等离子态水燃发动机

一、本实用新型所属技术领域：本实用新型涉及一种用水大比例代替燃料的发动机(简称水燃机)，属于内燃机领域。

二、本实用新型的背景技术：用水作为燃料是人们梦寐以求的理想，于是就出现了许多电解、热解等分解水的方法和装置，但是所耗能量太大，以致只能在一些特定领域使用；又有人采用油水结合的方法(如皂化混合、油道喷雾等)用于发动机，但在燃烧室内水的吸热分解率很低，效果不甚理想。同时，现有技术的发动机，大量热能随废气排放，既浪费能源又污染环境。

三、本实用新型的目的：提供一种发动机，它能电离水蒸汽，使氢氧离子直接参与燃烧室内的化学反应，并利用本机废热产生所需蒸汽，从而大比例节约现有能源，减少污染。四、本实用新型的技术方案：等离子态水燃发动机主要由燃烧室，能量转换系统，冷却系统构成，本机于燃烧室安置一只或多只水蒸汽等离子弧喷咀，其出口指向活塞式发动机燃烧室中心或叶轮式发动机混合燃气均温区，使水蒸气电离后的氢氧离子直接介入混合燃气的化学反应。为避免高温灼伤，活塞式发动机的缸盖与活塞表面相对凹陷，活塞到达上止点时燃烧室呈椭圆形；叶轮式发动机的喷咀置于燃烧室进气通道之中。机体外部有保温层，除必须裸露的部位外，整机包括排气管消声器均用适合机身外形的岩棉定型轻质保温材料包裹，以防止废热散失；发动机受热部件背后有冷却水道或套，在冷却的同时吸收废热产生水蒸汽，通过管道经蒸汽加压泵加压送入各等离子弧喷咀实行电离。五、本实用新型的有益效果：

1、本实用新型采用水来替代一部分燃料，其最重要的效果是节约不可再生的现有能源。据有关专家估计至2010年我国进口石油及其制品将达1亿吨，采用本实用新型将有可能避免这一局面的出现，不但节约宝贵的外汇，还会使我国的能源战略处于十分有利的地位。

2、水与油相比，其来源丰富价格低廉，并可以使用处理后的废水。

3、发动机废热产生蒸汽，大量回收了热能。

4、由于燃料和吸入空气的相对减少，发动机废气构成中，水蒸汽成为主要成份，于环保十分有利。

5、水燃机毫无疑问地有利于国防事业。

六、附图说明

：图1是活塞式等离子态水燃发动机燃烧室示意图。

图2是水蒸气等离子弧喷咀结构示意图。

图3是叶轮式等离子态水燃发动机简单示意图(航空发动机)。图中：1、水蒸气等离子弧喷咀。2、椭圆形燃烧室。 3、凹面活塞。

4、水蒸气入口。        5、耐高温瓷管。   6、喷咀正极。

7、钨负极。            8、冷却管道。     9、压缩冷气。

10、混合均温区。       11、压气机。      12、燃气涡轮。

七、本实用新型的实施方式：为便于理解和掌握，本部分首先说明(一)等离子态水的形成；(二)水燃烧及水燃机热源构成；然后描述(三)本实用新型的最佳实施方式及(四)其它应注意的问题。

(一)、等离子态水的形成水蒸汽电离成等离子体是现有技术，目前主要应用于金属切割焊接，称为等离子弧技术(水蒸汽是离子气源的一种但应用不广)，水变成等离子体的原理，过程及特点应当这样来理解：1、气体自激放电高等物理告诉我们，处于电场中的气体，由于端电压达到点燃电压(击穿电压)就会产生自激放电，导致两极间密集的电子流动形成高温电弧，气体电离成等子体。等离子弧技术正是这一理论的应用，它是采用特殊喷咀压缩电弧取得超高温的等离子气流。水由液态变为汽态，正符合做为离子气源的条件。(理论上水在2000℃时已经有1.8％左右热解成为氢气和氧气了)。

