CN108757165A - 水柴油机 - Google Patents

Abstract

水柴油机，最简洁的原理如下：如摘要附图所示，气缸中的总压强，是两种气体的分压强之和，液态越多，该气体的分压越小，总压强也越低。气缸中只有水、干空气，活塞往复运动。压缩时，气体温度升高水蒸发，产水蒸汽分压强。但是水吸收热量，蒸发有一个迟滞时间，水蒸汽的分压强，不能立即增强。膨胀时，水蒸汽不可能提前就被凝结析出让分压强减小的，所以，同样活塞在A点的位置。若是压缩，则气缸内压力低，压缩就省力。若是膨胀，则气缸内压力就高，作功就有力。这是压缩消耗的功小，膨胀产生的功大。

Description

水柴油机

技术领域：

热能动力工程，制冷工程，能源工程。定容加水形成混合气体为工质的热机及热机循环方法。

背景技术：

湿空气透平装置循环，是蒸汽掺混的并联的双工质循环(资料来自《工程热力学》中国电力出版社2004，严家录、王永青)水的加热汽化在等压过程中实现。水蒸汽产生的分压，不能累加到总压中去(指未能自动提升工质的压力)。道尔顿分压定律，新的认识被发现，可以制造新的热能动力装置。

实验介绍：第一个实验罐子里的干空气加热到摄氏100度，一个大气压，盖紧后，往罐子里注少许水，再加热到摄氏100度，此时的压强升高到2大气压，再看实验，对照道尔顿分压定律，实验与理论吻合。第二个实验，空矿泉水瓶，加入少许酒精，盖紧，等一会儿，拧开盖子，气喷出。这酒精吸收瓶中的气体热量，让气体降温，也提高了空气压力(这时的空气是水、酒精的混合气)。

17岁高三学生的小发明，是特别重大的发明创造。

发明创造内容：定容条件下，干空气加入水变成湿空气，作功能力增大。其实验与理论及工程应用介绍如下：

1、实验：干空气，在封密的刚性罐子内，温度摄氏100度，压强1大气压(表计压力0)。加入少许水，也温度到100度，然后压强就会升高到2大气压(表计压力1)。罐子内一个大气压，相对于环境1大气压，没有作功能力；现在因水的加入变成2大气压，就有了作功能力。

2、理论：这个实验，来自对《道尔顿分压定律》的理性思考，若不等于2个大气压，那么混合气体的总压强就不是各气体的分压强之和了。那么这个《道尔顿分压定律》不就错了？这实验是重复证明了《道尔顿分压定律》(公元1802年)

这实验还有更多的意义：

A、《道尔顿分压定律》的总压强等于分压强之和的定律，变更成“产生分压强，就提高了总压强，而增大气体作功能力的定律，这就是全新的新定律。

混合气体(湿空气)的体积，仍等于原空气的体积，而不是热力学教科书的“总体积等于分体积之和”，丰富了教科书所没有的内容。也可以这样说：“气体混合的时候，某气体的分体积被缩小了”，这是因为按教科书的观点去认识湿空气的体积，再去计算空气的分体积，这个空气的分体积已小于原先罐子里的干空气的体积了(即罐子容积)即“气体混合的时候，某种气体被压缩了。”

B、罐子里的气压，从1大气压逐步升高到2大气压，水只从摄氏100度的热原吸热，不必高向高于摄氏100度的热源吸热(通常，大于1大气压，水到100度，已不能从这个热源吸热蒸发)，这是低温热源当高温热源使用了。

C、为三、四十年前的“水变油骗局”翻案，那时有运输车队的驾驶劳模，摸索出节油经验，是往燃料里加水。科学家不知这个“分压强提高总压强”而提高作功能力的道理，举报假科学，把驾驶员劳模坐了牢。

气体混合熵不变，是新认识，它巅复了传统热力学。

气体混合，熵不变定律的例子。

环境温度，气体温度都是T，如同为300K。环境压强为0.1MPa。A气体是氧气，数量32千克，压强0.2MPa，等温膨胀至0.1MPa的技术功为32RTIn0.2/0.1。B气体是氮气，数量28千克，压强为0.2MPa，其为RT In0.2/0.1.未混合前的为2RTln0.2/0.1。

A气体与B气体混合成C气体，C气体是富氧空气。C气体的分子量30，C气体的数量60千克。C气体的也是2RTln0.2/0.1。这说明：混合前，混合后，外界没有能量加入，气体的作功能力没有变化，这当然只有可逆过程，可逆过程是绝热当然是等熵的。

