CN1587665A

CN1587665A - 燃气—蒸汽锅炉发动机

Info

Publication number: CN1587665A
Application number: CNA2004100700861A
Authority: CN
Inventors: 周华群
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2005-03-02
Also published as: US20080087002A1; EP1795714A4; US8156902B2; WO2006024209A1; JP2008510096A; EP1795714A1

Abstract

本发明的燃气—蒸汽锅炉发动机(如图)的核心技术是燃机、蒸汽机及锅炉、电动机(马达)的三机组合和二元制进气系统及水汽循环系统。该发动机可拆装的保温锅炉内水面下，燃机燃烧燃料与氧气混合物作功后，经细滚压排气管束(换热器)后排入大气，锅炉内水吸收燃气热量后变为高压蒸汽驱动同在锅炉内的蒸汽机，蒸汽作功后排入锅炉外的散热还原水箱(凝汽器)，经同步的风扇或水冷却后还原回高温水(近沸点)，重新再经同步的高压水泵加入锅炉内循环。同轴的马达—发电一体机与燃气—蒸汽锅炉发动机除启动和供电关系外，还可为并联混合动力系统关系。解决了现有热机巨大的能源浪费和严重的污染等问题，从而与现有技术相比实现了节能75％左右，杜绝了NO_x只排出CO₂或其它单一气体，功率成倍增加及可靠性高的优点。

Description

燃气——蒸汽锅炉发动机

技术领域：

本发明涉及一种发动机，该发动机适用于机动车、机械设备、航空器、舰船等。

背景技术——科学发现

当今世界能源危机和环境污染越趋严重，但现有的热机却在严重地浪费燃料和污染环境。

本人研究认为燃烧同时产生热能和动能(科学发现)。

在此之前人们都把燃烧的动能归为热能，本人认为动能和热能是随燃烧同时产生的，燃烧可以理解为是燃烧在化学反应或物理反应(核反应)下的密度释放(动能)和热量释放。如C和O₂燃烧产生CO₂，C相对于CO₂是高密度的固体，而CO₂相对于C是微小密度的气体，暨使气体燃料也要先压缩成一定密度才能燃烧，如液化天然气，液化石油气等。热量是随密度释放而产生的，暨在密度释放过程中产生了热量，密度释放越快，动能越大，热能也越强，燃烧工质越多，密度释放后的体积越大，暨动量越多，产生的热量也越多，如火药和燃油爆炸(剧烈燃烧)的动能是典型例子，虽然动能可随热能的流失而消失，但热能也可随动能的流失而消散，它们是相互依存且成正比的关系，暨动能越大热能也越大，反之热能越大动能也越大，但它们却是不同的两种能量。因燃烧中动能和热能成正比，所以动能适用于热定律学进行计算研究，这也是为什么燃机的研究计算可以用热定律学得出结论的原因。对于发动机来讲，动能是直接能量，而热能是间接能量，它必须经中介转化，如锅炉产汽驱动蒸汽机。热能对于取暖、作饭等是直接能量，如家用燃具利用燃烧的热能作饭，洗浴，但它没有利用功能，而现有的燃机只利用了燃烧时的动能，热能都随冷却系统和排气系统白白浪费掉；蒸汽机组中的锅炉只利用了燃烧时的热能、动能都随烟气白白流失，且它们的排气都严重污染环境。

燃烧动能的发现具有巨大的现实意义，就如牛顿看见苹果落地而发现万有引力一样，将为人类的发展进步作出巨大的贡献，(希望能马上公布这一科学发现及本人的发现权)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种高度节能，注重环保，结构精简可靠，同时还具备高单位体积及质量功率的发动机。

为实现上述所要解决的技术问题，本发明提供一种与现有技术截然不同的解决方案是：由锅炉、燃机、蒸汽机，散热还原水箱，换热器、二元制进气系统、风扇、高压水泵、马达——发电一体机等组成。

