高效節能動力熱機的製作方法

2023-05-22 09:47:36

專利名稱：高效節能動力熱機的製作方法
本

發明內容
屬於機械工程技術領域，涉及一種可將熱能轉換為機械能從而為機車、發動機等提供動力的動力熱機。
眾所周知，目前廣泛應用的各類熱機的實際熱效事是很低的。根據內燃動力機的熱平衡圖(參見圖5)，內燃機工作時，在100％的總熱量Ⅴ中，由廢氣帶走的熱量Ⅰ為40～45％，冷卻介質帶走熱量Ⅱ為25～30％，其它熱損失Ⅲ為5％，而轉變成有效功的熱量Ⅳ僅僅為20～30％，也就是說，有70～80％的能源被白白浪費掉了。如何獲得節能型高效率內燃機，迄今為止始終是世界各國內燃機專家們致力解決的重大問題之一。目前在內燃機領域中一直是以提高燃料的燃燒品質、減少內燃機自身機械摩擦損失為其主要改進途徑的，如電子點火、微電子控制汽油噴射、燃燒室的改進、新型材料應用等等，雖也取得了相當的成果和可觀的商業價值，但以上對內燃機的改進途徑僅僅著眼於內燃機熱平衡圖5％的其它熱損失(Ⅲ)的回收，卻無視於廢氣和冷卻介質所帶走而損失70～80％的熱量，因而對熱效事的提高有限，這也從另一方面說明從廢氣和冷卻介質中回收能量的難度是相當大的。
本發明的目的在於解決現有技術的不足，提供一種結構合理、方案可行、可使熱機效事得到較大提高的高效節能動力熱機。
本發明所述的高效節能動力熱機是一種可有效利用熱機排氣和冷卻時損失的熱量使之效率得以提高的熱機裝置，其結構如

圖1～圖4所示，它具有一個由汽油機1和蒸汽機2配套構成的主體，汽油機1中的活塞4和蒸汽機2中的蒸汽活塞5通過連杆6和曲軸3相互聯繫，在汽油機1的排氣口和蒸汽機進氣口之間設有一條內通的進排氣通道12，在蒸汽機汽缸8中設有一個熱交換器11和一個可向熱交換器11內噴入高壓霧狀水的高壓霧狀噴水機構10。該動力熱機的工作原理是汽油機1排出的廢氣由進排氣通道12進入蒸汽汽缸8裡再壓縮，並使高溫氣體在熱交換器11內暫時儲存起來，在適當時候由噴水機構10向熱交換器內噴入高壓霧狀水，使水通過熱交換器11迅速氣化，產生高壓蒸汽，使之膨脹做功，最後經過適度膨脹了的蒸汽再由蒸汽機排氣口排出機體外。在上述工作過程中，噴入蒸汽機汽缸8的高壓霧化水是經過預熱的，這個預熱過程就是在將進入蒸汽機汽缸前的高壓霧化水首先在各類熱機有冷卻系統的冷卻介質中進行加熱，使之從常溫下被加熱到90℃以上或更高溫度的過熱水，這樣進入蒸汽機2的高壓霧化水就會帶走冷卻介質中的大部分熱量，即將汽油機熱損失的絕大部分熱量予以回收，達到了高效節能的目的。
以下將結合附圖對本發明內容做進一步說明。
圖1～圖4為本發明所述動力熱機的一個工作周期的工作原理示意圖。
圖5為公知的內燃機熱平衡圖。
圖6為本發明所述動力熱機的熱平衡圖。
參見附圖1～4，內中序號1為汽油機，序號2為蒸汽機，汽油機1和蒸汽機2共同構成高效節能動力熱機的主體，汽油機中的活塞4和蒸汽機中的蒸汽活塞5通過連杆6和曲軸3有了相關的聯繫。熱機內蒸汽缸的容積大於其配套汽油機的汽缸容積。該熱機的工作過程如下所述圖1所示的工作結構中，正常運轉的汽油機1正處於點火位置，汽油機1的汽缸7裡的油氣混合氣體在火花塞9釋放的高壓電火花的作用下被點燃並迅速膨脹，推動活塞4下行，通過連杆6和曲軸3對外輸出動作。在圖1中，汽油機活塞4處於工作衝程時，在曲軸3和連杆6的作用下，使蒸汽機2裡的蒸汽活塞5上行，將蒸汽汽缸8裡的廢氣排出，處於排氣衝程。至此，高效節能動力熱機完成了一個組合式工作過程，進入圖2所示的工作衝程。
