專利名稱：具有回收自廢熱的輔助蒸汽動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有自廢料燃燒熱獲得的蒸汽動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)，并涉及一種組合式
內(nèi)燃(i.e.)機(jī)與蒸汽機(jī)。
背景技術(shù)：
雖然內(nèi)燃機(jī)已高度發(fā)展，可靠和令人放心，但全世界幾乎所有的道路運(yùn)輸經(jīng)由輻 射、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑和排氣一般會(huì)損失約72-75%的燃料發(fā)熱量。根據(jù)Internal Combustion Engine Fundamentals, J. B. Heywood, McGraw Hill 1988第675頁，典型的6缸式火 花點(diǎn)火汽車的實(shí)測制動(dòng)馬力在72 MPH時(shí)只為燃料發(fā)熱量的21%，而在43 MPH時(shí)則只有 18%。同時(shí)，由于全球的供應(yīng)量減少，燃油價(jià)格不斷上升，而空氣污染問題則持續(xù)不變。 雖然已多次嘗試通過自廢熱回收能量來提供更高效率的內(nèi)燃機(jī)，但這些在先提案具有明 顯的缺點(diǎn)。由BMW International開發(fā)的一種現(xiàn)有系統(tǒng)(美國專利6, 834， 503)，除內(nèi) 燃機(jī)之外，其要求一種完全獨(dú)立的與內(nèi)燃機(jī)通過皮帶連接以自發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑回收能量的 蒸汽膨脹器以及一種排氣驅(qū)動(dòng)的蒸汽產(chǎn)生器(boilor)。該種結(jié)構(gòu)安排大大增加了動(dòng)力裝 置的尺寸、重量和成本，以及熱回收的定位限制。由于車輛的空間限制，全套機(jī)組的體 積和重量至關(guān)重要。Porsche AG開發(fā)了 一種與內(nèi)燃機(jī)連接的廢熱渦輪(美國專利 4,590,766)。本發(fā)明的目的在于提供一種通過高效膨脹器在閉路循環(huán)(無排氣)中不 斷地再循環(huán)蒸汽的方法，其中以工作經(jīng)濟(jì)節(jié)約為首要的考慮因素，同時(shí)還要改善內(nèi)燃燒 的排放。已經(jīng)有人嘗試結(jié)合燃?xì)夂驼羝l(fā)動(dòng)機(jī)來回收發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱，該些例子有Still發(fā) 動(dòng)機(jī)(1910年的英國專利25， 356和1912年的英國專利28， 472以及美國專利1, 324， 183) 和授予Mason的專利3,921,404。 Still發(fā)動(dòng)機(jī)具有設(shè)置在活塞下面的汽缸蓋，設(shè)置細(xì) 小環(huán)形室，讓蒸汽可從汽缸壁中的開口在汽缸蓋和活塞之間流出流入。在逆流式發(fā)動(dòng)機(jī) 中，在整個(gè)汽缸中的蒸汽壓力在整個(gè)排氣沖程期間下降至接近大氣壓力，引致蒸汽溫度 下降而令汽缸壁冷卻，使冷凝的蒸汽在下一動(dòng)力沖程時(shí)導(dǎo)入。這樣就消耗了發(fā)動(dòng)機(jī)原本可通過降低進(jìn)入蒸汽的平均有效汽缸壓力而獲得的動(dòng)力。不過，通過減少蒸汽冷凝，根 據(jù)所謂的單向流原則工作的蒸汽機(jī)的效率會(huì)比逆流式發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到的效率大得多。但在
Marks Standard handbook for Mechanical Engineers, 1987第9-37節(jié)中所述的雙作 用空心活塞單流式發(fā)動(dòng)機(jī)不適合用作組合式內(nèi)燃和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其部分原因是活塞過 熱。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種組合式內(nèi)燃和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其可克服現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)合 式發(fā)動(dòng)機(jī)的固有的熱效率低的問題，除外還具有使用內(nèi)燃部件(活塞、汽缸、連桿和曲 軸)的優(yōu)點(diǎn)以及由分擔(dān)若干內(nèi)燃機(jī)機(jī)械損耗而帶來的效率增益，并且具有緊湊型無障礙 式燃燒室，但沒有存在于F頭(對(duì)向閥)發(fā)動(dòng)機(jī)中的袋部或延展部，從而允許高性能、 高壓縮的四個(gè)內(nèi)燃閥半球形室結(jié)構(gòu)。更具體的目的是提供一種組合式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中內(nèi)燃 燒和蒸汽作用于同一活塞，在進(jìn)氣時(shí)，沒有蒸汽凝結(jié)在汽缸或活塞壁或頭部上，以便除 去前述的在現(xiàn)有技術(shù)的雙作用組合式發(fā)動(dòng)機(jī)中固有的冷凝損耗。為實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明 必須提供內(nèi)在保護(hù)，以比所謂的單流式發(fā)動(dòng)機(jī)更好或更佳的方式用低壓排放蒸汽來防止 蒸汽室壁上的冷凝。雙作用內(nèi)燃和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的重要條件是需要機(jī)制使用盡可能不增加 長度的汽缸來使發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和重量最小化。但是，還必須防止燃燒過的內(nèi)燃?xì)怏w/油污 染蒸汽而降低蒸汽產(chǎn)生器和冷凝器的效率。本發(fā)明的目的為盡可能不增加汽缸的長度來 適應(yīng)蒸汽，而不致使蒸氣被油或燃燒產(chǎn)物污染。本發(fā)明的另一大體目標(biāo)為提供一種能量 源，其可更有效地利用內(nèi)燃機(jī)本身構(gòu)成的廢熱，以致無需獨(dú)立的蒸汽機(jī)或膨脹器，就能 夠在具操作靈活性的情況下更好地回收內(nèi)燃機(jī)的廢能以及減小動(dòng)力機(jī)組的總體積及其
生產(chǎn)成本，以使發(fā)動(dòng)機(jī)充分地適用于驅(qū)動(dòng)車輛，尤其是轎車、公共汽車、卡車和機(jī)車。 本發(fā)明的更具體的目的是以組合式內(nèi)燃和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)來獲得單流式蒸汽機(jī)具有突出效 率的優(yōu)點(diǎn)，其可自作用于活塞的蒸汽和燃燒處取得動(dòng)力，且其靈活性足以在負(fù)載和蒸汽 產(chǎn)生器輸出變化大的情況下有效地工作。而另一目的是通過將燃燒熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移到在發(fā)動(dòng) 機(jī)本體內(nèi)的工作流體來更有效地回收損失的燃燒熱，以及以更有效的方式自內(nèi)燃機(jī)冷卻 劑和發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣回收廢熱。另一更具體的目的是提供一種在油和漏氣進(jìn)入蒸汽管道前將 它們捕獲和排除的方法。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種適用于汽車的組合式內(nèi)燃機(jī)，其包括燃燒 燃料來驅(qū)動(dòng)活塞的可擴(kuò)展燃燒室；以及在同一發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的由蒸汽驅(qū)動(dòng)的可擴(kuò)展室，所述蒸汽由內(nèi)燃機(jī)發(fā)出的燃燒廢熱而產(chǎn)生。在將會(huì)敘述的較佳實(shí)施例中，在每一活塞上具有 可以是半球形的燃燒室，其作用于活塞的上表面；以及在汽缸內(nèi)鄰接活塞底部且位于燃 燒室下面的蒸汽膨脹室，其具有與熱的發(fā)動(dòng)機(jī)表面鄰接的蒸汽閥門結(jié)構(gòu)，使到有可能實(shí) 現(xiàn)優(yōu)于所謂的單流式蒸汽機(jī)的高效率，以自燃燒廢熱提供額外的動(dòng)力；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于普通 逆流式蒸汽機(jī)的效率水平以及通過提供可變的蒸汽排量來實(shí)現(xiàn)在車輛內(nèi)出現(xiàn)變化的不 均勻蒸汽產(chǎn)生器壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)載荷的情況下所需的靈活性。本發(fā)明的另一方面涉及一種 將內(nèi)燃機(jī)冷卻劑和內(nèi)燃排氣內(nèi)所含的燃燒熱更有效地回收的方法，其使用排氣驅(qū)動(dòng)的蒸 汽產(chǎn)生器以及將燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的熱直接傳導(dǎo)給在與活塞鄰接的蒸汽室內(nèi)的膨脹蒸汽。本 發(fā)明的另一方面涉及一種改進(jìn)的用于產(chǎn)生蒸汽的熱回收、熱交換以及蒸汽產(chǎn)生器系統(tǒng)， 其以更好的方式構(gòu)建蒸汽膨脹室，汽缸頭，加熱蒸汽排氣區(qū)和蒸汽供應(yīng)結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu) 可作用于內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的活塞，以便更有效地節(jié)約燃料，構(gòu)成更有效的組合式氣體和蒸汽發(fā) 動(dòng)機(jī)，平衡蒸汽排量和蒸汽產(chǎn)生器輸出以便更有效地使用蒸汽，并且提供其它的在下文 將會(huì)變得明顯的特征。


通過參照以下附圖和通過范例說明并落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的幾個(gè)發(fā)明變型 的詳細(xì)敘述，將可更佳地理解本發(fā)明的這些及其它更詳細(xì)和具體的目的和優(yōu)點(diǎn)。細(xì)目標(biāo) 題是用于方便讀者，無論如何也不應(yīng)作為對(duì)本發(fā)明的限制。
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)汽缸的部分圖解的垂直截面圖，所述汽缸 的燃燒汽缸頭沿著垂直軸升高和旋轉(zhuǎn)90度以示出閥門，其中所示的活塞在上死點(diǎn)位置。
圖2所示為圖1的汽缸的下半部的放大尺寸的局部視圖，其示出在下死點(diǎn)位置的活塞。
圖3所示為十字頭和連桿的上部的透視圖。
圖4所示為沿圖3的線4-4所得的十字頭的橫向垂直截面圖，其還示出十字頭導(dǎo)柱。
圖5所示為部分的汽缸壁和在下死點(diǎn)位置的活塞的高度放大的局部垂直截面圖。圖5A所示為類似圖5的視圖，其示出附加的油環(huán)。 圖6所示為汽缸頭或蓋和活塞的分解透視圖。
圖7所示為汽缸頭或蓋的放大尺寸的局部垂直截面圖，其示出雙座式平衡提升閥。
圖8所示為另一種形式的蒸汽進(jìn)氣閥的垂直截面圖。
圖9所示為本發(fā)明用于4缸式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的蒸汽循環(huán)的示意圖。
圖9A所示為饋給補(bǔ)燃器的補(bǔ)充燃燒氣體源的示意圖。
圖9B所示為類似圖9的視圖，其示出可選擇的冷凝器和熱回收電路。
圖IO所示為根據(jù)本發(fā)明的階梯形活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直截面圖。
圖ll所示為圖IO的活塞的透視圖。
圖12所示為制動(dòng)能回收的示意圖。
圖13所示為根據(jù)本發(fā)明的閥的局部垂直截面圖。
圖14所示為用于改變工作期間的發(fā)動(dòng)機(jī)排量的控制器的示意圖。
圖15所示為汽缸蓋中心的局部垂直截面圖，其示出活塞桿密封件和十字頭。
圖16所示為一種類型的金屬密封件的透視圖。