把同轴的燃机和蒸汽机安装在可拆装的保温锅炉内的水面下，拆装线可设在锅炉的原下端焊接线上，可采用法兰式连接，燃机和蒸汽机的外壳尽量采用一体化制度，密封处用软金属密封垫，并有与外壳一体的轴套延伸至两端与锅炉法兰连接处，达到隔绝水和高压蒸汽的作用，燃机的排气管采用细滚压排气管束(换热器)，燃气在此换热后经统一排气口排出锅炉外，这样燃机作功后几乎没有热损，只在细滚压排气管束(换热器)的排气中有小部分热损，但这也是现有锅炉烟气的热损，绝大部分热量都被锅炉内的水吸收产生高压蒸气经进汽道驱动蒸汽机(在等压下蒸汽比热至少比空气与燃料燃烧的燃气比热高一倍)，蒸汽作功后经排汽道排入锅炉外的散热还原水箱(凝汽器)，冷却后还原回近沸点的高温水，再经与发动机动力输出轴同步的高压水泵加入锅炉内循环。为保持锅炉水的纯净，在高压水泵后加一只水滤清器，同时为防止高压蒸汽倒流泄露，在水进入锅炉前再加一只单向阀，此时燃气——蒸汽锅炉发动机的功率是现有两台相同能耗的燃机和蒸汽机组(锅炉)功率的总和以上，耗能量却只有一台燃机的能耗，且达到不设消声器的情况下，噪声、污染基本得到解决。

为符合燃气——蒸汽锅炉发动机锅炉内安装的需要，须简化燃机和蒸汽机及提高功率密度和可靠性，本人设计了二元制进气系统，它不仅满足了以上需要，而且还实现了高度节能和高度环保，可使燃气——蒸汽锅炉发动机燃料消耗保持在原来的水平，实现了节能近翻一番，同时也是功率的翻番。因锅炉水为循环利用，所以锅炉尺寸可以制造得非常紧凑，只需满足换热和蒸汽负荷或流量即可。

同轴的马达——发电一体机与燃汽——蒸汽锅炉发动机除启动和供电关系外，还可为并联混合动力系统关系，实现了更高的可靠性，节能性，环保性。这样燃机替代了燃机的排气系统，凝汽器替代了燃机的散热水箱，马达——发电一体机替代了辅助动力。

工作原理：保温锅炉内水面下，燃机燃烧燃料与氧气混合物作功后，经细滚压排气管束(换热器)后排入大气，锅炉内水吸收燃气热量后变为高压蒸汽驱动同在锅炉内的蒸汽机，蒸汽作功后排入锅炉外的散热还原水箱(凝汽器)，经同步的风扇或水冷动向还原回近沸点的高温水，重新再经同步的高压水泵加入锅炉内循环。同轴的马达——发电一体机与燃机——蒸汽锅炉发动机除启动和供电关系外，还可为并联混合动力系统关系。

本发明的核心技术是燃机、蒸汽机及锅炉，电动机(马达)的三机组合和二元制进气系统及水汽循环系统。

二元制进气系统

适用于各种热机，特别是燃机。由柴油、汽油、天然气等燃料电控喷射或直射系统和氧气电控喷射或直喷系统组成，燃料电控喷射或直喷系统为现有技术，其氧气电控喷射或直喷系统由高压氧气瓶25总控阀26过滤器27，减压阀28电磁阀29，喷嘴12及电控单元30和传感器31等组成，其电控系统(如传感器、电控单元等)可与燃料喷射的电控系统共用，工作原理与现有天然气电控喷射系统基本相同。

二元制进气系统解决了现有技术粗放型进气，效率低，能耗高，功率密度低，对环境污染严重等问题，达到了在任何工况下精确控制混合气比例和进气量，高度节能，单位体积或质量功率增加一倍以上，从根本上杜绝了NO_x的产生和显著降低CO和HC等污染物的产生。

因空气中有大约19％的氧气，所以氧燃比为空燃比的19％，如汽油的空燃比为14.7∶1，那么氧燃比就为约2.8∶1就可以了，纯氧气，促进燃烧，可谓是一触即发，使动能和热能相对于空气燃烧在极短的时间内同时释放，加之燃烧或气缸容积的减小，更缩短了火焰传播时间，同时相比于空气燃烧产生了更高的温度，加大了锅炉水的温差，使换热更迅速，也加大了与排气或烟气口的废气温差，减少了热损失。因显著节能而减少了燃料携带量和减少了发动机的体积和质量，所以弥补了携带氧气瓶的体积和质量。

燃气——蒸汽轮机

适用于机动车，机械设备，航空器，舰船等。由双面向心透乎32动力输出轴2，蒸汽进汽道15，蒸汽排汽道16，二元制进气系统11、12。燃烧室盖33，燃烧室34，燃气排气道或细滚压排气管束(换换器)13，涡壳8等组成。

