CN101769196B

CN101769196B - 一种蒸汽内燃机

Info

Publication number: CN101769196B
Application number: CN2008102051110A
Authority: CN
Inventors: 陈亚杰; 陈冠豪
Original assignee: Individual
Current assignee: Chen Guanhao
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-12-30
Also published as: CN101769196A

Abstract

本发明提供了一种蒸汽内燃机，该蒸汽内燃机把普通内燃机火花塞更换成注水火花塞，若发动机达到预设温限，在燃料燃烧周期开始时，注水火花塞把少量接近沸点的水喷入燃烧室。蒸汽内燃机控制器监测发动机的温度、接收并改变喷油信号，在准确的时限开启和关闭注水电磁阀，精确控制注水量。此装置可以把普通汽车改换成蒸汽内燃机车，通过有效利用燃烧和排放的废热把水变成热水，最后变成蒸汽，产生额外的有用功推动活塞，从而减少燃油的消耗和排放量。此蒸汽内燃机可达到40％的效率，而非目前内燃机的20％。此装置除了可用于大部分汽车之外，还可用于任何奥托循环(Otto Cycle)内燃机，如发电机、剪草机等。

Description

一种蒸汽内燃机

技术领域

本发明属于内燃机车领域，具体地说涉及一种蒸汽内燃机。

背景技术

在过去的一百年，内燃机一直是机动车的主要动力源，典型的内燃机由一个以上的活塞-汽缸组构成。在进气冲程中，空气-燃料混合物被压进气缸、压缩、随后点燃并产生高压形成动能及废热。由于此过程产生大量的废热，内燃机的效率比较低，普遍是在20％左右。

曾经有过许多把此废热转变成机械能的尝试，这些例子包括六冲程内燃机，它把水喷入燃烧室以增加一次做功冲程，然而，喷水的动力效果却非常有限，同时，独立的喷水工作循环所产生的马力远比燃料燃烧工作循环所产生的要小，因而在动力***中产生不稳定不均衡的冲程；还有其它的尝试，就是用数个并列汽缸或涡轮机回用废热，但成果也是有限，而且还会因为新增的装置和重量反而会降低机车的整体效率。

其它普通的方式和装置尝试还包括在压缩冲程中喷水的方式，然而这需要水泵产生近乎不可能的巨大压力，同时由于燃料燃烧和水蒸发共同产生的压力过大过促，使活塞和动力***没有足够的时间吸收而产生爆震；还有的甚至尝试冷机喷水，然而却导致低效燃烧，结果差强人意。为了把注水方法变为实用，在应用此技术时还需要考虑其它条件，如缺水或结冰时的还原对策等。

汽车行业最近有人尝试把其它动力源如电动机添加至汽车，称混合动力车。此类汽车把刹车或减速时所做的功转换成电，用于随后的驱动。它提高了所谓的每加仑市区行驶公里数，然而，却没有直面内燃机废热利用的根本问题，因此可以说，混合动力汽车完全没有提高内燃机的实际效率。

在美国7,367,306号专利中，侯顿(Holden)介绍了用于内燃机的燃料-水混合喷射器，但它需要对原有的燃料喷射器这一车内关键且昂贵的部件进行重大改装；同时，由于喷射器本身空间狭小，通常难以重新组装回目前的汽车，另外，它还缺少一回馈机制以调节喷水量，因此未能充分提高发动机的效率。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种蒸汽内燃机，以提高内燃机的效率。

本发明还有一个目的在于，提供一种把调控定量的水注入内燃机燃烧室的注水***。

本发明还有一个目的在于，提供一种向内燃机燃烧室注水的控制方法。

本发明提供的蒸汽内燃机包括至少一个汽缸装置，改汽缸装置包括一个燃烧室、一个往复活塞、一个进气管、一个排气管、一个燃料喷射器和一个注水火花塞和一套控制装置，注水火花塞用于点燃燃料-空气混合气并把水喷入燃烧室，控制装置在火花塞点火瞬间，根据汽缸装置特定部分的温度计算和决定喷水量。

