專利名稱：吸熱式干冰發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機，具體來說是涉及一種利用干冰遇熱體積膨脹推動活塞做功的發(fā)動機。
背景技術：
目前，汽車已經(jīng)是我們生活當中不可或缺的載物及代步工具，需要發(fā)動機動力的大型機械及工廠遍布生活生產(chǎn)中的各個方面，日益上升的石油價格抬高了汽車消費成本，也抬高了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活的成本，但是常 用發(fā)動機在燃燒燃油做功的過程當中只有30%被利用，其余均以熱量的形式散失。很早以前人們就開發(fā)利用這部分余熱，有空調制冷、車內(nèi)采暖、渦輪增壓、預熱燃料等，目前新能源發(fā)動機的發(fā)展方向主要是純電動、混合動力、氫燃料電池、太陽能、液化氣、生物燃料等，雖然有很好的前景，但是技術不夠成熟。本發(fā)明是一種既能利用發(fā)動機余熱又自成一系的全新技術，和以上所列都不相同。普通發(fā)動機就是通過內(nèi)部燃燒汽油等油料，把化學能轉化為機械能的過程，以汽車四沖程發(fā)動機為例，分為進氣、壓縮、燃燒、排氣四個過程，同時發(fā)動機曲軸轉動2圈完成一個工作周期。在壓縮燃燒做功的過程當中，氣缸里的溫度可達到190(T250(TC，排氣過程中，出口廢氣的溫度是60(T90(TC。燃料在發(fā)動機內(nèi)通過燃燒之后，其化學能轉化為熱能，其中一部分通過內(nèi)燃機循環(huán)變成有用功，驅動汽車運動，其余部分以發(fā)動機冷卻余熱和尾氣余熱形式排放到大氣中。經(jīng)研究燃料化學能的大體流向如附圖5所示
①實際有用功1/3(強)
②排氣帶走的余熱1/3
③冷卻液散失的熱量1/3(弱)
由此可見，發(fā)動機燃燒過程中的大部分能量隨著排氣和散熱系統(tǒng)白白損失掉了，現(xiàn)在有關人員也在研究排出的能量高效利用，但一直未研究出更好的方式。

發(fā)明內(nèi)容
經(jīng)過對很多種物質的對比，最終選擇干冰做為本發(fā)明的原料，即利用干冰遇熱升華膨脹推動活塞做功的發(fā)動機。干冰是二氧化碳的固體形態(tài)，它受熱后不經(jīng)液化而直接升華為無毒、無味的，比固體體積大600倍以上的二氧化碳氣體，無任何殘留，不助燃，不可燃，有滅菌作用，所以平時干冰不能儲存于密封性能好、體積較小的容器中，否則很容易爆炸。本發(fā)明就是基于干冰受熱易升華的獨有特性，把它作為一種新型發(fā)動機的“燃料”。具體方法為在一個氣缸中吸收高溫廢氣進行壓縮，在活塞抵達頂點位置附近溫度變?yōu)樽罡邥r噴入干冰，干冰遇熱吸收熱量升華膨脹，體積瞬間增大60(Γ800倍，推動活塞做功，之后排出冷卻氣體，整個工作周期也是四個沖程。與汽油燃燒放出大量爆發(fā)能量氣體，膨脹推動活塞做功化學能轉化為機械能和熱能相反，干冰受高溫吸收熱量急劇升華，體積膨脹600倍以上推動活塞做功熱能轉化為機械能和化學能，而這種新型的發(fā)動機稱為吸熱式干冰發(fā)動機。在此以常見的四沖程汽油發(fā)動機為發(fā)明主例，不論柴油發(fā)動機或其他各類型提供熱源的發(fā)動機，統(tǒng)統(tǒng)代稱為熱氣缸，實際應用中，熱氣缸也可以是其它各類熱源及其他能夠提供高溫能量的能量體。