CN1213038A - 高效节能动力热机 - Google Patents

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Abstract

一种具有较高热效率的动力热机,具有一个由汽油机和蒸汽机配套构成的主体,在汽油机排气口和蒸汽机进气口之间设有进排气通道,在蒸汽缸中设有热交换器和高压雾状喷水机构,汽油机排出的废气由进排气通道进入蒸汽缸里再压缩,并使高温气体在热交换器内暂时储存,在适当时候向热交换器内喷入经预热了的高压雾状水,使水通过热交换器迅速气化并膨胀做功,最后经过适度膨胀了的蒸汽再由蒸汽机排气口排出机体外。

Description

高效节能动力热机
本发明内容属于机械工程技术领域，涉及一种可将热能转换为机械能从而为机车、发动机等提供动力的动力热机。
众所周知，目前广泛应用的各类热机的实际热效事是很低的。根据内燃动力机的热平衡图(参见图5)，内燃机工作时，在100％的总热量Ⅴ中，由废气带走的热量Ⅰ为40～45％，冷却介质带走热量Ⅱ为25～30％，其它热损失Ⅲ为5％，而转变成有效功的热量Ⅳ仅仅为20～30％，也就是说，有70～80％的能源被白白浪费掉了。如何获得节能型高效率内燃机，迄今为止始终是世界各国内燃机专家们致力解决的重大问题之一。目前在内燃机领域中一直是以提高燃料的燃烧品质、减少内燃机自身机械摩擦损失为其主要改进途径的，如电子点火、微电子控制汽油喷射、燃烧室的改进、新型材料应用等等，虽也取得了相当的成果和可观的商业价值，但以上对内燃机的改进途径仅仅着眼于内燃机热平衡图5％的其它热损失(Ⅲ)的回收，却无视于废气和冷却介质所带走而损失70～80％的热量，因而对热效事的提高有限，这也从另一方面说明从废气和冷却介质中回收能量的难度是相当大的。
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种结构合理、方案可行、可使热机效事得到较大提高的高效节能动力热机。
本发明所述的高效节能动力热机是一种可有效利用热机排气和冷却时损失的热量使之效率得以提高的热机装置，其结构如图1～图4所示，它具有一个由汽油机1和蒸汽机2配套构成的主体，汽油机1中的活塞4和蒸汽机2中的蒸汽活塞5通过连杆6和曲轴3相互联系，在汽油机1的排气口和蒸汽机进气口之间设有一条内通的进排气通道12，在蒸汽机汽缸8中设有一个热交换器11和一个可向热交换器11内喷入高压雾状水的高压雾状喷水机构10。该动力热机的工作原理是：汽油机1排出的废气由进排气通道12进入蒸汽汽缸8里再压缩，并使高温气体在热交换器11内暂时储存起来，在适当时候由喷水机构10向热交换器内喷入高压雾状水，使水通过热交换器11迅速气化，产生高压蒸汽，使之膨胀做功，最后经过适度膨胀了的蒸汽再由蒸汽机排气口排出机体外。在上述工作过程中，喷入蒸汽机汽缸8的高压雾化水是经过预热的，这个预热过程就是在将进入蒸汽机汽缸前的高压雾化水首先在各类热机有冷却系统的冷却介质中进行加热，使之从常温下被加热到90℃以上或更高温度的过热水，这样进入蒸汽机2的高压雾化水就会带走冷却介质中的大部分热量，即将汽油机热损失的绝大部分热量予以回收，达到了高效节能的目的。
以下将结合附图对本发明内容做进一步说明。
图1～图4为本发明所述动力热机的一个工作周期的工作原理示意图。
图5为公知的内燃机热平衡图。
图6为本发明所述动力热机的热平衡图。
参见附图1～4，内中序号1为汽油机，序号2为蒸汽机，汽油机1和蒸汽机2共同构成高效节能动力热机的主体，汽油机中的活塞4和蒸汽机中的蒸汽活塞5通过连杆6和曲轴3有了相关的联系。热机内蒸汽缸的容积大于其配套汽油机的汽缸容积。该热机的工作过程如下所述：
图1所示的工作结构中，正常运转的汽油机1正处于点火位置，汽油机1的汽缸7里的油气混合气体在火花塞9释放的高压电火花的作用下被点燃并迅速膨胀，推动活塞4下行，通过连杆6和曲轴3对外输出动作。在图1中，汽油机活塞4处于工作冲程时，在曲轴3和连杆6的作用下，使蒸汽机2里的蒸汽活塞5上行，将蒸汽汽缸8里的废气排出，处于排气冲程。至此，高效节能动力热机完成了一个组合式工作过程，进入图2所示的工作冲程。
