CN109844293A - 内燃蒸汽机 - Google Patents

内燃蒸汽机 Download PDF

Info

Publication number
CN109844293A
CN109844293A CN201780061871.6A CN201780061871A CN109844293A CN 109844293 A CN109844293 A CN 109844293A CN 201780061871 A CN201780061871 A CN 201780061871A CN 109844293 A CN109844293 A CN 109844293A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piston
water
top dead
internal combustion
crankshaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201780061871.6A
Other languages
English (en)
Inventor
J·布维
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dma Technology Co Ltd
Original Assignee
Dma Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from LU100022A external-priority patent/LU100022B1/en
Application filed by Dma Technology Co Ltd filed Critical Dma Technology Co Ltd
Publication of CN109844293A publication Critical patent/CN109844293A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water
    • F02M25/03—Adding water into the cylinder or the pre-combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
    • F02B47/02—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being water or steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D37/00—Non-electrical conjoint control of two or more functions of engines, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0221—Details of the water supply system, e.g. pumps or arrangement of valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0221—Details of the water supply system, e.g. pumps or arrangement of valves
    • F02M25/0222—Water recovery or storage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/032—Producing and adding steam
    • F02M25/038—Producing and adding steam into the cylinder or the pre-combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/04—Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being combustion-air intake or exhaust valves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

一种火花往复式内燃两冲程蒸汽机，其包括：发动机壳体；曲轴(16)，其能够绕着曲轴轴线转动；气缸(2)，其配置在所述发动机壳体的内部；活塞(1)，其配置在所述气缸的内部以能够在远离所述曲轴的上止点位置与接近所述曲轴的下止点位置之间沿着往复轴线往复运动，并且所述活塞可操作地连接到所述曲轴以使所述往复式活塞对所述曲轴赋予转动运动；燃烧室(17)，其限定在所述气缸内并且在所述发动机壳体与所述活塞的和所述曲轴相反的头部之间；进气阀(3A)；排气阀(3B)；燃料喷射器(4)，用于将燃料直接喷射到所述燃烧室中；喷水器(6)，其在位于所述活塞的上止点位置下方的位置处将水直接喷射到所述燃烧室中；以及火花塞(5)，其中所述进气阀与压缩气态氧化剂供应器(9)流体连接，所述压缩气态氧化剂供应器(9)被构造为通过所述进气阀向所述燃烧室供给压缩气态氧化剂。

