CN112343662A - 一种以水为能源的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以水为能源的发动机，包括发动机的运动机构和喷水系统，所述运动机构设有气缸，所述喷水系统包括水箱和气缸供水管，所述水箱固定设于所述气缸的外侧，所述气缸的缸盖内侧设有电热件，所述气缸供水管的进水端连接所述水箱，出水端连接喷水嘴，所述喷水嘴的喷口位于所述气缸的内侧，朝向所述电热件，所述气缸供水管设有高压水泵。本发明还涉及上述发动机的工作方法，当气缸的活塞上行至近上止点时，将水喷入所述气缸内，活塞上行至上止点时喷入的水恰好迅速汽化膨胀，推动所述活塞下行。本发明以水作为发动机的能源介质，能够充分利用发动机产生的热能，有利于节省能源和物质资源，保护环境。

Description

一种以水为能源的发动机

技术领域

本发明涉及以水作为能源介质的发动机，属于发动机技术领域。

背景技术

现有发动机按所使用的能源介质主要划分为两种，一种是汽油发动机，另一种是柴油发动机，它们均是以石油提炼物作为能源，通过燃爆产生动力对外做功。虽然这两种发动机都有着强劲的动力性能，应用广泛，但仍存在以下缺陷：1、消耗大量的不可再生资源；2、汽油或柴油在燃烧时会产生大量的废气（如CO、CO₂和SO₂等），废气排放到空气中会对环境造成污染；3、工作时产生的大量余热经水冷散热，造成能量浪费。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种以水为能源的发动机及这种发动机的工作方法，可以水为作为能源介质，有效地利用余热作为发动机的能源，以节约汽油或柴油资源，减少空气污染物排放。

本发明实现上述目的的技术方案是：一种以水为能源的发动机，包括发动机的运动机构（或称曲柄连杆机构），所述运动机构设有气缸，其特征在于还包括喷水系统，所述喷水系统包括水箱和气缸供水管，所述水箱固定设于所述气缸的外侧，所述气缸的缸盖（顶盖）内侧设有电热件，所述气缸供水管的进水端连接所述水箱，构成所述水箱的出水管，所述气缸供水管的出水端连接喷水嘴，所述喷水嘴的喷口位于所述气缸的内侧，朝向所述电热件，所述气缸供水管设有高压水泵。

优选地，所述水箱供水管设有单向阀，通过单向阀的设置，使水（及任何可能的其他流体）只能从水箱供水管的进水端流向出水端，即由水箱向气缸供水，不能反向流动。

优选地，所述水箱采用围绕在气缸的缸体外侧的夹套结构。

通常，所述气缸供水管连接在所述水箱的出水口上，或者穿过所述水箱的壁并与水箱的壁密封固定连接，位于水箱内的水箱供水管向下延伸，使其出水端位于所述水箱内的下部，以便抽取水箱内的水。

所述喷水嘴与所述电热件之间留有间距，使水恰好喷射到加热件上且基本上分布在加热件外露的全部加热面上。

优选的，所述气缸的压缩比为35:1-50:1，例如35:1、40:1、45:1或50:1。

进一步的，所述气缸的压缩比优选为35:1-40:1。

所述气缸的设有出水口，气缸内壁上的出水口下沿位于气缸的活塞下止点位置，以引入做功后的汽水混合物（泛指气缸排出的任意形态的水，通常为汽态和液态的混合，故统称为汽水混合物），由于缸体内的高压，当活塞下行到相应位置，缸体内的汽水混合将从出水口快速流出。

所述气缸的出水口（外端）可以连接有循环水管，所述循环水管可以接入集水箱，所述集水箱为低位水箱，其高度低于所述水箱的高度，通过循环水管与补水箱之间的连接管及泵可以将集水箱内的水送入补水箱。