本發(fā)明所示吸熱式干冰發(fā)動機，代稱為冷氣缸。本發(fā)明中提供熱能的熱源是以四沖程汽油發(fā)動機為例，目前使用柴油、汽油等石化燃料的發(fā)動機在燃燒上不夠完全，在排氣中含有大量對空氣和人類有害的氣體。所以在以此為熱源的情況下，由于汽油等石化燃料在氣缸不充分燃燒，產(chǎn)生大量對人體有害的HC、CO及NOx氣體，就需要觸媒轉換器轉換為無害的H2O, C02，N2和O2。而為了過濾有毒氣體，在熱氣缸的排氣管上接一個觸媒轉換器，有毒的廢氣經(jīng)過過濾，然后再接入冷氣缸的進氣管。如果熱氣缸燃料完全燃燒，廢氣中沒有需要處理的有毒物質，可省去觸媒轉換器，出來的高溫能量氣體直接接到冷氣缸里即可。其他形式的熱源及能量體，在輸入時只要符合排放條件，可靠，安全，無毒的情況下均可直接接入冷氣缸。

冷氣缸做功時由于干冰劇烈膨脹使其排氣量也遠大于進氣量，所以在其排氣管上接一個渦輪增壓器，利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入熱氣缸。熱氣缸增加了空氣充入量，使燃油更充分燃燒，由于燃燒完全，機械效率提高，降低了燃油的消耗，改善了廢氣生成，提升了熱缸發(fā)動機的功率輸出。發(fā)動機由于油料燃燒點的存在，特別是汽油的燃點高于柴油，使得汽油發(fā)動機的壓縮比要控制在一個特定的范圍內(nèi)，通常為6 10，柴油機一般為16 22。汽油發(fā)動機的壓縮比遠遠小于柴油機的壓縮比，原因就是汽油發(fā)動機需要控制缸內(nèi)的溫度，增大壓縮比而增加的溫度會導致汽油自燃而產(chǎn)生爆缸爆震現(xiàn)象。而干冰吸熱發(fā)動機沒有了汽油機需要控制缸內(nèi)溫度的問題，也沒有火花塞點燃的問題。溫度越高，對其工作的效率越高，而壓縮比越大，輸出功率也就越大。所以干冰吸熱發(fā)動機在其進氣量的控制，壓縮比的控制，溫度的控制，與功率的大小都是可控的可協(xié)調并成正比的關系。當進氣量，壓縮比，溫度協(xié)調到一個最佳點時，即使干冰吸熱膨脹做功，釋放出最大的爆發(fā)能量，成為發(fā)動機的動力輸出，就是缸體所能承受范圍內(nèi)所能輸出的最大功率，也是最佳工作效率狀態(tài)。干冰遇熱不經(jīng)液化直接升華為氣體，常溫下，干冰粒接觸空氣后，在幾千分之一秒內(nèi)氣化，其體積瞬間膨脹600 800倍。而影響升華速率的因素有溫度，受熱面積，空氣流動速率。溫度越高，干冰受熱的表面積越大，空氣流動越快，那么干冰升華的速度就越快，從而使其爆發(fā)的速率越快，發(fā)動機效率越高。本發(fā)明有三種實施例
實施例I的目的是這樣來實現(xiàn)的包括熱氣缸、冷氣缸、火花塞、干冰噴射頭、活塞、曲軸，其特征在于從熱氣缸排出的廢氣進入冷氣缸進氣管，在冷氣缸內(nèi)溫度最高而且冷氣缸活塞位置最高時由干冰噴射頭噴入干冰，使干冰迅速升華產(chǎn)生二氧化碳氣體膨脹推動冷氣缸活塞做功。實施例I的目的還可以這樣來實現(xiàn)熱氣缸為任何熱能發(fā)動機或各類熱源及其他能夠提供高溫能量的能量體；熱氣缸排氣管上增加渦輪增壓器和觸媒轉換器，冷氣缸排氣管上也增加一個渦輪增壓器，渦輪增壓器增壓的空氣通過熱氣缸進氣管進入熱氣缸。