CN85104160A - 冷却内燃机的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

冷却内燃机的方法，它由以下步骤组成：将在大气压力下饱和温度高于132℃的可沸冷却液，从发动机冷却套(20，26)中机械地泵出，并使其在流经辐射散热器(42)之后，再返回冷却套。除了凝结在冷却套中的气体之外，几乎全部的气体，以基本无限制的对流方式，通过至少一个连于冷却套上部(26)的最高部分的出口(60)，连续地流出。来自出口的气体传向冷凝器(64，110)。凝结物从冷凝器返回冷却套(20，26)。冷却装置由能够执行本方法的一个液体冷却回路和一个蒸汽释放与凝结回路构成。

Description

冷却内燃机的方法及其装置

本发明与冷却内燃机的方法及实现这一方法的装置有关。

液体循环冷却系统：

目前在世界上运行的绝大多数各类变容式内燃机均使用冷却液来冷却，这些冷却滚以水为主，并由泵驱动使其在一封闭的回路中流动，回路中包括有环绕燃烧室的冷却套及热交换器（辐射器）。一些发动机，特别是小功率发动机及一些航空发动机是用空气冷却的。但风冷方法难以适用于大型固定式及地面车辆发动机，因为它不能在变化的环境、负荷条件下保持适当的稳定温度，而这温度却是发动机的长久寿命和良好运转性能所需要的。

事实上，所有的液冷式发动机都用水或含有抗凝剂的水溶液做冷却剂，例如使用乙二醇的水溶液。水做冷却剂有许多优点，例如：水作为自然资源大量地存在于世界上的大部分地区;它不会着火;并有很好的传热性。它的有利之处远胜过它能引起腐蚀和杂质沉集的不利之处。上述不利之处能在任何情况下用添加抗凝剂的方法来克服。大约在过去的二十年中，特别是在近几年中，为了减小排热率，并提高发动机效率，发动机冷却系的工作温度有了一些提高，这是通过增加冷却系的压力及使用高温热动开关来实现的。较高的冷却剂温度能提高效率，其原因是：它不仅能使热循环中有更多的热功率输出和较少的废热排出，而且能保持燃烧室的壁温较高，使熄火现象减少。另一方面，冷却系中的温度和压力较高也引起了一些维护方面的问题，例如管道和接头的渗漏及失效。同时也引起了一些运行方面的问题，诸如：使发动机过热的严重趋势;发动机爆震;不希望的油温过高和氮氧化物（NO_x）的排放增加。

尽管液体循环冷却有公认的效用，但它也有一些公认的不足。它必须提供足够大的冷却剂容积及足以应付系统所可能会遇到的最大热负荷的热交换器，否则发动机就会时时过热，并可能被严重地损坏。这就增加了系统的重量和费用。冷却剂从冷却套的上部开始循环，经热交换器，返回冷却套的下部。这会引起温度沿气缸壁的急剧变化，至使气缸直径由顶到底有所不同，活塞环将不得不膨胀和收缩，引起环与环座的磨损。气缸壁下部的温度经常低于那里水蒸汽的露点温度，水蒸汽凝结后若混入发动机润滑油，会使油污染，并形成酸和沉渣。

在关于高温液体冷却剂的早期实验的技术文献中有一些报告。这些液体，例如乙二醇和苯胺，用于被泵驱动的液流系统。（参见Gibson.A.H.所著“航空发动机的效率”，Tiansactions    of    tha    Royal    Aeionautical    Societn.NO.3，1920）〔皇家航空协会会刊，1920年第3期〕;Fiank，G.W.的“高温液体冷却”，SAE    Journal，VOL.2S.Octolei.1929.PP.329-340〔汽车工程学会学报，第25卷，1929年10月，第329页到340页〕;和Wood.H.“液体冷却航空发动机”，SAE    Journal.VOL.39，July，1936，PP.267-287）。这些报告中论述的一些问题有：缸盖运行温度超高理想值的情况;变形;局部过热点;冷却剂的渗漏。

Young于1948年在“高温冷却系统”一文中（详见后面介绍的刊物第635页）讨论了将汽车发动机的冷却剂温度从当时技术状态下的60°至82°再提高一些的问题。他谨慎地提出：未经压缩的乙二醇能被用作冷却剂，它能在高于水的沸点的温度下工作，但他随后又说到（635页）：散热量会减少，而且在一般的发动机中可能出现过热点。Young最后提出在加压的液体系统中使用含有抗凝剂的水溶液作冷却剂。目前这方面的技术状态与Young的建议是一致的。

Bailey在英国专利No.480，461（1938）中提出了一个用于航空发动机的加压水循环冷却系统，该系统增加了一个用于收集在反常高负荷下生成的蒸汽的冷凝器，以使蒸汽凝结，并贮存凝结物。在发动机未停车并冷却下来之前，一个阀门系统阻止凝结物返回。蒸汽被从冷却套中带出，并混到泵过的液流中，然后用一个“顶箱”将蒸汽与液体分离开。因从冷却套带出的蒸汽量与冷却液流的速率有关，所以如果产生蒸汽的比率较大，而冷却液流率不足，那么在冷却套的主要部位中，特别是在燃烧和排气区域附近的冷却套中，就要充满蒸汽。

在应用标准液体冷却系统的现行技术的汽车汽油机中，将由50%的乙二醇水溶液组成的冷却液加压到大约172KPa（25Psig）的水平上，并装上了在140℃时启动的热控阀，看来这已达到主体冷却温度的上限，在这一温度下，可没有难以接受的爆震、发动机头热应力破坏、及其它由不均匀和过度的发动机温度引起的副作用。的确，在发动机驱动汽车运行几千公里之后，常可发生难以接受的爆震现象，那时在燃烧室顶部的积炭开始形成一些过热点，它们会引起提前点火和燃烧粗暴。

在柴油机中，当燃油被喷入燃烧室时发生点火。这样在柴油机中就不会象在点火式汽油机中那样出现由过热点引起的提前点火。然而，在柴油机中，用传统的液体冷却系统冷却发动机的典型的问题-温度的不均匀分布和超过限度-会引起零件的变形和破坏，并增加了发动机的排放浓度。

蒸汽冷却系统：

在早期的内燃机中，相当普遍地采用了蒸汽冷却（也叫做沸腾冷却或蒸发冷却）。在蒸汽冷却系统中，允许冷却剂在冷却套中沸腾，并以气相（通常与一些水一起）传到冷凝器中去。在冷凝器中凝结了的蒸汽，可借重力或泵的作用返回发动机。大约在1930年，在汽车中停止了蒸汽冷却系统的使用，原因大概是由于热力控制方法在液体系统中得以应用，这项应用使得在变化的条件下给发动机提供合理的稳定温度成为可能，而且，在蒸汽冷却系统中，蒸汽易于过载，并且通过压力释放阀损失掉的冷却剂也非常多。

在过去的50或60年间，在技术和非技术文献中，及专利文献中，提出了多种蒸汽冷却系统。但可能除了在固定式发动机，如钻井动力发动机方面有一些例子之外，还没有哪一系统已取得某种程度的商业成功。然而，因为蒸汽冷却具有一些优点，对它的研究已在进行。它具有的主要优点是：

（1）冷却剂沸腾或凝结时的传热系数比冷却液升温或降温时的传热系数大一数量级。

（2）冷却剂在定温下沸腾（假设也是定压的），因此气缸壁滑动面积上的温度几乎保持相等，活塞环在往复工作时造成的环及环座的磨损减小。

（3）更均匀的温度意味着在气缸壁下部的温度水平能普遍地提高，排热、熄火和摩擦随之减少，燃油经济性得到改善。

（4）蒸汽系统所用的冷却剂的剂量要比液体系统的大为减少，因而重量减轻。

（5）与液体系统相比，低压蒸汽系统能有较轻、较便宜的管道及接口，渗漏及破坏的机会也少。

提出蒸汽冷却系统的实例的一些文献是：缪尔（Muir）美国专利No.1，658，934（1928）;Muir美国专利No.1，630，070（1928）;阿姆斯特朗（Aimstiong）美国专利No.1，432，518（1922）;巴娄（Bailow）美国专利No.3，384，304（1968）;雷佛特（Leffeit）美国专利No.3，731，660（1973）;伊万斯（Evans，本发明的发明人）美国专利No.4，367，699（1983）和扬（Young，F.M.）“高温冷却系统”，SAE.Quaiteily    Tiansactions.VOL.2，No.4，Oct.1948.（汽车工程学会季刊，第二卷，1948年10月，第4号）

