专利名称：蒸汽回注型内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机，特别是蒸汽回注型内燃机。
在公知的内燃机中，由于排气中的热量未被回收并转化为输出功率，这使排气热量被白白浪费，同时也对环境造成了较大的污染。虽然有些内燃机已经利用排气进行涡轮增压，但它主要提高了内燃机的功率，对提高热效率作用很小。
本发明的目的是设计一种蒸汽回注型内燃机，这种内燃机利用余热锅炉及过热器对排气中的热量充分回收，使产生的高压过热蒸汽在作功过程开始后，经控制阀和注汽阀进入汽缸，加大对活塞的推动力。从而实现把排气中的热量通过回收利用而转化为输出功率这一目的，使热效率得到提高。
本发明的基本结构是在汽缸盖上增设了注汽阀，该阀经设有控制阀的管路通向余热锅炉的过热器，余热锅炉及过热器则置于与排气门或排气口相通的排气管路中。
下面根据
本发明的基本构成、工作原理和各实施例的结构细节。
图1，单注汽阀、以汽油为燃料的四冲程蒸汽回注型内燃机。
图2，蒸汽回注型内燃机在作功过程中，余热锅炉中的高压蒸汽向汽缸内的注入过程。图2中，①作功过程开始;②余热锅炉中的高压蒸汽经控制阀和注汽阀进入汽缸;③蒸汽注入过程停止、作功过程结束;④排气过程，废汽被排向余热锅炉。
图3，双注汽阀、以汽油为燃料的四冲程蒸汽回注型内燃机。
图4，大型二冲程蒸汽回注型内燃机。
图5，中小型二冲程蒸汽回注型内燃机。
图6，单注汽阀、以柴油为燃料的四冲程蒸汽回注型内燃机。
图7，双注汽阀、以柴油为燃料的四冲程蒸汽回注型内燃机。
图1中的实施例是一种单注汽阀、以汽油为燃料的四冲程蒸汽回注型内燃机。图中描述了蒸汽回注型内燃机的基本结构、排气管路和余热锅炉等的布置方式。蒸汽回注型内燃机是在普通内燃机基础上发展起来的，由图可见，这种内燃机也象普通内燃机那样，包括汽缸盖(1)、汽缸体(50)和曲轴箱(58)。在汽缸盖(1)上设有被凸轮机构控制的进气门(3)和排气门(9)。同时，在汽缸盖(1)上还装有火花塞(17)(在柴油机型中装喷油器)。图中的实施例是四冲程，在二冲程蒸汽回注型内燃机中，有时在汽缸盖上只设排气门、而在汽缸上设排气口，或者只在汽缸上设排气口和扫气口。在汽缸体(50)的汽缸(51)中装有活塞(56)，活塞经连杆(57)与曲轴箱(58)中的曲轴(59)相连，活塞的运动由连杆传给曲轴，从而使曲轴旋转。
为能回收排气中的热量，蒸汽回注型内燃机增设了余热锅炉(61)及过热器(62)。当然，还要为余热锅炉配置自动供水及安全阀等装置。余热锅炉(61)和过热器(62)设置在与排气门(9)相通的排汽管路(10)中。在布局上，过热器(62)应比余热锅炉(61)更靠近排气门(9)，让汽缸排出的废汽先加热过热器。同时，还要对排汽管路(10)及余热锅炉(61)的某些部位增设隔热层(65)，以保持较高的余热回收率。为使余热锅炉产生的过热蒸汽能在规定的时间内进入汽缸，在汽缸盖(1)上设置了注汽阀(20)，该阀经管路(23)、控制阀(36)和管路(63)通向余热锅炉(61)的过热器(62)。在图1中的汽缸盖(1)上只装了一个注汽阀(20)，这种阀是单向阀，它通过阀杆(21)受弹簧(22)作用处于常闭状态。只有在作功过程开始后，当控制阀(36)开启时，余热锅炉来的过热蒸汽才能通过注汽阀(20)进入汽缸(51)中。而控制阀(36)关闭后，汽缸(51)中的气体是不会经注汽阀(20)向外泄漏的。控制阀(36)在作功过程中的上止点后至排气门或排气口开启前的范围内才被控制开通，其它状态下，控制阀是处在关闭状态的。在图1这一实施例中，控制阀(36)采用的是一种旋转阀，该阀的阀体(37)上设有能沟通两侧管路(23)、(63)的通道(38)(图中的控制阀36是处于关闭状态)，通道两端的开口处在阀体的同一轴向位置上。阀体(37)经传动机构(未画)被曲轴(59)带动旋转。在四冲程机型中，这种旋转阀与曲轴的传动比为4∶1。
