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(shù)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(zhì)進行調(diào)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(shù)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(qū)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(zhì)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(zhì)（如煤炭、石油）和轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)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(qū)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(chǔ)技術(shù)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(zhì)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(zhì)的基本理論是設(shè)法利用熱能轉(zhuǎn)換為動能。熱能的本質(zhì)是物體內(nèi)部所有分子動能（包括分子的平動能和轉(zhuǎn)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。現(xiàn)代的質(zhì)能守恒定律在能量守恒定律基礎(chǔ)上又前進一步，使得人類可以利用原子能。
由于技術(shù)理論、工業(yè)基礎(chǔ)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(zhì)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(shè)法依靠核反應產(chǎn)生的熱量，讓工作介質(zhì)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(zhì)能守恒定律的基礎(chǔ)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(diào)整
我們?nèi)匀徊捎媒橘|(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)都有熱能，而且熱能能自動從高溫向低溫物質(zhì)轉(zhuǎn)移。如果我們的動力機械溫度設(shè)計的膨脹做功初始溫度較低，那么相對較高的物質(zhì)都有能力給它轉(zhuǎn)移熱量，用于轉(zhuǎn)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(zhì)，都可能成為給它加熱的“熱源”、能量的提供者，成為能源物質(zhì)了！
3、多學科技術(shù)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(shù)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(zhì)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(lǐng)域。
把自然界熱量和浪費掉的熱量充分利用的技術(shù)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(shè)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(zhì)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(zhì)量、噴氣速度有關(guān)，和最終噴出氣體溫度無關(guān)。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(zhì)”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(shù)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(zhì)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(jié)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(lǐng)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(guān)的熱能盡可能設(shè)法利用起來，讓某些介質(zhì)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(zhì)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(diào)整工作介質(zhì)、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(zhì)，就可以利用人類自然界各種物質(zhì)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(zhì)空氣免費獲得，能源物質(zhì)汽油需要生產(chǎn)制備、消耗，改變?yōu)槟茉磥碜杂诳諝狻⑼寥馈⑺U熱，工作介質(zhì)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(zhì)的價格成本和工作介質(zhì)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(zhì)、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(zhì)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(zhuǎn)移到水或其它介質(zhì)，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(zhì)，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(zhì)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(shù)，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(zhuǎn)移”，進而做功。熱泵技術(shù)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(zhì)轉(zhuǎn)化，可以優(yōu)先采用熱泵設(shè)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(zhì)量不足的部分再通過消耗能源物質(zhì)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(shù)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(lǐng)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(zhì)，是結(jié)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(shù)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(zhuǎn)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(shè)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(zhì)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(shè)計、制作、功能調(diào)整、后勤保障資源等方面發(fā)生調(diào)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.
