虽然内燃机已高度发展，可靠和令人放心，但全世界几乎所有的道路运输经由辐 射、发动机冷却剂和排气一般会损失约72-75％的燃料发热量。根据Internal Combustion Engine Fundamentals，J.B.Heywood，McGraw Hill 1988第675页，典型的6缸式火 花点火汽车的实测制动马力在72MPH时只为燃料发热量的21％，而在43MPH时则只有 18％。同时，由于全球的供应量减少，燃油价格不断上升，而空气污染问题则持续不变。 虽然已多次尝试通过自废热回收能量来提供更高效率的内燃机，但这些在先提案具有明 显的缺点。由BMW Internationa]开发的一种现有系统(美国专利6,834,503)，除内 燃机之外，其要求一种完全独立的与内燃机通过皮带连接以自发动机冷却剂回收能量的 蒸汽膨胀器以及一种排气驱动的蒸汽产生器(boilor)。该种结构安排大大增加了动力装 置的尺寸、重量和成本，以及热回收的定位限制。由于车辆的空间限制，全套机组的体 积和重量至关重要。Porsche AG开发了一种与内燃机连接的废热涡轮(美国专利 4,590,766)。本发明的目的在于提供一种通过高效膨胀器在闭路循环(无排气)中不 断地再循环蒸汽的方法，其中以工作经济节约为首要的考虑因素，同时还要改善内燃烧 的排放。已经有人尝试结合燃气和蒸汽发动机来回收发动机废热，该些例子有Still发 动机(1910年的英国专利25,356和1912年的英国专利28,472以及美国专利1,324,183) 和授予Mason的专利3,921,404。Still发动机具有设置在活塞下面的汽缸盖，设置细 小环形室，让蒸汽可从汽缸壁中的开口在汽缸盖和活塞之间流出流入。在逆流式发动机 中，在整个汽缸中的蒸汽压力在整个排气冲程期间下降至接近大气压力，引致蒸汽温度 下降而令汽缸壁冷却，使冷凝的蒸汽在下一动力冲程时导入。这样就消耗了发动机原本 可通过降低进入蒸汽的平均有效汽缸压力而获得的动力。不过，通过减少蒸汽冷凝，根 据所谓的单向流原则工作的蒸汽机的效率会比逆流式发动机达到的效率大得多。但在 Marks Standard handbook for Mechanical Engineers，1987第9-37节中所述的双作 用空心活塞单流式发动机不适合用作组合式内燃和蒸汽发动机，其部分原因是活塞过 热。本发明的一个目的是提供一种组合式内燃和蒸汽发动机，其可克服现有技术的结合 式发动机的固有的热效率低的问题，除外还具有使用内燃部件(活塞、汽缸、连杆和曲 轴)的优点以及由分担若干内燃机机械损耗而带来的效率增益，并且具有紧凑型无障碍 式燃烧室，但没有存在于F头(对向阀)发动机中的袋部或延展部，从而允许高性能、 高压缩的四个内燃阀半球形室结构。更具体的目的是提供一种组合式发动机，其中内燃 烧和蒸汽作用于同一活塞，在进气时，没有蒸汽凝结在汽缸或活塞壁或头部上，以便除 去前述的在现有技术的双作用组合式发动机中固有的冷凝损耗。为实现该目的，本发明 必须提供内在保护，以比所谓的单流式发动机更好或更佳的方式用低压排放蒸汽来防止 蒸汽室壁上的冷凝。双作用内燃和蒸汽发动机的重要条件是需要机制使用尽可能不增加 长度的汽缸来使发动机尺寸和重量最小化。但是，还必须防止燃烧过的内燃气体/油污 染蒸汽而降低蒸汽产生器和冷凝器的效率。本发明的目的为尽可能不增加汽缸的长度来 适应蒸汽，而不致使蒸气被油或燃烧产物污染。本发明的另一大体目标为提供一种能量 源，其可更有效地利用内燃机本身构成的废热，以致无需独立的蒸汽机或膨胀器，就能 够在具操作灵活性的情况下更好地回收内燃机的废能以及减小动力机组的总体积及其 生产成本，以使发动机充分地适用于驱动车辆，尤其是轿车、公共汽车、卡车和机车。 本发明的更具体的目的是以组合式内燃和蒸汽发动机来获得单流式蒸汽机具有突出效 率的优点，其可自作用于活塞的蒸汽和燃烧处取得动力，且其灵活性足以在负载和蒸汽 产生器输出变化大的情况下有效地工作。而另一目的是通过将燃烧热传导转移到在发动 机本体内的工作流体来更有效地回收损失的燃烧热，以及以更有效的方式自内燃机冷却 剂和发动机废气回收废热。另一更具体的目的是提供一种在油和漏气进入蒸汽管道前将 它们捕获和排除的方法。

简而言之，本发明的一个方面涉及一种适用于汽车的组合式内燃机，其包括燃烧 燃料来驱动活塞的可扩展燃烧室；以及在同一发动机内的由蒸汽驱动的可扩展室，所述 蒸汽由内燃机发出的燃烧废热而产生。在将会叙述的较佳实施例中，在每一活塞上具有 可以是半球形的燃烧室，其作用于活塞的上表面；以及在汽缸内邻接活塞底部且位于燃 烧室下面的蒸汽膨胀室，其具有与热的发动机表面邻接的蒸汽阀门结构，使到有可能实 现优于所谓的单流式蒸汽机的高效率，以自燃烧废热提供额外的动力；实现远高于普通 逆流式蒸汽机的效率水平以及通过提供可变的蒸汽排量来实现在车辆内出现变化的不 均匀蒸汽产生器压力和发动机载荷的情况下所需的灵活性。本发明的另一方面涉及一种 将内燃机冷却剂和内燃排气内所含的燃烧热更有效地回收的方法，其使用排气驱动的蒸 汽产生器以及将燃烧室内产生的热直接传导给在与活塞邻接的蒸汽室内的膨胀蒸汽。本 发明的另一方面涉及一种改进的用于产生蒸汽的热回收、热交换以及蒸汽产生器系统， 其以更好的方式构建蒸汽膨胀室，汽缸头，加热蒸汽排气区和蒸汽供应结构，所述结构 可作用于内燃机内的活塞，以便更有效地节约燃料，构成更有效的组合式气体和蒸汽发 动机，平衡蒸汽排量和蒸汽产生器输出以便更有效地使用蒸汽，并且提供其它的在下文 将会变得明显的特征。
附图说明
通过参照以下附图和通过范例说明并落在所附权利要求的范围内的几个发明变型 的详细叙述，将可更佳地理解本发明的这些及其它更详细和具体的目的和优点。细目标 题是用于方便读者，无论如何也不应作为对本发明的限制。
图1所示为根据本发明的发动机的一个汽缸的部分图解的垂直截面图，所述汽缸 的燃烧汽缸头沿着垂直轴升高和旋转90度以示出阀门，其中所示的活塞在上死点位置。
图2所示为图1的汽缸的下半部的放大尺寸的局部视图，其示出在下死点位置的 活塞。
图3所示为十字头和连杆的上部的透视图。
图4所示为沿图3的线4-4所得的十字头的横向垂直截面图，其还示出十字头导 柱。
图5所示为部分的汽缸壁和在下死点位置的活塞的高度放大的局部垂直截面图。
图5A所示为类似图5的视图，其示出附加的油环。
图6所示为汽缸头或盖和活塞的分解透视图。
图7所示为汽缸头或盖的放大尺寸的局部垂直截面图，其示出双座式平衡提升阀。
图8所示为另一种形式的蒸汽进气阀的垂直截面图。
图9所示为本发明用于4缸式汽车发动机时的蒸汽循环的示意图。
图9A所示为馈给补燃器的补充燃烧气体源的示意图。
图9B所示为类似图9的视图，其示出可选择的冷凝器和热回收电路。
图10所示为根据本发明的阶梯形活塞发动机的垂直截面图。
图11所示为图10的活塞的透视图。
图12所示为制动能回收的示意图。
图13所示为根据本发明的阀的局部垂直截面图。
图14所示为用于改变工作期间的发动机排量的控制器的示意图。
图15所示为汽缸盖中心的局部垂直截面图，其示出活塞杆密封件和十字头。
图16所示为一种类型的金属密封件的透视图。
图17所示为另一种类型的金属密封件的透视图。

现在参照附图。图1-8所示为一种组合式内燃机和蒸汽机10，其具有包含杯状的 筒型活塞14的汽缸12，不同于普通活塞，所述筒型活塞的外面16和里面18加工和磨 削成具有精确的公差，并且设置成在汽缸12的内壁12a和固定的汽缸头之间的环形空 间11内往复运动。
设置在活塞14内的汽缸头包括平毂、盘形件或环形盖20，其厚度可以例如为1/4 至1/2英时，并且支承在整合的十字头导柱20a的自由上端上，所述导柱通过螺栓21A 固定于曲轴箱21。盘形件或环形盖20作为导柱20a的顶盖或端盖以及蒸汽室44的一端， 其外缘处的柱面19a作为向下延伸的轴环19的一部分，所述轴环的大小做成可在活塞 14内形成滑动配合，并且还具有槽以支承压缩环20b，所述压缩环在活塞14的内柱面 提供滑动密封。图中可见，该盖20在汽缸两端部之间的居中位置横贯所述汽缸。进气 阀48安装在汽缸盖20内，介于外表面19a和汽缸盖20的中心之间。在导柱20a和汽 缸12之间的空间内包括蒸汽箱46，其含有在大体节流压力下的高压及高温蒸汽，当进 气阀48打开时，蒸汽进入活塞14下面的蒸汽膨胀室44，将活塞14向上推。汽缸12 可以按要求独立地用螺栓固定于曲轴箱59，以适应蒸汽的温度差异，而不是如图所示般 一体成型。
