一种带热回收的高热效率六冲程内燃机及其运行方法

摘要

一种带热回收的高热效率六冲程内燃机及其运行方法，涉及往复式内燃机，更具体地，涉及装备有热回收，热循环，以及其他保存热能系统的发动机。氧或者富氧空气被用作氧化剂，从两个排气冲程中回收热量，产生过热蒸汽用于第二个动力冲程，来自冲程4的高能级排气被再循环利用。利用稀薄燃烧产生富氧的排气，其结果是非常低水平的微粒物、未燃尽碳氢化合物和一氧化碳。由于热效率提高，减少了单位功率输出的二氧化碳排放。采用氧或者富氧空气作为氧化剂，使排气所包含的氮氧化物水平非常低。发动机被隔热以保存热量，导致发动机的噪音降低。本发明的技术方案使发动机的热效率高，运行噪音低，并且排放低。

权利要求

1.一种带热回收的高热效率六冲程内燃机，包括：(a)至少一个由气缸、汽缸盖和活塞包围形成的燃烧室，活塞通过连杆与曲轴互连；其特征在于还包括：(b)连接到再循环废气导管的再循环废气进气门，所述的再循环废气进气门被配置为允许排气被再循环至燃烧室；

(c)经由氧化剂导管连接到氧化剂储罐的氧化剂喷射阀，所述的氧化剂喷射阀被配置为控制进入燃烧室的氧化剂的流量；

(d)连接到燃料导管的燃料喷射阀，所述的燃料喷射阀被配置为控制进入燃烧室的燃料的流量；

(e)在燃烧室内提供接近燃烧室上止点使燃料和氧化剂混合物点燃的手段；

(f)经由燃烧排气导管将燃烧室与热回收系统相连的燃烧排气门；

(g)连接到过热蒸汽导管的过热蒸汽门，所述的过热蒸汽门被配置为控制从热回收系统去往燃烧室的过热蒸汽的流量；

(h)经由蒸汽排气导管将燃烧室与热回收系统相连的蒸汽排气门，所述的蒸汽排气门被配置为控制来自燃烧室的蒸汽排汽的流量；以及(i)配置为产生过热蒸汽和冷却的燃烧排气气体的热回收系统，过热蒸汽经由过热蒸汽导管返回到燃烧室，冷却的燃烧排气气体经由再循环废气导管返回到燃烧室；所述的热回收系统包括：(a)蒸汽过热器换热器，它被配置为经由燃烧排气导管接收来自冲程4的燃烧排气，并且使该燃烧排气与来自蒸汽导管的蒸汽换热，以产生经由过热蒸汽导管返回到燃烧室的过热蒸汽；

(b)蒸发器换热器，它被配置为经由初步冷却排气导管接收来自蒸汽过热器换热器的初步冷却的燃烧排气，并且使该初步冷却的燃烧排气与来自部分加热水导管的部分加热水换热；

(c)排气换热器，它被配置为经由再度冷却排气导管接收来自蒸发器换热器的再度冷却的燃烧排气，并且冷却该再度冷却的燃烧排气，作为再循环废气经由再循环废气导管返回到燃烧室；

(d)热回收换热器，它被配置为经由蒸汽排气导管接收来自冲程6的部分减压蒸汽，并且使该部分减压蒸汽与来自水管的水换热；

(e)冷凝器换热器，它被配置为经由初步冷却蒸汽导管接收来自热回收换热器的部分减压冷却蒸汽，并且使该部分减压冷却蒸汽冷凝为水，储存在冷凝蒸汽储罐中；以及(f)不凝物真空泵，它被配置为经由不凝物导管除去冷凝蒸汽储罐储水面之上的蒸汽空间内的不凝气体，并且将所述的不凝气体排放到大气中去。

2.根据权利要求1所述的六冲程内燃机，其特征在于燃料与氧化剂混合物的点火由燃烧室内的压缩所产生的热量与温度所激发。

3.根据权利要求1所述的六冲程内燃机，其特征在于燃料与氧化剂混合物的点火由火花塞的放电所激发。

4.根据权利要求1所述的六冲程内燃机，其特征在于所述的燃料是碳氢化合物与氢的混合物，其范围为从100％碳氢化合物至100％氢。

5.一种用于权利要求1所述的六冲程内燃机的运行方法，所述的内燃机具有在气缸内作往复运动的活塞，并且驱动曲轴形成六冲程循环，该方法包括以下步骤：S1：执行冲程1循环，包括：

(a)第一项动作：活塞在气缸内部朝着曲轴的方向移动，再循环废气进气门打开，氧化剂喷射阀可控地对进入燃烧室的氧化剂节流，同时，燃料喷射阀、蒸汽排气门、过热蒸汽门和燃烧排气门保持关闭状态，(b)第二项动作：在活塞行程接近终点时，再循环废气进气门和氧化剂喷射阀两者都关闭；

S2：执行冲程2循环，包括：

(a)第一项动作：活塞在气缸内部朝着远离曲轴的方向移动，对再循环废气与氧化剂的混合物进行压缩，同时，再循环废气进气门、氧化剂喷射阀、蒸汽排气门和燃烧排气门保持关闭状态，燃料喷射阀可控地对进入燃烧室的燃料节流，形成燃料与氧化剂的可燃混合物，(b)第二项动作：当活塞接近其远离曲轴方向移动的终点时，燃料与氧化剂的燃烧被激发；