蒸汽回注型内燃机的工作过程与普通内燃机一样，也要进行进气、压缩、作功和排气四个过程。余热锅炉(61)及过热器(62)所产生的过热蒸汽由控制阀(36)和注汽阀(20)控制，是在作功过程中进入汽缸(51)中的，这一过程如图2所示。当作功过程开始后，汽缸(51)中的燃油空气混合气经火花塞(17)点火燃烧，所形成的高温高压燃气便把移到上止点的活塞(56)向下推动。在活塞移到上止点进行作功过程时，控制阀(36)也将开启，如图2①所示。随着燃气推动活塞(56)向下运行，控制阀(36)也处在开启的位置，如图2②所示，余热锅炉(61)及过热器(62)产生的过热蒸汽便流经控制阀(36)和管路(23)，冲开注汽阀(20)进入汽缸(51)中，如图中箭头所示，增加对活塞(56)的推动力，使输出的功率增加。在这一过程中，当控制阀(36)开启后，余热锅炉来的过热蒸汽是不会立即冲开注汽阀(20)进到汽缸(51)内的，只有在汽缸内的燃气压力随着活塞(56)的下行而相应降低，使蒸汽压力超过汽缸内的压力后，过热蒸汽才会冲开注汽阀(20)进入汽缸中。在上述的作功过程开始，活塞移到上止点后，控制阀(36)也可以随之同时开启，但有些情况下，因汽缸的排气温度很高(在汽油机型中，有时要超过600℃)，余热锅炉产生的过热蒸汽压力也会相应很高，如过热蒸汽能被加热到300℃，其压力就可达到50个大气压。这样，蒸汽的压力便会经常高于汽缸内的最高燃烧压力。如果控制阀(36)在活塞行到上止点后马上开启，过热蒸汽就会立即进入汽缸(51)中，有可能影响燃油空气混合气的正常燃烧，为避免这种情况，可让控制阀(36)稍晚一些开启，比如过上止点10°曲轴转角再开启。
当被燃气蒸汽混合气向下推动的活塞(56)移到下止点后，作功过程结束，控制阀(36)回到关闭位置，停止向汽缸(51)供汽。然后，排气门(9)将开启(实际内燃机中，排气门要提前开启)，如图2③所示。为让进入汽缸内的过热蒸汽能充分膨胀，也可把控制阀(36)的关闭时间调整到比排气门(9)的开启更提前一些。排气门(9)开启后，上行的活塞(56)把汽缸(51)中的废汽向外排出，经排气管路(10)流向过热器(62)和余热锅炉(61)(如图2④中箭头所示)，把余热锅炉中的水(64)加热成高压蒸汽，再经过热器进一步加热成过热蒸汽。
图3实施例中描述的也是一种以汽油为燃料的四冲程蒸汽回注型内燃机。与图1中实施例相比，在这种内燃机的汽缸盖(1)上设置了两个注汽阀(20)，这两个注汽阀设在进气门(3)和排气门(9)的两侧，每个注汽阀分别经管路(23)通向各自的控制阀(36)，然后再经管路(63)通向余热锅炉(61)的过热器(62)。在这一实施例中，控制阀(36)采用的也是旋转阀，在该阀的阀体(41)上设有能沟通两侧管路(23)、(63)的通道(42)(图中控制阀36是处在开启状态)，与图1中的控制阀有所不同，这种阀的通道(42)的两端开口处在阀体(41)上的不同轴向位置上，并且两开口完全错开(参看图中A-A剖面)，阀体(41)经传动机构(未画)被曲轴(59)带动，两者的传动比为2∶1。
