專利名稱：兩路循環型內燃機的制作方法
技術領域：
一種以內燃循環[第一路]為主，以利用內燃機氣缸(含氣缸體、氣缸套和氣缸蓋，下同)散熱和排氣余熱、余壓進行的循環[第二路]為輔提供機械能的內燃機。
背景技術：
內燃機燃燒系統壁面散熱約占燃料燃燒熱的三分之一(《熱能與動力機械基礎》第24頁，王中錚主編，機械工業出版社2000.5)，其中氣缸散熱約占84％；排煙散熱也約占燃燒熱的四分之一以上(一般排煙溫度為700-900K)(《內燃機學》第65頁，周龍保主編，機械工業出版社1999.6)，因此內燃機氣缸散熱和排煙損失占燃料燃燒熱的很大比例，一般53％左右。但目前的內燃機基本上沒有利用氣缸散熱和排氣余熱，并且為了降低氣缸溫度和排氣溫度，還得消耗機械能利用循環水給氣缸降溫，利用風扇給循環水降溫，利用水泵讓水循環；車輛上給循環水降溫的風向與車輛前進方面相反，又多消耗機械能；設置消聲器消聲和降低排氣溫度，但增加排氣阻力消耗機械能等。因此，內燃機的熱效率普遍不高，一般38％以下。渦輪增壓內燃機也主要利用廢氣的壓力能，該壓力能部分來源于內燃機的機械能，廢氣流出渦輪時溫度還較高。
發明內容
本發明的任務是克服現有內燃機沒有充分利用余熱的缺點，將氣缸散熱和排氣余熱轉換成部分機械能，以提高內燃機的熱效率。本發明采用的技術方案有四類。
第一類用水作氣缸冷卻和熱量傳遞介質，用空氣、氨等作第二路循環工質。
第一種保留內燃機的水泵和水管，去掉風扇，將水箱改為換熱器3，水管加保溫層。換熱器3一端的空氣管與換熱器1相連，另一端的空氣管與換熱器2相連。用壓氣機將空氣壓進空氣管，空氣先在換熱器1中預熱，再進入換熱器3吸收水的熱量。水泵將水從內燃機水套下部壓入，水吸收內燃機散熱后從內燃機水套頂部流出，進入換熱器3，在換熱器3中向空氣傳熱后從下部流出，進入下一循環，從而使水套的水溫保持在合適的溫度范圍內。從換熱器3中流出的空氣再流入換熱器2。內燃機的排氣管[廢氣處理裝置的出氣管]直接與換熱器2熱氣體進口相接，讓溫度較高的廢氣在換熱器內通過加熱空氣管向空氣管中的空氣傳熱，然后流入換熱器1預熱空氣，再流出排入大氣。空氣與廢氣的流動方向相反，以提高傳熱效率。從換熱器2中出來的空氣經三次吸熱后膨脹，可以驅動空氣透平作功。透平主軸與內燃機主軸通過變速器或聯軸器相連。當內燃機安裝在汽車或拖拉機上時，膨脹空氣也可以不輸入空氣透平，而朝與車輛運行方向相反的方向噴出，產生反作用力推動車輛運行。壓氣機的動力由內燃機提供。這樣，省去了風扇的消耗功，增加了壓氣機的消耗功，但增加了熱空氣的推動功和膨脹功，總的來說提高了內燃機的熱效率。
第二種對第一種方案作一改動，即將第二路循環分成兩個支路，各支路上有閥門，從壓氣機中出來的空氣經預熱后一路進換熱器3中的工質管后直接進空氣透平或直接噴射到大氣中；另一路進換熱器2的工質管后再進入空氣透平或直接噴射到大氣中。
第三種對第一種方案作另一改動，即將從換熱器3中出來的空氣分成兩個支路，一支路進換熱器2后再進入空氣透平或噴入大氣；另一支路直接進空氣透平作功或噴入大氣。分成兩支路的原因是氣缸散熱量很大，而水溫要恒定在90-95℃之間，則需大流量的空氣來降溫，如果這些空氣都進換熱器2，則出換熱器2的空氣溫升不大，影響循環效率，所以只讓一部分空氣進入換熱器2。
第四種第二路循環分另外兩個支路內燃機廢氣直接進空氣透平作功，從透平中出來的廢氣再進換熱器[如果從透平中出來的廢氣溫度大大高于從換熱器3中流出的工質溫度，則讓廢氣進換熱器2繼續傳熱，如果低于該工質溫度則進換熱器1中傳熱]。空氣[經預熱后]流入換熱器3吸收水的熱量，再進入透平作功或噴入大氣。
采用二、三、四種方案時，兩個支路以分別進兩個空氣透平為宜。也可以同時進一個空氣透平，根據壓力、氣溫不同進氣部位不同。