必要时，可以将集水箱内的水排出。

所述集水箱可以设置连通外部大气环境的顶部或通气管，以利于气缸内汽水混合物。

所述电热件可以为电热塞，设有从所述缸盖内侧露出的加热面，可以在所述电热塞内布设电热丝等通电发热的元件，依靠电能加热。

所述缸盖上设用用于安装所述电热塞的安装孔，可以通过螺纹连接或焊接等方式实现所述电热塞在缸盖上的固定安装。

优选的，这种发动机还包括补水箱和水箱供水管，所述水箱供水管的进水端连接所述补水箱，构成所述补水箱的出水管，所述水箱供水管的出水端连接所述水箱，所述补水箱内设有或者不设有电加热器。

通常，所述补水箱为高位水箱，其高度高于所述水箱的高度。

所述水箱供水管上可以设有供水控制阀，还可以设有或者不设有供水水泵。

所述水箱供水管的出水端可以连接位于所述水箱底部的水箱进口上。

所述电加热器可以为盘管式电加热器或翅片式电加热器。

所述补水箱优选为保温水箱，例如真空保温不锈钢水箱。

优选的，所述气缸、所述水箱、所述气缸供水管、所述高压水泵、所述补水箱和所述水箱供水管的外侧均覆盖有保温层。

所述保温层的保温材料可以为石棉、玻璃棉、陶瓷纤维、泡沫或橡胶。

所述运动机构用于发动机的工作循环，还主要包括连杆和曲轴，所述气缸为立式气缸，所述连杆的两端分别与活塞和曲轴铰接，所述曲轴的连接分别与连杆和固定的气缸基础铰接，通过相应的铰接，将依靠活塞的上下往复运动转换为曲轴的旋转输出。

可以依据现有技术，将多个所述发动机集成为一个整体的发动机，以实现所需的功率输出并提供运行的稳定性，当将多个发动机集成为一个整体的发动机时，各发动机的水箱可以采用共用的统一水箱，补水箱和集水箱也可以采用同一个。

一种发动机工作方法，所述发动机为本发明的任一种以水为能源的发动机，当气缸的活塞上行至近上止点时，将水喷入所述气缸内，活塞上行至上止点时喷入的水恰好迅速汽化膨胀，推动所述活塞下行。

具体为，当气缸的活塞上行近上止点时，开启水箱供水管的控制阀和高压水泵，将水喷入所述气缸内，在水的喷射过程中，活塞继续上行，通过设于所述气缸内的电热件和所述气缸内经所述活塞压缩形成的高温高压气体对水进行加热，或者仅通过所述气缸内经所述活塞压缩形成的高温高压气体对水进行加热，使水迅速汽化膨胀，当活塞上行至上止点时恰好膨胀出足够的压力，推动所述活塞下行对外做功，可以根据现有发动机的优化设计方法设定具体的喷水起始时间（活塞至上止点的距离）。

优选的，所述气缸的压缩比为35:1-50:1，例如35:1、40:1、45:1或50:1。

进一步的，所述气缸的压缩比为35:1-40:1。

优选的，喷入所述气缸内的水为纯净水。

优选的，喷入气缸的水的预热温度（从水箱供水管送出时的已有温度）为70-90℃，例如70℃、80℃或90℃。

优选的，水从水箱喷入所述气缸内。

本发明的工作方式为：通过发动机启动装置使所述曲轴旋转，通过所述连杆带动所述气缸的活塞上行，当所述活塞上行到上止点时（达到或邻近上止点时，所称邻近的具体距离可依据实验效果或相关理论计算确定，下同），启动所述高压水泵，将所述水箱内的高温纯净水（温度低于沸点的纯净水，纯净水的温度通常为70-90℃，在良好保温循环的情形下，甚至可以至98℃左右）通过所述喷水嘴喷入所述气缸内（通常直接将纯净水喷射至所述电加热器上），喷入所述气缸内的纯净水通过所述电热件和所述气缸内经所述活塞压缩形成的高温高压气体进行加热，或者仅通过所述气缸内经所述活塞压缩形成的高温高压气体进行加热，将纯净水的温度迅速加热到汽化点，使之迅速汽化膨胀并与所述气缸内的高温高压气体混合产生强大压力推动所述活塞下行，通过所述连杆驱动所述曲轴旋转对外做功，当所述活塞下行到下止点时，所述气缸的排气门打开，所述活塞依靠储存在所述曲轴的曲柄上的动能经所述曲轴带动所述连杆推动所述活塞上行，同时将所述气缸内的废汽排出，发动机完成一次做功，废汽排出后，排气门关闭，进气门打开，通过供气系统向所述气缸内供气，如此往复，实现所述水能源发动机的连续做功输出动力。所述水箱内的高温纯净水由所述补水箱持续提供和补充。