圖17所示為另一種類型的金屬密封件的透視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖。圖l-8所示為一種組合式內(nèi)燃機(jī)和蒸汽機(jī)10，其具有包含杯狀的 筒型活塞14的汽缸12，不同于普通活塞，所述筒型活塞的外面16和里面18加工 公差，并且設(shè)置成在汽缸12的內(nèi)壁12a和固定的汽缸頭之間的環(huán)形空 間11內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)置在活塞14內(nèi)的汽缸頭包括平轂、盤形件或環(huán)形蓋20，其厚度可以例如為1/4 至l/2英吋，并且支承在整合的十字頭導(dǎo)柱20a的自由上端上，所述導(dǎo)柱通過螺栓21A 固定于曲軸箱21。盤形件或環(huán)形蓋20作為導(dǎo)柱20a的頂蓋或端蓋以及蒸汽室44的一端， 其外緣處的柱面19a作為向下延伸的軸環(huán)19的一部分，所述軸環(huán)的大小做成可在活塞 14內(nèi)形成滑動(dòng)配合，并且還具有槽以支承壓縮環(huán)20b，所述壓縮環(huán)在活塞14的內(nèi)柱面 提供滑動(dòng)密封。圖中可見，該蓋20在汽缸兩端部之間的居中位置橫貫所述汽缸。進(jìn)氣 閥48安裝在汽缸蓋20內(nèi)，介于外表面19a和汽缸蓋20的中心之間。在導(dǎo)柱20a和汽 缸12之間的空間內(nèi)包括蒸汽箱46，其含有在大體節(jié)流壓力下的高壓及高溫蒸汽，當(dāng)進(jìn) 氣閥48打開時(shí)，蒸汽進(jìn)入活塞14下面的蒸汽膨脹室44，將活塞14向上推。汽缸12 可以按要求獨(dú)立地用螺栓固定于曲軸箱59,以適應(yīng)蒸汽的溫度差異，而不是如圖所示般 一體成型。
在蓋20的頂部為將活塞桿24以密封件適當(dāng)密封的襯套22，所述活塞桿通過螺母 24a固定于活塞，所述螺母可為扳手而開槽。活塞桿滑過襯套22并且固定于連桿28以 將動(dòng)力傳遞到曲軸30。在活塞桿24的下端為具有部分柱形外表面25a的活塞式十字頭 25 (圖3)，其在支承所述蓋的導(dǎo)柱20a的內(nèi)圓柱孔27中滑動(dòng)，所述導(dǎo)柱20a作用為十 字頭導(dǎo)件以承受連桿28的側(cè)向推力。因此，可排除在大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)中常見的活塞敲缸。 十字頭與連桿通過活塞銷26結(jié)合。挑選用于活塞14和蓋20的合金，以在啟動(dòng)時(shí)提供 預(yù)定均衡的伸縮量。當(dāng)使用鋁質(zhì)活塞時(shí)，可以公知的方法用多孔鉻將內(nèi)壁18電鍍，或 者內(nèi)壁18可覆以鋼襯套(未顯示)，以提供硬的活塞環(huán)接觸面。該鋼襯套可在大部分 地方與鋁質(zhì)活塞裙部14a稍微隔開，以減少活塞內(nèi)自蒸汽的熱量損失。在工作時(shí)，在蒸 汽從蒸汽箱46通過進(jìn)氣閥48進(jìn)入活塞下的蒸汽膨脹室44來提升活塞時(shí)，活塞14的裙 部14a在汽缸壁12和蓋20之間的環(huán)形空間11內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
在活塞14的頂面14a上面的傳統(tǒng)內(nèi)燃室34在汽缸頂部由汽缸頭35封閉(所示為 與汽缸以90°偏離旋轉(zhuǎn)排列以使閥門可見)，所述汽缸頭具有進(jìn)氣閥36、排氣閥38 和排氣口37，用于冷卻劑循環(huán)的室39以及火花塞40,并可像在內(nèi)燃室34內(nèi)燃燒汽油 或其它燃料的四沖程(奧托)循環(huán)內(nèi)燃機(jī)般工作，但如有需要，其也可為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。燃燒室34由在室39處的通過汽缸12的水套12B循環(huán)的冷卻劑進(jìn)行冷 卻，所述燃燒室緊湊，無障礙以及無側(cè)室，如有需要，其甚至可以為高性能和高壓縮的
12四上置式內(nèi)燃閥半球形結(jié)構(gòu)，以避免爆燃。
在汽缸12壁內(nèi)并在其周圍幾乎成一直線延伸但略高于蓋20頂?shù)臑檎羝艢馄绻?50,其與汽缸12內(nèi)部通過相隔的蒸汽排出口 51相連通。圖2中可見，蒸汽進(jìn)氣閥48 和蒸汽排出口 51大致側(cè)向成直線地設(shè)置，但排出口處于稍高的高度。在工作時(shí)，內(nèi)燃 發(fā)動(dòng)機(jī)的通過排氣口 37排出的氣體通過將在下文敘述的蒸汽產(chǎn)生器，所述蒸汽產(chǎn)生器 通過將水或其它熱傳遞液體煮沸以產(chǎn)生蒸汽來回收廢熱，所述蒸汽自蒸汽箱46通過進(jìn) 氣通道46a， 46b進(jìn)入活塞下面的蒸汽膨脹室44。當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)位置時(shí)，排氣通過 蒸汽排氣歧管50逸入低壓蒸汽返回管道52，因?yàn)榛钊怪械呐艢饪?14b與排出口 51 成一直線(圖1)并作為自動(dòng)排氣閥，因此，這實(shí)際上在內(nèi)燃機(jī)的每一活塞14下面提供 了獨(dú)立的蒸汽機(jī)。應(yīng)該明白，所述自動(dòng)排氣閥在蒸汽室44處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)時(shí)打開和關(guān)閉。 在閉路循環(huán)中，排氣會(huì)凝結(jié)，然后加熱以及不斷地循環(huán)返回蒸汽膨脹室44，所述閉路循 環(huán)獨(dú)立于內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣和排氣，因此極少需要更換。
應(yīng)該注意到，蓋20充當(dāng)蒸汽膨脹室44的下(蒸汽)汽缸頭，密封了膨脹室，為 進(jìn)氣閥48提供支承，并形成蒸汽膨脹室44的間隙容積，將其特意保持為小的容積以確 保高效率的工作(參見圖2，所示的活塞在下死點(diǎn)位置)。通過該種結(jié)構(gòu)，蒸汽膨脹室 44的整個(gè)下端被加了汽套，包括蒸汽進(jìn)氣閥48以及蓋20的頂面，因而將它們維持在接 近蒸汽箱46的高溫，例如1000 P.S. I. @ 850° F，從而防止因蒸汽膨脹室44內(nèi)的該些 部件上的蒸汽凝結(jié)而導(dǎo)致的功率損耗。應(yīng)該注意到，排出口 51不像單流式出口，其位 于與熱的發(fā)動(dòng)機(jī)表面(即汽缸蓋20)鄰接的汽缸壁上，除了在活塞桿24的周圍，所有部 份在工作期間都由蒸汽箱46在外部加熱。當(dāng)蒸汽膨脹室44擴(kuò)張到超過其最大容積的50% 且最好是75%時(shí)，低壓蒸汽通過管道52排出。如前所述，當(dāng)蒸汽膨脹室44擴(kuò)張到約為 其最大容積的89%時(shí)，排氣裝置將會(huì)開始打開。
與常規(guī)逆流式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，圖1 8所示的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著改善的工作效率。例如， 假設(shè)在800 p. s. i.的節(jié)流壓力和10%的截止值，圖1-8所述和所示的發(fā)動(dòng)機(jī)的單流式蒸 汽率的計(jì)算值為8.2 lb./HP-Hr，而在等同的逆流式發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸汽率的計(jì)算值為11 lb./HP-Hr,所以本發(fā)明可使25%的改進(jìn)變成可能。在12. 5%的截止值下，圖1-8所示的 發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算蒸汽率為8.3 lb./HP-Hr，而傳統(tǒng)逆流式發(fā)動(dòng)機(jī)的相對(duì)值則為10.4lb./HP-Hr (有20%的改進(jìn))。由于下沖程使殘余蒸汽提升到進(jìn)氣溫度，避免了像是在單 流式發(fā)動(dòng)機(jī)中的輸入蒸汽被殘余蒸汽冷凝的情況。而效率則勝過單流式發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)椴?像在單流式發(fā)動(dòng)機(jī)中，鄰接排氣閥的活塞表面不能加熱，本發(fā)明的在高壓蒸汽箱46上 面的整個(gè)的鄰接的蓋20 (圖1)在外部被加上汽套，從而通過蒸汽箱46不斷地加熱， 以便防止輸入蒸汽的冷凝。非常重要的是，通過管道52排出的低壓蒸汽要保持遠(yuǎn)離蓋 20下面的加熱區(qū)域。為了減少熱損失，導(dǎo)柱20a的壁可以由兩個(gè)在它們中間以靜氣相隔 的同心管做成。
在過去，在圖2中22a所示的纖維軸密封件為常用于蒸汽動(dòng)力車輛的類型，其必 須定期更換，如果使用高溫蒸汽，會(huì)使其焦化。為了避免該些問題，防止冷凝蒸汽滲入 曲軸箱，并提供長的使用壽命，如果需要，可以使用如圖15-17所示的備選的金屬密封 件175與過熱蒸汽。密封件175由一種軟合金，諸如巴氏合金或其它船用蒸汽機(jī)密封件 的金屬合金制成，其無需像活塞環(huán)和軸承等等那樣要經(jīng)常更換。每一金屬軸密封環(huán)175 設(shè)有傾斜的外壁175a，其靠在設(shè)置在兩個(gè)或以上層迭的青銅環(huán)176的其中一個(gè)內(nèi)的同樣 傾斜的座176a上，其向上朝蒸汽膨脹室44敞開。軸密封環(huán)175可以分開成例如圖17 所示的四大塊，如果需要，可以具有如圖16所示的搭接。每一密封環(huán)176可以通過例 如裝在每一密封環(huán)175上的槽中的壓縮彈簧178而壓在其座上。座176a的斜度可以選 擇，以致密封環(huán)不會(huì)太緊而使過多能量在摩擦中消耗。在工作時(shí)，密封環(huán)175可以稍微 地上升離開其座并與彈簧的力量相抵?？蛇x擇地，導(dǎo)柱20a的內(nèi)壁27具有兩對(duì)向的空 氣傳遞槽，例如面向活塞銷的縱向凹槽179，其允許空氣繞十字頭自由流動(dòng)，除了導(dǎo)柱 20a的最頂端之外。金屬的密封環(huán)175因此能夠與鄰接的如圖15所示實(shí)施例提供的具 有可選擇的活塞環(huán)173的圓柱活塞式十字頭25合作，以便當(dāng)密封環(huán)下面的壓力因十字 頭25接近凹槽179上面的上死點(diǎn)位置而增大時(shí)，通過密封環(huán)使任何氣體、蒸氣或液體 返回到蒸汽膨脹室44，從而防止?jié)B漏到曲軸箱內(nèi)。如有需要，圖中所示的密封環(huán)175 和176，可以添加可額外的纖維密封環(huán)(未示出)。潤滑油通過輸油管線177施加到密 封環(huán)175和十字頭25。如有需要，可選擇地使用更傳統(tǒng)的十字頭(圖3)，其具有平面 邊以使空氣繞其流動(dòng)。為了消除曲軸箱59中任何潛在的蒸汽凝結(jié)，可將蒸汽排氣管道 52設(shè)置成與其接觸，因?yàn)閷fc油槽中的油加熱就足以驅(qū)走濕氣。