本申请中通过对现有内燃机进行的有益的改动，达到了以下目的：(1)减少一半燃油注入，(2)在燃烧周期中喷洒小量水并在热废气中蒸发，以产生额外压力推动活塞运行。

本发明提供的注水***由包括：一个注水器，所述注水器部分或全部置入燃烧室内，用于向燃烧室喷水；和一个控制器，用于根据燃烧室内燃料点火时限和/或燃烧室一部分的温度调控注水器注入燃烧室的水量、频率和/或时长。

本发明提供的向内燃机燃烧室注水的控制方法包含以下步骤：监测内燃机燃烧室的运行状况；向内燃机燃烧室注水；根据其运行状况调控向燃烧室的注水。

在本发明提供的上述蒸汽内燃机中，使用的水源是可自生的，即是通过收集汽油燃烧的废气、喷水后产生的雾汽和空调***的凝结水而来，同时装有加热供水箱，内存的热水在向燃烧室内喷洒时会使蒸发更迅速，同时可以解决寒冬时水结冰的问题。

同时，由于发动机在低得多的温度下运转，传统的降温***可大为精简，甚至很有可能可以摘除，同时，尾气循环***(EGR)也可以简化甚至摘除。

使用本发明提供的蒸汽内燃机，除了可以把普通汽车改换成蒸汽内燃机车，通过有效利用排放的废热把水变成蒸汽，产生额外的有用功，减少燃油的消耗和排放量，还可用于如发电机、剪草机等内部的任何奥托循环(Otto Cycle)内燃机。

附图说明

图1是用于改装现有普通内燃发动机的蒸汽内燃机的单个汽缸平面结构示意图。

图2是用于改装新型发动机的蒸汽内燃机的单个汽缸平面结构示意图。

图3是普通内燃机与本申请的蒸汽内燃机的汽缸压力曲线对比图，其中ICE和SCE分别指的是普通内燃机和本申请所述的蒸汽内燃机。

图4是普通内燃机和本申请的蒸汽内燃机的曲轴推力曲线对比图，其中ICE和SCE分别指的是普通内燃机和本申请所述的蒸汽内燃机。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

本申请提供的蒸汽内燃机，是通过向燃烧室注入预热的水、把水蒸发成压力蒸汽团而产生机械功，来提高现有汽车或新型汽车的燃油效率，并因此重新利用废热——当发动机到达预设的温限，和在空气-燃料混合物点燃周期中，把水喷洒进燃烧室与空气-燃料混合物一同燃烧，以强化做功冲程。

本发明提供的蒸汽内燃机可用于改装现有普通内燃发动机的蒸汽内燃机，也可用于新型发动机的蒸汽内燃机，其中，用于改装现有普通内燃发动机的蒸汽内燃机的单个汽缸和用于新型发动机的蒸汽内燃机的单个汽缸的结构分别如图1和图2所示，具体如下：

用于改装现有普通内燃发动机的蒸汽内燃机的单个汽缸的结构如图1所示，包括汽缸1、发动机缸体2、汽缸内壁3、活塞4、发动机顶盖5、进气管6、进气阀7、燃料喷射器9、内带探针8的注水火花塞10、燃料注入接收电路11、注水控制电磁阀12、排气管传热器13、上水箱14、水泵15、下水箱16、尾气集水器17、排气管18、水位传感器19、水泵控制20、火花塞点火时限传感器21、温度计22、燃料注入时限传感器23、注水控制器25，以及空调***集水器26，其中，注水控制器25通过温度计22监测发动机温度，同时监测水位传感器19、火花塞点火时限传感器21、燃料注入时限传感器23。

用于新型发动机的蒸汽内燃机的单个汽缸的结构如图2所示，包括汽缸1、发动机缸体2、汽缸3、活塞4、发动机顶盖5、进气管6、进气阀7、燃料喷射器9、内带探针8的注水火花塞10、注水控制电磁阀12、排气管传热器13、上水箱14、水泵15、下水箱16、尾气集水器17、排气管18、以及温度计22和发动机控制模块(ECM)25’，其中，发动机控制模块25’通过温度计22监测发动机温度，同时监测水箱14的水位。