S3：执行冲程3循环，包括：

(a)第一项动作：再循环废气进气门、燃料喷射阀、氧化剂喷射阀、蒸汽排气门、过热蒸汽门和燃烧排气门保持关闭状态，由于燃料与氧化剂混合物的燃烧膨胀，活塞朝着曲轴的方向移动，(b)第二项动作：当活塞接近其朝着曲轴方向移动的终点时，燃烧排气门打开；

S4：执行冲程4循环，包括：

(a)第一项动作：随着活塞向远离曲轴方向推进，燃烧废气通过打开的燃烧排气门排出，进入热回收系统，该第一项动作在活塞接近其远离曲轴移动的终点时结束，(b)第二项动作：在接近活塞上止点时燃烧排气门关闭，(c)第三项动作：在接近活塞远离曲轴移动的终点时，过热蒸汽门打开，可控地量测进入燃烧室的过热蒸汽的量；

S5：执行冲程5循环，包括：

(a)第一项动作：过热蒸汽门关闭，所述的过热蒸汽在燃烧室内施加压力，推动活塞朝着曲轴方向移动，(b)第二项动作：在接近活塞朝着曲轴方向移动的终点时，蒸汽排气门打开；

S6：执行冲程6循环，包括：

(a)第一项动作：随着活塞向远离曲轴方向移动，燃烧室内的蒸汽通过蒸汽排气门排出，进入热回收系统，(b)第二项动作：在接近活塞远离曲轴方向移动的终点时，蒸汽排气门关闭，(c)第三项动作：在接近活塞远离曲轴方向移动的终点时，再循环废气进气门打开。

6.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于所述的热回收系统利用燃烧排气和蒸汽排气加热水和蒸汽，产生过热蒸汽和冷却的排气并将其返回到发动机。

7.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于来自发动机冲程4的燃烧排气经由燃烧排气导管排出到蒸汽过热器换热器，并且利用该燃烧排气的热量使蒸汽过热后再返回到燃烧室去。

8.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于来自发动机冲程6的蒸汽排气经由蒸汽排气导管排出到热回收换热器，并且利用该蒸汽排气的热量预热流向热回收换热器的水，该预热水接着依次流向蒸发器换热器和蒸汽过热器换热器。

说明书

一种带热回收的高热效率六冲程内燃机及其运行方法

技术领域

[0001] 本发明一般地涉及往复式内燃机，更具体地，涉及装备有热回收，热循环，以及其他保存热能系统的发动机。本发明还涉及单位产出功率的二氧化碳、未燃尽碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物比排放量减少的往复式内燃机。

背景技术

[0002] 内燃机(IC)有远超一百年的历史。最早的有关四冲程火花点火(SI)发动机的美国专利于1877年8月14日授权给Nicolaus Otto。更早的一项有关四冲程发动机的专利在德国授权给Otto。此后几年发明了压缩点火(CI)发动机，即柴油机。与许多年后出现的转子发动机不同，内燃机给我们的社会带来动力，几乎到处可见。这些发动机一直以来主要都是二冲程和四冲程的类型。

[0003] 多年来已经对SI和CI发动机做了许多改进，以提高它们的热效率，减少微粒物的排放和有害化学物的排放，尤其是未燃尽碳氢化合物(HC)，一氧化碳(CO)，以及混合氮氧化物(NOx)的排放。火花点火式发动机的热效率在这段时间内已经从10％以下上升到日常使用时的32％左右。一项研究表明，一台燃烧未掺杂甲醇并经优化过的四冲程SI内燃机的热效率达到了43％，参见Matthew Brusstar等，“燃烧未掺杂醇燃料的进气口喷射发动机的高效率及低排放”(“High Efficiency and Low Emission from a Port-Injected Engine with Neat Alcohol Fuels”)，SAE论文2002-01-2743，2002。这种高效率有可能是通过改进发动机而利用与汽油相比辛烷值更高的酒精作为燃料来实现的。大型船用低速CI发动机的热效率已经达到52％至57％，比如像MAN S80ME-C7，其单位燃耗为156–168克燃料/Kwh。像这样的效率是峰值或者是最大值，而非平均效率。正在开发中的发动机声称其热效率可达60％，但并未商业化。IC发动机的重量与其输出功率之比在此期间内也已经降低了下来，这样就能使它们用于从需要高功率输出的运输工具直至手工工具和模型飞机。

[0004] 往复式内燃机(IC)总是包含一个或多个气缸。在每个气缸内，往复式运动的活塞与一根曲轴相连，它将活塞的往复运动转化成圆周运动。常规的IC发动机运行方式为四冲程，它们包括空气或氧化剂进气冲程，压缩冲程，动力冲程或燃烧冲程，以及排气冲程。它们组成了一个完整的循环。二冲程IC发动机也很普通，但与四冲程发动机相比，它们的效率较低，排放出更多的有害化学物质。

[0005] 内燃机的主要问题是热效率低，还排放出微粒物，未燃尽碳氢化合物(HC)，一氧化碳(CO)，和氮氧化物(NOx)。热效率是发动机输出的有用功除以输入给发动机的热量，它主要是燃油燃烧时的低位发热量加上空气带入的热量。用于汽车的SI发动机的峰值热效率约为32％，但是，同样的一台发动机在正常工况下的热效率可能只有15％至20％，甚至更低。热效率为20％时，输入热能的80％未被转化成有用功而作为废热被废弃掉了。该热量在常规的发动机里通过排气，汽缸壁，以及冷却系统被损失掉，而不论发动机是风冷的还是液冷的。发动机内的摩擦也占了发动机总功输出的10％至25％。这种摩擦最终以热的形式离开发动机，所以，这种摩擦已经包括在峰值效率数字中了。有各种提高发动机热效率的方法，但是每种情形都得权衡折衷。提高发动机的压缩比可以提高发动机的效率，但它受制于燃料的燃烧特性。也可以改变空燃比。此时可以利用低于理论配比的燃料；这意味着有过量空气存在。这种情形下的燃烧会在排气中产生过多的NOx。NOx是燃料在与高浓度的氮和一些氧一起高温燃烧的结果。较低的燃烧温度并结合少些的氮可能会大大降低或基本上消除NOx的生成。也可以在高于理论配比的情况下燃烧，这样就产生了带有微粒物，未燃尽碳氢化合物(HC)，一氧化碳(CO)的排气。在当今的SI发动机中，对于目前的后处理催化剂，空燃比必须符合理论配比，以使排放满足或优于政府的强制规定。