汽閥結(jié)構(gòu)至關(guān)重要的是蒸汽機(jī)組件要以使其可在較高r. p. in. s.下工作的方式來構(gòu)造，因?yàn)?燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)必需與速度約每分鐘3000英尺的活塞工作。閥門因此必須具有低質(zhì)量，并 在高r. p. m. s.下不會(huì)有浮動(dòng)的傾向。雖然可使用任何合適的蒸汽閥，圖7概略地示出一 種平衡提升閥48。該閥48為平衡雙座式提升閥，其具有兩閥面48a和48b，每一閥面 靠在其本身的座上，所述座位于蓋20內(nèi)的室46a的頂部和底部。當(dāng)閥48打開時(shí)，室44 通過室46a和通道46b與蒸汽箱46相連通。否則運(yùn)動(dòng)阻力就會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)楦哒羝麎毫?由稍微大于48a的閥面48b平衡，以致從蒸汽產(chǎn)生弱的向上力，其易于被被凸輪64(圖 2)克服。在工作期間，當(dāng)凸輪64使闊48降低，蒸汽將自蒸汽箱46通過閥室46a及通 道46b流入活塞14下面的蒸汽膨脹室44，將活塞向上推動(dòng)。如果下閥座48b的外徑為 3 / 4英吋，其主軸直徑為1/8英吋，上閥門48a的內(nèi)徑為9/16英吋以及壓力為750 lb/in2，則閥上的凈向上壓力將約為130磅再加上彈簧力。如有需要，關(guān)閉力可以進(jìn)一 步通過閥桿下端的平衡柱塞(未示出)抵消。假設(shè)下座的內(nèi)徑和上座的外徑的差為1/64 英吋，當(dāng)蒸汽膨脹室44中的壓力增至750 p. s. i時(shí)，由此產(chǎn)生的向下(打開)力將為 12.4磅，如增至1000 p.s. i.則為16.5磅。如有需要，閥頭可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在其閥桿上， 以均衡如圖7所示的傾斜的徑向葉片的磨損，以傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)。如有需要，為了更好地使閥 48在工作期間自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其可通過諸如扣環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)合或在管套48b (圖2)內(nèi)的球結(jié) 合與起閥桿48a連接。桿48a在通過搖桿64a收回時(shí)將閥打開，所述搖桿支承與以64 標(biāo)示的三維凸輪接觸的輪64b，所述三維凸輪64在工作時(shí)由伺服電動(dòng)機(jī)S'軸向移位， 所述伺服電動(dòng)機(jī)由中置式發(fā)動(dòng)機(jī)管理(CEM)計(jì)算器305 (圖14)控制以優(yōu)化閥門截止。 閥座48可為扁平或圓錐形，以及具有這樣的斜度以致于它們都有共同的頂點(diǎn)，有助于 確保熱變形相等。閥和閥座可用相同材料澆鑄，以確保均等的熱膨脹。然而，如果采用 不同的金屬，可使用公知形式的Skiriner自我膨脹提升閥，其具有在可伸縮地相關(guān)聯(lián)的 上和下閥部件之間的彈簧金屬密封環(huán)，以容許約0.003至0.004英吋的伸縮作用。與滑 動(dòng)閥相比，雙座式平衡提升閥尤其有利，因?yàn)樗鼈兛招亩哂械唾|(zhì)量，無需潤滑油以及 在管制全開時(shí)具有很小的升程(行程)，并且在如本文所述的可變截止操作時(shí)可在截止 極初期時(shí)具有更充足的進(jìn)氣。如有需要，兩并排設(shè)置的閥48可通過網(wǎng)橋(未示出)連 接，以便由單升降桿打開。
圖8所示為可選擇的不平衡提升閥31,其通過彈簧31a向上偏置到其固定位置，
15所述位置緊靠著在其上面的閥座32。擰在所述閥31下端上的為套管33，套管上端具有 凸起部，在工作時(shí)，所述套管被起閥器降低，即具有帶開口 35a的分支端的搖臂35繞 著閥桿31延伸，以便壓著凸起部來打開閥31。閥31的閥桿延伸穿過閥導(dǎo)管31b，所述 閥導(dǎo)管的外端擰入所述蓋的支承導(dǎo)柱20a的基座20d。在室44中的壓力超過室46中的 壓力時(shí)，閥31可以用作為下沖程時(shí)的安全閥。
此外，可以使用緩沖閥(bump valve) 182 (圖13)來代替提升閥。在工作時(shí)，緩沖 閥182由起閥器180打開，所述起閥器在與閥182對(duì)齊的位置扦入活塞頂14a的下表面， 以致于當(dāng)活塞下降時(shí)，起閥器180通過使其環(huán)形閥面182a與進(jìn)氣口 185同心的座184 分離將緩沖閥182打開，所述進(jìn)氣口延伸穿過與閥182鄰接的汽缸頭20的頂部。閥182 通常由通過彈簧座188支承的彈簧186來固定，所述彈簧座擰入與汽缸頭和導(dǎo)柱20a成 整體的網(wǎng)橋190。緩沖閥182提供固定的截止值?？梢栽O(shè)置多過一個(gè)，例如四個(gè)緩沖閥， 在該種情況下，活塞14應(yīng)該有四個(gè)對(duì)齊的起閥器180。
工作流體
用于產(chǎn)生蒸汽的工作流體可以是蒸餾水或去離子水或水和酒精的混合物或其它已 知的二元流體混合物諸如氨和水，以及碳?xì)湟后w諸如丁烷和戊烷，其中所述流體在閉路 循環(huán)中不斷地再循環(huán)。本文中的術(shù)語"蒸汽"是用來廣泛地包括這些和其它工作流體的 汽化物以及水蒸汽。當(dāng)用水時(shí)，為了防止凝固，在寒冷天氣時(shí)可使用由Saab-Scania, Inc. 開發(fā)的每星期只耗用1夸脫燃料的小型指示燈。也有人在早前開發(fā)了一種自動(dòng)排水系統(tǒng) 來防止凝固。
漏泄氣體和油的收集
如圖5清楚地示出在下死點(diǎn)位置的活塞，所述活塞14設(shè)置了一對(duì)壓縮環(huán)54和特 殊的油環(huán)55,該油環(huán)具有一對(duì)垂直向相隔的帶有向下定向的銳邊55a及55b的刮油器， 以將過剩的油向下通過汽缸傳送到環(huán)形收集槽56，所述收集槽具有在蒸汽排氣歧管50 上面的汽缸壁12a中周向相隔的出口。在整個(gè)工作期間，收集槽56在過剩油和漏泄氣 體能夠進(jìn)入蒸汽排氣歧管50之前通過回流管道60將過剩油和漏泄氣體接收及傳送到C: 油槽59。任何進(jìn)入供水的油通過過濾結(jié)構(gòu)或沉淀槽或離心機(jī)(未示出)去除?，F(xiàn)在參照圖5a，其示出可選擇的另一種形式的廢油收集槽。在該可選擇的實(shí)施例 中，使漏泄氣體和油返回貯油槽的收集槽56為汽缸壁中的連續(xù)凹槽，所述凹槽設(shè)有一 對(duì)向中心收縮的槽縫式刮油環(huán)59，不像普通的活塞環(huán),所述刮油環(huán)的內(nèi)表面具有工作面， 所述活塞在工作期間靠著所述工作面滑動(dòng)。如果使用環(huán)59，活塞的裙部應(yīng)在鋼套內(nèi)加鐵 或鋁護(hù)套或者可以鍍以多孔鉻。所述環(huán)59在凹槽56內(nèi)相互接觸，并且向內(nèi)壓在活塞的 外壁上。將這些環(huán)固定在適當(dāng)位置或以其間隙分開地相互固定。每一刮油環(huán)59具有若 干徑向通道或槽縫59a，漏泄氣體和油通過所述通道或槽縫傳送到通向曲軸箱59的回流 管道60。結(jié)果，強(qiáng)行通過環(huán)54和55的少量油和漏泄燃?xì)庥墒占?6以刮油環(huán)59捕獲 并傳送到貯油槽，以將燃?xì)夂蛷U油對(duì)蒸汽的污染減到最小?？砂葱枰ㄟ^過濾結(jié)構(gòu)或可 選擇的沉淀槽或離心分離機(jī)(未示出)將剩余的油和顆粒物質(zhì)從冷凝的蒸汽移除。如果 使用向中心收縮的刮油環(huán)59，其制作方法是切削具有合適直徑的鑄管材料，然后向外伸 展，使切割端以約l/2英吋的距離相隔，以使所述環(huán)可設(shè)置在具有與活塞相同直徑的環(huán) 形磨光器上，以致于在擴(kuò)大成提供具有與活塞外徑相同的直徑的環(huán)形內(nèi)表面的同時(shí)，內(nèi) 部工作表面可正確地成型。所述環(huán)可相互固定，而間隙則彼此相對(duì)以防止漏泄，將它們 在同一時(shí)間壓縮和安裝。
在活塞的底部為兩個(gè)在排氣口 14b的相對(duì)兩邊的壓縮環(huán)54。所有的活塞環(huán)20b， 54和55通過銷固定在適當(dāng)位置，以致于它們的端部不會(huì)到達(dá)汽缸壁和活塞14中的排氣 □。
密封汽缸蓋及蒸汽排氣
現(xiàn)參照圖2和6。為保持蒸汽膨脹室44中的蒸汽壓力，蓋20具有三個(gè)壓縮環(huán)20b， 其中之一在底部的可以是油環(huán)，該油環(huán)從活塞14內(nèi)部撇去過剩的油，并通過蓋20中的 開口使過剩油經(jīng)管道20c返回貯油槽59。在工作期間，活塞14如所述般具有加工過的(例 如磨光的)柱形內(nèi)表面，其在蓋20的外表面上滑動(dòng)。當(dāng)排氣口由活塞開口 14b暴露而作 為排氣閥時(shí)，在蓋20的頂部上的所有水汽被排出汽缸，而不會(huì)像在逆流式發(fā)動(dòng)機(jī)中那 樣留在汽缸內(nèi)在排氣沖程期間再次被蒸發(fā)。如前所述，在下沖程時(shí)，汽缸內(nèi)的剩余蒸汽 會(huì)在進(jìn)氣壓力的間隙空間內(nèi)被壓縮。通過從油泵(未示出)傳送油的加壓供給管道20f 在蓋20和活塞14之間提供潤滑油。如果需要的話，蓋20內(nèi)可設(shè)置彈簧加載的安全閥或旁通閥(未示出)，以防止在啟動(dòng)期間或冷凝器故障期間室44中的壓力過大。在蒸 汽箱內(nèi)的任何油或冷凝物可以通過排水管60a排除。
低壓蒸汽從蒸汽排氣歧管50經(jīng)過管52傳到冷凝器，然后到將在下文中敘述的蒸 汽產(chǎn)生器。低壓蒸汽在蒸汽產(chǎn)生器處轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，所述蒸汽?jīng)過管道49流到高壓蒸汽 箱46，并通過閥48進(jìn)入蒸汽膨脹室44，從而完成環(huán)狀的線路，因?yàn)槠湓谡麄€(gè)工作期間 不斷地循環(huán)。
定時(shí)進(jìn)汽
圖2-8和13示出了如何將蒸汽供應(yīng)給汽缸。蒸汽進(jìn)氣閥48由氣閥搖桿64a (其 端部在圖2中部分地示出)打開，所述搖桿支承與凸輪軸61接觸的輪64b，所述凸輪軸 與曲軸30連接以在每一轉(zhuǎn)時(shí)將閥48打開。所述搖桿通過位于輪64b后的樞銷與曲軸箱 連接。如果安裝在用于內(nèi)燃閥的同一凸輪軸上時(shí)，用于蒸汽進(jìn)氣閥的凸輪應(yīng)該要有兩個(gè) 以18(T相隔的瓣輪，以便使蒸汽閥在每一轉(zhuǎn)時(shí)打開。凸輪軸61可由齒輪驅(qū)動(dòng)，例如以 公知的方式用螺旋齒輪使凸輪軸凸輪64前進(jìn)或減速，從而提升或降低蒸汽截止值。做 為選擇方案，凸輪軸61的每一凸輪64可為三維凸輪，其輪廓沿其長度起伏以便可通過 軸向地滑動(dòng)凸輪軸61 (圖2)來提供不同的截止值。例如，每一凸輪64可成型為提供 比如說在一端為5%截止值和在另一端為50%截止值。因此，通過軸向地滑動(dòng)凸輪軸61, 計(jì)算器305可選擇最佳的截止值，為汽車提供最有效的運(yùn)作和最佳的油耗定額。
發(fā)動(dòng)機(jī)管理控制
用于調(diào)節(jié)每一發(fā)動(dòng)機(jī)工作調(diào)節(jié)器的控制器的實(shí)施例包括通過伺服電動(dòng)機(jī)S1的進(jìn)氣 閥截止凸輪64,通過伺服電動(dòng)機(jī)S2的蒸汽節(jié)流閥T，而內(nèi)燃機(jī)工作控制器為中置式發(fā)動(dòng) 機(jī)管理(C.E.M.)計(jì)算器305 (圖14)，其組件與用于轎車和卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)控制的組件 大致相同。所述C. E. M.與一或多個(gè)輸入傳感器連接，所述傳感器指示用于本表明的操作 變量的狀況，以使在每一蒸汽產(chǎn)生器壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載條件下的燃料消耗最小化。 監(jiān)測的蒸汽機(jī)操作變量可用來不斷地控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)作，通過調(diào)節(jié)蒸汽節(jié)流閥調(diào)定T、 可變的截止凸輪64和其它發(fā)動(dòng)機(jī)操作調(diào)節(jié)器可使熱回收最大化，并且使燃油消耗和污 染物排放最少化。所述C. E. M.計(jì)算器305還可用于提供汽缸復(fù)合以及平衡發(fā)動(dòng)機(jī)排量與蒸汽產(chǎn)生器輸出，下文將會(huì)連同圖14作更完整的敘述。 蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和熱函損失
如圖2所示，蒸汽箱46上面的蓋20的整個(gè)頂壁(通常為導(dǎo)柱20a的頂部區(qū)域的 5或6倍大)如上述般將蓋20、閥48和活塞維持在接近輸入蒸汽的溫度。汽缸的下部 可以隔熱，其一小部分在12c示出，以及十字頭導(dǎo)件27也部分地在20e示出，以使自 蒸汽箱46的熱量損失最少化。
