[发明专利]高效蒸汽发动机和压缩气体马达的阀门和辅助排气系统

说明书

本申请要求2005年2月9日递交的美国临时专利申请No.60/651,693的权益。

技术领域

本发明涉及蒸汽发动机。更具体地，此处公开的本发明涉及阀门和辅助排气系统的改良设计，以用于双动设计和单动设计的蒸汽发动机，且尤其用于带有辅助排气装置(auxiliary exhaust)的单流式蒸汽发动机。该设计可用于固定定时发动机(fixed timing engine)，或者和用于定时调整(timing adjustment)的附加装置一起用于可变定时蒸汽发动机(variabletiming steam engine)。

发明背景

单动和双动蒸汽发动机已经为工业和其他用途提供动力很长一段时间了。单动蒸汽发动机可能类似于双冲程以及四冲程内燃发动机，这是因为，每一汽缸组(cylinder set)都使用了活塞、连杆以及曲柄。对于蒸汽发动机的双动形式，不仅每个活塞做直线往复运动，而且每个活塞杆和十字头也做直线往复运动。运动经连杆从十字头传递到曲柄。活塞杆穿过汽缸末端中的密封件，并且蒸汽由阀门来调节以从上面并且还从下面作用于活塞。这实现了“单冲程”动作。对于两个双动汽缸，在常规设计的“完整”单流式发动机上仅需要四个阀门，比较起来，在每转中施加相同数量的功率脉冲的八汽缸四冲程发动机需要十六个阀门。

单流式发动机排气系统使用汽缸内的孔，该孔暴露于汽缸的顶部末端、邻近处于冲程底部附近的活塞。相同行的孔暴露于汽缸的底部或汽缸的曲柄末端、邻近处于冲程顶部附近的活塞。活塞邻近汽缸壁的长度等于或大约等于冲程减去排气孔的直径或长度。(可从显示的照片之一中看到汽缸内的排气孔)。在汽缸的每个末端提供有余隙容积，以允许在每个冲程末端产生合理的压缩。

半单流式发动机是使用排气阀门补充汽缸壁中排气孔的作用的发动机。通过利用排气阀门，能够延迟活塞的返回冲程中压缩开始的时刻。这种辅助排气特征是有用的，尤其是在排气是在大气压力下，而不是排到真空中，和/或，进一步地，在使用了复合(compounding)的情况下。而且，在不必自起动的单汽缸发动机中，辅助排气装置使发动机的起动更容易。这是因为由于利用辅助排汽系统，在压缩冲程中对活塞的压缩作用开始得更迟，所以与压缩相比，在进汽(admission steam)以前起动发动机以使发动机旋转要更容易。

在一些早期的带有辅助排气系统的单流式发动机中，辅助或二级排出蒸汽穿过先前进汽通过的相同的孔(port)和管道行进。这种设计的缺点是，排出蒸汽的冷却效果降低了发动机的效率。在其他早期的半单流式发动机中，辅助或二级排气系统通过汽缸壁中的专用孔排气，该专用孔位于主要的单流排气和进气通路之间的位置，进气通路位于汽缸底附近。

诸如提升阀等专用阀门控制这些辅助排气通道。这些发动机，如果是双动型的话，安装有四个阀门：两个用于进口蒸汽(inlet steam)--每个汽缸底一个，两个用于辅助排气装置--一个用于汽缸的上部，一个用于汽缸的下部。带有四个阀门、再加上他们的运转所需要的各自的阀门运动，这种设计的缺点是相对复杂。[见Skinner.P271.“Power from Steam”，R.L.Hills]

现有技术

美国专利No.2,688,955(Ricardo)教导了一种单流式设计的流体压力发动机(fluid pressure engine)。然而，似乎Ricardo主要只关心对切断进汽的点的控制。在这种情况下，Ricardo教导使用串联的两个阀门，并利用特定类型的执行机构。然而，Ricardo没有提供任何辅助排气装置。

美国专利No.3,651,641(Ginter)公开了一种发动机系统及其热发生器(thermogenerator)。Ginter在教导阀门调节系统(valving system)时似乎主要关心采用水内部冷却的内燃发动机，并且没有公开单流式排气孔和辅助排气孔。

美国专利No.3,967,525(Rosansky)，虽然公开了涉及单流式蒸汽发动机的设备，且该单流式蒸汽发动机具有用于对引入汽缸的蒸汽进行控制的新颖阀门装置，但该专利并没有关注辅助排气装置。

美国专利No.3,991,574(Frazier)公开了一种结构相当复杂的单流式排气系统。然而，Frazier并没有教导使用辅助[单流式]排气装置。