本发明采用水替代汽油或柴油作为发动机的能源，利用水在汽化时体积的迅速膨胀推动活塞运动对外做功，可充分利用发动机自身产生的热能，水汽膨胀做功主要涉及气液形态变化，对温差无特别要求，气缸的排水无需冷却即可循环使用，极大地提高了能量的有效利用率和转化率，有效节约汽油或柴油不可再生资源，发动机排放的废汽主要为水蒸气（或汽水混合物），不会对环境造成污染，发动机工作时产生的大量余热用于对所述水箱内的纯净水进行加热保温，实现了能量的回收利用，提高了能量的利用效率，避免了能量浪费。

附图说明

图1是本发明发动机的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明公开了一种以水为能源的发动机，包括气缸1、水箱2和气缸供水管3，所述水箱固定设于所述气缸的外侧，用于存储向所述气缸内喷入的高温纯净水（高温纯净水的温度通常为70-98℃），所述气缸内的顶部设有电热件4，用于对喷入的高温纯净水进行再次加热，所述气缸供水管的进水端连接所述水箱，所述气缸供水管的出水端连接有喷水嘴5，所述喷水嘴插入所述气缸并与所述气缸的气缸壁密封连接，用于向所述气缸内喷入高温纯净水，所述喷水嘴的喷水方向朝向所述电热件，以使喷入所述气缸内的高温纯净水可以直接喷射到所述电热件上（通常喷射到所述电热件的表面），使高温纯净水迅速被加热汽化，所述喷水嘴与所述电热件之间的间距满足所述喷水嘴可以将水喷射到所述电热件上，所述气缸供水管上设有高压水泵6，为高温纯净水喷入所述气缸提供动力。

所述水能源发动机通常还包括曲柄连杆机构（可以与现有技术下柴油发动机的曲柄连杆机构相同或相类似），所述曲柄连杆机构包括曲轴7和连杆8，所述气缸为立式气缸，所述连杆的顶端与所述气缸的活塞9底端铰接，所述连杆的底端与所述曲轴铰接，通过所述曲轴对外输出动力做功。所述气缸设有进气门和排气门，用于气缸的进气和排气，所述进气门连接有供气系统，所述供气系统可以采用现有技术下与柴油发动机相同或相类似的供气系统。

所述气缸供水管通常插入所述水箱的下部，并与所述水箱的水箱壁密封连接，避免由于所述水箱内的水位意外下降致使无法向所述气缸内喷入高温纯净水。

所述气缸的压缩比通常为35:1-50:1，例如35:1、40:1、45:1或50:1，优选为35:1-40:1，以使当所述活塞上行时，能够将所述气缸内的气体压缩至具有足够高的温度和压力。

所述电热件可以为电热塞。

所述高压水泵通常可以将出水的压力提高到5-10公斤。

所述水能源发动机还可以包括补水箱10和水箱供水管11，所述补水箱用于存储向所述水箱提供的高温纯净水，所述水箱供水管的进水端连接所述补水箱的底部，所述水箱供水管的出水端连接所述水箱，所述补水箱内设有电加热器。

所述补水箱内存储的高温纯净水可以是在所述补水箱外经过加热后快速灌入所述补水箱内的高温纯净水，也可以灌入所述补水箱内的常温纯净水经过所述电加热器加热后获得的高温纯净水，高温纯净水的温度通常为70-90℃。