在图2所示的工作结构中，汽油机1正处于排气冲程，在曲轴3和连杆6的相关作用下，蒸汽机2完成了排气冲程，正处于进气冲程。由于在汽油机1的排气口和蒸汽机进气口之间设有一条内通的进排气通道12，使得汽油机1所排出的废气并非像目前广泛使用的内燃机那样直接被排放在大气中，而是通过进排气通道12被全部直接地送入蒸汽机2的蒸汽汽缸8中。至此，高效节能动力热机又完成了第二个组合式工作冲程，进入图3所示的工作过程。
在图3给出的工作结构中，汽油机1正处于进气冲程，吸入油气混合气体，而蒸汽机2则在曲轴3和飞轮13等的带动下，处于压缩冲程。从汽油机1里排出的全部高温废气在蒸汽汽缸8内绝大部分被压至热交换器11内，高温废气在这个特殊的热交换器11中高速地流动并和热交换器11内表面大面积接触，使得汽油机1所排废气中的热能大部分被暂时储存在热交换器11内。至此高效节能动力热机又完成了第三个组合式工作冲程，进入图4所示的工作过程。
在图4示意图中，汽油机1正处于压缩冲程，将汽缸7中的油气混合气体压缩，准备下一个冲程，而在蒸汽机2内通过高压雾状喷水机构10给蒸汽汽缸8力的热交换器11适时、适量地喷入高压雾化的水，实施方案中，喷入蒸汽缸体8的高压雾状水应在各类热机有冷却系统的冷却介质中先进行预热后再进入蒸汽缸，这些雾状水在高速流动的废气流中迅速地吸收热交换器11里储存的废气热量和高速流动中的废气热量，使雾状的水迅速汽化为过热蒸汽，体积迅速膨胀，推动蒸汽活塞5输出做功。至此，高效节能动力热机便完成了第四个组合式工作冲程，在这一工作冲程中，热机工作既利用了废气中的能量，通过对冷却介质预热过程也回收了冷却介质中的大部分热量。完成了第四个组合式工作冲程后，热机又随之再返回进入图1所示的工作过程。这样周而复始，即完成了本发明的基本原理运行。
以上所述仅仅为内燃机中往复式汽油动力机和特种蒸汽机组合成高效节能动力机的一种型式，其它如内燃机中的往复活塞式发动机、旋转活塞式发动机、自由活塞发动机、燃气轮机、各种外燃机以及有高温气体排出或可产生高温气体的自然能源或人工能源等都可根据本发明所述原理组成种类不同的多种高效节能动力热机型，因它们的基本工作原理与以上所说情况大同小异，故在此不做赘述。
根据上述原理设计的高效节能动力热机在实际应用中具有以下特点：
一、在有冷却介质下工作的汽油机组合机型中，由于进入蒸汽机2里的高压水雾必须在冷却系统里提前预热，并带走了冷却介质中的相当部分热量，这样，汽油机1的冷却系统就可以设计的更小和更简单一些。
二、在高效节能动力热机的工作循环过程中，汽油机1处于排气冲程时正是蒸汽机2处于进气冲程时，由于从汽油机1中排出的废气通过进排气通道12直接进入蒸汽机2的蒸汽汽缸8内，又由于蒸汽汽缸8的容积大于汽油机汽缸7的容积，而且蒸汽活塞5正处于下行吸气冲程，这样从汽油机1排出的高温和一定压力的废气就不会像一般的汽油机那样产生一定的背压，而且由于有泵吸的作用，可使废气排放更通畅，换气质量更好。
三、与相同排量的内燃机相比，本发明所述的动力热机具有更大的功事，因为一般内燃机的热效事仅为20～30％，而本发明所述动力热机将排气废气中30～43％热量以及冷却介质中15～37％的热量连同其它有效热量共计70％以上的热量(即图6之Ⅳ)转化为蒸汽作用在一个更大顶面积的蒸汽活塞上，所以它能产生出比一般相同直径的汽油机大出几倍的功事，参见图6。
四、在高效节能动力热机中，汽油机1中排出的高温废气在600～900℃，这些废气进入蒸汽机2的蒸汽汽缸8后经压缩使蒸汽汽缸8与热交换器11升温，如喷入适量的高压雾状水，经汽化后，不仅膨胀做功，而且在膨胀过程中蒸汽所直接冷却蒸汽汽缸内表面和活塞顶部表面等，这样在蒸汽机结构上可省去冷却装置。另外，由于水的热容量很大，在常压100℃时即可汽化，因而在蒸汽机2的设计中，可考虑蒸汽排放温度在100～150℃左右，排放压力在1.5～2kg/cm2左右。这样，高效节能动力热机的排气温度不仅仅小于一般汽油发动机的600～900℃废气排放温度，而且排气噪音小，可极大程度地减少噪音污染和都市废气热污染。
综上所述，本发明所述的高效节能动力热机具有极高的应用推广价值，如其被广泛应用，则无疑将会给人类社会的文明进步以及有效利用地球上有限能源等方面做出巨大贡献。