Description

内燃蒸汽机
技术领域
本发明涉及内燃蒸汽机，特别地，涉及具有效率提高、低污染且在低RPM时扭矩高的内燃蒸汽机，并且涉及该内燃蒸汽机的作业方法。
背景技术
蒸汽机和内燃机被用于产生机械转动动力已经超过一百五十年。James Watt将低动力往复式发动机与冷凝器联接(这允许蒸汽膨胀至低于大气的压力，从而增强了低动力往复式发动机的效率)，使基于往复式活塞的现有蒸汽机成为可能。蒸汽轮机的引入使得效率更大并且在我们的重力系统下膨胀至数英寸水银的压力。然而，在整个20世纪，当在低RPM下需要高扭矩在陡坡条件上承载大负荷时，往复型的蒸汽机被用于铁路工业中。虽然蒸汽机通常使用煤或天然气，但是在产生动力时蒸汽机可以燃烧任何类型的燃料。蒸汽机的局限性在于，需要外部锅炉来将蒸汽加热至过热状态。过热蒸汽通常低于在锅炉中燃烧的燃料的温度，这是因为热量向水的转移需要显著的温度差异或者大的热交换表面。因此，除了需要产生电力以及需要处理蒸汽与机械动力耦合的一些系统之外，蒸汽机未被广泛使用。蒸汽机比传统燃机产生的扭矩高。
今天的运输需求主要由内燃机提供动力。尽管锂电池的开发使得电动汽车适合于城市使用或者行驶小于200英里的距离，但是现代运输发动机包括基于奥托循环、柴油循环、布雷顿循环和用于喷气推进的空气标准循环(Air Standard Cycle)的发动机。
对于陆基运输系统、小型船舶和螺旋桨驱动的小型航空器，使用各种形式的奥托循环。
在风力和太阳能单元不实用的发电系统中，柴油循环或奥托循环的内燃单元是合适的。
在可获得来自粪肥的甲烷气体或者可使用丙烷的农场和乳品厂中，可以使用基于奥托循环的发动机。
因此，尽管环境需要使用较少的碳氢化合物的燃料，但是基于奥托循环的发动机将在至少接下来的20年中在世界范围内起主要作用。因此，重要的是，我们寻求在最大化效率的同时最小化空气污染的发动机设计。
柴油循环和奥托循环两者通常被称为空气标准循环。这是因为，用于燃料的主要氧化剂是从我们的大气中取得的空气(空气被认为是免费的而仅燃料有成本)。然而，在空气中包含的氮气导致形成了必须进而被处理的NOx。
大多数奥托循环发动机是四冲程发动机。它们使用汽油、丙烷或天然气(甲烷)作为燃料，氧化剂是空气。为了避免爆震(不受控制的燃烧)，它们是稀薄运行(run lean)(比燃烧燃料所需要的空气多)的。这引起NOx的形成，并且还可能引起不完全燃烧(形成CO)。两者都是温室气体。大多数现代汽车具有直接燃料喷射以防止碳氢化合物未燃烧的可能性。
大量的小型发动机是所谓的两冲程发动机。这些两冲程发动机已经被用于舷外引擎、踏板车、模型飞机、庭院设备等。这些两冲程发动机通常小于1000cm3。典型地，这些两冲程发动机使用曲轴箱作为独立的室以吸入并压缩供给到气缸的空气。当活塞在气缸中向下运动时，活塞在曲轴箱中压缩空气-燃料-油混合物。当活塞接近冲程的终点时，打开通向气缸的阀并且在排气阀仍然打开的情况下将压缩的空气-燃料-油混合物运动到气缸(燃烧室)中。这会使一些碳氢化合物损失到大气中。显然，至今未提出用于两冲程发动机的NOx催化处理。一些两冲程发动机的制造商开始使用直接喷射燃料系统。这将消除原料碳氢化合物向大气中的倾泻，但是他们还仍然不能以足够低的成本解决NOx的问题以使发动机变得实用。
多年来已经完成了使用H2作为燃料的一些工作，并且由NASA和加州的USDOE进行的测试指出通过改变喷射器的喷嘴口数量在四冲程发动机中利用直接喷射形成的NOx较少。
发明内容
技术问题
鉴于以上，本发明的目的是提供改善的内燃机和这种发动机的作业方法，其中该内燃机比已知发动机的效率高且污染低。
为了实现该目的，本发明在第一方面提出了一种火花往复式内燃两冲程蒸汽机，其包括：发动机壳体(engine casing)；曲轴，其能够绕着曲轴轴线转动；气缸，其配置在所述发动机壳体的内部；活塞，其配置在所述气缸的内部以能够在远离所述曲轴的上止点位置与接近所述曲轴的下止点位置之间沿着往复轴线往复运动，并且活塞可操作地连接到曲轴以使往复式活塞对曲轴赋予转动运动；燃烧室，其限定在所述气缸内且在发动机壳体与活塞的和所述曲轴相反的头部(或顶部)之间；进气阀；排气阀；燃料喷射器，(其被配置为)用于将燃料直接喷射到所述燃烧室中；(与燃料喷射器分离的)喷水器，其(被配置为)在位于活塞(的头部/顶部)的所述上止点位置下方的位置处将水直接喷射到所述燃烧室中；以及火花塞，其中进气阀与压缩气态氧化剂供应器流体连接，压缩气态氧化剂供应器被构造为通过进气阀向燃烧室供给压缩气态氧化剂。
在另一方面中，本发明还提出了在本文中公开的火花往复式两冲程内燃蒸汽机的作业方法。
本发明的发动机首先是两冲程蒸汽机，意味着是通过在曲轴的转动的各循环中在同一气缸中点燃燃料氧化剂混合物来产生动力。这样可以通过将氧化剂(空气或氧气)的压缩动作转移到辅助压缩装置(其不是发动机的一部分)来实现，意味着氧化剂在已经被压缩的状态下供给到气缸，而不是如在传统两冲程发动机中在气缸的内部压缩氧化剂或者在气缸的下方压缩氧化剂。因此，在点燃燃料之前的压缩不是在气缸的帮助下进行的，而是以充分压缩的状态提供氧化剂。发动机的作为两冲程发动机的主要优点当然在于，与等同动力的四冲程发动机相比，发动机可以小得多；或者可选地，在相同尺寸的情况下，该两冲程发动机理论上能够提供双倍动力。
第二，本发明的发动机尽管是内燃机，但是更重要的是，该发动机还是蒸汽机，因此该发动机名称为内燃蒸汽机或ICSE。事实上，在本发明的发动机中，通过燃烧产生的热量在燃烧完成之后被立即用于使在实质上完成燃烧之后通过专用的喷水器及时喷射的水蒸发，从而产生较高的气体压力，因而产生更多动力以转动曲轴。随着过热蒸汽的温度降低，气缸内部的压力增加。已经表明，喷射适当量的水比单独燃烧燃料提供大约多5％的动力。但是，在燃烧发生之后立即喷射水还存在另一重要的优点：通过气缸内部的热量蒸发的水降低了燃烧室中的温度，从而特别是与在各循环中进行点燃的传统两冲程发动机相比显著地降低了气缸体和气缸盖的热应力。此外，归因于由喷射的水的蒸发引起的立即冷却，可以使发动机的整体冷却被简化，这进而减小了发动机的重量。另外，喷射水而不是喷射蒸汽是较容易的过程且使用较可靠(且较便宜)的部件，并且需要较少的工作。
本发明的第三个重要的优点是，如果氧化剂是空气(因而主要是氮气)，则归因于在燃烧之后立即喷射水，使燃烧室内部的温度快速降低，这显著地降低了形成对环境有害的NOx的风险。这进而降低了对(为了满足相应的国家和国际法规)用于将NOx还原成N2的复杂系统和添加剂的需要。
本发明的第四个优点是，不同于在产生火花之后的小角度完成的燃烧之后立即发生峰扭矩(peak torque)的传统ICE，在所有喷射的水转变为过热蒸汽之后出现蒸汽机最大扭矩，从而杠杆臂显著较大。
表述“上止点”和“下止点”在往复发动机的领域中通常是已知表述并且指的是活塞在气缸内沿着往复轴线的两个终点位置，或者更特别地是指活塞的顶部在气缸内沿着往复轴线的两个终点位置。上止点是活塞在远离曲轴时的位置，而下止点是接近曲轴的位置。沿着往复轴线的位置通常以相对于曲轴或者在曲轴的转动的意义上从任意止点开始以度(°)给出。通常以上表述在介词“之后”或“之前”之后使用。例如：“上止点之前5°”(简称为5°btdc)意味着活塞的顶部在沿着往复轴线的与曲轴相对于上止点的转动角度为-5°对应的位置。“距上止点-5°至+5°”之间的范围的表示法等同于“上止点之前5°到上止点之后5°”或者“5°btdc至5°atdc”。
以下将与ICSE和ICSE的作业方法相关联地说明本发明的其它优选的特征和优点。
如上所述，所供应的压缩气态氧化剂通常是压缩氧气或压缩空气。通常，发动机使用与以如下压缩比等熵压缩的空气在冲程的底部处与冲程的顶部处的体积比相关联的压缩空气：该压缩比优选地为至少8：1，更优选地为至少10：1，更优选地为至少12：1。
一个或多个进气阀和一个或多个排气阀可以是任何适当类型的阀，优选地，这些阀是(诸如被曲轴)发动机自身驱动(发动机因而是致动器)或者(诸如气动的、液压的或电的致动器)独立致动器驱动的用于几乎所有四冲程发动机的独立提升阀、滑阀或转动盘阀。例如，被设计为滑动或旋转盘的阀系统可以有利地允许设定如下时刻：在处于下止点时打开和关闭排气阀以及在关闭排气阀之前打开进气阀。
