用低溫液體作為發動機工作物質的方法及內循環裝置的製作方法

2023-04-24 06:41:11 4

專利名稱：用低溫液體作為發動機工作物質的方法及內循環裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於發動機裝置，涉及液態氧沸點以下的低溫技術。
申請日前檢索了F01、F03、F04等文獻資料，並重點檢索了F01K25/06的專利文獻。上述文獻公開了一些用其他燃料作為發動機工作物質的技術，但尚未查到用低溫液體作為發動機工作物質的方法及內循環裝置的對比文件。迄今為止，車、船、飛機所使用的發動機大部分都是以汽油、柴油和煤油為主要工作物質的燃油型發動機，但是由於汽油、柴油和煤油都是從不可再生的石油中提煉出來的，並且這石油資源也即將枯竭，大約只夠再使用五十年左右的時間，因此，當今的科學家都在努力尋找能夠替代石油的產品，以使人類能渡過這能源危機。此外，現如今的燃油型發動機還由於其工作物質不能作內循環，燃燒完的氣體不能回收再利用，而是作為廢氣全部排出，因此，不但是造成了嚴重的廢氣汙染問題，而且還大大地降低了燃油發動機的熱效率。另外，儘管人們早已對燃氫發動機，燃醇發動機做了有益的嘗試，但終究因技術不成熟等原因，而難以投入到實際應用中去，因此，現今的人們迫切需要儘快尋找到能夠替代燃油作為發動機工作物質的新原料。
本發明的目的就在於針對上述不足之處而提供一種能完全取代汽油、柴油和煤油的新的發動機工作物質，即低溫液體，並且還要在現如今的活塞式發動機和渦輪式發動機上增加二套可使作功後的工作物質能夠回收再利用的內循環裝置。
為達到上述目的，本發明採用的是處在液態氧沸點以下的低溫液體來作為活塞式發動機和渦輪式發動機或者是噴氣式發動機的工作物質的，上面所說的處在液體態氧沸點以下的低溫液體是指液態氧氣，液態空氣，液態氮氣，液態氬氣、液態氖氣，液態氫氣、液態氧氣。對於處在液態氧沸點以下的低溫液體來說，由於都是處在-183℃以下，因而，相對於水這種液體來說，這些處在液態氧沸點以下的低溫液態的汽化熱要小得多。如果讓這些處在液態氧沸點以下的低溫液體暴露在常溫空氣中，那麼這些低溫液體就會被立即氣化，其體積就會突然膨脹，進而產生爆炸性的衝擊效應。因此，根據低溫液體的這種特性，我們就可以在活塞發動機上、還有渦輪發動機上以及噴氣發動機上使用這些處在液態氧沸點以下的低溫液體來替代汽油、柴油和煤油作為上述三種發動機的工作物質。下面以四衝程活塞式發動機為例，來說明活塞式發動機使用低溫液體作工質的具體方法，首先是做吸氣與壓縮這兩個過程，接著就是向氣缸裡注入低溫液體，這低溫液體在高壓高溫空氣中會被立即氣化，進而迅速膨脹並推動活塞作功，完成作功過程後就是排氣過程，當作功後的廢氣被排出後也就完成了這四衝程循環。如果是在渦輪式發動機上使用低溫液體，那麼這低溫液體將與被壓縮機壓縮的高壓高溫(相對於低溫液體)空氣在膨脹室中混合，混合後的低溫液體就會被立即氣化並迅速膨脹，由氣化膨脹所產生的能量首先是變成高速流動的氣流流動動能，經噴嘴噴出衝動葉輪高速旋轉，然後變成葉輪轉予的機械能輸出外功。因此，通過讓低溫液體在發動機的工作室裡與相應的(混合氣體的質量最少為混合低溫液體質量的十倍)常溫或經過壓縮的氣體進行混合，就會使低溫液體迅速氣化膨脹，並推動活塞作功或推動葉輪作功(活塞式發動機的工作室是指氣缸，渦輪式發動機和噴氣式發動機的工作室是指膨脹室)。在此還要特別說明的一點是，由於不同低溫液體的汽化熱不同，因而與之混合共同工作的氣體需要量也就不相同，此外，氣體本身還會由於溫度的不同而導致焓值發生變化，因此，在不同溫度下工作的使用低溫液體作工質的發動機應當選擇不同的進氣量，但總的來說是進氣量應儘可能地多，進氣溫度也應儘可能地高，這樣帶進發動機工作室裡的熱量就會增多，就會使進入發動機工作室裡的低溫液體氣化得更快，膨脹得更充分，作功能力也就更強。
