內(nèi)容摘要：世界機械史的發(fā)展歷程與人類文明發(fā)展是緊密聯(lián)系的，每一個時期的動力機械都有各自的特點，都曾使得人類的社會飛躍發(fā)展，但也給人類社會帶來能源危機、環(huán)境污染、地球變暖等一系列問題。本文提出一個新的觀點和技術路線，對現(xiàn)代機械，特別是動力機械的能量來源、用能方式、工作介質進行調整，相信這種變革的時機已經(jīng)成熟，也一定能為徹底解決人類目前面臨的這一系列問題帶來希望！
以下是《即將來臨的一次動力機械變革》報告全文：
一：動力機械發(fā)展和能源利用歷史
世界機械的發(fā)展與人類的文明緊密相連，根據(jù)人類文明的發(fā)展，世界機械的發(fā)展史可分為三個階段：從公元前7000年城市文明的出現(xiàn)到公元十七世紀末為機械的起源和古機械發(fā)展階段，從十八世紀到二十世紀初為近代機械發(fā)展階段，由二十世紀初到現(xiàn)在，為現(xiàn)代機械發(fā)展階段。每一個階段的機械都有各自的特點，都曾使得人類社會發(fā)展進入新的階段。
1、動力機械起源和古機械發(fā)展階段
據(jù)世界考古家發(fā)現(xiàn)，公元前7000年，在巴勒斯坦地區(qū)猶太人建立杰里科域，城市文明首次出現(xiàn)在地球上，最早的機械——此時誕生的車輪是人類重要的發(fā)明之一，正是由于車輪的誕生，才使車成為人類重要的交通工具。
15～16世紀以前，機械工程發(fā)展緩慢。但在以千年計的實踐中，在機械發(fā)展方面還是積累了相當多的經(jīng)驗和技術知識，成為后來機械工程發(fā)展的重要潛力。動力是發(fā)展生產(chǎn)的重要因素。17世紀后期，隨著各種機械的改進和發(fā)展，隨著煤和金屬礦石的需要量的逐年增加，人們感到依靠人力和畜力已經(jīng)不能將生產(chǎn)提高到一個新的階段。
2、近代動力機械發(fā)展階段
1776年，瓦特制造出第一臺有使用價值的蒸汽機，以后又經(jīng)過一系列重大改進，使之成為“萬能的原動機”，在工業(yè)上得到廣泛應用，人類進入了“蒸汽時代”。自此機械的原動力以煤炭為主，強大的動力帶來了一系列需要大推動力機械的誕生：汽車，割麥機，鐵船等。蒸汽機的發(fā)明和發(fā)展，促進礦業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、鐵路和搬運機械動力化。幾乎成為19世紀唯一的動力源。
1834，第一臺實用電動機誕生，電動機進入了實用化階段，人類進入“電力時代”。1838年，俄國的雅克比用蓄電池給直流電動機供電以驅動快艇，這是首次使用電力傳動裝置。1860年，法國的額努瓦制成第一臺實用的煤氣機。1862年和1865年先后造出中國第一臺蒸汽機和第一臺木質蒸汽機船。
從這個時期開始，人類開始利用各種直接能源物質（如煤炭、石油）和轉換獲得的間接能源載體（如電力），開始消耗地球千百年來積累自然資源，也開始一點點的破壞環(huán)境，排放各類污染物。
3、現(xiàn)代動力機械發(fā)展階段
19世紀末，電力供應系統(tǒng)和電動機開始發(fā)展和推廣。20世紀初，電動機已在工業(yè)生產(chǎn)中取代了蒸汽機，成為驅動各種工作機械的基本動力。發(fā)電站初期應用蒸汽機為原動機；20世紀初，出現(xiàn)了高效率、高轉速、大功率的汽輪機，也出現(xiàn)了適應各種水力資源的大、小功率的水輪機。19世紀后期發(fā)明的內(nèi)燃機經(jīng)過逐年改進，成為輕而小、效率高、易于操縱并可隨時啟動的原動機。內(nèi)燃機最初用于驅動沒有電力供應的陸上工作機械，以后又用于汽車、移動機械（如拖拉機、挖掘機械等）和輪船，20世紀中期開始用于鐵路機車。內(nèi)燃機和以后發(fā)明的燃氣輪機和噴氣發(fā)動機，還是飛機、航天器等成功發(fā)展的基礎技術因素之一。