本发明的ICSE还可以包括致动器，致动器被构造用于在活塞的头部在上止点之前的90°至20°、优选地在大约35°至25°、更优选地在大约30°的往复位置处时打开进气阀以供给压缩氧化剂，并且致动器被构造用于在上止点之前的10°至2°、优选地大约5°关闭所述进气阀。优选地，ICSE还包括致动器，致动器被构造用于在活塞的顶部在距下止点处的-21°至+15°之间、优选地从-10°至+5°、更优选地在0°的往复位置处时打开排气阀以排出废气，并且致动器被构造用于在上止点之前的25°至5°、优选地20°至10°、更优选地大约15°关闭所述排气阀。
可以用于供给本发明的发动机的燃料可以是任意传统燃料，该燃料在正常状态下是液态或气态，诸如氢气、碳氢化合物或相关的含氧分子。在特别优选的实施方式中，本发明的发动机利用在正常条件下为气态的燃料进行作业。特别地，在氢气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或天然气中选择优选的燃料。
在本发明的特别优选的实施方式中，一个或多个燃料喷射器被构造为在距上止点-5°至+5°之间、优选地在0°处喷射燃料，并且火花塞被构造为在关闭燃料喷射器之后立即产生火花。
一个或多个专用的喷水器被有利地构造用于在上止点之后的5°至40°处、优选地在7.5°至30°将水喷射到燃烧室中。
在最优选的实施方式中，空气作为氧化剂并且H2作为燃料，喷射到燃烧室中的水的质量表示为燃烧室内部的燃烧气体的质量(即，如以上表示地在步骤(c)之后)的0.8倍至1.5倍、优选地为0.9倍至1.2倍。这些值是针对空气作为氧化剂的情况而计算的。对于O2作为氧化剂，优选更大体积的水，特别是大于燃烧产产物的质量的4倍或5倍(甚至更多)。本发明的ICSE通常还包括作为水供应器对喷水器进行供给的水罐和位于排气阀下游的冷凝单元。该冷凝单元(例如换热器)能够被设置为使来自废气的蒸汽冷凝为水，然后可以将冷凝的水通过导管供给到水罐。这种用于蒸汽产生的水循环对于所运载的水量通常受到限制的ICSE的运动应用是特别有利的。此外，循环水还减少了续水的次数。还提供了过滤部件以过滤排出的蒸汽。水罐优选地被设计用于通过正常灌装盖灌装水和通过冷凝的排出的水灌装水。
本发明的ICSE还优选地包括控制单元，控制单元被构造为控制发动机的一个或多个特征或者作业方法，诸如进气阀的打开和关闭、排气阀的打开和关闭、燃料喷射的时刻和量、喷水的时刻和量以及氧化剂压力、点燃时间、外部压缩机等。通常，控制单元将提供由专用软件构成的手段，用于适当控制发动机功能和性能，其中该专用软件以同时控制阀时刻(valve timing)、气团和压力喷射、燃料喷射量和时刻、产生火花、水喷射量和时刻、在发动机工作的开始和结束时的水喷射规格等为目的。
本发明的ICSE当然可以以与传统ICE相同的方式包括多个气缸。此外，这些气缸均可以包括多个喷水器，多个喷水器优选地沿着燃烧室的周缘分布。喷水器可以位于气缸的位于燃烧室内部的任意位置。随着活塞由于燃料/氧化剂混合物的点燃而向下运动，通常在活塞头部位于上止点之后大约5°至35°的位置时能够喷射水。由于喷水器能够访问燃烧室，所以喷水器优选地位于上止点与当曲轴相对于上止点位置在转动角度＞0°至35°、优选地为5°至25°时活塞的顶部的位置之间的区域。
可选地或附加地，本发明的ICSE可以包括多个喷水器，多个喷水器位于相对于往复轴线的不同位置处，即位于距上止点不同高度处，沿着往复轴线堆叠或相对于所述轴线倾斜。在特别优选的实施方式中，所述多个喷水器中的各喷水器均能够例如根据发动机的转动速度被单独控制。
一个或多个喷水器优选地被配置为通常通过使用在350巴-400巴的压力下作业的高压泵在高压下以细小的雾的形式喷射水。喷水器优选地被配置为使得它们的喷射特征和绕着气缸盖的位置将确保在燃烧之后喷射的水的完整喷射，产生与成角度的喷射模式(pattern)关联的细小的雾，其中成角度的喷射模式与燃烧之后的火焰运动特征一致，例如，相对于往复轴线在上止点的方向上大于90°的角度，优选地该角度在92.5°至150°之间，更优选地该角度在95°至130°之间。在本发明的特别优选的变型中，该角度可以被控制单元控制和调节。
尽管本发明的ICSE的一些部分与从传统ICE已知的对应部分非常类似，但是，特别在一些最优选的实施方式中，这些部分中的一些部分可以具有非常特别的特征。
例如，活塞的面向燃烧室的头部优选地具有向内弯曲的表面，这将增强所形成的过热蒸汽的效果，使得以在蒸汽膨胀期间获得对活塞的最大压力为目标最好地使用过热蒸汽特征。
ICSE的壳体通常包括气缸盖和气缸体。ICSE的盖优选地以如下方式设计：使得在燃料/氧化剂混合物燃烧之后随后直接喷射到气缸中的特定量的水预热。此外，气缸盖可以有利地被构造为覆盖活塞头部的距上止点大约25°的距离。在这种情况下，一个或多个喷水器可以被方便地配置于气缸盖与气缸体之间。
本发明的ICSE的每个气缸可以包括多于一个火花塞或者本发明的ICSE可以包括用于多火花塞点燃的部件以增加火焰速度。
如在本文中说明的，火花往复式两冲程内燃蒸汽机(ICSE)的作业方法通常通过提供燃料、压缩氧化剂并且之后一旦燃料实质上完成燃烧就提供水来运行ICSE。特别地，这种方法在曲轴的转动和活塞的对应往复运动的各循环中包括如下步骤：
(a)当活塞的头部处于上止点之前的90°至20°、优选地大约35°至25°、更优选地30°的往复位置处时，打开进气阀以供给压缩氧化剂，并且优选在上止点之前的10°至2°之间、更优选地大约5°关闭所述进气阀。
有利地，能够通过控制单元以给定范围内的值调节进气阀的打开和关闭；优选地，在各循环中进行上述调节。
所述方法在曲轴的转动和活塞的对应往复运动的各循环中还包括如下步骤：
(b)当活塞的头部在距下止点-21°至+15°之间、优选地-10°至+5°之间、更优选地为0°的往复位置处时打开排气阀以排出废气，并且在上止点位置之前的25°至5°之间、优选地从20°至10°、更优选地大约15°处关闭所述排气阀。
有利地，能够通过控制单元以给定范围内的值调节排气阀的打开和关闭；优选地，在各循环中进行上述调节。
在ICSE作业期间，在曲轴的转动和活塞的对应往复运动的各循环中，该方法还包括如下步骤：
(c)在距上止点-5°至+5°之间、优选地0°喷射燃料，并且在关闭燃料喷射器之后立即使火花塞产生火花。
能够完成在所述方法中的喷射水，所述方法在曲轴的转动和活塞的对应往复运动的各循环中还包括如下步骤：
(d)在上止点之后的5°至40°、优选地7.5°至30°处将水喷射到燃烧室中。
能够有利地通过控制单元在给定范围内调节燃料或水的喷射或者两者的喷射；优选地，在各循环中进行上述调节。
作为结论，可以说ICSE是蒸汽机，因为ICSE使用水作为工作流体，水在活塞运动时提供了相当部分的功。此外，ICSE是两冲程内燃机，其中氧化剂是从外源提供的压缩空气或压缩氧气。在活塞靠近上止点时，向气缸提供氧化剂，并且当入口阀关闭时，直接喷射燃料，随后是进行火花点燃。
经由使用火花塞和合适高电压的自动线圈实现点燃，使用一个或多个火花塞取决于气缸的直径。典型地，一个火花塞足够；然而，如果喷射到气缸中的燃料不具有足以在活塞从上止点运动大约25度之前彻底燃烧的火焰速度，则可以期望或需要两个或更多火花塞。这是由于确保在添加水时实质上已经完成燃烧。控制单元将优选地控制点燃和添加水两者。喷射的燃料量接近用于化学计量比例混合物的量。在燃烧(接近)完成的时刻，液态水优选地通过装配在气缸盖与气缸体的顶部之间的间隔件喷射到气缸中。
如果燃料是氢气并且氧化剂是气态的氧，则发动机中的介质将仅为过热的水，并且是真正意义上的内燃蒸汽机，这是因为废气将仅包含水。
如果氧化剂是空气，则作为混合物的过热的水蒸气和氮气气体将做功。热力学分析表明，等同于空气重量的水的添加将比等同质量的空气产生多5％的功，并且不具有高NOx产物。
发动机能够被设计为使得混合物能够膨胀，直到水开始冷凝或者压力接近大气。
活塞的向上运动将迫使气体和蒸气向上通过排气阀。
在使用空气作为氧化剂的情况下，在活塞到达上止点之前，进气阀打开并且氧化剂将帮助将剩余气体和水蒸气推出。(如果使用氧气而不是空气，则可能剩余的少量水不需要在关闭发动机之前被排出，如果长时间不使用发动机，则在关闭发动机时应当将可能剩余的少量水排出以避免可能的腐蚀。)
优选地立即喷射燃料，并且当喷射器和进气阀关闭时，使发动机产生火花以重复循环。
