專利名稱：蒸汽回注型內燃機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種內燃機，特別是蒸汽回注型內燃機。
在公知的內燃機中，由于排氣中的熱量未被回收不能轉化為輸出功率，這使排氣熱量被白白浪費，同時也對環境造成了較大的污染。雖然有些內燃機已經利用排氣進行渦輪增壓，但它主要提高了內燃機的功率，對提高熱效率作用較小。
本發明的目的是設計一種蒸汽回注型內燃機，利用內燃機的排氣加熱余熱鍋爐中的水，使排氣中的熱量被充分回收，所產生的高壓過熱蒸汽在作功過程中，經控制閥和注汽門進入汽缸，增加對活塞的推動力，從而實現把排氣中的熱量通過回收利用而轉化為輸出功率這一目的，使內燃機的熱效率進一步提高。
本發明的基本結構是在汽缸蓋上增設了注汽門，該注汽門經設有控制閥的注汽管路通向余熱鍋爐的過熱器，余熱鍋爐被置于出汽缸排氣門的排氣管路中。
下面根據


本發明的基本構成、工作原理和各實施例的結構細節。
圖1，火花塞點火式全汽缸蒸汽回注型內燃機。
圖2，圖1中汽缸蓋的放大剖視圖。
圖3，圖2中A—A剖面圖。
圖4，圖1中內燃機的進、排氣系統和蒸汽回注系統的布置圖。
圖5，全汽缸蒸汽回注型內燃機在作功過程中；余熱鍋爐內的高壓過熱蒸汽向汽缸內注入過程圖。在圖5中，①作功過程開始；②余熱鍋爐中的高壓蒸汽經控制閥和注汽門進入汽缸；③蒸汽注入過程停止；④排氣過程，廢汽被排向余熱鍋爐。
圖6，火花塞點火，噴射式少數汽缸蒸汽回注型內燃機。
圖7，圖6中內燃機的進、排氣系統，蒸汽回注系統和燃油噴射裝置的布置圖。
圖8，多氣門、火花塞點火、化油器式少數汽缸蒸汽回注型內燃機。
圖9，圖8中內燃機的進、排氣系統，蒸汽回注系統和化油器的布置圖。
圖10，火花塞點火、噴射式少數汽缸蒸汽回注型內燃機。
圖11，圖10中內燃機的進、排氣系統，蒸汽回注系統和燃油噴射裝置的布置圖。
圖12，多氣門、火花塞點火、噴射式少數汽缸蒸汽回注型內燃機的進、排氣系統，蒸汽回注系統和燃油噴射裝置的布置圖。
圖13，增壓、多氣門、壓燃式少數汽缸蒸汽回注型內燃機的進、排氣系統，蒸汽回注系統和渦輪增壓器的布置圖。
圖14，帶冷凝器、多氣門、火花塞點火式少數汽缸蒸汽回注型內燃機的進、排氣系統，蒸汽回注系統，燃油噴射裝置和冷凝器的布置圖。
蒸汽回注型內燃機適用于四沖程，尤其適用于火花塞點火式的內燃機。如汽油機和煤氣機等。蒸汽回注型內燃機包括全汽缸蒸汽回注和少數汽缸蒸汽回注兩種不同類型。
圖1至圖4實施例描述的是火花塞點火式、全汽缸蒸汽回注型內燃機。由于蒸汽回注型內燃機是在普通內燃機基礎上發展起來的，如圖1所示，這種內燃機也象普通內燃機那樣，包括汽缸蓋(2)、汽缸體(49)和曲軸箱(56)。在汽缸蓋(2)上設有被凸輪機構(12)控制的進氣門(5)和排氣門(13)，同時，在汽缸蓋上還裝有火花塞(3)(在壓燃式內燃機中裝噴油器)。在汽缸體的汽缸(50)中裝有活塞(54)，活塞經連扦(55)與曲軸箱(56)中的曲軸(58)相連。活塞的運動由連扦傳給曲軸，從而帶動曲軸施轉。實際中根據不同的機型，還為內燃機配有相應的燃料供給系統、冷卻系統和起動裝置等。
為把余熱鍋爐(94)所產生的過熱蒸汽能注入到汽缸(50)內，在汽缸蓋(2)上增設了注氣門(21)。注汽門(21)是一種被控制的可讓高壓蒸汽進入汽缸，但能阻止作功燃氣向外漏的單向閥。注汽門(21)經設有控制閥(38)的注汽管路(96)通向余熱鍋爐(94)的過熱器(95)，余熱鍋爐(94)被置于出排氣門(13)的排氣管路(83)中。
