CN1091496A - 蒸汽回注型转轮活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机，特别是蒸汽回注型转轮 活塞式内燃机。这种内燃机采用转轮装置与曲柄连 杆机构相组合的结构，通过设置余热锅炉和过热器， 让汽缸排出的高温废气把余热锅炉中的水加热成过 热蒸汽。当转轮上的燃烧室凹坑与注汽口沟通时，所 产生的过热蒸汽便经注汽口进入燃烧室凹坑内，并在 作功过程中转化为功率向外输出，这样，使排气中的 部分热量得到回收，热效率进一步提高。

Description

本发明涉及一种内燃机，特别是蒸汽回注型转轮活塞式内燃机。

本发明是按中国发明专利申请公开说明书第86100914号公开的转轮活塞式发动机基础上发展而来的。

在公知的转轮活塞式发动机中，虽然也能利用回热器来回收排气中的部分热量，但为使被预热了的气体能进入转轮上的燃烧室凹坑内，还要设置所需的循环泵，这使装置的结构较为复杂。另外，由于预热后的气体在把燃烧室凹坑内的冷空气向外换出后才能进入其中，这会损失一定所回收的排气热量。

本发明的目的是：通过在转轮装置的壳体上设置注汽口，让余热锅炉的过热器与注气口相连通，在排气加热作用下使所产生的过热蒸汽能直接进入转轮的燃烧室凹坑内，从而简化了装置的结构。同时，也有利于对排气热量更充分的回收。

实现本发明目的的基本结构如权利要求1中所给出的特征，是在壳体的压缩空气进口之后设置注气口，该注气口与余热锅炉的过热器联通，余热锅炉和过热器置于与壳体的上排气口和汽缸的下排气口相联通的排气管道中，以便利用排气热量产生过热蒸汽，并让其充入转轮上的燃烧室凹坑中。权利要求2-4的特征部分规定了壳体上的注汽口与压缩空气进口和通气口之间的角度位置关系。权利要求5的特征使燃烧室凹坑内的气体不会进入过热器中。权利要求6-10的特征部分是本发明所采用的不同废气涡轮增压布置方案。

下面根据附图说明本发明的结构细节及各实施例。

图1、蒸汽回注型转轮活塞式内燃机的剖视图及涡轮增压系统。

图2、转轮和壳体的剖视图。

图3、蒸汽回注型转轮活塞式内燃机的第二种涡轮增压系统布置图。

图4、蒸汽回注型转轮活塞式内燃机的第三种涡轮增压系统布置图。

图5（1）～（8）、蒸汽回注型转轮活塞式内燃机的工作过程图。

图1、图2中的实施例描述了蒸汽回注型转轮活塞式内燃机的结构及涡轮增压系统的布置。这种内燃机包括转轮装置（1）、汽缸体（20）、曲轴箱（33）、活塞（35）、曲柄连杆机构（34）和所增设的余热锅炉（15）及过热器（14）等。通常，这种内燃机还同时采用涡轮增压器（41）来增加充气量。转轮装置（1）由转轮（2）、壳体（6）和两端盖等构成，固定在汽缸体（20）上面。转轮（2）装在壳体（6）中，经传动机构（图中末画），被曲轴（39）按箭头5所示的方向旋转，因转轮上设了三个燃烧室凹坑（4），转轮与曲轴的转速比为1∶3。壳体（6）是一个设有不同气孔的部件，在壳体下面开有向外扩展并与汽缸体的汽缸（21）相通的通气口（7），在通气口之后依次设有上排气口（8）、压缩空气进口（10）和注汽口（11），在壳体的注汽口与通气口之间装有喷油器（18）和火花塞（19）。所增设的注汽口（11）设在压缩空气进口（10）之后，为回收排气热量，该注汽口与能被排气加热的余热锅炉（15）的过热器（14）联通。在内燃机工作过程中，为防止燃烧室凹坑（4）内的气体经注汽口（11）向过热器和余热锅炉中倒流，在注汽口（11）与过热器（14）之间的管道（13）内设有单向阀（12），该单向阀靠近注汽口（11），以阻止燃烧室凹坑中的气体进入过热器（14）。