其核心双面向心透平32，可理解为两只现有技术的向心透平背靠背合并而成，一面为蒸汽作动面35，另一面为燃气作功面36，蒸汽和燃气同时作功时可相互减少热损失，由于蒸汽较燃气温度低，所以进入双面向心透平蒸汽的蒸汽还可以再热膨胀；动力输出轴2的轴承10设在与涡壳8一体的两端排汽(气)道16.13壁上。

工作原理：经二元制进气系统1.12进入燃烧室34的混合物燃烧膨胀后驱动双面向心透平32燃气面36；经进汽道15进入的高压蒸汽驱动双面向心透平32，蒸汽面35，蒸汽和燃气共同驱动大面向心透平32转动，经动力输出轴2向外输出动力。

因本发明把蒸汽轮机和燃气轮机合二为一，并采用二元制进气系统，所以解决了现有技术分散布置，热损大，结构复杂，污染环境较严重等问题，实现了高度节能，功率密度大，结构简单可靠，环保等优点。

对于本发明的燃气——蒸汽轮机，本技术领域的人员不难作出相应的变型，如把它分开成为独立的新燃气轮机和蒸汽轮机等。

新二冲程内燃机

适用于机动车、机械设备、航空器、舰船等。结构由燃烧室盖(气缸盖)33、二元制进气系统11、12，燃烧室34，多孔环形排气口37，排气管或细滚压排气管束(换热器)13，气缸曲轴箱(外壳)8，活塞及活塞环38，曲轴连杆(动力输出轴)2等组成；其进气、配气、扫气由二元制进气系统11、12控制，为能迅速排出尽可能多的废气和减少活塞38行程(因可采用小口径)，采用多孔环形排气口37，因进，排气与曲轴箱8无关，所以可采用飞溅润滑。新二冲程内燃机能与二冲程蒸汽机组成对置或V形及并列等燃气——蒸汽活塞往复机。

工作原理：第一冲程，活塞38由下至上运动，由于惯性，活塞38关闭排气口37后，二元制进气系统11、12向缸内39喷入(包括同时、先后及多次等)氧气和燃料并进行混合，活塞38继续向上运动压缩混合气至上止点；第二冲程，活塞38由上至下运动，活塞38在近上止点时，混合气开始燃烧(由于惯性活塞38过了上止点)，推动活塞38向下运动，通过连杆曲轴2对外输出动力，活塞38行至下止点时，排气口37打开，排出废气，(此时若采用正常燃烧则提前喷入氧气，扫出余气，若采用稀燃，则不须扫气)，由于惯性活塞38过下止点后又进入第一冲程，周而复始不停循环。

因新二冲程内燃机采用二元制进气系统，无复杂的配气机构，并可采用稀燃或废气循环技术，暨不扫出废气(CO₂)，不扫出余气能减少燃料的消耗，因余下的废气里有相当部分是未完全燃烧吸符在缸壁上未排出的混合气，从而与现有技术相比，实现了高度节能，功率密度高，结构简单可靠，环保等优点。

二冲程蒸汽机

适用于机动车、机械设备、舰船、航空器等，由汽缸盖40、汽缸曲轴箱(外壳)8、活塞及活塞环38、曲轴连杆(动力输出轴)2、进汽电磁阀41、多孔环形汽口37等组成；其进汽动功由电磁阀41控制，活塞38上止点与汽缸盖40之间可以不留隙，因进汽电磁阀41内部有余汽压缩腔42被压缩的余汽可平衡或减小进汽电磁阀41两端的压力差，增强电磁阀41的响应速度，同时节约部分电流，被压缩的余汽也可参加下一循环的作功；多孔环形排气口37可迅速排出汽缸39内的大部分蒸汽，同时，减少活塞38行程。因进、排气与曲轴箱无关，所以可采用飞溅润滑，二冲程蒸汽机能很好地配合二种程内燃机组合成燃气——蒸汽活塞往复机。