在图1和图3两个实施例的蒸汽回注型内燃机中，由于是以汽油为燃料，压缩比较低，燃烧室的容积也就相对较大，这使布置进、排气门时比较容易，也能为所设置的注汽阀留有足够的开闭空间。由于注汽阀(20)有足够的开闭空间，就不必让注汽阀急于关闭(但也应在压缩过程前关闭)，这样，让注汽阀处于关闭状态的弹簧(22)的弹力便可以较小一些，以减小对过热蒸汽造成的压力损失。
图4实施例描绘的是大型二冲程蒸汽回注型内燃机。由于在这种内燃机的汽缸(51)上设置了扫气口(53)和排气口(52)，汽缸盖(1)上便没有进、排气门。这样，可以在汽缸盖(1)上多设几个注汽阀(20)，如设置两个、四个或六个以上的注汽阀，以便更有利于让过热蒸汽进入汽缸(51)中。在本实施例中，汽缸盖(1)上设置了六个注汽阀(20)，它们每三个为一组(如设四个，每两个为一组)，每组分别经管路(24)通向各自的控制阀(36)，然后再经管路(63)通向余热锅炉(61)的过热器(62)。与注汽阀(20)相配合的控制阀(36)是旋转阀，在该阀的阀体(37)上设有能沟通两侧管路(24)、(63)的通道(38)，通道两端的开口是处在阀体的同一轴向位置上。阀体(37)经传动机构被曲轴带动(未画)，因为是二冲程，两者的传动比为2∶1。
在本实施例的二冲程机型中，汽缸内的废汽可通过扫气口(53)和排气口(52)以回流方式进行换气。从排气口(52)排出的废汽经排汽管路(10)通向过热器(62)和余热锅炉(61)，然后再经涡轮增压器(16)的涡轮才被排到外界。而涡轮增压器(16)的压气机在涡轮带动下，把吸入的空气经气室(19)从扫气口(53)进入汽缸(51)。
图5实施例描绘了一种中小型二冲程蒸汽回注型内燃机。这种内燃机在汽缸(51)上设有扫气口(53)，汽缸盖(1)上安装了一个排气门(9)。在排气门周围，可以设置两个或两个以上的注汽阀(20)，图中实施例的汽缸盖(1)上就设置了三个注汽阀(20)，这些注汽阀经管路(25)通向一个总的控制阀(36)后，再经管路(63)通向余热锅炉(61)的过热器(62)。与上述各实施例不同，在图5这一实施例中，控制阀(36)是一种滑动阀，该阀的阀芯(45)设在通向注汽阀(20)和过热器(62)的两管路(25)、(63)之间，在由凸轮(48)、推杆(46)和弹簧(47)组成的机构控制下开通或关闭。图中的内燃机正进行作功过程，阀芯(45)经推杆(46)被凸轮(48)顶起处在开启位置，以便让过热器(62)来的蒸汽经控制阀(36)和注汽阀(20)进到汽缸(51)中(如图中箭头所示)，增加对活塞(56)的推动力。在作功过程结束、排气门(9)将被开启时，凸轮(48)的凸起部分也转过推杆(46)，由弹簧(47)使阀芯(45)落回到关闭位置，从而切断蒸汽通往汽缸的通路。作功过程结束，排气门(9)开启，由压气机(54)提供的扫气流从汽缸上的扫气口(53)进入汽缸，把其中的废汽经打开的排气门(9)挤出汽缸，经过热器(62)和余热锅炉(61)后，再被向外排出。
在这里，汽缸盖(1)上的排气门(9)和控制阀(36)，都是通过各自的传动机构被同一凸轮轴(49)上的不同凸轮所控制。