[0006] 还有其他提高IC发动机热效率的方法。它们包括涡轮增压，机械增压，热量回收，排气压力减低两倍或三倍，进气口燃油喷射，直接燃油喷射，均匀充气压缩点火，以及其他的点火机制。可以举出几项正在进行中的研究，如可变气门正时，无凸轮气门驱动，以及气缸暂停。这些技术已经和正在提高热效率，但这些成果需要以更快的速度出现。人们需要热效率的范式转变和排放的降低，本发明提供了这二者。

[0007] 已经出现了许多类型的致力于提高热效率的四冲程IC发动机。其他人已经认识到四冲程发动机的这种缺陷并已经跨出步子来回收和再利用这种热量。这些努力导致将冲程数从四个增加到六个或八个或者更多。在六冲程发动机中，冲程1至冲程4通常包含氧化剂吸气，压缩，做功或燃烧，以及排气，像常规的四冲程发动机一样。冲程5和冲程6，以及不那么经常地，冲程3和冲程4，根据本发明和发明者的目的而加以改变。将一种流体，不论是水，空气还是蒸汽，喷射到冲程5中以回收部分留在气缸，活塞和汽缸盖中的热量。留在气缸，活塞和汽缸盖的金属中的热量，使所述的流体膨胀或蒸发而被增压，无需消耗额外的燃料就。在加入水的情形下，水被蒸发变成蒸汽，其压力取决于温度和包含在气缸，活塞和汽缸盖的金属中的热量。这产生了额外的动力冲程而无需加入额外的燃料。有时会利用热水而非冷水，这样就使在冲程5的过程中发挥出更高的压力，因而可做更多的功。冲程6为排气冲程，将被蒸发的水或者被加热的流体从气缸中排出去，然后再重复氧化剂吸气冲程。当然，本技术方案有各种其他变型，但所有的变型都是在发动机的六个冲程内给出一个第二个动力冲程。

[0008] 专利文献中有许多关于六冲程发动机的例子。专利文献中也有一些在CI和SI内燃机燃烧室中使用蒸汽和水，将富氧空气和纯氧作为氧化剂，以及采用热回收系统的例子。这些专利全都没有以本发明同样的方法来利用这些元素。

[0009] 本发明所描述的六冲程发动机的冲程2和冲程4与其他的四冲程或六冲程发动机相同；然而，冲程1，3，5和6是不同的。以下的附图及说明将清楚地表明这些差异，以及本发明的六冲程发动机较现有技术的优势。

发明内容

[0010] 本发明提供了一种高效的往复式六冲程内燃机以及该发动机六个不同冲程的运行方法。其中包括从排气冲程4和6回收和再利用热量的方法，它增加了该发动机的输出功而无需额外的燃料。通常由发动机水套和散热器带走的热量也在废热回收系统中被回收和再利用。冲程1所使用的氧化剂已经被改进，以减少经由冲程4排气气流的热损失，并使排气有更强的再循环。通过去除几乎所有的氮，二氧化碳和水来富集空气，产生所述的氧化剂。使氧化剂富集至基本上为纯氧或者含氧量超过80％，意味着排气中的氧浓度可以单独控制使排气中存在过量的氧。这种氧化剂中的高氧浓度使得碳氢化合物排气气体中的氧浓度成为一个独立变量。排气中的过量氧使几乎所有的碳氢化合物和一氧化碳被氧化成二氧化碳和水。由于过量的氧可以进一步将微粒氧化，也使得微粒物弱化，进而减少或消除它们。从氧化剂中去除氮意味着在发动机的排气中实际上没有NOx。本发明以及它所包含的运转方法导致发动机大大提高的热效率以及大大降低的排放。所述的六冲程发动机包括一个曲轴箱，至少一根旋转的曲轴，以及将一个或多个活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动的连杆。这些活塞在配置气门的气缸中往复运动，用于所述发动机的六个不同的冲程。它们是冲程1:带有或不带有再循环废气的氧化剂进气；冲程2:燃油喷射压缩；冲程3:燃油燃烧，结果产生动力冲程一；冲程4:排气至热回收系统；冲程5:将过热蒸汽喷射至气缸中，结果产生动力冲程二；以及冲程6:将蒸汽排气至热回收系统。发动机，各部分之间的导管以及热回收系统都进行了良好的保温隔热处理以有实效地留住尽量多的热量。这种保温隔热也吸收了噪音，从而产生了一种低噪音发动机。来自所述发动机的冲程4和冲程6的两股排气去往热回收系统，热量在热回收系统中被回收并以过热蒸汽形式再循环至冲程5。由于过热蒸汽的利用率是有限的，所以其流动必须受到控制。采用过热蒸汽而不采用饱和蒸汽可以减少或消除该蒸汽在燃烧室里的冷凝。一部分来自冲程4的排气在经由热回收之后被再循环至冲程
1。被回收的热量以过热蒸汽的形式回到系统中被转化为功而无需额外的燃料。本发动机可使用的燃料包括碳氢化合物，氢，或者它们的混合物。碳氢化合物包括但不限于天然气，重整气，甲烷，乙烷，丁烷，丙烷，醇类，汽油，喷气式发动机燃料，柴油机燃油，燃料油，磨细的无灰煤。可以将煤溶解在碳氢化合物燃料中以便在进入发动机之前将煤的灰分过滤掉。含有溶解了的煤的碳氢化合物燃料仍可以称为碳氢化合物。