由于转轮与壳体是配合工作的，在这里，转轮（2）与壳体（6）的相互角度位置关系如图2所示。其中，在转轮（2）的圆周面（3）上所设的三个燃烧室凹坑（4）具有相同的尺寸和形状，彼此间隔的角度也相等，燃烧室凹坑的开口角（a）可等于或稍大于两凹坑之间相隔部分的轮叶角（b）。在壳体（6）上，壳体下面的通气口（7）所占的角度（e）略小于转轮（2）的轮叶角（b），这样，在转轮燃烧室凹坑（4）与通气口（7）刚接通时（参看图2），使转到的轮叶部分与通气口另一侧边缘相重合，以形成一定的密封距离。这时，在保证密封条件下，所形成的密封距离所占角度应较小一些，以延长汽缸（21）中活塞上行时的排气时间。通气口（7）与上排气口（8）之间的相隔部分角度（d）小于燃烧室凹坑（4）的开口角（a）三分之一，从而有利于形成较大的排气流通截面。上排气口（8）所占的角度（e）约为燃烧室凹坑开口角（a）的三分之一。压缩空气进口（10）与上排气口（8）之间的相隔部分角（f）大于转轮的燃烧室凹坑开口角（a），以防止充入燃烧室凹坑内的压缩空气从上排气口漏出。压缩空气进口（10）与注汽口（11）之间的角度（g）大于转轮的燃烧室凹坑开口角（a），以阻止两个不同区域内的气体窜气。注汽口（11）与通气口（7）之间的角度（h）较大于转轮的燃烧室凹坑开口角（a），在（h）角范围内包括与注汽口（11）相邻的间隔角（i）和与通气口（7）相邻的燃烧区域角（j）。其中，燃烧区域角（j）减转轮的燃烧室凹坑开口角（a）之差为定容区域角（k）。在燃烧区域角（j）范围内设有安装喷油器（18）和火花塞（19）所需的凹坑（17），该凹坑所占的角度（l）小于转轮（2）的轮叶角（b），不能把转轮的相邻两个燃烧室凹坑沟通。在转轮（2）的燃烧室凹坑（4）转到燃烧区域角（j）范围后，壳体上的喷油器（18）便向燃烧室凹坑中喷入燃油，所形成的燃油混合气可被火花塞（19）点燃，以产生作功所需的高温高压燃气。燃烧室凹坑（4）转到燃烧区域角（j）范围后是处于密封的定容状态，所占的定容区域角（k）至少为10°（一般不超过20°），这相当于超过30°的曲轴转角。

汽缸体（20）处在转轮装置的壳体（6）下面，汽缸体中设有直列排列的汽缸（21）。在汽缸（21）中部的下止点位置上设有下排气口（22），汽缸底部安装有阀板（25），阀板上分别装有出气阀（29）和进气阀（28），出气阀（29）的出气管道（30）经中间冷却器（31）与壳体（6）上的压缩空气进口（10）相连通。在汽缸体（20）下部设有曲轴箱（33），其中装有曲轴（39），阀板（25）把汽缸（21）与下面的曲轴箱（33）分隔开。活塞（35）装在汽缸（21）中，活塞上部的凸出形状与相对应的壳体（6）底部的通气口（7）形状是相吻合的，以便在活塞移到上止点位置时，与汽缸之间所形成的余隙容积最小，同时不与壳体底部相接触。活塞（35）下部经穿过阀板（25）的活塞杆（36）、十字头（37）和连杆（38）与曲轴（39）相连接，以便把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动，并把动力经曲轴向外输出。由于汽缸下部装有阀板（25），这使活塞下部与汽缸形成一种汽泵结构，从而能为这种内燃机的工作运转提供压缩空气。

为回收排气中的热量，所增设的余热锅炉（15）和过热器（14）被置于与壳体的上排气口（8）和汽缸的下排气口（22）相联通的排气管道中，以便用汽缸排出的废气加热余热锅炉和过热器，使余热锅炉中的水（16）通过余热锅炉和过热器变成过热蒸汽。因这种转轮活塞式内燃机是利用活塞下部做为气泵来提供压缩空气的，在活塞杆占用一部分空间和进气效率等因素的影响下，活塞下部汽缸的充气量会相应减少，为了补充这部分减少的充气量和为提高功率而进一步增加充气量，对这种内燃机必须进行增压。根据只利用下排气口或同时也利用上排气口的排气进行涡轮增压的不同，也相应有不同的涡轮增压系统的布置方案。