在盖20的顶部为将活塞杆24以密封件适当密封的衬套22，所述活塞杆通过螺母 24a固定于活塞，所述螺母可为扳手而开槽。活塞杆滑过衬套22并且固定于连杆28以 将动力传递到曲轴30。在活塞杆24的下端为具有部分柱形外表面25a的活塞式十字头 25(图3)，其在支承所述盖的导柱20a的内圆柱孔27中滑动，所述导柱20a作用为十 字头导件以承受连杆28的侧向推力。因此，可排除在大多数内燃机中常见的活塞敲缸。 十字头与连杆通过活塞销26结合。挑选用于活塞14和盖20的合金，以在启动时提供 预定均衡的伸缩量。当使用铝质活塞时，可以公知的方法用多孔铬将内壁18电镀，或 者内壁18可覆以钢衬套(未显示)，以提供硬的活塞环接触面。该钢衬套可在大部分 地方与铝质活塞裙部14a稍微隔开，以减少活塞内自蒸汽的热量损失。在工作时，在蒸 汽从蒸汽箱46通过进气阀48进入活塞下的蒸汽膨胀室44来提升活塞时，活塞14的裙 部14a在汽缸壁12和盖20之间的环形空间11内往复运动。
在活塞14的顶面14a上面的传统内燃室34在汽缸顶部由汽缸头35封闭(所示为 与汽缸以90°偏离旋转排列以使阀门可见)，所述汽缸头具有进气阀36、排气阀38 和排气口37，用于冷却剂循环的室39以及火花塞40，并可像在内燃室34内燃烧汽油 或其它燃料的四冲程(奥托)循环内燃机般工作，但如有需要，其也可为柴油发动机或 二冲程发动机。燃烧室34由在室39处的通过汽缸12的水套12B循环的冷却剂进行冷 却，所述燃烧室紧凑，无障碍以及无侧室，如有需要，其甚至可以为高性能和高压缩的 四上置式内燃阀半球形结构，以避免爆燃。
在汽缸12壁内并在其周围几乎成一直线延伸但略高于盖20顶的为蒸汽排气歧管 50，其与汽缸12内部通过相隔的蒸汽排出口51相连通。图2中可见，蒸汽进气阀48 和蒸汽排出口51大致侧向成直线地设置，但排出口处于稍高的高度。在工作时，内燃 发动机的通过排气口37排出的气体通过将在下文叙述的蒸汽产生器，所述蒸汽产生器 通过将水或其它热传递液体煮沸以产生蒸汽来回收废热，所述蒸汽自蒸汽箱46通过进 气通道46a，46b进入活塞下面的蒸汽膨胀室44。当活塞到达上死点位置时，排气通过 蒸汽排气歧管50逸入低压蒸汽返回管道52，因为活塞裙中的排气口14b与排出口51 成一直线(图1)并作为自动排气阀，因此，这实际上在内燃机的每一活塞14下面提供 了独立的蒸汽机。应该明白，所述自动排气阀在蒸汽室44处于扩展状态时打开和关闭。 在闭路循环中，排气会凝结，然后加热以及不断地循环返回蒸汽膨胀室44，所述闭路循 环独立于内燃机的进气和排气，因此极少需要更换。
应该注意到，盖20充当蒸汽膨胀室44的下(蒸汽)汽缸头，密封了膨胀室，为 进气阀48提供支承，并形成蒸汽膨胀室44的间隙容积，将其特意保持为小的容积以确 保高效率的工作(参见图2，所示的活塞在下死点位置)。通过该种结构，蒸汽膨胀室 44的整个下端被加了汽套，包括蒸汽进气阀48以及盖20的顶面，因而将它们维持在接 近蒸汽箱46的高温，例如1000P.S.I.@850°F，从而防止因蒸汽膨胀室44内的该些 部件上的蒸汽凝结而导致的功率损耗。应该注意到，排出口51不像单流式出口，其位 于与热的发动机表面(即汽缸盖20)邻接的汽缸壁上，除了在活塞杆24的周围，所有部 份在工作期间都由蒸汽箱46在外部加热。当蒸汽膨胀室44扩张到超过其最大容积的50％ 且最好是75％时，低压蒸汽通过管道52排出。如前所述，当蒸汽膨胀室44扩张到约为 其最大容积的89％时，排气装置将会开始打开。
与常规逆流式发动机相比，图1～8所示的结构产生显着改善的工作效率。例如， 假设在800p.s.i.的节流压力和10％的截止值，图1-8所述和所示的发动机的单流式蒸 汽率的计算值为8.2lb./HP-Hr，而在等同的逆流式发动机的蒸汽率的计算值为11 lb./HP-Hr，所以本发明可使25％的改进变成可能。在12.5％的截止值下，图1-8所示的 发动机的计算蒸汽率为8.3lb./HP-Hr，而传统逆流式发动机的相对值则为10.4 lb./HP-Hr(有20％的改进)。由于下冲程使残余蒸汽提升到进气温度，避免了像是在单 流式发动机中的输入蒸汽被残余蒸汽冷凝的情况。而效率则胜过单流式发动机，因为不 像在单流式发动机中，邻接排气阀的活塞表面不能加热，本发明的在高压蒸汽箱46上 面的整个的邻接的盖20(图1)在外部被加上汽套，从而通过蒸汽箱46不断地加热， 以便防止输入蒸汽的冷凝。非常重要的是，通过管道52排出的低压蒸汽要保持远离盖 20下面的加热区域。为了减少热损失，导柱20a的壁可以由两个在它们中间以静气相隔 的同心管做成。
在过去，在图2中22a所示的纤维轴密封件为常用于蒸汽动力车辆的类型，其必 须定期更换，如果使用高温蒸汽，会使其焦化。为了避免该些问题，防止冷凝蒸汽渗入 曲轴箱，并提供长的使用寿命，如果需要，可以使用如图15-17所示的备选的金属密封 件175与过热蒸汽。密封件175由一种软合金，诸如巴氏合金或其它船用蒸汽机密封件 的金属合金制成，其无需像活塞环和轴承等等那样要经常更换。每一金属轴密封环175 设有倾斜的外壁175a，其靠在设置在两个或以上层迭的青铜环176的其中一个内的同样 倾斜的座176a上，其向上朝蒸汽膨胀室44敞开。轴密封环175可以分开成例如图17 所示的四大块，如果需要，可以具有如图16所示的搭接。每一密封环176可以通过例 如装在每一密封环175上的槽中的压缩弹簧178而压在其座上。座176a的斜度可以选 择，以致密封环不会太紧而使过多能量在摩擦中消耗。在工作时，密封环175可以稍微 地上升离开其座并与弹簧的力量相抵。可选择地，导柱20a的内壁27具有两对向的空 气传递槽，例如面向活塞销的纵向凹槽179，其允许空气绕十字头自由流动，除了导柱 20a的最顶端之外。金属的密封环175因此能够与邻接的如图15所示实施例提供的具 有可选择的活塞环173的圆柱活塞式十字头25合作，以便当密封环下面的压力因十字 头25接近凹槽179上面的上死点位置而增大时，通过密封环使任何气体、蒸气或液体 返回到蒸汽膨胀室44，从而防止渗漏到曲轴箱内。如有需要，图中所示的密封环175 和176，可以添加可额外的纤维密封环(未示出)。润滑油通过输油管线177施加到密 封环175和十字头25。如有需要，可选择地使用更传统的十字头(图3)，其具有平面 边以使空气绕其流动。为了消除曲轴箱59中任何潜在的蒸汽凝结，可将蒸汽排气管道 52设置成与其接触，因为将贮油槽中的油加热就足以驱走湿气。
汽阀结构
至关重要的是蒸汽机组件要以使其可在较高r.p.m.s.下工作的方式来构造，因为 燃气发动机必需与速度约每分钟3000英尺的活塞工作。阀门因此必须具有低质量，并 在高r.p.m.s.下不会有浮动的倾向。虽然可使用任何合适的蒸汽阀，图7概略地示出一 种平衡提升阀48。该阀48为平衡双座式提升阀，其具有两阀面48a和48b，每一阀面 靠在其本身的座上，所述座位于盖20内的室46a的顶部和底部。当阀48打开时，室44 通过室46a和通道46b与蒸汽箱46相连通。否则运动阻力就会出现，因为高蒸汽压力 由稍微大于48a的阀面48b平衡，以致从蒸汽产生弱的向上力，其易于被被凸轮64(图 2)克服。在工作期间，当凸轮64使阀48降低，蒸汽将自蒸汽箱46通过阀室46a及通 道46b流入活塞14下面的蒸汽膨胀室44，将活塞向上推动。如果下阀座48b的外径为 3/4英时，其主轴直径为1/8英时，上阀门48a的内径为9/16英时以及压力为750 lb/in2，则阀上的净向上压力将约为130磅再加上弹簧力。如有需要，关闭力可以进一 步通过阀杆下端的平衡柱塞(未示出)抵消。假设下座的内径和上座的外径的差为1/64 英时，当蒸汽膨胀室44中的压力增至750p.s.i时，由此产生的向下(打开)力将为 12.4磅，如增至1000p.s.i.则为16.5磅。如有需要，阀头可转动地安装在其阀杆上， 以均衡如图7所示的倾斜的径向叶片的磨损，以传递转动。如有需要，为了更好地使阀 48在工作期间自由转动，其可通过诸如扣环的转动结合或在管套48b(图2)内的球结 合与起阀杆48a连接。杆48a在通过摇杆64a收回时将阀打开，所述摇杆支承与以64 标示的三维凸轮接触的轮64b，所述三维凸轮64在工作时由伺服电动机S1轴向移位， 所述伺服电动机由中置式发动机管理(CEM)计算器305(图14)控制以优化阀门截止。 阀座48可为扁平或圆锥形，以及具有这样的斜度以致于它们都有共同的顶点，有助于 确保热变形相等。阀和阀座可用相同材料浇铸，以确保均等的热膨胀。然而，如果采用 不同的金属，可使用公知形式的Skinner自我膨胀提升阀，其具有在可伸缩地相关联的 上和下阀部件之间的弹簧金属密封环，以容许约0.003至0.004英时的伸缩作用。与滑 动阀相比，双座式平衡提升阀尤其有利，因为它们空心而具有低质量，无需润滑油以及 在管制全开时具有很小的升程(行程)，并且在如本文所述的可变截止操作时可在截止 极初期时具有更充足的进气。如有需要，两并排设置的阀48可通过网桥(未示出)连 接，以便由单升降杆打开。