所述類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，例如專利1， 324， 183和3, 921, 404是基于逆流原理而工作， 其中在活塞下降時(shí)排出大氣壓力下的蒸汽。與之相反，本發(fā)明的位于活塞14頂下面的 蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)組件，甚至能夠優(yōu)于以具有非常高效率而著稱的單流式蒸汽機(jī)的性能。在單 流式發(fā)動(dòng)機(jī)中，只在活塞暴露排氣口的短時(shí)間內(nèi)，蒸汽才會(huì)在汽缸中心流出，但與排氣 口的環(huán)鄰接的活塞端部未被加熱。在本發(fā)明中，當(dāng)室44處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)時(shí)，在每一沖程 的上端，活塞裙中的排氣口 14b與汽缸壁中的排出口 51成一直線，使蒸汽可短暫地逸 入圍繞汽缸12的排氣歧管50。當(dāng)排氣口51暴露時(shí)，在熱的蓋20的頂部收集的任何水 汽將會(huì)被橫向地掃出汽缸，而不是留下進(jìn)行再蒸發(fā)。在下沖程時(shí)，留在蒸汽室44的蒸 汽被壓縮至進(jìn)氣壓力，但不像單流式發(fā)動(dòng)機(jī),44的間隙空間的上及下鄰接面都被加熱(活 塞14的頂由內(nèi)燃室加熱，而汽缸的下端，包括蓋20，閥48和活塞裙部由室46內(nèi)的高 壓蒸汽加熱)，從而保持汽缸和活塞的熱度。這樣，就比單流式發(fā)動(dòng)機(jī)更有效地防止了 發(fā)動(dòng)機(jī)表面的潛在冷凝。有如單流式發(fā)動(dòng)機(jī)中的蒸汽再壓縮避免了逆流式發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)生 的間歇性冷卻，而鄰接排氣口 51的蓋20的加熱使其上的新鮮蒸汽的冷凝最少化，從而 維持比單流式發(fā)動(dòng)機(jī)高的效率水平。圖2、 7和8示出了包含蒸汽進(jìn)氣闊48的蓋20如 何被加汽套來提供熱能，以便在工作期間保持20a的汽缸頭表面在排氣口 51的環(huán)附近 被加熱。
蒸汽機(jī)的效率還可藉由燃燒室34內(nèi)的燃燒氣體通過活塞的上部14a對(duì)活塞下的蒸 汽的直接熱傳導(dǎo)來提高。在燃料燃燒時(shí)損失的燃料熱能，其大約有8%在燃燒期間損失， 而約6%則在膨脹時(shí)損失。其中大部分損失的熱量會(huì)轉(zhuǎn)移到活塞頂和上半部，并繼而轉(zhuǎn)移 到室44內(nèi)的蒸汽。由于大量蒸汽穿過活塞下面的室，活塞的頭部可以保持在安全的工 作溫度。
19為了進(jìn)一步提高效率，并補(bǔ)償下沖程的負(fù)扭矩(尤其在低速時(shí)的)，蒸汽室44可 選擇地通過直徑為0. 18英吋的節(jié)流管或扼流圈47連接活塞頭中的輔助排量室45(圖2)， 該排量室比方說為2立方英吋大，可用于40立方英吋的汽缸排量，以作為可變的輔助 間隙容積，基于公知的流量節(jié)流原理以不同的節(jié)流閥調(diào)定將室44中的下沖程壓縮壓力 限制在節(jié)流壓力，以便藉由流經(jīng)扼流圈的較大流量于低r.p.m.s.提供更有效的間隙容 積，同時(shí)于高r. p. m. s.提供減小的流量，從而限制進(jìn)入汽缸的充氣。該作用于高r. p. m. s. 提供較早的截止的效果，以便提高Rankine發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。此功能與內(nèi)燃和蒸汽動(dòng)力一 起工作提供的每四沖程就有三個(gè)沖程有凈正扭矩導(dǎo)致合理的平穩(wěn)運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)。約為其 它三個(gè)沖程的凈正扭矩的10-12%的負(fù)扭矩只會(huì)在內(nèi)燃進(jìn)氣沖程內(nèi)出現(xiàn)。本發(fā)明比給定數(shù) 目活塞的內(nèi)燃機(jī)提供更平穩(wěn)的扭矩，因?yàn)槊恳换钊旅娴恼羝麑⒃诿恳晦D(zhuǎn)提供一個(gè)動(dòng)力 沖程，并可在減小的r.p.m. s.下提供更大的扭矩，因?yàn)檎羝麢C(jī)不需要高轉(zhuǎn)數(shù)來展開其動(dòng) 力。4缸式發(fā)動(dòng)機(jī)在每一轉(zhuǎn)將會(huì)有六個(gè)動(dòng)力沖程而不是兩個(gè)，其中包括四個(gè)來自蒸汽膨 脹的動(dòng)力沖程。
潤滑油可以任何適當(dāng)?shù)姆绞教峁?，例如可通過連續(xù)加壓供給管道20f和57 (圖2) 和177 (圖15)，其將油通過汽缸壁計(jì)量供給蓋壁、活塞和汽缸；以及可藉由傳統(tǒng)的通 過曲軸和連桿的加壓供給；或者通過從貯油槽(未示出)噴濺或噴射油。
熱能回收
現(xiàn)參照圖9，其所示為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選形式的熱能回收組件和方法。在典型的 內(nèi)燃機(jī)中，在使用條件下，制動(dòng)功率輸出約為25-28%,損失約72-75%的燃料發(fā)熱量(見 I. C. Engine Fundamentals by J. B. Heywood, 1988第674頁)。內(nèi)燃能量損失包括那 些來自排氣、冷卻劑和其它損耗，諸如發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射以及排氣系統(tǒng)和排氣裝置的動(dòng)力損 耗。圖9所示為回收該種熱能的系統(tǒng)，其包括發(fā)動(dòng)機(jī)IO、蒸汽產(chǎn)生器100、省油器102、 蒸汽過熱器104、兩個(gè)逆流式液對(duì)液換熱器106和108、冷凝器112和散熱器110。如上 所述，低壓蒸汽被收集在環(huán)繞每一汽缸的室或歧管50內(nèi)，并且通過低壓蒸汽返回管道 52排出。蒸汽返回管道52通過管路114連接到逆流式換熱器或回?zé)崞?06，該換熱器 或回?zé)崞骺砂惭b在內(nèi)部和外部的一對(duì)管，內(nèi)部管用諸如銅的良導(dǎo)熱體材料制成。回 熱器106充當(dāng)次級(jí)預(yù)熱器以預(yù)熱流經(jīng)內(nèi)部管116的給水，然后通過管路118傳送到省油器102。省油器102可設(shè)在蒸汽產(chǎn)生器圍璧124內(nèi)，但如果分開的話(如圖所示)可確 保更好的逆流熱交換。所示實(shí)施例的省油器102為逆流式換熱器，其中預(yù)熱的給水進(jìn)一 步由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣加熱，所述排氣與流經(jīng)省油器102內(nèi)的螺旋管120的給水成熱傳導(dǎo)關(guān)系， 以便將預(yù)熱的給水供給蒸汽產(chǎn)生器100。
雖然可以使用各種蒸汽產(chǎn)生器，但具有直徑約7/16"且繞成一系列平螺旋線或繞 成同心截頭圓錐體的無縫式鋼或鎳合金管道的單管蒸汽產(chǎn)生器或快熱蒸汽產(chǎn)生器或如 專利5, 845， 609所述的皆為優(yōu)選的蒸汽產(chǎn)生器。在蒸汽產(chǎn)生器中，自省油器102接收預(yù) 熱給水的螺旋管122因此在工作期間暴露給循環(huán)流動(dòng)的熱的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣，所述排氣通過 切向進(jìn)口 126進(jìn)入蒸汽產(chǎn)生器的圍璧124,并且通過切向出口 128以與流經(jīng)螺旋管122 的給水和蒸汽相反的方向離開所述圍璧以再次提供逆流式換熱，以致于最后離開蒸汽產(chǎn) 生器的頂螺旋管122的蒸汽被加熱得最多，并暴露于通過切向進(jìn)口 126在蒸汽產(chǎn)生器100 最熱的地方進(jìn)入的最高溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中。雖然所示的蒸汽產(chǎn)生器中只有少數(shù)的螺旋 管，但實(shí)際上會(huì)使用更多。 一定長度的5/8英吋外徑的軟無縫鋼管制成的由總數(shù)24個(gè) 各長17. 5英尺的扁平線圈構(gòu)成的總長420英尺的管(其受熱面達(dá)到75平方英尺)可提 供20馬力的蒸汽產(chǎn)生器。雖然所示和所述的為優(yōu)選的蒸汽產(chǎn)生器，其它公知的管式蒸 汽產(chǎn)生器也可提供有效的能源回收。例如，LaMont快熱管式蒸汽產(chǎn)生器開發(fā)的效率為 85% (見Heat Engines by R. H. Grundy, 1952，第452和453頁)，而Benson蒸汽產(chǎn) 生器在測試中所得的熱效率約90% (見Theory and Practice of Heat Engines by D. A. Wrangham 1960,第710和711頁)。本發(fā)明能夠提供相同或更高的效率，因?yàn)檎羝a(chǎn) 生器IOO中的氣體的溫度沒有像在普通蒸汽產(chǎn)生器中被風(fēng)扇吹入蒸汽產(chǎn)生器的加熱器中 的較涼的輸入氣流所降低。管式蒸汽產(chǎn)生器的加熱率也快于標(biāo)準(zhǔn)的蒸汽產(chǎn)生器。有些快 熱管式蒸汽產(chǎn)生器可在短至15-30秒內(nèi)達(dá)到高蒸汽壓力，其表示可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)有效率的熱 傳導(dǎo)?？稍诓⒙?lián)電路(未示出)中設(shè)置循環(huán)泵，以便將熱傳導(dǎo)最大化。
現(xiàn)參照圖9B，其示出一種稍微不同的用于蒸汽和冷卻劑循環(huán)的電路。在圖9B中 的蒸汽產(chǎn)生器，輔助燃燒室和省油器與已經(jīng)連同圖9進(jìn)行敘述的那些相同，但以下部件 的配置則不同，包括冷凝預(yù)熱器160、冷凝器162、過濾器164、冷凝泵166以及溫控 旁通閥170。在工作期間，來自回?zé)崞?06的濕蒸汽和冷凝物流經(jīng)旁通閥170去到冷凝 器162的頂部。然而，在較低的冷凝溫度下，旁通闊170允許更大部份通過管道172繞
21過冷凝器162到達(dá)過濾器164，濕蒸汽和冷凝物在其處由冷凝泵166送到第一級(jí)逆流式 冷凝換熱器160，并被加熱到盡可能接近熱的冷卻劑離開發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度以得到最大的溫 度增益，例如可加熱到約100 - 115°C。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑本身以相反方向通過水泵109饋 送，以便一旦通過管道lll退出時(shí)，可將幾乎所有的熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移到冷凝物，同時(shí)在重新 進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)10時(shí)可冷卻到冷凝物離開冷凝器162的溫度。盡可能少地通過冷凝器162 轉(zhuǎn)換旁通閥170，以將冷凝物和冷卻劑保持在所用的特定發(fā)動(dòng)機(jī)10的預(yù)定的最佳設(shè)計(jì)溫 度。蒸汽在發(fā)動(dòng)機(jī)中通過省油器102和次級(jí)冷凝預(yù)熱器106的循環(huán)與上文中與圖9相關(guān) 的敘述相同。
本發(fā)明的如上所述的，尤其是連同圖9、 9A和9B所述的熱能回收方法和裝置，特 別適用于汽車或其它車輛，因?yàn)槠浠厥諒U熱的效率高且重量較輕。但是，其它公知的， 例如在美國專利4， 087, 974、 4， 201， 058、 4, 300， 353、 4, 351， 155、 4, 803， 958、 6， 834, 503、 6,964,168、 7,013,644中所述的換熱結(jié)構(gòu)，其中有些特征也可用于從圖卜8所示的發(fā)
動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃部份回收廢能。將所有這些專利全文完整地引入本文作為參考，盡管它們在 本申請文本中已完整地復(fù)制。
圖9-9B旨在大體上用圖示出蒸汽和冷卻劑的循環(huán)。其它公知的本領(lǐng)域的技術(shù)人 員熟悉的組件(未示出)包括溫度和壓力傳感器、止回閥、液體儲(chǔ)存罐、恒溫的發(fā)動(dòng)機(jī) 冷卻劑、散熱器/冷凝器的風(fēng)扇、壓力計(jì)和安全閥、排水管等等都以常規(guī)的方式使用。 為了盡量減少熱損失，在高溫下的組件可以傳統(tǒng)方式熱絕緣，例如在圖2的12c和20e 部分地示出的實(shí)施例。
過熱器組件