第五種采用低沸點物質(如氨、丁烷、戊烷等)作工質，將工質壓入換熱器1、3和2內的工質管，讓工質吸熱膨脹，驅動透平作功，再進入冷凝器，冷卻后又經壓縮機壓進工質管，進入下一循環。內燃機廢氣進入換熱器2和1中向工質傳熱。
第六種對第五種方案作改動，即讓內燃機廢氣直接進入空氣透平作功，余熱廢氣進換熱器[如果從透平中出來的廢氣溫度大大高于從換熱器3中出來的工質溫度，則讓廢氣流入換熱器2，否則進換熱器1，但還需考慮增加排氣阻力消耗了機械能]后排入大氣，氨(或其他工質)吸收廢氣和熱水的熱量后進入氨透平作功循環。兩透平同軸。
第七種去掉內燃機的水泵、水箱和風扇系統，將水套加大，以上六種方案的工質管進入水套吸熱。采用這種方案時氣缸蓋和氣缸體變得很復雜。
第八種采用第七種方案時，空氣、氨等工質吸收水套中水的熱量的方式可以改為不利用工質管，而直接將工質從水套底部壓入水中，工質進水套的進口應分布均勻。工質直接吸收水的熱量，從水面逸出，再進入與水套上部相連的工質管。采用這種方案可以省去水套中的工質管，工質吸熱速度快，但水套中的水會蒸發，工質帶水進透平影響透平的使用壽命。采用空氣作工質時，由于空氣作功后放空，水套中的水會慢慢減少，需經常加水，因此用空氣作工質時，采用這種方案不理想。
第九種上述各方案同樣可用在增壓內燃機上。用空氣作工質的方案中有壓氣機，利用此壓氣機給氣缸增壓即可(壓氣機出口接一支管與內燃機進氣管相連)；用氨等作工質時，需另增一臺壓氣機增壓(與內燃機主軸通過聯軸器或變速器相連)。但用來作第二路循環的空氣壓力不能太大，一般2個大氣壓，壓力大則從壓氣機出來的空氣溫度高，無法吸收水的熱量而冷卻內燃機。如果增壓比很大，則從壓氣機中部引出一氣管作第二路循環工質管。如果從中冷器中引出降溫的空氣作第二路循環工質和氣缸冷卻介質則得不償失。
第二類采用柴油，煤油，植物油等沸點較高的液體作氣缸冷卻和熱量傳遞介質，用空氣，氨等作第二路循環工質，第一類的九種方案皆可用于這一類[但空氣直接浸入冷卻介質的方法不能用]。用油等沸點較高的液體冷卻，可以適當提高冷卻液溫度，如提高到120-160)℃，而不影響內燃機強度、潤滑油性能，對內燃機進氣量影響很小，卻提高了第二路循環工質的溫度，有利于提高循環熱效率。該類方案的具體實施方式
與第一類相同。
第三類采用空氣作氣缸冷卻介質和第二路循環工質。取消水箱、水泵、風扇系統，將內燃機氣缸體和氣缸蓋的水套改為氣套(與水套相似)。用壓氣機將空氣壓入氣套，并組織好氣套內空氣的流動和吸熱，空氣吸熱使內燃機氣缸(含氣缸蓋、氣缸套、氣缸體)的溫度保持在合適的范圍內。空氣吸熱后從氣套頂部流出，進入工質管，再進入空氣透平作功。其他部分的設計、采用增壓以及與內燃機廢氣的配合利用與第一類的第一、二、三、四、九種方案相同。
第四類采用氨、丁烷、戊烷等低沸點物質作氣缸冷卻介質和第二路循環工質。以氨為例，用凝結泵將液氨壓入內燃機氣套(原水套)，液氨吸熱后氣化、膨脹，從氣套頂部逸出，進入工質管。其他部分的設計、采用增壓以及與內燃機廢氣的配合利用與第一類第五、六、九種方案相同。
發明的意義本發明充分利用氣缸散熱和排氣余熱、余壓，提高了內燃機的熱效率，節約能源，降低運行成本，減少環境污染，有很大的經濟效益和社會效益。
具體實施例方式采用
圖1至圖21的方式實施。