《公理化热力学的逻辑、数学、事实、工程》(哈工大出版社2016编者赵兴龙，)以下简称“新热学书”指出：温度、压强相等的两种气体混合，熵不变。

氧气、氮气，混合成空气。二个大气压空气，膨胀到1个大气压的作功过程，的功的计算，不是按氧气、氮气的分压强去计算的。但可以用氧气、氮气也是二个大气压去计算。现在，二个大气压的饱和湿空气，膨胀到1个大气压，计算其作功的过程，遇上新课题：水蒸汽也按二个大气压、摄氏100度去计算，而这个“二个大气压摄氏100度”的水蒸气是不存在的，解决这个新课题用实验则是很简单，以“思想实验”去预测实际实验：二大气压的饱和湿空气，绝热膨胀到1大气压，是绝热减熵的过程。推理如下：干空气作功按等熵计算，微元功dw＝pdv。水蒸气再参与帮助了作功，就是干空气作出更多的功，就是dw＞pdv了，这正是绝热减熵的特征之一。

《道尔顿分压定律新认识》：

1802年道尔顿的分压定律，倒过来运用，可让低温热源当高温热源使用，且实验证实，更有理论解释。

实验如下：空罐子，装干空气，加热100度摄氏，压强1大气压，密闭后再往罐子加点水，也吸热到100度，罐子内的压强升高到2大气压，这说明水从100摄氏度环境吸热，全部气化，达到部分水必须从近120摄氏度吸热的效果。这就是低温热源当高温热源使用。

这个实验，是等容条件下用液体蒸发开始，产生混合气的，附合道尔顿分压定律的实验，对实验的新认识是极大的发明创造，推翻了热力学第二定律。

分子运动论解释这一现象：本来，2大气压，在摄氏100度，水不会蒸发。

罐子里全是水(水、饱和水蒸汽)100摄氏度，水、饱和水蒸汽处于平衡状态，分子的运动，有水蒸汽分之进入水，又有水分子进入水蒸汽。举例：10个水分子离开水变成10个水分子蒸汽，就有10个水蒸汽分子变成水。保持了平衡。现在罐子里还有空气，总压强超过大气压，那么，同样在摄氏100度时，10个气体分子撞击水面，也有十个水分子离开水变成蒸汽。但是，10个气体分子撞击水面，这10个气体分子只有若干个是水蒸汽分子，空气分子不会进入水。这样的情况就是少于10个蒸汽水分子进入水，也有10个水分子离开水变成蒸汽。于是罐子里的气体的压强在接近2大气压，摄氏100度，水也在吸热蒸发。。这是分子运动的有序选择，10个气体分子撞击水面，只有5个水蒸汽分子进入水，也有10个水分子变成蒸汽。

水蒸汽分子与空气是不全同的分子，撞击水面，撞击力产生的作用的效果相同，而气体分子进不到水里。最后，离开水，进入混合汽体的水分子，达到平衡，是因为混合气体分子也阻止水分子离开水。

道尔顿分压定律新认识，可以运用于热能动力(包括制冷工程)；液体蒸发的分压，提高总压，更强大的力推动活塞作功，提高热效率。

举例：水的临界点：T＝647.14K，即373.99度摄氏，P＝22.064Mpa。

罐子里空气压力221大气压，温度374度摄氏，加入水，再加温至374度摄氏，得到440个大气压左右。这样，374度摄氏的热源，其效果如同700度摄氏的热源了(水蒸汽热力数表，有600度摄氏，300大气压对应的数据)。可大大提高热利用效果。

混合气体的产生方法的创新。甲乙气体混合，传统工程热力学教科书认识，气体的分体积小于总体积(总体积是分体积之和)。而这里的空气、水蒸汽混合气的形成，其总体积仍等于原先的空气分体积。

气体混合，总体积等于分体积的方法，是创新的方法。本方法抽象性介绍如下：A气体，称做母气体(如空气)，B气体称作子气体(如水蒸汽)。A气体在密闭的刚性容器中，B气体还处在液体状态，也已在容器中。温度升高，B气体产生，A、B气体混合，这时混合气体的总体积。仍等于容器容积，等于原来A气体的分体积。

母气体，选热容量大些的；子气体选汽化热小些的，可以提高本发明的热机的性能。凡任何制冷剂，及其它液体如乙醇，四氯化碳，酒精等等的都可以选作子气体或母气体。

母气体是空气，子气体是水(水蒸气)再加子气体氟利昂。这样，分压强有三个气体相加，而混合气体的体积自然是混合前的母气体体积。还可推想到，一种母气体，多种子气体的混合，而让总压强提得更高，作机械功的能力更强。