所述补水箱的高度通常高于所述水箱，所述水箱供水管的出水端连接所述水箱的底部，以使当所述水箱内的高温纯净水消耗后（喷入所述气缸），所述补水箱内高温纯净水可以自动流入所述水箱。

所述电加热器可以为盘管式电加热器或翅片式电加热器。

所述补水箱优选为保温水箱，例如真空保温不锈钢水箱。

所述气缸、所述水箱、所述气缸供水管、所述高压水泵、所述补水箱和所述水箱供水管的外侧均优选覆盖有保温层，以起到保温作用，避免高温纯净水以及所述气缸内的高温气体热量散失。当所述水箱环绕所述气缸时，所述气缸可以不设置所述保温层，利用所述水箱进行保温。所述保温层的保温材料可以为石棉、玻璃棉、陶瓷纤维、泡沫或橡胶等。

所述气缸内的空间可以分为上下连通的两个腔室，位于上方的腔室作为高温纯净水的汽化腔，位于下方的腔室作为活塞活动腔，所述活塞设于所述活塞活动腔内，所述电热塞设于所述汽化腔的顶部，所述汽化腔优选呈上窄下宽的圆台状，所述汽化腔的底部横截面与所述活塞活动腔的横截面面积相同，如此设置，一方面有利于高温纯净水迅速汽化时利用所述汽化腔的形状向下形成喷射效应，提高对所述活塞的瞬时向下推力，另一方面所述汽化腔的形状可以限制所述活塞的上行行程量，确定上止点。

当所述水能源发动机工作时，首先由发动机启动装置驱动所述曲轴旋转（发动机启动装置及驱动方式可以采用现有技术下与柴油发动机的启动装置及驱动方式相同或相类似的启动装置及驱动方式），通过所述连杆带动所述活塞上行对所述气缸内的空气进行压缩，所述气缸内的空气的体积随所述活塞的逐渐上行逐渐变小，温度也逐渐升高。当所述活塞上行至上止点时，启动所述高压水泵将所述水箱内的高温纯净水经所述气缸供水管从所述喷水嘴喷至所述气缸内的所述电热塞上，通过所述电热塞和所述气缸内经所述活塞压缩形成的高温高压气体对高温纯净水再次进行加热，将高温纯净水的温度迅速加热到汽化点，使之迅速汽化膨胀并与所述气缸内的高温高压气体混合而产生更强大的压力推动所述活塞下行，所述活塞经所述连杆将所述活塞的动能传递给所述曲轴，同时将动能储存在所述曲轴的曲柄上驱动所述曲轴旋转将动力输出，如此往复并配合所述气缸的进、出气，所述水能源发动机进入正常工作状态实现持续动力输出。

所述水能源发动机进入正常工作后，所述发动机启动装置可以停止，所述水能源发动机工作时所产生的余热对所述水箱内的高温纯净水进行保温或加热，能够使高温纯净水保持最佳温度状态。可以在所述气缸内设置温度传感器，所述温度传感器的输出接入所述电热塞的控制端，如果所述温度传感器检测到所述气缸内的压缩气体温度足以将喷入的高温纯净水瞬时加热汽化时，控制所述电热塞停止工作，以节省能源且避免过高温升。

所述高压水泵可以设有控制系统，控制高温纯净水喷入所述气缸内的时机和喷入量，所述控制系统可以采用现有技术下与柴油发动机喷油控制系统相同或相类似的控制系统，也可以采用其他适宜的控制系统或控制方式，例如在所述气缸内的所述活塞的上止点处设置接近传感器，所述接近传感器的输出接入所述高压水泵的控制端，当所述接近传感器检测到所述活塞时，控制所述高压水泵启动，通过延时开关控制所述高压水泵的工作时间，从而控制喷入所述气缸内的高温纯净水的喷入量。