图1中实施例的增压方式是采用一台涡轮增压器，只利用从下排气口（22）排出的废汽进行增压。由图可见，余热锅炉（15）和过热器（14）置于连接在上排气口（8）的排气管道（9）中，与汽缸下排气口（22）联通的排气管（23）经涡轮增压器（41）的涡轮（44）后，连接在余热锅炉之前的排气管道（9）上。如出涡轮（44）后的排气温度降低很少，也可把出涡轮后的排气管（23）连接在过热器（14）之前的排气管道（9）上。对于进气管的布置，进气管（27）出涡轮增压器（41）的压气机（42）后，经中间冷却器（43）通向汽缸下面的阀板（25）的进气阀（28）。这一实施例只采用了一台压气机进行增压，而在实际中，为进一步增大进气量，还可以在涡轮增压器的压气机（42）之后再串联一台机械增压式压气机和相应的中间冷却器。

在图3的实施例中，采用的是二级涡轮增压布置方式。这种内燃机的进、排气管路布置如图3所示，过热器（14）和余热锅炉（15）置于连接在上排气口（8）的排气管道（9）中，该排气管道经过热器和余热锅炉后通向一级涡轮增压器（46）的涡轮（49）。汽缸下排气口（22）的排气管（23）经二级涡轮增压器（51）的涡轮（54）后与余热锅炉（15）之前（或与过热器14之前）的排气管（9）相联通。进气管（27）经一级涡轮增压器（46）的压气机（47）和中间冷却器（48）后通向二级涡轮增压器（51）的压气机（52），再经中间冷却器（53）通向汽缸下面阀板（25）的进气阀（28）。

图4实施例中采用的也是二级涡轮增压系统布置方案。如图所示，在这种增压系统中，与上排气口（8）联通的排气管（9）经一级涡轮增压器（46）的涡轮（49）后把过热器（14）和余热锅炉（15）置于其中，汽缸下排气口（22）的排气管（23）经二级涡轮增压器（51）的涡轮（54）后与一级涡轮增压器（46）的涡轮（49）前（或涡轮后）的排气管（9）相联通。进气管（27）经一级涡轮增压器（46）的压气机（47）和中间冷却器（48）后通向二级涡轮增压器的压气机（52），再经中间冷却器（53）通向汽缸下面阀板（25）的进气阀（28）。

在上述不同增压系统布置中，图1实施例中的增压系统在布置上比较简单：但增压压力较低，除非再串联一台机械增压的压气机。图3实施例中的增压系统有助于让汽缸排出的废气保持较高的温度流经过热器和余热锅炉，而图4实施例中的增压系统则对提高一级和二级涡轮增压器的涡轮进气压力较为有利。

本发明的蒸汽回注型转轮活塞式内燃机工作过程如图5（1）～（8）所示。

第一，进气过程。这一过程如图5（1）所示，活塞（35）离开下止点向上运动，因活塞下侧的汽缸容积内气压降低，空气便经进气阀（28）进入活塞下侧的汽缸（21）中，如箭头（56）所示。活塞移到上止点后，进气阀（28）关闭，进气过程结束。

第二，压缩排出过程。如图5（2）所示，活塞（35）从上止点向下移动，压缩下部吸进来的空气，空气被压缩到一定程度后，出气阀（29）开启，压缩空气在活塞的压缩作用下，经出气阀沿箭头（57）方向进入冷却器（31）中。活塞（35）移到下止点后，出气阀（29）关闭，压缩排出过程结束。

上述的进气和压缩排出过程是按往复式压气机特征工作的，通常，活塞下部汽泵的最大增压比不超过10∶1。如果涡轮增压时采用较高的增压压力，就可使总的增压比超过10。

第三，中间冷却过程。冷却过程是通过冷却器（31）来实现的，如图5（3）所示，被排出汽缸（21）的压缩空气进到冷却器（31）中后，空气的压缩热便被冷却器传到外界，形成低温压缩空气。当转轮（2）上的燃烧室凹坑（4）与壳体的压缩空气进口（10）接通后，冷却器（31）内的低温压缩空气便沿箭头（58）方向从压缩空气进口进入燃烧室凹坑（4）内。

由于采用中间冷却过程，上述的压缩排出过程是在接近等温状态下进行的。在这种状态下，活塞所消耗的压缩功较少，整个循环温度和压力降低，有利于减少排气损失和散热损失。转轮活塞式内燃机进行涡轮增压和采用中间冷却器后，所选用的压缩比数值能达到10，相当于普通汽油机。进行是中间冷却过程后，冷却器至少能把压缩空气的温度降低300℃～400℃，因此而使热效率提高15%以上，这使转轮活塞式内燃机的热效率在只使用冷却器的条件下便可望达到或超过现有的柴油机。

