CN110454297A - 一种内燃机蒸汽机混合发动机系统 - Google Patents

一种内燃机蒸汽机混合发动机系统 Download PDF

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CN110454297A CN201910818174.1A CN201910818174A CN110454297A CN 110454297 A CN110454297 A CN 110454297A CN 201910818174 A CN201910818174 A CN 201910818174A CN 110454297 A CN110454297 A CN 110454297A
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Abstract

本发明公开了一种内燃机蒸汽机混合发动机系统，包括：发动机壳体，内设有密封的容水腔和曲轴，所述容水腔内注入有水且上部预留有蒸汽腔；至少一燃油活塞缸，位于所述发动机壳体内，且与曲轴驱动连接；至少一蒸汽活塞缸，位于所述发动机壳体内，与所述曲轴驱动连接，所述蒸汽活塞缸的进气口连通所述蒸汽腔；冷凝机构，设在所述发动机壳体外且与蒸汽活塞缸的排气口相连接；控制器，用于根据预设的水温阈值控制所述燃油活塞缸和蒸汽活塞缸驱动曲轴向外做功。本发明增加了燃油利用效率、减少了能源消耗，同时在汽车刹车时把刹车的能量储存起来为车辆再次启动提供更多的能量储备。

Description

一种内燃机蒸汽机混合发动机系统
技术领域
本发明涉及发动机系统领域，尤其涉及一种集燃油发动机与蒸汽发动机于一体的混合发动机系统。
背景技术
当前大多数燃油发动机均配置水箱，水箱的作用是用来冷却发动机多余热量，确保发动机于最佳工作温度下工作。倘若水箱的自然冷却不足以将发动机的温度降至合适的范围，还必须开启冷却风扇。此时，除热能散失是一种能源的浪费之外，强制冷却风扇也额外增加了能耗。而所有的能耗，终将要折算为发动机燃油的消耗，不利于节能环保。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的旨在提供一种内燃机蒸汽机混合发动机系统，该系统取消了强制冷却风扇，利用发动机多余热量产生有压力的蒸汽，利用蒸汽推动活塞做有效功，既能实现对发动机多余热量的有效利用，还可以减少发动机燃油的消耗。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现：
一种内燃机蒸汽机混合发动机系统，包括：
发动机壳体，内设有密封的容水腔和曲轴，所述容水腔内注入有水且上部预留有一定容积的蒸汽腔；
至少一燃油活塞缸，位于所述发动机壳体内，且与所述曲轴驱动连接；
至少一蒸汽活塞缸，位于所述发动机壳体内，与所述曲轴驱动连接，所述蒸汽活塞缸的进气口连通所述蒸汽腔；
冷凝机构，设在所述发动机壳体外且与所述蒸汽活塞缸的排气口相连接；
控制器，分别与所述燃油活塞缸和蒸汽活塞缸的进出气控制阀电路连接，用于根据预设的水温阈值控制所述燃油活塞缸和蒸汽活塞缸驱动所述曲轴向外做功。
进一步地，所述的燃油活塞缸包括；
第一气缸，位于所述发动机壳体内且被所述容水腔包裹；
第一活塞，设在所述第一气缸内且通过连杆与所述曲轴驱动连接；
第一进气管，一端连通所述第一气缸，另一端延伸至所述发动机壳体外；
第一排气管，一端连通所述第一气缸，另一端延伸至所述发动机壳体外，中间泡浸在容水腔内；
第一阀体，设置在所述第一排气管伸入所述第一气缸的一端；
第二阀体，设置在所述第一进气管伸入所述第一气缸的一端；
所述第一阀体和第二阀体为电控阀或气控阀或机械阀，所述第一阀体和第二阀体的开闭由所述控制器控制。由于阀体起到关闭或者打开气路作用，因此实际使用中不论是阀体采用什么控制方式或者其他形状结构均为此列。
进一步地，所述的蒸汽活塞缸包括：
第二气缸，位于所述发动机壳体内且被所述容水腔包裹；
第二活塞，设在所述第二气缸内且通过连杆与所述曲轴驱动连接；
蒸汽管，设置于所述容水腔内且一端连通所述第二气缸；