用于改装现有普通内燃发动机的蒸汽内燃机的单个汽缸在使用时，其循环从进气冲程开始的。在进气冲程中，活塞4移离发动机顶盖5形成真空，经由打开的进气阀7从进气管6抽入新鲜空气，燃料喷射器9向燃烧室内喷射可燃燃料，空气-燃料混合物的比例通常控制在14∶1以利充分燃烧。

然后开始压缩冲程，此时，活塞4向发动机顶盖5移动，并压缩空气-燃料混合物。在压缩冲程结束或者接近结束时，注水火花塞10产生电弧，点燃高压空气-燃料混合物，同时喷洒热水。

一旦混合物开始燃烧和***，做功冲程从汽缸位置的上部开始。由于向空气-燃料混合物喷洒了水，燃烧周期与在普通内燃机中常见的瞬间***相比，温度更低，也更缓慢。

排气冲程与普通内燃机相似，其中，燃料废气及蒸汽通过废气阀排出燃烧室。

废气蒸汽混合气体流过催化转换器和***，其温度在尾气管末端降到沸点以下，集水器17把水收集流进下水箱16；在气候温暖的地方使用空调时，另一集水器26则从空调***收集水。

水泵15把水从下水箱16泵入上水箱14，排气管壁则把箱内的水加热，水泵15通过高压(约150PSI)把水送进注水管，注水管也同时由排气管壁13加热。

为比较改装前的普通内燃机与改装后的蒸汽内燃机的使用效果，本申请的发明人对改装前的普通内燃机与改装后的蒸汽内燃机的汽缸压力和曲轴推力进行了比对，并将比对结果分别做成了汽缸压力曲线对比图(图3)和曲轴推力曲线对比图(图4)。

根据图3和图4的结果，与改装前的普通内燃机相比，改装后的蒸汽内燃机的汽缸压力的峰值出现更迟，其持续时间也更久，这给本发明构件带来了极大的优势；虽然压力峰值只增加了50％，但由于活塞推力与曲柄旋转扭矩之间的正弦关系，其平均推力(与功的总量相等)却增加了100％。推力转换成为双倍于普通内燃机的效率，因此，改装后的蒸汽内燃机的效率可达到40％。

在改装后的蒸汽内燃机的使用过程中，注水控制器25通过温度计22监测发动机温度，同时监测水位传感器19、火花塞点火时限传感器21、燃料注入时限传感器23(用于检测燃料注入的持续时间)，具体控制过程如下：

当发动机温度升至预设的温度，如华氏120度(°F)时，水泵15开启，燃料注入接收电路11即减少燃料注入量；火花塞点火时，注水控制电磁阀12打开一段时间，喷入足够的水，喷水量则是根据发动机温度和燃料注入量计算而来。燃料注入越多，需要的水就越多，同样表示发动机温度越高，需要的水就越多，反之亦然。在一个具体实施例中，燃料注入量大约相等于水的注入量，然而，也可以根据发动机的构造和大小改用不同的燃料-水比率。在此实施例中，由于蒸汽内燃机把效率提高了100％，燃料的注入量即可减少50％，取而代之的是等量(50％)的水；换言之，该实施例中，蒸汽内燃机只需注入一个单位的燃料，另加一个单位的水，而非注入两个单位的燃料。

其中，注水量可以用以下公式计算：

注水量＝a×f+b×(Te-Tp)

其中，f为燃料量，Te为发动机温度，Tp为预期的发动机温度，a和b为分别基于发动机大小和热动力的系数。

在上述过程中，碳氢燃料中的氢和碳在与氧结合时必须在目前带水的环境中运动反应生成氢氧自由基(OH radicals)和一氧化碳(CO)，而不是直接生成水(H₂O)和二氧化碳(CO₂)。减缓这一前段燃烧过程可以排除汽油-空气混合物燃烧过快及产生爆震的潜在可能，而在同一大小的发动机，爆震是机器加大马力的障碍之一。