2、水蒸汽的电离我们常用的水并不是纯净的，它总含有一些离子(自由电子)因此它成为导体。当它以汽态被电场控制，电场电压达到点燃电压时，受到电场力作用的电子被加速飞向电场正极；电子沿途撞击其它原子，激发出欲挣脱束缚的电子，形成电子群一同向正极运动；由于它们总是被电场力加速，因而不能被俘获，电子群一路撞击又激发出更多的电子，从而构成两极之间强烈的电子流动形成高温电弧。毫无疑问，外来电能的参与使两极之间的电弧变得更加强大。而等离子弧喷咀又具有独特作用，管壁产生向内的冷压缩：离子又向弧心产生热压缩；弧心又产生电磁收缩，终于使等离子水中心产生5×104℃的超高温，约为太阳表面温度的8倍。

显然，水在电磁力与超高温的共同作用下，被彻底地电离了。

3、几个特点这是超高温的氢氧等离子混合气体；水电离的能耗大大低于单纯电解和热解；由于水是极性分子，在电场中分子两极对准电场两极的驰豫时间约为10-15秒，而电场的形成是光速，当然，热电子是撞击而来，水的全电离也需要时间，但在宏观上，水蒸汽电离成弧只是极短的瞬间。这些特点正是我们所需要的。

(二)水燃烧及水燃机热源构成1、水燃烧水燃机决不是完全用水做燃料，而是以已经“燃烧”的超高温等离子态水参与混合气的燃烧：对其自身来说是一个从万度级高温度变成千度级相对低温的降温过程，由此，水成为热源的极重要的组成部分。当然，追根朔源，等离子态水的热源来自气体自激放电的“电子雪崩”形成的强大的电弧。等离子态水在混合气中扩散后，自然会降低温度，增加体积，占据燃烧室内相当的比例，所以在燃烧室容积一定的情况下，入室燃料与空气就应相应减少；从极端的角度来看，可以近似地认为燃料的功能主要是提供所需电能，在热机耗电极小、无用作功极少热量回收极佳的情况下，比照现有技术，水替代燃料的比例达到90％都是可能的(每只针型微束等离子弧喷咀的最低功率消耗0.5瓦)，但绝不是可靠的，稳定的。因此，坚持水主燃或是助燃规定替代比例没有必要，应根据具体型号发动机自身的电耗及外送和蓄存来具体计算设计，替代比例可以是30～90％之间的任何数值，当然是越高越好。

2、水燃机热源构成既然水是以超高温等离子态进入燃烧室，那么它在单位时间内的入室量(体积、流量)必须合适，过小失去意义，过大烧坏机器，应视具体机型及具体燃料(汽油、柴油、天燃气、煤气、煤油等)来具体设计控制。其把握基准是燃烧室能够承受的最高工作温度(冷却保护后)。按照充分燃尽的原则，首先确定等离子态水最大允许入室量(扩散后的温度、体积、压力，显然，入室温度过高就必须减少入室量，反之则应加大)，再考虑满足发电量的所需燃料(爆燃后温度、体积、压力)还要计算散热量等其它因素，如等离子体所含氢氧化合热量，靠多因素的综合确定最佳参数。这里，等离子态水未充分扩散温度就成为一个关键，必须由它才能算出扩散后状态。

事实上，等离子弧喷咀射出的等离子体并非均温体，而是分为三层，最外层冷压缩区域约0.1～1.4万度，中间层热压缩区域1.4～2.5万度，核心层弧心区域5万度。射出等离子体为圆柱形，我们取其任意横截面可以看出，这是层层相套的两层圆环与一个中心圆柱，当然各层之间的界限无法明确界定。我们取内径1mm的针型微束喷咀为例，设各层圆环的厚度和核心直径均为0.2mm，则可以分别算出外环面积为0.534(mm)2，中环面积为0.251(mm)2，核心面积为0.0314(mm)2，总面积为0.785(mm)2，现在以各层面积为权数，可以概略算出截面的加权平均温度，见下式射出的等离子体圆柱可以视为一定长度的无数个1.3万度截面的集合。

当然，这并是精确计算，但我们已经可以概略判定等离子体入室温度，然后据气态方程可以算出其扩容到一定容积，压力的温度，叠加燃气体积、温度等，热源的构成就可以确定。这些方法不属权利要求，这里无需多加讨论。

我们应当得出的结论是，等离子态水无论是否起主燃作用，但确实起到主导作用，应当是新一代发动机考虑的主要因素。水燃机的热源构成应分为三个部分：(1)一定体积的等离子态水携带的平均1.3万度超高温的热能；(2)氢与氧化合生成水所释放的热能；(3)氧与碳化合生成二氧化碳所释放的热能。

