專利名稱：蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是一種內(nèi)部生成蒸汽的發(fā)動(dòng)機(jī)， 一種包括該發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，以及一種所述發(fā)動(dòng)機(jī)的操作方法。
背景技術(shù)：
利用蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的原則為已知的。幾乎所有已知 的發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的腔體的外部產(chǎn)生蒸汽，并且通過(guò)管道將蒸汽 傳送至腔體。因此，除了可采用的防護(hù)手段外，為了防止熱量的損失必 須使用隔熱材料。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)盡可能改善前述的困 難，或是至少為公眾提供對(duì)應(yīng)于已知的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的另外一種形式的實(shí) 用的發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的其余目的以及優(yōu)點(diǎn)將在接下來(lái)的描述中呈現(xiàn)，并結(jié)合附圖 通過(guò)闡述和舉例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一種形式是提供一種蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，包括腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活 塞，以及在腔內(nèi)產(chǎn)生蒸汽以驅(qū)動(dòng)活塞的裝置。優(yōu)選地，產(chǎn)生蒸汽的方法包括加熱供水的裝置，加熱供給空氣的裝 置，以及將熱空氣和水混合以產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)活塞的裝置。進(jìn)一步的方式，本發(fā)明可以描述成在一種蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)中包括一個(gè)往
復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞， 一種加熱供水的裝置， 一種加熱供給空氣的裝置，以及 在活塞表面或接近活塞表面處將熱空氣和熱水混合以產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)活塞 的裝置。優(yōu)選地，加熱空氣的裝置是通過(guò)對(duì)空氣增大壓力。 優(yōu)選地，加熱空氣的裝置是通過(guò)壓縮空氣。 優(yōu)選地，作為選擇，加熱空氣的裝置是渦輪壓縮機(jī)。 優(yōu)選地，作為選擇，加熱空氣的裝置是空氣壓縮機(jī)。 優(yōu)選地，加熱空氣到一個(gè)超過(guò)水沸點(diǎn)的溫度。優(yōu)選地，預(yù)熱水的裝置將水加熱到接近但未達(dá)到沸點(diǎn)的溫度。 優(yōu)選地，作為選擇，預(yù)熱水的裝置是電加熱器。 優(yōu)選地，作為選擇，預(yù)熱水的裝置是熱交換器。優(yōu)選地，活塞在腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，腔包括一個(gè)空氣入口、 一個(gè)入水口 以及一個(gè)蒸汽出口。優(yōu)選地，熱交換器利用從腔內(nèi)排放的蒸汽來(lái)加熱流進(jìn)腔內(nèi)之前的水。 進(jìn)一步的方式，可以通過(guò)使空氣流經(jīng)熱交換器對(duì)空氣進(jìn)一步加熱。 優(yōu)選地，空氣與水在腔內(nèi)混合。優(yōu)選地，空氣和水在腔內(nèi)活塞正上方區(qū)域混合。 優(yōu)選地，混合熱空氣和水的裝置將空氣通入水霧中產(chǎn)生蒸汽。 進(jìn)一步的方式，混合熱空氣和水的裝置是將水霧通入熱空氣中。 進(jìn)一步的方式，混合熱空氣和水的裝置是同時(shí)將空氣和水釋放。 優(yōu)選地，蒸汽出口是一個(gè)常閉閥口。優(yōu)選地，空氣入口是一個(gè)常閉閥口，入水口是一個(gè)注射口。 優(yōu)選地，作為選擇，空氣入口是一個(gè)注射口。進(jìn)一步的方式，本發(fā)明可以描述成在一種蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)包括一個(gè)在 腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，其中在腔內(nèi)水和熱空氣混合產(chǎn)生蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)活塞。 進(jìn)一步的方式，本發(fā)明可以描述成所述蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的操作方法，包 括釋放熱壓縮空氣進(jìn)入腔內(nèi)，釋放熱的水霧進(jìn)入空氣中產(chǎn)生蒸汽，蒸汽 膨脹并且驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)的步驟。優(yōu)選地，在水被釋放之前空氣被活塞壓縮。進(jìn)一步的方式，該方法包括將熱的水霧釋放入腔，將熱壓縮空氣釋 放入水中產(chǎn)生蒸汽，蒸汽膨脹并驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)的步驟。進(jìn)一步的方式，該方法包括同時(shí)將熱的水霧以及熱壓縮氣體同時(shí)釋 放入腔內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽膨脹并驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)的步驟。優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括向腔內(nèi)停止水和空氣供給的步驟。優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括開(kāi)啟排氣口閥門(mén)，允許活塞將蒸汽排出 腔的步驟。優(yōu)選地，該方法還包括通過(guò)向下運(yùn)動(dòng)的活塞產(chǎn)生的半真空引入補(bǔ)給 空氣或水的步驟。