在圖2所示的工作結構中，汽油機1正處於排氣衝程，在曲軸3和連杆6的相關作用下，蒸汽機2完成了排氣衝程，正處於進氣衝程。由於在汽油機1的排氣口和蒸汽機進氣口之間設有一條內通的進排氣通道12，使得汽油機1所排出的廢氣並非像目前廣泛使用的內燃機那樣直接被排放在大氣中，而是通過進排氣通道12被全部直接地送入蒸汽機2的蒸汽汽缸8中。至此，高效節能動力熱機又完成了第二個組合式工作衝程，進入圖3所示的工作過程。
在圖3給出的工作結構中，汽油機1正處於進氣衝程，吸入油氣混合氣體，而蒸汽機2則在曲軸3和飛輪13等的帶動下，處於壓縮衝程。從汽油機1裡排出的全部高溫廢氣在蒸汽汽缸8內絕大部分被壓至熱交換器11內，高溫廢氣在這個特殊的熱交換器11中高速地流動並和熱交換器11內表面大面積接觸，使得汽油機1所排廢氣中的熱能大部分被暫時儲存在熱交換器11內。至此高效節能動力熱機又完成了第三個組合式工作衝程，進入圖4所示的工作過程。
在圖4示意圖中，汽油機1正處於壓縮衝程，將汽缸7中的油氣混合氣體壓縮，準備下一個衝程，而在蒸汽機2內通過高壓霧狀噴水機構10給蒸汽汽缸8力的熱交換器11適時、適量地噴入高壓霧化的水，實施方案中，噴入蒸汽缸體8的高壓霧狀水應在各類熱機有冷卻系統的冷卻介質中先進行預熱後再進入蒸汽缸，這些霧狀水在高速流動的廢氣流中迅速地吸收熱交換器11裡儲存的廢氣熱量和高速流動中的廢氣熱量，使霧狀的水迅速汽化為過熱蒸汽，體積迅速膨脹，推動蒸汽活塞5輸出做功。至此，高效節能動力熱機便完成了第四個組合式工作衝程，在這一工作衝程中，熱機工作既利用了廢氣中的能量，通過對冷卻介質預熱過程也回收了冷卻介質中的大部分熱量。完成了第四個組合式工作衝程後，熱機又隨之再返回進入圖1所示的工作過程。這樣周而復始，即完成了本發明的基本原理運行。
以上所述僅僅為內燃機中往復式汽油動力機和特種蒸汽機組合成高效節能動力機的一種型式，其它如內燃機中的往復活塞式發動機、旋轉活塞式發動機、自由活塞發動機、燃氣輪機、各種外燃機以及有高溫氣體排出或可產生高溫氣體的自然能源或人工能源等都可根據本發明所述原理組成種類不同的多種高效節能動力熱機型，因它們的基本工作原理與以上所說情況大同小異，故在此不做贅述。
根據上述原理設計的高效節能動力熱機在實際應用中具有以下特點一、在有冷卻介質下工作的汽油機組合機型中，由於進入蒸汽機2裡的高壓水霧必須在冷卻系統裡提前預熱，並帶走了冷卻介質中的相當部分熱量，這樣，汽油機1的冷卻系統就可以設計的更小和更簡單一些。
二、在高效節能動力熱機的工作循環過程中，汽油機1處於排氣衝程時正是蒸汽機2處於進氣衝程時，由於從汽油機1中排出的廢氣通過進排氣通道12直接進入蒸汽機2的蒸汽汽缸8內，又由於蒸汽汽缸8的容積大於汽油機汽缸7的容積，而且蒸汽活塞5正處於下行吸氣衝程，這樣從汽油機1排出的高溫和一定壓力的廢氣就不會像一般的汽油機那樣產生一定的背壓，而且由於有泵吸的作用，可使廢氣排放更通暢，換氣質量更好。
三、與相同排量的內燃機相比，本發明所述的動力熱機具有更大的功事，因為一般內燃機的熱效事僅為20～30％，而本發明所述動力熱機將排氣廢氣中30～43％熱量以及冷卻介質中15～37％的熱量連同其它有效熱量共計70％以上的熱量(即圖6之Ⅳ)轉化為蒸汽作用在一個更大頂面積的蒸汽活塞上，所以它能產生出比一般相同直徑的汽油機大出幾倍的功事，參見圖6。