[0011] 本发明还提供一种内燃机的运行方法，所述的内燃机具有在气缸内作往复运动的活塞，并且驱动曲轴形成六冲程循环，该方法包括以下步骤：

[0012] S1：执行冲程1循环，包括：

[0013] (a)第一项动作：活塞在气缸内部朝着曲轴的方向移动，再循环废气进气门打开，氧化剂喷射阀可控地对进入燃烧室的氧化剂节流，同时，燃料喷射阀、蒸汽排气门、过热蒸汽门和燃烧排气门保持关闭状态，

[0014] (b)第二项动作：在活塞行程接近终点时，再循环废气进气门和氧化剂喷射阀两者都关闭；

[0015] S2：执行冲程2循环，包括：

[0016] (a)第一项动作：活塞在气缸内部朝着远离曲轴的方向移动，对再循环废气与氧化剂的混合物进行压缩，同时，再循环废气进气门、氧化剂喷射阀、蒸汽排气门和燃烧排气门保持关闭状态，燃料喷射阀可控地对进入燃烧室的燃料节流，形成燃料与氧化剂的可燃混合物，

[0017] (b)第二项动作：当活塞接近其远离曲轴方向移动的终点时，燃料与氧化剂的燃烧被激发；

[0018] S3：执行冲程3循环，包括：

[0019] (a)第一项动作：再循环废气进气门、燃料喷射阀、氧化剂喷射阀、蒸汽排气门、过热蒸汽门和燃烧排气门保持关闭状态，由于燃料与氧化剂混合物的燃烧膨胀，活塞朝着曲轴的方向移动，

[0020] (b)第二项动作：当活塞接近其朝着曲轴方向移动的终点时，燃烧排气门打开；

[0021] S4：执行冲程4循环，包括：

[0022] (a)第一项动作：随着活塞向远离曲轴方向推进，燃烧废气通过打开的燃烧排气门排出，进入热回收系统，该第一项动作在活塞接近其远离曲轴移动的终点时结束，[0023] (b)第二项动作：在接近活塞上止点时燃烧排气门关闭，

[0024] (c)第三项动作：在接近活塞远离曲轴移动的终点时，过热蒸汽门打开，可控地量测进入燃烧室的过热蒸汽的量；

[0025] S5：执行冲程5循环，包括：

[0026] (a)第一项动作：过热蒸汽门关闭，所述的过热蒸汽在燃烧室内施加压力，推动活塞朝着曲轴方向移动，

[0027] (b)第二项动作：在接近活塞朝着曲轴方向移动的终点时，蒸汽排气门打开；

[0028] S6：执行冲程6循环，包括：

[0029] (a)第一项动作：随着活塞向远离曲轴方向移动，燃烧室内的蒸汽通过蒸汽排气门排出，进入热回收系统，

[0030] (b)第二项动作：在接近活塞远离曲轴方向移动的终点时，蒸汽排气门关闭，[0031] (c)第三项动作：在接近活塞远离曲轴方向移动的终点时，再循环废气进气门打开。

[0032] 本发明的内燃机运行方法的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的热回收系统利用燃烧排气和蒸汽排气加热水和蒸汽，产生过热蒸汽和冷却的排气并将其返回到发动机。

[0033] 本发明的内燃机运行方法的一种改进的技术方案，其特征在于来自发动机冲程4的燃烧排气经由燃烧排气导管排出到蒸汽过热器换热器，并且利用该燃烧排气的热量使蒸汽过热后再返回到燃烧室去。

[0034] 本发明的内燃机运行方法的一种优选的技术方案，其特征在于来自发动机冲程6的蒸汽排气经由蒸汽排气导管排出到热回收换热器，并且利用该蒸汽排气的热量预热流向热回收换热器的水，该预热水接着依次流向蒸发器换热器和蒸汽过热器换热器。

[0035] 本发明的带热回收的高热效率六冲程内燃机的运行方法，产生了一种更高热效率的发动机。本发明有若干优点：最明显的优点包括需要更少的燃料来输出功，相对于所输出的功，包括二氧化碳在内的有害物质排放更少，以及噪声更低。

附图说明

[0036] 附图包括单个气缸和活塞的发动机的侧视截面简图，这些附图图解式地描绘了六个不同的冲程，以及热回收和再循环系统。附图还包括两种通过富集空气提供高氧浓度氧化剂的方法，以及一种采用低温空气分离制取的氧的方法。在后一种方法中的氧是来自外部供应源的液氧。本发明可适用于火花塞点火(SI)和压缩点火(CI)的发动机。在包含有火花塞的情形下，应该理解为它指的是SI发动机，当未包含有火花塞时则指的是CI发动机。为明确起见，除了图1b之外，所有附图中都包含有火花塞。所述的六冲程发动机及其关联部件均进行了良好的隔热以有实效地留住尽量多的热量。为清晰起见，隔热未在图中显示出来。