為更好地理解本發(fā)明，本發(fā)明典型的具體實(shí)施方式
將附以附圖進(jìn)行 描述，其中附圖1為包括發(fā)動(dòng)機(jī)及其附屬設(shè)備的典型實(shí)施系統(tǒng)示意圖； 附圖2到5為描述附圖1中發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的示意圖； 附圖6為包括發(fā)動(dòng)機(jī)以及根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步實(shí)施例的附屬設(shè)備的系 統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)附圖1，提供了一種蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)1，具有一個(gè)適合在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸 體6的缸膛4內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞2，如此可以限定一個(gè)封閉腔8，封閉腔 的容積隨著活塞2的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而變化?；钊?通過(guò)連接桿10與曲軸12 連接，如此可以將活塞2的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸12的旋轉(zhuǎn)。
用于驅(qū)動(dòng)活塞2的蒸汽是在封閉腔8內(nèi)通過(guò)混合熱空氣和水產(chǎn)生的， 我們將在接下來(lái)的描述中介紹該過(guò)程。為了解釋說(shuō)明，我們將依次介紹空氣、水以及由此產(chǎn)生的蒸汽的流 動(dòng)路徑，從而介紹發(fā)動(dòng)機(jī)l在其內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)的不同部分。在使用中，水的供應(yīng)是通過(guò)泵22從貯水池20抽水，并通過(guò)一系列 包括濾水器24、熱交換器26 (其中水被加熱到剛剛低于沸點(diǎn)的溫度)以 及水流噴霧器/噴射器28，如此將水流以水霧形式釋放進(jìn)封閉腔8之中。空氣的供給是從大氣中提取并通過(guò)一系列包括空氣過(guò)濾器30、渦輪 增壓器34的壓氣機(jī)32(根據(jù)査理定律"當(dāng)氣體被壓縮時(shí)溫度升高"，其 中空氣被壓縮并被加熱)，流經(jīng)一個(gè)電熱元件35，然后到封閉腔8的常閉 閥入口 36。渦輪增壓器34的壓氣機(jī)32應(yīng)按能夠?qū)⒖諝饧訜岬礁哂谒悬c(diǎn)的溫 度設(shè)計(jì)并制定尺寸。電熱元件25放置在空氣入口 36之前。其目的在于 補(bǔ)償可能在壓氣機(jī)32以及入口 36之間存在的熱量損失，以保證空氣在 與封閉腔8內(nèi)的水霧混合時(shí)有足夠的熱量能夠產(chǎn)生蒸汽。排汽通過(guò)常閉阓排氣口 40排放并通過(guò)一系列包括渦輪增壓器34的 渦輪機(jī)33以及熱交換器26。蒸汽在熱交換器26中冷凝，然后冷凝水返 回貯水池20。減壓閥保證貯水池內(nèi)的壓力維持在可接受的程度。熱交換器26在發(fā)動(dòng)機(jī)1排放的蒸汽與供水之間進(jìn)行熱交換。對(duì)入口闊和排氣閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和計(jì)時(shí)操作的機(jī)構(gòu)與通常的內(nèi)燃機(jī)相 同，即可以為一個(gè)或多個(gè)頂置凸輪軸50或者推桿和搖桿的組合，通過(guò)曲 軸12機(jī)械驅(qū)動(dòng)并與曲軸12同步運(yùn)動(dòng)。參見(jiàn)附圖2至5，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過(guò)程進(jìn)一步詳述。如此，我們理論 上選擇了將空氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)1作為發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的第一步。隨著排氣口 36 關(guān)閉和空氣入口 40打開(kāi)(參見(jiàn)附圖2)，由于活塞2向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的半真 空引入補(bǔ)充了熱空氣。