图8所示为可选择的不平衡提升阀31，其通过弹簧31a向上偏置到其固定位置， 所述位置紧靠着在其上面的阀座32。拧在所述阀31下端上的为套管33，套管上端具有 凸起部，在工作时，所述套管被起阀器降低，即具有带开口35a的分支端的摇臂35绕 着阀杆31延伸，以便压着凸起部来打开阀31。阀31的阀杆延伸穿过阀导管31b，所述 阀导管的外端拧入所述盖的支承导柱20a的基座20d。在室44中的压力超过室46中的 压力时，阀31可以用作为下冲程时的安全阀。
此外，可以使用缓冲阀(bump valve)182(图13)来代替提升阀。在工作时，缓冲 阀182由起阀器180打开，所述起阀器在与阀182对齐的位置拧入活塞顶14a的下表面， 以致于当活塞下降时，起阀器180通过使其环形阀面182a与进气口185同心的座184 分离将缓冲阀182打开，所述进气口延伸穿过与阀182邻接的汽缸头20的顶部。阀182 通常由通过弹簧座188支承的弹簧186来固定，所述弹簧座拧入与汽缸头和导柱20a成 整体的网桥190。缓冲阀182提供固定的截止值。可以设置多过一个，例如四个缓冲阀， 在该种情况下，活塞14应该有四个对齐的起阀器180。
工作流体
用于产生蒸汽的工作流体可以是蒸馏水或去离子水或水和酒精的混合物或其它已 知的二元流体混合物诸如氨和水，以及碳氢液体诸如丁烷和戊烷，其中所述流体在闭路 循环中不断地再循环。本文中的术语“蒸汽”是用来广泛地包括这些和其它工作流体的 汽化物以及水蒸汽。当用水时，为了防止凝固，在寒冷天气时可使用由Saab-Scania，Inc. 开发的每星期只耗用1夸脱燃料的小型指示灯。也有人在早前开发了一种自动排水系统 来防止凝固。
漏泄气体和油的收集
如图5清楚地示出在下死点位置的活塞，所述活塞14设置了一对压缩环54和特 殊的油环55，该油环具有一对垂直向相隔的带有向下定向的锐边55a及55b的刮油器， 以将过剩的油向下通过汽缸传送到环形收集槽56，所述收集槽具有在蒸汽排气歧管50 上面的汽缸壁12a中周向相隔的出口。在整个工作期间，收集槽56在过剩油和漏泄气 体能够进入蒸汽排气歧管50之前通过回流管道60将过剩油和漏泄气体接收及传送到贮 油槽59。任何进入供水的油通过过滤结构或沉淀槽或离心机(未示出)去除。
现在参照图5a，其示出可选择的另一种形式的废油收集槽。在该可选择的实施例 中，使漏泄气体和油返回贮油槽的收集槽56为汽缸壁中的连续凹槽，所述凹槽设有一 对向中心收缩的槽缝式刮油环59，不像普通的活塞环，所述刮油环的内表面具有工作面， 所述活塞在工作期间靠着所述工作面滑动。如果使用环59，活塞的裙部应在钢套内加铁 或铝护套或者可以镀以多孔铬。所述环59在凹槽56内相互接触，并且向内压在活塞的 外壁上。将这些环固定在适当位置或以其间隙分开地相互固定。每一刮油环59具有若 干径向通道或槽缝59a，漏泄气体和油通过所述通道或槽缝传送到通向曲轴箱59的回流 管道60。结果，强行通过环54和55的少量油和漏泄燃气由收集槽56以刮油环59捕获 并传送到贮油槽，以将燃气和废油对蒸汽的污染减到最小。可按需要通过过滤结构或可 选择的沉淀槽或离心分离机(未示出)将剩余的油和颗粒物质从冷凝的蒸汽移除。如果 使用向中心收缩的刮油环59，其制作方法是切削具有合适直径的铸管材料，然后向外伸 展，使切割端以约1/2英时的距离相隔，以使所述环可设置在具有与活塞相同直径的环 形磨光器上，以致于在扩大成提供具有与活塞外径相同的直径的环形内表面的同时，内 部工作表面可正确地成型。所述环可相互固定，而间隙则彼此相对以防止漏泄，将它们 在同一时间压缩和安装。
在活塞的底部为两个在排气口14b的相对两边的压缩环54。所有的活塞环20b， 54和55通过销固定在适当位置，以致于它们的端部不会到达汽缸壁和活塞14中的排气 口。
密封汽缸盖及蒸汽排气
现参照图2和6。为保持蒸汽膨胀室44中的蒸汽压力，盖20具有三个压缩环20b， 其中之一在底部的可以是油环，该油环从活塞14内部撇去过剩的油，并通过盖20中的 开口使过剩油经管道20c返回贮油槽59。在工作期间，活塞14如所述般具有加工过的(例 如磨光的)柱形内表面，其在盖20的外表面上滑动。当排气口由活塞开口14b暴露而作 为排气阀时，在盖20的顶部上的所有水汽被排出汽缸，而不会像在逆流式发动机中那 样留在汽缸内在排气冲程期间再次被蒸发。如前所述，在下冲程时，汽缸内的剩余蒸汽 会在进气压力的间隙空间内被压缩。通过从油泵(未示出)传送油的加压供给管道20f 在盖20和活塞14之间提供润滑油。如果需要的话，盖20内可设置弹簧加载的安全阀 或旁通阀(未示出)，以防止在启动期间或冷凝器故障期间室44中的压力过大。在蒸 汽箱内的任何油或冷凝物可以通过排水管60a排除。
低压蒸汽从蒸汽排气歧管50经过管52传到冷凝器，然后到将在下文中叙述的蒸 汽产生器。低压蒸汽在蒸汽产生器处转变为蒸汽，所述蒸汽经过管道49流到高压蒸汽 箱46，并通过阀48进入蒸汽膨胀室44，从而完成环状的线路，因为其在整个工作期间 不断地循环。
定时进汽
图2-8和13示出了如何将蒸汽供应给汽缸。蒸汽进气阀48由气阀摇杆64a(其 端部在图2中部分地示出)打开，所述摇杆支承与凸轮轴61接触的轮64b，所述凸轮轴 与曲轴30连接以在每一转时将阀48打开。所述摇杆通过位于轮64b后的枢销与曲轴箱 连接。如果安装在用于内燃阀的同一凸轮轴上时，用于蒸汽进气阀的凸轮应该要有两个 以180°相隔的瓣轮，以便使蒸汽阀在每一转时打开。凸轮轴61可由齿轮驱动，例如以 公知的方式用螺旋齿轮使凸轮轴凸轮64前进或减速，从而提升或降低蒸汽截止值。做 为选择方案，凸轮轴61的每一凸轮64可为三维凸轮，其轮廓沿其长度起伏以便可通过 轴向地滑动凸轮轴61(图2)来提供不同的截止值。例如，每一凸轮64可成型为提供 比如说在一端为5％截止值和在另一端为50％截止值。因此，通过轴向地滑动凸轮轴61， 计算器305可选择最佳的截止值，为汽车提供最有效的运作和最佳的油耗定额。
发动机管理控制
用于调节每一发动机工作调节器的控制器的实施例包括通过伺服电动机S1的进气 阀截止凸轮64，通过伺服电动机S2的蒸汽节流阀T，而内燃机工作控制器为中置式发动 机管理(C.E.M.)计算器305(图14)，其组件与用于轿车和卡车的发动机控制的组件 大致相同。所述C.E.M.与一或多个输入传感器连接，所述传感器指示用于本表明的操作 变量的状况，以使在每一蒸汽产生器压力、发动机转速和负载条件下的燃料消耗最小化。 监测的蒸汽机操作变量可用来不断地控制发动机的运作，通过调节蒸汽节流阀调定T、 可变的截止凸轮64和其它发动机操作调节器可使热回收最大化，并且使燃油消耗和污 染物排放最少化。所述C.E.M.计算器305还可用于提供汽缸复合以及平衡发动机排量与 蒸汽产生器输出，下文将会连同图14作更完整的叙述。
蒸汽发动机的效率和热函损失
如图2所示，蒸汽箱46上面的盖20的整个顶壁(通常为导柱20a的顶部区域的 5或6倍大)如上述般将盖20、阀48和活塞维持在接近输入蒸汽的温度。汽缸的下部 可以隔热，其一小部分在12c示出，以及十字头导件27也部分地在20e示出，以使自 蒸汽箱46的热量损失最少化。
