提供一种通过高压脉冲发生器触发电磁喷液器喷射的液态工质做功，并将排出的高温高压等离子体通过等离子体发电器再发电转换成电能，液态工质循环使用，达到无任何有害物质排放、对环境无污染、对人类健康无危害，高效节能、做功效率高，且无排放循环使用、环保型的液力发动机。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

液力发动机，包括储液箱、高压供液泵、活塞式气缸和中央控制器，储液箱与高压供液泵之间通过储液输液管连通，高压供液泵与活塞式气缸之间通过高压输液管连通，中央控制器控制高压供液泵将储液箱内的液态工质泵入高压输液管中；所述高压输液管与活塞式气缸之间设有将高压输液管内的高压液态工质喷射入活塞式气缸的工作室内的电磁喷液器，活塞式气缸上设有触发工作室内高压液态工质触爆做功推动缸体内活塞往复运转输出动力的高压脉冲发生器；所述活塞式气缸上还设有回收活塞式气缸的工作室内做功后产生的高温高压等离子体的等离子体回收器，等离子体回收器与储液箱之间还设有通过管路互相连通并将活塞式气缸的工作室内的排出物重复循环利用的闭环等离子体发电器和气体冷凝器；所述中央控制器还连接有向其供给电能的蓄电池组，蓄电池组与中央控制器之间安装有电源开关，所述等离子体回收器收集的等离子体经闭环等离子体发电器后产生的电能不断向外输出，经过闭环等离子体发电器后由气体冷凝器冷却降温后转换为液态工质回收注入储液箱重复循环利用。

优选地，所述储液箱内还设有输液传感器，储液箱连接的储液输液管上还设置有储液控制开关；所述活塞式气缸的工作室内还设置有工作压力传器、转数传感器和冷却液温度传感器，转数传感器用于记录活塞式气缸的曲轴位置及转数；高压供液泵上还设有调压器；所有传感器采集到的信号经中央控制器运算处理后，中央控制器有序启动电磁喷射器和高压脉冲发生器工作，控制活塞式气缸在运转过程中的液态工质持续喷射和有序触爆工作。

优选地，所述储液箱内的液态工质以重量份计由98.5％的过滤洁净水、1％的钾和0.5％的惰性氩气组成。

优选地，所述高压脉冲发生器由逆变器智能模块、升压器整流电路和触发器组成。

优选地，所述中央控制器由控制中心、转换模块、输入模块、比较电路、脉冲调制电路、驱动电路、取样电阻R、取样电阻RP₁、取样电阻RP₂、反馈电路、键盘、拨动开关和显示器组成。

优选地，所述蓄电池组由二组24V电池串联而成。

优选地，所述中央控制器与高压脉冲发生器之间还设有储能电路，该储能电路由储能电容器C、二极管D₁、二极管D₂和电感L组成；二极管D₁和二极管D₂的阳极分别接逆变器智能模块的两端，二极管D₁和二极管D₂的阴极的公共端依次与电感L、储能电容器C串联后接二极管D₂的阳极，二极管D₁起整流作用，二极管D₂为续流管，电感L起滤波作用，储能电容器C起提高能量作用。

本发明的有益效果是：

本发明根据“液电效应”机理，高压脉冲发生器在极短时间(ms或us级)产生高能脉冲，即巨大能量(3～7kj)，电磁喷液器喷射到活塞式气缸的工作室内的高压液态工质，高能脉冲的巨大的能量通过触发器传输给高压液态工质并激发液态工质爆炸，致使工作室内形成高能密度(10²～10³J/cm³)，使液体处于高温(1500～2200K量级)高压状态，并形成等离子体；稠密的等离子体充满工作室内，并辐射出很强的紫外线，同时工作室内压力急剧升高，压力值可达1.8～2.2Mp，从而以较高的速度(300～1000m/s以上)迅速向外扩散；当触发能量中止后，由于液态工质内部压力依然很高，液态工质内部在高压强作用下，形成气泡，气泡以稍小内部压力向外继续膨胀，直到内部压小于液态工质压力才开始收缩；在气泡过程、膨胀过程、收缩过程一直持续到气泡内的剩余能量全部散失于液态工质内部为止(约100～160us)，形成压力脉冲，这些压力脉冲具有很强的力效应；即爆炸过程、气泡过程、膨胀过程、收缩过程为一个做功过程，在瞬间将液态工质转换成液力，周而复始的做功过程推动活塞往复运转输出动力。