同时，虽然降温后的发动机减少了废气的体积(如50％)，但是，在做功冲程中，从水蒸汽中获得的体积增量(水量的1,600倍)在燃烧室中会产生大得多的体积和压力，而这与前述的比对结果一致。

用于新型发动机的蒸汽内燃机的单个汽缸在使用时，其循环过程与用于改装现有普通内燃发动机的蒸汽内燃机的单个汽缸的循环过程基本相同，但上述两种汽缸对该过程的控制则存在有区别，主要是由于用于新型发动机的蒸汽内燃机使用发动机控制模块(ECM)25’进行控制，因此不再需要燃料注入时限感应器23、火花塞时限感应器21和燃料注入接收电路11，而是在发动机控制模块25’上加入输入来监测水箱14的水位，加入输出用于分别控制注水控制电磁阀12和水泵15，使用发动机控制模块(ECM)25’进行控制的具体过程如下：

当发动机温度升至预设的温度，如华氏120度(°F)时，水泵15开启，并减少燃料注入量；火花塞点火时，注水控制电磁阀12打开一段时间，喷入足够的水，喷水量则是根据发动机温度和燃料注入量计算而来。燃料注入越多，需要的水就越多，同样表示发动机温度越高，需要的水就越多，反之亦然。在一个具体实施例中，燃料注入量大约相等于水的注入量，然而，也可以根据发动机的构造和大小改用不同的燃料-水比率。在此实施例中，由于蒸汽内燃机把效率提高了100％，燃料的注入量即可减少50％，取而代之的是等量(50％)的水；换言之，该实施例中，蒸汽内燃机只需注入一个单位的燃料，另加一个单位的水，而非注入两个单位的燃料。

同时，在本发明提供的上述蒸汽内燃机中，使用的水源是可自生的，即是通过收集汽油燃烧的废气、喷水后产生的雾汽和空调***的凝结水而来，其中，

集水箱装于汽车较低部位，它有一组管道与尾气消音器末端连接，另一组管道与空调***相连。由于把发动机的温度控制在比传统内燃机低得多的范围，废气在通过尾气排放***、催化转换器和消音器时，迅速冷却至低于沸点华氏212度(°F)，因此，大量的水可以从尾气消音器末端获得，因此，尾气循环***(EGR)也可以简化甚至摘除。

另一构件是装在排气管旁边的较小的加热供水箱，内存的热水在向燃烧室内喷洒时会使蒸发更迅速，同时可以解决寒冬时水结冰的问题。

由于发动机在低得多的温度下运转，传统的降温***可大为精简，甚至很有可能可以摘除。

本申请中包含的某些构件对现有内燃机进行了有益的改动，达到了以下目的：(1)减少一半燃油注入，(2)在燃烧周期中喷洒小量水并在热废气中蒸发，以产生额外压力推动活塞运行。

综上所述，使用本发明提供的蒸汽内燃机，除了可以把普通汽车改换成蒸汽内燃机车，通过有效利用排放的废热把水变成蒸汽，产生额外的有用功，减少燃油的消耗和排放量，还可用于如发电机、剪草机等任何内部使用奥托循环(OttoCycle)内燃机的机器。

以上详细说明、例子和数据对制造和使用本发明的整体进行了全方位的描述；但对于可在不背离本发明的精神和范围的前提下制造的构件，也是本发明所要求保护的。

Claims

1.一种蒸汽内燃机，其特征在于，所述内燃机包括至少一个汽缸装置，所述汽缸装置包括一个燃烧室、一个往复活塞、一个进气管、一个排气管、一个燃料喷射器、一个注水火花塞和一套控制装置，所述注水火花塞用于点燃燃料-空气混合气并把水喷入燃烧室，该注水火花塞包括一个注水器，所述注水器至少部分置入所述燃烧室内，用于向燃烧室喷水，还包括一支火花塞，所述火花塞用于点燃燃烧室中可燃混合气，所述注水器置于所述火花塞内；所述控制装置在火花塞点火瞬间，根据汽缸装置特定部分的温度计算和决定喷水量。