所述类型的发动机，例如专利1,324,183和3,921,404是基于逆流原理而工作， 其中在活塞下降时排出大气压力下的蒸汽。与之相反，本发明的位于活塞14顶下面的 蒸汽发动机组件，甚至能够优于以具有非常高效率而着称的单流式蒸汽机的性能。在单 流式发动机中，只在活塞暴露排气口的短时间内，蒸汽才会在汽缸中心流出，但与排气 口的环邻接的活塞端部未被加热。在本发明中，当室44处于扩展状态时，在每一冲程 的上端，活塞裙中的排气口14b与汽缸壁中的排出口51成一直线，使蒸汽可短暂地逸 入围绕汽缸12的排气歧管50。当排气口51暴露时，在热的盖20的顶部收集的任何水 汽将会被横向地扫出汽缸，而不是留下进行再蒸发。在下冲程时，留在蒸汽室44的蒸 汽被压缩至进气压力，但不像单流式发动机，44的间隙空间的上及下邻接面都被加热(活 塞14的顶由内燃室加热，而汽缸的下端，包括盖20，阀48和活塞裙部由室46内的高 压蒸汽加热)，从而保持汽缸和活塞的热度。这样，就比单流式发动机更有效地防止了 发动机表面的潜在冷凝。有如单流式发动机中的蒸汽再压缩避免了逆流式发动机中发生 的间歇性冷却，而邻接排气口51的盖20的加热使其上的新鲜蒸汽的冷凝最少化，从而 维持比单流式发动机高的效率水平。图2、7和8示出了包含蒸汽进气阀48的盖20如 何被加汽套来提供热能，以便在工作期间保持20a的汽缸头表面在排气口51的环附近 被加热。
蒸汽机的效率还可藉由燃烧室34内的燃烧气体通过活塞的上部14a对活塞下的蒸 汽的直接热传导来提高。在燃料燃烧时损失的燃料热能，其大约有8％在燃烧期间损失， 而约6％则在膨胀时损失。其中大部分损失的热量会转移到活塞顶和上半部，并继而转移 到室44内的蒸汽。由于大量蒸汽穿过活塞下面的室，活塞的头部可以保持在安全的工 作温度。
为了进一步提高效率，并补偿下冲程的负扭矩(尤其在低速时的)，蒸汽室44可 选择地通过直径为0.18英时的节流管或扼流圈47连接活塞头中的辅助排量室45(图2)， 该排量室比方说为2立方英时大，可用于40立方英时的汽缸排量，以作为可变的辅助 间隙容积，基于公知的流量节流原理以不同的节流阀调定将室44中的下冲程压缩压力 限制在节流压力，以便藉由流经扼流圈的较大流量于低r.p.m.s.提供更有效的间隙容 积，同时于高r.p.m.s.提供减小的流量，从而限制进入汽缸的充气。该作用于高r.p.m.s. 提供较早的截止的效果，以便提高Rankine发动机的效率。此功能与内燃和蒸汽动力一 起工作提供的每四冲程就有三个冲程有净正扭矩导致合理的平稳运行的发动机。约为其 它三个冲程的净正扭矩的10-12％的负扭矩只会在内燃进气冲程内出现。本发明比给定数 目活塞的内燃机提供更平稳的扭矩，因为每一活塞下面的蒸汽将在每一转提供一个动力 冲程，并可在减小的r.p.m.s.下提供更大的扭矩，因为蒸汽机不需要高转数来展开其动 力。4缸式发动机在每一转将会有六个动力冲程而不是两个，其中包括四个来自蒸汽膨 胀的动力冲程。
润滑油可以任何适当的方式提供，例如可通过连续加压供给管道20f和57(图2) 和177(图15)，其将油通过汽缸壁计量供给盖壁、活塞和汽缸；以及可藉由传统的通 过曲轴和连杆的加压供给；或者通过从贮油槽(未示出)喷溅或喷射油。
热能回收
现参照图9，其所示为根据本发明的优选形式的热能回收组件和方法。在典型的 内燃机中，在使用条件下，制动功率输出约为25-28％，损失约72-75％的燃料发热量(见 I.C.Engine Fundamentals by J.B.Heywood，1988第674页)。内燃能量损失包括那 些来自排气、冷却剂和其它损耗，诸如发动机的辐射以及排气系统和排气装置的动力损 耗。图9所示为回收该种热能的系统，其包括发动机10、蒸汽产生器100、省油器102、 蒸汽过热器104、两个逆流式液对液换热器106和108、冷凝器112和散热器110。如上 所述，低压蒸汽被收集在环绕每一汽缸的室或歧管50内，并且通过低压蒸汽返回管道 52排出。蒸汽返回管道52通过管路114连接到逆流式换热器或回热器106，该换热器 或回热器可包含安装在内部和外部的一对管，内部管用诸如铜的良导热体材料制成。回 热器106充当次级预热器以预热流经内部管116的给水，然后通过管路118传送到省油 器102。省油器102可设在蒸汽产生器围璧124内，但如果分开的话(如图所示)可确 保更好的逆流热交换。所示实施例的省油器102为逆流式换热器，其中预热的给水进一 步由发动机排气加热，所述排气与流经省油器102内的螺旋管120的给水成热传导关系， 以便将预热的给水供给蒸汽产生器100。
虽然可以使用各种蒸汽产生器，但具有直径约7/16”且绕成一系列平螺旋线或绕 成同心截头圆锥体的无缝式钢或镍合金管道的单管蒸汽产生器或快热蒸汽产生器或如 专利5,845,609所述的皆为优选的蒸汽产生器。在蒸汽产生器中，自省油器102接收预 热给水的螺旋管122因此在工作期间暴露给循环流动的热的发动机排气，所述排气通过 切向进口126进入蒸汽产生器的围璧124，并且通过切向出口128以与流经螺旋管122 的给水和蒸汽相反的方向离开所述围璧以再次提供逆流式换热，以致于最后离开蒸汽产 生器的顶螺旋管122的蒸汽被加热得最多，并暴露于通过切向进口126在蒸汽产生器100 最热的地方进入的最高温度的发动机排气中。虽然所示的蒸汽产生器中只有少数的螺旋 管，但实际上会使用更多。一定长度的5/8英时外径的软无缝钢管制成的由总数24个 各长17.5英尺的扁平线圈构成的总长420英尺的管(其受热面达到75平方英尺)可提 供20马力的蒸汽产生器。虽然所示和所述的为优选的蒸汽产生器，其它公知的管式蒸 汽产生器也可提供有效的能源回收。例如，LaMont快热管式蒸汽产生器开发的效率为 85％(见Heat Engines by R.H.Grundy，1952，第452和453页)，而Benson蒸汽产 生器在测试中所得的热效率约90％(见Theory and Practice of Heat Engines by D.A. Wrangham 1960，第710和711页)。本发明能够提供相同或更高的效率，因为蒸汽产 生器100中的气体的温度没有像在普通蒸汽产生器中被风扇吹入蒸汽产生器的加热器中 的较凉的输入气流所降低。管式蒸汽产生器的加热率也快于标准的蒸汽产生器。有些快 热管式蒸汽产生器可在短至15-30秒内达到高蒸汽压力，其表示可实现相当有效率的热 传导。可在并联电路(未示出)中设置循环泵，以便将热传导最大化。
现参照图9B，其示出一种稍微不同的用于蒸汽和冷却剂循环的电路。在图9B中 的蒸汽产生器，辅助燃烧室和省油器与已经连同图9进行叙述的那些相同，但以下部件 的配置则不同，包括：冷凝预热器160、冷凝器162、过滤器164、冷凝泵166以及温控 旁通阀170。在工作期间，来自回热器106的湿蒸汽和冷凝物流经旁通阀170去到冷凝 器162的顶部。然而，在较低的冷凝温度下，旁通阀170允许更大部份通过管道172绕 过冷凝器162到达过滤器164，湿蒸汽和冷凝物在其处由冷凝泵166送到第一级逆流式 冷凝换热器160，并被加热到尽可能接近热的冷却剂离开发动机的温度以得到最大的温 度增益，例如可加热到约100-115℃。发动机冷却剂本身以相反方向通过水泵109馈 送，以便一旦通过管道111退出时，可将几乎所有的热负荷转移到冷凝物，同时在重新 进入发动机10时可冷却到冷凝物离开冷凝器162的温度。尽可能少地通过冷凝器162 转换旁通阀170，以将冷凝物和冷却剂保持在所用的特定发动机10的预定的最佳设计温 度。蒸汽在发动机中通过省油器102和次级冷凝预热器106的循环与上文中与图9相关 的叙述相同。
本发明的如上所述的，尤其是连同图9、9A和9B所述的热能回收方法和装置，特 别适用于汽车或其它车辆，因为其回收废热的效率高且重量较轻。但是，其它公知的， 例如在美国专利4,087,974、4,201,058、4,300,353、4,351,155、4,803,958、6,834,503、 6,964,168、7,013,644中所述的换热结构，其中有些特征也可用于从图1-8所示的发 动机的内燃部份回收废能。将所有这些专利全文完整地引入本文作为参考，尽管它们在 本申请文本中已完整地复制。
图9-9B旨在大体上用图示出蒸汽和冷却剂的循环。其它公知的本领域的技术人 员熟悉的组件(未示出)包括温度和压力传感器、止回阀、液体储存罐、恒温的发动机 冷却剂、散热器/冷凝器的风扇、压力计和安全阀、排水管等等都以常规的方式使用。 为了尽量减少热损失，在高温下的组件可以传统方式热绝缘，例如在图2的12c和20e 部分地示出的实施例。
过热器组件