所增設的注汽門(21)的更詳細結構如圖2所示，它被設在進、排氣門(5)和(13)的一側(參看圖4)。注汽門(21)通過汽門桿(22)上的中部擋座(24)被下彈簧(23)作用而處于常閉狀態。中部擋座(24)是通過套管(25)和其上的擋頭(26)被嵌入的兩個分開的錐形鎖夾(27)卡在汽門桿(22)上的。在蒸汽向汽缸(50)內注入時，為減少或消除注汽門(21)所產生的阻力作用，注汽門還經汽門桿(22)上的中部擋座(24)、伸長程度受到限制的上彈簧(28)、限制彈簧伸長的彈簧擋座(29)和筒形挺柱(31)等部件被頂置的凸輪軸(35)上的凸輪(34)控制。在這里，上彈簧(28)的彈力略大于下彈簧(23)，這樣，在凸輪(34)推動筒形挺柱(31)通過彈簧擋座(29)壓縮上彈簧(28)時，在上彈簧(28)與下彈簧(23)的合力作用下，讓注汽門(21)受到一定的開啟作用力，使進入汽缸的高壓蒸汽基本上不受阻力的作用和影響。在凸輪(34)通過筒形挺柱(31)壓縮上彈簧(28)時，如果這時余熱鍋爐還未產生壓力蒸汽，汽缸內壓力很大的作功燃氣是不會讓注汽門(21)開啟的，此時向下移動的筒形挺柱(31)只會把彈簧擋座(29)沿汽門桿(22)向下推動，壓縮一下上彈簧(28)，凸柱(34)這時的控制動作并不影響汽缸內的燃燒作功過程。為使彈簧擋座(29)能裝在設有擋頭的套管(25)上，在實際結構中，彈簧擋座被制成兩個分開的部分，裝到套管(25)上后，再用墊圈(30)保持其整體性。
由于汽缸內要進行進氣，壓縮，作功和排氣四個過程，為控制高壓蒸汽在適當時刻充入汽缸，與注汽門(21)配合動作的控制閥(38)是定時開閉的。通常控制閥(38)可采用旋轉閥或滑動閥兩種結構，本實施例的控制閥是一種旋轉閥，該閥的結構和圖2和圖3所示，在這種閥的閥體(39)上設有能溝通注汽管路(96)的通道(40)。通道(40)的兩端開口處在閥體(30)的不同軸向位置上，并且完全錯開(參看圖3)，以便當閥體上的通道(40)轉過兩側的注汽管路(96)時，讓閥體把管路阻塞。為增強密封性，在汽缸蓋(2)的閥座部位與閥體(39)之間裝有密封件(42)。圖中的閥體(39)正處于開啟狀態，閥體是通過傳動機構(未畫)被曲軸(58)帶動旋轉。
為能回收排氣中的熱量，蒸汽回注型內燃機除增設余熱鍋爐(94)以外，還要為余熱鍋爐配置自動供水及安全閥等裝置。余熱鍋爐(94)被安置在汽缸(50)的排氣管路(83)中。在布局上，余熱鍋爐(94)的過熱器(95)更靠近排氣門(13)，汽缸排出的廢氣先經過熱器，然后再流向余熱鍋爐(94)，以便獲得更高溫度的過熱蒸汽。為減少排氣在管路中的散熱損失，對排氣管路(83)及余熱鍋爐(94)的某些部位要設置隔熱保溫層(97)。另外，為方便清除余熱鍋爐(94)內的煙灰和積碳，在余熱鍋爐上還要設清潔口(98)。
本實施例蒸汽回注型內燃機的進、排氣系統等的具體布置如圖4所示，這種內燃機是四缸機，因每個汽缸(50)上都設有注汽門(21)，出余熱鍋爐(94)及過熱器(95)的注汽管路(96)分別經控制閥(38)通向每個汽缸上的注汽門(21)。各控制閥(38)由軸(41)相連，經傳動機構(未畫)被曲軸帶動。這一實施例的內燃機是用化油器(61)來形成燃油空氣混合氣的，混合氣經進氣管(60)在進氣過程中充入汽缸(50)。出汽缸(50)的排氣管(84)經三元催化反應器(85)后，再通向余熱鍋爐(94)。
蒸汽回注型內燃機與普通內燃機一樣，也進行進氣、壓縮、作功和排氣過程。但在蒸汽回注型內燃機的作功過程中，要向汽缸(50)內充入余熱鍋爐產生的高壓過熱蒸汽。另外，因有全汽缸蒸汽回注和少數汽缸蒸汽回注兩種不同類型，兩者在蒸汽注入過程中的差別也是完全不同的。下面以附圖5說明全汽缸蒸汽回注型內燃機的蒸汽向汽缸內注入過程。當汽缸(50)完成進氣和壓縮過程后，活塞(54)也移到上止點，被壓縮在汽缸上部的燃油、空氣混合氣經火花塞(3)點火后，開始迅速燃燒，把移到上止點的活塞向下推動，開始作功過程，如圖5①所示。