[0037] 图1描绘了带有热回收和再循环的六冲程发动机，但未包含氧化剂供应系统。该图的主要目的是简要地描述热回收系统。接下来描述各个冲程。来自冲程4的热气体排气进入蒸汽过热器换热器与蒸汽换热产生过热蒸汽。初步冷却的热排气气体随后经由蒸发器换热器进一步回收热量。经再度冷却或未经再度冷却的一初步冷却的排气气体，被再循环至冲程1。过热蒸汽在冲程5被用来形成第二个动力冲程。来自冲程5的乏蒸汽在冲程6被排气至第二套换热器以进一步回收热量，随后再通过一个冷凝器将蒸汽转换回液态。在将该液态水再加热后重新利用之前，要除去不可冷凝的气体。富氧空气或者实质上是纯氧被用作燃料的氧化剂，与使用空气相比，富氧氧化剂的使用有若干明显的优点。这些优点包括由于减少了排气中的热损失而提高了热效率。同时还减少了微粒物，二氧化碳，一氧化碳，未燃尽碳氢化合物。燃烧温度低和氮含量低使NOx排放减少。还有一个优点是冲程4排气中的氧含量可以单独控制，与燃料化学计量燃烧所需氧量无关。另一个优点是可以通过改变燃料与氧化剂和再再循环废气的比例控制燃烧温度。

[0038] 图1a描绘了不带热回收系统的发动机的第一个冲程。在该冲程中，曲轴从0°旋转到180°(从活塞上止点TDC到发动机下止点BDC)。该图以及接着的图2至图6显示了活塞，气缸，汽缸盖，燃烧室，四个不同的阀，火花塞或者其他的点火装置，喷油阀，氧化剂喷射阀，导管，连杆和曲轴。该冲程传统上被业内人士描述为进气冲程。在该冲程期间，氧化剂与再循环的排气一起进入气缸。

[0039] 图1b描绘与图1a相同的第一个冲程，但这是一台压缩点火发动机(CI)，没有火花塞。应当理解的是本发明对火花点火式发动机和压缩点火式发动机都适用。

[0040] 图2描绘了该发动机的第二个冲程。在该冲程内，曲轴从180°旋转至360°(从BDC至TDC)。先前进入的氧化剂和再循环的排气被压缩，当活塞接近360°(TDC)时燃料被加入。火花塞可能在TDC之前一点被激发，但为简化起见，这在下一张图中显示出来。

[0041] 图3描绘了第三个冲程，它发生在曲轴在360°和540°之间旋转时(从TDC至BDC)。在曲轴转角接近360°时火花塞被激发。在这种情形下的接近应当被理解成在360°之前的50°与360°之后的50°之间(310°至410°)。这造成了被压缩的燃料和氧的点火并驱动活塞往下运动,曲轴旋随之转至540°的位置(BDC)。由燃料和氧的点火所引发的完全燃烧和膨胀在该冲程期间完成。在该冲程期间燃料可能喷射数次。这形成了该本发动机的两个动力冲程中的第一个。

[0042] 图4描绘了第四个冲程，它发生在曲轴在540°和720°之间旋转时(从BDC至TDC)。由点火产生的热气体被排气至蒸汽过热器换热器。

[0043] 图5描绘了第五个冲程，它发生在曲轴在720°和900°之间旋转时(从TDC至BDC)。过热蒸汽在该冲程的早期进气，有可能还稍在TDC之前进气，它驱动活塞往下运动,曲轴随之旋转至900°的位置(TDC)。这形成了本发动机的第二个动力冲程。在燃烧室内采用过热蒸汽而非饱和蒸汽，减少了蒸汽在该冲程期间发生冷凝的可能性。

[0044] 图6描绘了当曲轴在900°和1080°之间(从BDC至TDC)旋转时的第六个冲程，即最后一个冲程。来自本冲程的排气去往热回收换热器。

[0045] 图7描绘了产生富氧空气的装置，这里显示的是包含分子筛，也称之为沸石的真空变压吸附器(VPSA)。还有其他使空气富氧的方法，但本方法广为实施，设备较小，能效较高。这一空气分离技术是不受专利权限制的。空气进入该装置被过滤和压缩。经压缩的空气被送入一个或多个包含吸附剂的床层，吸附剂优选优先吸附氮或者氧的分子筛，而不未被优先吸附的气体则流经所述的床层。在所示的情形中，氮是气体中被优先吸附的组分。当一个或多个床层在处理经由滤压缩的空气的同时，另一个或多个床层则在被再生。采用真空从正进行再生的分子筛床层中除去所吸附的氮。离开分子筛床层的气体主要是氧和氩，被储存在压力储气筒中给内燃机使用。绝大部分的二氧化碳和水也从进入的空气中被吸附并去除。

[0046] 图8描绘了变压吸附器(PSA)，它能产生可用作本发明中的氧化剂的富氧空气。该PSA装置利用压缩机通过空气滤清器将周围的环境空气吸进来。所述的PSA装置由一个或多个也称之为分子筛的沸石床层组成。分子筛或者其他合适的吸附剂从空气中优先吸附氮，二氧化碳和水，而氧和氩则穿过床层被储存起来。氧化剂从储气筒流入发动机。利用两个或多个吸附剂床层，当一个床层在压缩空气穿过该床层时吸附氮，二氧化碳和水的同时，另一个床层则在床层中的气体泄压期间被再生。

[0047] 图9描绘了实质上是纯氧的储罐，所述的纯氧来自外部供应源。典型地，这种氧是通过低温空气分离获得的。如果氧化剂来自低温空气分离，则实质上纯氧被用作本发明发动机的氧化剂。