2.如权利要求1所述的蒸汽内燃机，其特征在于，所述内燃机还包括一个集水供水***，所述集水供水***包括两个水箱、一个尾气集水器、一个空调机集水器，一个喷水控制阀、以及一个水泵，所述尾气集水器用于收集来自排气管的水，使所述水至少流进一个所述水箱，所述空调机集水器用于收集空调装置流出的水，使所述水流进至少一个所述水箱，所述喷水控制阀用于调控向燃烧室的喷水，所述水泵用于从至少一个所述水箱向喷水控制阀送水。

3.如权利要求1所述的蒸汽内燃机，其特征在于，所述内燃机还包括一个燃油喷射开关，所述燃油喷射开关，用于当发动机达到预设温限和水箱有水供喷洒时，减缩喷油量。

4.如权利要求1所述的蒸汽内燃机，其特征在于，所述控制装置用于监测发动机温度、喷油信号、火花塞点火时限、水箱水位，以及控制喷水控制阀和燃油喷射开关。

5.如权利要求1所述的蒸汽内燃机，其特征在于，所述内燃机还包括一个发动机温度传感器，所述发动机温度传感器用以传递发动机温度的指示信号，所述控制装置根据此信号确定喷水量和燃料减少量。

6.如权利要求1所述的蒸汽内燃机，其特征在于，所述内燃机还包括一个传热***，所述传热***贴近排气管，用以加热提供给注水火花塞的水。

7.如权利要求1所述的蒸汽内燃机，其特征在于，所述内燃机还包括一个控制电磁阀，所述控制电磁阀用于调控注入燃烧室的接近沸点的高压水流。

8.如权利要求1所述的蒸汽内燃机，其特征在于，所述控制装置内含一发动机控制模块，所述模块用于根据发动机温度计算注水量，同时控制燃油-空气比率、燃油注入量和火花塞点火时限。

9.如权利要求8所述的蒸汽内燃机，其特征在于，所述内燃机还包括一个集水供水***，所述集水供水***包括两个水箱、一个尾气集水器、一个空调机集水器，一个喷水控制阀、以及一个水泵，所述尾气集水器用于收集来自排气管的水，使所述水至少流进一个所述水箱，所述空调机集水器用于收集空调装置流出的水，使所述水流进至少一个所述水箱，所述喷水控制阀用于调控向燃烧室的喷水，所述水泵用于从至少一个所述水箱向喷水控制阀送水。

10.如权利要求8所述的蒸汽内燃机，其特征在于，所述内燃机还包括一个传热***，所述传热***贴近排气管，用以加热提供给注水火花塞的水。

11.如权利要求8所述的蒸汽内燃机，其特征在于，所述内燃机还包括一个控制电磁阀，所述控制电磁阀用于调控注入燃烧室的接近沸点的高压水流。

12.一个注水***，用于把调控定量的水注入内燃机燃烧室，其特征在于，所述注水***由以下部件组成：

一个注水器，所述注水器至少部分置入所述燃烧室内，用于向燃烧室喷水；

一个控制器，用于根据燃烧室内燃料点火时限和/或燃烧室一部分的温度调控注水器注入燃烧室的水量、频率和/或时长；

所述注水***还包括一支火花塞，所述火花塞用于点燃燃烧室中可燃混合气，所述注水器置于所述火花塞内。

13.如权利要求12所述的注水***，其特征在于，所述注水***还包括第一蓄水箱和一个集水器，所述集水器用于从连接燃烧室的排气管道和/或空调机接水，并把收集到的水供往所述第一蓄水箱。

14.如权利要求13所述的注水***，其特征在于，所述注水***还包括与所述第一蓄水箱通流的第二蓄水箱，所述第二蓄水箱位于所述第一蓄水箱与所述注水***之间能被所述内燃机加热的位置。

15.一种向内燃机燃烧室注水的控制方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

监测内燃机燃烧室的运行状况；

在点燃内燃机燃烧室中高压空气-燃料混合物的同时，向内燃机燃烧室注水；

根据其运行状况调控向燃烧室的注水。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述调控注水包括根据燃烧室内燃料点火时限和/或燃烧室一部分的温度调控注水器注入燃烧室的水量、频率和/或时长。