第二排气管，一端连通所述第二气缸，另一端延伸至所述发动机壳体外与所述冷凝机构相连通；
第三阀体，设置在所述蒸汽管伸入所述第二气缸的一端；
第四阀体，设置在所述第二排气管伸入所述第二气缸的一端；
所述第三阀体和第四阀体为电控阀或气控阀或机械阀，所述第三阀体和第四阀体的开闭由所述控制器控制。由于阀体起到关闭或者打开气路作用，因此实际使用中不论是阀体采用什么控制方式或者其他形状结构均为此列。
进一步地，所述的发动机壳体顶端还设置有连通所述蒸汽腔的保险阀，当蒸汽压力超过一定限度时，打开保险阀以保证发动机的安全。
进一步地，所述的冷凝机构包括：
储水箱；
冷凝器，设置在所述储水箱内，与所述蒸汽活塞缸的排气口相连接，用于对所述蒸汽活塞缸排出的蒸汽进行冷凝。
进一步地，还包括水泵，所述的水泵输入端通过管路连接所述冷凝器，输出端通过管路和止回阀连接所述容水腔；所述发动机壳体内还设置有用于检测所述容水腔内水位和水温的水位及水温传感器，所述控制器根据水位及水温传感器检测的水位信号控制所述水泵向所述容水腔内泵水。
进一步地，还包括连接于所述曲轴的一端及所述水泵之间的离合式传动机构，用于根据所述控制器的控制信号连接或断开所述曲轴和水泵之间的动力传输。
进一步地，所述的离合式传动机构包括有机械传动部件、与所述控制器电连接的电控离合器，所述电控离合器用于根据所述控制器的控制信号连接或断开所述曲轴和水泵之间的动力传输。
进一步地，所述冷凝器内还设置有浮阀，用于冷凝器内水位过低时由所述储水箱向冷凝器内注水。
进一步地，所述的冷凝器还设置有通气管，所述通气管经储水箱上端设置的通气口连通大气。
相比现有技术，本发明包括如下有益效果：
1、通过燃油活塞缸与蒸汽活塞缸的组合工作，使得现有燃油发动机的有害的多余热量被蒸汽活塞缸利用起来推动曲轴做有用功，增加燃油的利用效率。
2、相比现有燃油发动机，取消了强制冷却风扇，减少了不必要的能源消耗。
3、新增的蒸汽活塞缸在汽车刹车时，转变为空气压缩机，将机械能转换为压缩空气的能储存起来，既达到刹车的效果，又为汽车后继的起动提供更多的动力源。
附图说明
图1为本发明实施例的内燃机蒸汽机混合发动机系统结构图。
图中：1-曲轴；2-曲轴输出端；3-第一活塞；4-燃油活塞缸；5-第一阀体；6-第二阀体；7-第一进气管；8-第一排气管；9-水位及水温传感器；10-容水腔；11-保险阀；12-第三阀体；13-蒸汽管；14-第二活塞；15-第四阀体；16-发动机壳体；17-通气口；18-储水箱；19-通气管；20-第二排气管；21-冷凝器；22-浮阀；23-水泵；24-传动机构；25-止回阀；26-蒸汽活塞缸。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种内燃机蒸汽机混合发动机系统，包括：
发动机壳体16，内设有密封的容水腔10和曲轴1，所述容水腔10内注入有水且上部预留有一定容积的蒸汽腔；
一燃油活塞缸4，位于所述发动机壳体16内，且与所述曲轴1驱动连接；
一蒸汽活塞缸26，位于所述发动机壳体16内，与所述曲轴1驱动连接，所述蒸汽活塞缸26的进气口连通所述蒸汽腔；
冷凝机构，设在所述发动机壳体16外且与所述蒸汽活塞缸26的排气口相连接；
控制器，用于根据预设的水温阈值控制所述燃油活塞缸4和蒸汽活塞缸26驱动所述曲轴1向外做功。
具体地，所述的燃油活塞缸4包括；
第一气缸，位于所述发动机壳体16内且被所述容水腔10包裹；
第一活塞3，设在所述第一气缸内且通过连杆与所述曲轴1驱动连接；
第一进气管7，一端连通所述第一气缸，另一端延伸至所述发动机壳体16外；
第一排气管8，一端连通所述第一气缸，另一端延伸至所述发动机壳体16外，中间泡浸在容水腔10内；
第一阀体5，设置在所述第一排气管8伸入所述第一气缸的一端；
第二阀体6，设置在所述第一进气管7伸入所述第一气缸的一端；
所述第一阀体5和第二阀体6为电控阀或气控阀或机械阀，，本实施例选用电磁阀且与所述控制器电路连接，由所述控制器控制所述第一阀体5和第二阀体6动作，起到关闭或者打开气路作用。具体地，所述的蒸汽活塞缸26包括：