在動力機械飛速發(fā)展之下，大量動力機械應用給自然環(huán)境帶來了嚴重的破壞，熱能排放、溫室氣體排放、煙塵顆粒物排放等環(huán)境污染，帶來地球變暖、海平面上升、氣候變壞等問題，嚴重危害人類自身以及其他生物的生存，而各種數(shù)百、上千萬年積累的化石能源物質資源也消耗殆盡。
人類社會高速的發(fā)展背后是一個如此“污染”的世界，但人類又離不開動力機械，動力機械已經(jīng)能為人類社會不可或缺的一部分。人類希望動力機械的發(fā)展會越來越好，但同時必須減少對環(huán)境的影響，實現(xiàn)資源循環(huán)利用、再生利用，才能為人類社會的發(fā)展做出更大的貢獻。
二：動力機械能源現(xiàn)狀成因分析
人類使用能源物質的基本理論是設法利用熱能轉換為動能。熱能的本質是物體內(nèi)部所有分子動能（包括分子的平動能和轉動能）之和，內(nèi)能通常是指物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動的動能與分子間勢能的總和。包括物體內(nèi)部所有分子的動能之外，還包括分子間勢能的總和?，F(xiàn)代的質能守恒定律在能量守恒定律基礎上又前進一步，使得人類可以利用原子能。
由于技術理論、工業(yè)基礎等綜合因素限制，一開始人們只能利用分子、原子間勢能的變化來獲得熱能，采用氧化反應和其它化學反應得到的熱能讓水蒸氣、空氣等工作介質受熱膨脹，輸出動力。
近三百多年的動力機械發(fā)展史，讓人們習慣于用“高溫”來獲得動能輸出，不論是內(nèi)燃機、外燃機、火箭發(fā)動機等等，幾乎無一例外。包括現(xiàn)在的核動力裝置，也就是設法依靠核反應產(chǎn)生的熱量，讓工作介質達到高溫、膨脹來輸出動力。
三：動力機械變革的出路
形成傳統(tǒng)的動力獲取的基本理念有歷史原因。要想徹底改變目前的能源利用現(xiàn)狀，必須打破慣性思維，在堅持基本的能量守恒、質能守恒定律的基礎上，找出一條獲取能量、利用能量、再利用能量的新思路。
1、膨脹工作溫段調整
我們?nèi)匀徊捎媒橘|受熱膨脹做功輸出動力的原理，但是將工作的溫段不要僵化在攝氏高溫幾百、上千度的范圍。攝氏溫標是為了方便人們生活，以水作為參照物標定；熱力學則應用開氏溫標來研究問題，只要不是絕對零度，物質就都有熱能可供利用。只要有一定溫差實現(xiàn)升溫，熱能是一樣的，轉換出來的動力也是一樣的。
2、拓展熱源范圍
只要不是絕對零度，物質都有熱能，而且熱能能自動從高溫向低溫物質轉移。如果我們的動力機械溫度設計的膨脹做功初始溫度較低，那么相對較高的物質都有能力給它轉移熱量，用于轉換為動力。相對于液態(tài)空氣，自然界常溫的空氣、河水、海水，都是“高溫”的物質，都可能成為給它加熱的“熱源”、能量的提供者，成為能源物質了！
3、多學科技術成果交叉應用
充分挖掘這１００多年來科技進步的成果，打破傳統(tǒng)思維，把材料科學、空氣動力學、熱力學、信息科學等多學科的成熟技術成果，應用到動力機械的創(chuàng)新中，讓古老的動力機械來一次涅槃重生、脫胎換骨。
四：動力機械變革已有的進展
近年來，人們已經(jīng)感覺到可以采用某些方式實現(xiàn)自然界空氣、水、土壤等物質中已有熱能的再利用。比如空氣源、地源、水源、污水源熱泵等等，只是沒有進一步應用到動力機械、能源輸出領域。
把自然界熱量和浪費掉的熱量充分利用的技術實踐也不是沒有人去探索，只是因為沒有大膽的變革和系統(tǒng)的思考，所以取得的進展并不大。我們舉幾個例子：
1、飛機噴氣發(fā)動機用噴水的方式實現(xiàn)加力
這方面的一個經(jīng)典就是美國的越戰(zhàn)空中主攻手F105攻擊機，它專門在尾部設有一個200來升的水箱對發(fā)動機噴水以獲取短時最大加力推力。這種噴水加力的作用就是提高發(fā)動機噴氣質量（M），進而提高發(fā)動機的推力。與此類似，原蘇聯(lián)的米格25也采用對發(fā)動機噴射酒精來提高發(fā)動機的推力。 這種噴水加力的效能有限，能提高百分之十的推力。