從熱氣缸完成一個工作周期排出高溫廢氣，氣體引導進入冷氣缸，熱氣缸排氣行程即是冷氣缸的吸氣行程的開始，兩個氣缸相互連接同步工作但是之間差一個做功行程。實施例2的目的是這樣來實現(xiàn)的包括氣缸頂端安裝一個進氣管和一個排氣管，氣缸頂部安裝火花塞，氣缸內(nèi)部有一活塞連接曲軸，其特征在于氣缸頂端安裝干冰噴射頭，活塞第一次回程壓縮過程點燃火花塞，利用油氣點燃使活塞做功，第二次回程壓縮過程由干冰噴射頭噴射干冰，干冰遇熱升華氣體膨脹使活塞做功，一個循環(huán)共六個沖程，曲軸轉動三圈，做功兩次。實施例3的目的是這樣來實現(xiàn)的在熱氣缸外圍設置一冷氣缸，冷氣缸頂端和熱氣缸頂端連為一體，氣缸進氣管伸入熱氣缸，在頂端設置一干冰噴射頭伸入冷氣缸，熱氣缸排氣管直接伸入冷氣缸，冷氣缸內(nèi)部有冷氣缸活塞 ，熱氣缸內(nèi)部有熱氣缸活塞；熱氣缸做功產(chǎn)生的高溫廢氣排出來后就進入了冷氣缸，而且熱氣缸壁散發(fā)的熱量直接作用在了冷氣缸內(nèi)部，冷氣缸吸收熱量也為熱氣缸起到了降溫的作用。實施例3的目的還可以這樣來實現(xiàn)冷氣缸活塞形狀為圓柱體，冷氣缸活塞內(nèi)圓壁緊貼熱氣缸外壁，外圓壁緊貼冷氣缸內(nèi)壁，冷氣缸活塞和熱氣缸活塞運動方向反向。為使干冰的供應可靠充足，在實施例1、2、3中，本發(fā)明還在發(fā)動機上安裝了干冰儲存輸送設備，干冰儲存器內(nèi)為保溫膽和外壁間有真空層隔熱，干冰揮發(fā)產(chǎn)生的氣體可從干冰輸送控制器縫隙釋放至干冰輸送管，使內(nèi)部壓力減小，避免爆炸現(xiàn)象發(fā)生。完全排出的廢氣其主要含量便是二氧化碳，其他還有氮氣，氧氣等少量氣體。全部排向空氣中會進一步造成全球的溫室效應，且二氧化碳具有極大的經(jīng)濟效益，應該盡力回收。所以要對其中的二氧化碳進行回收收集。由于產(chǎn)生的二氧化碳量巨大而且會累積增力口，所以不適合化學反應方式收集處理，最好的方式是使二氧化碳轉化為干冰，其他氣體可排放入大氣。既處理了尾氣，又收集了二氧化碳，并且轉化的干冰可用于發(fā)動機的動力原料，形成二氧化碳的冷氣缸動力燃料循環(huán)。方式上，不受空間重量等條件限制的場合可以使用普遍應用的液體二氧化碳制取法-中壓法，再按需要轉化為干冰，如果汽車上使用，可以用干冰機或高壓液化二氧化碳再控制其生成干冰或再實施例全新的收集轉化二氧化碳為干冰的發(fā)明方法，這里就不在討論。最后轉化的干冰應該儲存在高壓鋼瓶中。二氧化碳及干冰是一種用途很廣的化工原料，廣泛用于食品，飲料，化工，制造，農(nóng)業(yè)，航天等等領域，具有廣闊的經(jīng)濟價值。相比傳統(tǒng)白白把二氧化碳排入大氣的做法，收集再利用顯然是更佳的選擇。不僅從廢氣里創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，又保護了大氣自然環(huán)境，同時又成為可循環(huán)使用的能源，一舉數(shù)得。干冰作為整個過程的重要元素，其總量和體積會隨著發(fā)動機的燃燒而不斷變大，但是吸熱式干冰發(fā)動機對干冰這種燃料的需求是一個定量。即，干冰作為一個可循環(huán)使用的能源體，無論是傳統(tǒng)燃料燃燒生成的二氧化碳換是升華變作的二氧化碳，都是可以再次轉變?yōu)楦杀俅纬蔀榭墒褂玫哪茉大w。