第四，蒸汽回注过程。当转轮（2）的燃烧室凹坑（4）转到壳体（6）的注气口（11）位置时（参看图5（4）），在汽缸排出的废气加热作用下，余热锅炉（15）和过热器（14）产生的过热蒸汽便沿箭头（59）方向经注气口进入燃烧室凹坑（4）内，完成蒸汽回注过程。

在蒸汽回注过程中，用汽缸排气使余热锅炉和过热器产生的过热蒸汽进入转轮上的燃烧室凹坑以后，向其内的低温压缩空气加入了一定的热量，这部分热量将在作功过程中直接转化为功率向外输出。转轮活塞式内燃机所进行的蒸汽回注过程，可使热效率在进行中间冷却过程的效率基础之上再提高15%，这样，就可望使这种内燃机的热效率达到或超过60%。

第五，定容燃烧过程。这一过程如图5（5）所示，当转轮（2）的燃烧室凹坑（4）转到壳体（6）的燃烧区域角（j）范围后，喷油器（18）开始向燃烧室凹坑内喷入燃油，所形成的燃油空气（含部分过热蒸汽）混合汽经火花塞（19）点火燃烧，产生出作功所需的高温高压燃气。

在燃烧过程中，燃烧室凹坑处于密封的定容状态时间可达到相当于60°的曲轴转角。不过，因燃烧室凹坑中的燃气会经密封片向外泄漏，定容燃烧时间也不宜过长。

第六，膨胀作功过程。在这一过程中，当活塞（35）移到上止点后（参看图2），转轮（2）的燃烧室凹坑（4）也转到通气口（7）的位置，与下面的汽缸（21）沟通。燃烧室凹坑与汽缸的接通标志着作功过程的开始。燃烧室凹坑（4）与汽缸（21）沟通后，凹坑内的高温高压燃气立即进到汽缸中，如箭头60所示，推动活塞（35）向下移动，所产生的动力经传动机构被曲轴输出。随着燃烧室凹坑与通气口的开启角度增大和活塞的下移，汽缸内的气体温度和压力也相应降低。当活塞（35）接近下止点，把汽缸上的下排气口（22）开启时，作功过程结束。

第七，排气过程。由于壳体和汽缸上分别设有排气口，汽缸内的废气是分两步从下排气口（22）和上排气口（8）排到外界的。

1、下排气口排气。这一过程如图5（7）所示，活塞（35）接近下止点把下排气口（22）开启后，因汽缸内作功后的废气压力较高，一部分废气便经下排气口沿箭头61方向冲出气缸，经排气管（23）流向余热锅炉（15）和过热器（14）。

由于下排气口排出的废气压力较高，为利用这部分废气进行涡轮增压，可让下排气口（22）排出的废气先经涡轮增压器的涡轮，然后再流向余热锅炉和过热器（参看图1）。

2、上排气口排气。这一过程如图5（8）所示，当活塞（35）向上移动将要关闭下排气口（22）时，转轮上的燃烧室凹坑（4）也把通气口（7）与上排气口（8）沟通，让上排气口开始排气。随着活塞继续上移，汽缸（21）中的废气便经所形成的排气通道向外排出（如箭头62所示），沿排气管（9）流向余热锅炉（15）和过热器（14），与从下排气口（22）排出的废气一起流向余热锅炉和过热器。把余热锅炉中的水（16）加热成过热蒸汽，并将转化成功率向外输出，使排气中的热量得到部分回收。

上排气口（8）排气时，活塞是不能把废气全部排出汽缸的，由于作功过程中密封的需要，转轮的燃烧室凹坑（4）要提前关闭通气口（7），以形成一定的密封距离，剩下的一小部分废气被活塞压缩到与汽缸形成的余隙容积内。

对上述所进行的工作过程是分别描述的，实际上，由于转轮与活塞的配合运转，上述的工作过程都是在二行程中完成的。在活塞往复运动的过程中，活塞上部进行的是膨胀作功和排气过程，活塞下部进行的是进气和压缩排出过程，而中间冷却、蒸汽回注和定容燃烧过程则是在转轮的燃烧室凹坑与相对应的不同系统中所进行。这种转轮活塞式内燃机的活塞每往复运动一次，曲轴每旋转一圈，都有一次膨胀作功过程。

至此，已经说明了蒸汽回注型转轮活塞式内燃机的基本结构、不同的涡轮增压方案和它的工作过程。对于转轮活塞式内燃机所必需的一些辅助系统和装置，已经是该领域能很好解决的技术问题，不会影响本发明的具体实施。与现有的内燃机相比，这种蒸汽回注型转轮活塞式内燃机在提高热效率上具有很大的潜力，它适合制成较大的功率，把它作为船舶、车辆、电站和动力源等方面的动力装置是很适合的。