本發明所提供的能使低溫液體在發動機裡做內循環的裝置，是一種使用液態氧和氣態氧作為發動機工作物質，而使用溫度更低的液態氮作為冷卻液態氧和冷凝經過作功後被連續降溫而仍然沒有被液化的氧氣的冷卻介質。該裝置是在現如今活塞式發動機和渦輪式發動機的基礎上增加了了二套可逆循環裝置，其中的一套是使作功後被排出氧氣的絕大部分(約佔總排出氧氣的十分之九以上)能通過一系列降溫措施而恢復到作功前低溫液體狀態的可逆循環裝置。而其中的另一套則是使作功後被排出氧氣的少部分(約佔總排出氧氣的十分之一以下)將通過二次熱交換而恢復到作功前常溫氣體狀態的可逆循環裝置，其具體作法是將作功後被排出的氧氣通過兩個排氣管道分別排入到壓縮機(19)和換熱器(20)中，經壓縮機(19)壓縮後的高壓高溫(相對壓縮前的溫度)氧氣將首先經過換熱器(20)與沒經過壓縮的低壓低溫氧氣進行熱交換，然後再進入到換熱器(21)中與由於冷凝氧氣和冷卻液氧而被蒸發的液態氮的氮氣的進行熱交換，最後則是通過節流閥(24)節流降溫而進一步冷卻後進入液氧貯存管(15)裡，其中經過節流後仍然沒有被液化的氧氣將會在經過液氧貯存管(15)穿過液氮貯存管(16)的底部時而最終被溫度更低的液氮所冷凝液化，從而完成了液態氧的循環過程，並等待著做下一次的作功循環。而作功後被排出的另一部分氧氣在換熱器(20)中與經過壓縮的高壓高溫氧氣換完熱後將被排入到能與外界常溫空氣進行熱交換的氧氣罐7)裡等待著做下一次的作功循環，因此也就完成了氣態氧的循環過程。在此還要說明的一點是，作功後被排出的氧氣是通過兩個排氣管道分別排入到壓縮機(19)和換熱器(20)中，但被排入到換熱器(20)裡的氧氣要多於被排入到壓縮機(19)裡氧氣的十倍以上，所以，向換熱器(20)排氣的管道橫截面積也要大於向向壓縮機(19)排氣的管道橫截面積十倍以上。
綜上所述，本發明之所以能讓液氧在發動機裡做密閉式作功循環，主要是使作功後被排出的氧氣在經過壓縮機壓縮後又通過了兩個熱交器(20)、(21)和一個節流閥(24)做了三次降溫過程，最後又通過溫度更低的液氮使之未被液化的氧氣全部液化，從而就完成了通過冷卻液化來蓄積能量的過程。而氣態氯的循環首先是經過換熱器(20)吸取被壓縮氧氣的壓縮熱量，然後則是被排入到能與外界空氣這個熱庫進行熱交換的氧氣罐(14)中，從而也就通過兩次熱交換完成了蓄積熱量的過程。最後還要說明以的一點是液態氧和氣態氧在發動機裡作內循環，只有洩漏方面的消耗，所以消耗量是很小的，這裡主要消耗的是液氮，由於液氮在冷卻液氧和冷凝經一系列降溫後仍然沒有被液化的氧氣時要吸收熱量，因而會使液氮逐漸蒸發，這蒸發的氮氣將經換熱器(21)冷卻從壓縮機(19)輸送來的高壓氧氣後再經調節閥(22)被機械泵(23)抽出排放掉，當液氮貯存管(16)裡的液氮將要全部消耗完時，要及時加注液氮。
按照上述技術方案實施的本發明，具有作功範圍寬，內循環，不汙染環境等優點，實現了應用低溫液體來取代各種燃料作為發動機工作物質的設計構想。
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的說明