根據(jù)本發(fā)明，在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)的排氣歧管的位置設(shè)置過熱器104。過熱器104略大于 普通內(nèi)燃機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)排氣歧管，并充當(dāng)構(gòu)成排氣歧管一部分的補(bǔ)燃器，以回收額外的廢能， 同時(shí)消除某些污染物，例如一氧化碳和碳?xì)浠衔?。在里面有一系列由不銹鋼管制成的 螺旋管130，以便通過將由排氣進(jìn)入管141-144引入過熱器104的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的熱量轉(zhuǎn) 移使蒸汽產(chǎn)生器100產(chǎn)生的蒸汽過熱，所述排氣進(jìn)入管本身直接連接到汽缸頭35中的 排氣通道37。由于過熱器104位于蒸汽產(chǎn)生器和汽缸之間并通過進(jìn)入管141-144與排氣 口 37極接近地連接，例如相隔2-10英吋，過熱器內(nèi)部的螺旋管130承受最大的熱能，
22而蒸汽則與排氣流反向地流動(dòng)。為了使排氣溫度最大化，同時(shí)也減少污染物，加熱的二 次空氣通過注射器注入進(jìn)入管141-144，所述注射器的空氣由鼓風(fēng)機(jī)148通過空氣供應(yīng) 管道146來提供。圖9A示出了進(jìn)入管道147的補(bǔ)充空氣在由鼓風(fēng)機(jī)148傳送到內(nèi)燃排 氣進(jìn)入管141-144時(shí)如何被內(nèi)燃排氣管103加熱。因此，可以看出，螺旋管130暴露于 兩種燃燒產(chǎn)物中在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中的產(chǎn)物以及在過熱程內(nèi)由于二次空氣的注射而發(fā)生 的未燃?xì)怏w的燃燒而產(chǎn)生的產(chǎn)物。所述鼓風(fēng)機(jī)，例如，正位移旋板式或羅茨式鼓風(fēng)機(jī)48 可由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)150或由與管道114連接的小容量廢氣或蒸汽渦輪機(jī)(未示 出)驅(qū)動(dòng)。通過排氣進(jìn)入管141-144進(jìn)入過熱器104的排氣可高達(dá)約90(TC，而最常見 的范圍大約為400°C-60(TC。通過補(bǔ)充空氣供應(yīng)管道146引入的輔助供氣會(huì)氧化排氣中 的大部分未燃碳?xì)浠衔锖鸵谎趸迹淇偭靠筛哌_(dá)9%的燃料發(fā)熱量。為了優(yōu)化燃燒和 增加滯留時(shí)間，可將過熱器104制成比標(biāo)準(zhǔn)排氣歧管大得多，對(duì)于4缸式發(fā)動(dòng)機(jī)而言， 其直徑通常大約為6-8英吋或以上?？蛇x擇的具有傾斜徑向葉片的漩渦導(dǎo)件105可給氣 體一種漩渦作用并增加在過熱器104中的滯留時(shí)間，以促進(jìn)未燃?xì)怏w的燃燒，這是有利 的，因?yàn)闃I(yè)已發(fā)現(xiàn)消除1.5%的一氧化碳可導(dǎo)致220° K的溫度上升(Heywood Id.第658 頁)?？梢钥闯?，過熱器104為補(bǔ)燃器，其做成排氣歧管的主要部份，其中處于最高溫 度的排氣在燃燒進(jìn)行時(shí)于若干地點(diǎn)，例如4個(gè)地點(diǎn)進(jìn)入，其中單管式蒸汽產(chǎn)生器的蒸汽 以與輸入排氣相反的方向流動(dòng)，從而提供在最高溫度下的過熱，因?yàn)閱喂苁秸羝a(chǎn)生器 管道貫穿補(bǔ)燃器，從發(fā)動(dòng)機(jī)最遠(yuǎn)處進(jìn)入和在補(bǔ)燃器的上游端附近離開。還應(yīng)該注意，蒸 汽從蒸汽產(chǎn)生器流入過熱器，其接收正要離開發(fā)動(dòng)機(jī)的上游排氣，而且這些排氣同時(shí)通 過自二次空氣供應(yīng)管道146注入的熱空氣使先前未燃的碳?xì)浠衔锖推渌扇細(xì)怏w的燃 燒而被進(jìn)一步加熱。結(jié)果，本發(fā)明使到有可能從未燃?xì)怏w和燃料回收熱能，在普通發(fā)動(dòng) 機(jī)中，所述回收熱能可占約3-9%的燃料發(fā)熱量。
概括而言，蒸汽和冷凝物的循環(huán)如下從發(fā)動(dòng)機(jī)通過管路52和114排出，然后通 過回?zé)崞?06到冷凝器112。源自冷凝器的冷凝物流過過濾器113、泵115、第一預(yù)熱器 108，然后通過回?zé)崞?06 (于220。C- 240。C下離開)到省油器102、蒸汽產(chǎn)生器124、 過熱器104，然后通過蒸汽節(jié)流閥T、高壓蒸汽管道49和電磁控制的分配閥V到蒸汽室 46及進(jìn)氣閥48。冷凝蒸汽通過冷凝泵113從過濾器115饋送到初級(jí)換熱器108，在其中 由通過泵109經(jīng)由管路117反向饋送的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑進(jìn)行加熱。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑首先將其熱量轉(zhuǎn)移到冷凝物，然后再通過流經(jīng)散熱器110來進(jìn)一步冷卻，再通過軟管lll 從散熱器回流到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻通道35及12b。
駕駛者的腳踏節(jié)流闊控制桿可以將節(jié)流閥調(diào)定點(diǎn)控制作為給C. E. M.計(jì)算器305的 指令，其繼而分別為截止和蒸汽節(jié)流闊將伺服電動(dòng)機(jī)S'和S2定位，以便在車輛運(yùn)作期間 不斷地優(yōu)化效率和使油耗定額最大化。發(fā)動(dòng)機(jī)功率從而可通過蒸汽節(jié)流閥T和截止調(diào)定 來控制，以盡量減少油耗。另外，蒸汽節(jié)流閥T的操作可以例如在專利4,300,353中所 述，而壓力和溫度控制可以像Carter專利3,908，686和4， 023，537那樣控制。駕駛者 的腳踏節(jié)流閥可以設(shè)置成在內(nèi)燃節(jié)流閥打開之前將蒸汽節(jié)流閥T打開，以便在燃燒更多 燃料之前使用儲(chǔ)存的能量，如果有的話，而連續(xù)的腳踏板運(yùn)動(dòng)則可設(shè)置成將內(nèi)燃節(jié)流閥 打開。
蒸汽排量控制
本發(fā)明的一個(gè)目的是在由內(nèi)燃廢熱和車輛傳動(dòng)要求的改變而導(dǎo)致的變量負(fù)荷和蒸 汽產(chǎn)生器壓力下有效地工作。有些蒸汽產(chǎn)生器輸出調(diào)節(jié)可以以可變的截止裝置64來實(shí) 行。不過，本發(fā)明還包括一種用于改變蒸汽排量的機(jī)構(gòu)，以便在不同的工作條件下提供 要求的靈活性。根據(jù)本發(fā)明，閥V由C. E. M.計(jì)算器順序地打開來增加排量以及由C. E. M. 計(jì)算器順序地關(guān)閉，以便盡可能緊密地匹配蒸汽機(jī)排量與蒸汽產(chǎn)生器和過熱器的蒸汽輸 出熵，其目的為在整個(gè)工作期間使它們的比例在發(fā)動(dòng)機(jī)于啟動(dòng)期間和于不同的交通條件 下改變速度時(shí)可維持得更加穩(wěn)定。要達(dá)到該目的，可將蒸汽產(chǎn)生器或汽缸的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷 傳感器(轉(zhuǎn)矩計(jì))或蒸汽壓力傳感器連接到C.E.M,計(jì)算器305，該計(jì)算器在蒸汽產(chǎn)生器 輸出上升時(shí)以步進(jìn)的方式打開閥V。因此，當(dāng)蒸汽產(chǎn)生器輸出低時(shí)，只使用一或兩個(gè)蒸 汽汽缸，而在蒸汽產(chǎn)生器輸出增大時(shí)則增添使用更多的蒸汽汽缸，以便在內(nèi)燃機(jī)的熱輸 出量變化時(shí)維持良好的效率。例如，在蒸汽驅(qū)動(dòng)的車輛中，在其他各點(diǎn)都相同的情況下， 通過更好地匹配蒸汽產(chǎn)生器輸出與發(fā)動(dòng)機(jī)排量，可計(jì)算出在恒定的蒸汽速率 8. 51b. /HP-Hr下將蒸汽機(jī)排量從過度的排量200 CID降低至140 CID，以將燃料燃燒效 率由最初的9.9 MPG提高到14.4 MPG (燃料燃燒效率大致上有45%的增進(jìn))。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)排量控制的一個(gè)實(shí)施例于圖14中示出?？梢钥吹剑缟衔乃?述，從蒸汽產(chǎn)生器100經(jīng)節(jié)流閥T通過蒸汽管道49和四個(gè)到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的電磁控制閥V,將蒸汽饋送到多缸式發(fā)動(dòng)機(jī)10的汽缸。蒸汽產(chǎn)生器設(shè)有用于操作變量的傳感器，諸 如溫度和壓力傳感器(未示出)，其通過導(dǎo)線300、 302和303與發(fā)動(dòng)機(jī)管理計(jì)算器305 連接以顯示供給蒸汽產(chǎn)生器的熱量(BTU /Hr)。發(fā)動(dòng)機(jī)10上的負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)r.p.m. 通過線路306和308傳到C. E. M. 305。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，C. E. M.實(shí)時(shí)計(jì)算在現(xiàn)有工作狀 態(tài)下的最佳發(fā)動(dòng)機(jī)排量，以實(shí)現(xiàn)最佳的油耗定額。然后使用計(jì)算結(jié)果，通過導(dǎo)線304-307 操作電磁控制的閥V。如果發(fā)動(dòng)機(jī)10的每一汽缸具有相同的排量，則通過匹配排量與感 應(yīng)的工作狀態(tài)將所述閥V順序打開來提供發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于蒸汽產(chǎn)生器輸出的靈活性，以便 在蒸汽壓力、溫度或供給蒸汽產(chǎn)生器的熱量增加下提高排量，例如以步進(jìn)的方式從15 立方英吋到30、 45、及最終的60立方英吋，同時(shí)響應(yīng)于蒸汽產(chǎn)生器輸出或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷 的下降而減少排量，全部根據(jù)預(yù)定的操作參數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行及啟動(dòng)前或慣性運(yùn)行時(shí)由計(jì) 算器感應(yīng)的工作狀態(tài)下維持最佳的蒸汽機(jī)效率。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)沒有負(fù)荷時(shí)，例如當(dāng)惰力運(yùn)轉(zhuǎn) 時(shí)，節(jié)流閥T或全部閥V由C. E. M.計(jì)算器305關(guān)閉，但當(dāng)腳踏節(jié)流闊被壓下時(shí)則上述情 況不會(huì)發(fā)生。其它操作變量諸如內(nèi)燃歧管壓力及車速可以監(jiān)測，以便將額外的工作狀態(tài) 提供給控制器305及所述的那些設(shè)備。在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，通過選擇特定的活塞內(nèi)徑或活 塞桿外徑，可以達(dá)到為蒸汽操作而選定的最佳排量。如果需要較厚的活塞裙部，可在活 塞內(nèi)于活塞裙部和同心襯套(未示出)之間設(shè)置可選擇的閉塞空間。如有需要，未起作 用的蒸汽室的進(jìn)氣閥可以保持打開，如專利2， 196,980中的排氣閥那樣保持打開。
汽缸復(fù)合
眾所周知，復(fù)合的蒸汽機(jī)可以在壓力大于約150磅/每平方英吋下提供更高的效率。 使用在汽缸的排氣管道52和一或多個(gè)汽缸的進(jìn)氣管道49之間的電磁控制閥(未示出)， 可將一個(gè)汽缸的排汽送到具有較大排量的汽缸或具有相同排量的兩個(gè)或以上汽缸，以便 通過C. E. M.計(jì)算器的自動(dòng)控制達(dá)到汽缸復(fù)合，例如從汽缸1到兩個(gè)沒有接收器的汽缸2 和4。
熱傳導(dǎo)和工作溫度