应当指出，我并非刻意追求1.3万度的等离子态水，事实上3千度就可以达到相当程度的等离子化，但别忘记，万度高温是蒸汽自激放电最大化的彻底结果，仅对燃气的增温膨胀来说就不可多得，何况它所消耗的电功率才有多少呢？我们应该也可以充分吸纳这个温度。当然，生产厂家为稳妥起见，降低等离子态水温度(放宽喷咀直径即可)，那是合理的，也是可行的。

(三)本实用新型的最佳实施方式：将等离子态水成功地引入燃烧室，需要对现有技术的发动机进行多项改造。这里将发动机分为两类，即：活塞式发动机和叶轮式发动机(包括涡轮发动机、喷气发动机、燃气轮机)，不考虑燃料区别。现结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

1、主要零部件及其整体结构关系：很明显，本实用新型主要涉及现有技术发动机的燃烧室和冷却系统。位于燃烧室的水蒸气等离子弧喷咀(见图2，以下简称喷咀)是最核心的部件。喷咀内钨棒7为电场负极，其根部环包绝缘体；喷咀出口内侧环状嵌入金属正极6，其背后有冷却水道8，以保护正极避免受高温灼伤。正负电极均与发动机电源正负极电连接。喷咀两极之间为电离区，水蒸气由蒸汽加压泵过控制阀压入喷咀蒸汽入口4后，即在此区间电离成弧。喷咀外壳采用耐高温瓷管5，也允许采用金属管并直接作为正极，但应注意与机体绝缘。喷咀口径大小及在燃烧室安置只数多少，均按前述计算合理入室量之后选择确定，在活塞式发动机中(见图1)，喷咀1于缸头部位取代现有技术的火花塞，无论一只或多只其出口均向心指向燃烧室中心；在叶轮式发动机中(见图3)，喷咀1位于燃烧室冷空气进气通道一侧，取代现有技术的点火装置或火焰筒，其出口均指向混合燃气均温区(属环管型燃烧室的取代部分火焰筒；属环型燃烧室的取代点火装置，将多只喷咀出口探入环室进气孔道安置)。喷咀与燃烧室的结合，采用与现有技术相同的固定方式，允许根据需要适当进行修改；多只喷咀的分布排列方式自行确定。

冷却系统又是蒸汽系统，其管道、阀门、冷却水道或水套、蒸汽加压泵等均为常见的现有成熟技术，无需仔细描述；由于各种发动机大小不一，外形各异，所处空间不同(如燃气轮机与航空发动机所处空间就不大一样；同是活塞式发动机V型与直列外型就大不相同)，因此，管、阀、泵的布置作同样要求是不可能的，也是不必要的，应按具体型号条件具体设计。其整体结构的共同特征是喷咀的蒸汽进口4均通过蒸汽控制阀及管道与蒸汽加压泵出口相连；蒸汽加压泵进口有抽气功能，通过汇集蒸汽的供气总管与各受热面背后的冷却水道或套相沟通，泵的动力可以是电动也可以是轴动力驱动，或废气涡轮驱动，可自行选择，各部位的连接均采用现有技术，此处不再过多描述。2、活塞式发动机的改造(见图1)(1)、取消火花塞代之以一只或多只微束等离子弧喷咀，喷咀的主要作用是提供超高温等离子态水，并依靠高温膨胀压力射入压缩完毕的混合气中，喷咀1应垂直于活塞平面安置在缸头正中心部位。缸头、活塞3均做出相对凹陷2，以使压缩后的混合气成为一个相对低温的气团，有效地包裹射入的等离子体，避免燃烧室的灼伤。不要求较高的压缩比。

(2)、可参照火花塞工艺，喷咀改为陶瓷制成其正极6环状嵌入管口内侧，其背后有冷却管道8，通过冷却水或蒸汽带走热量，送入蒸发系统，其导线经管壁内引出。

(3)、取消散热水箱及风扇、电机缩小发动机体积。

(4)、整机除必要部位，包括排气管消声器全部用保温材料(适合机身外形的岩棉等定型产品)包裹，必要部位是指空气、燃料、水的入口、废气出口、电路接头、油底壳、轴头及其它应当裸露的部位。凡受热面背部均用水套或水道水冷，整机废热所产蒸汽，通过管道集中于供气总管；原冷却水泵等供应系统不动，增设一蒸汽加压泵，过控制阀向喷咀供汽，蒸汽管道及加压泵的具体位置，视不同型号发动机外型和空间具体确定。发动机工作时，保温层外部温度＜40℃。