图6实施例中描绘的是单注气阀、以柴油为燃料的蒸汽回注型内燃机。在这种内燃机中，因靠压燃点火，压缩比较高，这使燃烧室的容积相对较小，有可能让行到上止点的活塞(56)撞上未及时关闭的注汽阀(20)。为防止这种情况发生，对使注汽阀(20)处于常闭状态的弹簧(22)采用了更大的弹力，以便让注汽阀能迅速关闭。加大了弹簧(22)的弹力后，为避免注汽阀(20)对过热蒸汽造成压力损失，在本实施例中，采用了由弹簧(27)、顶筒(28)、凸轮(30)及相应部件构成的传动机构，在内燃机作功过程中的上止点后至排气门或排气口开启前的范围内(也就是在控制阀36开通范围内)，由凸轮(30)经摇臂(29)和顶筒(28)压缩弹簧(27)，如图中状态所示，对促使注汽阀(20)关闭的弹簧(22)施加一定作用力，让注汽阀受弹簧(22)的关闭作用力相对减小。这样，过热蒸汽只需用很小的压力就可冲开注汽阀(20)。而当作功过程结束，需要注汽阀(20)关闭后，凸轮(30)的凸出部分已转过摇臂(29)，让弹簧(27)迅速放松，失去对弹簧(22)的压力作用，这时弹簧(22)就会带动注汽阀(20)赶在活塞(56)行到上止点前迅速关闭，以避免两者相撞。为控制注汽阀而增设的这种机构也可以用于上述的各不同实施例当中，以使注汽阀能更好地适应内燃机的不同运转状态。
汽缸盖(1)上的进、排气门和注汽阀，是通过各自的摇臂被同一根凸轮轴(15)上的不同凸轮所控制的，至于其它部分的结构及布置，可参看图1和图3中实施例。
图7实施例描绘的是双注汽阀、以柴油为燃料的蒸汽回注型内燃机。在这种机型的汽缸盖(1)上设置了双排气门和双进气门，同时，在汽缸盖上也安装了两个注汽阀(20)。由图可见，两个注汽阀(20)之间由绕过喷油器(18)的管路(26)相连通，再经管路(23)通向总控制阀(36)，然后经管路(63)通向余热锅炉(61)的过热器(62)。这里的控制阀(36)采用的是滑动阀，该阀的阀芯(45)在凸轮(48)和弹簧(47)的控制下，可把通向注汽阀与过热器的管路(23)、(63)切断或沟通。图中的控制阀(36)是处在下部的关闭位置。对于汽缸盖(1)上的两个注汽阀(20)，也采用了与图6实施例中相同的由弹簧(27)、顶筒(28)和凸轮(30)等构成的机构，来让注汽阀在作功过程中所受到的弹簧(22)的关闭作用力相应减小。不过，为同时控制两个注汽阀(20)，采用了由摇臂(32)、连杆(33)和摇臂(34)构成的同步机构，再通过推杆(35)被凸轮(30)控制。
在以上实施例中，详细说明了蒸汽回注型内燃机工作过程、不同类型和最佳的实施方案。其中，以汽油为燃料的蒸汽回注型内燃机因压缩比较低，燃烧压力较小，而排气温度又很高，最有利于让余热锅炉和过热器从排气中回收很多的热量，同时，也能让过热蒸汽更多地进入汽缸当中。因此，以汽油为燃料的蒸汽回注型内燃机在热量回收利用率方面比其它机型都有利，从而可以完全克服普通汽油机中热效率较低这一不足。
在四冲程和二冲程蒸汽回注型内燃机当中，因四冲程机型排气温度高，在热量回收率方面要比二冲程机型有利。要提高二冲程机型的热量回收率，应从改善汽缸内的换气过程入手，让冷空气尽可能在换气过程中少混入排气当中，以便保持较高的排气温度。
蒸汽回注型内燃机虽然增设了余热锅炉、过热器和注汽阀、控制阀等，但对原有的内燃机改动不大，对汽缸内进行的燃油空气混合汽的燃烧过程影响也较小。因此，有利于在实际中更广泛的应用。蒸汽回注型内燃机适合在经常以较高的功率和长时间运转条件下使用，把它用于船舶、地面电站、内燃机车和长途行驶的汽车等方面是很合适的。
权利要求