除了一个例子之外，本发明人所知的所有处在以前技术水平上的蒸汽冷却系统都采用水或含有大量水的抗凝剂水溶液作为冷却剂。所有具有先前技术的系统都被认为是不合实际的，因为在高温环境中，在发动机大负荷工作或长时间怠速时，在发动机中生成的蒸汽的容积无法用实际尺寸的凝结器来处理，一些蒸汽不可避免地被排出。

更重要的是，在处于使发动机内产生大量蒸汽的环境条件和运行工况下，冷却系统的效率大为降低。此时，在发动机冷却套内存在大量的蒸汽，它们把能用于冷却发动机的液相冷却剂挤出。在高温区域处，特别是在燃烧室顶和排气门附近及燃烧室与排气门之间的通道处，出现蒸汽附面层和沸腾膜。伴随沸腾膜出现的蒸汽附面层使金属传向冷却剂的热量大大减少，过热点形成，随之发生严重的爆震。大量蒸汽由缸体冷却套的流向缸盖冷却套，使在缸盖冷却套内与蒸汽共同存在的液态冷却剂的数量减少，如果不把发动机停下来，可能会因过热引起损坏。在大多数情况下，冷却剂的出流一旦开始，就会持续相当的一段时间，即使发动机已停止了工作，亦是如此。冷却剂的损失将会很大，以至不补充冷却剂，发动机就无法再运行。

冷却剂在冷却套中的沸腾现象不是仅在液体冷却系统中才有的。发动机燃烧室中的火焰温度高达1093.3℃（2000°F），柴油机的典型排气温度为482℃（900°F），而汽油机的则为760℃（1400°F）。即使在能使大部分冷却液的温度保持在冷却液的饱和温度以下的液体循环冷却系统中，在燃烧室顶和排气门附近的冷却套表面温度也高得足以引起冷却剂的局部沸腾。从这样的热区到低温冷却液之间的液体温度发生变化，在任何液体中的热传递都不足以防止这一温度差别。紧靠冷却套热金属壁面的冷却液处于其饱和温度，冷却剂在那里蒸发。

伊万斯（Evans）在美国专利No.4，367，699中提出用“纯乙二醇”柴油机蒸汽冷却系统的冷却剂。就本发明人所知，这是首次公开提出将高饱和温度、低水分的冷却剂用于蒸汽冷却系统。伊万斯（Evans）在1981年12月16日将此内容初次发表于欧洲专利申请书中（E.P.C.Application）No.0041853。但可以确信“不沸冷却剂”（冷却剂的饱和温度较高，以至在发动机中不会沸腾）至少已实验性地应用于具有液体循环冷却系统的柴油机。众所周知：柴油机与汽油机相比，在高温下运行得要好。

与以前的蒸汽冷却技术一致，伊万斯（Evans）专利推荐了在汽油机的传统冷却温度沸腾的水基冷却剂。他还推进了从汽油机的长期发展过程中和目前的普遍实践中得来的认识，这个认识就是：唯有水（掺有防冻、防沉淀、防腐蚀的抗凝剂）是可接受的汽油机冷却剂。

伊万斯（Evans）在专利合作条约申请（PCT    application）No.US83/01775中命名了“内燃机沸液冷却系”，并于1983年11月递交该申请书。在那里揭示一个沸液冷却系统（可认为“沸液”对这些系统是合适的词，在这一领域中也有“蒸汽”“沸腾”“蒸发”的提法）。那一系统使用有机物液体做冷却剂，这些物质的饱和温度要高于132℃（270°F），而且通常要高得多。此临界温度是根据在缸体冷却套中的冷却剂温度通常要低于此值的观察结果而选定的。饱和温度高于此临界温度的冷却剂因此而极难在缸体中沸腾，而且也没有足以产生影响的量冷却剂蒸汽由缸体冷却套流进缸盖冷却套。缸盖冷却套不再是蒸汽从缸体流向冷凝器的通道，结果缸盖冷却套中的冷却剂蒸汽减少，而在缸头冷却套中的液汽比增加。

使用具有高饱和温度的有机物做冷却剂，可以改善条件，减少在冷却套内表面处蒸汽附面层生成的可能性，这对提高冷却套向冷却剂的传热率是有利的。当一个表面的温度超过与之接触的液体的温度，并超过一定的值时，会出现蒸汽附面层。这一超出的温度差值被称做过热极限或极限温度差，有机物液体的极限温度差约为50℃，这大概是水的两倍。此外，饱和温度较高，极限温度差就较难达到。从一个热表面通过蒸汽附面层向液体传热引起的液体沸腾叫做膜态沸腾。在膜沸腾状态下，冷却套表面的温度与冷却剂的饱和温度不很接近。

在选择冷却剂时，蒸汽摩尔热（包含在蒸发的每一个克分子蒸汽中的热）要比蒸发热（包含在每一克蒸发的液体中的热）更为重要。蒸发摩尔热越高，由给定的热量产生的蒸汽克分子数越少。虽然水的蒸发热远比任何有机物液体的大，但许多有机液体的蒸发摩尔热却比水的高。

如果能使用完全不含空气、水及其它易挥发组份和杂质的高饱和温度冷却剂，那么在冷却套中就只有可在高温下完全凝结的气体（蒸汽）。保持冷却套中大部分冷却液的温度低于一蒸汽必须通过的部位的冷却液的饱和温度，那么在冷却套中的所有蒸汽就都会凝结，而不必将它们送到冷却套外面的热交换器中去凝结。不幸的是，这在实际上是不可能的。冷却剂易与水相溶，它们是吸湿的，可直接从与它们相接触的环境空气中吸收水分。

尽管在给定溶液中，水的比率看起来可以是微不足道的，但即使只有很少量的水，也能产生明显的作用。例如：一升高度浓缩的丙稀正二醇含水溶液，其中丙稀正二醇占溶液重量的97%，溶液含水约有30克，大概为1.67个水克分子。这些水在一个大气压下蒸发的体积为37.4升。在水蒸汽中还混有其它物质蒸汽的情况下，只有在蒸汽混合物的温度低于在系统压力下的水的饱和温度时，混入的物质的蒸汽才能完全凝结。即使一般被认为是不与水相溶的液体通常也含少量的水。一升仅包含0.5%的水的液体可能产生6.2升蒸汽，在这些蒸汽的温度等于或高于水的沸点温度时，蒸汽不会凝结。除了冷却剂原来就含有的水之外，冷却剂还可能从环境空气中吸收水分，在维修或碰到意外情况时，也可能有水被无意识地加进冷却系。漏进冷却套的燃烧气体也可能引起冷却系中的水分增加。

使冷却剂温度保持在100℃以上，能有显著的效益。发动机在缸温较高时工作会使得排热减少，效率提高。因燃料燃烧得较充分，一氧化碳（co）和碳氢化物（HC）的排放减少。在柴油机中，缸壁温度较高，还能降低碳烟排放。处于当前技术状况下的液体循环冷却系统，利用提高冷却系压力的方法，部分获得了上述效益。

伊万斯的专利合作条约申请（Evans    PCT    application）中的沸腾冷却方法实质上完全依靠冷凝器（一个或几个）从冷却剂中提取热量。当然，冷凝器必须具有足够的传热能力才能应付通过冷却系传来的全部发动机排热，这些热量是发动机在所遇到的最严重的负荷和环境条件下排出的，这意味着冷凝器应针对最严重的条件来设计。在一般条件下，仅有冷凝器的一小部分在工作，而它的大部分不工作。按照伊万斯PCT申请（Evans    PCT    application）中的系统，能很容易地为小型汽车发动机（比如容积为1600cc的发动机）构造和安装一个冷凝器。但是要满足大型发动机冷却的需要，冷凝器的尺寸就必须增加，所以对大型发动机来说，冷凝器的尺寸就可能大得实际上是无法安装的。伊万斯PCT申请（Evans    PCT    aPPlication）中的系统也有助于使发动机维持一给定的平均温度，这在相当的程度上依赖于冷却剂的饱和温度。为了优化发动机的性能和提高发动机的耐久性，采用目前实用的高饱和温度冷却剂，可以使冷却剂的平均温度保持在低于或甚至大大低于冷却剂饱和温度的水平上。