(5)、高级发动机电控系统增设分缸蒸汽电磁阀，普通发动机增各缸凸轮及微型活门以控制蒸汽进入喷咀的开闭。

(6)、其它部位的适当改造，如原点火系统高压部分、油门与汽泵控制联动等。3、改造的原理及要求由于等离子弧喷咀1产生的等离子态水是以万度级高温进入燃烧室，所以燃烧室必须在其前进方向上设置过程，使其前锋尚未到达活塞表面就被包裹扩容，继而被爆燃的混合气扰动解散，此时各种反应已全面展开，活塞3开始下移。因此，缸头与活塞相对凹陷结构2是必须的，但如果其纵轴过长成为O型，则势必影响缸头结构及活塞销位置，所以相对凹陷应设计成扁椭圆型。

全机保温的目的是利用废热产生蒸汽，这里采用的是负压蒸发的原理：在绝热条件下抽取蒸汽使压力降至6毫米汞柱时水温应降至5℃，而负压又迫使水继续蒸发，其汽化热只有从设备各受热部位夺取；现有技术中这种废热是很大的(约占燃料总热能的35％左右)，因此冷却水温不可能降至5℃，不过，既便是达到100℃也无损害；我们需要的就是蒸汽用以电离，总之它是带着热量进入燃烧室参与作功，而不是原来的浪费。但过量抽取蒸汽是有害的，这会增加水耗，无法全部使用又只能用管道输回水箱，徒增消耗，因此，蒸汽抽取量应按热构成中的需要量准确计算。保温后应特别注意采用耐高温的润滑油，保证各部位的正常运转。

电磁阀或凸轮弹簧活门控制蒸汽，其开闭时间的准确性要求极高，阀门应在吸气冲程开启，于压缩完毕时关闭，以保证喷咀内蒸汽充足，并防止点弧后高温气倒流；开启时会一部分蒸汽进入汽缸之内，这反而会起到湿润气缸作用，其最终要参与化学反应作功，因而是有益无害的。凸轮弹簧活门，其原理结构与燃烧室气门阀是相同的，只是体积充分缩小。

现在假定一台四冲程立式布局一定功率的汽油发动机开始运行：(1)、启动：接通电源后，启动机扭转曲轴推动活塞，开始往复运动。

(2)、运行：当活塞从上止点下移时，吸气行程开始，燃油与空气经活门进入气缸；活塞下移1/2行程时，喷咀蒸汽控制阀门开启，部分蒸汽推出咀内残气进入气缸(正常工作时该蒸汽湿润气缸起冷却作用)，于下止点上移压缩混合气至上止点时，此时控汽阀关闭，防止等离子体倒流，椭圆形燃烧室成立。等离子弧喷咀通电，瞬间形成电弧(高速电子打击原子放电)蒸汽被电离成等离子态水，携万度高温射入压缩气团，混合气被点燃各种化学反应全面展开；活塞由上止点下移喷咀深处蒸汽陆续电离喷出，至1/2行程时喷咀断电，等离子态水停止入缸；活塞移至下止点作功完毕，排气过程开始，废气进入排气管与冷却水换热产生蒸汽，并与缸头、缸套、喷咀冷却水所产蒸汽汇合于供汽总管，而废气外排。

(3)、停车：关闭发动机电源开关。长时间停车应适当放松水箱盖，防止冷却负压吸瘪部件。

这是一个完整的奥托循环，具有典型意义，两冲程或旋转活塞发动机可以进行此类改造，实行水燃以节约燃料。

4、叶轮式发动机的改造(见图3)相比之下，叶轮发动机的改造就比较简单，最重要的就是于燃烧室合适位置布置多只等离子弧喷咀1，使等离子态水直接射入燃气团，在扩容换热中发生化学反应，其原理与前述相同(包括机壳保温、冷却制汽、汽泵、阀门)，不同之处是喷咀是连续工作的没有冲程间歇；蒸汽泵或压汽机出口压力高于混合气压力。