以上过程被说明为用于单个气缸。对于4缸发动机，气缸1和4通常一起被点火，而气缸2和3一起被点火以确保发动机的平衡。
如上所述，可以使用空气或水冷却冷凝器从燃烧气体中回收水并且重复使用该回收的水。如果能够实现分离系统的重量比运载的用于典型燃料罐的发动机的运行时间的水的重量小，则可以例如添加这种系统。这使用O2作为氧化剂时具有最大的可能性。对于空气作为氧化剂，不可冷凝的N2使冷凝器相对大。如果能够在低动力需求和足够小的体积条件下进行作业，则分离N2和水蒸气的可工作的手段是使用分子筛。
对于空气作为氧化剂，在车辆中使用发动机将原则上需要如下压缩机：其能够以直到至少3000rpm运行发动机所必须的速率压缩空气。空气应当以如下速率传递：该速率等于或大于两倍马力的四冲程发动机中所需要的空气的质量流或接近该质量流的供应压力。典型地，在环境温度下350kPa至400kPa将是足够的。换言之，四缸两冲程ICSE将等同于两倍排量的八缸四冲程发动机。
能够利用适当的滑轮通过带或链系统驱动这种压缩机。该压缩机还可以被电动马达驱动。
空气供应系统将通常需要储存罐，该储存罐将在发动机室内的局部环境温度下供应加压空气，使得加压空气将等于四冲程发动机中的质量流速的一倍至两倍。
关于发动机的阀系统，可以使用传统的提升阀，但是打开可能会太受限制。ICSE可以替代地使用滑阀或转动盘阀，滑阀或转动盘阀包括用于排气流和进气流两者的口。阀板能够在阀打开和关闭方面提供上述重叠，从而简化控制。
这还将较容易地使发动机能够被电子控制或计算机控制并且消除对控制阀的凸轮的需要。
利用不同燃料的测试可能需要例如通过简单地改变板或在控制单元内修改控制参数使用不同的阀时刻。然而，相信用于H2的单一设计将适合所提到的任何气态燃料。
除非另有明确说明，否则在本文中提供的所有确切值均应被理解为近似值。因此，各所述确切值均应当被理解为包括在比所述值低10％与比所述值高10％之间的值的范围。在“大约”、“接近”或类似的词之后的确切值应当被理解为包括在比所述值低20％与比所述值高20％之间的值的范围。
附图说明
现在将参照附图说明本发明的优选实施方式，其中：
图1是根据本发明的ICSE的实施方式的截面图；
图2是优选的喷水模式的俯视图；
图3是示出超过90°的角度的优选的喷水模式的侧视图；
图4示出了图1的ICSE中的气缸内部的喷水模式的特别优选的实施方式；
图5的A至图5的C示出了其中还具有可选的空气罐/缓冲罐的本发明的ICSE的实施方式。
具体实施方式
以下的说明书说明了根据本发明的ICSE和ICSE的作业方法的一些实施方式和变型。以下的说明书不旨在限制所附权利要求的范围，而是示出本发明的一些当前优选的实施方式。
还如图1和图4所示，内燃蒸汽机(ICSE)自身由与内燃机中已知的多个部件类似的多个部件构成。内燃蒸汽机具有优选地由独特设计的气缸盖制成的发动机壳体、某种程度上标准的(somewhat standard)气缸体以及一个或多个活塞1，一个或多个活塞1安装到曲轴16以实现将活塞1的往复运动变为曲轴16的转动运动。
尽管标准的汽油发动机具有四个冲程，即：1)进气冲程，其利用活塞的向下运动通过创建真空经由进气阀将空气引入发动机，以及2)压缩冲程，在冲程的底部关闭阀的情况下，压缩冲程在活塞的上行冲程期间绝热地压缩空气，内燃蒸汽机使用通过一个或多个进气阀3A进气的外部压缩氧化剂(空气或氧气)，一个或多个进气阀3A在上止点前(btdc)打开并且最迟在上止点(tdc)处关闭。在本发明的上下文中，表述“压缩氧化剂”、“压缩空气”或“压缩氧气”意味着氧化剂、空气或氧气在至少4巴至7巴或更大的MAP(歧管绝对压力)下压缩，优选地在至少5巴的MAP下压缩，更优选地在至少6巴的MAP下压缩。较高的压力允许供给更大量的氧化剂。单独地从发动机引入压缩空气使得与通过在发动机内通过等熵压缩进行的压缩获得空气压缩的情况相比进气温度相对较低。这样在较低的进气温度将减小燃料自燃的可能性的同时将产生每单位体积内的较高进气质量(intake air mass)。这将进而允许使用较高的压缩比。这将对燃烧温度和蒸发的水量产生直接影响，通常地，这将对发动机效率和功率产生直接影响。压缩氧化剂供应器9系统是独特的，因为它的气体温度不是发动机自身的作业温度的函数，而是压缩氧化剂供应器(包括例如压缩机)自身和冷却系统自身的函数。压缩机(以下进一步详细说明)优选地通过传感器电联接到发动机，该传感器将提供例如关于燃烧温度以及蒸发的水的信息。这些参数将优选地由通过控制单元(ICSE控制单元，未示出)运行的专用程序计算，这将进而使压缩机不仅产生必要的气团(air mass)、还产生所需要的空气压力。应当优选地包括在4巴至7巴之间的氧化剂(空气或O2)MAP压力。如已经指出的，以下将在单独的说明中说明优选的压缩机控制器和部件。
阀3A和3B设计优选地允许进入的空气从气缸彻底地扫除(sweep)废气。气缸盖中的开口将优选地为圆形泪滴形状的壳凹面(shell concavity)以引导进入的空气从排气口离开并绕着燃烧室17流动并且将废气推出，优选地，使用类似泪滴形状的凹面将空气和废气引导到出口外。
尽管ICSE可以利用提升阀3A、3B，但是该类型的阀通常限制必须设置于气缸的顶部下方的最小距离。能够使用其它类型的阀来克服该可能的问题。能够有利地使用转动盘或滑动板类型的阀。这些类型的阀允许活塞1非常靠近气缸的顶部。潜在地，这些类型的阀能够通过使用诸如电磁阀的致动器由ICSE控制单元运行。可选地，这些类型的阀还能够避开(run off)具有连杆的顶部凸轮轴，连杆被设计为使被弹簧对抗的盘转动，或者在将直接由凸轮致动的杆类型滑动件的情况下，对抗的弹簧再次使阀转动到阀的初始关闭位置。滑阀或盘能够被设计为与气缸的上表面平齐。这种设计将被构造为，横向尺寸在面向活塞的表面较窄并且在顶部较宽，使得任何绕着滑动件的侧部或盘的周缘泄漏的可能性最小化。
相反地，滑动件能够位于气缸的顶部上方的小距离处。在该情况下，气缸的顶部能够具有泪滴形状的非常浅的凹面以引导废气和进入的空气的流。当阀开口在时间上重叠时，进入的空气能够帮助扫除来自室的全部的排出燃烧气体。针对该情况，ICSE能够以如下压力作业：在该压力下，处于下止点(排气阀打开的位置)时气体处于环境压力或水蒸气到达初始冷凝的压力点。
在内燃机和ICSE两者中，能够在上止点时通过位于盖中的喷口4注入燃料，位于上止点时氧化剂(空气或O2)和燃料经由一个或多个火花塞5点燃。(在较老的内燃机中，化油器会在液体燃料进入发动机时将液体燃料喷射到低压空气中，使引擎经历预点火爆震(pre-ignition knock)。出于该原因，现有的内燃机是稀薄运行的。)ICSE优选地仅使用气体燃料(诸如氢气、甲烷或丙烷)，气体燃料优选地从一个或多个(诸如四个或更多)喷口注入，即使发动机按化学计量的比例运行，气体燃料也不会经历爆震。
在升高的压力下添加到水中以产生蒸汽的热量是该压力下的焓减去在400kPa下处于饱和状态的液态水的焓。通过膨胀执行的功是在高压下的焓减去废气的焓。蒸汽膨胀过程的效率是功除以所添加的热量。从燃料/空气或氧气的燃烧气体获得所添加的热量，氧气与将转变为蒸汽的水混合以驱动发动机活塞。
在特别优选的实施方式中，燃烧室的形状将形成绕着椭圆的短轴线(8)的椭圆旋转体，其中燃烧室的形状通过盖和在上止点处优选地稍凹陷的活塞表面的顶部形成。这将使高速气体燃料喷射更彻底地混合，使气体向上以及径向向外运动，从而与氧化剂较好地混合。火焰峰(flame front)将以大于8m/s的速率快速运动通过燃烧室并且将不残留未耗尽的燃料，这可能会产生活塞顶部的形状能够导致死循环区的问题。进一步地，期望的是，锥形喷射的细小分散的水将在被蒸发时有所帮助。
在燃烧的最后以及活塞小幅向下运动之后，通常取决于发动机速度，高压下的液态水将被注入6到气缸2的燃烧室17中然后蒸发，在增加燃烧室17内部的压力的情况下降低燃烧气体温度，从而提供额外的动力向下推动活塞1。
进入气缸的水量将优选地接近等于或大于燃烧气体的质量，并且水将变成过热蒸汽。在下止点处燃烧气体/蒸汽混合物将绝热地膨胀至低压，然后经由向上运动活塞通过一个或多个排气阀推出燃烧气体/蒸汽混合物。在上止点之前的若干度(several degrees)，新鲜的氧化剂(空气或O2)将开始进入发动机，推出任何剩余的燃烧气体。