接著進(jìn)氣口 36通過(guò)其閥關(guān)閉，然后活塞l向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步地壓縮 和加熱空氣(參見(jiàn)附圖3)。依舊參見(jiàn)附圖3，當(dāng)活塞位于或接近上止點(diǎn)(TDC)時(shí)，熱水60通 過(guò)噴射器28注射進(jìn)充滿熱空氣的封閉腔8中，瞬間產(chǎn)生蒸汽(或者更準(zhǔn) 確地說(shuō)水蒸汽)；蒸汽容積的膨脹(蒸汽容積最高為水的1600倍)驅(qū)動(dòng) 活塞2向下運(yùn)動(dòng)在曲軸處產(chǎn)生輸出功(參見(jiàn)附圖4)?，F(xiàn)在參見(jiàn)附圖5，排氣口40打開(kāi)，活塞l向上運(yùn)動(dòng)，由于旋轉(zhuǎn)部件 的動(dòng)量，將水蒸汽(空氣和蒸汽的混合物)排出封閉腔8外。排氣口40關(guān)閉，空氣入口36打開(kāi)，引入補(bǔ)充熱空氣，循環(huán)重新開(kāi)始。為了使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，熱交換器中包含一個(gè)電加熱器60，并且使用 一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)泵和壓氣機(jī)。這些電動(dòng)設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)通過(guò)電池供電， 但是可以預(yù)期的是一旦系統(tǒng)達(dá)到操作壓力和溫度時(shí)，這些設(shè)備將會(huì)自動(dòng) 切換，即所有輔助裝置都將由發(fā)動(dòng)機(jī)l自身來(lái)提供動(dòng)力?，F(xiàn)在參見(jiàn)附圖6，其中渦輪增壓器由一個(gè)具有存儲(chǔ)箱102的機(jī)械的 或電的空氣壓縮機(jī)100代替。該空氣壓縮機(jī)直接或間接(在電的空壓機(jī) 的情況下)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)1來(lái)驅(qū)動(dòng)。與前述循環(huán)中相同，空氣壓縮機(jī)100產(chǎn)生的壓縮空氣將通過(guò)常閉閥 進(jìn)氣口或一個(gè)適合的噴射器104的方式引入封閉腔內(nèi)。而且，空氣也可以在排氣沖程中引入，以便有助于排空封閉腔8內(nèi) 的蒸汽和水蒸汽。如附圖標(biāo)記108所示，壓縮空氣供應(yīng)線路可以與水補(bǔ)給線路相對(duì)布 置，如此如同熱交換器一樣對(duì)供給水進(jìn)行加熱。壓縮空氣可以存儲(chǔ)在壓氣機(jī)存儲(chǔ)箱102中，這樣可以利用該壓縮空 氣通過(guò)一個(gè)空氣起動(dòng)裝置(未顯示)輔助起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)可以成為已知的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的替換產(chǎn)品，特別
是考慮到其不需要鍋爐或外部蒸汽產(chǎn)生裝置。盡管本發(fā)明以設(shè)想中的最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例方式示出和描述，仍需認(rèn)識(shí)在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進(jìn)行改變，該改變不受到上述細(xì)節(jié)描述的 限制，但其在從屬權(quán)利要求的全部范圍內(nèi)，包括了任意所有等效的設(shè)備 和裝置。
權(quán)利要求
1、一種蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，包括一個(gè)適于在腔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞以及在腔內(nèi)產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)活塞的裝置。
2、 如權(quán)利要求1所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于產(chǎn)生蒸汽的裝置包 括了將供給的熱空氣和供給的熱水混合的裝置。
3、 如權(quán)利要求2所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于產(chǎn)生蒸汽的裝置在 腔內(nèi)、活塞表面或接近活塞表面處將供給的熱水和供給的熱空氣混合。
4、 如權(quán)利要求3所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于混合供給的熱空氣 和水的裝置將熱空氣通入熱水霧中以產(chǎn)生蒸汽。
5、 如權(quán)利要求3所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于混合供給的熱空氣 和水的裝置將熱水霧通入熱空氣中以產(chǎn)生蒸汽。
6、 如權(quán)利要求3所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于混合供給的熱空氣 和水的裝置將熱空氣和水同時(shí)釋放入腔內(nèi)以產(chǎn)生蒸汽。
7、 如權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于供給 的熱空氣被加熱到一個(gè)超過(guò)水沸點(diǎn)的溫度。
8、 如權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于供給 水被加熱到接近沸點(diǎn)的溫度，但未達(dá)到沸點(diǎn)。
9、 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于腔包括一 個(gè)用于供給熱空氣的空氣入口， 一個(gè)用于供給熱水的入水口以及一個(gè)蒸 汽出口。
10、 如權(quán)利要求9所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于蒸汽出口是一個(gè) 常閉闊口。