本发明的方法可以用于本发明的任一种发动机，或者说采用本发明的任一种发动机实施。该方法为当气缸的活塞上行至近上止点时，将水喷入所述气缸内，通过设于所述气缸内的电热件和所述气缸内经所述活塞压缩形成的高温高压气体对水进行加热，或者仅通过所述气缸内经所述活塞压缩形成的高温高压气体对水进行加热，将水的温度迅速加热到汽化点，使之迅速汽化膨胀（活塞上行至上止点时喷入的水恰好迅速汽化膨胀），推动所述活塞下行对外做功。

可以依据喷入所述气缸内的水的温度以及所述气缸内经所述活塞压缩形成的高温高压气体的温度和压力来选择是通过设于所述气缸内的电热件和所述气缸内经所述活塞压缩形成的高温高压气体对水同时进行加热，还是仅通过所述气缸内经所述活塞压缩形成的高温高压气体对水进行加热。

所述气缸的压缩比通常为35:1-50:1，例如35:1、40:1、45:1或50:1，优选为35:1-40:1，以使当所述活塞上行时，能够将所述气缸内的气体压缩至具有足够高的温度和压力，温度通常可达3000K以上。

喷入所述气缸内的水优选为纯净水，以避免水中的杂质存留在所述气缸内，所述纯净水可以通过对普通水进行分子筛过滤后获得。

喷入所述气缸内的纯净水优选为经过加热后温度低于沸点的纯净水，经过加热后的纯净水的温度优选为70-90℃，例如70℃、80℃或90℃，以使纯净水喷入所述气缸内后经过瞬时加热即可使温度达到汽化点，从而迅速汽化膨胀。

纯净水优选存储在水箱内，从所述水箱喷入所述气缸内。

在实际应用中，所述水能源发动机可以独立使用，也可以与汽油发动机或柴油发动机组合使用，与汽油发动机或柴油发动机组合使用时，既可以保证充足的动力输出，又可以节约不可再生资源（汽油或柴油），降低环境污染。

Claims (10)

1.一种以水为能源的发动机，包括发动机的运动机构，所述运动机构设有气缸，其特征在于还包括喷水系统，所述喷水系统包括水箱和气缸供水管，所述水箱固定设于所述气缸的外侧，所述气缸的缸盖内侧设有电热件，所述气缸供水管的进水端连接所述水箱，出水端连接喷水嘴，所述喷水嘴的喷口位于所述气缸的内侧，朝向所述电热件，所述气缸供水管设有高压水泵。

2.如权利要求1所述的以水为能源的发动机，其特征在于所述水箱供水管设有单向阀。

3.如权利要求1所述的以水为能源的发动机，其特征在于所述气缸的压缩比为35:1-50:1。

4.如权利要求1所述的以水为能源的发动机，其特征在于所述电热件为电热塞，设有从所述缸盖内侧露出的加热面。

5.如权利要求1所述的以水为能源的发动机，其特征在于还包括补水箱和水箱供水管，所述水箱供水管的进水端连接所述补水箱，构成所述补水箱的出水管，所述水箱供水管的出水端连接所述水箱，所述补水箱内设有或者不设有电加热器。

6.如权利要求1-5中任一项所述的以水为能源的发动机，其特征在于所述气缸、所述水箱、所述气缸供水管、所述高压水泵、所述补水箱和所述水箱供水管的外侧均覆盖有保温层。

7.一种发动机工作方法，所述发动机为权利要求1-6中任一项所述的以水为能源的发动机，其特征在于当气缸的活塞上行至近上止点时，将水喷入所述气缸内，活塞上行至上止点时喷入的水恰好迅速汽化膨胀，推动所述活塞下行。

8.如权利要求7所述的以水作为发动机能源的方法，其特征在于喷入所述气缸内的水为纯净水。

9.如权利要求8所述的以水作为发动机能源的方法，其特征在于循环或部分循环利用气缸的排水。

10.如权利要求9所述的以水作为发动机能源的方法，其特征在于喷入气缸的水的预热温度为70-90℃。

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