对于利用H2燃料以3000rpm运行的ICSE，如果火焰峰仅以8米/秒运动，则喷水点将通常为曲轴的转动的大约5°至40°。对于以1000rpm运行的ICSE，喷水甚至可以在超过上止点的5°至10°之间处开始。如果燃料是氢气并且氧化剂是纯氧气，则燃烧气体为全蒸汽。如果氧化剂是空气，则排出的气体将是蒸汽和氮气。如果碳氢化合物气体或液体是燃料，则将产生CO2和N2以及蒸汽。在排出的气体中应有少量或没有NOx，这是因为USDOE(美国能源部)证明了即使少量的水添加到四冲程，以H2为动力的ICE也大幅地降低NOx的产生。因而，具有大的水添加量的ICSE应当不产生或几乎不产生NOx。
热力学计算表明ICSE将比具有相同的燃料-空气比的标准内燃机产生更多动力。由于两冲程发动机在发动机每转下每个活塞传递一个动力冲程而四冲程发动机每两转下仅具有一个动力冲程，所以尺寸为标准四冲程ICE的一半的ICSE将产生较多动力和较少污染。因而，内燃蒸汽机较环保。
此外，如果缸盖被设计为大致覆盖发动机转动的最初20度至25度，则发动机缸体能够潜在地由较低成本的材料制造。
通过新ICSE传递的动力显著地高于通过传统内燃机传递的动力。这是归因于紧接燃烧过程之后发生的过热蒸汽的形成，以及在膨胀期间所添加的质量和压力增加。
计算表明在温度升高的水处于接近恒定体积的过程中(在体积由于活塞的向下运动而大幅增加之前)，燃烧气体冷却。尽管在水加热和蒸发期间体积改变小，但是将发生一些小幅膨胀。在该过程期间的体积改变量取决于例如雾的细度以及发动机的rpm。
结果，在另一优选实施方式中，使用了新形式的喷水器6，该喷水器6的性质甚至更好地响应于细小的雾蒸发的需要。在下文中将进一步说明有利的喷水器。
在氧化剂是空气而不是纯氧气(O2)的情况下，在膨胀结束时，燃烧后的气体将包括细小的雾蒸汽形式的水以及氮气。
这将产生在排放方面接近清洁的发动机。
在传统的ICE中，如果如通常情况使用空气作为燃烧物时ICE中的燃烧温度足够高，则所形成的水的一部分分解，并且在氮气存在的情况下，可能形成NOx。
NOx的形成是吸热反应，其稍微冷却气体并且在给定时刻气体成为可能包括O2、O、NO、NO2、H2O、H、OH等的平衡状态。
当然，为了使其发生，燃烧气体必须达到足够高的温度，并且适当量的过量O2、过量空气的存在使NOx较容易形成。
NOx是NO和NO2的混合物。使用吉布斯函数和温度可以计算燃烧产物的平衡浓度。这是迭代计算，并且结果是，在空气中燃烧的H2将在保持隔热的情况下形成一些NOx，使得气体达到平衡。
通过将水添加到燃烧后的气体，燃烧后的气体在将水加热到气相的同时被冷却。这在降低了温度的同时保持高压。因此，随着温度降低到NOx不再是平衡组分的点，理论上不具有时间形成NOx。所以不期望的NOx的产物绝对低于传统ICE。
在热力学计算中，可以通过使用化学计量比例混合空气和H2使得不存在过量空气来获得最多能量。
在完成燃烧时，形成了H2O和N2的高温混合物，该高温混合物在添加喷射的水的情况下快速冷却，使得几乎不形成NOx。
在根据本发明的ICSE的又一实施方式中，发动机设置有特别的缸盖，提供待注入发动机13的水的预热，其中待注入的水流过与普通发动机中存在的用于发动机盖和气缸冷却的管道类似的管道。通过在ICSE管道中设置适当的水循环速度，水被加热并且能够达到通常接近其沸点的温度。这将在利用浪费的热能的情况下使通过燃烧直接产生的用于使水达到过热蒸汽状态所需要的能量较少，这将进而减少需要的燃烧物的量。
尽管作为两冲程发动机，ICSE以至少一个进气阀3A和一个排气阀3B为特征而不是使用简单的口(这将引起对于大多数两冲程发动机常见的性能控制的损失)，其代价是，由于阀和相关联的致动系统导致一些重量的增加。
ICSE的重要特征是喷水系统。如上所述，通过缸盖和在上止点处的活塞的顶部形成的燃烧室的形状优选地形成绕着椭圆的短轴线的椭圆旋转体。活塞的形状有利地被制造为防止死循环区的产生。为了利用该特征，喷水喷嘴优选地充分绕着燃烧室周缘11定位并且通常具有细小的喷雾模式。由于火焰峰将趋向于跟随燃烧物的喷射注入方向沿着竖直向下的轴线运动，所以喷水器将以超过90度的角度(据从发动机盖顶部引出的竖直线12计算)有利地喷射。
在曲轴的特定转动角度(诸如从上止点起大约5度至40度)之后将注入水。该时刻优选地确保在水注入之前完成燃料的燃烧。通常假设将在从上止点起0度至5度之间进行点燃。如那些在柴油发动机中用于喷射燃料的喷射器，喷水器的数量和分布将取决于它们的提供细小雾的能力。针对以3000rpm转动的ICSE进行本计算。选择水量在质量上与全部燃烧产物相等(与燃料和空气的质量相等)。尽管能够注入更多的水，但是计算表明，与简单地在空气或纯氧中燃烧燃料相比，该喷水量将显著提供更多动力。
如能够在图2和图3中观察到的，喷水器-喷射模式将决定喷水器6的位置，使得这些喷水器通常例如以圆形的样式定位在绕着燃烧室17的不同位置11。在图2中从发动机盖的顶部观察，喷水器的喷嘴将优选地具有锥形喷射模式。从喷水器的前方观察时，喷射模式将通常限定以标称的喷水器-喷射角度为特征的线性模式。该角度将有利地被限定为从气缸盖顶部观察时覆盖尽可能宽的区域并且与以上限定的角度不同，以处理向下喷水的必要性，使得喷水的方向将跟随图3中示出的向下运动的火焰峰。
供给到气缸进气阀3A的氧化剂(空气或O2)将需要被压缩。在大多数情况下，ICSE将利用空气而不是纯氧气作业，所以ICSE将利用压缩的空气作为氧化剂运行。尽管存在不同的手段实现压缩气态氧化剂供应器9的目标，但是压缩装置应当优选地位于如下距离：(诸如通过进气压缩空气歧管10)允许气团在进入气缸之前被冷却。这将具有以较高密度供给空气的效果，该效果与传统的压缩发动机或者甚至是压缩气缸和制动气缸(detentcylinder)通常相邻的所谓的Scuderi发动机相比是有利的。Scuderi发动机具有成对的气缸，成对的气缸中的各气缸均进行传统发动机的两个任务(冲程)。压缩气缸进行进气和压缩。制动或动力气缸进行燃烧和排气。压缩空气通过交叉通道从压缩气缸转移到动力气缸。然后，在动力气缸内部注入并点燃燃料以产生动力冲程。
能够在直接供给ICSE时和需要直接供给ICSE时产生压缩空气。可选地，能够提供压缩空气的临时储存。能够通过设置所谓的中间冷却器(典型地包括换热器)在储存之前(或之后)主动地冷却压缩空气。在这种换热器内的压缩空气可以被环境空气或者注入ICSE的水冷却。
在本发明的优选实施方式中，提供手段来将氧化剂吹送器或者压缩氧化剂储存输出体积与所必须的以化学计量比例方式燃烧燃烧物适配。实现该目的所存在的各种手段包括监控气缸盖温度、排出气体的温度和分析结果等。应当理解的是，本发明能够使用速度能够变化以满足化学计量比例燃烧需要的电子驱动或自驱动压缩机。
在膨胀之后，能够使低压蒸汽过滤和冷凝并且使低压蒸汽返回到水罐7。在该示例中，水循环将通常包括水罐7、用于在水室13内预热水的低压循环泵14和导向ICSE内部的喷水器6的高压喷射泵15。
图5的A示出了本发明的ICSE 20的实施方式，而图5的B示出了用于临时储存压缩空气(氧化剂)的空气罐/缓冲罐30的实施方式。图5的C是图5的B的空气罐30的截面图。
ICSE 20包括：气缸体，其在顶部处具有阀盖22并且在底部处具有油盘26；连接件24，其用于向气缸体供应喷射水或者冷却剂；可转动的曲轴25，飞轮27安装到可转动的曲轴25。在一些实施方式中，曲轴25能够可操作地连接到压缩机(未示出)、交流发电机(未示出)和/或风扇(未示出)，压缩机用于将压缩空气供应到缓冲罐30。
进气歧管23经由进气阀与各气缸的燃烧室交替流体连接，并且进气歧管23还具有流体连接到缓冲罐30的空气入口21。在一些实施方式中，缓冲罐30能够借助于法兰33和固定螺栓(未示出)直接安装于空气入口21，以便使缓冲罐容积通过喉部31流体连接到进气歧管23。用于临时储存由压缩机经由空气入口32提供的压缩空气的缓冲罐30还包括诸如蝶阀35的阀以控制(节流)经由进气歧管23向气缸的燃烧室供给的压缩空气。
缓冲罐30能够由不锈钢制成并且具有适当的容量以至少保持每两冲程循环所需的空气量的两倍的压缩空气用于填充全部的气缸。例如，对于2升发动机缓冲罐30可以具有如下容量：该容量用于以直到10巴或更大的压力保持大约4升压缩空气。
附图标记说明

