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一种用于从活塞式发动机中可控制地产生机械动力的系统，其中该系统包括：一活塞，该活塞与一汽缸滑动接合以限定一个可在一相对最小容积和一相对最大容积之间变化的腔室；当该腔室基本具有该相对最小容积时将水蒸汽送入该腔室的装置；和当该腔室基本具有该相对最小容积时将氢送入该腔室的装置；以及当该腔室基本具有该相对最小容积时将热空气送入该腔室的装置。

1.  一种用于从活塞式发动机中可控制地产生机械能的系统，其中，该系统包括：
一活塞，该活塞与一汽缸滑动接合以限定一个可在一相对最小容积和一相对最大容积之间变化的腔室；
当该腔室基本具有该相对最小容积时将水蒸汽送入该腔室的装置；和
当该腔室基本具有该相对最小容积时将氢送入该腔室的装置；和
当该腔室基本具有该相对最小容积时将热空气送入该腔室的装置。

2.  权利要求1所述的系统，该系统包括一水蒸汽供应装置。

3.  权利要求2所述的系统，其特征在于，该水蒸汽供应装置包括：
一水容器，用于储存第一供水；和
一水蒸汽喷嘴，水蒸汽可以通过该喷嘴从水容器送入该腔室。

4.  上述权利要求中的任一项所述的系统，该系统包括一产生氢的装置。

5.  权利要求4所述的系统，其特征在于，该产生氢的装置包括一通过电解方法从水中提取氢的装置。

6.  上述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，被注入到该腔室的水蒸汽至少被预热到将近沸点的温度。

7.  上述权利要求中的任一项所述的系统，该系统包括一适于储存热空气的可释放可密闭储存罐。

8.  权利要求7所述的系统，其特征在于，该可释放可密闭储存罐包括一阀门和一在开启和闭合位置之间自动激活该阀门的控制装置。

9.  权利要求8所述的系统，其特征在于，该阀门自动激活装置包括一与该阀门连接的微控制器。

10.  权利要求8或9中的任一项所述的系统，其特征在于，该阀门包括一电磁阀。

11.  上述权利要求中的任一项所述的系统，该系统包括一产生热空气的装置。

12.  权利要求11所述的系统，其特征在于，该产生热空气的装置包括用于在该腔室内压缩空气的活塞和汽缸，从而加热空气。

13.  权利要求12所述的系统，该系统包括一设置在汽缸上的进气喷嘴，空气在活塞和汽缸之间被压缩之前经由该进气喷嘴从一外部气源处进入该腔室。

14.  权利要求11至13中的任一项所述的系统，其特征在于，被送入该腔室的空气是基本无水的。

15.  上述权利要求中的任一项所述的系统，该系统包括一循环装置，该循环装置用于实现水从腔室到水蒸汽供应装置以及再进入该腔室的循环。

16.  权利要求15所述的系统，其特征在于，该循环装置包括一布置在该腔室上的排气门，该腔室内的容纳物能够经由该排气门从该腔室排空。

17.  上述权利要求中的任一项所述的系统，该系统包括一压力传感器，该压力传感器用于探测该腔室内的水蒸汽何时基本停止膨胀。

18.  权利要求17所述的系统，其特征在于，该压力传感器的输出适于触发该排气门的开启。

19.  上述权利要求中的任一项所述的系统，该系统包括一将该发动机绝热的装置。

20.  一种从活塞式发动机中可控制地产生机械能的方法，所述活塞式发动机包括一个活塞，该活塞与一汽缸滑动接合以限定一个可在一相对最小容积和一相对最大容积之间变化的腔室，所述方法包括以下步骤：
(i)当该腔室基本具有该相对最小容积时，将水蒸汽送入该腔室；
(ii)当该腔室基本具有该相对最小容积时，将氢送入该腔室；
(iii)之后，在该腔室具有该相对最小容积时，将热空气送入该腔室；
从而，热空气与水蒸汽和氢在腔室内相互作用引起氢和水蒸汽在该腔室内的膨胀，从而驱动一活塞下行。