4份氮气，1份氧气，同温度同压强，组成混合气体空气，氮气的分体积小于总体积。让空气的总体积也等于原先混合前的氮气的分体积，不给它施加机械功是不可能做到的。而被现在的创新方法做到了气体的循环，这样进行：一定压强的空气，可逆绝热膨胀，出现部份液态氧，再等温压缩出现更多液态氧及氮气。(氮气、氧气的混合气体空气已分离)等容加热，形成空气的体积即是原先氮气的体积。

同温同压的气体混合，出现吉布斯佯谬，因气体混合熵不增大，这佯谬已纠正为真谬。非理想气体的混合，谈论分体积、分压强也会产生悖论。所以，具体的分压强，分体积的值以实验为准。

悖论讲解：空气，水蒸汽混合。空气是理想气体，计算空气的分压强与分体积，可按理想气体计算，计算出了空气的分压、分体，实际已确定了水蒸汽的分压、分体积。而如果，先算水蒸汽(按热力数表，这显然不是理想气体)的分压、分体积，那么空气的分压、分体积也算出，空气则不是理想气体了。

中国科技史上(1980年左右)曾有过“水变油的科技骗局”，劳动模范节油标兵，是汽车驾驶员搞技术革新，汽油机吸进水而达到节约汽油的效果，也有柴油加水而节油的真实事件。由于不知道内燃机燃烧产物的气体，在定容时水蒸发而大幅度的提高压力，这一当今才发现的定律，这种加水节油技术被当作科技作假而消失。所以，当今之前不存在内燃机科学的“加水节油”技术。只存在盲目的，传说的，被当作笑话的“加水节油”技术。

发明内容：

用具体的机械设计实现的方式。

类似于柴油发动机的四冲程设计。进气吸进空气，也带进水，水在活塞顶上，压缩快结缩时(此时气体压力221大气压，温度低于370度摄氏)，活塞顶上的水拨在炽热体上，水温升高到临界点，气缸压力超400大气压，然后就是作功，排气行程。炽热体，就是一根hxs紫铜棒，一端进入燃烧室(指压缩终了，活塞顶与气缸盖形成的空间)一端被火焰烧热，持续不断烧热。

这一实现方式，有很多变通的方法，如：通常的汽油发动机或柴油发动机进气时，水也吸入；通常的柴油发动机，在气缸盖内的喷油头附近装喷水头。通常的汽油机的缸盖上加喷水头。用水代替部份燃料，是水的蒸发形成混合气体，水蒸汽的分压提高了气缸原先气体的压力，使之作功能力更大。

湿饱和空气中，干空气、水蒸汽的量的比例的估算。按理想气体，同温、同压的摩尔千克的体积相同，去计算。饱和水蒸汽的数据：摄氏100度1大气压，摄氏200度15大气压，摄氏300度85大气压等等，就算出了比例。

摄氏374度，220大气压。过了水的临界点之后，干空气与水蒸汽的比例可以任意，是由于干空气的分压强可以高于水蒸汽的分压强。总压强仍是两分压强之和。这让水蒸气的作功能力变得很大。如：干空气500大气压，水蒸汽220大气压，总压720大气压，那么摄氏374度的水蒸汽以720大气压的作功能力去作功。

1、工程应用

A、柴油机(四冲程、二冲程)在喷油之后，再喷水，可把作功行程开始时的压力提高很多。

数据举例：让柴油机喷油燃烧压力达225大气压、温度2000度，压力、温度都超过了水的临界点，再喷水，水蒸发的水蒸汽分压也是225个大气压，于是，作功行程开始时的压力就达到450个大气压，柴油机的动力性能大增。这个柴油机喷油燃烧后喷水的作用是让压力提高一倍，温度下降一点点(所喷的水从气缸盖燃烧室壁面吸热多一些).

然后，作功能力大增，排气温度大降，这水蒸汽已变成冰霜状态。(这里论述和改进：柴油机喷油燃烧产生高温2200K，高压100大气压。喷水后，温度、压力都降7折，压力为70大气压。水蒸汽产生分压也70大气压，总压力达140大气压，作功能力已从100大气压提高到140大气压，这喷水的效能，让柴油机的功率提高到1.4倍以上)。

喷水提高压缩终了压力的柴油机(简称“水柴油机”)