Claims (27)

1.一种火花往复式内燃两冲程蒸汽机，其包括：发动机壳体；曲轴(16)，其能够绕着曲轴轴线转动；气缸(2)，其配置在所述发动机壳体的内部；活塞(1)，其配置在所述气缸的内部以能够在远离所述曲轴的上止点位置与接近所述曲轴的下止点位置之间沿着往复轴线往复运动，并且所述活塞可操作地连接到所述曲轴以使所述往复式活塞对所述曲轴赋予转动运动；燃烧室(17)，其限定在所述气缸内且在所述发动机壳体与所述活塞的和所述曲轴相反的头部之间；进气阀(3A)；排气阀(3B)；燃料喷射器(4)，用于将燃料直接喷射到所述燃烧室中；喷水器(6)，其在位于所述活塞的上止点位置下方的位置处将水直接喷射到所述燃烧室中；以及火花塞(5)，其中所述进气阀与压缩气态氧化剂供应器(9)流体连接，所述压缩气态氧化剂供应器(9)被构造为通过所述进气阀向所述燃烧室供给压缩气态氧化剂。
2.根据权利要求1所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，供应的所述压缩气态氧化剂是压缩氧气或压缩空气，优选地，供应的所述压缩气态氧化剂是在优选地至少3巴至6巴的压力比下的压缩空气。
3.根据权利要求1或2所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述压缩气态氧化剂供应器包括压缩机并且优选地包括临时储存器和/或换热器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述内燃两冲程蒸汽机还包括致动器，所述致动器被构造用于在所述活塞的头部在上止点之前的90°至20°、优选地在大约35°至25°、更优选地在30°的往复位置处时打开所述进气阀(3A)以供给压缩氧化剂，并且所述致动器被构造用于在上止点之前的10°至2°、优选地大约5°关闭所述进气阀。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述内燃两冲程蒸汽机还包括致动器，所述致动器被构造用于在所述活塞的头部在距下止点的-21°至+15°之间、优选地从-10°至+5°、更优选地0°的往复位置处时打开所述排气阀(3B)以排出废气，并且所述致动器被构造用于在上止点位置之前的大约25°至5°、优选地20°至10°、更优选地大约15°关闭所述排气阀。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述燃料喷射器被构造用于在距上止点-5°至+5°之间、优选地在0°喷射燃料，其中所述火花塞被构造用于在所述燃料喷射器关闭之后立即产生火花。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，喷水器被构造用于在上止点之后的5°至40°、优选地在7.5°至30°将水喷射到所述燃烧室中。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述进气阀(3A)和/或所述排气阀(3B)是提升阀、滑阀或转动盘阀。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述燃料在正常状态下是液态或气态，优选地所述燃料在正常状态下是气态并且特别地在氢气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或天然气之中选择。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述内燃两冲程蒸汽机还包括控制单元，所述控制单元被构造为控制在如下对象中选择的一者或多者：进气阀的打开和关闭、排气阀的打开和关闭、燃料喷射的时刻和量、喷水的时刻和量以及氧化剂压力。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述内燃两冲程蒸汽机还包括作为水供应器对所述喷水器(6)进行供给的水罐(7)和位于所述排气阀的下游以使来自废气的蒸汽冷凝为水并且将所述冷凝的水引导到所述水罐的冷凝单元(18)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述活塞的面向所述燃烧室的头部具有向内弯曲的表面。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述内燃两冲程蒸汽机包括多个喷水器(6)，所述多个喷水器(6)在所述上止点位置下方的位置处沿着所述燃烧室的周缘分布，位于所述上止点位置下方的所述位置优选地处于如下位置：该位置在所述曲轴相对于所述上止点位置转动0°至35°的角度、优选地转动5°至25°的角度时与所述活塞的头部的顶部对应。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述内燃两冲程蒸汽机包括多个喷水器，所述多个喷水器位于相对于所述往复轴线的不同的位置，所述多个喷水器中的各所述喷水器均能够被单独控制。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述喷水器被配置为以相对于所述往复轴线在朝向所述上止点的方向上为90°或更大的角度喷水，优选地所述角度在92.5°至150°之间，更优选地所述角度在95°至130°之间。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，所述发动机壳体包括气缸盖和气缸体，所述气缸盖被构造为覆盖所述活塞头部的从所述上止点曲轴转动大约25°的距离。
17.根据权利要求16所述的内燃两冲程蒸汽机，其特征在于，一个喷水器或多个喷水器配置在所述气缸盖与所述气缸体之间。
18.一种根据权利要求1至17中任一项所述的火花往复式两冲程内燃蒸汽机的作业方法，所述方法在所述曲轴(16)的转动和所述活塞(1)的对应往复运动的各循环中包括如下步骤：
(a)当所述活塞的头部处于上止点之前的90°至20°、优选地大约35°至25°、更优选地30°的往复位置处时，打开所述进气阀(3A)以供给压缩氧化剂，并且在上止点之前的10°至2°之间、优选地大约5°关闭所述进气阀。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法在所述曲轴(16)的转动和所述活塞(1)的对应往复运动的各循环中还包括如下步骤：
(b)当所述活塞的头部在距下止点-21°至+15°之间、优选地-10°至+5°之间、更优选地为0°的往复位置处时打开所述排气阀(3B)以排出废气，并且在上止点位置之前的25°至5°之间、优选地从20°至10°、更优选地大约15°关闭所述排气阀。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述方法在所述曲轴(16)的转动和所述活塞(1)的对应往复运动的各循环中还包括如下步骤：
(c)在距上止点-5°至+5°之间、优选地0°喷射燃料，并且在关闭所述燃料喷射器之后立即使所述火花塞产生火花。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法在所述曲轴(16)的转动和所述活塞(1)的对应往复运动的各循环中还包括如下步骤：
(d)在上止点之后的5°至40°、优选地7.5°至30°将水喷射到所述燃烧室中。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，喷射到所述燃烧室中的水的质量表示在步骤(c)之后所述燃烧室的内部的燃烧气体的质量的0.8至1.5倍、优选地为0.9至1.2倍。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其特征在于，由控制单元控制在步骤(a)中供给的所述压缩氧化剂的压力。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的方法，其特征在于，通过控制单元以在上止点之前的90°至20°的范围内的值、优选地35°至25°的范围内的值、更优选地30°调节在步骤(a)中所述进气阀(3A)的打开；和/或通过控制单元以在上止点之前的10°至2°的范围内的值、优选地5°调节在步骤(a)中所述进气阀(3A)的关闭；优选地，在各循环中进行上述调节。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的方法，其特征在于，通过控制单元以在距下止点的-21°至+15°的范围内的值、优选地-10°至+5°的范围内的值、更优选地0°调节在步骤(b)中所述排气阀(3B)的打开；和/或通过控制单元以在上止点之前的25°至5°的范围内的值、优选地20°至10°的范围内的值、更优选地15°调节在步骤(b)中所述排气阀(3B)的关闭；优选地，在各循环中进行上述调节。
26.根据权利要求18至25中任一项所述的方法，其特征在于，通过控制单元以在距上止点的-5°至+5°的范围内的值、优选地0°调节在步骤(c)中燃料的喷射，优选地，在各循环中进行上述调节。
27.根据权利要求18至26中任一项所述的方法，其特征在于，通过控制单元以在上止点之后的5°至40°的范围内的值、优选地7.5°至30°的范围内的值调节在步骤(d)中水的喷射，优选地，在各循环中进行上述调节。
CN201780061871.6A 2016-10-07 2017-10-06 内燃蒸汽机 Pending CN109844293A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LU93252 2016-10-07
LU93252 2016-10-07
LU100022A LU100022B1 (en) 2017-01-17 2017-01-17 Internal combustion steam engine
LU100022 2017-01-17
PCT/EP2017/075523 WO2018065594A1 (en) 2016-10-07 2017-10-06 Internal combustion steam engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109844293A true CN109844293A (zh) 2019-06-04