根据本发明，在标准内燃机的排气歧管的位置设置过热器104。过热器104略大于 普通内燃机的标准排气歧管，并充当构成排气歧管一部分的补燃器，以回收额外的废能， 同时消除某些污染物，例如一氧化碳和碳氢化合物。在里面有一系列由不锈钢管制成的 螺旋管130，以便通过将由排气进入管141-144引入过热器104的发动机排气的热量转 移使蒸汽产生器100产生的蒸汽过热，所述排气进入管本身直接连接到汽缸头35中的 排气通道37。由于过热器104位于蒸汽产生器和汽缸之间并通过进入管141-144与排气 口37极接近地连接，例如相隔2-10英时，过热器内部的螺旋管130承受最大的热能， 而蒸汽则与排气流反向地流动。为了使排气温度最大化，同时也减少污染物，加热的二 次空气通过注射器注入进入管141-144，所述注射器的空气由鼓风机148通过空气供应 管道146来提供。图9A示出了进入管道147的补充空气在由鼓风机148传送到内燃排 气进入管141-144时如何被内燃排气管103加热。因此，可以看出，螺旋管130暴露于 两种燃烧产物中：在发动机汽缸中的产物以及在过热程内由于二次空气的注射而发生 的未燃气体的燃烧而产生的产物。所述鼓风机，例如，正位移旋板式或罗茨式鼓风机48 可由发动机驱动，由电动机150或由与管道114连接的小容量废气或蒸汽涡轮机(未示 出)驱动。通过排气进入管141-144进入过热器104的排气可高达约900℃，而最常见 的范围大约为400℃-600℃。通过补充空气供应管道146引入的辅助供气会氧化排气中 的大部分未燃碳氢化合物和一氧化碳，其总量可高达9％的燃料发热量。为了优化燃烧和 增加滞留时间，可将过热器104制成比标准排气歧管大得多，对于4缸式发动机而言， 其直径通常大约为6-8英时或以上。可选择的具有倾斜径向叶片的漩涡导件105可给气 体一种漩涡作用并增加在过热器104中的滞留时间，以促进未燃气体的燃烧，这是有利 的，因为业已发现消除1.5％的一氧化碳可导致220°K的温度上升(Heywood Id.第658 页)。可以看出，过热器104为补燃器，其做成排气歧管的主要部份，其中处于最高温 度的排气在燃烧进行时于若干地点，例如4个地点进入，其中单管式蒸汽产生器的蒸汽 以与输入排气相反的方向流动，从而提供在最高温度下的过热，因为单管式蒸汽产生器 管道贯穿补燃器，从发动机最远处进入和在补燃器的上游端附近离开。还应该注意，蒸 汽从蒸汽产生器流入过热器，其接收正要离开发动机的上游排气，而且这些排气同时通 过自二次空气供应管道146注入的热空气使先前未燃的碳氢化合物和其它可燃气体的燃 烧而被进一步加热。结果，本发明使到有可能从未燃气体和燃料回收热能，在普通发动 机中，所述回收热能可占约3-9％的燃料发热量。
概括而言，蒸汽和冷凝物的循环如下：从发动机通过管路52和114排出，然后通 过回热器106到冷凝器112。源自冷凝器的冷凝物流过过滤器113、泵115、第一预热器 108，然后通过回热器106(于220℃-240℃下离开)到省油器102、蒸汽产生器124、 过热器104，然后通过蒸汽节流阀T、高压蒸汽管道49和电磁控制的分配阀V到蒸汽室 46及进气阀48。冷凝蒸汽通过冷凝泵113从过滤器115馈送到初级换热器108，在其中 由通过泵109经由管路117反向馈送的发动机冷却剂进行加热。因此，发动机冷却剂首 先将其热量转移到冷凝物，然后再通过流经散热器110来进一步冷却，再通过软管111 从散热器回流到发动机冷却通道35及12b。
驾驶者的脚踏节流阀控制杆可以将节流阀调定点控制作为给C.E.M.计算器305的 指令，其继而分别为截止和蒸汽节流阀将伺服电动机S1和S2定位，以便在车辆运作期间 不断地优化效率和使油耗定额最大化。发动机功率从而可通过蒸汽节流阀T和截止调定 来控制，以尽量减少油耗。另外，蒸汽节流阀T的操作可以例如在专利4,300,353中所 述，而压力和温度控制可以像Carter专利3,908,686和4,023,537那样控制。驾驶者 的脚踏节流阀可以设置成在内燃节流阀打开之前将蒸汽节流阀T打开，以便在燃烧更多 燃料之前使用储存的能量，如果有的话，而连续的脚踏板运动则可设置成将内燃节流阀 打开。
蒸汽排量控制
本发明的一个目的是在由内燃废热和车辆传动要求的改变而导致的变量负荷和蒸 汽产生器压力下有效地工作。有些蒸汽产生器输出调节可以以可变的截止装置64来实 行。不过，本发明还包括一种用于改变蒸汽排量的机构，以便在不同的工作条件下提供 要求的灵活性。根据本发明，阀V由C.E.M.计算器顺序地打开来增加排量以及由C.E.M. 计算器顺序地关闭，以便尽可能紧密地匹配蒸汽机排量与蒸汽产生器和过热器的蒸汽输 出熵，其目的为在整个工作期间使它们的比例在发动机于启动期间和于不同的交通条件 下改变速度时可维持得更加稳定。要达到该目的，可将蒸汽产生器或汽缸的发动机负荷 传感器(转矩计)或蒸汽压力传感器连接到C.E.M.计算器305，该计算器在蒸汽产生器 输出上升时以步进的方式打开阀V。因此，当蒸汽产生器输出低时，只使用一或两个蒸 汽汽缸，而在蒸汽产生器输出增大时则增添使用更多的蒸汽汽缸，以便在内燃机的热输 出量变化时维持良好的效率。例如，在蒸汽驱动的车辆中，在其他各点都相同的情况下， 通过更好地匹配蒸汽产生器输出与发动机排量，可计算出在恒定的蒸汽速率 8.51b./HP-Hr下将蒸汽机排量从过度的排量200CID降低至140CID，以将燃料燃烧效 率由最初的9.9MPG提高到14.4MPG(燃料燃烧效率大致上有45％的增进)。
根据本发明的发动机排量控制的一个实施例于图14中示出。可以看到，如上文所 述，从蒸汽产生器100经节流阀T通过蒸汽管道49和四个到发动机汽缸的电磁控制阀 V，将蒸汽馈送到多缸式发动机10的汽缸。蒸汽产生器设有用于操作变量的传感器，诸 如温度和压力传感器(未示出)，其通过导线300、302和303与发动机管理计算器305 连接以显示供给蒸汽产生器的热量(BTU/Hr)。发动机10上的负荷和发动机r.p.m. 通过线路306和308传到C.E.M.305。当发动机运行时，C.E.M.实时计算在现有工作状 态下的最佳发动机排量，以实现最佳的油耗定额。然后使用计算结果，通过导线304-307 操作电磁控制的阀V。如果发动机10的每一汽缸具有相同的排量，则通过匹配排量与感 应的工作状态将所述阀V顺序打开来提供发动机相对于蒸汽产生器输出的灵活性，以便 在蒸汽压力、温度或供给蒸汽产生器的热量增加下提高排量，例如以步进的方式从15 立方英时到30、45、及最终的60立方英时，同时响应于蒸汽产生器输出或发动机负荷 的下降而减少排量，全部根据预定的操作参数在发动机运行及启动前或惯性运行时由计 算器感应的工作状态下维持最佳的蒸汽机效率。当发动机没有负荷时，例如当惰力运转 时，节流阀T或全部阀V由C.E.M.计算器305关闭，但当脚踏节流阀被压下时则上述情 况不会发生。其它操作变量诸如内燃歧管压力及车速可以监测，以便将额外的工作状态 提供给控制器305及所述的那些设备。在设计发动机时，通过选择特定的活塞内径或活 塞杆外径，可以达到为蒸汽操作而选定的最佳排量。如果需要较厚的活塞裙部，可在活 塞内于活塞裙部和同心衬套(未示出)之间设置可选择的闭塞空间。如有需要，未起作 用的蒸汽室的进气阀可以保持打开，如专利2,196,980中的排气阀那样保持打开。
汽缸复合
众所周知，复合的蒸汽机可以在压力大于约150磅/每平方英时下提供更高的效率。 使用在汽缸的排气管道52和一或多个汽缸的进气管道49之间的电磁控制阀(未示出)， 可将一个汽缸的排汽送到具有较大排量的汽缸或具有相同排量的两个或以上汽缸，以便 通过C.E.M.计算器的自动控制达到汽缸复合，例如从汽缸1到两个没有接收器的汽缸2 和4。
热传导和工作温度
正如在任何发动机中，必须将组件保持在不会损害适当润滑的温度下。在测试的 典型的水冷式四冲程火花点燃式发动机中，在活塞的顶部和顶环周围的不同地方以及背 后所测量的温度在约290℃至约340℃之间变化。因此，以300℃-350℃的蒸汽运作发 动机10对所有应用都应该是可以接受的，因为在标准的内燃机中，铝和铸铁活塞可与 活塞头于200℃-400℃的温度范围内工作。排气阀和火花塞可在大约310℃至340℃之间 安全地工作。在本发明中，内燃汽缸头和汽缸都是水冷的。由于燃烧室的汽缸壁是用水 套冷却，活塞头具有最大的过热潜力。活塞14的热传导和冷却是重要的考虑因素。如 图2所示，当蒸汽进气阀48打开，加压蒸汽将向上流，然后快速通过活塞头14a的下 表面，从而在其热函上升时将多余的热量带走。在典型的高速公路常用车速下，每秒有 高达约0.3磅蒸汽将流经活塞头的下表面以带走热量，从而避免活塞头过热，即使燃烧 室内的燃气的初始温度介于2000℃-2400℃。应该注意，本发明使得有可能节约能源， 因为在蒸汽引入活塞下面时，从燃烧室的热能直接传导给流经活塞头的下表面的蒸汽， 从而提高蒸汽的压力，同时燃烧热还防止蒸汽在活塞头上面和周围冷凝。如有需要，活 塞头的下表面可以设置冷却片，以促进对蒸汽的热传导。
