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提到燃烧,人们自然会想到燃料与空气中的氧气,发生激烈反应形成火焰,并释放大量热能。
那么,以水或其它液体作为惰性背景,还能发生燃烧吗?
水火不相容是众所周知的,但人们往往知其然,而不知其所以然。
水之所以能灭火,一方面因为它能阻隔氧气的源源不断流入,但更重要的是它抢夺了过多光子能量,削弱了双原子氧气分子离解为单原子氧的能力。
氧气双键的离解能为498kj/mol,不大也不小。之所以氧气与燃料混合后,需要点火才能启动燃烧,是因为需要外部触发能量,拆出第一批游离单原子氧参与反应。一旦点火完成,点火器即刻就可以收起它的神通了,因为后续反应需要的原子氧,由上一时刻反应释放的高能光子,充当可持续的“虚拟点火器”。因而燃烧本质上是一个链式反应。可喜的是整个燃烧过程,产出的能量大于点火拆解氧气所需的内部能耗,因而仍能向外部供应大量热能。
当大量水浇到火焰上,水的高热容可贪婪地吸收所有燃烧释放的光子,使得后续燃烧需要的原子氧断供,因为没有多余高能光子用于离解双原子氧气分子。
设想在冰封的气穴内充满燃料和氧气,且按完全燃烧调配混合比。用高压放电点火后,肯定燃烧不会受影响,且反应生成物水气会快速凝结成液态水,如果冰块足够冷的话,生成的液态水也会很快冻结到冰壁上面。
显然,如果改用静态水液,形成大的气穴比冰难得多。但如果让水高速流动起来,把按比例混合好的燃气裹挟进来,形成大量微气泡,在流程沿途越裹越紧,直到气泡直径至少压缩3倍以上,想想看会发生什么?
我们知道柴油机的气缸体积压缩倍率,即行话所说的压缩比,约为20倍。压缩冲程完毕时,气缸内温度至少400度以上,超过柴油的引燃温度,因而柴油的点火不象汽油那样需要火花塞,而是靠简单的压燃。
再回过头看前面提到的气液两相流。直径压缩3倍,意味着体积压缩了3*3*3=27倍,显然这时气泡内温可以自燃任何常规化石燃料。
能点燃是一回事,能否持续燃烧就是另外一回事。如果气泡直径压缩比维持在3倍,因周围水对光子的贪婪吸收,蚕食了链式持续离解出氧原子的能量,有可能导致熄火。
所幸在射流器非平衡工况下,气泡可以被持续压缩,且比用活塞压缩轻松多了,轻易压缩百倍千倍。流体力学的观测实验早就证实:空化泡溃灭引起的局部极限温度可达5000度以上,压力可达1000个大气压以上!有些科学家甚至基于此特性,研究超声空化声致发光。例如刘岩教授就是这方面的专家。
因而,不似通常以水毯覆盖火苗那样的灭火效果,这里描述的射流沉浸式燃烧是可以持续的。尽管微穴被水围得水泄不通,但燃烧过程绝大部分能完全进行。水气生成物就地凝结吸收,二氧化碳基本不溶于水,该咋地就咋地,最后随射流逸出排放。
沉浸式燃烧将在射流器的混合区产生强劲的超声激波,喷出后撒野奔向水轮机,将燃烧释放的能量转化为动力扭矩。
排气管消音器排出的只有干净的二氧化碳和氮气,其它燃烧产物:水气和二氧化氮被水体吸收。因而系统水箱总量会随射流引擎运行时间而增长,且逐渐趋于酸性:因为NOx吸收后生成了硝酸。
伴随而来的问题是:这种发动机的水箱、缓冲池、水轮叶片需要考虑耐酸腐蚀。
如果用纯氧和纯氢气1:2摩尔数混合当燃气,因仅有唯一的水气产物,直接凝于水体得了,因而不再要排气管,且开放式水轮机可换成体积紧凑的液压马达,酸腐蚀的烦恼也一扫而光。
基于这一前沿技术开发的引擎,其另一重要特点就是不挑食:汽油、柴油、液化气等一股脑通吃,仅需要改变空然比和化油器参数(如果液体燃料的话)。这是现有四冲程发动机望尘莫及的。
总之,这种焕然一新的燃烧新技术堪称 水与火的贴面热舞!
申请专利后,目前我正寻求发动机生产厂家的协作,希望将此类发动机尽快用到家用轿车。它的另一个受用户欢迎的特点是汽油柴油通吃,转换时仅需适当调整燃气比等参数。
下图为原理示意图:
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