當活塞移到上止點附近進行作功過程時，控制閥(38)也隨之開啟，同時，凸輪(34)通過筒形挺拄(31)等也壓縮上彈簧(28)，在上彈簧(28)和下彈簧(23)的合力作用下，讓注汽門(21)受到開啟作用力。此時，因汽缸(50)中的燃氣壓力正處在最高狀態，注汽門(21)這時并未開啟。隨著燃氣推動活塞(54)向下運行，當汽缸(50)內相應降低的燃氣壓力低于余熱鍋爐(94)內的蒸汽壓力時，從余熱鍋爐的過熱器出來的高壓蒸汽便沿注汽管路(96)經控制閥(38)后，沖開注汽閥(21)進入汽缸(50)中，如圖5②中箭頭所示，與汽缸內的燃氣相混合，加大對活塞(54)的推動力，使輸出功率增加。
在上述作功過程剛開始，活塞移到上止點后，控制閥(38)可以隨之同時開啟。但有些情況下，如在汽油機中因排氣溫度很高，余熱鍋爐(94)所產生的蒸汽壓力也會相應很大，這樣，壓力很大的蒸汽便可能會因超過汽缸內的燃氣壓力而沖進汽缸，影響正在進行的燃燒過程。為避免這種情況，可讓控制閥(38)稍晚一些開啟，比如過上止點后10°曲軸轉角再開啟。
當被燃氣蒸汽混合汽向下推動的活塞(54)下移到一定位置后，控制閥(38)在排氣門(13)開啟前提前一定的角度關閉，讓蒸汽停止向汽缸(50)內注入，汽缸內的燃氣蒸汽混合汽繼續膨脹作功，如圖5③所示，而汽缸內的溫度和壓力則相應降低。當活塞(54)下行接近下止點時，排氣門(13)提前一定角度開啟，作功過程結束。在蒸汽回注型內燃機運轉過程中，向汽缸內注入的蒸汽量主要受兩方面影響。首先是余熱鍋爐內蒸汽壓力的大小，蒸汽壓力越大，在一定時間內進入汽缸的蒸汽就越多。其次，控制閥(38)的關閉時間也影響蒸汽向汽缸內的注入量。控制閥關閉時間越晚，進入汽缸的蒸汽也越多。但過晚關閉控制閥時，因活塞已接近下止點，對增加輸出功率作用很小，反而會使蒸汽白白損耗。
上述的作功過程結束后，離開下止點的活塞(54)開始上行進行排氣過程，汽缸(50)內的廢汽經開啟的排氣門(13)被排向余熱鍋爐(94)，如圖5④所示，使余熱鍋爐(94)中的水(100)被加熱成高壓蒸汽，然后又被過熱器(95)加熱成過熱蒸汽，以便繼續進行接下去的蒸汽回注過程。
圖6和圖7實施例描述的是火花塞點火、噴射式少數汽缸蒸汽回注型內燃機。本實施例與圖1中的全汽缸蒸汽回注式內燃機不同，在這種內燃機中，只在少數汽缸(至少一缸)上設置注汽門，其余的多數汽缸上并不設注汽門。本實施例的內燃機是四缸機，每個汽缸上設有進、排氣門(5)和(13)，進、排兩氣門裝在右側位置，通過右側凸輪機構(12)的搖臂和挺拄被下置的凸輪軸(9)控制。注汽門(21)被設在少數汽缸(50′)上所留出的位置中(參看圖7)，并通過左側的搖臂(32)和挺柱(33)被下置的凸輪軸(36)上的凸輪(34)控制。由于四汽缸中只在一個汽缸(50′)上設置了注汽門(21)，其余的多數汽缸(50)并不設注汽門，因此，多數汽缸與少數汽缸上的氣門布置在數量上是不同的，但各汽缸上的進氣門(5)和排氣門(13)在布置形式和數量上是相同的。盡管多數汽缸與少數汽缸在氣門數量上不同，可在燃燒室的形狀和容積方面，這些汽缸基本相同。
與注汽門(21)相配合的控制閥(38)采用的是滑動閥，參看圖6，該閥的閥芯(44)經挺柱(47)被彈簧(46)和凸輪(48)控制。凸輪(48)裝在左側下置的輪軸(36)上。控制閥(38)的閥芯(44)處在開啟位置時，能把兩側的注汽管路(96)溝通(圖中的閥芯處于關閉位置)，以便讓余熱鍋爐產生的壓力蒸汽經控制閥(38)及注汽門(21)進入汽缸(50)。
本實施例的少數汽缸蒸汽回注型內燃機的各系統布置如圖7所示，進、排氣管都設在機體(1)的右側，多數汽缸(50)的排氣管(87)繞過機體(1)，經三元催化反應器(85)通向余熱鍋爐(94)，然后再經管路(89)通向外界。少數汽缸(50′)的排氣管(90)接在過余熱鍋爐(94)后的管路(89)上，以避免少數汽缸排出的低溫氣體流向余熱鍋爐。本實施例內燃機的燃油供給采用的是燃油噴射裝置(80)，當余熱鍋爐(94)的蒸汽壓力超過一定限度，需讓少數汽缸(50′)停止燃燒作功過程而只進行蒸汽回注時，其燃料供給可被根據余熱鍋爐(94)內蒸汽壓力變化進行工作的控制器(99)切斷。