1.一种蒸汽回注型内燃机，它包括汽缸盖(1)、汽缸体(50)和曲轴箱(58)，通常，在汽缸盖(1)上设有被凸轮机构控制的进气门(3)和排气门(9)，或在汽缸盖上设排气门(9)、而在汽缸(51)上设扫气口(53)，或者只在汽缸上设置排气口(52)和扫气口(53)，在汽缸盖(1)上还装有火花塞(17)或喷油器(18)，在汽缸(51)中装有活塞(56)，活塞经连杆(57)与曲轴箱(58)中的曲轴(59)相连，本发明的特征是在汽缸盖(1)上增设了注汽阀(20)，该阀经设有控制阀(36)的管路通向余热锅炉(61)的过热器(62)，余热锅炉及过热器置于与排气门(9)或排气口(52)相通的排气管路(10)中。
2.根据权利要求1的蒸汽回注型内燃机，其特征是注汽阀(20)是一种单向阀，该阀通过阀杆(21)在弹簧(22)作用下处于常闭状态，过热蒸汽能通过注汽阀(20)进入汽缸(51)。
3.根据权利要求2的蒸汽回注型内燃机，其特征是由弹簧(27)、顶筒(28)、凸轮(30)及相应部件构成的传动机构，在内燃机作功过程中的上止点后至排气门或排气口开启前的范围内，对弹簧(22)施加一定作用力，使注汽阀(20)受弹簧(22)的关闭作用力相对减小。
4.根据权利要求1的蒸汽回注型内燃机，其特征是控制阀(36)在内燃机作功过程中的上止点后至排气门或排气口开启前的范围内才被控制开通。
5.根据权利要求4的蒸汽回注型内燃机，其特征是控制阀(36)是一种旋转阀，该阀的阀体(37)上设有能沟通两侧管路的通道(38)，通道两端的开口处在阀体的同一轴向位置上。
6.根据权利要求4的蒸汽回注型内燃机，其特征是控制阀(36)是一种旋转阀，该阀的阀体(41)上设有能沟通两侧管路的通道(42)，通道两端的开口处在阀体(41)上的不同轴向位置上，并且两开口完全错开。
7.根据权利要求4的蒸汽回注型内燃机，其特征是控制阀(36)是一种滑动阀，该阀的阀芯(45)设在通向注汽阀(20)和过热器(62)的两管路之间，在凸轮(48)、推杆(46)和弹簧(47)组成的机构控制下开通或关闭。
8.根据权利要求2或3，5、6或7的蒸汽回注型内燃机，其特征是在汽缸盖(1)上只设一个注汽阀(20)，该阀经管路(23)、控制阀(36)和管路(63)通向余热锅炉的过热器(62)。
9.根据权利要求2或3，5、6或7的蒸汽回注型内燃机，其特征是在汽缸盖(1)上设置两个、四个或六个以上的注汽阀(20)，每个或每组注汽阀分别经两侧的管路(23)通向各自的控制阀(36)，再经管路(63)通向余热锅炉的过热器(62)。
10.根据权利要求2或3，5、6或7的蒸汽回注型内燃机，其特征是在汽缸盖(1)上设置两个或两个以上的注汽阀(20)，这些注汽阀经管路(25)通向一个总的控制阀(36)，再经管路(63)通向余热锅炉的过热器(62)。
全文摘要
本发明涉及一种内燃机，特别是蒸汽回注型内燃机。本发明的这种内燃机利用余热锅炉及过热器对排气中的热量充分回收，使产生的高压过热蒸汽在作功过程开始后，经控制阀和注汽阀进入汽缸，加大对活塞的推动力，从而实现把排气中的热量通过回收利用而转化为输出功率这一目的。这种新型内燃机最适合经常在较大的功率和长时间运转条件下工作，把它用于船舶、地面电站、内燃机车和长途行驶的汽车等方面是很合适的。
文档编号F01N5/02GK1101964SQ9311873
公开日1995年4月26日 申请日期1993年10月22日 优先权日1993年10月22日
发明者韩培洲 申请人:韩培洲