Claims (6)

1、一种高效节能动力热机，其特征在于具有一个由汽油机(1)和蒸汽机(2)配套构成的主体，汽油机(1)中的活塞(4)和蒸汽机(2)中的蒸汽活塞(5)通过连杆(6)和曲轴(3)相互联系，在汽油机(1)的排气口和蒸汽机进气口之间设有一条内通的进排气通道(12)，在蒸汽机汽缸(8)中设有一个热交换器(11)和一个可向热交换器(11)内喷入高压雾状水的高压雾状喷水机构(10)，汽油机(1)排出的废气由进排气通道(12)进入蒸汽汽缸(8)里再压缩，并使高温气体在热交换器(11)内暂时储存起来，在适当时候由喷水机构(10)向热交换器内喷入高压雾状水，使水通过热交换器(11)迅速气化，产生高压蒸汽，使之膨胀做功，最后经过适度膨胀了的蒸汽再由蒸汽机排气口排出机体外。
2、如权利要求1所述的高效节能动力热机，其特征是喷入蒸汽缸体(8)的高压雾状水可在各类热机有冷却系统的冷却介质中先进行预热后再进入蒸汽缸。
3、如权利要求1所述的高效节能动力热机，其特征是热机内蒸汽缸的容积大于其配套汽油机的汽缸容积。
4、如权利要求1所述的高效节能动力热机，其特征是所说的蒸汽机(2)为具有四冲程变化运动方式的往复活塞式结构。
5、如权利要求1所述的高效节能动力热机，其特征是所说的蒸汽机(2)为具有四冲程变化运动方式的旋转活塞式结构。
6、如权利要求1所述的高效节能动力热机，其特征是除汽油机和蒸汽机组合机构外，其余的柴油机、自由活塞发动机、燃气轮机、各种外燃机以及有高温气体排出或可产生高温气体的自然能源或人工能源和蒸汽机都可组成种类不同的高效节能动力热机。
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