具有回收自废热的辅助蒸汽动力的内燃机
2020-01-11

具有回收自废热的辅助蒸汽动力的内燃机

一种组合式内燃和蒸汽发动机(10),其包括:汽缸(12),所述汽缸具有设置成在其内作往复运动的活塞(14);在汽缸(12)内与活塞(14)邻接的内燃室(34)和蒸汽室(44);以及至少一配置成通过汽缸(12)的壁(12a)与蒸汽室(44)联通的蒸汽排出口(50),以便在汽缸壁(12a)内与外部加热的发动机汽缸盖表面(20)邻接的位置将蒸汽排出,以便有助于减少自用燃烧废热加热的蒸汽产生器(100)进入蒸汽室(44)的蒸汽的冷却或冷凝。本发明还容许从为汽缸盖(20)加汽套的蒸汽箱(46)进入的蒸汽当蒸汽室(44)处于扩展状态时从发动机(10)排出,于是剩余的蒸汽然后可在下股蒸汽进入之前由再压缩,而蒸汽室(44)内的蒸汽可通过内燃室(34)直接地加热以及可通过蒸汽箱(46)的热来加热。一种内燃排气(37)驱动的加热器(104)为内燃排气岐管的一部分,所述排气岐管用作补燃器,其具有补充的喷气(146)以助长未燃排气成分的燃烧,使经过其传送到蒸汽箱(46)的蒸汽过热。本发明提供用于平衡蒸汽机(10)排量与蒸汽产生器(100)输出以及用于使汽缸(12)与蒸汽产生器(100)复合的阀、换热器(106,108)和控制器(305)结构,以便有效地回收废热。

特征和意想不到的效果

杂项损失

如前所述,未燃燃料占废气热函比例约为3-9%。将未燃燃料燃烧可将排气温度提高多达20(TK。在高速运行时,典型的汽车发动机的发动机排气介于约40(TC-90(TC的范围。

如图2所示,蒸汽箱46上面的盖20的整个顶壁(通常为导柱20a的顶部区域的5或6倍大)如上述般将盖20、阀48和活塞维持在接近输入蒸汽的温度。汽缸的下部可以隔热,其一小部分在12c示出,以及十字头导件27也部分地在20e示出,以使自蒸汽箱46的热量损失最少化。

所述类型的发动机,例如专利1,324,183和3,921,404是基于逆流原理而工作,其中在活塞下降时排出大气压力下的蒸汽。与之相反,本发明的位于活塞14顶下面的蒸汽发动机组件,甚至能够优于以具有非常高效率而着称的单流式蒸汽机的性能。在单流式发动机中,只在活塞暴露排气口的短时间内,蒸汽才会在汽缸中心流出,但与排气口的环邻接的活塞端部未被加热。在本发明中,当室44处于扩展状态时,在每一冲程的上端,活塞裙中的排气口14b与汽缸壁中的排出口51成一直线,使蒸汽可短暂地逸入围绕汽缸12的排气歧管50。当排气口51暴露时,在热的盖20的顶部收集的任何水汽将会被横向地扫出汽缸,而不是留下进行再蒸发。在下冲程时,留在蒸汽室44的蒸汽被压縮至进气压力,但不像单流式发动机,44的间隙空间的上及下邻接面都被加热(活塞14的顶由内燃室加热,而汽缸的下端,包括盖20,阀48和活塞裙部由室46内的高压蒸汽加热),从而保持汽缸和活塞的热度。这样,就比单流式发动机更有效地防止了发动机表面的潜在冷凝。有如单流式发动机中的蒸汽再压縮避免了逆流式发动机中发生的间歇性冷却,而邻接排气口51的盖20的加热使其上的新鲜蒸汽的冷凝最少化,从而维持比单流式发动机高的效率水平。图2、7和8示出了包含蒸汽进气阔48的盖20如何被加汽套来提供热能,以便在工作期间保持20a的汽缸头表面在排气口51的环附近被加热。

图9A所示为馈给补燃器的补充燃烧气体源的示意图。

润滑油可以任何适当的方式提供,例如可通过连续加压供给管道20f和57(图2)和177(图15),其将油通过汽缸壁计量供给盖壁、活塞和汽缸;以及可藉由传统的通过曲轴和连杆的加压供给;或者通过从贮油槽(未示出)喷溅或喷射油。

19为了进一步提高效率,并补偿下冲程的负扭矩(尤其在低速时的),蒸汽室44可选择地通过直径为0.18英吋的节流管或扼流圈47连接活塞头中的辅助排量室45(图2),该排量室比方说为2立方英吋大,可用于40立方英吋的汽缸排量,以作为可变的辅助间隙容积,基于公知的流量节流原理以不同的节流阀调定将室44中的下冲程压縮压力限制在节流压力,以便藉由流经扼流圈的较大流量于低r.p.m.s.提供更有效的间隙容积,同时于高r.p.m.s.提供减小的流量,从而限制进入汽缸的充气。该作用于高r.p.m.s.提供较早的截止的效果,以便提高Rankine发动机的效率。此功能与内燃和蒸汽动力一起工作提供的每四冲程就有三个冲程有净正扭矩导致合理的平稳运行的发动机。约为其它三个冲程的净正扭矩的10-12%的负扭矩只会在内燃进气冲程内出现。本发明比给定数目活塞的内燃机提供更平稳的扭矩,因为每一活塞下面的蒸汽将在每一转提供一个动力冲程,并可在减小的r.p.m.s.下提供更大的扭矩,因为蒸汽机不需要高转数来展开其动力。4缸式发动机在每一转将会有六个动力冲程而不是两个,其中包括四个来自蒸汽膨胀的动力冲程。

本发明还提供一种固定于活塞杆的组合式内燃和蒸汽活塞,所述活塞杆穿过固定的汽缸盖或盘形件,汽缸盖或盘形件本身在汽缸内同心地定位于支柱的上端,所述支柱由环形空间包围,所述环形空间用作蒸汽箱和在活塞滑过汽缸越过所述汽缸盖时容纳活塞的裙部。除了密封蒸汽膨胀室44,所述固定的在中心的盖还支承蒸汽进气阀,减小其上表面和活塞之间的蒸汽间隙容积,限定蒸汽箱的顶部,加热蒸汽排气区域和支承环绕活塞杆的密封件,以防止蒸汽逸出。通过提供与汽缸头和汽缸壁两者之间成密封和滑动关系且带有裙部的活塞,容纳蒸汽所需的额外汽缸长度可以最小化,因为蒸汽室和内燃室占用相同的空间。此外,该发明提供一种改进的传热装置系统和顺序,以便有效地回收内燃机组件的燃烧废热。

如前所述,未燃燃料占废气热函比例约为3-9%。将未燃燃料燃烧可将排气温度提高多达20(TK。在高速运行时,典型的汽车发动机的发动机排气介于约40(TC-90(TC的范围。