可供回收的热损失
以下的列表示出源自Heywood Id.1988，第674和675页的燃料能量利用率和能 量损失。为评估效率，可比较制动功率与对冷却剂和排气的热传导以及其它的一起构成 所用燃料的较低发热量的损失。
表1
火花点燃式发动机的典型燃料能量分布
制动功率                    26％
在冷却剂的损失              23％        可供回收
杂项损失                    8％
可感知的排气热函            26％        可供回收
动力学上的排气热函          3％
通过辐射在排气系统上的损
                            5％
失
不完全燃烧                  5-9％       可供回收
                            100％
可供回收的总数：54-58％
表2
6缸式火花点燃式车辆中观测的燃料能量分布
                    43MPH       72MPH
                    1100RPM     1800RPM
制动功率            18％        21％
冷却剂负荷          54％        43％可供回收
排气热函            21％        27％可供回收
排气系统上的各种辐射2.5％       3.2％
不完全燃烧          4.5％       5.8％可供回收
                    100％       100％
可供回收的总数：    79％        76％
对冷却剂的放热率会在不同的工作状态下变化。在低速和低负荷的汽车中(表2)， 冷却剂传热速率会高得多，可高达制动功率的2-3倍。
能量回收的测定
对于如表1提出的四汽缸火花点燃式四冲程汽车发动机操作，假设内燃机额定为 100HP，在高速公路条件下产生的制动功率将会为26HP，其54％的燃料发热量将可供 回收。假设蒸汽产生器效率为85％且蒸汽机的操作如同具有24％的实际制动功率效率的 高压过热式冷凝发动机(见Heat Engines，Allen Bradley，第407页)，则综合效率 为20％×54HP或10.8HP，改进大约41.5％。使用表二的得自以43或72MPH行走的 车辆的能量损失百分比数值，则潜在的回收率为20％×79％＝15.8％，在43MPH下的 油耗定额总计提高了87％。在72MPH下，可供回收的76％×20％效率的能量＝在提高 72％的制动功率下，可得到15.2％的热量。因此，基于经验检验数据，通过使用本发明可 实现的油耗定额改进比以其它方式实现的油耗定额高达约41％至约87％。
回收未燃燃料的能量
如前所述，未燃燃料占废气热函比例约为3-9％。将未燃燃料燃烧可将排气温度提 高多达200°K。在高速运行时，典型的汽车发动机的发动机排气介于约400℃-900℃的 范围。
如图9A所示，与气泵148连接的进气管147与排气管103成逆流换热关系，以便 回收废热，并将回收废热传送到由泵148通过空气喷射管道146逼入每一排气通道 141-144中的空气，以便提供氧气来燃烧过热器104内的碳氢化合物。排气通道141-144 通过切向进口145进入过热器104，该切向进口使排气流经过热器104时旋转。该旋涡 作用由起螺旋作用的倾斜涡流片105维持，有助于确保完全混合热的二次空气，以实现 完全燃烧，并减少污染物的排放。因此，切向进口145使旋涡运动开始，而涡流片105 则促进旋涡作用和搅动作用，以保证完全混合二次空气，其与大尺寸(6”至8”的直径) 的过热器合作以氧化未燃的成分，从而将排气温度提高至介于600℃-900℃或以上。该 温度远高于将未燃碳氢化合物(要求约600℃，为时50ms)和CO(要求约700℃，为时 约100-150ms)两者完全燃烧实际所需的温度。通过在过热器104内放置蒸汽螺旋管130， 过热器104可用作燃烧器或火炉，因为热的二次空气通过进气管道146注入，导致螺旋 管130尾端的蒸汽达到的温度比在普通发动机的排气岐管中的高，从而因所达到的较高 温度和压力而在发动机膨胀室44中进一步提高Rankine发动机效率。
因此，在约为70-75MPH的速度下工作，过热器中的排气藉由未燃燃料的燃烧所 提供的额外热量而处于约900℃-1000℃的温度，在设计流速下节流阀T处的蒸汽可以加 热到500℃(932°F)以上。因此，很明显，通过本发明很容易获得有效的Rankine 发动机操作所需的高蒸汽温度和压力。
回收车辆动力
现参照图12，其示出根据本发明的在制动期间的动能回收。本发明的四缸式汽车 发动机150，例如图9-9B所示的发动机，通过传动轴151与靠在地上的主动轮152连 接。图中示出在蒸汽出口管道52中的电磁控制分配阀153和在通往蒸汽产生器的蒸汽 管道中的电磁阀158。还有在管道49内的电磁分配阀159，其通过第一空气管道可连接 到用于接收环境空气的止回阀154以及与压缩空气罐156结合的止回阀155。分配阀159 还可通过第二空气管道与管道49连接，经止回阀157到压缩空气罐156。当使用制动器 时，发动机150内部的提升阀48由发动机管理计算器保持打开，而分配阀159通过止 回阀154和155将压缩空气罐156连接到管道49，以致于蒸汽膨胀室44(图1和2)容 积改变将受压的空气逼入压缩空气罐156，直到车辆停车，从而以压缩空气的方式将动 能储存。当驾驶者压下加速器时，电磁控制分配阀159通过止回阀157使压缩空气罐156 连接到管道49，而阀48则像其在蒸汽运行期间那样正常地工作，从而藉由在制动期间 存储的压缩空气于蒸汽室44内膨胀而将汽车向前推动。压缩空气通过阀153排出。因 此，本发明提供了一种由组合式内燃和蒸汽动力驱动的车辆，所述组合式内燃和蒸汽动 力源自从废弃的内燃机热和动力回收的热能，其通过阀门将发动机的蒸汽膨胀室选择性 地连接到压缩空气储存罐，所述阀门在车辆制动或行进期间将气流从膨胀室导入储存罐 内，将蒸汽膨胀室连接到空气罐以使压缩空气从空气罐导入蒸汽膨胀室。在发动机冷却 和没有蒸汽压力时，压缩空气能够在启动期间甚至升汽前提供快速启动以及可提高燃料 效率。
阶梯形活塞的替代方案
现参照图10和11，所示为使用阶梯形活塞80的本发明的可选择的实施例，其。 虽然本发明的这种变型使用了不同的活塞结构，但其也能够从内燃废热回收动力。图10 和11所示的改进的发动机79的运作可达到同样的已概述的总体目的，即更好的效率和 油耗定额；但其不是将蒸汽膨胀室设于活塞内部，所述阶梯形活塞80在其上端设有压 缩环80c以及在其配置压缩环80b的下端的裙部区域设有扩径部80a。燃烧室34以及汽 缸头35及其组成部分与上述的相同。所述活塞80密封地安装以便在汽缸82内滑动， 所述汽缸具有扩大的圆柱形下膛孔部分84，用于容纳扩大的裙部80a，从而在扩大的膛 孔部分84提供环形的蒸汽膨胀室86。燃烧室34和蒸汽室86两者都邻接活塞，而燃烧 室34的位置邻接活塞80的底部。润滑油在压力下通过管道89和91供应到汽缸的内壁。 在工作时，蒸汽通过进气阀92和进气口91从高压阀体94进入蒸汽膨胀室86。当活塞 到达下死点并暴露汽缸内的开口时，蒸汽通过设置在发动机汽缸体89围绕扩大膛孔84 的部分内的蒸汽岐管88排出，并从所述岐管通过止回阀，例如簧片阀91，经低压蒸汽 返回管道90流过像上文叙述的包括冷凝器(未示出)的闭路循环。如图所示，活塞80 位于活塞上面的燃烧室34和蒸汽室86之间，所述蒸汽室通过活塞销83和连杆85连接 到曲轴87。内燃室34的燃烧废热用与图9-9B相应地示出和叙述的蒸汽产生器和蒸汽 循环回路来回收，以将蒸汽供应到蒸汽膨胀室86，在曲轴87的每一转将活塞80向下驱 动。这不是优选的实施例，部分原因是环形蒸汽膨胀室86的表面积与容积比较大，这 会促进冷却，导致蒸汽压力下降。在活塞周围的流动限制也会产生较大的呼吸损耗，较 长的环80b会导致机械损失加大，而且在蒸汽出口88附近没有受热表面。