21.  权利要求21所述的方法，该方法包括在权利要求20中的步骤(i)之前在该腔室内生成热空气的步骤。

22.  权利要求21所述的方法，其特征在于，相对不热的空气在成为热空气之前经由一进气阀门从一外部气源被送入该腔室。

23.  权利要求22所述的方法，其特征在于，该相对不热的空气是基本不含水份的。

24.  权利要求22或23中的任一项所述的方法，其特征在于，在该活塞相对于该汽缸的下冲程开始时，该相对不热的空气从外部气源被送入该腔室。

25.  权利要求22至24中的任一项所述的方法，其特征在于，热空气通过该活塞在汽缸内的一个上冲程运动压缩相对不热的空气而在该腔室中形成。

26.  权利要求25所述的方法，其特征在于，当上冲程过程中通过在该活塞和汽缸之间的压缩来形成热空气时，该热空气经由一设置在可释放可密闭储存罐上的开启的阀门被推入该可释放可密闭储存罐，此后该阀门被关闭以暂时地将热空气密封在该储存罐内。

27.  权利要求20至26中的任一项所述的方法，其特征在于，将水蒸汽送入该腔室的步骤包括当活塞在该汽缸内开始下冲程时将水送入该腔室。

28.  权利要求20至27中的任一项所述的方法，其特征在于，将氢送入该腔室的步骤包括一事先产生氢的步骤。

29.  权利要求28所述的方法，其特征在于，该产生氢的步骤包括一电解水的步骤。

30.  权利要求20至29中的任一项所述的方法，其特征在于，权利要求20中的步骤(iii)在步骤(i)开始后大约10毫秒内发生。

31.  权利要求20至30中的任一项所述的方法，该方法包括当该腔室内的水蒸汽已经基本停止膨胀时将水蒸汽废气经由排气门从该腔室排空的步骤。

32.  权利要求31所述的方法，其特征在于，一压力传感器被用于探测该腔室内的水蒸汽何时已经停止膨胀。

33.  权利要求20至32中的任一项所述的方法，该方法包括使用一微处理器来自动操作以下至少一项：
-排气门；
-进气阀；
-水蒸气进气阀

一种发动机
技术领域
本发明涉及发动机，具体而言，涉及蒸汽发动机。
背景技术
现有技术下的发动机从热能中产生机械能。例如，常见的机动车辆通过汽油在汽缸和活塞推动装置中的燃烧来获取机械能。
这种发动机的问题在于它们运转时需消耗汽油之类比较昂贵的化石燃料。汽油燃烧所产生的废物也通常对人类和环境有害。
蒸汽机试图通过其更为低廉的价格和对环境更为友好的方式来取代汽油机。然而，问题是如何更有效地持续利用活塞-汽缸装置中蒸汽膨胀所产生的动力。
发明内容
本发明设法提供可以缓和上述现有技术中存在的一个或几个问题的方法和设备。
本发明涉及几种不同的概括形式(broad form)。本发明的实施方案可以包括本说明书所描述的不同的概括形式中的一种或者任意组合。
在第一概括形式中，本发明提供了一种用于从活塞式发动机可控制地产生机械能的系统，其中该系统包括：
一个活塞，该活塞与一汽缸滑动接合以限定一个可在一相对最小容积和一相对最大容积之间变化的腔室；
当该腔室基本具有该相对最小容积时将水蒸汽送入该腔室的装置；
当该腔室基本具有该相对最小容积时将氢送入该腔室装置；
当该腔室基本具有该相对最小容积时将热空气送入该腔室的装置；
优选地，该水蒸汽供应装置包括一用于储存第一供水的水容器，以及一水蒸汽喷嘴，水蒸汽可以经由该水蒸汽喷嘴从水容器进入该腔室。优选地，当水在压力作用下被注入到具有相对最小体积的腔室内时，可以在该腔室内转化成水蒸汽。典型地，水蒸气在被送入腔室前经过预热至接近沸点。