Family

ID=60138358

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780061871.6A Pending CN109844293A (zh) 2016-10-07 2017-10-06 内燃蒸汽机

Country Status (11)

Country Link
US (1) US10858990B2 (zh)
EP (1) EP3523532B1 (zh)
JP (1) JP7030822B2 (zh)
KR (1) KR20190057139A (zh)
CN (1) CN109844293A (zh)
BR (1) BR112019006920A2 (zh)
DK (1) DK3523532T3 (zh)
ES (1) ES2850626T3 (zh)
PL (1) PL3523532T3 (zh)
PT (1) PT3523532T (zh)
WO (1) WO2018065594A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113565626A (zh) * 2020-04-28 2021-10-29 联合汽车电子有限公司 发动机系统以及发动机燃料喷射方法

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU188228U1 (ru) * 2018-07-25 2019-04-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волжский государственный университет водного транспорта" (ФГБОУ ВО "ВГУВТ") Дизель
RU202709U1 (ru) * 2020-10-12 2021-03-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волжский государственный университет водного транспорта" (ФГБОУ ВО "ВГУВТ") Дизель
EP4001628A1 (en) * 2020-11-17 2022-05-25 Volvo Truck Corporation A method for controlling injection in a combustion engine
EP4001611B1 (en) 2020-11-17 2023-06-07 Volvo Truck Corporation A piston arrangement for a clean combustion engine
EP4116566B1 (en) 2021-07-06 2024-04-10 Volvo Truck Corporation A method for controlling hydrogen combustion in a hydrogen internal combustion engine
RU209748U1 (ru) * 2021-11-02 2022-03-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волжский государственный университет водного транспорта" (ФГБОУ ВО "ВГУВТ") Дизель
LU501822B1 (en) * 2022-04-08 2023-10-09 Dma Tech S A R L Hydrogen-fueled four-stroke internal combustion engine
WO2023152295A1 (en) * 2022-02-10 2023-08-17 Dma Tech S.À R.L. Hydrogen-fueled four-stroke internal combustion engine
WO2023228569A1 (ja) * 2022-05-24 2023-11-30 ヤマハ発動機株式会社 水素２ストロークエンジン
CN116006317A (zh) * 2023-01-05 2023-04-25 王立臣 一种燃料与纯氧燃烧内燃发动机及其使用方法

Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3696795A (en) * 1971-01-11 1972-10-10 Combustion Power Air pollution-free internal combustion engine and method for operating same
US4120268A (en) * 1976-07-02 1978-10-17 Societe D'etudes De Machines Thermiques-S.E.M.T. Device for injecting water into the cylinders of an internal combustion engine, particularly for reducing the degree of pollution of the latter
CN1048431A (zh) * 1990-07-23 1991-01-09 王建雪 内燃机高压水雾喷射系统
CN1080207A (zh) * 1991-11-12 1994-01-05 Hdc股份公司 配制一种水—燃油乳剂的方法和设备
CN1091496A (zh) * 1993-02-13 1994-08-31 韩培洲 蒸汽回注型转轮活塞式内燃机
EP0717183A1 (en) * 1994-12-12 1996-06-19 Caterpillar Inc. High efficiency thermally regenerated internal combustion engine
JPH08296441A (ja) * 1995-02-28 1996-11-12 Hiroyasu Tanigawa 縮形燃焼室内燃機関
US5727520A (en) * 1996-04-01 1998-03-17 Avl List Gmbh Four-stroke internal combustion engine with spark ignition
CN1191276A (zh) * 1996-12-11 1998-08-26 亚瑞亚·勃朗勃威力有限公司 涡轮增压器的轴流式涡轮机
EP0879945A2 (de) * 1997-05-23 1998-11-25 Werner Posselt Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
CN1229878A (zh) * 1999-04-08 1999-09-29 卢杲 一种以水为燃料的内燃机气缸及一种将水制成燃料的方法
JP2001082259A (ja) * 1999-09-09 2001-03-27 Daihatsu Motor Co Ltd ２サイクルエンジンの排気ガス再循環制御方法
CN1461377A (zh) * 2001-04-06 2003-12-10 三菱重工业株式会社 用喷射临界状态的水来运行内燃机的方法
GB2394511A (en) * 2002-10-11 2004-04-28 Bernard Owen Internal combustion engine with direct water injection into cylinder
CN101769196A (zh) * 2008-12-30 2010-07-07 上海安骏能环保科技有限公司 一种蒸汽内燃机
CN201925021U (zh) * 2010-11-04 2011-08-10 金来兴 多介质汽化混合燃烧做功的往复活塞式发动机
US20130054119A1 (en) * 2011-08-22 2013-02-28 Denso Corporation Control system for combustion system
CN102996223A (zh) * 2012-11-01 2013-03-27 大连理工大学 柴油机预混合燃烧系统
WO2014132125A2 (en) * 2013-02-27 2014-09-04 Wsc Three S.A. Method for superheated glycerin combustion
CN104937253A (zh) * 2012-11-20 2015-09-23 秘方能源私人有限公司 用于内燃机的内部冷却废气再循环系统及其方法
CN105909399A (zh) * 2015-02-20 2016-08-31 温特图尔汽柴油公司 双燃料船用内燃发动机以及对应的方法和改装工具包