圖1是本發明的使用低溫液體作為渦輪式發動機工質的非循環裝置示意圖，(1)壓縮機、(2)膨脹室、(3)液氧貯存管、(4)液泵、(5)噴嘴、(6)葉輪、(7)(8)止回閥；圖2是本發明的使用低溫液體作為四衝程活塞式發動機工質的內循環裝置示意圖，(9)活塞、(10)氣缸、(11)注入泵、(12)注入閥、(13)進氣閥、(14)氧氣罐、(15)液氧貯存管、(16)液氮貯存管、(17)尾氣迴路管、(18)止回閥、(19)壓縮機、(20)(21)換熱器、(22)調節閥、(23)機械泵、(24)節流閥；圖3是本發明的使用低溫液體作為渦輪式發動機工質的內循環裝置示意圖(25)氧氣罐、(26)壓縮機、(27)(28)止回閥，(29)膨脹室、(30)葉輪、(31)(32)尾氣迴路管、(33)壓縮機、(34)(35)換熱器、(36)調節閥、(37)機械泵、(38)節流閥、(39)液氧貯存管、(40)液氮貯存管、(41)液氧注入口、(42)液氮注入口、(43)氧氣注入口、(44)止回閥；圖1所描述的方法是將液態氧貯存於液氧貯存罐(3)內，該液氧貯存罐(3)為杜瓦型容器，先由壓縮機(1)將外界空氣壓入膨脹室(2)內，然後用液泵(4)向膨脹室(2)內注入一定量的液態氧，當液態氧與高壓高溫(相對於低溫液體)空氣混合後，(液態氧與高壓高溫空氣的質量混合比為1∶10以上)液態氧就會被立即氣化並迅速膨脹，所產生的高速氣流流動能量就會經噴嘴(5)噴出衝動葉輪旋轉作功，作功後的尾氣自然排放。
圖2所描述的方法是首先將氧氣罐(14)中的氧氣經進氣閥(13)吸到氣缸(10)內，作進氣與壓縮這兩個過程，當氧氣完成壓縮後，就開始向氣缸(10)裡注入液氧，液氧是從液氧貯存管(15)經液泵(11)由注入閥(12)注入氣缸(10)裡的。當液氧注入氣缸(10)以後就會立即被高壓高溫(相對於液氧)的氧氣所氣化，並迅速膨脹推動活塞作功，作功後的氧氣將被分作兩個部分，其中一部分氧氣(約佔總排氣量的十分之一以下)將被吸入到壓縮機(19)中進行壓縮，然後被送入到換熱器(20)中與另一部分氧氣(約佔總排氣量的十分之九以上)進行熱交換，緊接著被壓縮的氧氣再被送入到換熱器(21)中與由於冷卻液氧和冷凝經一系列降溫過程仍然未被液化的氧氣而蒸發的液態氮的氮氣進行熱交換，最後是通過節流閥(24)節流而進一步冷卻後進入液氧貯存管(15)裡，這時經節流降溫後仍然沒有被液化的氧氣將在經流液氧貯存管(15)與液氮貯存管(16)的交匯部分時被冷凝液化，從而完成了液氧的作功循環，所有被液化的氧氣將等待著做下一次的作功循環。而在換熱器(20)中與被壓縮的氧氣換完熱的另一部分氧氣將被送入到能夠與外界空氣進行熱交換的氧氣罐(14)中，從而也完成了氧氣的作功循環，並與罐裡所有的氧氣一樣也等待著做下一次的作功循環，這樣周而復始，使用液氧與氧氣作工質的發動機就可連續作功，持續運轉，直到液氮快要消耗完時再及時地加注補充液氮。
圖3所描述的方法是首先將氧氣罐(25)的裡的氧氣經壓縮機(26)壓縮後，經止回閥(27)進入膨脹室(29)內與從液氧貯存管(39)經止回閥(28)流到膨脹室(29)內的液氧混合，混合後的液氧會被立即氣化並迅速膨脹，所產生的高速氣流流動能量就會衝動葉輪旋轉作功，作功後的氧氣將被分作兩個部分，其中一部分氧氣(約佔總排氣量的十分之一以下)將被吸入到壓縮機(33)內進行壓縮，然後被送到換熱器(34)中與另一部分氧氣(約佔總排氣量的十分之九以上)進行熱交換，緊接著被壓縮的氧氣再被送到換熱器(35) 中與由於冷卻液氧和冷凝經一系列降溫過程仍然未被液化的氧氣而被蒸發的液態氮的氮氣進行熱交換，最後是通過節流閥(38)節流而進一步冷卻後進入液氧貯存管(39)裡，這時經節流降溫後仍然沒有被液化的氧氣將在經過液氧貯存管(39)與液氮貯存管(40)的交匯部分時被冷凝液化，從而完成了液氧的作功循環，所有被液化的氧氣將等待著做下一次的作功循環，而在換熱器(34) 中與被壓縮的氧氣換完熱的另一部分氧氣將被送入到能夠與外界空氣進行熱交換的氧氣罐(25)中，從而也完成了氧氣的作功循環，並與罐裡所有的氧氣一樣也等待著做下一次的作功循環，這樣周而復始，使用液氧與氧氣作工質的發動機就可連續作功，持續運轉，直到液氮快要消耗完時，再及時地加注補充液氮。