大家都知道，噴氣發(fā)動機的推力和噴氣質量、噴氣速度有關，和最終噴出氣體溫度無關。噴水，可以讓噴出的火焰瞬間把水加熱到氣態(tài)，體積急劇膨脹，會以更高的速度和原有的噴氣一起噴射出去。獲取額外動力。
進一步分析，美國噴水的方案，因為水的汽化熱太高，熱浪費太多，不是好方案；蘇聯(lián)噴酒精，汽化熱約是水的一半，也不低，但是有可能和發(fā)動機噴氣中剩余氧氣反應燃燒再產(chǎn)生熱，繼續(xù)膨脹。
用本文的理論，則應該噴液態(tài)空氣，原因是其汽化熱是水的近8分之一；成本低廉（制備時0.3KwH/Kg）約合每公斤1角錢。它能充分利用尾噴管熱量物理氣化膨脹，輸出更大推力的同時，還使得飛機紅外特性大大降低。應該成為噴氣發(fā)動機的輔助“燃料”使用。
2、壓縮空氣動力發(fā)動機
十多年來，國內(nèi)外有不少人研究用壓縮空氣作為動力推動各種發(fā)動機輸出動力。這項工作的初衷不是節(jié)能減排，是儲能再利用、清潔動力。國內(nèi)目前已經(jīng)有近十多個企業(yè)在研究壓縮空氣動力車的產(chǎn)業(yè)化。有多個國內(nèi)廠家已經(jīng)有原理樣車甚至小批量投入試驗運行。
因為出發(fā)點不同，這些應用方案就僅僅局限于壓縮、膨脹、儲能、放能過程的探究，沒有系統(tǒng)考慮能量綜合利用，以及如何提高壓縮膨脹全過程的能量利用效率。壓縮空氣動力車提出的方案也五花八門，說不清哪一種方案能有絕對優(yōu)勢、為什么有絕對優(yōu)勢。有人批評這種方案綜合能量利用率，因為綜合考慮發(fā)電、壓縮充氣、氣動發(fā)動機做功，綜合燃料能效不到6%，自然不經(jīng)濟，再加之儲能密度不高、續(xù)航能力也不足，不值得研究和推廣。
但是利用本文的理念，我們提出一個用液態(tài)空氣作為“工質”的系統(tǒng)方案。首先制備液態(tài)空氣的過程是熱泵制冷輸出熱能的過程，可以用熱泵技術得到高溫熱水或蒸汽輸出利用，“副產(chǎn)品”就是被“冷卻”成液體的液態(tài)空氣；使用中從液態(tài)空氣汽化開始，就從環(huán)境空氣中吸熱獲取能量，再用四沖程內(nèi)燃機原理，在“吸”、“壓”沖程吸收空氣、缸體的熱能，在預先氣化后的低溫高壓空氣噴入后能達到較高溫度、更高壓力，實現(xiàn)高壓膨脹做功。做功過程降溫、減壓，以較低溫度、壓力排放到環(huán)境中。
這樣的發(fā)動機只有制備液態(tài)空氣的時候確實消耗了能源（比如電能），但是也輸出了部分熱水、蒸汽；做功過程的能量全部來自環(huán)境空氣熱能（輪船則可以來自于水），整體針對燃料消耗計算能效會大于100%，遠遠大于6%！而且整個過程是空氣的物理狀態(tài)氣體-液體-氣體變化，沒有污染排放、沒有熱排放，甚至可以吸收中和城市熱島中其它燃料汽車排放的熱能再利用，完全不用消耗石化燃料，把節(jié)能減排、循環(huán)利用可以做到極致！
如果用“液態(tài)空氣”工質吸收的熱能和燃料燃燒產(chǎn)生的熱能作為混合動力熱能來源，可以利用內(nèi)燃機排放的熱能解決寒冷地區(qū)工作的問題，同時充分發(fā)揮燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，也讓發(fā)動機實現(xiàn)零熱排放，能效提高，環(huán)保指標提高，大幅度節(jié)省燃料，一舉多得！
3、乳化加水柴油
前些年加水的乳化柴油項目起起落落，一直沒有的到很好地推廣應用。究其原因，也是沒有研究透徹加水的機理和目的。其實現(xiàn)在分析就容易得出結論，柴油機壓縮比大，工作溫度高，排放余熱也較高，浪費的熱量可以讓乳化柴油中混入的少量水汽化，物理膨脹，體積放大幾百倍增加壓力、減少熱量直接損耗，提高效率。