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4805571A (en) * 1985-05-15 1989-02-21 Humphrey Cycle Engine Partners, L.P. Internal combustion engine
DE69936081T2 (de) 1998-02-23 2008-01-17 Cummins, Inc., Columbus Regelung einer verbrennungskraftmaschine mit kompressionszündung und kraftstoff-luftvormischung
JP2009062975A (ja) * 2007-08-13 2009-03-26 Nissan Motor Co Ltd 水噴射式エンジン
US20100229806A1 (en) 2007-11-08 2010-09-16 Kemeny Zoltan A Internal combustion engines with surcharging and supraignition systems
JP5549641B2 (ja) * 2011-05-23 2014-07-16 株式会社デンソー 内燃機関の燃焼システム
CA2898105C (en) * 2013-01-17 2020-08-25 Nirmal Mulye Internally cooled internal combustion engine and method thereof
CN205445830U (zh) 2016-01-20 2016-08-10 李宜平 发动机喷水降温机构
US20180073468A1 (en) * 2016-09-13 2018-03-15 John Parley Wilson Pneumatic hybrid i.c. engine having water injection

Patent Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3696795A (en) * 1971-01-11 1972-10-10 Combustion Power Air pollution-free internal combustion engine and method for operating same
US4120268A (en) * 1976-07-02 1978-10-17 Societe D'etudes De Machines Thermiques-S.E.M.T. Device for injecting water into the cylinders of an internal combustion engine, particularly for reducing the degree of pollution of the latter
CN1048431A (zh) * 1990-07-23 1991-01-09 王建雪 内燃机高压水雾喷射系统
CN1080207A (zh) * 1991-11-12 1994-01-05 Hdc股份公司 配制一种水—燃油乳剂的方法和设备
CN1091496A (zh) * 1993-02-13 1994-08-31 韩培洲 蒸汽回注型转轮活塞式内燃机
EP0717183A1 (en) * 1994-12-12 1996-06-19 Caterpillar Inc. High efficiency thermally regenerated internal combustion engine
JPH08296441A (ja) * 1995-02-28 1996-11-12 Hiroyasu Tanigawa 縮形燃焼室内燃機関
US5727520A (en) * 1996-04-01 1998-03-17 Avl List Gmbh Four-stroke internal combustion engine with spark ignition
CN1191276A (zh) * 1996-12-11 1998-08-26 亚瑞亚·勃朗勃威力有限公司 涡轮增压器的轴流式涡轮机
EP0879945A2 (de) * 1997-05-23 1998-11-25 Werner Posselt Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
CN1229878A (zh) * 1999-04-08 1999-09-29 卢杲 一种以水为燃料的内燃机气缸及一种将水制成燃料的方法
JP2001082259A (ja) * 1999-09-09 2001-03-27 Daihatsu Motor Co Ltd ２サイクルエンジンの排気ガス再循環制御方法
CN1461377A (zh) * 2001-04-06 2003-12-10 三菱重工业株式会社 用喷射临界状态的水来运行内燃机的方法
GB2394511A (en) * 2002-10-11 2004-04-28 Bernard Owen Internal combustion engine with direct water injection into cylinder
CN101769196A (zh) * 2008-12-30 2010-07-07 上海安骏能环保科技有限公司 一种蒸汽内燃机
CN201925021U (zh) * 2010-11-04 2011-08-10 金来兴 多介质汽化混合燃烧做功的往复活塞式发动机
US20130054119A1 (en) * 2011-08-22 2013-02-28 Denso Corporation Control system for combustion system
CN102996223A (zh) * 2012-11-01 2013-03-27 大连理工大学 柴油机预混合燃烧系统
CN104937253A (zh) * 2012-11-20 2015-09-23 秘方能源私人有限公司 用于内燃机的内部冷却废气再循环系统及其方法
WO2014132125A2 (en) * 2013-02-27 2014-09-04 Wsc Three S.A. Method for superheated glycerin combustion
CN105909399A (zh) * 2015-02-20 2016-08-31 温特图尔汽柴油公司 双燃料船用内燃发动机以及对应的方法和改装工具包

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周龙宝: "《内燃机学》", 30 April 2011, 机械工业出版社 *
陈家瑞: "《汽车构造（上册第3版）》", 28 February 2009, 机械工业出版社 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113565626A (zh) * 2020-04-28 2021-10-29 联合汽车电子有限公司 发动机系统以及发动机燃料喷射方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019534979A (ja) 2019-12-05
ES2850626T3 (es) 2021-08-31
US20200056535A1 (en) 2020-02-20
WO2018065594A1 (en) 2018-04-12
JP7030822B2 (ja) 2022-03-07
PT3523532T (pt) 2021-02-15
BR112019006920A2 (pt) 2019-07-02
KR20190057139A (ko) 2019-05-27
EP3523532A1 (en) 2019-08-14
PL3523532T3 (pl) 2021-05-17
DK3523532T3 (da) 2021-02-01
US10858990B2 (en) 2020-12-08
EP3523532B1 (en) 2020-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109844293A (zh) 内燃蒸汽机
US7856822B2 (en) Heat regenerative engine
US5718194A (en) In-cylinder water injection engine
MX2011000092A (es) Aparato y metodo para operar un motor con inyeccion de fluido no combustible.
US5261238A (en) Internal combustion steam engine
KR20140035876A (ko) 완전 팽창 내연 기관
JP2023018060A (ja) アンモニアで動作する圧縮着火内燃機関及び改造キット
KR0165563B1 (ko) 피스톤 기관형 연소기관
US7784280B2 (en) Engine reversing and timing control mechanism in a heat regenerative engine
US20070261681A1 (en) Engine shrouding with air to air heat exchanger
US2376479A (en) Internal-combustion engine and combustion mixture therefor
LU100022B1 (en) Internal combustion steam engine
US6182614B1 (en) Carbon black tailgas fueled reciprocating engines
US20070245734A1 (en) Internal steam engine
KR20150051180A (ko) 내부 연소 엔진의 작동 방법 및, 내부 연소 엔진
CN112177806B (zh) 气体燃料供应系统和用于操作气体燃料供应系统的方法
JP7307293B1 (ja) 大型ターボ過給式２ストロークユニフロークロスヘッド圧縮着火内燃機関及びその動作方法
JP2023010579A (ja) ２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド式内燃機関及びこれを動作させる方法
KR20240068042A (ko) 이산화탄소 포집을 위해 구성된 대형 2행정 유니플로 소기식 내연 엔진 및 방법
DK202270068A1 (en) Method and large two-stroke uniflow scavenged internal combustion engine for carbon dioxide capture
DAY Early Non-Electric Ignition Systems for IC Engines

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190604