工作原理：第一冲程，活塞38由下止点运动到上止点，完成关闭排汽口37及复位过程。第二冲程，活塞38由上止点运动到下止点，完成进汽、作功和排汽过程。当活塞38上行到近止点时，进汽电磁阀41开启(由于惯性活塞38过了上止点)，高压蒸汽迅速膨胀，推动活塞38向下运动，通过连杆曲轴2向外输出动力，活塞38继续向下运动到近下止点时，进汽电磁阀41关闭，同时打开多孔环形排汽口37排出汽缸39内蒸汽后又进入下一循环。

因二冲程蒸汽机的结构和工作过程和活塞往复式内燃机基本相同，所以解决了现有技术难以和活塞往复内燃机相匹配组合的问题，从而能与新二冲程内燃机组合成对置或V形及并列等燃气——蒸汽活塞往复机。

金属密封垫

适用于各种热机和机械设备等。由铅、锡、锌、铝等软金属制成。

现有的密封垫基本都用纸质和橡胶质的材料制成，它们有一个共同的缺点，暨都为热的不良导体，使机器产生的热量不能迅速的传递和散发，在各个密封件之间产生了温差，导致了密封件之间的热胀冷缩不同，易产生密封不良的后果，且因密封垫本身的材质，使其使用寿命很短，易老化分解。

因金属密封垫用软金属制成，所以实现了无热阻，不会产生因热阻导致的密封不良和温度过高等问题。使用寿命更长，不易老化分解，且增加了机器的整体性和美观。

具体实施方式

图1的燃气——蒸汽锅炉发动机1是把同轴2的燃机3和蒸汽机4安装在可拆装的保温锅炉5内水位线6下，拆装线7可设在锅炉5的原下端焊接线上，可采用法兰式连接，燃机3和蒸汽机4的外壳8尽量采用一体化制造，密封处用软金属密封垫9，并有与外壳8一体的轴套10延伸至两端与锅炉5法兰连接处，达到隔绝水和高压蒸汽的作用；燃机3燃烧从燃料喃嘴11和氧气喷嘴12进入的混合物作功，燃机3的排气管采用细滚压排气管束(换热器)13，燃气在此换热后经统一排气口14排出锅炉5外，这样燃机3作功后几乎没有热损，只在细滚压排气管束(换热器)13的排气中有小部分热损，但这也是现有锅炉5烟气的热损，绝大部分热量都被锅炉5内的水吸收产生高压蒸汽，经进气道15驱动蒸汽机4，蒸汽作功后经排汽道16排入锅炉5外的散热还原水箱(凝汽器)17，经与发动机1同轴2或现有其它技术的风扇18或水冷却后还原，回近沸点的高温水，再经与发动机1动力输出轴2同步(如链条、皮带、齿轮动和电动等现有技术)的高压水泵19经水管20加入锅炉5内循环。为保持锅炉5水的纯净，在高压水泵19后加一只水滤清器21，同时为防止高压蒸汽倒流泄漏，在水进入锅炉5前加一只单向阀22，因锅炉5水为循环利用，所以锅炉5尺寸可以制造得非常紧凑，只需满足换热和蒸汽负荷或流量即可；同轴2的马达23——发电一体机24与燃气——蒸汽锅炉发动机除启动和供电关系外，还可为并联混合动力系统关系。

工作原理：保温锅炉5内，水面下燃机3燃烧燃料与氧气混合物作功后，经换热器13后排入大气，锅炉5内水吸收燃气热量后变为高压蒸汽经进汽道15驱动，同在锅炉5内的蒸汽机4，蒸汽作功后经排汽道16排入锅炉5外的凝汽器17，经同步的风扇18或水冷却后还原回近沸点的高温水，重新再经同步的高压水泵19加入锅炉5内循环；同轴2的马达23——发电一体机24与燃气——蒸汽锅炉发动机除启动和供电关系外，还可为并联混合动力系统关系。

上面结合附图详细说明的实施方式并非是对本发明提供的技术方案的限定，凡是根据本发明提出的技术构思作出的变制，都应当是本发明的保护范围之内，如锅炉外置同轴或非同轴蒸汽机的变型；增设锅炉外与发动机同轴的压气机的变型；发动机置式的变型；各组件位置的变型，如凝汽器及风扇位置的变型等。