本发明的第一个目标是：将发动机冷却套的各个部位的温度限制在与冷却剂的饱和温度一致的水平上。第二个目标是：在任何系统压力下，使工作容积或缸筒壁区域处的冷却套中的冷却剂温度，高于水的饱和温度，但低于冷却剂的饱和温度。第三个目标是：使存在于燃烧室顶和排气门附近的冷却套中由局部沸腾产生的蒸汽减至最少，并使那里的冷却套主部中始终充满液态冷却剂。第四个目标是：在减小冷却系热交换器尺寸的同时，使冷却套的温度得到适当的控制。还有一个目标是：使系统中的冷却剂损失降到最少。

依据本发明，采用下列各方法达到上述各目标。所采用的方法有：应用沸液冷却剂;促使冷却套中的冷却剂蒸汽凝结;为在冷却套中没有凝结的气体提供一个无阻塞的通道，使这些气体能以对流方式流向一个冷凝器装置，这个装置能使凝结物返回冷却套;用泵驱使液态冷却剂做通过热交换器的循环流动，以便使热量从冷却液中放出;利用高温差，加大从冷却液传向环境空气的传热量;阻止冷凝器装置与环境空气之间的气体传递;仅将其蒸汽压力基本低于水蒸汽压力的冷却剂暴露于环境空气。

依照本发明，按以下步骤组成一个特有方法：为向热交换器传送热量，将可沸腾的冷却液从冷却套中泵出，并使冷却液在流经热交换器之后返回冷却套。在大气压下，这种冷却液的饱和温度高于132℃。这样做的结果是：在冷却套之外的液体中，没有因泵吸作用引起的压力下降而造成蒸汽的生成;而且，在系统的压力下，在冷却套上部的一些部位内的冷却剂温度低于冷却剂的饱和温度，这些部位位于燃烧室顶和排气门之上。除了凝结在套中冷却剂中的气体之外的几乎全部气体，包括冷却液在燃烧室顶和排气门附近局部沸腾而产生的蒸汽，将以基本上无限制的对流方式，至少经过一个连于冷却套上部的最高部位上的开口，从发动机冷却套中连续地流出。借此，在发动机冷却套上部的主要部分内，始终充满着液态冷却剂。气体从开口处流入一个带有凝结室的冷凝器装置。凝结物从冷凝器装置返回冷却套。

在这方法中所使用的冷却剂是有机物，其中一些易与水相溶，而另一些却基本上不与水相溶。在使用易与水相溶的物质的情况下，本方法允许冷却剂中含少量的水，大约为10%或更多一些，但为了使水分保持最小，本方法的运行参数要增加。合适的、可与水相溶的物质有：乙二醇、丙二醇、四氢糠醛醇、双丙二醇及其它们的混合物。在使用基本不与水相溶的物质的情况下，水也是一种杂质，但除了微量的水（通常少于1%）之外，水不溶进带冷却物质的溶液。溶液中不应有超过1%重量比的水，即超过微量的水存在。合适的、基本不与水相溶的物质有：2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇单丁酸酯，二丁基异丙胺，2-丁基辛醇。

出于下面将要讨论的原因，采用令冷却液从冷却套的缸筒部出发，从冷却套的上部返回的循环是可取的。这一方法还包括以下步骤：使存留在冷凝器最高部位中的全部气体，通过一条输送管路，传到一个回收冷凝器中去。回收冷凝器处在能使它比主冷凝器较冷的位置上。结果传到回收冷凝器中的气体的可凝物质凝结起来，并可被送回主冷凝器。例如，来自回收冷凝器的凝结物，能在重力的作用下，连续地返回主冷凝器;也能在重力或虹吸的作用下，周期性地返回。发生虹吸作用时，回收冷凝器中的压力要超过主冷凝器中的压力与在输送管中正在回流的凝结物的质量压头之和。上述作用在热负荷减小期间和降温时发生。回收冷凝器中的气体可经过一条开口通道或一个低压释放阀流入大气。也可以举另外一个例子，即在主冷凝器与回收冷凝器之间装一个双路低压释放阀。在这种情况下，在方法中要包括以下步骤：只有在主冷凝器中的压力比回收冷凝器中的压力高出一个预先给定的压力值时，气体才能由主冷凝器传向回收冷凝器;同样，也只有在回收冷凝器中的压力比主冷凝器中的压力高出一个预先给定的压力值时，气体才能由回收冷凝器传向主冷凝器。

根据本发明方法的进一步的变型，存留在冷凝器最高部位中的全部气体都可通过一个通风口流向大气。这个通风口远离气体由冷却套进入冷凝器的入口，这个通风口通常被一个压力释放阀所关闭，只有在冷凝器中的压力比环境压力高于一个预先给定的压力值时，它才打开。

本发明进一步提供了一套用于内燃机冷却的装置。该装置的构成有：至少能环绕每一个燃烧室的一部分和排气门的冷却套;并在其中盛有饱和温度在大气压下高于132℃的可沸冷却液;一个包括热交换器和泵装置的冷却液回路，该泵装置使冷却液做向热交换器送热的循环，它使冷却液从冷却套中流出，在流经热交换器之后，再返回冷却套。结果在液体冷却回路中，没有因泵吸作用引起的压力下降而造成蒸汽的生成，而且，在系统压力下，在冷却套上部的一些部位内的冷却剂温度低于冷却剂的饱和温度，这些部位位于燃烧室顶和排气门之上;至少配备一个连于冷却套上部的最高部位上的开口，以便使除了凝结在套内冷却剂中的气体之外的几乎全部气体，包括由冷却液在燃烧室顶和排气门附近局部沸腾而产生的蒸汽，能以基本上无限制的对流方式从冷却套流出，借此，在燃烧室顶和排气门附近的冷却套的主要部分内，始终充满着液态冷却剂;包括一个凝结室的冷凝器装置，用它收集经过开口由冷却套流出的气体，并将其中的可凝成份凝结起来;冷凝器中还有一个返回装置，用它使凝结物从冷凝器装置返回冷却套。

可以给本发明中的装置增加一些特性，或做些改动。它们是：

1、本发明中所用的冷却剂，正是在上面方法介绍部分中所提到过的冷却剂。

2、冷却剂的循环从冷却套的缸筒部开始，冷却液从冷却套上部返回。

3、为了使凝结物能在重力的作用下从冷凝器返回冷却套，冷凝器应装在比冷却套出口高的位置上。

4、有一些处理冷凝器中未凝结的气体的方法。这些气体是从冷却套而来，经过出口进入到冷凝器中来的。除了一个压力释放阀之外，可以把整个冷却系封闭起来，按照所用的设计，该压力释放阀仅在最大的负荷、环境温度或海拔高度变化的条件下，及遇到紧急情况时才工作，而在一般条件下不工作。也可以采用另外一种方案，在该方案中，装置中要有一个回收冷凝器，它与主冷凝器相连接，并被安装在距主冷凝器较远的位置上，那一位置处的实际温度比主冷凝器的要低。回收冷凝器按下列要求设计：它能使由主冷凝器传入的气体中的可凝物质凝结，同时把任何没有凝结的气体通过一个开口送出，它能利用重力及泵的作用，使集结在回收冷凝器中的凝结物返回;也可利用重力和虹吸作用，使凝结物间歇地返回。只要回收冷凝器中的压力一超过主冷凝器中的压力与在回收冷凝器中的凝结物压头之和，就会发生虹吸现象。与回收冷凝器相连的通道上可有一个压力释放阀，或者说，可在主冷凝器与回收冷凝器之间插入一个压力释放阀。

本发明中的方法和装置可被看成是液体循环和蒸汽冷却的方法和装置的合成物。因为有一些部分是相同的。液体冷却回路使冷却液中的热量排出，当冷却液回到冷却套时，它的温度低于其饱和温度。大部分从发动机排出的热量被液体回路中的热交换器送到环境空气中去。本方法和装置在上述各方面与传统的液冷方法和系统相似。