[0048] 以上图中的各部件的标号：

[0049] 1 活塞

[0050] 2 气缸

[0051] 3 燃烧室

[0052] 4 再循环废气导管

[0053] 5 再循环废气进气门

[0054] 6 火花塞

[0055] 7 燃料喷射阀

[0056] 8 燃料导管

[0057] 9 氧化剂喷射阀

[0058] 10 进入富氧空气发生器的进气

[0059] 11 空气滤清器

[0060] 12 压缩机

[0061] 13 吸附剂床

[0062] 14 真空泵

[0063] 15 富氮空气导管

[0064] 16 氧化剂储罐

[0065] 17 氧化剂导管

[0066] 18 氧化剂注入管

[0067] 20 蒸汽排气门

[0068] 21 蒸汽排气导管

[0069] 21a 初步冷却蒸汽导管

[0070] 21b 冷凝蒸汽储罐

[0071] 23 过热蒸汽门

[0072] 24 燃烧排气门

[0073] 25 燃烧排气导管

[0074] 25a 初步冷却排气导管

[0075] 25b 再度冷却排气导管

[0076] 26 汽缸盖

[0077] 27 连杆

[0078] 28 曲轴

[0079] 30 循环水泵

[0080] 30a 水管

[0081] 30b 部分加热水导管

[0082] 30c 蒸汽导管

[0083] 30d 过热蒸汽导管

[0084] 31 蒸汽过热器换热器

[0085] 32 蒸发器换热器

[0086] 33 热回收换热器

[0087] 34 冷凝器换热器

[0088] 35 排气换热器

[0089] 36 排气排出导管

[0090] 37 冷却水供水管

[0091] 38 冷却水回流管

[0092] 40 不凝物真空泵

[0093] 41 不凝物导管。

具体实施方式

[0094] 为简单起见,描述本发明的附图仅以在一个气缸内与一根曲轴连接在一起的一个活塞为例加以图示说明。本发明可利用任意数目的气缸和活塞以及多根曲轴。附图是说明性的而不是按比例绘制，它示意地描绘了该发动机以及该发动机的运行方法。该发动机可以是火花点火式的(SI)，压缩点火式的(CI)，SI与CI的结合，或者利用一些其他的手段来点燃可燃烧的混合物。用于该发动机的燃料包括所有的碳氢化合物，溶解在碳氢化合物中的脱除了灰分的煤，以及氢或者他们的混合物。当然，应当充分了解，气缸2，汽缸盖26，连接导管4、17、21、21a、25、25a、25b、30a、30b、30c和30d，泵30，以及换热器31、32、33、34和35都经由保温隔热处理以保留住热量。这种保温隔热也吸收了噪音，从而产生了一种低噪音发动机。为清晰起见，图中未显示所述的保温隔热。包含火花塞的地方暗示它是SI发动机，未包含有火花塞的地方暗示它是CI发动机。实际上，CI发动机可能会包含火花塞或其他装置以确保在发动机转动的某个预定点上点火。为明确起见，除了图1b，7，8，和9之外，所有附图中都包含有火花塞。

[0095] 图1是一剖视图，它显示了在气缸2内的活塞1、汽缸盖26及与之相关的气门及喷射阀，蒸汽过热器换热器31、蒸发器换热器32、热回收换热器33、冷凝器换热器34和排气换热器35，循环水泵30、不凝物真空泵40，以及连接导管4、8、17、21、21a、25、25a、25b、30a、30b、30c、30d、37、38和41，以及储水罐21b。图1将被用于描述热回收系统。本发动机的六个不同的冲程将利用图1a，1b，2，3，4，5，和6来详细描述。该图中的换热器都是以管壳式换热器来图示，但决不应该用这种图示方式将换热器限制在这种形式的设备。其他可以用作换热器的包括板框式，螺旋式，套管式，焊接板式或钎焊板式，扩展表面式以及其它的换热器。换热面被显示在组合体内，但每个换热面可以在其各自主体内，或者同样的功能可以扩展到多个主体上。如图4所示，冲程4期间的第一次发动机排气进入热回收系统，它经由燃烧排气导管25进入蒸汽过热器换热器31的壳程。发动机产生的热量与经由蒸汽导管30c进入31管程的蒸汽发生热交换。该过热蒸汽经由过热蒸汽导管30d离开31管程，当过热蒸汽门23打开时它经由23返回到发动机。初步冷却的发动机排气，经由初步冷却排气导管25a离开31的壳程，进入蒸发器换热器32。再度冷却的排气经由再度冷却排气导管25b离开32的壳程。经由
25b的排气随后进入排气换热器35，根据发动机做功的需要，排气换热器35可以工作或不工作。通过控制冷却水供水管37的流量及其流过冷却水回流管38的回流，将流经25b的发动机所产生的热量移除。来自35的被冷却或未被冷却的排气被分成两股。一部分被冷却的排气将经由再循环废气导管4返回到发动机，剩下的则经由排气排出导管36排放。在发动机做功需求低时，绝大部分的排气将再循环回至发动机。发动机产生的热量通过25a与进入蒸发器换热器32管程的水进行热交换。这股水流从部分加热水导管30b进入32的管程。如图6所示，冲程6期间产生进入热回收系统的第二次发动机排气，它从蒸汽排气导管21进入热回收换热器33的壳程。发动机所产生的热量通过导管21，与经由水管30a进入33管程的水进行热交换，水由循环水泵30进行加压。初步冷却的蒸汽经由初步冷却蒸汽导管21a离开换热器33的壳程，进入冷凝器换热器34的管程，在那里蒸汽冷凝成水并被储存在冷凝蒸汽储罐21b中。
利用经由冷却水供水管37进入换热器34壳程的水流及其经由冷却水回流管38的回流，将经由导管21a的热量移除。这股水流将通过水冷式内燃机常见的散热器类型的冷却系统再循环。散热器水冷系统未在图中表示是因为业内人士非常熟悉这类冷却系统的缘故。利用循环水泵30通过水管30a将储罐21b里的水再循环回到热回收换热器33的管程。会有一些不凝气体与来自导管21a的蒸汽混合在一起，这些气体将通过不凝物真空泵40被除去，经由不凝物导管41排放到大气中，