少數汽缸蒸汽因注型內燃機的蒸汽回注過程與圖1實施例相比差別很大。首先，在少數汽缸蒸汽回注型內燃機中，余熱鍋爐(94)產生的過熱蒸汽經注汽管路(96)、控制閥(38)和注汽閥(21)只進入少數汽缸(50′)中，其余多數汽缸(50)的排氣則用于加熱余熱鍋爐(94)。其次，當向少數汽缸(50′)進行蒸汽注入時，因控制器(99)已把所供給的燃油切斷，少數汽缸內在作功過程中不再進行點火燃燒，只有余熱鍋爐來的高壓過熱蒸汽進入少數汽缸，與其中的壓縮空氣相混合，推動活塞向下運行。少數汽缸蒸汽回注型內燃機中注汽門(21)和控制閥(38)的開啟及關閉時間控制，基本與圖1實施例相同。
實際上，少數汽缸蒸汽回注型內燃機在進行蒸汽回注時，在各方面都是很有利的。第一，多數汽缸進行的燃燒作功過程不受蒸汽回注的影響，其燃燒過程與普通內燃機相同。第二，多數汽缸的排氣中因未混入蒸汽，其排氣溫度很高，有利于余熱鍋爐回收更多的排氣熱量。第三，在少數汽缸進行蒸汽回注時，因汽缸內不進行燃燒過程，所充入的蒸汽面臨的只是壓縮過程終點時的壓力，與燃燒壓力相比是較小的，這樣，可讓高壓過熱蒸汽更多地進入汽缸，加強了蒸汽回注的效果。另外，當余熱鍋爐內蒸汽壓力很低，還不能進行蒸汽回注時，少數汽缸的控制閥和注汽門在運轉中所消耗的功率也較少。
圖8和圖9實施例描述的是多氣門、火花塞點火化油器式少數汽缸蒸汽回注型內燃機。本實施例的內燃機有六個汽缸，各汽缸上分別設有二個進氣門(5)和二個排氣門(13)，而在二個少數汽缸(50′)上所留出的位置中，設有注汽門(21)。在這里，未設注汽門的多數汽缸(50)有進、排氣四個氣門，少數汽缸(50′)設注汽門(21)后，有五個氣門(參看圖9)。為控制汽缸蓋(2)上的這些氣門，在汽缸蓋上安裝了三根凸輪軸，其中，左側的凸輪軸(15)控制每個汽缸的兩個排氣門中左側的一個排氣門(13)，同時，該凸輪軸上的凸輪(48)通過挺柱(47)還控制少數汽缸(50′)的滑動式控制閥(38)。中間的凸輪軸(17)控制每個汽缸的另一個排氣門(13)和兩個少數汽缸(50′)中的注汽門(21)。右側的凸輪軸(7)控制每個汽缸上的右側的兩個進氣門(5)。
本實施例內燃機的各系統布置如圖9所示。多數汽缸(50)的排氣管(87)經三元催化反應器(85)和余熱鍋爐(94)后，再由管路(89)通向外界。少數汽缸(50′)的排氣管(90)與余熱鍋爐后的管路(89)相接。從余熱鍋爐(94)出來的注汽管路(96)分別經控制閥(38)和注汽門(21)通向兩個少數汽缸(50′)。
在進氣管的布置中，采用化油器(61)來提供燃油空氣混合氣。多數汽缸(50)的進氣管(63)與化油器(61)直接相通；因對少數汽缸(50′)的燃油供給進行控制，其進氣管(65)分成兩股，一股經截止閥(66)與化油器后的進氣管(63)相通，另一般經截止閥(68)與化油器(61)前的管路(64)相接。在這種內燃機運轉過程中，當余熱鍋爐(94)內的蒸汽還未達到一定壓力，需少數汽缸(50′)繼續進行作功燃燒過程時，截止閥(66)開啟，截止閥(68)關閉，使化油器(61)來的燃油空氣混合氣能進入少數汽缸，讓其發出相應的功率，如圖9中所示狀態。當余熱鍋爐(94)內的蒸汽壓力超過一定限度，可以進行蒸汽回注時，控制器(99)便帶動截止閥(66)關閉，使截止閥(68)開啟，只讓從空氣濾清器(62)而來的空氣充進少數汽缸(50′)。