如果二氧化碳轉化為干冰的速率能趕上干冰消耗的速率，那么即使不做干冰儲備，整個系統(tǒng)也可以照常運行。相對來講，每臺運行此燃料的機器所消耗的干冰廣義來看都是一個循環(huán)定值。節(jié)省了傳統(tǒng)上需不斷加注燃料的程序，而且多出來的干冰可以用作其他用途等等，由此，帶來各種好處。有益效果本發(fā)明的整個過程呈現(xiàn)各式能量往復循環(huán)，新型吸熱式干冰發(fā)動機能充分利用各種高溫能量，提高了發(fā)動機的能量利用效率和擴大了其應用范圍。汽車上使用，可相對省去傳統(tǒng)發(fā)動機的散熱冷卻系統(tǒng)，減少了發(fā)動機的配件，減輕車重，提高機械整體的可靠性又擴大了內(nèi)部空間。同時節(jié)省了各種能源消耗，加大了發(fā)動機能量利用效率，節(jié)省油耗又提升了汽車的整體動力，減少了廢氣的排放量，減少了發(fā)動機熱量對空氣的放熱炙烤，改善保護了自然環(huán)境。不光汽油柴油機，各種利用燃料的熱能發(fā)動機及場所均可采用。應用范圍包括工廠，各類大型機械，家用汽車等等方面。


圖I為本發(fā)明實施例I結構示意 圖2為本發(fā)明實施例2結構示意 圖3為本發(fā)明實施例3結構示意 圖4為本發(fā)明干冰儲存輸送設備示意圖；
圖5為普通發(fā)動機化學能流向示意圖。
具體實施例方式附圖中各部件標號如下
氣缸I (熱氣缸I. I、冷氣缸I. 2)、氣缸進氣管2 (熱氣缸進氣管2. I、冷氣缸進氣管2. 2)、排氣管3 (熱氣缸排氣管3. I、冷氣缸排氣管3. 2)、觸媒轉換器4、渦輪增壓器5、火花塞6、干冰噴射頭7、活塞8 (熱氣缸活塞8. I、冷氣缸活塞8. 2)、曲軸9 (熱氣缸曲軸9. I、冷氣缸曲軸9. 2)、干冰儲存器10、干冰11、干冰輸送控制器12、干冰輸送管13。如圖I所示，本發(fā)明實施例I為雙發(fā)動機氣缸，包括熱氣缸I. I、冷氣缸I. 2、火花塞6、干冰噴射頭7、活塞8、曲軸9，其特征在于從熱氣缸I. I排出的廢氣進入冷氣缸進氣管2. 2，在冷氣缸I. 2內(nèi)溫度最高而且冷氣缸活塞8. 2位置最高時由干冰噴射頭7噴入干冰，使干冰迅速升華產(chǎn)生二氧化碳氣體膨脹推動冷氣缸活塞8. 2做功。在實施例I中，熱氣缸I. I為任何熱能發(fā)動機或各類熱源及其他能夠提供高溫能量的能量體；熱氣缸排氣管3. I上增加渦輪增壓器5和觸媒轉換器4，冷氣缸排氣管3. 2上也增加一個渦輪增壓器5，渦輪增壓器增壓的空氣通過熱氣缸進氣管2. I進入熱氣缸I. I ；從熱氣缸I. I完成一個工作周期排出高溫廢氣，氣體引導進入冷氣缸I. 2,熱氣缸I. I排氣行程即是冷氣缸I. 2的吸氣行程的開始，兩個氣缸相互連接同步工作但是之間差一個做功行程。如圖2所不,本發(fā)明實施例2為單發(fā)動機氣缸,包括氣缸I頂端安裝一個進氣管2和一個排氣管3，氣缸頂部安裝火花塞6，氣缸I內(nèi)部有一活塞8連接曲軸9，其特征在于氣缸I頂端安裝干冰噴射頭7，活塞8第一次回程壓縮過程點燃火花塞6，利用油氣點燃使活塞8做功，第二次回程壓縮過程由干冰噴射頭7噴射干冰，干冰遇熱升華氣體膨脹使活塞8做功，一個循環(huán)共六個沖程，曲軸9轉動三圈，做功兩次。