优选地，氢可以通过电解的方法产生。优选地，本发明包括一内部置有第二供水的气密容器。典型地，该气密容器包括一玻璃材料。同样典型地，该第二供水可以是热的。优选地，一阴极和一阳极分别连接到电源的负极端和正极端，并插入到该气密容器内的第二供水中。电流能够流过该第二供水，并由此能够在阴极产生氢气，在阳极产生从水电解而来的氧气。优选地，该气密容器与该腔室通过一阀门相连，本发明实施时受控供给的氢可由此阀门进入腔室。
优选地，本发明包括一可释放可密闭储存罐，其适于在热空气被释放进腔室前暂时储存热空气。优选地，该可释放可密闭储存罐包括一阀门和一个可以自动激活该阀门开关状态的装置。典型地，该阀门可以包括一电磁阀。典型地，该电磁阀的自动控制可以通过一个与该电磁阀相连的经过预编程的微控制器来实现。
还优选地，本发明包括一用于产生热空气的装置，该热空气将在腔室内与水蒸汽和氢混合。典型地，本发明包括一进气喷嘴，空气经过该进气喷嘴可进入腔室。优选地，进入该腔室的空气基本上不含水份。
典型地，该产生热空气的装置包括一活塞和汽缸装置，该活塞和汽缸装置适于压缩置于该腔室内的相对不热的空气，使其被加热。优选地，当空气在腔室内被压缩时，经压缩和加热后的空气通过活塞相对于汽缸活塞的上冲程运动被推入该可释放可密闭储存罐中。优选地，该可释放可密闭储存罐的阀门在腔室内的空气被压缩时可自动开启，从而允许热空气被推入可释放可密闭储存罐。一旦该热空气被基本推入该储存罐，热空气储存罐的阀门随后自动关闭，使热空气得以暂存在储存罐里。
优选地，本发明还可以包括一设置在该可释放可密闭储存罐内的加热元件，该加热元件可以进一步提高或者至少保持储存罐内空气的温度。典型地，该加热元件包括一有电流通过的电阻丝。同样典型地，该热空气可以具有至少大约500摄氏度的温度。在本发明的特定实施方案中，可释放可密闭热空气储存罐可临近水容器放置，这样，来自热空气储存罐的热流可以提升该水容器内的水温。
优选地，本发明包括一循环装置，用于实现水从腔室到水容器的循环，所述循环装置包括一设置在腔室上的排气门，腔室内的水经由该排气门可被排空。通过该排气门从腔室排出的水在从该排气门到该水容器的传输过程中发生凝结。
优选地，本发明包括一压力传感器，其适于探测水蒸汽何时在腔室内基本停止膨胀。更优选地，该传感器输出可以作为一触发器，该触发器用于在水蒸汽基本停止膨胀时开启排气门。例如，传感器输出可以通过微控制器与排气门连接。
典型地，该排气门在活塞下冲程进行到一半之前被开启。有利地，该传感器参与该排气门的适时开启，借此可以缓减空气、水蒸汽的收缩，和/或腔室内水蒸气在停止膨胀后的温度降低。
优选地，本发明包括一将该发动机绝热的装置。例如，这一装置可以包括一适于围绕该腔室的保温外壳。
在第二概括形式中，本发明包括一种从活塞式发动机中可控制地产生机械能的方法，所述活塞式发动机包括一个活塞，该活塞与一汽缸滑动接合以限定一个可在一相对最小容积和一相对最大容积之间变化的腔室，所述方法包括以下步骤：
(i)当该腔室基本具有该相对最小容积时，将水蒸汽送入该腔室；
(ii)当该腔室基本具有该相对最小容积时，将氢送入该腔室；
(iii)在其后当该腔室基本具有该相对最小容积时，将热空气送入该腔室；
从而，热空气与水蒸汽和氢在腔室内相互作用引起氢和水蒸汽在该腔室内的膨胀。