热量从燃烧室顶和排气门周围的较热区域传出，使发动机冷却套中的冷却剂产生蒸汽，那些没有凝结在液体中的蒸汽以对流方式上升到冷却套上部的最上边，然后经过出口传入冷凝器。蒸汽中的可凝物质在冷凝器中凝结，并被送回冷却套。在这些方面，本发明与蒸汽冷却系统相似。

本发明在一个重要方面与传统的液体循环冷却系统不同。在本发明中，蒸汽和其它气体从冷却套的最高区域中流出，而不是将它们留在液态冷却剂中与液态冷却剂一同循环。在传统的液体循环系统中，在燃烧室顶和排气门周围附近的热区中产生的蒸汽可能被聚在一些部位，在那里冷却液的循环率相对地较低，而且蒸汽几乎没有机会以对流方式溢出，因为附近存在着冷却液循环速度相对高的区域。上述部位正是生成蒸汽泡的地方，蒸汽泡起着阻碍金属与冷却剂之间的传热的作用。于是在上述部位能形成过热点，并引起发动机爆震。在大负荷工况下，在冷却套中产生的蒸汽量增加，大量蒸汽聚在冷却剂中，把液态冷却剂挤出，一些蒸汽流入系统的溢流箱。在这种情况下，会有如下结果：即在最需要冷却系能有效工作的时候，冷却系将发动机产生热量散去的能力，却在实际上被削弱了。在处于目前技术水平上的液体循环冷却系中，为了使蒸汽凝结，要使蒸汽与液态冷却剂一起，沿着一条通常是基本水平的通道，从冷却套流向辐射散热器。蒸汽的速度和与之一同流动的液体运动有关，液体的速度是泵转速，因而又是发动机转速的函数。当生成蒸汽的速率大，而液体运动速率不足时，大量的蒸汽存留在冷却套中。

本发明提出了一种释放蒸汽的方法，它能使蒸汽从冷却套的最上边不受阻碍地释放，从而使不但在冷却套中，而且在循环系统中，液体冷却剂中夹带的蒸汽量减至最小。本发明所要求的体体循环率要低于传统的液体循环系统所要求的，而且它不是运汽需求的函数。本发明中的系统有助于使蒸汽从冷却套的所有内表面处迅速地放出，并以不受阻碍的对流方式迅速流向出口，该出口位于冷却套的最高部位。蒸汽的流动与液态冷却剂的运动无关，即使没有液态冷却剂的循环，气体也能自由地离开冷却套。

当冷却物质可与水相溶时，最好把冷却剂中的水分尽量减少，而当冷却物质不可与水相溶时，应把含水量保持在1%以上。假设冷却剂完全不含水是不现实的，特别是对于可与水相溶的物质来说，这种假设更不现实，冷却物质总是吸湿的。存在于可与水相溶的物质中的水，使所形成的溶液具有一个沸腾范围，虽然这一范围的初始沸点比该纯物质的低，但发生沸腾处的温度受限于纯物质的饱和温度，而不受限于初始沸点。虽然在可与水相溶的纯物质中加少量的水，能使初沸点降低，但在因局部蒸馏和净化引起高热流量的区域上的温度却没有明显地降低。

由掺水引起的沸腾范围加宽有一个副作用，这就是比较容易发生泵的抽空现象。压力稍有下降，就会引起处于其饱和温度附近的液体的蒸发。当泵抽吸接近饱和温度的液体时，在联接泵的入口的管道中会发生冷却剂的蒸发，并可能发生机械泵的抽空现象。在上述情况下，冷却剂不再做通过热交换器的循环流动，冷却系只能完全依赖冷凝器装置来排出冷却系中的全部热量。掺水使冷却剂的初沸温度下降，为了防止泵的抽空，对应的冷却液温度也必须有所下降。实际上，当冷却套中的液体平均温度能保持在比冷却剂的初沸点低10℃的水平上时，就可防止泵的抽空现象。为了保证有合理的安全系数，可按以下要求设计冷却系;要使平均液体温度能保持在比冷却剂的初沸温度低20℃的水平上。例如，在不加压系统中，用99%的丙二醇溶液做冷却剂，使该溶液的平均冷却温度保持在157℃（315°F）或157℃以下，就可避免泵的抽空;而若用95%的丙二醇溶液做冷却剂，在不加压系统中，就应使溶液的平均温度保持在129℃（264°F）或129℃以下。在高空工作的飞机上装上这种冷却系，就能在保持较低的系统压力的同时，使平均液体温度比在常压下的冷却剂初沸点低30℃左右。

重要的是要认识到，若在本发明中使用与水相溶的物质，那么只要整个冷却套上部的冷却剂温度高于在当时压力下的水的沸点，就将有一些蒸汽不会在冷却套中凝结，它们将通过出口传向冷凝器。在冷却套上部的冷却液的温度越低，在冷却套中凝结的蒸汽量就越大。然而，因为通常冷却套内的温度没有低得能使凝结完全进行，所以总有一些蒸汽不会颖结。在传统的水一正二醇泵驱动液冷却系中，经常存有这样残余蒸汽。本发明的一个重要特点是能使残余蒸汽不断地流到冷凝器中去，以保证冷却套上部的主要部分中的冷却剂为液态。蒸汽的去除大大增强了金属与冷却剂之间的热传递。冷却剂从金属将热传走的效率不再被存留的蒸汽泡所降低。也不必再依赖高泵流率将蒸汽从热表面处排除，以及将它们传送到较冷的区域和散热器中。

由不与水相溶的物质和水组成的冷却剂跟由易与水相溶的物质和水组成的冷却剂，两者具有不同的表现。含不溶水物质的冷却剂起初在稍低于水沸点的温度上沸腾，如果这种冷却剂的蒸汽压远低于水的，那么蒸汽几乎全是水蒸汽。相应的，水沸腾出去，并被传向冷凝器。在水沸腾出去之后，冷却剂的沸点即为该物质的沸点。在冷却套上部的热区中形成的该物质蒸汽几乎会完全凝结在冷却套内较冷的液体中。同时，只要在上部的冷却剂温度保持在水的沸点之上，那么任何从冷凝器返回发动机的凝结水，在一返回冷却套的时候，便很快地沸腾掉。在初次给系统充填的冷却剂中应含尽可能少的水，在充填之后，系统中的大部分水可通过一个低压（比如2磅平方英寸）释放阀进入冷凝器。此后，在不考虑进入系统的水的情况下，冷却剂将有稳定的组分，并含有少量残余的水，这些残余的水，在发动机正常运转期间，以蒸汽的形式存在于系统中。

由于蒸汽的凝结温度与液体的沸点相同，不可与水相溶的冷却剂物质几乎不产生能从冷却套上部离去的蒸汽。冷却液在液体冷却回路中做连续的循环运动，为保证发动机冷却套中的冷却剂的平均温度低于沸点，将热送到热交换器中（辐射散热器）排出。在热表面上形成的蒸汽，通常凝结于较冷的液体冷却剂中。

在非正常的运行工况下（热天和高负荷），冷却剂中不与水相溶物质质的蒸汽可能没在冷却套中完全凝结，它将通过出口离开冷却套，进入到冷凝器中，在那里，它将凝结成凝结物，并返回发动机冷却套。在爬很长的坡时，或在高负荷运行后的怠速停车时，会出现这种现象。在后一种情况下，由发动机驱动的泵，在怠速时的循环率减小，液体冷却剂的温度可能在短期内升高，结果不能使冷却剂蒸汽完全凝结。

同样，在发动机停止工作时，它处于没有液体循环的降温方式。热金属中存有大量的热，它们传向冷却剂。在此期间，也许约有五分钟，冷却剂蒸汽生成，升入冷凝器，凝成凝结物并返回发动机。在降温期间，因蒸汽从冷却套的最上部自由放出，使靠近热金属表面的冷却套主部内充满液态冷却剂，保证了发动机能得到有效的冷却，防止了能引起缸头破裂和汽缸垫破坏的高热应力。本系统能防止蒸汽泡的反复生成和释放。蒸汽泡的这种现象能引起燃烧室顶和排气门处金属温度的急剧变化。