圖1是用水作冷卻介質、用空氣作第二路循環工質的兩路循環型內燃機第一種結構原理圖，其主要組成部分為1、水套保溫層；2、內燃機氣缸及氣缸蓋水套；3、氣缸(數個，圖中只畫出一個)；4、內燃機主軸；5、變速器(或聯軸器)1；6、壓氣機；7、空氣；8、空氣管；9、換熱器(帶保溫層)1；10、換熱器(帶保溫層)2；11、內燃機排氣管(進換熱器2)；12、排氣放空管；13、閥門1；14、閥門2；15、空氣透平；16、變速器(或聯軸器)2；17、放空的空氣；18、換熱器3(帶保溫層)；19、水管(帶保溫層)；20、水泵。水套上端(缸蓋上)通過水管與換熱器上端相連，水套下端通過水管與換熱器下端相連。其工作原理為內燃機工作時被水套中的水冷卻，換熱器3中的水通過水泵與水套中的水循環，因此循環水吸收了內燃機氣缸蓋及氣缸體的散熱。內燃機剛起動時水溫不高，因此壓氣機不工作，這時高溫煙氣將換熱器加熱，熱量有一部分儲存在換熱器中。當水溫上升到900C-950C時，壓氣機開始工作(壓氣機動力由內燃機提供，通過變速器調整其壓氣量和壓力，以使水套中水的溫度保持在合適的范圍內)，壓氣機可以是活塞式，也可以是葉輪式。空氣被壓氣機壓入空氣管，先經換熱器1預熱，再流入換熱器3中吸收水的熱量。由于換熱器的傳熱面積大，因而傳熱效果好，可以使水溫保持在合適的范圍內。空氣吸熱后再流進換熱器2。排氣管中排出的高溫廢氣從一端進入換熱器2，在空氣管外壁和換熱器殼的內壁之間的間隙中流動，向密集的空氣管傳熱以加熱空氣。廢氣然后從換熱器2另一端流出，流入換熱器1中預熱空氣后排入大氣。空氣流動方向與廢氣流動方向相反，以擴大傳熱溫差，提高傳熱效率。換熱器既起換熱作用，又起消聲、降低排氣溫度的作用，因此可省去內燃機的消聲器。空氣經三次吸熱后，溫度升高，體積膨脹，既可以噴入空氣透平中作功，又可以噴入大氣(與車輛運動方向相反)，產生反作用力推動車輛運動。打開閥門1，關閉閥門2，則熱空氣直接排入大氣，產生反作用力推動車輛運動。關閉閥門1，打開閥門2，則熱空氣進入空氣透平作功，然后排入大氣(與車輛運動方向相反)。空氣透平通過變速器與內燃機主軸相連。當內燃機剛起動水溫不高時，不需降溫，因此第二路循環未開始，則空氣透平主軸與內燃機透平主軸斷開，以免增加摩擦阻力，消耗機械能，增加機件磨損。當水溫升到900C以上時，則啟動壓氣機，第二路循環開始，這時空氣透平主軸與內燃機主軸連接。但設計時應考慮到空氣壓力不高(如果壓力高，則空氣經壓縮溫度上升大，則不能吸收水套中水的熱量或吸熱量變小，起不到冷卻內燃機的作用)，因此，空氣透平主軸與內燃機主軸連接工作時，應使內燃機主軸轉速快于空氣透平主軸轉速(通過變速器，只需一個速比)，這樣，空氣壓力不高時，也能通過空氣透平給內燃機主軸提供動力。當使用軸流式壓氣機時，可以把空氣進口朝著車輛前進方向，讓高速空氣沖入壓氣機，減少壓氣機能量消耗，這與噴氣式發動機進氣原理相同。通過控制壓氣機轉速及壓氣機開、關，控制閥門1和2開、關和開啟程度，可以嚴格控制水套中的水溫，以使內燃機正常工作。由于冬天氣溫低，冷源和熱源溫差變大，因此冬天循環效率最高。
這是用水作冷卻和傳熱介質、用空氣作循環工質的兩路循環型內燃機的典型結構圖。以下三種是它的變形。
圖2是用水作冷卻介質、用空氣作第二路循環工質的兩路循環型內燃機第二種結構原理圖，其主要組成部分為1、水套保溫層；2、內燃機氣缸體和氣缸蓋水套；3、氣缸(數個，圖中只畫出一個)；4、內燃機主軸；5、變速器(或聯軸器)1；6、壓氣機；7、空氣；8、空氣主管；9、換熱器(帶保溫層)1；10、空氣支管1；11、空氣支管2；12、閥門1；13、閥門2；14、換熱器(帶保溫層)2；15、內燃機廢氣管(進換熱器2)；16、換熱器2出氣管(進換熱器1)；17、排氣管(排入大氣)；18、變速器(或聯軸器)2；19、空氣透平1；20、空氣透平2(兩支路可共用一個空氣透平，圖略)；21、換熱器3(帶保溫層)；22、水管(帶保溫層)；23、水泵。其工作原理為經換熱器1預熱的空氣分為兩個支路，一路進換熱器3吸熱后進空氣透平膨脹作功；另一路進換熱器2吸熱后進空氣透平膨脹作功。內燃機廢氣先進入換熱器2，再進入換熱器1，以充分向工質傳熱。
