CN101400946A - 蒸汽发动机 - Google Patents

Abstract

一种蒸汽发动机，包括一个适于在空腔中直线往复运动的活塞，以及一个在活塞表面或接近活塞表面混合供给热空气和热水的方法，用来制造蒸汽以驱动活塞。

Description

蒸汽发动机

技术领域

本发明涉及一种蒸汽发动机，特别是一种内部生成蒸汽的发动机，一种包括该发动机的系统，以及一种所述发动机的操作方法。

背景技术

利用蒸汽来驱动往复式活塞发动机的原则为已知的。几乎所有已知的发动机在活塞往复运动的腔体的外部产生蒸汽，并且通过管道将蒸汽传送至腔体。因此，除了可采用的防护手段外，为了防止热量的损失必须使用隔热材料。

本发明的一个目的是提供一种蒸汽发动机来尽可能改善前述的困难，或是至少为公众提供对应于已知的蒸汽发动机的另外一种形式的实用的发动机。

本发明的其余目的以及优点将在接下来的描述中呈现，并结合附图通过阐述和举例来说明本发明的具体实施方式。

发明内容

本发明的一种形式是提供一种蒸汽发动机，包括腔内往复运动的活塞，以及在腔内产生蒸汽以驱动活塞的装置。

优选地，产生蒸汽的方法包括加热供水的装置，加热供给空气的装置，以及将热空气和水混合以产生蒸汽驱动活塞的装置。

进一步的方式，本发明可以描述成在一种蒸汽发动机中包括一个往复运动的活塞，一种加热供水的装置，一种加热供给空气的装置，以及在活塞表面或接近活塞表面处将热空气和热水混合以产生蒸汽驱动活塞的装置。

优选地，加热空气的装置是通过对空气增大压力。

优选地，加热空气的装置是通过压缩空气。

优选地，作为选择，加热空气的装置是涡轮压缩机。

优选地，作为选择，加热空气的装置是空气压缩机。

优选地，加热空气到一个超过水沸点的温度。

优选地，预热水的装置将水加热到接近但未达到沸点的温度。

优选地，作为选择，预热水的装置是电加热器。

优选地，作为选择，预热水的装置是热交换器。

优选地，活塞在腔内往复运动，腔包括一个空气入口、一个入水口以及一个蒸汽出口。

优选地，热交换器利用从腔内排放的蒸汽来加热流进腔内之前的水。

进一步的方式，可以通过使空气流经热交换器对空气进一步加热。

优选地，空气与水在腔内混合。

优选地，空气和水在腔内活塞正上方区域混合。

优选地，混合热空气和水的装置将空气通入水雾中产生蒸汽。

进一步的方式，混合热空气和水的装置是将水雾通入热空气中。

进一步的方式，混合热空气和水的装置是同时将空气和水释放。

优选地，蒸汽出口是一个常闭阀口。

优选地，空气入口是一个常闭阀口，入水口是一个注射口。

优选地，作为选择，空气入口是一个注射口。

进一步的方式，本发明可以描述成在一种蒸汽发动机内包括一个在腔内往复运动的活塞，其中在腔内水和热空气混合产生蒸汽来驱动活塞。

进一步的方式，本发明可以描述成所述蒸汽发动机的操作方法，包括释放热压缩空气进入腔内，释放热的水雾进入空气中产生蒸汽，蒸汽膨胀并且驱动活塞向下运动的步骤。

优选地，在水被释放之前空气被活塞压缩。

进一步的方式，该方法包括将热的水雾释放入腔，将热压缩空气释放入水中产生蒸汽，蒸汽膨胀并驱动活塞向下运动的步骤。

进一步的方式，该方法包括同时将热的水雾以及热压缩气体同时释放入腔内产生蒸汽，蒸汽膨胀并驱动活塞向下运动的步骤。

优选地，该方法进一步包括向腔内停止水和空气供给的步骤。

优选地，该方法进一步包括开启排气口阀门，允许活塞将蒸汽排出腔的步骤。

优选地，该方法还包括通过向下运动的活塞产生的半真空引入补给空气或水的步骤。

附图说明

为更好地理解本发明，本发明典型的具体实施方式将附以附图进行描述，其中：

附图1为包括发动机及其附属设备的典型实施系统示意图；

附图2到5为描述附图1中发动机工作循环的示意图；

附图6为包括发动机以及根据本发明进一步实施例的附属设备的系统示意图。

具体实施方式

参见附图1，提供了一种蒸汽发动机1，具有一个适合在发动机汽缸体6的缸膛4内往复运动的活塞2，如此可以限定一个封闭腔8，封闭腔的容积随着活塞2的往复运动而变化。活塞2通过连接杆10与曲轴12连接，如此可以将活塞2的往复运动转换为曲轴12的旋转。