四、在高效節能動力熱機中，汽油機1中排出的高溫廢氣在600～900℃，這些廢氣進入蒸汽機2的蒸汽汽缸8後經壓縮使蒸汽汽缸8與熱交換器11升溫，如噴入適量的高壓霧狀水，經汽化後，不僅膨脹做功，而且在膨脹過程中蒸汽所直接冷卻蒸汽汽缸內表面和活塞頂部表面等，這樣在蒸汽機結構上可省去冷卻裝置。另外，由於水的熱容量很大，在常壓100℃時即可汽化，因而在蒸汽機2的設計中，可考慮蒸汽排放溫度在100～150℃左右，排放壓力在1.5～2kg/cm2左右。這樣，高效節能動力熱機的排氣溫度不僅僅小於一般汽油發動機的600～900℃廢氣排放溫度，而且排氣噪音小，可極大程度地減少噪音汙染和都市廢氣熱汙染。
綜上所述，本發明所述的高效節能動力熱機具有極高的應用推廣價值，如其被廣泛應用，則無疑將會給人類社會的文明進步以及有效利用地球上有限能源等方面做出巨大貢獻。
權利要求
1.一種高效節能動力熱機，其特徵在於具有一個由汽油機(1)和蒸汽機(2)配套構成的主體，汽油機(1)中的活塞(4)和蒸汽機(2)中的蒸汽活塞(5)通過連杆(6)和曲軸(3)相互聯繫，在汽油機(1)的排氣口和蒸汽機進氣口之間設有一條內通的進排氣通道(12)，在蒸汽機汽缸(8)中設有一個熱交換器(11)和一個可向熱交換器(11)內噴入高壓霧狀水的高壓霧狀噴水機構(10)，汽油機(1)排出的廢氣由進排氣通道(12)進入蒸汽汽缸(8)裡再壓縮，並使高溫氣體在熱交換器(11)內暫時儲存起來，在適當時候由噴水機構(10)向熱交換器內噴入高壓霧狀水，使水通過熱交換器(11)迅速氣化，產生高壓蒸汽，使之膨脹做功，最後經過適度膨脹了的蒸汽再由蒸汽機排氣口排出機體外。
2.如權利要求1所述的高效節能動力熱機，其特徵是噴入蒸汽缸體(8)的高壓霧狀水可在各類熱機有冷卻系統的冷卻介質中先進行預熱後再進入蒸汽缸。
3.如權利要求1所述的高效節能動力熱機，其特徵是熱機內蒸汽缸的容積大於其配套汽油機的汽缸容積。
4.如權利要求1所述的高效節能動力熱機，其特徵是所說的蒸汽機(2)為具有四衝程變化運動方式的往復活塞式結構。
5.如權利要求1所述的高效節能動力熱機，其特徵是所說的蒸汽機(2)為具有四衝程變化運動方式的旋轉活塞式結構。
6.如權利要求1所述的高效節能動力熱機，其特徵是除汽油機和蒸汽機組合機構外，其餘的柴油機、自由活塞發動機、燃氣輪機、各種外燃機以及有高溫氣體排出或可產生高溫氣體的自然能源或人工能源和蒸汽機都可組成種類不同的高效節能動力熱機。
全文摘要
一種具有較高熱效率的動力熱機,具有一個由汽油機和蒸汽機配套構成的主體,在汽油機排氣口和蒸汽機進氣口之間設有進排氣通道,在蒸汽缸中設有熱交換器和高壓霧狀噴水機構,汽油機排出的廢氣由進排氣通道進入蒸汽缸裡再壓縮,並使高溫氣體在熱交換器內暫時儲存,在適當時候向熱交換器內噴入經預熱了的高壓霧狀水,使水通過熱交換器迅速氣化並膨脹做功,最後經過適度膨脹了的蒸汽再由蒸汽機排氣口排出機體外。
文檔編號F01K21/02GK1213038SQ9710866
公開日1999年4月7日 申請日期1997年9月30日 優先權日1997年9月30日
發明者李建利 申請人:李建利