正如在任何發(fā)動(dòng)機(jī)中，必須將組件保持在不會(huì)損害適當(dāng)潤滑的溫度下。在測試的 典型的水冷式四沖程火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，在活塞的頂部和頂環(huán)周圍的不同地方以及背 后所測量的溫度在約290。C至約34(TC之間變化。因此，以30(TC- 350'C的蒸汽運(yùn)作發(fā)動(dòng)機(jī)10對(duì)所有應(yīng)用都應(yīng)該是可以接受的，因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)的內(nèi)燃機(jī)中，鋁和鑄鐵活塞可與 活塞頭于200°C-400。C的溫度范圍內(nèi)工作。排氣閥和火花塞可在大約310'C至340。C之間 安全地工作。在本發(fā)明中，內(nèi)燃汽缸頭和汽缸都是水冷的。由于燃燒室的汽缸壁是用水 套冷卻，活塞頭具有最大的過熱潛力?；钊?4的熱傳導(dǎo)和冷卻是重要的考慮因素。如 圖2所示，當(dāng)蒸汽進(jìn)氣閥48打開，加壓蒸汽將向上流，然后快速通過活塞頭14a的下 表面，從而在其熱函上升時(shí)將多余的熱量帶走。在典型的高速公路常用車速下，每秒有 高達(dá)約0.3磅蒸汽將流經(jīng)活塞頭的下表面以帶走熱量，從而避免活塞頭過熱，即使燃燒 室內(nèi)的燃?xì)獾某跏紲囟冉橛?00(TC- 240(TC。應(yīng)該注意，本發(fā)明使得有可能節(jié)約能源， 因?yàn)樵谡羝牖钊旅鏁r(shí)，從燃燒室的熱能直接傳導(dǎo)給流經(jīng)活塞頭的下表面的蒸汽， 從而提高蒸汽的壓力，同時(shí)燃燒熱還防止蒸汽在活塞頭上面和周圍冷凝。如有需要，活 塞頭的下表面可以設(shè)置冷卻片，以促進(jìn)對(duì)蒸汽的熱傳導(dǎo)。
可供回收的熱損失
以下的列表示出源自Heywood Id. 1988，第674和675頁的燃料能量利用率和能 量損失。為評(píng)估效率，可比較制動(dòng)功率與對(duì)冷卻劑和排氣的熱傳導(dǎo)以及其它的一起構(gòu)成 所用燃料的較低發(fā)熱量的損失。
表l
火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的典型燃料能量分布
制動(dòng)功率
在冷卻劑的損失
雜項(xiàng)損失
可感知的排氣熱函
動(dòng)力學(xué)上的排氣熱函
通過輻射在排氣系統(tǒng)上的損
失
不完全燃燒
26%
23% 可供回收 8%
26% 可供回收 3%
5%
5-9% 可供回收
26100%
可供回收的總數(shù)54-58%
表2
6缸式火花點(diǎn)燃式車輛中觀測的燃料能量分布
43 MPH72Mra
1100 RPM1800 RPM
制動(dòng)功率18%21%
冷卻劑負(fù)荷54%43%可供回收
排氣熱函21%27%可供回收
排氣系統(tǒng)上的各種輻射2. 5%3. 2%
不完全燃燒4. 5%5.8%可供回收
100%100%
可供回收的總數(shù)79%76%
對(duì)冷卻劑的放熱率會(huì)在不同的工作狀態(tài)下變化。在低速和低負(fù)荷的汽車中(表2)， 冷卻劑傳熱速率會(huì)高得多，可高達(dá)制動(dòng)功率的2-3倍。
能量回收的測定
對(duì)于如表1提出的四汽缸火花點(diǎn)燃式四沖程汽車發(fā)動(dòng)機(jī)操作，假設(shè)內(nèi)燃機(jī)額定為 100 HP，在高速公路條件下產(chǎn)生的制動(dòng)功率將會(huì)為26 HP,其54%的燃料發(fā)熱量將可供 回收。假設(shè)蒸汽產(chǎn)生器效率為85%且蒸汽機(jī)的操作如同具有24%的實(shí)際制動(dòng)功率效率的 高壓過熱式冷凝發(fā)動(dòng)機(jī)(見^eat ^7《// es， Allen Bradley,第407頁)，則綜合效率 為20% X 54HP或10. 8 HP,改進(jìn)大約41. 5%。使用表二的得自以43或72 MPH行走的 車輛的能量損失百分比數(shù)值，則潛在的回收率為20% X 79%= 15.8%，在43 MPH下的 油耗定額總計(jì)提高了 87%。在72Mra下，可供回收的76% X 20V效率的能量=在提高 72%的制動(dòng)功率下，可得到15.2%的熱量。因此，基于經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過使用本發(fā)明可 實(shí)現(xiàn)的油耗定額改進(jìn)比以其它方式實(shí)現(xiàn)的油耗定額高達(dá)約41%至約87%。回收未燃燃料的能量
如前所述，未燃燃料占廢氣熱函比例約為3-9%。將未燃燃料燃燒可將排氣溫度提 高多達(dá)20(T K。在高速運(yùn)行時(shí)，典型的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣介于約40(TC-90(TC的 范圍。
如圖9A所示，與氣泵148連接的進(jìn)氣管147與排氣管103成逆流換熱關(guān)系，以便 回收廢熱，并將回收廢熱傳送到由泵148通過空氣噴射管道146逼入每一排氣通道 141-144中的空氣，以便提供氧氣來燃燒過熱器104內(nèi)的碳?xì)浠衔铩Ｅ艢馔ǖ?41-144 通過切向進(jìn)口 145進(jìn)入過熱器104，該切向進(jìn)口使排氣流經(jīng)過熱器104時(shí)旋轉(zhuǎn)。該旋渦 作用由起螺旋作用的傾斜渦流片105維持，有助于確保完全混合熱的二次空氣，以實(shí)現(xiàn) 完全燃燒，并減少污染物的排放。因此，切向進(jìn)口 145使旋渦運(yùn)動(dòng)開始，而渦流片105 則促進(jìn)旋渦作用和攪動(dòng)作用，以保證完全混合二次空氣，其與大尺寸(6"至8"的直徑) 的過熱器合作以氧化未燃的成分，從而將排氣溫度提高至介于60(TC-90(TC或以上。該 溫度遠(yuǎn)高于將未燃碳?xì)浠衔?要求約60(TC，為時(shí)50ms)和CO (要求約700'C，為時(shí) 約100-150ms)兩者完全燃燒實(shí)際所需的溫度。通過在過熱器104內(nèi)放置蒸汽螺旋管130， 過熱器104可用作燃燒器或火爐，因?yàn)闊岬亩慰諝馔ㄟ^進(jìn)氣管道146注入，導(dǎo)致螺旋 管130尾端的蒸汽達(dá)到的溫度比在普通發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣岐管中的高，從而因所達(dá)到的較高 溫度和壓力而在發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹室44中進(jìn)一步提高Rankine發(fā)動(dòng)機(jī)效率。
因此，在約為70-75 MPH的速度下工作，過熱器中的排氣藉由未燃燃料的燃燒所 提供的額外熱量而處于約90(TC-100(TC的溫度，在設(shè)計(jì)流速下節(jié)流閥T處的蒸汽可以加 熱到50CTC (932 ° F)以上。因此，很明顯，通過本發(fā)明很容易獲得有效的Rankine 發(fā)動(dòng)機(jī)操作所需的高蒸汽溫度和壓力。
回收車輛動(dòng)力
現(xiàn)參照圖12，其示出根據(jù)本發(fā)明的在制動(dòng)期間的動(dòng)能回收。本發(fā)明的四缸式汽車 發(fā)動(dòng)機(jī)150，例如圖9-9B所示的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過傳動(dòng)軸151與靠在地上的主動(dòng)輪152連 接。圖中示出在蒸汽出口管道52中的電磁控制分配閥153和在通往蒸汽產(chǎn)生器的蒸汽 管道中的電磁閥158。還有在管道49內(nèi)的電磁分配閥159，其通過第一空氣管道可連接到用于接收環(huán)境空氣的止回闊154以及與壓縮空氣罐156結(jié)合的止回閥155。分配閥159 還可通過第二空氣管道與管道49連接，經(jīng)止回閥157到壓縮空氣罐156。當(dāng)使用制動(dòng)器 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)150內(nèi)部的提升闊48由發(fā)動(dòng)機(jī)管理計(jì)算器保持打開，而分配閥159通過止 回閥i54和155將壓縮空氣罐156連接到管道49,以致于蒸汽膨脹室44 (圖1和2)容 積改變將受壓的空氣逼入壓縮空氣罐156，直到車輛停車，從而以壓縮空氣的方式將動(dòng) 能儲(chǔ)存。當(dāng)駕駛者壓下加速器時(shí)，電磁控制分配閥159通過止回閥157使壓縮空氣罐156 連接到管道49,而閥48則像其在蒸汽運(yùn)行期間那樣正常地工作，從而藉由在制動(dòng)期間 存儲(chǔ)的壓縮空氣于蒸汽室44內(nèi)膨脹而將汽車向前推動(dòng)。壓縮空氣通過閥153排出。因 此，本發(fā)明提供了一種由組合式內(nèi)燃和蒸汽動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的車輛，所述組合式內(nèi)燃和蒸汽動(dòng) 力源自從廢棄的內(nèi)燃機(jī)熱和動(dòng)力回收的熱能，其通過閥門將發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸汽膨脹室選擇性 地連接到壓縮空氣儲(chǔ)存罐，所述閥門在車輛制動(dòng)或行進(jìn)期間將氣流從膨脹室導(dǎo)入儲(chǔ)存罐 內(nèi)，將蒸汽膨脹室連接到空氣罐以使壓縮空氣從空氣罐導(dǎo)入蒸汽膨脹室。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻 和沒有蒸汽壓力時(shí)，壓縮空氣能夠在啟動(dòng)期間甚至升汽前提供快速啟動(dòng)以及可提高燃料 效率。
階梯形活塞的替代方案
現(xiàn)參照圖10和11，所示為使用階梯形活塞80的本發(fā)明的可選擇的實(shí)施例，其。 雖然本發(fā)明的這種變型使用了不同的活塞結(jié)構(gòu)，但其也能夠從內(nèi)燃廢熱回收動(dòng)力。圖10 和11所示的改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)79的運(yùn)作可達(dá)到同樣的已概述的總體目的，即更好的效率和 油耗定額；但其不是將蒸汽膨脹室設(shè)于活塞內(nèi)部，所述階梯形活塞80在其上端設(shè)有壓 縮環(huán)80c以及在其配置壓縮環(huán)80b的下端的裙部區(qū)域設(shè)有擴(kuò)徑部80a。燃燒室34以及汽 缸頭35及其組成部分與上述的相同。所述活塞80密封地安裝以便在汽缸82內(nèi)滑動(dòng)， 所述汽缸具有擴(kuò)大的圓柱形下膛孔部分84,用于容納擴(kuò)大的裙部80a,從而在擴(kuò)大的膛 孔部分84提供環(huán)形的蒸汽膨脹室86。燃燒室34和蒸汽室86兩者都鄰接活塞，而燃燒 室34的位置鄰接活塞80的底部。潤滑油在壓力下通過管道89和91供應(yīng)到汽缸的內(nèi)壁。 在工作時(shí)，蒸汽通過進(jìn)氣閥92和進(jìn)氣口 91從高壓閥體94進(jìn)入蒸汽膨脹室86。當(dāng)活塞 到達(dá)下死點(diǎn)并暴露汽缸內(nèi)的開口時(shí)，蒸汽通過設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體89圍繞擴(kuò)大膛孔84 的部分內(nèi)的蒸汽岐管88排出，并從所述岐管通過止回閥，例如簧片閥91，經(jīng)低壓蒸汽 返回管道90流過像上文敘述的包括冷凝器(未示出)的閉路循環(huán)。如圖所示，活塞80
29位于活塞上面的燃燒室34和蒸汽室86之間，所述蒸汽室通過活塞銷83和連桿85連接 到曲軸87。內(nèi)燃室34的燃燒廢熱用與圖9-9B相應(yīng)地示出和敘述的蒸汽產(chǎn)生器和蒸汽 循環(huán)回路來回收，以將蒸汽供應(yīng)到蒸汽膨脹室86，在曲軸87的每一轉(zhuǎn)將活塞80向下驅(qū) 動(dòng)。這不是優(yōu)選的實(shí)施例，部分原因是環(huán)形蒸汽膨脹室86的表面積與容積比較大，這 會(huì)促進(jìn)冷卻，導(dǎo)致蒸汽壓力下降。在活塞周圍的流動(dòng)限制也會(huì)產(chǎn)生較大的呼吸損耗，較 長的環(huán)80b會(huì)導(dǎo)致機(jī)械損失加大，而且在蒸汽出口 88附近沒有受熱表面。
特征和意想不到的效果