特征和意想不到的效果
在一个实施例中，本发明提供一种汽缸和活塞，其中燃烧和蒸汽动力作用于同一 活塞；环形蒸汽排气歧管；以及大约处于同一水平的排气阀与蒸汽进气阀，其通过大约 支承于汽缸两端之间的中间位置的汽缸盖而打开。根据图1，可以看出，与单流式发动 机相比，本发明通过低压排汽更好地防护了金属表面的冷凝。单流式发动机在活塞头排 出蒸汽，在蒸汽释放的地方无法加热单流式活塞头的表面。与此相反，在本发明中的低 压蒸汽在包括汽缸头的盖20处排出，此处正是蒸汽箱46向邻接的蒸汽膨胀室输送最多 热量之处。因此，本发明提供了更好的热损失防护，因此比单流式发动机提供更高的效 率。本发明对工作期间的热损失提供更好的防护，部分是通过在所述盖内提供通往蒸汽 箱的进气阀以及部分是通过在活塞及在汽缸壁都有出口的双出口自动排气阀，所述出口 在蒸汽输入时被覆盖，但在蒸汽室处于扩展状态时，所述出口在成一直线时在加热表面 旁边打开。此外，低压排汽不是在汽缸头下面输送，因低压排汽会冷却汽缸头或蒸汽箱， 在本发明中，蒸汽箱46会为其上的汽缸头的整个下表面加上汽套，防止所述下表面被 低压蒸汽冷冻，并且可加热汽缸的下端以及活塞裙部。
此外，本发明在活塞上设置油环，从汽缸将多余油刮走及储存于环形收集槽，所 述收集槽内置在汽缸壁上的位置使其在活塞处于下死点时与油环成一直线，以便将多余 的油和漏气传送到贮油槽。可选择地，收集槽可持有一或多个刮油环，刮油环向内紧压 活塞的外壁，以捕获多余的油和漏气，并在所述油和漏气可到达蒸汽排气岐管前将所述 油和漏气传送到发动机贮油槽。
本发明还提供一种固定于活塞杆的组合式内燃和蒸汽活塞，所述活塞杆穿过固定 的汽缸盖或盘形件，汽缸盖或盘形件本身在汽缸内同心地定位于支柱的上端，所述支柱 由环形空间包围，所述环形空间用作蒸汽箱和在活塞滑过汽缸越过所述汽缸盖时容纳活 塞的裙部。除了密封蒸汽膨胀室44，所述固定的在中心的盖还支承蒸汽进气阀，减小其 上表面和活塞之间的蒸汽间隙容积，限定蒸汽箱的顶部，加热蒸汽排气区域和支承环绕 活塞杆的密封件，以防止蒸汽逸出。通过提供与汽缸头和汽缸壁两者之间成密封和滑动 关系且带有裙部的活塞，容纳蒸汽所需的额外汽缸长度可以最小化，因为蒸汽室和内燃 室占用相同的空间。此外，该发明提供一种改进的传热装置系统和顺序，以便有效地回 收内燃机组件的燃烧废热。
总括地说，本发明提供以下的好处和意想不到的效果，其中有：1)单流式发动机 的效率，同时几乎不增加发动机汽缸的长度，使得该发动机不会比同等内燃机高或重很 多，2)蒸汽膨胀室与内燃机的燃烧室占用同一空间，3)蒸汽膨胀室通过从内燃机燃烧 室的直接热传导来加热，4)自内燃室的燃烧过的油以及漏泄气体与蒸汽膨胀室和排汽 保持分开，5)排气阀不在汽缸头下面排出低压蒸汽，因为会冷却进入的蒸汽或妨碍汽 缸头的汽套，6)间隙容积可如要求般小，因为活塞及构成蒸汽活塞头的盖的相对表面 都是平的，7)排气阀在打开时会将邻近的蒸汽和水汽扫除至汽缸外，然后再关闭以使 汽缸压力提升至约蒸汽进汽压力，从而防止大气压力下的蒸汽带走汽缸壁和汽缸头的热 能，因为该情况如果发生的话，会导致进入的蒸汽凝结，8)汽缸壁只会短时间地暴露 于排气压力下，在排气口暴露时，压力和温度会立即开始上升，以致于在下冲程结束时， 压力和温度会是这样的以致进入的蒸汽会碰到较高温的表面，从而防止凝结，以及9) 不像单流式发动机，与排出蒸汽邻接的在蒸汽室的端部的金属表面在外部加热，以防止 大气压力下的蒸汽使进入的蒸汽冷却或冷凝。
本领域的技术人员一旦明白本文所述的原理，本发明的在所附权利要求的范围内 的许多变型将会变得显而易见。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种组合式内燃和蒸汽发动机，其中内燃烧热产生蒸汽以助活塞运动，汽缸具 有设置成在汽缸内的内燃室和蒸汽膨胀室之间作往复运动的单个活塞，所述内燃室和蒸 汽膨胀室面向所述活塞的相对两端以致于在工作时燃烧压力和蒸汽压力作用于所述活 塞的相对端以使所述活塞运动，以及设置在汽缸的侧壁中以通过汽缸的侧壁与蒸汽室联 通的至少一蒸汽排出口，以在汽缸侧壁内与所述蒸汽膨胀室一端的热的固定汽缸盖邻接 的位置将蒸汽室内的蒸汽通过汽缸侧壁排出，所述汽缸盖因此减少从用燃烧废热加热的 蒸汽产生器进入蒸汽室的蒸汽的冷却或冷凝。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述热的汽缸盖以在外部加汽套 的方式加热。
3.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述活塞具有开口，以在所述活 塞的所述开口与所述汽缸的蒸汽排出口成一直线时使蒸汽排出。
4.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述热的汽缸盖为盘形件，所述 盘形件在所述汽缸两端之间的居中位置横贯所述汽缸，而且与所述汽缸的内壁在内部 地隔开以容纳所述活塞的裙部。
5.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于：所述盘形件通过环形空间与所述 汽缸隔开；以及所述活塞具有裙部，所述裙部延伸通过所述活塞并且与所述盘形件的外 缘密封地和可滑动地连接。
6.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述热的汽缸盖为汽缸头，所述 汽缸头包括与所述活塞的内壁密封地连接的盘形件以及设置在所述盘形件中的进气阀， 所述进气阀能够使蒸汽通过所述盘形件流入蒸汽室。
7.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述排出口在蒸汽室处于扩展状 态时打开和关闭，留在蒸汽室内的剩余蒸汽此后会在蒸汽通过蒸汽进气阀进入蒸汽室之 前被再压缩，所述蒸汽进气阀使蒸汽室和蒸汽产生器之间联通。
8.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：连接过热器来接收内燃排气以继 续燃烧所述排气内含有的未燃气体和粒子材料，以及以与所述排气和过热器内形成的燃 烧产物成热交换关系的方式传送蒸汽，所述蒸汽然后再进入蒸汽室。
9.根据权利要求8所述的发动机，其特征在于：将空气引入所述过热器来助长所 述过热器内排气的燃烧，以将额外热能传到所述蒸汽以及减少空气质量污染物，所述过 热器连接在所述发动机的至少一内燃排气口和蒸汽产生器之间以馈送排气到所述蒸汽 产生器以及从所述蒸汽产生器接收输送的蒸汽。
10.根据权利要求8所述的发动机，其特征在于：在所述过热器的燃烧气体流内安 装至少一叶片，以促进所述过热器内燃烧气体的旋涡运动，以便增进未燃排气成分的燃 烧。
11.一种由来自用内燃烧废热加热的蒸汽产生器的蒸汽部分地驱动的组合式内燃 蒸汽发动机，其包括：汽缸，所述汽缸具有密封地设置成在所述汽缸内于作用于所述活 塞的相对两端的内燃室和蒸汽室之间作往复运动的单个活塞；包括固定环形盖的汽缸 头，所述汽缸头密封地和可滑动地与活塞的内表面连接；自活塞延伸穿过汽缸盖并在工 作上与曲轴相关联的活塞杆；以及在汽缸盖内使所述蒸汽室和蒸汽箱之间联通的蒸汽 进气阀，所述蒸汽箱设置在汽缸内在汽缸盖上与所述蒸汽室相反的一侧上，以便容纳和 加热活塞并且为汽缸盖加上汽套，以致于通过直接传导内燃室的热以及蒸汽箱的热来加 热所述蒸汽室。
12.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：所述进气阀包括在汽缸盖中的缓 冲阀和起阀器，所述起阀器装在活塞内部的可响应活塞运动而连接和从而打开所述缓冲 阀的位置，以使蒸汽自蒸汽箱进入所述蒸汽室内。
13.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：所述阀为具有常闭循环形阀件的 单座或双座式提升阀，所述环形阀件可缩性地偏置在与汽缸盖内的蒸汽进口联通的阀座 上。