圖10和圖11實施例描述的是火花塞點火噴射式少數汽缸蒸汽回注型內燃機。本實施例的內燃機也是少數汽缸蒸汽回注型，但與圖6和圖8實施例相比，在氣門布置上是有一定差別的。本實施例的內燃機是四汽缸，汽缸上的氣門布置如圖11所示，在這一實施例中，多數汽缸(50)與少數汽缸(50′)采用數量相同的多氣門布置方式，每個汽缸上設有三個氣門。其中，每個汽缸上的排氣門數量是相同的，都裝有一個排氣門(13)。而在每個多數汽缸(50)和少數汽缸(50′)內所余下的兩個氣門中(最多為三個)，除處于少數汽缸(50′)中的氣門有一個是注汽門(21)外，各汽缸內其余的氣門(5)是進氣門。對汽缸蓋(2)上的各氣門控制，如圖10所示，處在左側的排氣門(13)由頂置的凸輪軸(15)控制。右側的頂置凸輪軸(7)則控制多數汽缸(50)的一大一小兩個進氣門(5)，同時還控制少數汽缸(50′)的進氣門(5)和注汽門(21)。這一實旋例的控制閥(38)采用的是旋轉閥。
本實施例的這種內燃機因各汽缸的氣門數量相同，有利于對汽缸蓋上的氣門座進行統一加工。另外，也能讓各汽缸的燃燒室保持相同的形狀。
圖12實施例描述的是多氣門、火花塞點火噴射式少數汽缸蒸汽回注型內燃機的進、排氣系統，蒸汽回注系統和燃油噴射裝置的布置圖。本實施例的這種內燃機有四個汽缸，每缸五個氣門。在汽缸上的這些氣門中，處在三個多數汽缸(50)內靠左側的三個氣門(5)是進氣門。在少數汽缸(50′)內靠左側的三個氣門中，有二個是進氣門(5)，另一個是注汽門(21)。每個汽缸內靠右側的二個氣門(13)是排氣門。
為更充分地回收排氣中的熱量，本實施例的排氣管路采取了以下布置方式。由圖可見，多數汽缸(50)的排氣管(87)經三元催化反應器(85)和管路(86)通向余熱鍋爐(94)，然后再經管路(89)通向外界。少數汽缸(50′)的排氣管路(90)分成兩股，一股經截止閥(92)與余熱鍋爐(94)前的管路(86)相接，另一股經截止閥(93)接在余熱鍋爐(94)后的管路(89)上。當少數汽缸(50′)內進行燃燒作功過程時，截止閥(92)開啟，另一截止閥(93)關閉，如圖中狀態所示。這樣，少數汽缸內的排氣便會經截止閥(92)流向余熱鍋爐(94)，讓這部分排氣中的熱量能得到回收，同時也促使余熱鍋爐內的蒸汽壓力盡快升高。當蒸汽壓力超過一定限度后，根據余熱鍋爐(94)內蒸汽壓力而工作的控制器(99)便帶動截止閥(92)關閉，使截止閥(93)開啟，同時，切斷向少數汽缸(50′)的燃油供給，讓少數汽缸進行蒸汽回注過程。截止閥(92)關閉后，少數汽缸(50′)因進行蒸汽回注而排出的較低溫度的空氣、蒸汽混合汽便不會流向余熱鍋爐(94)，而只能從余熱鍋爐后的管路(89)排向外界。
圖13實施例描述的是增壓、多氣門、壓燃式少數氣缸蒸汽回注型內燃機的進、排氣系統，蒸汽回注系統和渦輪增壓器的布置圖。在已經描述過的各實施例中，都是采用火花塞點火的蒸汽回注型內燃機，本實施例的內燃機則采用壓燃點火方式進行工作。以壓燃方式工作的內燃機通常是柴油機，在這種內燃機中，較高的壓縮比使壓縮過程結束時，被壓縮的空氣壓力很大，不利于向少數汽缸內充入更多的過熱蒸汽。同時，由于壓燃式內燃機的壓縮比較高，熱效率也較高，其排氣溫度便相對較低，這對產生壓力更大的過熱蒸汽是不利的。但是，為了使熱效率達到更高水平，在這里，可以把內燃機的絕熱技術和渦輪增壓技術與蒸汽回注型內燃機相結合。
采用增壓技術，便可用截止閥控制進氣管，讓未經增壓的空氣進入少數汽缸，從而使少數汽缸進行壓縮過程時，其最高壓力并不是很大，有利于蒸汽回注過程。采用絕熱技術，使內燃機的散熱損失直接減小，促使排氣溫度升高，這可讓余熱鍋爐從排氣中吸收更多的熱量。