因为本发动机利用了燃烧的两种能量或热能多次利用(按现有的燃烧论)系统、燃气——蒸汽机及水汽循环系统等最新技术，所以与现有技术相比实现了：

最节能化——可节能75％左右，暨只需原25％的燃料可输出原功率。

最环保化——基本只排出CO₂或其它单一气体，杜绝了NO_x和显著减少CO和HC等污染物及噪声的产生。

功率密度最强化——单位体积或质量功率成倍增加。

最可靠化——各组件简化率极高和可用电动机(马达)暂时工作。

附图说明：

下列附图描述了本发明的发动机组合整机和组件的一个优选实施例。

图1为本发明发动机的整机剖视图；

图2为二元制系统中的氧气直喷系统示意图；

图3为燃气——蒸汽轮机的剖视图；

图4为新二冲程内燃机的剖视图；

图5为二冲程蒸汽机的剖视图。

Claims

1、燃气——蒸汽锅炉发动机，适用于机动车、机械设备、航空器、舰船等。本发动机的核心技术是燃机、蒸汽机及锅炉、电动机(马达)的三机组合和二元制进气系统及水汽循环系统。主要由锅炉、燃机、蒸汽机、换热器、二元制进气系统、散热还原水箱(凝汽器)、风扇、水泵马达——发电一体机等组成。本发动机特征是：可拆装的保温锅炉内水面下，燃机燃烧燃料与氧气混合物作功后，经滚压排气管束(换热器)后排入大气，锅炉内水吸收燃气热量后变为高压蒸汽驱动同在锅炉内的蒸汽机，蒸汽作功后排入锅炉外的散热还原水箱(凝汽器)，经同步的风扇或水冷却后还原回近沸点的高温水，重新现经同步的高压水泵加入锅炉内循环，同轴的马达——发电——一体机与燃气——蒸汽锅炉发动机除启动和供电关系外，还可为并联混合动力系统关系。

2、根据权利要求1所述的发动机，其特征为：锅炉内液面下，燃机燃气作功后经排气管(换热器)后排出锅炉外，锅炉内液体吸收燃气热量后变为蒸汽驱动蒸汽机，作功后排出锅炉外，液体再从锅炉外加入。

3、二元制进气系统，适用于各种热机，特别是燃机。其特征为：由氧气电控喷射或直射系统和现有燃料电控喷射或直射系统组成：氧气电控喷射或直射系统由高压氧气瓶、总控阀、过滤器、减压阀、电磁阀、喷嘴及电控单元和传感器等组成，其电控系统可与燃料喷射的电控系统共用。

4、燃气——蒸汽轮机，适用于机动车、机械设备、航空器、舰船等。本涡轮发动机由双面向心透平、涡壳、动力输出轴、蒸汽排汽道、二元制进气系统、燃烧室盖、燃烧室、燃气排气道或细滚压排气管束(换热器)等组成。其特征为：燃气和蒸汽经同一只双面向心透平作功，其中一面为蒸汽作功面，另一面为燃气作功面，轴承设在两端的排汽(气)道壁上。

5、根据权利要求4所述的燃气——蒸汽轮机其特征也可以是由独立的由透平、动力输出轴、二元制进气系统、燃烧室盖、燃烧室、涡壳、燃气排气道或细滚压排气管束(换热器)等组成的燃气轮机和由蒸汽叶轮、动力输出轴、蒸汽进汽道、涡壳、蒸汽排汽道等组成的蒸汽轮机组合而成，其动力输出轴可共用。

6、新二冲程内燃机，适用于机动车、机械设备、航空器、舰船等。本内燃机由二元制进气系统、燃烧室盖(气缸盖)、燃烧室、多孔环形排气口、排气管或细滚压排气管束(换热器)、气缸曲轴箱(外壳)、活塞及活塞环、曲轴连杆(动力输出轴)等组成。其特征为：由二元制进气系统进、配气，由多孔环形排气口排气，可用二元制进气系统中的氧气扫气，可采用飞溅润滑，可与二冲程蒸汽机组合成燃气——蒸汽活塞往复机。

7、二冲程蒸汽机，适用于机动车、机械设备、航空器、舰船等；本蒸汽机由进汽电磁阀、汽缸盖、多孔环形排汽口、气缸曲轴箱(外壳)、活塞及活塞环、曲轴连杆(动力输出轴)等构成；可采用飞溅润滑，可与二冲程蒸汽机组合成燃气——蒸汽活塞往复机。

8、金属密封垫，适用于各种热机和机械设备等，其特征在于用铅、锡、锌、铝等软金属制成。