优选地，本发明包括在该腔室内产生热空气的初始步骤。更优选地，该步骤在上述步骤(i)之前。也优选地，这一步骤包括：在水蒸汽被送入该腔室之前，以及典型地，当该活塞运动通过第一个下冲程时，将相对不热并基本不含水分的空气经由设置在该腔室上的进气阀引入到该腔室中。典型地，进入腔室的相对不热的空气被腔室内活塞的回复上冲程运动所压缩和加热。优选地，当汽缸内的空气被活塞压缩时，该热空气被推进可释放可密闭储存罐。典型地，该可释放可密闭储存罐包括一该腔室的子隔室(sub-compartment)。
优选地，本发明包括产生氢供应的步骤。典型地，这一步骤在步骤(i)之前开始，用以产生适当量的氢。典型地，这一步骤是始终进行着的，以获得一持续的氢供应。
更优选地，该产生氢的步骤包括在容器中进行水的电解的步骤。优选地，本发明包括一内部置有第二供水的容器。典型地，该容器可以包括一玻璃材料。同样典型地，该第二供水可以是热的。优选地，一阴极和一阳极分别连接到电源的负极和正极，并插入到该容器内的第二供水中。电流能够流过该第二供水，由此能够在阴极形成氢，同时阳极的水电解生成氧气。优选地，一阀门将容器与腔室连接，以便于本发明实施时受控供给的氢被送入该腔室中。
优选地，将水蒸汽送入汽缸的步骤在该活塞相对于该汽缸的第二个下冲程开始时发生。
优选地，上述步骤(ii)基本紧接着上述步骤(i)开始之后发生。
优选地，本发明还包括在活塞相对于汽缸的第二个上冲程运动中将从腔室内出来的水蒸汽废气经由排气门排空。典型地，这一步骤还包括使用一微控制器来自动激活该排气门的开启。
附图说明
通过以下对本发明的一个优选但非限定性的实施方案的详细描述及相关图示，可以更完全地理解本发明，其中：
图1示出了本发明的第一实施方案，其中基本不含水分的空气已经被送入一腔室中，该腔室由共同接合的活塞和汽缸形成，图示中活塞的第一个下冲程已经完成。
图2示出了本发明的第一实施方案，其中腔室内的空气已经被活塞的上冲程运动所压缩，并且该压缩后的空气被可释放地储存进位于腔室顶部的可释放可密闭储存罐内。
图3示出了本发明的第一个实施方案，其中水蒸汽和氢被送入该腔室。之后，可释放可密闭储存罐内的热空气也被送入该腔室，该热空气促使氢和水蒸汽膨胀驱动活塞下行。
图4示出了本发明的第一个实施方案，其中图3所述的下冲程和其后的回复上冲程已经完成，并且该排气门处于开启状态以使水可以被排出。
具体实施方式
图1至4示出了发动机(1)的第一实施方案，该发动机(1)包括一活塞(7)，该活塞(7)与汽缸(12)滑动接合以限定一个可变容积的腔室(6)。连杆(8)从活塞(7)延伸并通过一凸轮轮廓(10)可旋转地与曲轴(11)接合。
该第一实施方案还包括一水储存罐(15)、一水蒸汽喷嘴(5)、一进气阀(2)和一排气门(4)，其中，该水储存罐(15)用于储存供水，水蒸汽能够经由该水蒸汽喷嘴(5)从水储存罐(15)进入该腔室(6)，基本不含水分的空气能够经过该进气阀(2)进入该腔室(6)，该腔室(6)内的容纳物能够通过排气门(4)被排空。该进气阀(2)和排气门(4)是电控的(electronically actuated)。
如图1所示，汽缸(12)上还设置一热空气储存罐(3)用于可释放地储存加热的空气。