本實施例的這種壓燃式蒸汽回注型內燃機的進、排氣系統具體布置如圖13所示。圖中的內燃機是四汽缸，在每個汽缸上設有二個進氣門(5)和二個排氣門(13)，在少數汽缸(50′)上設有注汽門(21)。多數汽缸(50)的排氣管(87)經余熱鍋爐(94)和管路(89)后通向渦輪增壓器(75)的渦輪(78)。少數汽缸(50′)的排氣管(90)接在余熱鍋爐(94)與渦輪之間的管路(89)上。多數汽缸(50)的進氣管(63)經中間冷卻器(74)與渦輪增壓器的壓氣機(76)的出氣口(77)相接。少數汽缸(50′)的進氣管(65)分成二股，一股經截止閥(66)接在多數汽缸的進氣管(63)上，另一股經截止閥(68)接在壓氣機(76)前的管路(64)上。在少數汽缸(50′)進行燃燒作功時，截止閥(66)開啟，截止閥(68)關閉，壓氣機(76)來的增壓空氣便能進到少數汽缸中，讓少數汽缸與其它多數汽缸一樣，形成良好的點火燃燒條件，把噴油器(4)噴出的燒油點燃。隨著內燃機的運轉，當余熱鍋爐(94)內的蒸汽壓力超過一定限度時，控制器(99)便把截止閥(66)關閉，把另一個截止閥(68)開啟，同時切斷向少數汽缸的燃料供給，使少數汽缸(50′)內開始蒸汽回注過程。截止閥(68)開啟后，因被吸入少數汽缸的只是未經增壓的空氣，這樣，在進行壓縮過程中，壓縮終點的汽缸壓力便相對較低，從而有利于接下來進行的蒸汽回注過程。
圖14實施例描述的是帶冷凝器、火花塞點火式少數汽缸蒸汽回注型內燃機的進、排氣系統，蒸汽回注系統、燃油噴射裝置和冷凝器的布置圖。本實施例的內燃機與其它實施例相比，主要是增設了冷凝器，以便在少數汽缸進行蒸汽回注時，通過對少數汽缸排氣中水份的回收，減少內燃機運轉過程中水的消耗量。
這種內燃機中的各系統的具體布置如圖14所示。多數汽缸(50)的排氣管(87)經余熱鍋爐(94)后再經管路(89)通向外界。少數汽缸(50′)的排氣管(90)分成二股，一股經截止閥(92)后與余熱鍋爐(94)前的管路(86)相接，另一股經截止閥(93)通向冷凝器(101)，然后再與余熱鍋爐(94)后的管路(89)相接。冷凝器(101)包括帶出氣(103)的散熱管組(102)和集水池(104)兩部分。在進行蒸汽回注時，少數汽缸(50′)來的蒸氣、空氣混合汽流經散熱管組(102)后，形成的冷凝水可沿散熱管組流到下面的集水池(104)內，而分離出的空氣則從集水池上部的出(105)排出。集水池(104)通過管路經水箱(106)和注水泵(107)與余熱鍋爐(94)相通。在少數汽缸(50′)內進行燃燒作功過程時，截止閥(92)開啟，截止閥(93)關閉，少數汽缸排出的廢氣經截止閥(92)流向余熱鍋爐。如圖中所示狀態。當余熱鍋爐內的蒸汽超過一定壓力，控制器(90)便切斷向少數汽缸(50′)的燃油供給，同時也帶動截止閥(92)關閉，截止閥(93)開啟，讓少數汽缸因蒸汽回注而排出的蒸汽、空氣混合汽經截止閥(93)流向冷凝器(101)，把其中的水份分離出來，讓其流入水箱(106)內，以便隨時被注水泵(107)注入余熱鍋爐內重新利用。
以上對各實施例不同類型的蒸汽回注型內燃機進行了分別的說明。在具體實施中，也可以把不同實施例中能夠相互結合在一起的系統及裝置再組合起來，以便獲得更高的效率。蒸汽回注型內燃機通過設置余熱鍋爐、注汽門和控制閥等較少系統及部件，就可對排氣中的熱量進行回收并直接轉化為輸出功率，從而獲得一種進一步提高內燃機熱效率的途徑。
在實際應用中，因全汽缸蒸汽回注型內燃機的高壓過熱蒸汽是在汽缸內進行燃燒作功過程時充進汽缸的，因此，充入汽缸的蒸汽量會相對較少一些。同時，充入汽缸的蒸汽對所進行的燃燒過程也可能產生不良影響，這些問題，都需要進一步試驗才能解決。而在少數汽缸蒸汽回注型內燃機中，則完全克服了以上不足。切斷對少數汽缸的燃油供給，向少數汽缸內進行蒸汽回注，從各方面看都是最有利的。
蒸汽回注型內燃機因進行蒸汽回注，使排氣中的部分熱量被回收并轉化為功率，其效率會有較大程度的提高。在全汽缸蒸汽回注型內燃機進行蒸汽回注時，對輸出功率的控制，通過控制其供油量和節氣門既可實現。加大供油量，不僅功率輸出直接增加，同時，由于汽缸的排氣溫度相應上升，向汽缸注入的蒸汽量也會隨之增多，這使輸出的功率更大。這樣，便可用較少的供油量讓內燃機發出更大的功率，從而降低了燃油消耗量。