圖3是用水作冷卻介質、用空氣作第二路循環工質的兩路循環型內燃機第三種結構原理圖，其主要組成部分為1、水套保溫層；2、內燃機氣缸體和氣缸蓋水套；3、氣缸(數個，圖中只畫出一個)；4、內燃機主軸；5、變速器(或聯軸器)1；6、壓氣機；7、空氣；8、空氣主管；9、換熱器(帶保溫層)1；10、空氣支管1；11、空氣支管2；12、閥門1；13、閥門2；14、換熱器(帶保溫層)2；15、內燃機廢氣管(進換熱器2)；16、換熱器2出氣管(進換熱器1)；17、排氣管(排入大氣)；18、變速器(或聯軸器)2；19、空氣透平1；20、空氣透平2(兩支路可共用一個空氣透平，圖略)；21、換熱器3(帶保溫層)；22、水管(帶保溫層)；23、水泵。其工作原理為空氣經換熱器1預熱后進入換熱器3進一步吸熱，再分成兩個支路，一路直接進空氣透平1作功，另一路進換熱器2進一步吸熱后進空氣透平2作功。當兩支路共用一個空氣透平時，空氣支管2中的空氣溫度較高，應在透平前部進入；另一支路空氣應在透平中部進入。
圖4是用水作冷卻介質、用空氣作第二路循環工質的兩路循環型內燃機第四種結構原理圖，其主要組成部分為1、水套保溫層；2、內燃機氣缸體和氣缸蓋水套；3、氣缸(數個，圖中只畫出一個)；4、內燃機主軸；5、變速器(或聯軸器)1；6、壓氣機；7、空氣；8、空氣主管；9、閥門；10、換熱器(帶保溫層)；11、廢氣管(進換熱器)；12、排氣管(排入大氣)；13、變速器(或聯軸器)2；14、空氣透平1；15、空氣透平2；16、換熱器3(帶保溫層)；17、水管(帶保溫層)；18、水泵。其工作原理為從氣缸中排出的廢氣直接進入空氣透平2中作功，乏氣再進入換熱器1或2中進一步傳熱(如果乏氣溫度高于從換熱器3中出來的工質溫度，則進換熱器2；低于該工質溫度而高于壓氣機出口工質溫度則進換熱器1，這里既要考慮充分利用廢氣熱能，又要考慮阻力的增加消耗機械能)。空氣(經預熱后)進入換熱器3吸熱，(再進入換熱器2吸熱)再進入空氣透平1中作功后放空。
圖5是用水作冷卻介質，用氨、丁烷、戊烷等低沸點物質作第二路循環工質的兩路循環型內燃機的第一種結構原理圖，其主要組成部分為1、水套保溫層2、內燃機氣缸和缸蓋水套；3、氣缸(數個，圖中只畫出1個)；4、內燃機主軸；5、循環水泵；6、水箱(帶散熱片)；7、風扇；8、水管；9、工質管；10、冷凝器；11、凝結泵；12、換熱器1(帶保溫層)；13、內燃機廢氣管(進換熱器2)；14、廢氣放空管；15、換熱器2(帶保溫層)；16、閥門；17、氨氣(丁烷等)透平；18、變速器(或聯軸器)；19、換熱器3(帶保溫層)；20、水管(帶保溫層)；21、水泵。其工作原理為內燃機起動不久，水套和換熱器3中水的溫度則會上升到900C以上，這時起動凝結泵，將液體工質壓入換熱器1預熱，再壓入換熱器3中。工質吸收水的熱量汽化，在換熱器2中繼續吸收廢氣的熱量。內燃機廢氣先流入換熱器2中傳熱，再流入換熱器1中傳熱，再排入大氣。在換熱器中，廢氣在換熱器殼的內壁和工質管外壁之間的間隙中流動，工質的流向與廢氣的流向相反。工質經三次加熱，再流過閥門進入透平膨脹作功，工質乏汽進入冷凝器冷凝為液體，進入下一循環。通過控制閥門開度、開、關，控制凝結泵轉速，可控制工質壓力和水套中水的溫度。變速器的作用與圖1中的變速器2的作用相同。冷凝器中的冷卻水通過循環水泵抽入水箱，在水箱中冷卻(通過風扇)后再流入冷凝器。也可以對冷凝器直接進行風冷。凝結泵、水泵、風扇的動力均由內燃機提供，凝結泵與內燃機主軸之間需裝變速器，以調節工質輸入速度。與單純的內燃循環內燃機相比，這種內燃機增加了凝結泵的消耗功，但同時透平增加了內燃機的機械能。據介紹，低沸點工質利用80-1200C的熱源進行循環時的理論熱效率為11％-18％。[《熱能轉換與利用》(第2版)(冶金工業出版社第103頁)1。