如图1至4所示，水容器(15)临近热空气储存罐(3)放置，用于容纳供水。热空气储存罐(3)与水容器(15)的相对接近可促使部分热空气储存罐(3)到水容器(15)热传递的发生，以部分地参与水在进入腔室(6)之前的预热。在本发明的其他特定实施方案中，一独立加热元件被设置在水容器内，其作用方式与电热壶中使用加热元件来将水煮沸的方式相同。在第一实施方案中，水被送入腔室之前的温度至少临近沸点。
实施方案(1)也还包括一产生氢的装置。具体地，使用电解的方法来从置于气密容器(17)内的第二供水(18)中提取氢气。该气密容器(17)安装在汽缸(12)的上表面，以将其中产生的氢经连接阀(19)可控制地从气密容器(17)送入到腔室(6)中。储存第二供水(18)的气密容器(17)由玻璃制成。该第二供水(18)是热的。一石墨阴极(14)和一阳极(14’)分别连接到电源(20)的负极和正极并插入到气密容器(17)内的第二供水(18)中。在此实施方案中，该电源包括一12伏的电池。当电流通过该第二供水(18)时，在阴极(14)产生氢，在阳极(14’)水的电解中产生氧气。随着氢的生成，其在气密容器(17)内的水上面的空间内聚集。气密容器(17)内的氢被加压，可使氢经由连接阀(19)被排入该腔室。
活塞(7)与汽缸(12)滑动接合从而使其至少可以在第一位置和第二位置之间变化。当活塞(7)被布置在第一位置时，该腔室(6)的容积是如图2所示的相对最小值。当活塞(7)被布置在第二位置时，该腔室(6)的容积处于如图1所示的相对最大值。
在第一实施方案中，活塞(7)从第一位置朝第二位置方向的运动被称为下冲程，而活塞(7)从第二位置朝第一位置方向的运动被称为上冲程。本发明的第一实施方案包括一4冲程循环，该循环包括2个下冲程和2个相应的上冲程，该4冲程循环在下文中将进一步详细描述。
图1显示了在第一个下冲程完成之后被布置在相对于汽缸(12)的第二位置的活塞(7)。在第一个下冲程中，进气阀(2)是开启的，基本不含水分的空气被送入腔室(6)。此时排气门(4)和进水门(5)是关闭的。活塞(7)相对于汽缸(12)的向下运动在腔室(6)内产生真空，该真空促使空气向内流入腔室(6)。在本发明的其他实施方案中，可以设想的是，空气也可以在一个泵或者鼓风机的作用下被推进汽缸(12)中。进气阀(6)在活塞(7)运动通过第一个下冲程并进入第二位置(7)之前保持开启，此后，该进气阀(6)关闭从而防止更多空气进入该腔室(6)。
图2显示了在完成第一回复上冲程之后被布置在相对于汽缸(12)的第一位置的活塞(7)。本领域普通技术人员可以理解的是，凸轮轮廓(10)的转动使得连杆(8)把活塞(7)从第二位置推到第一位置。在上冲程中，该腔室(6)的空气被压缩，该压缩使得空气变热。该压缩后的空气的温度至少大约500摄氏度，不过本领域的普通技术人员可以理解的是，压缩后的空气的温度在替代实施方案中是可以变化的。在热空气容器(3)中还设置一加热元件(16)，以使得能够进一步加热储存在其中的热空气。在此实施方案中，该加热元件(16)包括能够通过电流的电阻丝。
当第一个上冲程发生时，该热空气储存罐阀门(9)被开启，以使得热空气在活塞(7)和汽缸(12)之间被压缩时挤进该储存罐。如图2所示，热空气储存罐阀门(9)其后被关闭以可释放地将该热空气封入。微控制器与热空气储存罐阀门(9)(在此实施方案中是电磁开动阀)连接。阀门(9)的开启和关闭的时间控制被预编程到该微控制器中。