在少數汽缸蒸汽回注型內燃機進行蒸汽回注時，如上述實施例中的四汽缸機型，因少數汽缸內不進行作功燃燒而只進行蒸汽回注，少數汽缸用蒸汽回注所發出的功率如果與多數汽缸的平均功率相接近，那是最為合適的。若相差較多，則可采用五汽缸或六汽缸機型，用其中四缸或五缸的排氣來產生過熱蒸汽。假如這樣之后，少數汽缸發出的功率(蒸汽回注時)與多數汽缸的平均功率基本相同，便可以節省1/5至1/6的燃油。由于實際情況限制，如果只能制成四汽缸內燃機，那么，在調整好控制閥的開閉時間后，進行蒸汽回注的少數汽缸所發出的功率越多越好，不必進行控制。
在蒸汽回注型內燃機運轉過程中，因使余熱鍋爐內的蒸汽達到相當的壓力狀態是需用一定時間的，因此這種內燃機適合以較大的功率進行長時間運轉，把它用于地面電站、長途汽車、出租車、內燃機車和船舶等方面是完全可行的。
權利要求
1.一種蒸汽回注型內燃機，它包括汽缸蓋(2)、汽缸體(49)和曲軸箱(56)，在汽缸蓋(2)上設有被凸輪機構控制的進氣門(5)和排氣門(13)，汽缸蓋上還裝有火花塞(3)或噴油器(4)，在汽缸體的汽缸(50)中裝有活塞(54)，活塞經連桿(55)與曲軸箱(56)中的曲軸(58)相連，另外，根據不同機型，還配有相應的燃料供給系統和起動裝置等，本發明的特征是在汽缸蓋(2)上增設注汽門(21)，注汽門是一種被控制的可讓高壓蒸汽進入汽缸，但能阻止作功燃氣向外泄漏的單向閥，它通過汽門桿(22)上的中部擋座(24)被下彈簧(23)作用處于常閉狀態，同時，注汽門(21)還經汽門桿上的中部擋座(24)、伸長程度受到限制的上彈簧(28)、彈簧擋座(29)和筒形挺柱(31)等部件被凸輪(34)控制，上彈簧(28)的彈力略大于下彈簧(23)，注汽門(21)經設有控制閥(38)的注汽管路(96)通向余熱鍋爐(94)的過熱器(95)，余熱鍋爐(94)被置于出汽缸排氣門(13)的排氣管路(83)中。
2.根據權利要求1的蒸汽回注型內燃機，其特征是在作功過程中的上止點附近至排氣門開啟前，凸輪(34)通過筒形挺柱(31)和彈簧擋座(29)壓縮上彈簧(28)，在上彈簧(28)與下彈簧(23)的合力作用下，讓注汽門(21)受到一定的開啟作用力。
3.根據權利要求2的蒸汽回注型內燃機，其特征是控制閥(38)在作功過程中的上止點附近開啟，在排氣門開啟前提前一定角度關閉。
4.根據權利要求3的蒸汽回注型內燃機，其特征是控制閥(38)是一種旋轉閥，該閥的閥體(39)處在開啟位置時，閥體上的通道(40)能把注汽管路(96)溝通，通道(40)的兩端開口處在閥體(39)的不同軸向位置上，并且完全錯開。
5.根據權利要求3的蒸汽回注型內燃機，其特征是控制閥(38)是一種滑動閥，該閥的閥芯(44)處在開啟位置時，能讓注汽管路(96)溝通，閥芯(44)通過挺柱(47)被彈簧(46)和凸輪(48)控制。
6.根據權利要求4或5的蒸汽回注型內燃機，其特征是在每個汽缸(50)上都設有注汽門(21)，出過熱器(95)的注汽管路(96)分別經控制閥(38)通向每個汽缸上的注汽門(21)。
7.根據權利要求3的蒸汽回注型內燃機，其特征是只在少數汽缸(50′)(至少一缸)上設置注汽門(21)，其余的多數汽缸(50)上并不設注汽門。
8.根據權利要求7的蒸汽回注型內燃機，其特征是對設有注汽門(21)的少數汽缸(50′)，其燃料供給可被根據余熱鍋爐(94)內蒸汽壓力變化而工作的控制器(99)切斷。
9.根據權利要求8的蒸汽回注型內燃機，其特征是在多數汽缸(50)與少數汽缸(50′)上采用不同數量的氣門布置方式，但各汽缸上的進氣門(5)和排氣門(13)在布置形式和數量上是相同的，注汽門(21)被設在少數汽缸(50′)上所留出的位置中。