圖6是用水作冷卻介質，用氨、丁烷、戊烷等低沸點物質作第二路循環工質的兩路循環型內燃機的第二種結構原理圖，其主要組成部分為1、水套保溫層2；內燃機氣缸和缸蓋水套；3、氣缸(數個，圖中只畫出1個)；4、內燃機主軸；5、循環水泵；6、水箱1(帶散熱片)；7、風扇；8、水管；9、工質管；10、冷凝器；11、凝結泵；12、換熱器(帶保溫層)；13、閥門；14、內燃機廢氣管；15、空氣透平；16、氨透平；17、變速器(或聯軸器)；18、乏氣管(進換熱器)；19、乏氣出口(排入大氣)；20、換熱器3(帶保溫層)；21、水管(帶保溫層)；22、水泵。其工作原理為第二路循環分為兩個支路，一為內燃機廢氣直接進空氣透平作功，乏氣進入換熱器1預熱氨等工質后排入大氣；二為氨等低沸點工質被凝結泵打入換熱器預熱后，進入換熱器3中加熱，然后進入氨透平作功，乏氣返回，進入下一循環。如果內燃機乏氣(廢氣)溫度高于從換熱器3中出來的工質溫度，則在換熱器3和氨透平間設置換熱器2，讓乏氣進換熱器2傳熱，讓氨進換熱器2吸熱。一般只設計換熱器1或2一個，以減少內燃機排氣阻力。
圖7是在圖1至圖6中取消水箱、水泵和風扇的兩路循環型內燃機結構原理圖，其主要組成部分為1、水套保溫層2、內燃機氣缸和缸蓋水套；3、氣缸(數個，圖中只畫出1個)；4、內燃機主軸；5、工質管。其工作原理為工質管直接進水套吸收內燃機氣缸體和氣缸蓋的熱量。其他部分及其工作原理與圖1至圖6相同。但這種方案需重新設計氣缸蓋、氣缸體及其水套，且加工復雜，造成機體龐大。
圖8是直接將工質壓入水套的結構示意圖，其組成部分為1、水套；2、工質支管(數根均勻分布，圖中只畫出2根)；3、工質主管1；4、工質主管2。其工作原理為工質被壓氣機或凝結泵從主管壓入支管，再從支管中浸入水套的水中，吸收水的熱量，然后從水面逸出，流入水套上部的工質主管，進入換熱器。其他部分與圖1至圖7相同。
圖9是直接將工質壓入水套的另一種結構示意圖，其組成部分和工作原理與圖8相同，其特點是工質吸熱路程長，吸熱效果比圖8好。
圖10為用水作冷卻介質、用空氣作第二路循環工質的兩路循環型增壓內燃機結構示意圖，其主要組成部分為1、內燃機主體；2、內燃機主軸；3、變速器(或聯軸器)；4、壓氣機；5、第一路空氣管；6、第二路空氣管；7、空氣。其工作原理為壓氣機出口分為兩路，第一路與內燃機進氣管相連，壓縮空氣被壓入氣缸內，給內燃機增壓；第二路為工質管。其他部分及其工作原理與圖1至圖4、圖7至圖9相同。
圖11為用水作冷卻介質、用氨等低沸點物質作第二路循環工質的兩路循環型增壓內燃機結構示意圖，其主要組成部分為1、內燃機主體；2、內燃機主軸；3、變速器(或聯軸器)；4、壓氣機；5、壓縮空氣管(與內燃機進氣管相連)；6、空氣。其工作原理為壓氣機將壓縮空氣壓入內燃機氣缸內，給內燃機增壓，其他部分及其工作原理與圖5至圖9相同。
圖12為空氣管結構示意圖，其組成部分為1、總管；2、支管。總管與壓氣機和空氣透平相連，還通過三通與大氣相通。總管外包有保溫層，支管有數根，圖中只畫出7根。支管繞在水套中。支管比較細，以擴大傳熱面積，但越細阻力越大。支管內外根據需要設計各種翅片，以強化傳熱。氨、丁烷等工質管路結構(總管與支管)與此相同。
圖13是利用空氣作氣缸冷卻介質和第二路循環工質的兩路循環型內燃機原理圖，其主要組成部分為1、氣缸體內圈；2、氣缸體和氣缸蓋的外圈；3、保溫層；4、內燃機主軸；5、變速器(或聯軸器)1；6、壓氣機；7、工質管；8、換熱器1(帶保溫層)；9溫度計；10、換熱器2(帶保溫層)；11、內燃機廢氣進氣管(進換熱器2)；12、廢氣出氣管(出換熱器2，進換熱器1)；13、廢氣放空管；14、閥門；15、空氣透平；16、變速器(或聯軸器)2。其工作原理為空氣被壓氣機壓入空氣管(通過變速器1調節壓入氣量，以使氣缸溫度保持在合適的范圍內，如果溫度計顯示的熱空氣溫度超過95℃，則需加大進氣量；反之，熱空氣溫度低于90℃則減少進氣量。