[0096] 图1a是一剖视图，它显示了在气缸2内的活塞1，完整地配置有气门，喷射阀，以及可用于火花点火式发动机的火花塞6。该图描绘了业内人士称之为进气冲程的内燃机的第一冲程。本冲程始于曲轴28位于曲轴转角0°时(TDC)，直至曲轴28旋转至180°时(BDC)。活塞1在气缸2内往复运动，这种往复运动引起燃烧室3容积的变化。活塞通过连杆27与曲轴28相连。件1、27和28的组合体将活塞的往复运动转化成曲轴28的旋转运动。当再循环废气进气门5打开且活塞1下行时，再循环废气导管4使排气进入燃烧室3。为稍后喷入的燃料所馈送的氧气，通过氧化剂导管17经由氧化剂喷射阀9加入燃烧室3。当活塞1到达活塞旋转角180°时，也称之为发动机下止点(BDC)，活塞1停止向下的运动。BDC是燃烧室3容积最大的点。气门5在曲轴角接近180°时关闭，如此完成了冲程1，使燃烧室充满了氧化剂与再循环废气的混合物。在本发明的说明中，涉及到气门的开或关，或者火花塞的点火，“接近”的意思是指曲轴转角的±50°。对于以上的示例，气门5在早至曲轴转角130°(180°-50°)时开始关闭，在迟至曲轴转角230°(180°+50°)时完全关闭。

[0097] 除了未包括火花塞6之外，图1b所描绘的情形与发生在图1a中的一样。该图描绘的是压缩点火式发动机而不是火花点火式发动机。压缩点火式发动机的燃烧室里气体压缩产生的温度，足以点燃用于此种发动机的燃料。

[0098] 图2描绘了称之为压缩冲程的内燃机第二冲程。本冲程始于曲轴位于曲轴转角180°时，直至曲轴转角至360°时。本冲程期间，气门5、20、23和25都保持关闭，同时，燃烧室内建立压力。可以利用各种不同的方法将燃料加到氧化剂与再循环废气的混合物中去，这些方法都为业内人士所熟知。这些方法包括采用化油器，将燃料在进气门之前喷射到进入燃烧室的气体中去，以及将燃料直接喷射到燃烧室中去。前两种将燃料引入到氧化剂中的方法未在图中示出。在优选的实施例中，图示和描述了第三种方法。在本冲程期间，燃料经由燃料导管8通过燃料喷射阀直接加入到燃烧室3中。随着曲轴接近360°，本冲程接近终点，火花塞6被激发，所产生的电弧开始了迅速燃烧或氧化过程。火花可以在曲轴转过360°之后延迟点火，但在任何情形下，几乎所有的燃料与氧气的爆发效应出现在冲程3中。

[0099] 图3描绘了称之为动力冲程的内燃机的第三个冲程。在本发明的情形下，这是动力冲程一，因为有两个动力冲程。本冲程始于曲轴转角360°直至曲轴转角540°。在本冲程期间，气门5、20、23和24保存关闭，但是，燃料可以在本冲程期间喷射数次。在燃料与氧气一起燃烧的时候，燃烧室3内的温度和压力迅速升高。该压力施加在活塞1的暴露面上，随其在气缸2内下行而做功。燃料燃烧释放出的热能以这种方式转化为功。连续地获得动力直至曲轴转角到达540°。曲轴转角接近540°时，燃烧排气门24开始打开，将热的废气释放进燃烧排气导管25。因为燃烧排气门24在冲程4的整个过程中几乎一直保持打开，所以该气门在图4中画成打开的。

[0100] 图4描绘了称之为排气冲程的内燃机的第四个冲程。在本发明的情形下，这是排气冲程一，因为有两个排气冲程。本冲程始于曲轴转角540°，直至曲轴转角720°。本冲程期间，燃烧排气门24保持打开，使热的排气经由燃烧排气导管25，进入先前在图1中所描述的蒸汽过热器换热器31。排气持续进行直至曲轴转到720°。在本冲程的后期，曲轴转角接近720°时，燃烧排气门24开始关闭，为冲程5做好准备。在冲程4的终点，由于汽缸盖26的金属，气门和喷射阀，活塞1，气缸2的温升，以及燃烧室3里残留的燃烧气体，还有热量保留下来。这些热量的一部分将在冲程5期间被转化为动力，

[0101] 图5描绘了本六冲程内燃机的第五个冲程，它是第二个动力冲程。本冲程始于曲轴转角720°，直至曲轴转角900°。气门5、20和24保持关闭，同时控制过热蒸汽门23，让来自蒸汽过热器换热器31的过热蒸汽从过热蒸汽导管30d进入燃烧室3。随着活塞被推向曲轴，进入燃烧室的过热蒸汽做了额外的功。过热蒸汽可用量受限于能量平衡，所以必须控制其流量。过热蒸汽是温度高于其在测温部位绝对压力下的汽化点或沸点的蒸汽或水蒸气。过热蒸汽优于饱和蒸汽，因为不希望有水在燃烧室里冷凝出来。在汽缸盖26的金属，活塞1，气门5、20、23和24，火花塞6，喷射阀7和9，以及气缸2里保留的一部分热量，也被用作热源。这些来自金属壁的热量还降低了蒸汽在燃烧室里冷凝出来的可能性。发动机在本冲程期间被冷却。这些来自包围着燃烧室的金属的发动机热量，被转化成做功而不是通过发动机的冷却水套被废弃。因此，本发动机不需要气缸外的水套，