在应用本发明的系统中，冷凝器有一个重要的功能，它能适应冷却剂容积在高、低温度下的明显变化。这种变化的范围约为10%～15%。在传统的强迫液体冷却系统中，当冷却剂膨胀时，一些冷却液溢进膨胀箱，被困住的气体也被压缩。在本发明中，有两种应付膨胀的方法：（1）冷却液面升进蒸汽出口通道，对某些设计，升入冷凝器的下部。（2）使蒸汽从液体冷却剂中放出，并进入冷凝器。在那里，蒸汽膨胀，冷却和凝结，使蒸汽压力较低。

上面提到的所有冷却物质都能应用于柴油机，高沸点物质更理想，因为柴油机在高缸温时能更有效地工作。当然，也应对高温条件下的润滑系设计予以注意，如有效的过滤;使用高温合成润滑剂;润滑油冷却。卡车、大客车和内燃机车上用的大功率柴油机通常总要配有复杂的润滑系。

本发明的研究和试验强调指出：用于火花点火式汽油机的冷却物质的沸点是有上限的。到目前为止，乙二醇、丙二醇和四氢糠醛醇已被确认是适合于汽油机的。双丙二醇及上面提到过的三种不与水相溶的冷却物质的沸点太高，不宜用于点火式汽油机，至少目前的认识是如此。

不宜把水混入本发明中用到的冷却剂中去。水分越大，从冷却套流向冷凝器的蒸汽量就越多，需要使冷凝器有更大的盛装蒸汽的容量。水还能在发动机（特别是铝制发动机）的冷却系内引起腐蚀和沉积。

乙二醇的冻点温度为-12.7℃（9°F），除了它之外，上面明确提到过的所有冷却剂都能适应很冷的气候。众所周知，向乙二醇中掺加少量水分可使此液体的冻点降低。添加双丙二醇是达到同一目的，而又避免水分增加的更好方法。

本发明中的蒸汽出口和冷凝器子系统的基本功能是：使蒸汽能尽量自由地从发动机冷却套上部的最上面离去，以便使存在于发动机冷却套及液体冷却回路中的蒸汽含量减至最小。如上所述，冷凝器也能适应冷却剂的膨胀。使尽可能多的存在于冷凝器子系统中的冷却剂蒸汽凝结也是是重要的，这能使系统中的冷却剂损失减至最小。当然，冷凝器也排热，但其量不大，通常只是冷却系排热总量的5%。

本发明的重要优点是能够使内燃机在缸温普遍较高的情况下运行。这样的工作缸温是以前不曾达到的。发动机在缸温较高的条件下运行，能改善燃油经济性。原因有：一、发动机的排热率降低，这意味着在热循环中有更多的热量被利用。二、减少熄火现象，燃油得到更完全的燃烧。三、发动机各部分的温度分布更加均匀，减小了摩擦和摩损。四、沿着具有均匀高温的缸筒滑动表面有较好的润滑。

本发明的另一个优点是：由于更完全地燃烧和减少了爆震，汽油机中的全部三种主要排放物、在柴油机中还要加上碳烟，都减少了。

由于发动机通过冷却系排出的热量较少，并由于本发明中应用的高沸点冷却剂与环境空气之间的温差远大于水或水/甘醇溶液与空气间的温差，热交换器和冷凝器都可以相应减小。

在本发明中作为冷却剂的有机物具有高的饱和温度，它们不在冷却套、冷凝器、辐射散热器及冷却系其它部分中发生腐蚀和沉积。相应地能用铝来制造价格相对便宜的热交换器和冷凝器。而且清除了腐蚀问题，这一问题在处于目前技术水平上的液体冷却循环铝制发动机中可被遇到。

本发明中的冷却方法和装置，可在环境压力或略高于环境的压力下工作，比如表压力通常为7～35KPa（1～5磅/平方英寸）。所以，冷却系的所有组件的设计比目前高压系统的要简单，并不易渗漏和失效。

热交换器和冷凝器的尺寸小，从它们那里带走热量的空气的需求量也被减少，这就可以将它们较合理地安装在合适的位置，而不必象传统的泵驱动液体冷却系统那样，将它们装在辐射散热器的鼻部。结果车辆的头部可以大为缩小，并按空气动力学的考虑设计车头形状。热交换器能按任何设计构形的要求安装，甚至可以水平地安装。冷凝器和辐射散热器能结合成一个单元，在此种情况下，冷凝器部分应在辐射散热器之上，并高于冷却液面。由于这个单元小于传统的辐射散热器，加之通过它的气流需要量较少，这个单元能够从车头移到后部，并且如同辐射器和冷凝器分置时一样，也可按空气动力学要求做外形设计。

在液体冷却回路中的冷却液循环率比传统冷却系所需要的要少，这意味着能使用一台简单的、小功率、低价格的泵。

一个具体应用本发明的冷却系所需的辐射散热器尺寸较小，它仅是处于目前技术状态下的液体循环冷却系所需的辐射器尺寸的1/3～1/6。所需的冷却剂容积的减小量与辐射器容积的减小量相同。考虑到能用铝制造辐射器和冷凝器的部件，而且管道仅需承受低压，应用本发明可以减少重量和费用。

本发明的另一个令人满意的特性是：冷却剂能够以这样的方向流动，这一流动方向与目前各系统受泵驱动的冷却剂唯一可行的流向相反。特别值得一提的是：在处于目前技术状态下的冷却系中，不能有效地把冷却剂从缸套处泵出，使其经过辐射散热器后再返回缸头部。其原因是：目前的各系统必须在冷却剂平均温度很接近在系统压力下的冷却剂饱和温度的情况下工作。当冷却剂从冷却套上部经过缸筒部分流向出口时，发动机中最热的冷却剂通过缸筒壁。在系统使用掺入抗凝剂的水作为冷却剂的情况下，冷却剂从缸套处涌出，并进入到泵中，那时的冷却剂温度很接近它的沸点温度。由于泵的抽吸产生的压力降低会引起泵的抽空，使流动会急剧减弱或中断。本发明能避免这一问题，它可以保持冷却液的温度远低于它的沸点，以防止冷却剂在泵或泵的上游回路中蒸发。冷却剂的饱和温度越高，越容易将液态冷却剂的温度保持在其饱和温度之下。

液态冷却剂所做的由缸体冷却套出发，经过辐射散热器，返回冷却套上部的循环流动，具有一些重要的优点。冷却剂不象从缸盖-散热器-缸体的反循环那样，在缸体冷却套中被预热。来自辐射散热器的冷液体直接进入发动机排热量最大的冷却套的上部，这对上部套内蒸汽的凝结最为有利，而且，与冷却了的液体由辐射散热器返回缸体部的反向循环相比，较热的冷却剂将热量从缸盖部带进缸体部，结果缸套处的运行温度提高。

下面结合图纸，参考对实例的说明，对本发明做进一步了解。

图1、是发动机的横断面示意图，该发动机装有具体应用本发明的冷却系。

图2、是另一个发明实例的示意图。

图1描绘了一个活塞式内燃机。它有一个用螺栓装在缸体12底部的油槽10;缸体12内有缸筒14;活塞16在连杆18的控制下、在缸筒14内往复运动;连杆18由曲轴（未画出）支撑;缸体冷却套20包围着限定气缸14的套筒;缸盖22被栓在缸体上;汽缸垫24夹在缸盖与缸体之间，它将燃烧室与冷却套中的冷却剂通道密封隔开，也将冷却剂通道与环境空间密封隔开;在缸盖内形成冷却套的上部26;在缸盖的上面装有气门罩28，为了简化起见，包门及与它有关的一些部件，以及进、排气口均没有示出;冷却套上部通过汽缸垫上的几个孔与缸体主部相连通。

通道32通过一个缸体上的开口连接于冷却套主部的下部，它将冷却套主部20与一个比例恒温阀（PTV）34连接起来。当从冷却套主部20中流出的冷却剂的温度相对较低时，阀34令全部冷却剂通过连于泵38的入口的旁路36流入泵中，泵38可以用发动机驱动，也可以用电机驱动。泵38可以被移换到通道32处。当从冷却套主部流出的冷却剂的温度较高时，阀34令全部冷却剂通过通道40流向热交换器（辐射散热器）42。当冷却剂的温度处于阀的高、低温限之间时，阀使冷却剂向旁路36和辐射散热器42分流。冷却剂经过通道44离开辐射散热器42，在泵38的驱动下，通过通道46返回冷却套的上部26。当从冷却套主部的下部吸出的冷却剂的温度高于一个预定值时，风扇48被恒温开关52打开，风扇48由车上的电池50驱动。这样可以加强辐射散热器与环境空气之间的热交换。