但熱空氣的溫度范圍可放寬到130-160℃，這樣可提高第二路循環的熱效率，而不影響內燃機強度、潤滑油性能，對內燃機進氣量影響也很小)，在換熱器1中預熱后進入氣套，吸收氣缸蓋和氣缸體的散熱壁的熱量(空氣進入氣套及吸熱的方式詳見圖14至圖18)。熱空氣然后從氣套頂部(氣缸蓋頂部)進入工質管，再進入換熱器2中進一步吸收內燃機廢氣的熱量后噴入空氣透平作功(或直接噴入大氣產生反作用力推動車輛前進)，乏氣排入大氣(若是車用內燃機則噴射方向與車輛運動方向相反)。內燃機廢氣先進入換熱器2中傳熱，再進入換熱器1中傳熱。換熱器可與廢氣后處理裝置進行一體化設計。壓氣機壓縮空氣的壓力一般3個大氣壓左右，太大則空氣溫度高，達不到冷卻內燃機的目的，消耗的壓縮功也增加。這是用空氣作氣缸冷卻介質和第二路循環工質的典型結構圖，可以參照第一類技術方案對此圖作多種變形，如內燃機廢氣直接進空氣透平，乏氣預熱或進一步加熱空氣，空氣經預熱后進入氣套吸熱，再進一步吸收乏氣的熱量，再進入另一空氣透平作功；又如此實施方案可以用在增壓內燃機上，即從壓氣機出來的空氣分為兩路，一路進內燃機進氣管，一路進工質管，等等。
圖14是采用空氣作氣缸冷卻介質和第二路循環工質的兩路循環型內燃機氣套和進氣、吸熱、冷卻方式第一種結構圖(以兩缸為例)，其主要組成部分為1、氣缸體外圈(通常與機體鑄成一體并加保溫層)；2、氣缸體內圈(干式則為內圈，濕式則為支承定位帶用來安裝氣缸套)；3、氣缸套；4、噴咀1(數個)；5、噴管；6、噴咀2(數個)。該氣套與現有內燃機水套相同，只是鉆了若干氣孔，裝上噴咀。其工作原理為從換熱器1中出來的空氣通入噴咀1和2，然后噴射到氣缸體內圈(干式)或氣缸套(濕式)(以下簡稱散熱壁)上。噴到散熱壁上的各股空氣應均勻分布，以使散熱壁均勻散熱。由于噴咀1與噴咀2噴孔大小和布置位置不一樣，因此兩種噴咀布置方式不同，但要求散熱壁能均勻地被噴入的空氣冷卻。由于噴射速度較大，因此傳熱系數大，能達到冷卻目的。空氣吸收熱量后進入氣缸蓋的氣套(與原水套相似)，進一步吸收氣缸蓋的熱量后從氣缸蓋頂部進入工質管。如果氣缸蓋散熱量很大，則需參照氣缸體的冷卻方式，在氣缸蓋上鉆一些氣孔，從換熱器1中引入冷空氣對著氣缸蓋內的散熱壁噴射，以強化散熱。該股空氣然后上行進入工質管。這種結構可用在干式和濕式氣缸套兩種結構的兩路循環型內燃機上。
圖15是采用空氣作氣缸冷卻介質和第二路循環工質的兩路循環型內燃機氣套和進氣、吸熱、冷卻方式第二種結構圖(以兩缸為例)，其主要組成部分為1、分氣室；2、分氣室進氣管；3、噴孔(若干個，合理分布)。其工作原理為采用外部進氣、內部分氣的形式，并將分氣室分成若干個(圖中為10個)各自獨立的分氣室，便于分別將它們從安裝氣缸套的孔中放進氣套，安裝在氣套外圈(氣缸套外圈之間壁面)上。冷空氣從分氣室進氣管中進入分氣室，然后從分氣室曲面上的若干小噴孔中對著散熱壁噴出，以吸收熱量，冷卻機體。分氣室安裝方式見圖16。這種結構只適合采用濕式氣缸套的兩路循環型內燃機。
圖16是采用空氣作氣缸冷卻介質和第二路循環工質的兩路循環型內燃機氣套和進氣、吸熱、冷卻方式第二種結構的安裝圖，其主要組成部分為1、螺姆；2、密封圈；3、氣缸體外圈；4、分氣室進氣管；5、分氣室；6、噴孔(若干個，合理分布)。這種結構的特點是氣缸體外圈鉆孔數量少，對機體強度影響小，且氣缸體外圈與熱空氣及散熱壁隔著一層氣套，該氣套內充滿了流動的冷空氣，因此氣缸體外圈溫度低。
圖17是采用空氣作氣缸冷卻介質和第二路循環工質的兩路循環型內燃機氣套和進氣、吸熱、冷卻方式第三種結構圖(以一缸為例)，其主要組成部分為1、氣缸體外圈；2、分氣套；3、噴孔(若干個，均勻分布)；4、散熱翅片(若干個，圖中只畫4個，該翅片同時起加強筋的作用)；5、氣缸體內圈；6、氣缸套；7、密封圈；8、進氣管。其工作原理為分氣套嵌在氣缸體外圈的內壁和散熱翅片之間，既對氣缸體內圈和氣缸套起穩定作用，又可吸收散熱翅片的熱量，強化冷卻過程。冷卻空氣從進氣管進入，從各噴孔中噴出，冷卻散熱壁。這種結構的缺點是機體較大，氣缸蓋應與之對應重新設計。