第二气缸，位于所述发动机壳体16内且被所述容水腔10包裹；
第二活塞14，设在所述第二气缸内且通过连杆与所述曲轴1驱动连接；
蒸汽管13，设置于所述容水腔10内且一端连通所述第二气缸；
第二排气管20，一端连通所述第二气缸，另一端延伸至所述发动机壳体16外与所述冷凝机构相连通；
第三阀体12，设置在所述蒸汽管13伸入所述第二气缸的一端；
第四阀体15，设置在所述第二排气管20伸入所述第二气缸的一端；
所述第三阀体12和第四阀体15为电控阀或气控阀或机械阀，本实施例选用电磁阀且与所述控制器电路连接，由所述控制器控制所述第三阀体12和第四阀体15动作，起到关闭或者打开气路作用。
另外，所述的发动机壳体16顶端还设置有连通所述蒸汽腔的保险阀11，保险阀的作用是当蒸汽压力超过一定限度时，打开保险阀以保证发动机的安全。
具体地，所述的冷凝机构包括：
储水箱18；
冷凝器21，设置在所述储水箱18内，与所述蒸汽活塞缸26的排气口相连接，用于对所述蒸汽活塞缸26排出的蒸汽进行冷凝。
为了在运行过程中防止所述容水腔10内水位过低，所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统还包括水泵23，所述的水泵23输入端通过管路连接所述冷凝器21，输出端通过管路和止回阀25连接所述容水腔10；所述发动机壳体16内还设置有用于检测所述容水腔10内水位和水温的水位及水温传感器9，所述控制器根据水位及水温传感器9检测的水位信号控制所述水泵23向所述容水腔10内泵水。
为了充分利用曲轴1的动力，所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统还包括连接于所述曲轴1的一端及所述水泵23之间的离合式传动机构，用于根据所述控制器的控制信号连接或断开所述曲轴1和水泵23之间的动力传输。
在一个可行的具体实施例中，所述的离合式传动机构包括有机械传动部件、与所述控制器电连接的电控离合器，所述电控离合器用于根据所述控制器的控制信号连接或断开所述曲轴1和水泵23之间的动力传输。考虑到发动机在运行过程中所述曲轴1一直处于转动状态，而水泵23只有在检测到水位过低时才会启动，因此，此处采用了电控离合器来控制曲轴和水泵之间动力的连接与断开。
另外，所述冷凝器21内还设置有浮阀22，用于冷凝器21内水位过低时由所述储水箱18向冷凝器21内注水。
同时，所述的冷凝器还设置有通气管19，所述通气管1经储水箱18上端设置的通气口17连通大气。
上述实施例中，两种不同的活塞缸均浸泡在发动机内的水中。所述储水箱18内浸泡着冷凝器21。当发动机处于冷机启动时，全部动力来源于左边的燃油活塞缸4。当燃油活塞缸4在吸气冲程时，第二阀体6打开，燃油混合气从第一进气管7进入第一气缸。压缩后点火做功冲程时，第一活塞3推动连杆，连杆推动所述曲轴1，将化学能转化为机械能从曲轴输出端2输出。当容水腔10内部水温低于100°C时，所有的动力均由燃油活塞缸4提供。
如上所述，在燃油活塞缸4持续工作时，燃烧的热能让发动机不断升温。当发动机的水温超过100°C时，容水腔10内部的水就会沸腾，而产生水蒸气。而被困在容水腔10内的水蒸气没有地方跑时就产生了压力。此时发动机则进入混合工作周期。
在混合工作周期，第三阀体12在第二活塞14处于高位时打开，高压的水蒸气从蒸汽管13进入右边的蒸汽活塞缸26的第二气缸，推动第二活塞14，第二活塞14推动连杆，连杆推动曲轴1向往输出机械能，这就是蒸汽活塞缸26的工作冲程。当第二活塞14处于下位时，关闭第三阀体12，打开第四阀体15。这样蒸汽活塞缸26进入排气冲程。排气冲程时，蒸汽从第二排气管20排出，进入冷凝器21。冷凝器21中的水蒸气被冷却后变成液态水，汇流到冷凝器21的底部。
如图1所示，由于发动机壳体16上设置了水位及水温传感器9，当水位低于所述水位及水温传感器9时，所述水位及水温传感器9触发控制器启动水泵23，优先将温度较高的刚刚从水蒸气液化而来的液态水经止回阀25泵回发动机内部的容水腔10，一方面防止发动机干烧，另一方面防止水位过高而挤占蒸汽或空气容积，而减少能量的储存量。