用于驱动活塞2的蒸汽是在封闭腔8内通过混合热空气和水产生的，我们将在接下来的描述中介绍该过程。

为了解释说明，我们将依次介绍空气、水以及由此产生的蒸汽的流动路径，从而介绍发动机1在其内运转的系统的不同部分。

在使用中，水的供应是通过泵22从贮水池20抽水，并通过一系列包括滤水器24、热交换器26(其中水被加热到刚刚低于沸点的温度)以及水流喷雾器/喷射器28，如此将水流以水雾形式释放进封闭腔8之中。

空气的供给是从大气中提取并通过一系列包括空气过滤器30、涡轮增压器34的压气机32(根据查理定律：“当气体被压缩时温度升高”，其中空气被压缩并被加热)，流经一个电热元件35，然后到封闭腔8的常闭阀入口36。

涡轮增压器34的压气机32应按能够将空气加热到高于水沸点的温度设计并制定尺寸。电热元件25放置在空气入口36之前。其目的在于补偿可能在压气机32以及入口36之间存在的热量损失，以保证空气在与封闭腔8内的水雾混合时有足够的热量能够产生蒸汽。

排汽通过常闭阀排气口40排放并通过一系列包括涡轮增压器34的涡轮机33以及热交换器26。蒸汽在热交换器26中冷凝，然后冷凝水返回贮水池20。减压阀保证贮水池内的压力维持在可接受的程度。

热交换器26在发动机1排放的蒸汽与供水之间进行热交换。

对入口阀和排气阀进行驱动和计时操作的机构与通常的内燃机相同，即可以为一个或多个顶置凸轮轴50或者推杆和摇杆的组合，通过曲轴12机械驱动并与曲轴12同步运动。

参见附图2至5，对发动机循环过程进一步详述。如此，我们理论上选择了将空气引入发动机1作为发动机循环的第一步。随着排气口36关闭和空气入口40打开(参见附图2)，由于活塞2向下运动产生的半真空引入补充了热空气。

接着进气口36通过其阀关闭，然后活塞1向上运动，进一步地压缩和加热空气(参见附图3)。

依旧参见附图3，当活塞位于或接近上止点(TDC)时，热水60通过喷射器28注射进充满热空气的封闭腔8中，瞬间产生蒸汽(或者更准确地说水蒸汽)；蒸汽容积的膨胀(蒸汽容积最高为水的1600倍)驱动活塞2向下运动在曲轴处产生输出功(参见附图4)。

现在参见附图5，排气口40打开，活塞1向上运动，由于旋转部件的动量，将水蒸汽(空气和蒸汽的混合物)排出封闭腔8外。

排气口40关闭，空气入口36打开，引入补充热空气，循环重新开始。

为了使得发动机运行，热交换器中包含一个电加热器60，并且使用一个电动马达来驱动泵和压气机。这些电动设备在启动时通过电池供电，但是可以预期的是一旦系统达到操作压力和温度时，这些设备将会自动切换，即所有辅助装置都将由发动机1自身来提供动力。

现在参见附图6，其中涡轮增压器由一个具有存储箱102的机械的或电的空气压缩机100代替。该空气压缩机直接或间接(在电的空压机的情况下)通过发动机1来驱动。

与前述循环中相同，空气压缩机100产生的压缩空气将通过常闭阀进气口或一个适合的喷射器104的方式引入封闭腔内。

而且，空气也可以在排气冲程中引入，以便有助于排空封闭腔8内的蒸汽和水蒸汽。

如附图标记108所示，压缩空气供应线路可以与水补给线路相对布置，如此如同热交换器一样对供给水进行加热。

压缩空气可以存储在压气机存储箱102中，这样可以利用该压缩空气通过一个空气起动装置(未显示)辅助起动发动机。

根据本发明的发动机可以成为已知的蒸汽发动机的替换产品，特别是考虑到其不需要锅炉或外部蒸汽产生装置。

尽管本发明以设想中的最实用和优选的实施例方式示出和描述，仍需认识在本发明的范围内可以进行改变，该改变不受到上述细节描述的限制，但其在从属权利要求的全部范围内，包括了任意所有等效的设备和装置。