權利要求
1.一種用低溫液體作為發動機工作物質的方法，其發動機可以是活塞式發動機、也可以是渦輪式發動機、還可以是噴氣式發動機，其特徵在於是將壓縮機(1)、膨脹室(2)液氧貯存罐(3)、液泵(4)、噴嘴(5)、葉輪(6)、止回閥(7)(8)組成一個非循環系統，由壓縮機(1)向膨脹室(2)內噴入高壓空氣，由液泵(4)把液氧貯存罐(3)內的低溫液體注入膨脹室(2)內，由氣化膨脹所產生的高速流動氣流經噴嘴(5)衝動葉輪(6)旋轉作功。
2.根據權利要求1所說的用低溫液體作為發動機工作物質的方法，其特徵在於作為上述發動機工作物質的低溫液體是指處於液態氧沸點以下的低溫液體，包括液態氧氣，液態空氣，液態氮氣、液態氬氣、液態氖氣、液態氫氣、液態氦氣。
3.一種能夠使工作物質作內循環的裝置，所使用的工作物質是液態氧和氣態氧，而作為冷卻液態氧的冷卻物質則是溫度更低的液態氮，其特徵在於是將活塞(9)、氣缸(10)、注入泵(11)，注入閥(12)、進氣閥(13)、氧氣罐(14)、液氧貯存管(15)、液氮貯存管(16)、尾氣回收管(17)、止回閥(18)、壓縮機(19)、換熱器(20)(21)、調節閥(22)、機械泵(23)、節流閥(24)組成一個內循環系統，該系統是通過兩個排氣管道把作功後排出的氧氣分別排入到壓縮機(19)和換熱器(20)中，經壓縮機(19)壓縮後的高壓高溫氧氣將首先經過換熱器(20)與沒經過壓縮的低壓低溫氧氣進行熱交換，然後再進入到換熱器(21)中與由於冷凝氧氣和冷卻液氧而被蒸發的液態氮的氮氣進行熱交換，最後則是通過節流閥(24)節流而進一步冷卻後進入液氧貯存管(15)裡，其中經過節流後仍然沒有被液化的氧氣將會在經過液氧貯存管(15)與液氮貯存管(15)的相交部分時而最終被溫度更低的液氮所冷凝液化，從而完成了液態氧的循環過程，並等待著做下一次的作功循環，而作功後被排出的另一部分氧氣在換熱器(20)中與經過壓縮的高壓高溫氧氣換完熱後將被排入到能與外界常溫空氣進行熱交換的氧氣罐(14)裡，等待著做下一次的作功循環，因此，也就完成了氣態氧的的循環過程。
4.根據權利要求3所說的能夠使工作物質作內循環的裝置，其特徵在於作為工作物質的液氧與作為冷卻階質的液氮都是分別貯存在管形容器內，而且液氧貯存管(15)的一部分是要從液氮貯存管(16)的底部管中穿過去，以使未液化的氧氣全部被冷凝液化。
5.根據權利要求3所說的能夠使工作物質作內循環的裝置，其特徵在於作為液氧工質冷卻劑的液氮其由於吸熱而被蒸發的氮氣要先經由換熱器(21)來冷卻需要液化的氧氣，然後經過調節閥(22)和機械泵(23)抽出排放掉。
全文摘要
一種用低溫液體作為發動機工作物質的方法及內循環裝置，是利用處在液態氧沸點以下的低溫液體在常溫下會立即氣化，其體積突然膨脹，進而產生爆炸性衝擊效應的特性，來產生動力，從而推動活塞或葉輪作功，其內循環裝置是通過把作功後排出的氣體分成兩個部分，其中的一部分氣體是通過一系列降溫措施而重新回到液體狀態，而另一部分氣體則是通過二次換熱來恢復到常溫氣體狀態，從而實現作功物質的內循環。
文檔編號F01K25/00GK1148135SQ95117008
公開日1997年4月23日 申請日期1995年10月13日 優先權日1995年10月13日
發明者張聲凱 申請人:張聲凱