“水柴油机，”分两类，一类是喷油之后再喷水。再一类就是完全不喷油，只喷水。热量来自气缸盖表面的高温热源。气缸盖的温度，摄氏400度，是低品位热能，来自其它热机的余热。只喷水的“水柴油机”，其原理是：燃烧室采用涡流室，涡流室可以贮存水，贮水部位与气缸盖隔热。进气时，即向涡流室注水，压缩快终了时，气体进入涡流室把水吹溅，水与气缸盖燃烧室的壁面接触传热及与压缩结束的高温气体接触，水就蒸发，产生水蒸气分压，让总压力升高，开始作功行程。

“水柴油机”，最简洁的原理如下：

气缸中只有水、干空气，活塞往复运动。压缩时，气体温度升高水蒸发，产水蒸汽分压强。但是水吸收热量，蒸发有一个迟滞时间，水蒸汽的分压强，不能立即增强。膨胀时，水蒸汽不可能提前就被凝结析出让分压强减小的，所以，同样活塞在A点的位置。若是压缩，则气缸内压力低，压缩就省力。若是膨胀，则气缸内压力就高，作功就有力。这是压缩消耗的功小，膨胀产生的功大。

压缩、膨胀，这么一个循环，温度要变低，要向环境吸收点热，恢复原状，再压缩、膨胀，温度变低再吸点热。

可以设想用氢气与液氮，形成混合气，吸收环境热而产生动力。

附图说明

图1是机械运转原理图。图2是水与空气隔开加热，水变水蒸气后再混合的热力循环的热力过程图。图3是水与空气不隔开加热形成混合汽的热力过程图。图4是通常柴油机改装成本发明装置的示意图。图5、图6是向一个热源吸热而不放热，而作出机械功的简易结构示意图。

各附图 序号 名称对照：1、进气门；2、活塞；3、曲柄连杆；4、排气门；5、炽热体；6、加热器；7、凸肩；8、气缸；9、透热隔膜；10、喷水器；11、气缸的传热段；12、气缸的绝热壁；13、液态氧；

机械实施例：

对附图1的原理说明(见0011)

附图2 水 空气循环图。图2的B图、C图分别是混合气体循环的 温熵图，压容图。

图2B，图2C对照图2A。水与干空气(6度摄氏的饱和湿空气，当干空气处理)，用透热隔膜9分开。活塞由凸肩定位，保证气缸8的最小容积。

活塞2的重量，保证气缸内的混合气体的最高压力为0.2MPa。介绍ab过程，a点状态是温度6度摄氏，水与空气温度相同，压强相同。b点状态，温度100度，隔透热隔膜9的上面是干空气。下面是水、饱和水蒸汽，压强为0.1MPa。循环由a、b、c、d、e构成。a-b吸热，容积不变。b-c吸热容积不变，压强逐步到达0.2Mpa温度升到摄氏120度。c-d等压吸热，活塞升高到图A的d点。d-e绝热膨胀过程，活塞升高到图A的e点。e-d为等温压缩过程，放热。在图B温熵图，图C压容图各点a、b、c、d上标出。

图3说明，图3水与干空气不用隔膜分开一起加热。a-b，等容过程，压力升至0.2MPa，温度100度摄氏，水在100度摄氏汽化。此时的状态是：空气是饱和湿空气，这混合气体的分压强各为0.1mpa，还有部分水末蒸发。

b-c等压吸热，温度到120度摄氏。

c-d等压吸热，水蒸发完毕。d点的状态等于图2的d点状态(去掉透热隔膜后的d点状态)。

比照图2、图3的压容图，完全相同。所以，吸热量相同作功相同。

比照图2、图3的温熵图，吸热段，图2，cd段才开始水蒸发，吸热温度需120度。而图3的B图，吸热温度低于100度到100度已有水蒸发为蒸汽。只有少量的水在120度蒸发(其实还低于120度)。

图2的循环是可逆过程(去除透热隔膜形成混合气体，熵不增大，即作功能力没有变小)

a、b、c、d的过程是可逆过程，熵增为积分dq/T，dq/T

dq/T＝S-s 因图3的吸热段温度T小一些，积分dq/T就大一些，出现热力学第二定律反例，积分dq/T＞S-s。“新热力学书”已指出两个例子，这是第三个例子。分子运动论解释是：水蒸发，水分子注入空气分子的间隙中，混合气体的体积等未混合前的体积，压力增大了一个水分子的压强。