14.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：所述发动机为多缸式发动机，所 述多缸式发动机具有在一个汽缸的排气口和一或多个其它汽缸的蒸汽进口之间的至少 一复合阀，所述复合阀将排气自所述一个汽缸馈送到至少一其它汽缸，以便通过一或多 个所述复合阀的工作来达到汽缸复合。
15.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：所述发动机包括设置在活塞上的 刮油环，所述刮油环将油和燃烧产物送到汽缸内壁中的周向收集槽，以便在油和燃烧产 物进入蒸汽管道之前捕获和移除它们。
16.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：所述发动机包括至少一刮环，所 述刮环支承在汽缸内壁中的周向向内开口凹槽内，以便在油和燃烧产物进入蒸汽管道之 前通过与所述凹槽联通的导管自所述汽缸捕获和移除它们。
17.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：所述发动机具有选自蒸汽排量控 制器、蒸汽节流阀和具有可变截止装置的进气阀的至少一工作调节器；以及与所述发动 机连接的控制器，所述控制器响应一或多种发动机操作变量的改变来调节至少一所述调 节器，以提高蒸汽机效率。
18.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：所述发动机与发动机控制器连接， 所述发动机控制器响应一或多种发动机操作变量的改变来调节蒸汽机节流阀、蒸汽排量 控制器、或可变的蒸汽进气阀截止装置，从而提高发动机的工作效率，其中所述操作变 量选自：供给发动机的蒸汽的温度或压力、向发动机提供蒸汽的蒸汽产生器的输出、发 动机负载和发动机的每分钟转数。
19.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：所述发动机为多缸式发动机，至 少一蒸汽阀连接在蒸汽供应和至少一汽缸之间；以及发动机管理控制器连接成响应递增 的蒸汽产生器输出或供给蒸汽产生器的热量而打开一或多个所述蒸汽阀来提高发动机 排量，并且响应蒸汽产生器输出或供给蒸汽产生器的热量的递减而关闭至少一蒸汽阀来 提高发动机的工作效率。
20.一种组合式内燃蒸汽发动机，其中用内燃烧造成的废热来产生蒸汽，所述发动 机包括：汽缸，所述汽缸具有设置成在所述汽缸内的内燃室和蒸汽室之间作往复运动的 单个活塞，所述内燃室和蒸汽室均在所述汽缸内，以致于所述活塞由所述活塞相对两端 的内燃烧和蒸汽来驱动，蒸汽室设置在所述活塞和固定的汽缸头之间，所述汽缸头在所 述蒸汽室的一端以致于所述汽缸头密封所述蒸汽室的一端，在所述发动机中使蒸汽进入 所述蒸汽室的蒸汽进气阀，所述蒸汽室具有蒸汽排气阀，在所述蒸汽室处于扩展状态时， 所述蒸汽排气阀当在与所述汽缸中的排气口变成一直线时打开和关闭所述排气口，从而 自所述蒸汽室排出蒸汽，由于连续的活塞运动使所述蒸汽室的体积减小，在所述蒸汽室 内的剩余蒸汽因此会被再压缩，以致于所述蒸汽进气阀将蒸汽导入已在所述蒸汽室内被 再压缩的剩余蒸汽中，从而通过所述剩余蒸汽来减少或排除导入蒸汽的冷却。
21.根据权利要求20所述的发动机，其特征在于：所述汽缸头为汽缸盖，所述汽缸 盖与活塞的内壁密封地连接，并且支承在十字头导件的自由端上。
22.根据权利要求20所述的发动机，其特征在于：所述发动机包括包含蒸汽节流阀 及具有截止控制的蒸汽进气阀的工作调节器；以及还具有发动机控制器，所述发动机控 制器与所述发动机连接以响应一或多种发动机操作变量的改变来改变至少一所述工作 调节器，以优化发动机效率。
23.根据权利要求22所述的发动机，其特征在于：所述发动机控制器为发动机管理 计算器，所述计算器连接成响应至少一发动机操作变量的改变来控制至少一包含蒸汽节 汽阀及蒸汽进气阀截止装置的工作调节器，以提高发动机工作效率，其中所述发动机操 作变量选自：蒸汽供应温度或压力、蒸汽产生器输出、发动机负载或发动机的每分钟转 数。
24.根据权利要求20所述的发动机，其特征在于：所述发动机为多缸式发动机，至 少一阀连接在蒸汽产生器和至少一汽缸之间，以将蒸汽供给不同的选定数量的汽缸，从 而有助于保持更稳定的蒸汽产生器输出和汽缸排量比例。
25.一种组合式内燃蒸汽发动机，其包括：发动机汽缸，所述发动机汽缸的一端与 曲轴箱连接，在发动机汽缸的另一端具有带燃烧进气口和排气口的燃烧室以及与所述燃 烧室连接的可燃烧燃料源，密封地和可滑动地安装在所述汽缸内的燃烧室和蒸汽膨胀室 之间的单个带裙部活塞，在一端与活塞连接以及在另一端具有十字头的活塞杆，固定在 所述十字头和曲轴箱之间的连杆，密封地和可滑动地与所述活塞杆和所述活塞的裙部的 内表面连接的汽缸头，所述汽缸头包括在支柱的一端上的固定盖，所述支柱的另一端由 曲轴箱支承，所述十字头可滑动地安装在所述支柱内，所述盖和支柱限定了蒸汽箱的上 表面和中心表面，所述蒸汽箱封装在汽缸内并邻接所述盖，由来自燃烧室的废热所产生 的蒸汽源与所述蒸汽箱、在所述盖中的蒸汽进气阀以及在所述发动机内的蒸汽排气阀联 通，所述蒸汽排气阀适合与蒸汽膨胀室联通。
26.根据权利要求25所述的发动机，其特征在于：所述发动机为多缸式发动机，其 蒸汽阀门与至少一汽缸联通式连接，以选择性地控制蒸汽流到不同数量的汽缸，从而改 变所述发动机的工作蒸汽排量。
27.根据权利要求25所述的发动机，其特征在于：所述发动机具有蒸汽过热器，所 述蒸汽过热器连接作为内燃排气歧管的一部分以接收自燃烧室的排气；导管，所述导管 以热传导关系传送蒸汽以加热供给所述蒸汽箱的蒸汽；以及空气源，所述空气源与所述 蒸汽过热器连接以促进其中排气成分的燃烧以及减少排气造成的空气污染。
28.一种组合式内燃和蒸汽发动机，其中内燃烧热在蒸汽产生器内产生蒸汽以助活 塞运动，所述发动机为多缸式发动机，每一汽缸具有设置成在所述汽缸内面向所述活塞 的相对两端的内燃室和蒸汽室之间作往复运动的单个活塞，以及通过汽缸的壁与每一蒸 汽室联通以将蒸汽室内的蒸汽通过汽缸壁排出的至少一蒸汽排出口，多个蒸汽阀，所述 蒸汽阀每一个均在蒸汽产生器和一个不同的汽缸之间连接，以及发动机管理控制器，所 述发动机管理控制器连接成打开或关闭所述蒸汽阀以便将蒸汽馈送到不同数量的汽缸， 以便响应递增的蒸汽产生器输出或供给蒸汽产生器的热量而提高蒸汽排量，以及响应蒸 汽产生器输出的下降或供给蒸汽产生器的热量的递减而降低蒸汽排量，从而调节蒸汽产 生器输出和蒸汽排量比例，以提高发动机的效率。
29.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：所述发动机安装在汽车内以及蒸 气室连接成在制动期间将压缩空气传送到存储罐中以将能量储存为压缩空气，所述压缩 空气供应到蒸汽室以使汽车向前行进。
30.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述发动机包括在发动机内的辅 助排量室，所述辅助排量室通过具有选定直径的节流管与蒸汽室联通，以在较低每分钟 转数下提供较大的有效间隙容积以及在较高每分钟转数下提供减小的有效间隙容积。
31.根据权利要求28所述的发动机，其特征在于：一个所述蒸汽阀与每一汽缸联通 以及所述控制器顺序地打开所述蒸汽阀，使蒸汽在蒸汽产生器输出增加时流过逐渐地增 加的较多数量的汽缸以及在蒸汽产生器输出下降时流过逐渐地减少的较少数汽缸。
32.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：当活塞内的排气口与所述蒸汽排 出口变成一直线时，蒸汽通过所述蒸汽排出口排出。
33.根据权利要求20所述的发动机，其特征在于：所述汽缸头为密封地与活塞连接 的盘形件以及所述蒸汽进气阀设置在所述盘形件内以密封贯穿所述盘形件的蒸汽进气 孔。
34.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：蒸汽通过具有可变截止装置的蒸 汽进气阀自蒸汽节流阀导入所述蒸汽室，所述截止装置和所述蒸汽节流阀由控制器调 节，所述控制器自至少一发动机操作变量和驾驶者的节流阀控制器接收输入，以便计算 和调整截止装置和蒸汽节流阀调定，以优化所述发动机的燃料消耗量。