[0102] 图6描绘了本六冲程内燃机的第六个冲程，它是第二个排气冲程。本冲程始于曲轴转角900°，直至曲轴转角1080°。在本冲程中，排气主要是蒸汽而非燃烧产物。蒸汽排气门在本冲程期间完全打开，让低压蒸汽经由蒸汽排气导管21排出，沿其途径送往如前所述的热回收换热器33，

[0103] 图7描绘了真空变压吸附器(VPSA)，它能产生在本发明中用作氧化剂的富氧空气。任何来源的富氧空气或者甚至纯氧都适合于本发明的运行，并不限于VPSA。富氧空气或纯氧中的氧气是燃料的氧化剂，而其他低浓度组分，包括氩、二氧化碳、和水蒸气，通过发动机而不发生反应。VPSA是一种优选的制取富氧空气的方法，其氧浓度在80至97％。氧化剂中的氧浓度越高，导致再循环至冲程1的排气越多，从而获得更高的热效率，并且排气中的NOx含量更低。通过控制燃烧温度，防止了富氧空气中低浓度的氮发生反应生成NOx。本VPSA装置依次通过空气进气导管10和空气滤清器11，再经由压缩机12从环境大气中吸进空气。本VPSA装置包括吸附剂床13中的一个或多个床层，各床层装有也称之为分子筛的沸石。所述的分子筛或其他合适的吸附剂优先从空气中吸附氮、二氧化碳和水，同时氧和氩流过床层到达氧化剂储罐16。富氧空气通过氧化剂导管17沿其途径送往发动机。吸附剂床13通常由两个吸附剂床层组成。可以采用一个、两个、三个或更多个床层，在一个或多个床层吸附流经的压缩空气中的氮、二氧化碳和水的同时，另一个或多个床层在真空下进行再生。真空泵
14提供再生需要的真空，脱附下来的氮、二氧化碳和水通过富氮空气导管15排出。VPSA单元的最终产品是富氧空气，也称之为氧化剂。

[0104] 图8描绘了变压吸附器(PSA)，它能产生在本发明中用作氧化剂的富氧空气。本PSA装置依次通过空气进气导管10和空气滤清器11，再经由压缩机12从环境大气中吸进空气。本PSA装置包括吸附剂床13中的一个或多个床层，各床层装有也称之为分子筛的沸石。所述的分子筛或其他合适的吸附剂优先从空气中吸附氮、二氧化碳和水，同时氧和氩流过床层到达氧化剂储罐16。富氧空气通过氧化剂导管17沿其途径送往发动机。吸附剂床13通常由两个吸附剂床层组成，当一个床层在吸附流经床层的压缩空气中的氮、二氧化碳和水时，另一个床层在床层中的气体泄压过程中进行再生。脱附下来的氮、二氧化碳和水通过富氮空气导管15排出。

[0105] 图9描绘了实质上是纯氧的储罐，所述的纯氧来自外部供应源。氧化剂注入管18被用来为氧化剂储罐16充装液态或气态氧，典型地是通过低温空气分离获得的氧。实质上的纯氧通过氧化剂导管17，沿其途径送往发动机。

[0106] 其他为本发动机提供氧化剂的方法包括但不限于空气的膜分离，氧化学吸收/解吸，某些释放氧气的化学品的分解，以及水电解。

[0107] 已经以CI和SI两种模式对本发动机进行了精确模拟以估计和优化热效率。在CI发动机的压缩比为15:1，氧化剂含氧95％，发动机转速1500rpm条件下，计算的燃烧温度为1641-1834°F(894-1001℃)，仅燃料的热效率可能达61％左右至70％左右。排气组成可能有约0.5％体积的氮和约5％体积的氧。排气中这种氮和氧的组成再结合低的燃烧温度，导致极低的CO、HC和NOx组成成分。在SI发动机的压缩比为11.3:1，氧化剂含氧95％，发动机转速
1500rpm条件下，计算的燃烧温度为1651-1846°F(899-1008℃)，仅燃料的热效率可能达
55％左右至59％左右。排气组成可能有约0.6％体积的氮和约6％体积的氧。排气中这种氮和氧的组成再结合低的燃烧温度，导致极低的CO、HC和NOx的组成成分。本发动机的单位气缸排量的比功率有所降低，这是由于燃烧室高温加之这种氧含量水平的缘故。

[0108] 概括地说，这里所使用的诸如“结合到”和“配置为连接”，“固定住”和“配置为固定住”，“配置为控制”和“配置为允许”，“”配置为接收”和“配置为移除””，以及“连接到”等措词，(例如，第一个零部件“连接到”第二个零部件，或者”配置为连接第二个零部件)，用于表示两个或多个零部件或构件之间的关系，包括在结构、功能、机械、电气、信号、光学、磁性、电磁、离子或者流体方面的关联。因此，我们说一个零部件连接到第二个零部件，并不意味着排除在第一个与第二个零部件之间存在另外的零部件，并且/或者该零部件与第一个和第二个零部件有效结合或衔接的可能性。

[0109] 应该理解到可以对本发明的各个方面或细节进行改变而不脱离本发明的范围。此外，以上描述的目的仅仅为了举例说明本发明，并非为了限制由权利要求书所限定的本发明。