这是加热过程，加热温度从摄氏6度升到摄氏100度。

介绍bc过程：继续加热，吸热温度100度到120度摄氏。是等容过程，压力0.2MPa。d透热隔膜，水蒸汽与干空气混合。因没有增熵，温度也不变，所以，仍在d点。介绍cd过程：继续加热，水全部变为饱和蒸气，活塞8升高。到d点。此时，去除。接着是de过程，绝热膨胀至温度6度摄氏。

ea过程是等温放热过程，也是压强则为2×0.009325MPa，空气的分压与水的分压相等。总压是分压的两倍。

已形成循环，压容图是图2C图。

实施例 图4

类似于柴油发动机的结构，喷油头改作喷水装置。进气时，吸进空气。压缩终了，迅速喷入水。水喷完了，吸收空气热，压力增大，膨胀时作出超过压缩过程的功。

喷水也可以提前喷入，在进气结束，压缩开始进行时喷水，这里空气是母气体，水(水蒸汽)是子气体。

排气门打开，气体还有较高压力，进入涡轮机，让气体膨胀至更低的压力。

柴油发动机的结构很多，如对置活塞发动机，发出气马力也可以被本发明创造利用。

实施例5

用运转的估计参数举例

热能机械、制冷专业的技术人员很容易热工数据。这里就只用举例数据讲解。进气，空气温度摄氏30度，压缩温度摄氏500度，压力25大气压，但是水产生水蒸汽，温度摄氏200度的分压是15个大气。膨胀时则以蒸汽分压15大气压加空气分压强15大气压(母气体被水吸热，温度下降，压力下降)总压30大气压推动活塞的。

膨胀之后，温度下降到零下5摄氏度。所以，这热机，吸进气体温度高，排出气体温度低，这温差下的热量差，就是发动机的作出的功。

实施例6

如图5所示，气缸中有氮气、液氧，活塞在下止点(气缸中的气体体积最大)。绝热压缩至体积最小时，液氧气化，形成混合气，总压强增大，推动活塞作功。11是气缸的传热段，吸收环境热。12是气缸的绝热壁，让压缩热保持，让液氧气化。如此，往复运动，压缩的功小，膨胀的功大。如图6所示。

图6所示，是压缩与膨胀的活塞受力比较图，是产生机械功的示意图，活塞往下，是压缩，水受热蒸发有滞后作用，水蒸汽少，水蒸汽分压小，总压也小，压缩需要的功要小。活塞往上，是膨胀，水凝结出不会提前，水蒸汽多，分压大，总压大，对外作功也大。普通的柴油机，作如下改装：进气门、排气门永远关闭，喷油泵也拆除。气缸只有空气、水。活塞往复上下，也能作出机械。气缸会变得越来越冷，需向外界吸入热量。

因活塞环会有漏气漏水，这样，只需补充些气、水即可。

1、一种热力循环方式，其特征在于其工质是由两种或两种以上的气体组成。在循环的某一时段，一种或多种气体在容器中，另一种或多种气体作为液态物质也存在这一容器中。

2、其特征是一台汽油机或柴油机，设有让水进入气缸的装置。

3、其特征是由氧、氮组成工质。

4、其特征是：循环由绝热膨胀，吸热、绝热压缩三个过程组成。

5、其特征是一台永远关门进气门、排气门的活塞式内燃机。

6、0007中的母气体，子气体是相对，如氧气与水蒸汽，氧气是母所体。氮所与氧气，则氧气是子气体。此说明书所说的水，泛指子气体。

一种往复活塞式发动机，其工作特征是：

由二种或二种以上单质组成工质，一种单质称作母气体，另一种或多种单质称作子气体。在工作循环中，母气体是气态的，子气体是液态气态变化的。

柴油机或汽油机，燃烧室由主燃烧室与副燃烧室(如涡流室、空气室、预燃室等)组成。水注入副燃烧室，注入时间在进气或压缩冲程。喷油器或点火塞装在主燃烧室或副燃烧室。

Claims (7)

1.一种热力循环方式，其特征在于其工质是由两种或两种以上的气体组成。在循环的某一时段，一种或多种气体在容器中，另一种或多种气体作为液态物质也存在这一容器中。

2.根据权利要求1，其特征是一台汽油机或柴油机，设有让水进入气缸的装置。

3.根据权利要求1，其特征是由氧、氮组成工质。

4.根据权利要求1，其特征是：循环由绝热膨胀，吸热、绝热压缩三个过程组成。

5.根据权利要求，其特征是一台永远关门进气门、排气门的活塞式内燃机。

6.一种往复活塞式发动机，其工作特征是：

由二种或二种以上单质组成工质，一种单质称作母气体，另一种或多种单质称作子气体。在工作循环中，母气体是气态的，子气体是液态气态变化的。

7.柴油机或汽油机，燃烧室由主燃烧室与副燃烧室(如涡流室、空气室、预燃室等)组成。水注入副燃烧室，注入时间在进气或压缩冲程。喷油器或点火塞装在主燃烧室或副燃烧室。