同时，活塞式气缸的工作室内做功后排出的高温高压等离子体横切穿过闭环等离体发电器时，按电磁感应定律，等离子体的正负粒子在等离体发电器的磁场作用下分离，从而聚集在与磁力线平等的两个面上，由于电荷的聚集，从而产生电势，导电流体流经通道上安装电极和外部负荷连接时，则获得直流电能。

其中，储液箱内的液态工质以重量份计由98.5％的过滤洁净水、1％的钾和0.5％的惰性氩气组成，利用非平衡电离原理来提高电离度，该液态工质显弱碱性、无味、无毒，导电率高、化学性稳定。

本发明与现有发动机相比，工作中增设高压脉冲发生器和中央控制器，中央控制器(ECU)由各种传感器和执行器三部分组成，对发动机的提前角，供液、触发、转速、怠速、温度、压力及故障报警等动态、静态、工况实施智能监控、监测；高压脉冲发生器采用IPM智能功率模块，利用它的逆变功能和开、关功能(软关断)，定时、定量传递能量给液态工质，使其产生等离子体做功；且IPM智能功率模块具有开关速度快、损耗少、承载能力强，安全可靠，开0.3～0.8us、关0.6～1.5us完全可以胜任发动机运行传递能量的任务；且蓄电池组采用动力锂电池组，工作电压为48V，同时应用超级电容器(EC)储能器，提升触发能量并延长蓄电池寿命。

本发明工作时，液态工质转换液力做功具有以下特点：

1、使用换能液态工质可以循环使用，消耗极少，达到高效节能，同时解除了对有限而宝贵的矿物燃料的依赖；

2、换能液态工质化学性能稳定，使用寿命长，成本低，不燃不爆，无臭、无毒，使用安全可靠；

3、做功后排出的高温高压等离子体，高速流过闭环等离子体发电器再产生电能，充分利用脉冲能、液态工质内能和电能，使得本发动机热效率明显提高；

4、做功后无任何有害物质排放，对环境无污染，对人类健康无危害，有效达到绿色环保，具有广阔的市场应用前景。

【附图说明】

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明闭环等离子体发电器的循环发电示意图；

图3是本发明中央控制器、储能电路和高压脉冲发生器之间的电路原理图。

【具体实施方式】

液力发动机，如图1至图3所示，包括储液箱1、高压供液泵4、活塞式气缸13和中央控制器23，储液箱1与高压供液泵4之间通过储液输液管11连通，高压供液泵4与活塞式气缸13之间通过高压输液管29连通，中央控制器23控制高压供液泵4将储液箱1内的液态工质泵入高压输液管29中；所述高压输液管29与活塞式气缸13之间设有将高压输液管29内的高压液态工质喷射入活塞式气缸13的工作室6内的电磁喷液器5，活塞式气缸13上设有触发工作室内高压液态工质触爆做功推动缸体内活塞7往复运转输出动力的高压脉冲发生器17；在活塞式气缸13上还设有回收活塞式气缸13的工作室6内做功后产生的高温高压等离子体的等离子体回收器16，等离子体回收器16与储液箱1之间还设有通过管路互相连通并将活塞式气缸13的工作室6内的排出物重复循环利用的闭环等离子体发电器19和气体冷凝器22；所述中央控制器23还连接有向其供给电能的蓄电池组24，蓄电池组24与中央控制器23之间安装有电源开关25，所述等离子体回收器16收集的等离子体经闭环等离子体发电器19后产生的电能不断向外输出，经过闭环等离子体发电器19后由气体冷凝器22冷却降温后转换为液态工质回收注入储液箱1重复循环利用。