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種汽缸和活塞，其中燃燒和蒸汽動(dòng)力作用于同一 活塞；環(huán)形蒸汽排氣歧管；以及大約處于同一水平的排氣閥與蒸汽進(jìn)氣閥，其通過大約 支承于汽缸兩端之間的中間位置的汽缸蓋而打開。根據(jù)圖1，可以看出，與單流式發(fā)動(dòng) 機(jī)相比，本發(fā)明通過低壓排汽更好地防護(hù)了金屬表面的冷凝。單流式發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞頭排 出蒸汽，在蒸汽釋放的地方無法加熱單流式活塞頭的表面。與此相反，在本發(fā)明中的低 壓蒸汽在包括汽缸頭的蓋20處排出，此處正是蒸汽箱46向鄰接的蒸汽膨脹室輸送最多 熱量之處。因此，本發(fā)明提供了更好的熱損失防護(hù)，因此比單流式發(fā)動(dòng)機(jī)提供更高的效 率。本發(fā)明對(duì)工作期間的熱損失提供更好的防護(hù)，部分是通過在所述蓋內(nèi)提供通往蒸汽 箱的進(jìn)氣閥以及部分是通過在活塞及在汽缸壁都有出口的雙出口自動(dòng)排氣閥，所述出口 在蒸汽輸入時(shí)被覆蓋，但在蒸汽室處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)時(shí)，所述出口在成一直線時(shí)在加熱表面 旁邊打開。此外，低壓排汽不是在汽缸頭下面輸送，因低壓排汽會(huì)冷卻汽缸頭或蒸汽箱， 在本發(fā)明中，蒸汽箱46會(huì)為其上的汽缸頭的整個(gè)下表面加上汽套，防止所述下表面被 低壓蒸汽冷凍，并且可加熱汽缸的下端以及活塞裙部。
此外，本發(fā)明在活塞上設(shè)置油環(huán)，從汽缸將多余油刮走及儲(chǔ)存于環(huán)形收集槽，所 述收集槽內(nèi)置在汽缸壁上的位置使其在活塞處于下死點(diǎn)時(shí)與油環(huán)成一直線，以便將多余 的油和漏氣傳送到貯油槽。可選擇地，收集槽可持有一或多個(gè)刮油環(huán)，刮油環(huán)向內(nèi)緊壓 活塞的外壁，以捕獲多余的油和漏氣，并在所述油和漏氣可到達(dá)蒸汽排氣岐管前將所述 油和漏氣傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)貯油槽。
本發(fā)明還提供一種固定于活塞桿的組合式內(nèi)燃和蒸汽活塞，所述活塞桿穿過固定 的汽缸蓋或盤形件，汽缸蓋或盤形件本身在汽缸內(nèi)同心地定位于支柱的上端，所述支柱由環(huán)形空間包圍，所述環(huán)形空間用作蒸汽箱和在活塞滑過汽缸越過所述汽缸蓋時(shí)容納活 塞的裙部。除了密封蒸汽膨脹室44，所述固定的在中心的蓋還支承蒸汽進(jìn)氣閥，減小其 上表面和活塞之間的蒸汽間隙容積，限定蒸汽箱的頂部，加熱蒸汽排氣區(qū)域和支承環(huán)繞 活塞桿的密封件，以防止蒸汽逸出。通過提供與汽缸頭和汽缸壁兩者之間成密封和滑動(dòng) 關(guān)系且?guī)в腥共康幕钊?，容納蒸汽所需的額外汽缸長度可以最小化，因?yàn)檎羝液蛢?nèi)燃 室占用相同的空間。此外，該發(fā)明提供一種改進(jìn)的傳熱裝置系統(tǒng)和順序，以便有效地回 收內(nèi)燃機(jī)組件的燃燒廢熱。
總括地說，本發(fā)明提供以下的好處和意想不到的效果，其中有1)單流式發(fā)動(dòng)機(jī) 的效率，同時(shí)幾乎不增加發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的長度，使得該發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)比同等內(nèi)燃機(jī)高或重很 多，2)蒸汽膨脹室與內(nèi)燃機(jī)的燃燒室占用同一空間，3)蒸汽膨脹室通過從內(nèi)燃機(jī)燃燒 室的直接熱傳導(dǎo)來加熱，4)自內(nèi)燃室的燃燒過的油以及漏泄氣體與蒸汽膨脹室和排汽 保持分開，5)排氣閥不在汽缸頭下面排出低壓蒸汽，因?yàn)闀?huì)冷卻進(jìn)入的蒸汽或妨礙汽 缸頭的汽套，6)間隙容積可如要求般小，因?yàn)榛钊皹?gòu)成蒸汽活塞頭的蓋的相對(duì)表面 都是平的，7)排氣閥在打開時(shí)會(huì)將鄰近的蒸汽和水汽掃除至汽缸外，然后再關(guān)閉以使 汽缸壓力提升至約蒸汽進(jìn)汽壓力，從而防止大氣壓力下的蒸汽帶走汽缸壁和汽缸頭的熱 能，因?yàn)樵撉闆r如果發(fā)生的話，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入的蒸汽凝結(jié)，8)汽缸壁只會(huì)短時(shí)間地暴露 于排氣壓力下，在排氣口暴露時(shí)，壓力和溫度會(huì)立即開始上升，以致于在下沖程結(jié)束時(shí)， 壓力和溫度會(huì)是這樣的以致進(jìn)入的蒸汽會(huì)碰到較高溫的表面，從而防止凝結(jié)，以及9) 不像單流式發(fā)動(dòng)機(jī)，與排出蒸汽鄰接的在蒸汽室的端部的金屬表面在外部加熱，以防止 大氣壓力下的蒸汽使進(jìn)入的蒸汽冷卻或冷凝。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員一旦明白本文所述的原理，本發(fā)明的在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi) 的許多變型將會(huì)變得顯而易見。
權(quán)利要求
1.一種組合式內(nèi)燃和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其中內(nèi)燃燒熱產(chǎn)生蒸汽以助活塞運(yùn)動(dòng)，汽缸具有設(shè)置成在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，在汽缸內(nèi)與活塞鄰接的內(nèi)燃室和蒸汽室以及至少一配置成通過汽缸的壁與蒸汽室相通的蒸汽排出口，以在汽缸壁內(nèi)的與熱的發(fā)動(dòng)機(jī)表面鄰接的位置將蒸汽室內(nèi)的蒸汽通過汽缸壁排出，使得有助于減少自用燃燒廢熱加熱的蒸汽產(chǎn)生器進(jìn)入蒸汽室的蒸汽的冷卻或冷凝。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述熱的發(fā)動(dòng)機(jī)表面以在外部加 汽套的方式加熱。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述活塞具有開口，以使蒸汽可 在所述活塞的所述開口與所述汽缸的蒸汽排出口成一直線時(shí)排出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述熱的發(fā)動(dòng)機(jī)表面為盤形件， 所述盤形件在所述汽缸兩端之間的居中位置橫貫所述汽缸，而且與所述汽缸的內(nèi)壁在 內(nèi)部地隔開。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述盤形件與所述汽缸通過環(huán)形 空間相隔開；以及所述活塞具有裙部，所述裙部延伸通過所述活塞并且與所述盤形件的 外緣密封地和可滑動(dòng)地連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述熱的發(fā)動(dòng)機(jī)表面為汽缸頭的 表面，所述汽缸頭包括與所述活塞的內(nèi)壁密封地連接的盤形件以及設(shè)置在所述盤形件中 的進(jìn)氣閥，所述進(jìn)氣閥使蒸汽可通過所述盤形件流入所述蒸汽室。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于排氣閥在所述蒸汽室處于擴(kuò)展?fàn)?態(tài)時(shí)打開和關(guān)閉，留在所述蒸汽室內(nèi)的剩余蒸汽此后會(huì)在蒸汽通過蒸汽進(jìn)氣閥進(jìn)入之前 進(jìn)行再壓縮，所述蒸汽進(jìn)氣闊使所述蒸汽室和所述蒸汽產(chǎn)生器之間聯(lián)通。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于連接補(bǔ)燃器來接收內(nèi)燃機(jī)排氣以 繼續(xù)燃燒所述排氣內(nèi)含有的未燃?xì)怏w和粒子材料，以成熱交換關(guān)系的方式傳送蒸汽通過 所述補(bǔ)燃器，然后再進(jìn)入所述蒸汽室。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于將空氣引入所述補(bǔ)燃器來助長所 述補(bǔ)燃器內(nèi)排氣的燃燒，以將額外熱能傳到所述蒸汽以及減少空氣質(zhì)量污染物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于在所述補(bǔ)燃器內(nèi)安裝至少一葉片 來促進(jìn)所述補(bǔ)燃器內(nèi)氣體的旋渦運(yùn)動(dòng)，以增進(jìn)未燃排氣成分的燃燒。
11. 一種由來自用內(nèi)燃燒廢熱加熱的蒸汽產(chǎn)生器的蒸汽部分地驅(qū)動(dòng)的組合式內(nèi)燃 蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括汽缸，所述汽缸具有密封地設(shè)置成在其內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞與鄰 接的內(nèi)燃室和蒸汽室，包括環(huán)形蓋的汽缸頭，所述汽缸頭密封地和可滑動(dòng)地與活塞的內(nèi) 表面連接，在汽缸蓋內(nèi)使所述蒸汽室和蒸汽箱之間聯(lián)通的蒸汽進(jìn)氣閥，所述蒸汽箱設(shè)置 在汽缸內(nèi)在汽缸蓋上與所述蒸汽室相反的一側(cè)上，以便為汽缸蓋加上汽套，以致于所述 蒸汽室通過直接傳導(dǎo)內(nèi)燃室的熱以及蒸汽箱的熱來加熱。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述進(jìn)氣閥包括在汽缸蓋中的緩 沖閥和起閥器，所述起閥器裝在活塞內(nèi)部的可響應(yīng)活塞運(yùn)動(dòng)而連接和從而打開所述緩沖 閥的位置，以使蒸汽自蒸汽箱進(jìn)入所述蒸汽室內(nèi)。
13. 權(quán)利要求11所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述閥為具有常閉循環(huán)形閥件的 單座或雙座式提升闊，所述環(huán)形閥件可縮性地偏置在環(huán)繞汽缸蓋內(nèi)的蒸汽進(jìn)口的同軸閥 座上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)為多缸式發(fā)動(dòng)機(jī)，所 述多缸式發(fā)動(dòng)機(jī)具有設(shè)在一個(gè)汽缸的排氣口和一或多個(gè)其它汽缸的蒸汽進(jìn)口之間的至 少一復(fù)合閥，所述復(fù)合閥將排氣自所述一個(gè)汽缸饋送到至少一其它汽缸，以便通過一或 多個(gè)所述復(fù)合閥的工作來達(dá)到汽缸復(fù)合。
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括設(shè)置在活塞上的 刮油環(huán)，所述刮油環(huán)將油和燃燒產(chǎn)物送到在汽缸內(nèi)壁中的周向收集槽，以便在油和燃燒 產(chǎn)物進(jìn)入蒸汽管道前將它們收集和移除。
16. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一刮環(huán)，所 述刮環(huán)支承在汽缸內(nèi)壁中的周向向內(nèi)開口凹槽中，以便在油和燃燒產(chǎn)物進(jìn)入蒸汽管道之 前從所述汽缸收集和移除它們。
17. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)具有至少一選自節(jié)流 閥和具有可變截止裝置的進(jìn)氣閥的工作調(diào)節(jié)器；以及與所述發(fā)動(dòng)機(jī)連接的控制器，所述控制器響應(yīng)一或多種發(fā)動(dòng)機(jī)操作變量的改變來調(diào)節(jié)至少一所述調(diào)節(jié)器，以提高蒸汽機(jī)效 率。
18. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器連接， 所述發(fā)動(dòng)機(jī)控制器響應(yīng)一或多種發(fā)動(dòng)機(jī)操作變量的改變來調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)節(jié)流閥或可變的 蒸汽進(jìn)氣閥截止裝置，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)操作變量選自供 給發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸汽的溫度或壓力，向發(fā)動(dòng)機(jī)提供蒸汽的蒸汽產(chǎn)生器的輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載 和發(fā)動(dòng)機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)為多缸式發(fā)動(dòng)機(jī)，至 少一蒸汽閥連接在蒸汽供應(yīng)和至少一汽缸之間；以及所述發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)管理控制器連 接，以便響應(yīng)遞增的蒸汽產(chǎn)生器輸出或供給蒸汽產(chǎn)生器的熱量而打開一或多個(gè)所述蒸汽 閥來提高發(fā)動(dòng)機(jī)排量，并且響應(yīng)蒸汽產(chǎn)生器輸出或供給蒸汽產(chǎn)生器的熱量的遞減而關(guān)閉 至少一蒸汽閥來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。
20. —種組合式內(nèi)燃蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其中用內(nèi)燃燒造成的廢熱來產(chǎn)生蒸汽，所述發(fā)動(dòng) 機(jī)包括汽缸，所述汽缸具有設(shè)置成在其內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，其中所述活塞可用內(nèi)燃 燒和在可擴(kuò)展蒸汽室內(nèi)的蒸汽兩者來驅(qū)動(dòng)，所述蒸汽室位于所述活塞和密封所述蒸汽室 的一端的汽缸頭之間，在所述發(fā)動(dòng)機(jī)中使蒸汽進(jìn)入所述蒸汽室的蒸汽進(jìn)氣閥，所述蒸汽 室具有蒸汽排氣閥，在所述蒸汽室處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)時(shí)，所述蒸汽排氣閥在與所述汽缸中的排氣口成一直線時(shí)打開和關(guān)閉所述排氣口，從而自所述蒸汽室排出蒸汽，由于連續(xù)的活塞運(yùn)動(dòng)使所述蒸汽室的體積減小，在所述蒸汽室內(nèi)的剩余蒸汽因此會(huì)被再壓縮，以致于所述蒸汽進(jìn)氣閥將蒸汽導(dǎo)入已在所述蒸汽室內(nèi)被再壓縮的剩余蒸汽中，從而通過所述剩余蒸汽來減少或排除導(dǎo)入蒸汽的冷卻。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述汽缸頭為汽缸蓋，所述汽缸蓋與活塞的內(nèi)壁密封地連接，并且支承在十字頭導(dǎo)件的自由端上。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括包含蒸汽節(jié)流閥及具有截止控制的蒸汽進(jìn)氣閥的工作調(diào)節(jié)器以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，所述控制器與所述發(fā)動(dòng)機(jī)連接以響應(yīng)一或多種發(fā)動(dòng)機(jī)操作變量的改變來改變至少一所述工作調(diào)節(jié)器，以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)效率。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)管理計(jì)算器連接以響應(yīng)至少一發(fā)動(dòng)機(jī)操作變量的改變來控制至少一包含蒸汽機(jī)蒸汽節(jié)流閥及蒸汽進(jìn)氣閥截止裝置的工作調(diào)節(jié)器，以便提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)操作變量選自蒸汽供應(yīng)溫度或壓力，蒸汽產(chǎn)生器輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和發(fā)動(dòng)機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)為多缸式發(fā)動(dòng)機(jī)，至少一闊連接在蒸汽產(chǎn)生器和至少一汽缸之間，以將蒸汽供給不同的選定數(shù)量的汽缸，從而有助于達(dá)到預(yù)定的蒸汽產(chǎn)生器輸出和汽缸排量之間的預(yù)定比例。
25. —種組合式內(nèi)燃蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸，所述發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的一端與曲軸箱連接，在另一端則具有帶燃燒進(jìn)氣口和排氣口的燃燒室以及與所述燃燒室連接的可燃燒燃料源，密封地和可滑動(dòng)地安裝在汽缸內(nèi)的帶裙部活塞，在一端與活塞連接以及在另一端具有十字頭的活塞桿，固定在所述十字頭和曲軸箱之間的連桿，密封地和可滑動(dòng)地與所述活塞桿和活塞裙部的內(nèi)表面連接的汽缸頭，所述汽缸頭包括在支柱的一端上的蓋，所述支柱的另一端由曲軸箱支承，所述十字頭可滑動(dòng)地安裝在所述支柱內(nèi)，所述蓋和支柱限定了蒸汽箱的上表面和中心表面，所述蒸汽箱封裝在汽缸內(nèi)并鄰接所述蓋，由來自燃燒室的廢熱所產(chǎn)生的蒸汽源與所述蒸汽箱、在所述蓋中的蒸汽進(jìn)氣閥以及在所述發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的蒸汽排氣闊聯(lián)通，所述蒸汽排氣閥適合與蒸汽膨脹室聯(lián)通。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)為多缸式發(fā)動(dòng)機(jī)，其蒸汽閥門與至少一汽缸聯(lián)通式連接，以選擇性地控制蒸汽流到不同數(shù)量的汽缸，從而改變所述發(fā)動(dòng)機(jī)的工作蒸汽排量。.
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)具有蒸汽過熱器，所述蒸汽過熱器連接作為內(nèi)燃排氣歧管的一部分以接收自燃燒室的排氣；導(dǎo)管，所述導(dǎo)管以熱傳導(dǎo)關(guān)系傳送蒸汽以加熱供給所述蒸汽箱的蒸汽；以及空氣源，所述空氣源與所述蒸汽過熱器連接以促進(jìn)其中排氣成分的燃燒以及減少排氣造成的空氣污染。
28. —種組合式內(nèi)燃和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其中內(nèi)燃燒熱在蒸汽產(chǎn)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽以助活塞運(yùn)動(dòng)，汽缸具有設(shè)置成在其內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，在汽缸內(nèi)與活塞鄰接的內(nèi)燃室和蒸汽室以及至少一與蒸汽室通過汽缸的壁聯(lián)通的蒸汽排出口以將蒸汽室內(nèi)的蒸汽通過汽缸壁排出，所述發(fā)動(dòng)機(jī)為多缸式發(fā)動(dòng)機(jī)，至少一蒸汽閥連接在蒸汽產(chǎn)生器和至少一汽缸之間，以及發(fā)動(dòng)機(jī)管理控制器，所述發(fā)動(dòng)機(jī)管理控制器連接成響應(yīng)遞增的蒸汽產(chǎn)生器輸出或供給蒸汽產(chǎn)生器的熱量而打開至少一所述蒸汽閥來提高發(fā)動(dòng)機(jī)排量，并且響應(yīng)蒸汽產(chǎn)生器輸出的下降或供給蒸汽產(chǎn)生器的熱量的遞減而關(guān)閉至少一蒸汽閥，從而調(diào)節(jié)蒸汽產(chǎn)生器輸出和蒸汽排量比例，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。
29. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在汽車內(nèi)以及蒸氣室連接成在制動(dòng)期間將壓縮空氣傳送到存儲(chǔ)罐中以提供經(jīng)由蒸汽室供應(yīng)的能量以使汽車向前移動(dòng)。
30. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的輔助排量室，所述輔助排量室通過具有選定直徑的節(jié)流管與蒸汽室聯(lián)通，以便在較低每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下提供較大的有效間隙容積以及在較高每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)下提供減小的有效間隙容積。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于 一所述蒸汽閥與每一汽缸聯(lián)通以及所述控制器順序地打開所述蒸汽閥，使蒸汽能夠在蒸汽產(chǎn)生器輸出增加時(shí)流過逐漸地增加的較多數(shù)量的汽缸以及在蒸汽產(chǎn)生器輸出下降時(shí)流過逐漸地減少的較少數(shù)汽缸。
32. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于當(dāng)活塞內(nèi)的排氣口與所述蒸汽排出口成一直線時(shí)，蒸汽通過所述蒸汽排出口排出。
33. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述汽缸頭為密封地與活塞連接的盤形件以及所述蒸汽進(jìn)氣闊設(shè)置在所述盤形件內(nèi)以密封貫穿所述盤形件的蒸汽進(jìn)氣孔。
34. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于蒸汽通過具有可變截止裝置的蒸汽進(jìn)氣閥自蒸汽節(jié)流閥導(dǎo)入所述蒸汽室，所述截止裝置和所述蒸汽節(jié)流閥由控制器調(diào)節(jié)，所述控制器自發(fā)動(dòng)機(jī)操作變量和駕駛者的節(jié)流閥控制桿接收輸入，以便連續(xù)計(jì)算和調(diào)整截止裝置和節(jié)流閥調(diào)定，以優(yōu)化所述發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗量。
全文摘要
一種組合式內(nèi)燃和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)(10)，其包括汽缸(12)，所述汽缸具有設(shè)置成在其內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞(14)；在汽缸(12)內(nèi)與活塞(14)鄰接的內(nèi)燃室(34)和蒸汽室(44)；以及至少一配置成通過汽缸(12)的壁(12a)與蒸汽室(44)聯(lián)通的蒸汽排出口(50)，以便在汽缸壁(12a)內(nèi)與外部加熱的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋表面(20)鄰接的位置將蒸汽排出，以便有助于減少自用燃燒廢熱加熱的蒸汽產(chǎn)生器(100)進(jìn)入蒸汽室(44)的蒸汽的冷卻或冷凝。本發(fā)明還容許從為汽缸蓋(20)加汽套的蒸汽箱(46)進(jìn)入的蒸汽當(dāng)蒸汽室(44)處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)(10)排出，于是剩余的蒸汽然后可在下股蒸汽進(jìn)入之前由再壓縮，而蒸汽室(44)內(nèi)的蒸汽可通過內(nèi)燃室(34)直接地加熱以及可通過蒸汽箱(46)的熱來加熱。一種內(nèi)燃排氣(37)驅(qū)動(dòng)的加熱器(104)為內(nèi)燃排氣岐管的一部分，所述排氣岐管用作補(bǔ)燃器，其具有補(bǔ)充的噴氣(146)以助長未燃排氣成分的燃燒，使經(jīng)過其傳送到蒸汽箱(46)的蒸汽過熱。本發(fā)明提供用于平衡蒸汽機(jī)(10)排量與蒸汽產(chǎn)生器(100)輸出以及用于使汽缸(12)與蒸汽產(chǎn)生器(100)復(fù)合的閥、換熱器(106，108)和控制器(305)結(jié)構(gòu)，以便有效地回收廢熱。
文檔編號(hào)F01K23/06GK101680310SQ200880015094
公開日2010年3月24日 申請日期2008年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月7日
發(fā)明者斯蒂芬·C·哈蒙, 詹姆斯·V·哈蒙, 詹姆斯·V·哈蒙二世 申請人:詹姆斯·V·哈蒙