液体冷却回路中还有一个包括控制阀54和换热器56的支路。在需要的时候，可以用来对乘客厢加热。

辐射散热器42可采用任何合适的结构，例如可用一些平行排列的肋片管构成。这些管子的直径可相对大些。由于本发明中使用的冷却剂不腐蚀铝，所以辐射散热器可由铝制成。辐射散热器42不是用做盛气的，它的任何部件都不必装在比缸盖冷却套最高面还高的位置上。辐射散散热器42的位置可根据设计选择，例如，由于它尺寸小，它可很容易地被装在车辆前保险杠的后面，它还能被水平地安装。可以引导空气从它那里吹过。车辆的头部能按空气动力学的考虑成形并封闭，以减少阻力。辐射散热器42也可作为给乘客厢加热的热交换器，安装一个送气控制阀，把热空气从交换器送至乘客厢和/或外面，车内的人能通过加热器调整机构选择送气目标。

本发明中的冷却装置并不依靠冷却剂的高循环率将冷却剂蒸汽从冷却套上部带走。但有一些控制液体循环的排热量的方法，这些方法能使发动机在变化的负荷和环境条件下，保持所希望的温度水平。例如，为了调整通过辐射散热器42的液体流率，可以用一个T型管和一个恒温节流阀将阀门34换掉，这个节流阀可被装在通道40或旁路36上。另一个方法是控制辐射散热器的热    换率，比如，可在散热器的导气路线上设置热力控制阻风板;或者减小吹过辐射散热器的空气流，其空气的流动依靠车辆运动来产生，但在需要时，可由热控风扇净化空气流动。还有一种方法是使用热控变速泵。应用这些成熟的技术，能很容易地做出适于本发明的、合适的液体冷却回路。事实上，由于辐射散热器的尺寸小，而且它的换热率高（因冷却剂的温度高，而且几乎不含蒸汽;并且需要排出的热量也少），所以可以排除许多传统冷却系所具有的设计限制因素。

在发动机缸盖部的较热区域上，例如在燃烧室顶上面或排气门周围，一些冷却剂将在除了暖车期的其它所有运行工况下沸腾。由于在燃烧室顶和排气门上方位置处的冷却液的温度低于其饱和温度，所以在这些热表面上形成的大部分蒸汽将凝结在冷却套上部的冷却液中。未凝结在冷却套上部的蒸汽量与产生的蒸汽量有关，并与存在于冷却套上部的冷却液的整体或主体温度有关，还和蒸汽在冷却套上部的凝结特性有关。如某冷却剂物质是可与水相溶的，并且在冷却液中含有少量的水，那么大部分（但不是全部）冷却剂蒸汽会凝结在冷却液中，该冷却液的温度低于冷却剂物质的饱和温度、高于水的饱和温度。可从水相溶的冷却剂物质有吸湿性，应假定它们含有水份。

不与水相溶的冷却剂无吸湿性，它们不从与之接触的，含有水蒸汽的环境空气中吸收水分。同可与水相溶的冷却剂相比，它们更容易保持“很干”。对于不与水相溶的冷却剂来说，冷却剂蒸汽通常能在冷却套上部内充分凝结，与不相溶冷却剂共存的水，会在其温度稍低于水的饱和温度的时候，提前蒸发。生成的水蒸汽与很少量的冷却剂蒸汽相混，混合汽的成份摩尔比等于其分压比。此混合汽不在冷却套上部凝结，而作为蒸汽入冷凝器，在那里部分或充分地凝结。凝结物返回冷却套上部，并将会再次蒸发。如果允许一些混乱蒸汽离开冷却系，那么冷却液中的水分将减少，同时仅排出很少量的冷却剂物质。例如：水同2，2、4-三甲基-1，3-戊二醇单丁酸酯的摩尔浓度之比，大约为450∶1。

任何未凝结在冷却套上部的冷却液中的蒸汽，将以对流方式升到冷却套的最上部或其它部位，并通过与这些部位相连的一个或几个出口60逸出。应尽可能将冷却套设计得有利于使蒸汽向一个或几个高区运动，以便使蒸汽能容易地通过出口60，从冷却套上部逸出。

来自冷却套上部的蒸汽，通过一个或几个出口，并经过通道62，进入一个蒸汽冷凝器64。在图1所示的实例中，冷凝器被装在缸盖冷却套的上方，其方位可与任何常用发动机的相同，结果冷凝器中的凝结物可因重力作用，通过一条返回通道（未示出）或通过使蒸汽进少冷凝器的通道62返回发动机。如图所示，凝结物返回发动机冷却套所经的通道，也能被用于将来自液体冷却回路的冷却剂送回发动机，作为一种变换，凝结物返回发动机冷却套所经过的一条或几条通道，也可以同将冷却液从液体冷却回路泵回发动机所经的一条或几条通道分开。

冷凝器64的设计能有相当大的变化，使用能允许蒸汽相对无阻碍地运动的金属容器，以便促进蒸汽与壁面接触，可获得好的结果，与减少任何实际上的蒸汽运动障碍的愿望一致，为避免蒸汽在返回冷却套上部时及离开冷却套时受阻，通道62的直径应大些，比如对汽车发动机，可取为1.5英寸。冷凝器应采取能满足以下要求的设计：即应能使凝结物在重力作用下流向一个聚集点，然后从那里流回发动机冷却套。在车上，合意的布置是：将一个具有长形容积的冷凝器纵向装在发动机箱盖下，并由前至后向上倾斜。冷凝器可与车身板（例如盖板）构成一体。

不论冷却套内蒸汽凝结多少，存在于热冷却剂上方的空气容积上将含有冷却剂上方空气至该容积达到饱和时为止。这样获得的蒸汽的量是冷却剂蒸汽压的函数，温度越高，蒸汽压就越高。壁面较冷的冷凝器64不仅能使由沸腾而来的葱汽凝结，而且还能使由较热的冷却液表面汽化而来的蒸汽凝结。

根据本发明，可用具有高分子量的有机化合物做冷却剂。它的蒸汽比空气重，所以，它的蒸汽在扩散之前，先在空气中下沉，并超于在冷凝器的下部结集。为了有助于气体分层，从通道62进入冷凝器的入口可置于最下面。可以在冷凝器内设置隔板，借以控制蒸汽的运动，从而使蒸汽与冷凝器壁的接触加强，蒸汽直接流向冷凝器口上部的运动减弱。在凝结过程中，剩余蒸汽内的水蒸汽比例增加。成份大部分是水蒸汽的蒸汽比空气轻，它们以对流方式流向冷凝器上部。

系统中液体的体积，随着温度及沸腾程度的不同而有明显的变化。液体的膨胀及未凝蒸汽混在冷却套中都会引起液面的升高。如图1所示，起初充入系统的冷却液面应在A处，以使冷却套中始终充满着冷却液。当系统变热，冷却剂膨胀约15%时，冷却液面升到B处。如图1所示，B面可以在通道62上，也可以进入到冷凝器中。

如果冷凝器没有开孔，液体视容积的增加会引起系统压力的提高。此外，冷凝器内的空气受热以及未凝冷却剂或水的蒸汽量增加，也会进一步提高压力。基于上述各因素，相对于环境压力测定的，压力增高的范围是冷凝器体积和其中气体的平均温度的函数。在定常海拔高度上，在典型系统内压力增量均为70KPa。海拔高度的变化，能影响封闭系统与环境之间的压力差。由海平面上升到3000米处时，大气压力再下降26KPa。