Claims (29)

1、一种蒸汽发动机，包括一个适于在腔内做往复运动的活塞以及在腔内产生蒸汽驱动活塞的装置。

2、如权利要求1所述的蒸汽发动机，其特征在于产生蒸汽的装置包括了将供给的热空气和供给的热水混合的装置。

3、如权利要求2所述的蒸汽发动机，其特征在于产生蒸汽的装置在腔内、活塞表面或接近活塞表面处将供给的热水和供给的热空气混合。

4、如权利要求3所述的蒸汽发动机，其特征在于混合供给的热空气和水的装置将热空气通入热水雾中以产生蒸汽。

5、如权利要求3所述的蒸汽发动机，其特征在于混合供给的热空气和水的装置将热水雾通入热空气中以产生蒸汽。

6、如权利要求3所述的蒸汽发动机，其特征在于混合供给的热空气和水的装置将热空气和水同时释放入腔内以产生蒸汽。

7、如权利要求2至6中任一项所述的蒸汽发动机，其特征在于供给的热空气被加热到一个超过水沸点的温度。

8、如权利要求2至7中任一项所述的蒸汽发动机，其特征在于供给水被加热到接近沸点的温度，但未达到沸点。

9、如前述任一项权利要求所述的蒸汽发动机，其特征在于腔包括一个用于供给热空气的空气入口，一个用于供给热水的入水口以及一个蒸汽出口。

10、如权利要求9所述的蒸汽发动机，其特征在于蒸汽出口是一个常闭阀口。

11、如权利要求9所述的蒸汽发动机，其特征在于空气入口是一个常闭阀口或一个喷射器，入水口是一个喷射器或喷雾器。

12、如权利要求2至11中任一项所述的蒸汽发动机，其特征在于包括加热供给水的装置和加热供给空气的装置。

13、如权利要求12所述的蒸汽发动机，其特征在于加热空气的装置通过对空气加压来对空气加热。

14、如权利要求12或13所述的蒸汽发动机，其特征在于加热空气的装置通过压缩空气的方式对空气加热。

15、如权利要求12至14中任一项所述的蒸汽发动机，其特征在于加热空气的装置是涡轮增压器的压气机。

16、如权利要求12所述的蒸汽发动机，其特征在于加热水的装置是一个电加热器。

17、如权利要求12所述的蒸汽发动机，其特征在于加热水的装置是一个热交换器。

18、如权利要求17所述的蒸汽发动机，其特征在于热交换器利用从腔内排放的蒸汽来加热流进腔内之前的水。

19、如权利要求17或18所述的蒸汽发动机，其特征在于通过引导供给的空气流经热交换器实现对空气的辅助加热。

20、一种蒸汽发动机，包括适于在腔内往复运动的活塞，以及在活塞表面或接近活塞表面的地方将供给的热空气和供给的热水混合的装置，以产生蒸汽驱动活塞。

21、一种如前述任一项权利要求所述的蒸汽发动机的操作方法，包括释放热空气进入腔内，释放热水进入空气中产生蒸汽，蒸汽膨胀并且驱动活塞向下运动的步骤。

22、如权利要求21所述的方法，其特征在于在水进入腔内之前空气被活塞压缩。

23、一种如前述任一项权利要求所述的蒸汽发动机的操作方法，包括释放热水雾进入腔内，释放热空气进入水中产生蒸汽，蒸汽膨胀并且驱动活塞向下运动的步骤。

24、一种如前述任一项权利要求所述的蒸汽发动机的操作方法，包括将热水雾以及热气体同时释放入腔内产生蒸汽，然后蒸汽膨胀并驱动活塞向下运动的步骤。

25、如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于进一步包括停止向腔内供给水和空气的步骤。

26、如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于该方法还包括开启排气口阀门，允许活塞将蒸汽排出腔的步骤。

27、如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于方法还包括通过向下运动的活塞产生的半真空引入补给空气和/或水的步骤。

28、如说明书中所阐述的和附图所示的蒸汽发动机。

29、如说明书中所阐述的和附图所示的蒸汽发动机的操作方法。

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