另一项重要改造是叶片背部增设配重加强筋，此筋始于叶座沿叶片脊背到达叶片顶端横向展开呈T型。要特别注意横向展开部分的重量，实际上这是一个产生离心力的重锤，用于蓄集能量具有飞轮作用，以改进发动机的低速性能，但锤头过重则离心力太大，就会撕毁叶片，切穿机壳，必须精确计算，纵向延伸至叶座部分，起系留锤头加强叶片作用，它同叶座的结合十分重要，最好是嵌入叶座焊牢，否则只能加强离心力的破坏作用。

采取这一结构的目的是稳定转速以确保电能供应质量，如发动机低速性能不稳，就会造成电压、电流减弱，从而削弱电场，无法加速电子，电子动能降低必被俘获，气体自激放电的条件被破坏，电弧减弱，直至熄灭(如用蓄电池补充，则势必造成电池大量放电迅速枯竭)，尤其对飞行器来说将是灾难，困此必须增加T形结构，这是一条原则。本实用新型是将飞轮分散到每个叶片，以减少机件数量，节约能耗。

最后一项重要改造对燃烧室的改造，从某种意义上说是取消现有概念的燃烧室，采用非现有概念的燃烧结构(这项改造适用于部分叶轮式发动机，如高速歼击机、发动机、民用喷气式发动机等)，其原理是在原燃烧室位置设多只等离子弧喷咀直接向喷咀内高压喷入空气，燃料、水蒸汽，将其混合气直接电离成高温混合等离子体燃气，由喷咀1射出后，与前置压气机11压送的冷空气9在均温区10混合均温，气流经涡轮12后，大流量射出发动机产生推力作功。其所处空间如过于狭小可不设保温层。

在这种结构中，冷空气9对喷咀1外壁有制冷作用，对发动机壳又有隔热保护作用。整个结构十分简单，可以缩小发动机体积又提高推力。当然，这种结构也可以应用于转轴作功的其它叶轮式发动机，如燃气轮机，无需压气机，主要是增加燃气叶片级数，令燃气膨胀至最低工作压力由排气管排出，而不是向后喷射。

叶轮式水燃机的运行与现有技术没有太大的区别，主要是等离子态水成为重要热源，这对燃气发电、机车、汽车、大型容机、直升机、气垫船等等有重要意义，毕竟水比油便宜太多了，尤其是船还会在水中行。实际上水就是没有分解的液态的氢和氧，这里是被很低的能耗电离了。

现假定一台航空发动机开始运行：1、启动：接通电源后压气机11燃气涡轮12开始转动；2、运行：等离子弧喷咀1射出超高温等离子体无间歇进入混合气，混合气爆燃，等离子体与燃气同向前行至混合均温区10换热均温，这一过程主要依靠爆燃气流的相对紊乱实现换热，高温燃气扭动燃气涡轮12进入排气管。运行时压气机11将冷空气9压入燃烧室的程中，从喷咀1的周围流过，对喷咀外壁制冷，并对燃烧室壁隔热保护。

3、停机：按现有技术顺序，切断油，电供应，但冷却系统要适当延迟关闭。

(四)、应注意的其它问题：1、不得使用硬水，喷咀冷却水道级细，一但结垢无法清除将整个废弃，勉强使用将被烧融。并应滤掉一切杂质、异物。

2、喷咀可以采用火花塞的制作方法，以陶瓷为喷管，以求与机体绝缘(正极导电金属应做入管壁之内)。两极间距离电极端头形状，均应参照现有技术具体设计。

3、喷口正级金属板后必顺沟通冷却水或蒸汽。

4、参照火花塞工艺制造喷咀绝不能简单照搬，应十分注意处理好绝缘问题，之所以选用陶瓷正是由于这一点，其连接钢件缧纹部位，应与陶瓷一同制作，然后车出丝扣；陶瓷导热慢但融点高强度高。因而可以做得较薄以利于传热，并且等离子水靠管壁部分仅千余度，而管壁有水冷保护采用瓷管是可取的。当然如果处理好绝缘问题，仍采用金属管是允许的。

等离子态水燃发动机的应用将无可争议地使我国在发动机领域处于暂时领先的地位。让我们干起来吧，还有许多针对具体机型的二次开发工作。