在设计系统时，不得不考虑压力的升降，有几种可以采用的方案。其中一种如图1所示，一个出气道66连于冷凝器的上部，并远离蒸汽入口。如上所述，那里的气体主要是空气和水蒸汽，大部分冷却剂物质的蒸汽留在底部，并凝结在箱壁上。在气体压力未达一预定值（比如2磅/平方英寸）时，一个装在出气道上的两向压力释放阀68将出气道堵住，使气体不能从冷凝器64经出气道流出。当阀68打开时，来自冷凝器顶部的气体流入一个回收冷凝器70。回收冷凝器是一个小容器，它被装在可能会始终较冷的地方。因为冷凝器64很可能紧靠发动机，它通常要盛有一些较热的冷却液，而回收冷凝器70的凝结表面的温度与冷凝器64的相比则要相当低，从而使回收冷凝器70能把未在冷凝器64中凝结的剩余蒸汽凝结起来。管66的开口紧靠回收冷凝器的底部，并在那里被容器内的凝结物所淹没。一个小通气管72装于容器的顶部，并与环境大气相通。装它时要采取一些防气流的措施，以免空气流改变小通气管处的大气静压力。经通气管传入回收冷凝器的可凝物质将被冷凝，并被存集。

只有在发动机冷却套中产生了大量蒸汽，而且冷凝器64的工作能力接近饱和的时候，例如当冷凝器中的热气体使压力升高，并将阀68打开时，阀68才允许气体流向回收冷凝器。一旦冷凝器中的气体变冷，压力便下降，而且由于气体（大部分是空气和水蒸汽）经出口传出冷凝器，使冷凝器（以至冷却系）中的压力将能变得低于大气压。当阀68两端的压力差达到一个极限值时，阀便打开。那时，阀的压力与存在于回收冷凝器中的通道内的凝结物压头之和，小于大气与冷却系之间的压差。控制冷却系压力变化的这种设计，能够回收全部或几乎全部可凝物，而且它能满足下述要求：冷凝器内容纳来自发动机的蒸汽的容积得以反复地利用，并在不增加冷凝器容积的情况下，限制系统的压力。回收冷凝器可以不大，并可在其中设置挡板，金属丝或金属网，以便加大表面积，提高凝结率。在它的出口处，可装一个防尘滤清器。

设置阀68的主要原因是要减弱空气进、出系统的“呼吸”。随空气的交换离开系统的冷却剂蒸汽的多少，与冷凝器64和回收冷凝器70的凝结蒸汽的能力有关。在一些情况下，阀68可被完全去掉，而不致有不可接受的冷却剂损失。

当水蒸汽离开系统时，从回收冷凝器70出去是有利的，在通道中可以有阀68，也可以没有阀68。系统中水分减少，便可使用更小的冷凝器64。如果冷却剂可与水相溶，那么水分的减少会使得冷却剂的饱和温度升高，减小了冷却液的饱和温度和冷却剂物质的饱和温度的差距，并减少了在泵38处产生抽空现象的可能性。如果冷却剂不与水相溶，水分的减少将使水蒸汽的量及循环于冷却套上部26和冷凝器64之间的凝结物的量，均有所减少。

对阀68选择相对高的调整压力（一般约为70KPa〔1opsi〕），冷却系便可只在非正常的大负荷工况下，或在海拔高度变化大时开放，在其它情况下被有效地封闭。如果使用了挥发性强的冷却剂，或由于某些部件失效（比如缸盖垫漏气）而引起了冷却系压力升高，那么出口也将打开。为了使系统能在较高的压力下工作，系统中的组件都应能承受压力。在较高压力下工作的结果是饱和温度也将上升，如果压力升高70KPa，那么冷却液的饱和温度约升高20℃。

图2显示的装置与图1的相似，但没有回收凝结器。冷凝器110的凝结容量大，以至回收冷凝器的功能可用它来执行。一个低压双路检验阀112在暖车和关车时打开，以便使空气能进出系统。该阀的低压水平可以为35KPa〔5psi〕，其进、出通路均在通气管114内。在暖车期，因为液体体积明显地增加，而且在冷凝器中的空气被加热，空气被通过通气管排出。一旦系统被加热到正常环境条件下的正常负荷工况时，通气管关闭。但在大负荷变化的情况下，或在海拔高度有大变化之后，通气管不关闭。除了暖车的情况外，当通气管打开时，大部分排出的气体是空气。即使在长期的运转之后，蒸汽量的损失也是微小的，也许不多于在目前常用的溢流箱中的损失。图2所示的设计可以不带回收冷凝器，但冷凝器110必须比图1所示例中的冷凝器64大。减少冷却剂中的水分之后，两例中的冷凝器均可缩小。若使用的冷却剂物质不与水相溶，则相应装置中的冷凝器可以做得更小，因为这种冷却剂是不吸湿的。

图2中所示的系统有如下的变动：一旦发现机和冷却系已经加热升温，它用一个恒温控制阀来维持升高了的压力，此阀还有应急减压的功能。这种结构在暖机和停机时能提供一个基本开放的通路;而在运行工况下，使系统封闭。这里的最大压力比完全封闭系统的低，因为上升到最最大负荷时的总的温度、压力变化中减去了暖机时的温度，压力的增加量。

除了处理系统中的温度，压力变化的方法不同外，上述各例的工作情况是十分相同的。将冷却液从缸体冷却套连续地泵出，使它们通过一个辐射散热器（或在暖机和冷天小负荷工况时，通过一个旁路），然后返回发动机缸盖冷却套，那时的冷却剂温度低于它的饱和温度。结果在燃烧室顶和排气门附近的热金属表面处产生的一些蒸汽，凝结在冷却液中。未在冷却液中凝结的蒸汽从最高部位传到冷凝器中，并在那里凝结。最后，凝结物返回冷却套。

应按下述要求设计：从上部冷却回路    返回冷却套的冷却液的温度应足够高，使发动机能在比较高的平均温度下运行，以便获得上面详细提到过的一些好处。同时，冷却液的温度也应足够低，以便能使冷却套上部的蒸汽凝结，并且能使泵上游的液体冷却回路中的冷却液温度低得不足以引起泵的抽空。

附图中描述了直立式发动机。当然，本发明中的冷却系也能被用于其气缸轴线和垂直轴或水平轴成一定角度的发动机上。在上述情况下，蒸汽会升到最高的一个或几个区域中去，蒸汽的出口应相应地安装。本系统也能被用于汪克尔发动机。上述的关于缸盖冷却套的讨论适合于汪克尔发动机的燃烧和排气部分周围的冷却套区域;而关于缸体冷却套的讨论也被应用于燃烧室工作容积周围的冷却套区域。最后要提出的是：本发明既能被用于仅冷却缸盖的发动机，也能被用于冷却汽缸工作容积部分壁面的的液冷发动机。

附图中所描述的装置中的冷凝器被装在发动机的上面，以便能使凝结物在重力的作用下返回，这种方案是比较好的。然而，在必要的时候，也可以将冷凝器装在最高冷却液面之下，并用机械泵驱使凝结物返回发动机。在设计这样的系统时，应注意在蒸汽出口通道上安装一个容器，这个容器应高于缸盖，以便对付液面的升高，并使蒸汽流向冷凝器的路程阻力减至最小。为使凝结物返回，用一个低转速、小流量泵就足够了。

在图1所示的应用实例中，回收冷凝器70及冷凝器64装得低，凝结物以虹吸方式返回冷凝器64。也可采取另一种方案，即将回收冷凝器装在比冷凝器64位置高的地方，以使凝结物能在重力的作用下返回。

对于本发明中的方法和装置而言，在发动机关车之后，蒸发和凝结的过程仍会持续进行。一些与冷却液接触的缸盖内金属的温度将高于冷却却剂的饱和温度，在金属温度降到冷却剂的饱和温度之前，冷却剂将不停地沸腾。如果液体循环泵靠发动机驱动，或者一旦发动机关机，泵立即停止工作，那么缸盖冷却套内的冷却剂温度将上升到它的饱和温度。较少的蒸汽凝结于冷却液中，进入冷凝器中的蒸汽将增加。当时发动机的温度高于冷却剂的饱和温度，虽然储存在发动机中的热量比发动机工作时给予冷却剂的相比不大，但在降温期由沸腾产生的蒸汽量确是值得注意的。冷凝器应有足够的容量，以凝结在降温期及工作时产生的蒸汽。如果泵能够在降温期使冷却液循环流动，那就能保持冷却液的温度低于冷却剂的饱和温度，在降温期存在于冷凝器中的蒸汽也能大为减少。

Claims (20)