继续如图1至图3所示，在储液箱1内还设有输液传感器2，储液箱1连接的储液输液管11上还设置有储液控制开关3；所述活塞式气缸13的工作室6内还设置有工作压力传器26、转数传感器8和冷却液温度传感器12，转数传感器8用于记录活塞式气缸13的曲轴28位置及转数；在等离子体回收器16内设置温度传感器14和霍尔传感器15，高压供液泵4上还设有调压器27；所有传感器采集到的信号经中央控制器23运算处理后，中央控制器23有序启动电磁喷射器5和高压脉冲发生器17执行工作，控制活塞式气缸13在运转过程中的液态工质持续喷射和有序触爆工作，确保发动机运转状态下液态工质以最佳喷射持续时间和最佳爆炸时刻触爆工作。

高压脉冲发生器17由逆变器智能模块(IPM)、升压器整流电路和触发器组成，其中，触发器触发液态工质的物理过程可分为三阶段：第一阶段为预触发阶段，极间发生碰撞电离过程并形成通道，第二阶段为能量向通道倾输阶段，第三阶段为液体气泡液力转换阶段，高压脉冲发生器17和中央控制器23对发动机的静态、动态实施监控，从而控制做功过程，且高压脉冲发生器17采用中频、中低压相结合，用触发器供能方式进行触发液态工质做功，改变放电条件可获得所需的压力值；如图3所示，中央控制器23由控制中心、转换模块、输入模块、比较电路、脉冲调制电路、驱动电路、取样电阻R、取样电阻RP₁、取样电阻RP₂、反馈电路、键盘、拨动开关和显示器组成，达到智能自动控制功能。

继续如图3所示，蓄电池组24由2组24V电池串联而成，电压为48V，逆变器智能模块将蓄电池组24的直流48V变成交流160V，然后经升压器升压后变成高压，在经整流电路整流成直流高压在极短的时间内产生高能脉冲，即巨大能量，送至高压脉冲发生器的触发器，反馈电路将从取样电阻RP₁和取样电阻RP₂上取得信号处理后送至比较电路和输入模块，控制中心对从输入模块送来的信号进行处理，处理结果通过转换模块送至比较电路，比较电路将两路信号进行比较，得出的比较结果送至脉冲电路进行调制，再经驱动电路至逆变器智能模块，控制逆变器智能模块变频、变压、变流，定时地向活塞式气缸13的工作室6输入高能脉冲。其中，升压器的升压比为160V∶18KV，并采用高压分级为：0～5KV、7KV、8KV、10KV、15KV和18KV，方便能量选择。

继续如图3所示，中央控制器23与高压脉冲发生器17之间还设有储能电路，该储能电路由储能电容器C、二极管D₁、二极管D₂和电感L组成；二极管D₁和二极管D₂的阳极分别接逆变器智能模块的两端，二极管D₁和二极管D₂的阴极的公共端依次与电感L、储能电容器C串联后接二极管D₂的阳极，二极管D₁起整流作用，二极管D₂为续流管，电感L起滤波作用，储能电容器C起提高能量作用。

储液箱内的液态工质以重量份计由98.5％的过滤洁净水、1％的钾和0.5％的惰性氩气组成；工作时，钾与水反应剧烈，操作时为了确保安全，每次应将微量的钾慢慢加入水中搅拌均匀，待反应完后，再进行下一次，一次次加完为止；且将完全反应的液态工质分装密封于储液箱1内中，再将按重量份比例的惰性氩气注入即可。