另外，优先将水蒸气液化为水后再此注入发动机循环使用的优点还在于：一是水蒸气液化后的水为软水，可以减少发动机的水垢产生，延长发动机使用及维修周期；二是刚刚液化的水温度比较高，注入发动机后对发动机的降温最少，提升高压水蒸气的产生率。当然储水箱18里的水也应该使用软水或者蒸馏水。
当冷凝水被水泵23抽走过多时，所述浮阀22下降将水阀打开，所述储水箱18的水经浮阀22进入冷凝器21补充冷凝水的不足。
在混合工作期间，如果发动机温度偏高，控制器就停止燃油喷射。停止燃油活塞缸4的工作冲程，进入纯蒸汽工作过程。此时发动机壳体16内的蒸汽腔持续释放压力推动蒸汽活塞缸26工作。更多的水蒸气被排出，更多的水转换为水蒸气，发动机温度就会降低，维持了发动机工作温度的稳定。反之，如果发动机温度偏低时，则一直关闭第三阀体12，打开第四阀体15，让蒸汽活塞缸26停止工作冲程处于空转状态。此时发动机处于纯燃油工作状态，持续的燃烧可以提升发动机的温度。这样的设计既可以利用热能推动活塞工作，又可以维持发动机工作温度的恒定。避免了传统燃油发动机将热能白白浪费的问题，既节能又增加动力。
另外，冷凝器设置了通气管19，所述通气管19经过储水箱18的通气口17连通了外面的大气。上述设置的目的是在蒸汽过多没有办法及时液化时，保证水蒸气能够顺利排出到储水箱18外，使得蒸汽缸的排气冲程阻力最小。另外在车辆刹车时，可在第二活塞14下降时，关闭第三阀体12打开第四阀体15吸入大气，在第二活塞14上升时关闭四阀体15打开第三阀体12，将大气压缩进发动机内。这时的蒸汽活塞缸26变成了一个空气压缩机，汽车的动能转换为发动机内部的气压增加，储存了能量为汽车起步提供更充足的动力。
综上所述，相比于现有技术，上述系统采用了同一发动机内包含燃油活塞缸4和蒸汽活塞缸26两种不同的缸体，共同驱动同一曲轴1。在发动机冷机开始阶段，由于发动机温度低于100°C，因此没有蒸汽压力，必须由燃油缸驱动曲轴1。此时发动机工作在纯燃油发动机的状态。随着发动机燃油工作阶段增加，燃烧热量的积累，发动机升温到超过100°C。此时包裹在燃油活塞缸外面的水就被加热成水蒸气，水从液体变为气态时，体积大大增加，因此在蒸汽室形成压力。带压力的水蒸气通过蒸汽管路及阀门的协调作用下，进入蒸汽活塞缸26并推动活塞做功，进而推动曲轴1往外输出机械能。当不断有水汽化变成水蒸气时，发动机的温度就会降低，有利用于维持发动机工作温度的稳定。当发动机的工作温度偏低时，减少蒸汽活塞缸26的工作周期，增加燃油活塞缸4的工作周期，这样发动机的工作温度便回升。反之，如果发动机温度偏高时，减少燃油活塞缸4的工作周期，增加蒸汽活塞缸26的工作周期即可维持发动机工作点的稳定。实现对发动机多余热量的有效利用、减少发动机燃油的消耗的目的。
需要特别指出的是，虽然上述实施例只提供了一个燃油活塞缸4和一个蒸汽活塞缸26，但基于上述实施例的发明构思，无论燃油活塞缸4的数量是多少、无论蒸汽活塞缸26数量是多少、无论他们之间的数量比例不同、无论几何尺寸的变化或者安装角度的不同、无论气路的路径如何变化，只要是利用了燃油活塞缸4的热量产生蒸汽推动蒸汽活塞缸26做有用功的设计均属于本发明的等同形式，在此不再赘述。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内燃机蒸汽机混合发动机系统，其特征在于，包括：
发动机壳体(16)，内设有密封的容水腔(10)和曲轴(1)，所述容水腔(10)内注入有水且上部预留有一定容积的蒸汽腔；
至少一燃油活塞缸(4)，位于所述发动机壳体(16)内，且与所述曲轴(1)驱动连接；
至少一蒸汽活塞缸(26)，位于所述发动机壳体(16)内，与所述曲轴(1)驱动连接，所述蒸汽活塞缸(26)的进气口连通所述蒸汽腔；
冷凝机构，设在所述发动机壳体(16)外且与所述蒸汽活塞缸(26)的排气口相连接；
控制器，用于根据预设的水温阈值控制所述燃油活塞缸(4)和蒸汽活塞缸(26)驱动所述曲轴(1)向外做功。
2.根据权利要求1所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统，其特征在于，所述的燃油活塞缸(4)包括；