圖18是采用空氣作氣缸冷卻介質和第二路循環工質的兩路循環型內燃機氣套和進氣、吸熱、冷卻方式第四種結構圖(以一缸為例)，其主要組成部分為1、氣缸體外圈；2、分氣套；3、噴孔(若干個，均勻分布)；4、散熱翅片(若干個，圖中未畫剖面線，該翅片同時起加強筋的作用)；5、氣缸體內圈；6、氣缸套；7、密封圈；8、進氣孔。這種結構與圖17相比，將分氣套的外圈和進氣管取消了，增加4個密封圈，機體上的孔直接作進氣孔，其他不變。其工作原理與圖17相同。為方便敘述，稱圖17的分氣套為封閉型分氣套，圖18的分氣套為敞開型分氣套。
圖19是利用氨(或丁烷、戊烷等低沸點物質)作氣缸冷卻介質和第二路循環工質的兩路循環型內燃機原理圖，其主要組成部分為1、氣缸體內圈或氣缸套；2、氣缸體和氣缸蓋的外圈；3、保溫層；4、內燃機主軸；5、工質管；6、換熱器1(帶保溫層)；7、止回閥；8、凝結泵；9、冷凝器；10、水管；11、水泵；12；水箱(帶散熱片)；13、風扇；14、換熱器2(帶保溫層)；15、內燃機廢氣進氣管(進換熱器2)；16、廢氣出氣管(出換熱器2、進換熱器1)；17、廢氣放空管；18、閥門；19、氨透平；20、變速器(或聯軸器)。其工作原理為內燃機起動前，液氨裝滿了內燃機的水套(與現有水套一樣)，起動內燃機不久，氨被蒸發，工質管內壓力增加到一定程度后(水套中液氨溫度達到90-95℃時，該溫度可放寬到140-160℃)，打開閥門，讓氨蒸氣從水套頂部逸出，進換熱器2進一步吸熱后進氨透平作功，乏氣進入冷凝器冷凝，液氨被凝結泵壓入工質管，經換熱器1預熱后進入氣套吸熱，進入下一循環。冷凝器靠循環水冷卻，循環水靠風扇冷卻。內燃機廢氣先進入換熱器2中傳熱，再進入換熱器1中傳熱，然后排入大氣。此為利用氨等低沸點物質作冷卻介質和循環工質的典型結構圖，可以參照第一類技術方案對它作多種變形，如廢氣直接進空氣透平作功，乏氣進換熱器等，在此不再贅述。此外，低沸點工質的選擇也很重要，如夏天宜用戊烷作工質，因為戊烷沸點較高，容易冷凝，消耗的壓縮功少。
圖20是廢氣處理和換熱一體化裝置原理圖，圖中主要組成部分為1、保溫層；2、氣套殼；3、導流板；4、導流孔位置；5、廢氣處理裝置；6、工質流動方向；7、廢氣流動方向。其工作原理為廢氣流入處理裝置再流出(再進換熱器或空氣透平)時，有一部分熱量通過處理裝置散發，工質沿圖中方向流動時可吸收部分熱量。
圖21是另一種廢氣處理和換熱一體化裝置原理圖，圖中主要組成部分為1、保溫層；2、氣套殼；3、導流板；4、導流孔位置；5、列管(數根，圖中只畫出2根)；6、催化材料；7、工質流動方向；8、廢氣流動方向。其工作原理為廢氣從列管中流過時，將部分熱量傳給列管，列管再向工質傳熱。
綜上所述，具體實施方式
可以有幾十種，本行業的技術人員對任一實施方式稍作改動即成另一種，但萬變不離其宗，即利用氣缸散熱和排氣余熱余壓來組織第二路循環。其中圖13至圖21(特別是圖13、圖14)的實施方式結構簡單、循環效率高，與現有的內燃機相比有明顯的優勢。該方案主要省略了水泵、風扇、水箱和消聲器，主要增加了壓氣機和空氣透平(用在增壓內燃機上則未增加這兩臺設備)，減少了風扇、水泵的消耗功，增加了壓氣機的消耗功，增加了熱空氣的推動功和膨脹功，總的來說熱效率有較大幅度的提高。
權利要求
1.一種兩路循環型內燃機，其組成部分包括內燃機主體，即提供該機大部分機械能的第一路循環系統——內燃循環系統之主體，其特征是該機不僅對現有內燃機氣缸蓋、氣缸體等作相應變動，而且增加了提供該機少部分機械能的利用氣缸散熱和排氣余熱、余壓進行的第二路循環系統，該系統主要由壓氣機(或凝結泵)、分氣裝置(分氣管、室、套)、工質管、變速器、空氣透平(或氨透平等)、冷凝器、換熱器等組成。