11、 如權(quán)利要求9所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于空氣入口是一個(gè) 常閉閥口或一個(gè)噴射器，入水口是一個(gè)噴射器或噴霧器。
12、 如權(quán)利要求2至11中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于包 括加熱供給水的裝置和加熱供給空氣的裝置。
13、 如權(quán)利要求12所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于加熱空氣的裝置 通過(guò)對(duì)空氣加壓來(lái)對(duì)空氣加熱。
14、 如權(quán)利要求12或13所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于加熱空氣 的裝置通過(guò)壓縮空氣的方式對(duì)空氣加熱。
15、 如權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于 加熱空氣的裝置是渦輪增壓器的壓氣機(jī)。
16、 如權(quán)利要求12所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于加熱水的裝置是 一個(gè)電加熱器。
17、 如權(quán)利要求12所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于加熱水的裝置是 一個(gè)熱交換器。
18、 如權(quán)利要求17所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于熱交換器利用從 腔內(nèi)排放的蒸汽來(lái)加熱流進(jìn)腔內(nèi)之前的水。
19、 如權(quán)利要求17或18所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于通過(guò)引導(dǎo) 供給的空氣流經(jīng)熱交換器實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的輔助加熱。
20、 一種蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，包括適于在腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，以及在活 塞表面或接近活塞表面的地方將供給的熱空氣和供給的熱水混合的裝 置，以產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)活塞。
21、 一種如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的操作方法，包 括釋放熱空氣進(jìn)入腔內(nèi)，釋放熱水進(jìn)入空氣中產(chǎn)生蒸汽，蒸汽膨脹并且 驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)的步驟。
22、 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于在水進(jìn)入腔內(nèi)之前空氣 被活塞壓縮。
23、 一種如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的操作方法，包 括釋放熱水霧進(jìn)入腔內(nèi)，釋放熱空氣進(jìn)入水中產(chǎn)生蒸汽，蒸汽膨脹并且 驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)的步驟。
24、 一種如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的操作方法，包 括將熱水霧以及熱氣體同時(shí)釋放入腔內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，然后蒸汽膨脹并驅(qū)動(dòng) 活塞向下運(yùn)動(dòng)的步驟。
25、 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括停 止向腔內(nèi)供給水和空氣的步驟。
26、 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該方法還包括 開(kāi)啟排氣口閥門(mén)，允許活塞將蒸汽排出腔的步驟。
27、 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于方法還包括通 過(guò)向下運(yùn)動(dòng)的活塞產(chǎn)生的半真空引入補(bǔ)給空氣和/或水的步驟。
28、 如說(shuō)明書(shū)中所闡述的和附圖所示的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)。
29、 如說(shuō)明書(shū)中所闡述的和附圖所示的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的操作方法。
全文摘要
一種蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，包括一個(gè)適于在空腔中直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，以及一個(gè)在活塞表面或接近活塞表面混合供給熱空氣和熱水的方法，用來(lái)制造蒸汽以驅(qū)動(dòng)活塞。
文檔編號(hào)F01K21/02GK101400946SQ200780008311
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2007年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者D·E·艾德 申請(qǐng)人:D·E·艾德