第二个下冲程刚一开始时，进气阀(2)、排气门(4)和热空气储存罐阀门(9)就保持关闭，以充分防止空气进入腔室(6)。当活塞(7)位于在第一位置并且第二个下冲程开始时，容纳在水容器(15)中的水经由水蒸汽喷嘴(5)被送入腔室(6)。当活塞(7)进一步行进进入第二个下冲程时，如图3所示出的，水在腔室(6)内被汽化。大约3立方厘米的水被用于填充体积扩展为一升的腔室(6)。基本上紧接着水蒸汽被送入腔室(6)之后，气密容器(17)内产生的氢也经由连接阀(19)被注入腔室。
在水蒸汽被注入腔室之后大约10毫秒，并且当活塞(7)也运动通过第二个下冲程，此时热空气储存罐阀门(9)被开启，热空气被送入腔室(6)。腔室(6)内的水蒸汽和提取的氢与热空气相互作用后发生膨胀，从而推动活塞(7)进一步进入第二个下冲程，或称作功冲程，此时连杆(8)通过凸轮轮廓(10)引起曲轴(11)的转动。
压力传感器(13)用于监测水蒸汽何时已经基本停止在腔室(6)内的膨胀。在第一实施方案中，膨胀停止的时间基本上与活塞(7)进行第二个下冲程时正处在第一位置和第二位置之间的中间位置上的时间重合。图3中示出活塞(7)处在气缸(12)的中间位置上。压力传感器(13)被安装在汽缸(12)内，并且通过微控制器装置与排气门(4)连接，以使得当压力传感器探测到水蒸汽已经基本停止膨胀时，微控制器传送一控制信号到排气门从而驱使排气门(4)开启。
当汽缸(7)正在完成第二个下冲程和随后的第二个上冲程时，腔室内的膨胀蒸汽经由开启的排气门(4)被排空。当第二个上冲程完成时，该排出的水蒸汽发生凝结，并从排气门(4)流入进水门(5)进行循环利用。图4示出了完成该第二个上冲程之后的发动机(1)。在替代实施方案中，也可将水作为冷却液包围发动机(1)进行循环。
本领域普通技术人员可以进一步理解的是，在第一实施方案中使用了热绝缘方式来减少水损耗。
在第一实施方案中，腔室(6)的相对最小容积被校准为大约等于热空气储存罐(3)的容积与被注入到腔室(6)中的水的体积的和。
本领域普通技术人员应该理解的是，当空气受热时有膨胀和变轻的趋势。这一过程类似于热气球操作的方式。该气球和货物的重量基本上被忽略。
由此看来，在活塞相对于汽缸的第一个上冲程中，被压缩和加热的空气会多倍于其加热前的立体容积。在快速压缩时空气的加热速度比相同空气在减压时的冷却速度快许多。为了确保在形成真空继而产生蒸汽的循环过程中排除由快速压缩加热引起的相反作用，使用了涡轮增压进气系统。这一系统一般包括使用鼓风机或涡轮机来将更多的空气推入该汽缸以用于压缩。
本领域普通技术人员可以理解的是，现有的汽油或柴油发动机能够被修改/改进以提供另一实施方案。除其他修改之外，普通发动机中的火花塞通常可以用多个类似于上述第一实施方案中的热空气储存腔室来替换，而且，现有的汽油或柴油发动机的活塞长度通常需要调整以增大压缩比。
本领域普通技术人员将理解的是，本说明书中所描述的发明在不超出本发明的范围的情况下易于做出与此处清楚描述所不同的变化和修改。所有这些对本领域普通技术人员来说很明显的变化和修改，应该被认为是属于上文所概括描述的本发明的主旨和范围内。需要了解的是，本发明包括所有这些变化和修改。本发明还包括在本说明书中所提及或指出的单独的或集合的步骤和特征，以及任意两个或更多个所述步骤和特征的任意组合和所有组合。
本发明书中所涉及的任何现有技术不是——也不应该被认为是——承认或以任何形式暗示该现有技术组成公知技术的一部分。