工作时，根据“液电效应”机理，高压脉冲发生器17在极短时间(ms或us级)产生高能脉冲，即巨大能量(3～7kj)，电磁喷液器5喷射到活塞式气缸13的工作室6内的高压液态工质，高能脉冲的巨大的能量通过触发器传输给高压液体并激发液体爆炸，致使工作室内形成高能密度(10²～10³J/cm³)，使液体处于高温(1500～2200K量级)高压状态，并形成等离子体；稠密的等离子体充满工作室内，并辐射出很强的紫外线，同时工作室内压力急剧升高，压力值可达1.8～2.2Mp，从而以较高的速度(300～1000m/s以上)迅速向外扩散；当触发能量中止后，由于液态工质内部压力依然很高，液态工质内部在高压强作用下，形成气泡，气泡以稍小内部压力向外继续膨胀，直到内部压小于液态工质压力才开始收缩；在气泡过程、膨胀过程、收缩过程一直持续到气泡内的剩余能量全部散失于液态工质内部为止(约100～160us)，形成压力脉冲，这些压力脉冲具有很强的力效应；爆炸过程、气泡过程、膨胀过程、收缩过程为一个做功过程，在瞬间将液态工质转换成液力，周而复始的做功过程推动活塞往复运转输出动力。其中，高压脉冲发生器在极短时间高能脉冲产生的巨大能量满足以下公式：

$P_m=\mathrm{\β}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_{o}W}{\mathrm{\τ}T}}$

式中：P_m是冲击波的波前最大压力；β为无因次的复杂积分函数，近似取值0.7；ρ_o是液态工质密度；W是放电通道单位长度的脉冲总能量；τ是波前时间；T为脉冲能量的持续时间。

所以，工作时，与储液箱1连通的高压供液泵2受到中央控制器23发出的指令而起动，转数传感器8、霍尔传感15确定活塞式气缸的活塞7位置，将信号经输入回路传输中央控制器23，中央控制器23根据活塞7的最佳位置发出指令给电磁喷液器5将液态工质喷射至活塞式气缸13的工作室6内；此时中央控制器23发出指令给高压脉冲发生器17，高压脉冲发生器17在极短的时间产生高能脉冲(即巨大能量)，将巨大能量传输给工作室内喷射入的液态工质，激发液态工质爆炸，液态工质转换为强大的液力效应推动活塞7往复运行、输出动力。等离子体回收器16将爆发后的等离子体再送到闭环等离子体发电器19，将做功后的高温高压等离子体横切、穿过闭环的等离子体发电器19，按电磁感应定律，等离子体的正负粒子在磁场的作用下分离，而集在与磁力线平等两个面上，由于电荷的集聚从而产生电势，在磁流体流经通道上安装电极和外部负荷连接，则得到电能，磁力线垂直的方向流向电极，发出直流电。且发电后的等离子体送至气体冷却器22处理，经输液管送回储液箱1内构成回路，使得液态工质在其中循环做功。

如图2所示，利用发动机液态工质爆炸做功，当发动机工作室6的液体爆炸后，等离子体排气阀18开启，高温高压等离子体高速(600～1000m/s)进入发电通道20切割通道磁场产生感应电动势，由电极21连续输出电能。等离子体被等离子体回收器16回收，经气体冷却器22冷却，输回储液箱1循环做功。即排出的高温电离气体即导电离子流体高速(600～1000m/s)流过发电通道，切割3～5特磁场，产生感应电动势。从而可由电极上获得连续输出电能；其功率可达10～15KW直流电，从而液态工质一次做功，获得两次能量，一次是机械能——动力，二次是电能，从而热效率可提高30～40左右。其中，等离子体发电所依据的基本原理是霍耳效应，当处于高温高速的等离子气体通过发电器时，如果在垂直于气流的方向上加有磁场，则气流中的正负离子，由于受到洛伦兹力的作用，将沿着既要垂直于磁场方面又垂直于流速方向，分别朝着两侧反向偏移，结果在发电器两侧的电极上建立起动电势，从而可由电极上获得连续输出电能。