Claims (10)

1、蒸汽回注型转轮活塞式内燃机，包括转轮装置(1)、汽缸体(20)、曲轴箱(33)、活塞(35)和曲柄连杆机构(34)，转轮装置由转轮(2)、壳体(6)及两个端盖组成，安装在汽缸体(20)上面，转轮(2)经传动机构被曲柄连杆机构的曲轴(39)带动，两者的转速比为1∶3，转轮的圆周面(3)上有三个形状尺寸相同、彼此间隔角度相等的燃烧室凹抗(4)，在壳体(6)的下部设有向外扩展并直接与汽缸体(20)中汽缸(21)相通的通气口(7)，在壳体的通气口之后依次设有上排气口(8)和压缩空气进口(10)，壳体上还装有喷油器(18)和火花塞(19)，在汽缸(21)中部的下止点位置上设有下排气口(22)，在汽缸底部安装有阀板(25)，阀板上分别装有出气阀(29)和进气阀(28)，出气阀(29)的出气管(30)经中间冷却器(31)与壳体(6)上的压缩空气进口(10)相连通，活塞(35)装在汽缸(21)中，并经穿过阀板(25)的活塞杆(36)等传动件与曲轴箱(33)中的曲轴(39)相连接，本发明的特征是：在壳体(6)的压缩空气进口(10)之后设有注气口(10)，该注气口与余热锅炉(15)的过热器(14)联通，余热锅炉和过热器则置于与壳体(6)的上排气口(8)和汽缸(21)的下排气口(22)相联通的排气通道中。

2、根据权利要求1的内燃机，其特征是：注汽口（11）与压缩空气进口（10）之间的角度（g）大于转轮（2）的燃烧室凹坑开口角（a）。

3、根据权利要求2的内燃机，其特征是：注汽口（11）与通气口（7）之间的角度（h）较大于转轮（2）的燃烧凹坑开口角（a），在（h）角范围内包括与注汽口（11）相邻的间隔角（i）和与通气口（7）相邻的燃烧区域角（j），其中燃烧区域角（j）减转轮的燃烧室凹坑开口角（a）之差为定容区域角（k），此角至少为10°。

4、根据权利要求1的内燃机，其特征是：在壳体（6）上的燃烧区域角（j）范围内，为安装喷油器和火花塞设有凹坑（17），该凹坑所占角度（1）小于转轮（2）的轮叶角（b）。

5、根据权利要求1的内燃机，其特征是：在注汽口（11）与过热器（14）之间的管道（13）内设有单向阀（12），该单向阀靠近注汽口，能阻止燃烧室凹坑内的气体进入过热器（14）。

6、根据权利要求4和5的内燃机，其特征是：过热器（14）和余热锅炉（15）置于连接在上排气口（8）的排气管（9）中，与汽缸下排气口（22）连通的排气管（23）经涡轮增压器（41）的涡轮（44）后连接在过热器（14）或余热锅炉（15）之前的排气管（9）上。

7、根据权利要求4和5的内燃机，其特征是：过热器（14）和余热锅炉（15）置于连接在上排气口（8）的排气管（9）中，排气管（9）经过热器和余热锅炉后通向一级涡轮增压器（46）的涡轮（49），与汽缸（21）下排气口（22）连通的排气管（23）经二级涡轮增压器（51）的涡轮（54）后连接在余热锅炉（15）或过热器（14）之前的排气管（9）上。

8、根据权利要求7的内燃机，其特征是：进气管（27）经一级涡轮增压器（46）的压气机（47）和中间冷却器（48）后通向二级涡轮增压器（51）的压气机（52），再经中间冷却器（53）通向阀板（25）的进气阀（28）。

9、根据权利要求4和5的内燃机，其特征是：与上排气口（8）联通的排气管（9）经一级涡轮增压器（46）的涡轮（49）后，把过热器（14）和余热锅炉（15）置于其中，汽缸下排气口（22）的排气管（23）经二级涡轮增压器（51）的涡轮（54）后，与一涡轮增压器（46）的涡轮（49）之前或之后的排气管（9）连通。

10、根据权利要求9的内燃机，其特征是：进气管（27）经一级涡轮增压器（46）的压气机（47）和中间冷却器（48）后通向二级涡轮增压器（51）的压气机（52），再经中间冷却器（53）通向阀板（25）的进气管（28）。

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