原理清楚以后，應該進一步考慮采用不會引起腐蝕、汽化熱較低、成本合理、容易燃料混合、不影響燃燒過程的物質達到同樣的目的，改善發(fā)動機的性能，提高目前的柴油機效率。
4、無葉片風扇
空氣動力學里面有個科恩達效應，即采用某種結構后用一份高壓氣流可以帶動幾倍、甚至上百倍氣體一起運動。這個概念誕生很久了，但是只有到了2011年才有人用這個理論報了“無葉片風扇”專利，現(xiàn)在市面上才有無葉片風扇，就是一個完全沒有旋轉的葉片的空心框框，就能吹出大流量的風！但是還沒有流行開。工業(yè)領域這一年多來，也才出現(xiàn)一個空氣放大器，可以節(jié)約90%以上的壓縮空氣，但也僅僅用于吹塵、吸塵工況。創(chuàng)新一下，這個空氣放大器是不是可以用在抽油煙機、家用吸塵器、道路清掃、除雪機械，代替汽車渦輪增壓、代替飛機發(fā)動機的壓氣機等等，前途真的無可限量！
五：動力機械能源利用未來展望
針對目前的現(xiàn)狀，未來動力機械改進首先涉及的就是動力的能源利用問題，預計將會實現(xiàn)以下幾個應用變化：
1、能源充分利用
讓原有的內(nèi)燃機、外燃機、火箭發(fā)動機等各種動力機械，把它們原來浪費的和輸出動力無關的熱能盡可能設法利用起來，讓某些介質吸熱膨脹繼續(xù)做功；
比如采用液態(tài)空氣-燃料混合動力發(fā)動機，利用一般內(nèi)燃機的浪費的大量熱能，加熱液態(tài)空氣使之物理膨脹做功，將一般發(fā)動機的燃料熱能利用率大幅度提高，環(huán)境熱排放大幅度降低，從而減少人類在同等動力需求情況下對石化燃料等能源物質的消耗。
2、能量循環(huán)利用
對于自然界已有的環(huán)境熱能，通過調整工作介質、工作溫度段落、換熱方式等手段實現(xiàn)循環(huán)再利用，環(huán)境熱能成為動力機械的能量、熱量來源，就能讓地球的能源取之不盡用之不竭。如通過對目前各種內(nèi)燃機、噴氣機等膨脹機稍加改動，直接使用液態(tài)空氣作為膨脹介質，就可以利用人類自然界各種物質具有的熱能，比如空氣、環(huán)境水、太陽能等。實現(xiàn)在較低溫度就可以進行“膨脹做功”，輸出動力。
這種變革從原來我們內(nèi)燃機工作的介質空氣免費獲得，能源物質汽油需要生產(chǎn)制備、消耗，改變?yōu)槟茉磥碜杂诳諝?、土壤、水、廢熱，工作介質液態(tài)空氣需要制作。這樣的改變，從有限的石化燃料變?yōu)檠h(huán)利用的取之不盡的能源、用之不竭的空氣。角色交換，能源物質的價格成本和工作介質的制造價格和成本也大不相同，實際使用過程中也使得綜合成本大幅降低。
3、熱能綜合利用
這些使用液態(tài)空氣的新型動力機械，從全部生產(chǎn)、使用、排放過程中熱能實現(xiàn)綜合利用、完全利用， 系統(tǒng)達到盡可能高的能效比，實現(xiàn)盡可能低的綜合環(huán)境化學物質、熱能的排放，幾乎沒有化學變化，只有物理“相變”，做到真正的“0”排放。
制作液態(tài)空氣這個“新的”工作介質是一個制冷過程，使用的是“熱泵”，生產(chǎn)過程能把“泵取”的熱能，轉移到水或其它介質，實現(xiàn)“鍋爐”的作用，輸出等值的熱能供人類使用，失去熱量的空氣變成液態(tài)。這個過程已經(jīng)可以實現(xiàn)近乎100%的能效比；后續(xù)液態(tài)空氣吸收自然界其它沒有成本的熱量所做的功，都是“額外”的收獲，相對人們投入的一次能源來計算綜合能效比會大于100%！
4、儲能再利用率提高