10.根據權利要求8的蒸汽回注型內燃機，其特征是在多數汽缸(50)與少數汽缸(50′)上采用數量相同的多氣門布置方式，每個汽缸上的排氣門(13)數量是相同的，在每個多數汽缸(50)和少數汽缸(50′)內所余下的兩個或三個氣門中，除處于少數汽缸中的氣門有一個是注氣門(21)外，其余的氣門(5)是進氣門。
11.根據權利要求4或5和9或10的蒸汽回注型內燃機，其特征是少數汽缸(50′)的排氣管(90)接在過余熱鍋爐(94)后的管路(89)上。
12.根據權利要求4或5和9或10的蒸汽回注型內燃機，其特征是多數汽缸(50)的進氣管(63)直接與化油器(61)后的管路(64)相接，少數汽缸(50′)的進氣管(65)分成二股，一股經截止閥(68)接在化油器后的進氣管(63)上，另一股經截止閥(68)接在化油器前的管路(64)上，當截止閥(66)開啟，截止閥(68)關閉時，化油器來的燃油空氣混合氣能進入少數汽缸(50′)，當截止閥(66)關閉，截止閥(68)開啟，只有空氣進入少數汽缸(50′)。
13.根據權利要求4或5和9或10的蒸汽回注型內燃機，其特征是少數汽缸(50′)的排氣管(90)分成二股，一股經截止閥(92)與余熱鍋爐(94)前的管路(86)相接，另一股經截止閥(93)接在余熱鍋爐后的管路(89)上，當截止閥(92)開啟，截止閥(93)關閉時，少數汽缸(50′)的排氣能流過余熱鍋爐(94)，當截止閥(92)關閉，截止閥(93)開啟，少數汽缸(50′)的排氣流向余熱鍋爐后的管路(89)。
14.根據權利要求4或5和9或10的蒸汽回注型內燃機，其特征是多數汽缸(50)的排氣管(87)經余熱鍋爐(94)和管路(89)通向渦輪增壓器(75)的渦輪(78)，少數汽缸(50′)的排氣管(90)接在余熱鍋爐與渦輪之間的管路(89)上，多數汽缸(50)的進氣管(63)經中間冷卻器(74)與渦輪增壓器的壓氣機(76)的出氣口(77)相接，少數汽缸(50′)的進氣管(65)分成二股，一股經截止閥(66)接在多數汽缸的進氣管(63)上，另一股經截止閥(68)接在壓氣機(76)前的管路(64)上，當截止閥(66)開啟，截止閥(68)關閉時，壓氣機(76)來的增壓空氣能進到少數氣缸(50′)中，當截止閥(66)關閉，截止閥(68)開啟時，少數汽缸(50′)內充進的是未增壓的空氣。
15.根據權利要求4或5和9或10的蒸汽回注型內燃機，其特征是多數汽缸(50)的排氣管(87)經余熱鍋爐(94)后再經管路(89)通向外界，少數汽缸(50′)的排氣管(90)分成兩股，一股組截止閥(92)與余熱鍋爐(94)前的管路(86)相接，另一股經截止閥(93)，通向冷凝器(101)，然后再與余熱鍋爐后的管路(89)相接，冷凝器(101)的集水池(104)通過管路經水箱(106)和注水泵(107)與余熱鍋爐(94)相通，當少數汽缸(50′)內進行燃燒作功時，截止閥(92)開啟，截止閥(93)關閉，當控制器(99)切斷向少數汽缸(50′)的燃油供應時，也使截止閥(92)關閉，截止閥(93)開啟。
全文摘要
本發明涉及一種內燃機，特別是蒸汽回注型內燃機。本發明的這種內燃機利用余熱鍋爐等對排氣中的熱量充分回收，使產生的高壓過熱蒸汽在作功過程開始后，分別經控制閥和注汽門進入每一個汽缸，或經控制閥和注汽門只進入不進行燃燒作功的少數汽缸，增加對活塞的推動力，從而把排氣中的熱量通過回收利用轉化為輸出功率。這種內燃機適合在較大功率和長時間運轉條件下工作，把它用于船舶、電站、內燃機車和長途汽車等方面是很合適的。
文檔編號F02B41/00GK1121140SQ95101028
公開日1996年4月24日 申請日期1995年1月6日 優先權日1995年1月6日
發明者韓培洲 申請人:韓培洲