本发明通过增设高压脉冲发生器和中央控制器，中央控制器(ECU)由各种传感器和执行器三部分组成，对发动机的提前角，供液、触发、转速、怠速、温度、压力及故障报警等动态、静态、工况实施智能监控、监测；高压脉冲发生器采用IPM智能功率模块，利用它的逆变功能和开、关功能(软关断)，定时、定量传递能量给液态工质，使其产生等离子体做功；IPM智能功率模块具有开关速度快、损耗少、承载能力强，安全可靠，开0.3～0.8us，关0.6～1.5us完全可以胜任发动机运行传递能量的任务；且蓄电池组采用动力锂电池组，工作电压48V，同时应用超级电容器(EC)储能器，提升触发能量并延长蓄电池寿命。

以上所述实施例只是为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，凡依本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.液力发动机，包括储液箱、高压供液泵、活塞式气缸和中央控制器，储液箱与高压供液泵之间通过储液输液管连通，高压供液泵与活塞式气缸之间通过高压输液管连通，中央控制器控制高压供液泵将储液箱内的液态工质泵入高压输液管中；其特征在于：

所述高压输液管与活塞式气缸之间设有将高压输液管内的高压液态工质喷射入活塞式气缸的工作室内的电磁喷液器，活塞式气缸上设有触发工作室内高压液态工质触爆做功推动缸体内活塞往复运转输出动力的高压脉冲发生器；

所述活塞式气缸上还设有回收活塞式气缸的工作室内做功后产生的高温高压等离子体的等离子体回收器，等离子体回收器与储液箱之间还设有通过管路互相连通并将活塞式气缸的工作室内的排出物重复循环利用的闭环等离子体发电器和气体冷凝器；

所述中央控制器还连接有向其供给电能的蓄电池组，蓄电池组与中央控制器之间安装有电源开关，所述等离子体回收器收集的等离子体经闭环等离子体发电器后产生的电能不断向外输出，经过闭环等离子体发电器后由气体冷凝器冷却降温后转换为液态工质回收注入储液箱重复循环利用。

2.根据权利要求1所述的液力发动机，其特征在于，所述储液箱内还设有输液传感器，储液箱连接的储液输液管上还设置有储液控制开关；所述活塞式气缸的工作室内还设置有工作压力传器、转数传感器和冷却液温度传感器，转数传感器用于记录活塞式气缸的曲轴位置及转数；高压供液泵上还设有调压器；所有传感器采集到的信号经中央控制器运算处理后，中央控制器有序启动电磁喷射器和高压脉冲发生器工作，控制活塞式气缸在运转过程中的液态工质持续喷射和有序触爆工作。

3.根据权利要求1所述的液力发动机，其特征在于，所述储液箱内的液态工质以重量份计由98.5％的过滤洁净水、1％的钾和0.5％的惰性氩气组成。

4.根据权利要求1所述的液力发动机，其特征在于，所述高压脉冲发生器由逆变器智能模块、升压器整流电路和触发器组成。

5.根据权利要求1所述的液力发动机，其特征在于，所述中央控制器由控制中心、转换模块、输入模块、比较电路、脉冲调制电路、驱动电路、取样电阻R、取样电阻RP₁、取样电阻RP₂、反馈电路、键盘、拨动开关和显示器组成。

6.根据权利要求1所述的液力发动机，其特征在于，所述蓄电池组由二组24V电池串联而成。

7.根据权利要求5所述的液力发动机，其特征在于，所述中央控制器与高压脉冲发生器之间还设有储能电路，该储能电路由储能电容器C、二极管D₁、二极管D₂和电感L组成；二极管D₁和二极管D₂的阳极分别接逆变器智能模块的两端，二极管D₁和二极管D₂的阴极的公共端依次与电感L、储能电容器C串联后接二极管D₂的阳极，二极管D₁起整流作用，二极管D₂为续流管，电感L起滤波作用，储能电容器C起提高能量作用。