1、冷却内燃机的方法，它由以下的几个步骤组成：为把废热送到热交换器中去，用机械泵把可沸冷却液从发动机冷却套(20，26)中泵出，使其通过热交换器(42)，然后返回冷却套，从而在冷却套之外的液体中，没有由泵(38)的作用造成的压力下降而引起蒸汽的生成，而且在位于燃烧室顶和排气门周围的附近区域之上的、缸盖冷却套的一些部位内的冷却剂温度，被保持在低于对应系统压力下的冷却剂饱和温度；除了凝结在冷却剂(这些冷却剂存在于冷却套内)内的气体之外，将几乎全部气体，包括在燃烧室顶和排气门附近区域由冷却液局部沸腾而产生的蒸气，从发动机冷却套(20，26)，以基本无限制的对流形式，连续地传向至少一个连接于缸盖冷却套最高部位的出口(60)，借此，在缸盖冷却套的主要部分中，始终充满着液态冷却剂；将来自出口(60)的气体导入一个冷凝器装置，这个冷凝器装置中有一个冷凝室(64或110)；使凝结物从冷凝器装置返回冷却套。

2、如权利要求1中所述的方法，其特点是，冷却剂至少以一种物质为其基本成分，这种物质易与水相溶，而且在任何给定的温度下，它的蒸汽压明显低于水的蒸汽压。

3、如权利要求2中所述的方法，其特点是，冷却物质从1，2-亚乙基二醇（ethylene  glycol）、丙二醇（Propylene  qlycol）、四氢糠醇（tetrahydrofurfuryl  alcohol）、二亚丙基二醇（dipropylene  glycol）中选出。

4、如权利要求1中所述的方法，其特点是，冷却剂至少以一种物质为其基本成分，这种物质基本上不与水相溶，而且在任何给定的温度下，它的蒸汽压明显低于水的蒸汽压。

5、如权利要求4中所述的方法，其特点是，冷却剂物质从2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇单丁酸酯、二丁基异丙胺，以及2-丁基辛醇中选出。

6、如权利要求1中所述的方法，其特点是，冷却液从发动机冷却套的缸筒部出发开始循环，并由冷却套的上部返回。

7、如权利要求1中所述的方法，其特点是，在重力的作用下，凝结物从冷凝器室（64）返回冷却套。

8、如权利要求1中所述的方法，其中进一步包括以下步骤：存留在冷凝器室（64）的最高部位中的气体传向一个回收冷凝器（70），该回收冷凝器由通气口（72）与大气相通;为了能使回收冷凝器内的可凝气体凝结，该回收冷凝器被装在比冷凝器室的位置较冷的地方;凝结物液体从回收冷凝器返回冷凝器室。

9、如权利要求8中所述的方法，其中进一步包括以下步骤：只有在冷凝器室中的压力超过回收冷凝器的压力，并超出一预定值时，气体才能由冷凝器室传向回收冷凝器，而在其它情况下，一个装在冷凝器室和回收冷凝器之间的压力释放阀（68），将阻止气体的上述运动;只有在回收冷凝器中的压力与任何凝结物的压头之和超过冷凝器室中的压力，并超出一预定值时，凝结物和气体才能由回收冷凝器传向冷凝室，而在其它情况下，一个装在冷凝器室和回收冷凝器之间的第二压力释放阀（68），将阻止凝结物和气体的上述运动。

10、如权利要求1中所述的方法，其中进一步包括以下步骤：仅当冷凝器中的压力超过环境压力，并超出一预定值时，存留在冷凝器室（110）的最高部位中的气体，才通过通道（114）传向大气。仅当环境压力超过冷凝器中的压力，并超出一预定值时，环境空气才通过通道传进冷凝器。

11、冷却内燃机的装置，它由以下几部分组成，至少能部分地围绕每一个燃烧室和发动机排气门的冷却套（20，26），其中盛有其饱和温度在大气压下高于132℃的可沸冷却液;一个液体冷却回路，它包括热交换器（42）和机械泵装置（38），这个泵装置使冷却液做向热交换器送热的循环，它使冷却液从冷却套中泵出，在流经热交换器之后，再返回冷却套，从而在液体冷却回路中，没有由泵（38）的作用造成的压力下降而引起蒸气的生成，而且在位于燃烧室顶和排气门周围的附近区域之上的缸盖冷却套（26）的一些部位内的冷却剂温度，被保持在低于系统压力对应的冷却剂饱和温度;至少一个通向冷却套（20，26）的最高部位的出口（60），以适应气体的连续排出，除了凝结在冷却剂（这些冷却剂存在于冷却套内）内的气体之外，几乎全部气体，包括在燃烧室顶和排气门附近区域，由冷却液局部沸腾而产生的蒸气，从发动机冷却套（20，26），以基本无阻碍的对流形式，经上述出口（60）排出，借此，在冷却套上部的主要部分中，始终充满着液态冷却剂;一个包括有冷凝器室（64）的冷凝器装置，用于接收通过出口（60），来自冷却套的气体，并用于将气体中的可凝成分凝结起来;一个返回装置，它使凝结物从冷凝器装置返回冷却套。

12、按照权利要求11中所述的装置，其特点是，冷却剂至少以一种物质为基本成分，这种物质易与水相溶，而且在任何给定的温度下，它的蒸气压明显低于水的蒸气压。

13、按照权利要求12种所述的装置，其特点是，冷却剂物质从1，2-亚乙基二醇、丙二醇、四氢糖醛醇、二亚丙基二醇中选出。

14、按照权利要求11中所述的装置，其特点是，冷却剂至少以一种物质为其基本成分，这种物质基本上不与水相溶，而且在任何给定的温度下，它的蒸汽压明显低于水的蒸汽压。

15、按照权利要求14中所述的装置，其特点是，冷却剂物质从2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇单丁酸酯、二丁基异丙胺和2-丁基辛醇中选出。

16、按照权利要求11中所述的装置，其特点是，液体冷却回路适合于冷却剂从缸体冷却套（20）出发，冷却液从缸盖冷却套（26）返回的循环。

17、按照权利要求11中所述的装置，其特点是，冷凝器室（64或110）被装在高于冷却套的出口的位置上，并且返回装置（62）能使凝结物在重力的作用下，从冷凝器室返回冷却套。

18、按照权利要求11中所述的装置，其特点是，冷凝器室的最高部位上装有一个通道管，它远离冷凝器的进口。

19、按照权利要求18中所述的装置，其特点是，在冷凝器装置中，进一步包括以下的部分：一个回收冷凝器（70）;一个通道管（60），它将冷凝器容器的通气口与回收冷凝器连接起来，一般它在回收冷凝器的最下部开口;回收冷凝器的最上部与大气相通，它的安装位置会比冷凝器室的冷;借此，当冷凝器室中的压力超过回收冷凝器中的压力时，存留在冷凝器室最上部中的气体传向回收冷凝器，其中的可凝气体凝结，不可凝气体被排出;只要回收冷凝器中的压力超过冷凝器室中的压力与在通道管中的凝结物压头之和，则存留在回收冷凝器中的凝结物和气体由回收冷凝器返回冷凝器室。

20、按照权利要求19中所述的装置，进一步包括以下部件：第一压力释放阀装置（68），它被装在冷凝器室和回收冷凝器之间，除了在冷凝器室中的压力超过回收冷凝器中的压力，并超出一预定值时，第一压力释放阀装置将使气体由冷凝器室传向回收冷凝器的通道关闭;第二压力释放阀装置（68），它被装在冷凝器室和回收冷凝器之间，除了在回收冷凝器中的压力超过冷凝器室中的压力与在通道管中的凝结物压头之和，并超出一预定值的时候，第二压力释放  阀装置将使凝结物和气体由回收冷凝器传向冷凝器室的通道关闭。

21、按照权利要求18中所述的装置，进一步包括以下部件：出口压力释放阀装置（112），它被装在通道管（114）上，除了在冷凝器室（110）中的压力超过环境压力，并超出一预定值的时候，出口压力释放阀装置将使气体由冷凝器（110）传向大气的通道关闭;入口压力释放阀装置（112），它被装在通道管上，除了在环境压力超过冷凝器室中的压力，并超出一预定值的时候，入口压力释放阀装置将使空气从大气中传进冷凝器室的通道关闭。

Images