在實施例2中，汽油燃燒廢氣會在壓縮過程中繼續(xù)燃燒，放出更多熱量，給干冰膨脹提供更多能量。同室做功的好處是沒有熱量更多的邊際散失，直接在缸體里吸收，充分利用，還能清潔氣缸內(nèi)壁，節(jié)省了還要另外增加程序配置氣缸，提高了動力輸出的整體性。如圖3所示，本發(fā)明實施例3為復式缸體，即冷氣缸包圍熱氣缸，在熱氣缸I. I外圍設置一冷氣缸I. 2，冷氣缸I. 2頂端和熱氣缸I. I頂端連為一體，氣缸進氣管2伸入熱氣缸I. 1，在頂端設置一干冰噴射頭7伸入冷氣缸I. 2,熱氣缸排氣管3. I直接伸入冷氣缸I. 2，冷氣缸I. 2內(nèi)部有冷氣缸活塞8. 2，熱氣缸I. I內(nèi)部有熱氣缸活塞8. I ;熱氣缸I. I做功產(chǎn)生的高溫廢氣排出來后就進入了冷氣缸I. 2，而且熱氣缸I. I壁散發(fā)的熱量直接作用在了冷氣缸I. 2內(nèi)部，冷氣缸I. 2吸收熱量也為熱氣缸I. I起到了降溫的作用。實施例3中，冷氣缸活塞8. 2形狀為圓柱體，冷氣缸活塞8. 2內(nèi)圓壁緊貼熱氣缸
I.I外壁，外圓壁緊貼冷氣缸I. 2內(nèi)壁，冷氣缸活塞8. 2和熱氣缸活塞8. I運動方向反向。為了對發(fā)動機提供穩(wěn)定充足的干冰，在實施例1、2、3中，本發(fā)明還增加了干冰儲存輸送設備，干冰儲存器10內(nèi)為保溫膽和外壁間有真空層隔熱，干冰11揮發(fā)產(chǎn)生的氣體可從干冰輸送控制器12縫隙釋放至干冰輸送管13，使 內(nèi)部壓力減小，避免爆炸現(xiàn)象發(fā)生，干冰輸送管連接干冰噴射頭7。
權利要求
1.吸熱式干冰發(fā)動機，包括熱氣缸(I.I)、冷氣缸(I. 2)、火花塞(6)、干冰噴射頭(7)、活塞(8)、曲軸(9)，其特征在于從熱氣缸(I. I)排出的廢氣進入冷氣缸進氣管(2. 2)，在冷氣缸(I. 2)內(nèi)溫度最高而且冷氣缸活塞(8. 2)位置最高時由干冰噴射頭(7)噴入干冰，使干冰迅速升華產(chǎn)生二氧化碳氣體膨脹推動冷氣缸活塞(8. 2)做功。
2.根據(jù)權利要求I所述的吸熱式干冰發(fā)動機，其特征在于熱氣缸(I.I)為任何熱能發(fā)動機或各類熱源及其他能夠提供高溫能量的能量體；熱氣缸排氣管(3. I)上增加渦輪增壓器(5)和觸媒轉換器(4)，冷氣缸排氣管(3. 2)上也增加一個渦輪增壓器(5)，渦輪增壓器增壓的空氣通過熱氣缸進氣管(2. I)進入熱氣缸(I. I)。
3.根據(jù)權利要求I所述的吸熱式干冰發(fā)動機，其特征在于從熱氣缸(I.O完成一個工作周期排出高溫廢氣，氣體引導進入冷氣缸(I. 2)，熱氣缸(I. I)排氣行程即是冷氣缸(I. 2)的吸氣行程的開始，兩個氣缸相互連接同步工作但是之間差一個做功行程。
4.吸熱式干冰發(fā)動機，包括氣缸(I)頂端安裝一個進氣管(2)和一個排氣管(3)，氣缸頂部安裝火花塞(6)，氣缸(I)內(nèi)部有一活塞(8)連接曲軸(9)，其特征在于氣缸(I)頂端安裝干冰噴射頭(7)，活塞(8)第一次回程壓縮過程點燃火花塞(6)，利用油氣點燃使活塞(8)做功，第二次回程壓縮過程由干冰噴射頭(7)噴射干冰，干冰遇熱升華氣體膨脹使活塞(8)做功，一個循環(huán)共六個沖程，曲軸(9)轉動三圈，做功兩次。