人類目前對于電網(wǎng)在用電低谷的“垃圾電”采用的所有方式都只是簡單的“儲能再釋放”，存儲和釋放的能效比不可能大于100%，有些甚至效率極低。而采用液態(tài)空氣作為儲能介質，儲能（制備液態(tài)空氣）的過程會集中產(chǎn)生熱量，可以利用；吸收環(huán)境空氣熱能、環(huán)境水資源熱能、工業(yè)各種廢熱后沸騰氣化膨脹，釋放能量發(fā)電的時候，發(fā)出的電能則幾乎是從自然界回收“新增”的能量，從消耗石化燃料的角度考慮能效比則有可能遠遠大于100%，同時還具有全過程環(huán)境零污染的特點，具有儲能效率高、介質可以移動、規(guī)模大小靈活、冷熱電水同時供應、安全性高、成本低等優(yōu)點，幾乎“十全十美”，是儲能系統(tǒng)的終極、最佳解決方案！
5、熱能再生利用
利用熱泵技術，高效率將低品位能量搬運到高品位溫段，實現(xiàn)低溫到高溫的“熱轉移”，進而做功。熱泵技術已經(jīng)成熟使用近百年了，但是一直沒有引起人類的真正重視，現(xiàn)在我們應該發(fā)起一場用能理念的革命，需要能源不要只考慮消耗能源物質轉化，可以優(yōu)先采用熱泵設備從自然環(huán)境中搬運、借用獲得，消耗的“搬運費”能耗只有幾分之一甚至幾十分之一，然后當數(shù)量、質量不足的部分再通過消耗能源物質補充，就能大大降低直接能源消耗，在各行各業(yè)實現(xiàn)高耗能環(huán)節(jié)的大比例節(jié)能！這項技術已經(jīng)突破所謂溫升的“瓶頸”，溫度達到180攝氏度或更高，完全能滿足一般工業(yè)領域的各種基本熱量消耗需求，前景廣闊！也會幫助動力機械進一步實現(xiàn)能源、熱量的完全利用和高效“放大”利用！
六：動力機械產(chǎn)業(yè)變革展望
采用液態(tài)空氣做工作介質，是結合空氣動力學等多學科成果產(chǎn)生的新動力，雖然還是膨脹機老原理實現(xiàn)機械動力輸出，但是現(xiàn)有的各種汽車、飛機、火箭的動力原理、動力系統(tǒng)幾乎不變或者只需要簡化，和以前的所有通過追求“高溫膨脹”做功的機械，由于工作溫度大大降低，甚至維持在常溫下工作，材料耐高溫要求、抗熱疲勞、散熱系統(tǒng)復雜性等要求大幅降低，當然會引起汽車發(fā)動機、飛機發(fā)動機、輪船發(fā)動機、火箭發(fā)動機等機械動力裝置從材料、加工、使用維護等各個方面革命性的變化。一旦繞開材料、工藝、加工能力的掣肘，就能使得我們和發(fā)達國家的某些重大科技差距化為烏有，實現(xiàn)我國機械動力的跨越式發(fā)展！
同時，制作工藝、制造裝備、制作技術都沒有大的改變，甚至標準要求下降，原有產(chǎn)能、原有體系均可以馬上轉變適應，大量的現(xiàn)有機械也可以改造利用，現(xiàn)有的機器、設備、廠房、裝備都無需改變，在實現(xiàn)節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的角度看，也是對人類資源的節(jié)約利用，同時也有利于節(jié)能動力機械迅速普及開來，實現(xiàn)大幅度節(jié)能減排的目標！
使用液態(tài)空氣這個新介質以后，坦克、飛機、導彈、艦艇的發(fā)熱量大大減少，原來靠熱成像工作的紅外尋的導彈、各種紅外瞄準成像系統(tǒng)、現(xiàn)有的戰(zhàn)略導彈防御系統(tǒng)都會大受影響甚至完全失效，必然會推動軍事裝備在設計、制作、功能調整、后勤保障資源等方面發(fā)生調整、變革。
本文認為，采用創(chuàng)新理念的新型動力機械比較電池動力、油電混合動力機械具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢、成本優(yōu)勢、效率優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)延續(xù)發(fā)展優(yōu)勢；它使用的能源來自于環(huán)境空氣、土壤、河流、生產(chǎn)生活排放的廢熱，具有取之不盡、能量密度大、供應穩(wěn)定、隨處可用、環(huán)境友好、成本低廉等多項優(yōu)勢，一定會得到全社會的重視，在不久的將來得到廣泛的推廣應用，給動力機械產(chǎn)業(yè)帶來新生和永生.