第一气缸，位于所述发动机壳体(16)内且被所述容水腔(10)包裹；
第一活塞(3)，设在所述第一气缸内且通过连杆与所述曲轴(1)驱动连接；
第一进气管(7)，一端连通所述第一气缸，另一端延伸至所述发动机壳体(16)外；
第一排气管(8)，一端连通所述第一气缸，另一端延伸至所述发动机壳体(16)外，中间泡浸在容水腔（10）内；
第一阀体(5)，设置在所述第一排气管(8)伸入所述第一气缸的一端；
第二阀体(6)，设置在所述第一进气管(7)伸入所述第一气缸的一端；
所述第一阀体(5)和第二阀体(6)为电控阀或气控阀或机械阀，所述第一阀体(5)和第二阀体(6)的开闭由所述控制器控制。
3.根据权利要求1所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统，其特征在于，所述的蒸汽活塞缸(26)包括：
第二气缸，位于所述发动机壳体(16)内且被所述容水腔(10)包裹；
第二活塞(14)，设在所述第二气缸内且通过连杆与所述曲轴(1)驱动连接；
蒸汽管(13)，设置于所述容水腔(10)内且一端连通所述第二气缸；
第二排气管(20)，一端连通所述第二气缸，另一端延伸至所述发动机壳体(16)外与所述冷凝机构相连通；
第三阀体(12)，设置在所述蒸汽管(13)伸入所述第二气缸的一端；
第四阀体(15)，设置在所述第二排气管(20)伸入所述第二气缸的一端；
所述第三阀体(12)和第四阀体(15)为电控阀或气控阀或机械阀，所述第三阀体(12)和第四阀体(15)的开闭由所述控制器控制。
4.根据权利要求1所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统，其特征在于，所述的发动机壳体(16)顶端还设置有连通所述蒸汽腔的保险阀(11)。
5.根据权利要求1所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统，其特征在于，所述的冷凝机构包括：
储水箱(18)；
冷凝器(21)，设置在所述储水箱(18)内，与所述蒸汽活塞缸(26)的排气口相连接，用于对所述蒸汽活塞缸(26)排出的蒸汽进行冷凝。
6.根据权利要求5所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统，其特征在于，还包括水泵(23)，所述的水泵(23)输入端通过管路连接所述冷凝器(21)，输出端通过管路和止回阀(25)连接所述容水腔(10)；所述发动机壳体(16)内还设置有用于检测所述容水腔(10)内水位和水温的传感器(9)，所述控制器根据水位及水温传感器(9)检测的水位信号控制所述水泵(23)向所述容水腔(10)内泵水。
7.根据权利要求6所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统，其特征在于，还包括连接于所述曲轴(1)的一端及所述水泵(23)之间的离合式传动机构，用于根据所述控制器的控制信号连接或断开所述曲轴(1)和水泵(23)之间的动力传输。
8.根据权利要求7所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统，其特征在于，所述的离合式传动机构包括有机械传动部件、与所述控制器电连接的电控离合器，所述电控离合器用于根据所述控制器的控制信号连接或断开所述曲轴(1)和水泵(23)之间的动力传输。
9.根据权利要求5所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统，其特征在于，所述冷凝器(21)内还设置有浮阀(22)，用于冷凝器(21)内水位过低时由储水箱(18)向冷凝器(21)内注水。
10.根据权利要求5所述的内燃机蒸汽机混合发动机系统，其特征在于，所述的冷凝器(21)还设置有通气管(19)，所述通气管(19)经储水箱(18)上端设置的通气口(17)连通大气。
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