2.根據權利要求1所述的兩路循環型內燃機的第二路循環系統有四類，第一類的特征是以水作冷卻內燃機散熱體(氣缸體、氣缸套、氣缸蓋)和傳遞熱量的介質，第二類的特征是采用柴油等沸點較高的液體作冷卻氣缸和傳遞熱量的介質，兩類均以空氣或氨等低沸點物質作循環工質，即工質被壓氣機(或凝結泵)壓入換熱器1預熱后，再進入冷卻內燃機的換熱器3(或水套)中的工質管，吸收水的熱量，從而使內燃機冷卻水的溫度保持在合適的范圍內，工質再流入換熱器2吸收內燃機排氣的熱量后進入透平作功(空氣也可以直接放空產生反作用力推動車輛運動)，內燃機排氣進換熱器2和1加熱工質，或直接進空氣透平作功后再進換熱器2或1加熱或預熱工質。
3.根據權利要求1和2所述兩路循環型內燃機第二路循環系統的第二類，其特征是以空氣作冷卻介質和循環工質，即空氣經過換熱器1預熱后被壓氣機壓入分氣裝置，再噴入氣套(與原水套相似)冷卻散熱壁并吸收熱量，再從氣套頂部流入工質管，再流入換熱器2吸收內燃機排氣的熱量，最后進空氣透平作功，乏氣排放方向與車輛運動方向相反；內燃機排氣既可以先后進兩個換熱器加熱工質，又可以進透平作功后再進一個換熱器加熱工質。
4.根據權利要求1和2所述兩路循環型內燃機第二路循環系統的第四類，其特征是以氨等低沸點物質作冷卻介質和循環工質，即液氨(以氨為例)在原水套中吸熱膨脹，再進換熱器2中進一步吸收排氣余熱，最后進入氨透平作功，乏氣進入冷凝器冷凝，又被凝結泵壓入換熱器1中吸熱，再壓入水套中進入下一循環；內燃機排氣既可先后進兩個換熱器加熱工質，又可以進空氣透平作功后進換熱器2或1加熱或預熱工質。
5.根據權利要求1和2所述工質吸收冷卻水的熱量的另一種方式，其特征是工質直接浸入水箱或水套的水中，與水接觸，吸收水的熱量，然后從水面逸出，進入工質管。
6.根據權利要求1、2和3所述具有分氣功能的內燃機的氣缸蓋、氣缸體，其特征是氣缸蓋和氣缸體上鉆有若干個孔，用來安裝噴咀和噴管噴射空氣，以均勻冷卻散熱壁。
7.根據權利要求1、2和3所述分氣室和分氣套，其特征是該分氣室和分氣套可以裝入內燃機氣套中，并且有進氣管(敞開式分氣套無進氣管，用氣缸體外圈上的孔代替進氣管)和若干小噴孔分別用來進空氣和噴射空氣。
8.根據權利要求1、2和3所述兩路循環型內燃機第二路循環系統的另一種氣缸體，其特征是體內有散熱翅片，該翅片同時起加強筋的作用，翅片和氣缸體外圈的內壁之間可安裝分氣室或分氣套。
9.根據權利要求1所述兩路循環型內燃機的廢氣處理和換熱一體化裝置，其特征是在現有廢氣處理裝置外包一層殼，并包保溫層，該殼與廢氣處理裝置外殼之間有空間和導流板、導流孔；或在普通換熱器的列管內裝催化材料。
10.根據權利要求1-9所述技術方案均可用于增壓內燃機。
全文摘要
一種以內燃循環(第一路)為主、以利用內燃機氣缸體、氣缸蓋散熱和排氣余熱、余壓進行的循環(第二路)為輔提供機械能的內燃機。其主要組成部分為內燃機主體、壓氣機(或凝結泵)、換熱器、工質管、變速器、空氣透平(或氨氣透平等)、冷凝器。以空氣為氣缸冷卻介質和第二路循環工質的典型結構為空氣被壓氣機壓入工質管，先進入換熱器1吸收內燃機廢氣余熱，然后通過分氣裝置進入內燃機氣套吸熱(同時均勻地冷卻機體)，再進入換熱器2吸收廢氣余熱，最后進空氣透平(通過變速器與內燃機主軸相連)作功，乏氣排入大氣(車用則排氣方向與車輛前進方向相反)。還能以氨等低沸點工質為冷卻介質和循環工質來組織第二路循環。
文檔編號F02G5/00GK1508417SQ0310403
公開日2004年6月30日 申請日期2003年2月14日 優先權日2002年12月14日
發明者柴文龍 申請人:柴文龍