5.吸熱式干冰發(fā)動機，其特征在于在熱氣缸(I.I)外圍設置一冷氣缸(I. 2)，冷氣缸(I. 2)頂端和熱氣缸(I. I)頂端連為一體，氣缸進氣管(2)伸入熱氣缸(I. I),在頂端設置一干冰噴射頭(7)伸入冷氣缸(I. 2)，熱氣缸排氣管(3. I)直接伸入冷氣缸(I. 2)，冷氣缸(1.2)內(nèi)部有冷氣缸活塞(8. 2)，熱氣缸(I. I)內(nèi)部有熱氣缸活塞(8. I);熱氣缸(I. I)做功產(chǎn)生的高溫廢氣排出來后就進入了冷氣缸(I. 2)，而且熱氣缸(I. I)壁散發(fā)的熱量直接作用在了冷氣缸(I. 2)內(nèi)部，冷氣缸(1.2)吸收熱量也為熱氣缸(I. I)起到了降溫的作用。
6.根據(jù)權利要求5所述的吸熱式干冰發(fā)動機，其特征在于冷氣缸活塞(8.2)形狀為圓柱體，冷氣缸活塞(8. 2)內(nèi)圓壁緊貼熱氣缸(1.1)外壁，外圓壁緊貼冷氣缸(1.2)內(nèi)壁，冷氣缸活塞(8.2)和熱氣缸活塞(8.1)運動方向反向。
7.根據(jù)權利要求1、2、3所述的吸熱式干冰發(fā)動機，其特征在于干冰儲存器(10)內(nèi)為保溫膽和外壁間有真空層隔熱，干冰(11)揮發(fā)產(chǎn)生的氣體可從干冰輸送控制器(12)縫隙釋放至干冰輸送管(13)，干冰輸送管連接干冰噴射頭(J)。
8.根據(jù)權利要求4所述的吸熱式干冰發(fā)動機，其特征在于干冰儲存器(10)內(nèi)為保溫膽和外壁間有真空層隔熱，干冰(11)揮發(fā)產(chǎn)生的氣體可從干冰輸送控制器(12)縫隙釋放至干冰輸送管(13)，干冰輸送管連接干冰噴射頭(J)。
9.根據(jù)權利要求5、6所述的吸熱式干冰發(fā)動機，其特征在于干冰儲存器(10)內(nèi)為保溫膽和外壁間有真空層隔熱，干冰(11)揮發(fā)產(chǎn)生的氣體可從干冰輸送控制器(12)縫隙釋放至干冰輸送管(13)，干冰輸送管連接干冰噴射頭(J)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用干冰遇熱升華體積膨脹推動活塞做功的發(fā)動機，具體有三種實施例模式實施例1為為雙缸分離式，而且對于現(xiàn)行的發(fā)動機改動較小，熱氣缸和冷氣缸各自獨立工作；實施例2為單氣缸模式，在傳統(tǒng)氣缸上端增加一個干冰噴射頭，將四沖程發(fā)動機改為六沖程發(fā)動機；實施例3為復合式氣缸，在熱氣缸外部再套一個更大的冷氣缸，將冷氣缸的活塞變?yōu)閳A柱體，熱氣缸活塞和冷氣缸活塞相互協(xié)調獨立運行。三種實施例中，為配合干冰的穩(wěn)定輸送，還配有干冰儲存輸送設備。本發(fā)明整個過程省去傳統(tǒng)發(fā)動機的散熱冷卻系統(tǒng)，加大了發(fā)動機能量利用效率，提升了汽車的整體動力，減少了廢氣的排放量，減少了發(fā)動機熱量對空氣的熱污染，改善保護了自然環(huán)境。
文檔編號F02B45/08GK102767428SQ201210289850
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月15日 優(yōu)先權日2012年8月15日
發(fā)明者李偉 申請人:李偉