一種帶熱回收的高熱效率六衝程內燃機及其運行方法與流程
2023-06-19 00:45:56 1
本發明一般地涉及往復式內燃機，更具體地，涉及裝備有熱回收，熱循環，以及其他保存熱能系統的發動機。本發明還涉及單位產出功率的二氧化碳、未燃盡碳氫化合物、一氧化碳和氮氧化物比排放量減少的往復式內燃機。
背景技術：
內燃機(IC)有遠超一百年的歷史。最早的有關四衝程火花點火(SI)發動機的美國專利於1877年8月14日授權給NicolausOtto。更早的一項有關四衝程發動機的專利在德國授權給Otto。此後幾年發明了壓縮點火(CI)發動機，即柴油機。與許多年後出現的轉子發動機不同，內燃機給我們的社會帶來動力，幾乎到處可見。這些發動機一直以來主要都是二衝程和四衝程的類型。多年來已經對SI和CI發動機做了許多改進，以提高它們的熱效率，減少微粒物的排放和有害化學物的排放，尤其是未燃盡碳氫化合物(HC)，一氧化碳(CO)，以及混合氮氧化物(NOx)的排放。火花點火式發動機的熱效率在這段時間內已經從10％以下上升到日常使用時的32％左右。一項研究表明，一臺燃燒未摻雜甲醇並經優化過的四衝程SI內燃機的熱效率達到了43％，參見MatthewBrusstar等，「燃燒未摻雜醇燃料的進氣口噴射發動機的高效率及低排放」(「HighEfficiencyandLowEmissionfromaPort-InjectedEnginewithNeatAlcoholFuels」)，SAE論文2002-01-2743，2002。這種高效率有可能是通過改進發動機而利用與汽油相比辛烷值更高的酒精作為燃料來實現的。大型船用低速CI發動機的熱效率已經達到52％至57％，比如像MANS80ME-C7，其單位燃耗為156–168克燃料/Kwh。像這樣的效率是峰值或者是最大值，而非平均效率。正在開發中的發動機聲稱其熱效率可達60％，但並未商業化。IC發動機的重量與其輸出功率之比在此期間內也已經降低了下來，這樣就能使它們用於從需要高功率輸出的運輸工具直至手工工具和模型飛機。往復式內燃機(IC)總是包含一個或多個氣缸。在每個氣缸內，往復式運動的活塞與一根曲軸相連，它將活塞的往復運動轉化成圓周運動。常規的IC發動機運行方式為四衝程，它們包括空氣或氧化劑進氣衝程，壓縮衝程，動力衝程或燃燒衝程，以及排氣衝程。它們組成了一個完整的循環。二衝程IC發動機也很普通，但與四衝程發動機相比，它們的效率較低，排放出更多的有害化學物質。內燃機的主要問題是熱效率低，還排放出微粒物，未燃盡碳氫化合物(HC)，一氧化碳(CO)，和氮氧化物(NOx)。熱效率是發動機輸出的有用功除以輸入給發動機的熱量，它主要是燃油燃燒時的低位發熱量加上空氣帶入的熱量。用於汽車的SI發動機的峰值熱效率約為32％，但是，同樣的一臺發動機在正常工況下的熱效率可能只有15％至20％，甚至更低。熱效率為20％時，輸入熱能的80％未被轉化成有用功而作為廢熱被廢棄掉了。該熱量在常規的發動機裡通過排氣，汽缸壁，以及冷卻系統被損失掉，而不論發動機是風冷的還是液冷的。發動機內的摩擦也佔了發動機總功輸出的10％至25％。這種摩擦最終以熱的形式離開發動機，所以，這種摩擦已經包括在峰值效率數字中了。有各種提高發動機熱效率的方法，但是每種情形都得權衡折衷。提高發動機的壓縮比可以提高發動機的效率，但它受制於燃料的燃燒特性。也可以改變空燃比。此時可以利用低於理論配比的燃料；這意味著有過量空氣存在。這種情形下的燃燒會在排氣中產生過多的NOx。NOx是燃料在與高濃度的氮和一些氧一起高溫燃燒的結果。較低的燃燒溫度並結合少些的氮可能會大大降低或基本上消除NOx的生成。也可以在高於理論配比的情況下燃燒，這樣就產生了帶有微粒物，未燃盡碳氫化合物(HC)，一氧化碳(CO)的排氣。在當今的SI發動機中，對於目前的後處理催化劑，空燃比必須符合理論配比，以使排放滿足或優於政府的強制規定。還有其他提高IC發動機熱效率的方法。它們包括渦輪增壓，機械增壓，熱量回收，排氣壓力減低兩倍或三倍，進氣口燃油噴射，直接燃油噴射，均勻充氣壓縮點火，以及其他的點火機制。可以舉出幾項正在進行中的研究，如可變氣門正時，無凸輪氣門驅動，以及氣缸暫停。這些技術已經和正在提高熱效率，但這些成果需要以更快的速度出現。人們需要熱效率的範式轉變和排放的降低，本發明提供了這二者。已經出現了許多類型的致力於提高熱效率的四衝程IC發動機。其他人已經認識到四衝程發動機的這種缺陷並已經跨出步子來回收和再利用這種熱量。這些努力導致將衝程數從四個增加到六個或八個或者更多。在六衝程發動機中，衝程1至衝程4通常包含氧化劑吸氣，壓縮，做功或燃燒，以及排氣，像常規的四衝程發動機一樣。衝程5和衝程6，以及不那麼經常地，衝程3和衝程4，根據本發明和發明者的目的而加以改變。將一種流體，不論是水，空氣還是蒸汽，噴射到衝程5中以回收部分留在氣缸，活塞和汽缸蓋中的熱量。留在氣缸，活塞和汽缸蓋的金屬中的熱量，使所述的流體膨脹或蒸發而被增壓，無需消耗額外的燃料就。在加入水的情形下，水被蒸發變成蒸汽，其壓力取決於溫度和包含在氣缸，活塞和汽缸蓋的金屬中的熱量。這產生了額外的動力衝程而無需加入額外的燃料。有時會利用熱水而非冷水，這樣就使在衝程5的過程中發揮出更高的壓力，因而可做更多的功。衝程6為排氣衝程，將被蒸發的水或者被加熱的流體從氣缸中排出去，然後再重複氧化劑吸氣衝程。當然，本技術方案有各種其他變型，但所有的變型都是在發動機的六個衝程內給出一個第二個動力衝程。專利文獻中有許多關於六衝程發動機的例子。專利文獻中也有一些在CI和SI內燃機燃燒室中使用蒸汽和水，將富氧空氣和純氧作為氧化劑，以及採用熱回收系統的例子。這些專利全都沒有以本發明同樣的方法來利用這些元素。本發明所描述的六衝程發動機的衝程2和衝程4與其他的四衝程或六衝程發動機相同；然而，衝程1，3，5和6是不同的。以下的附圖及說明將清楚地表明這些差異，以及本發明的六衝程發動機較現有技術的優勢。
技術實現要素：
本發明提供了一種高效的往復式六衝程內燃機以及該發動機六個不同衝程的運行方法。其中包括從排氣衝程4和6回收和再利用熱量的方法，它增加了該發動機的輸出功而無需額外的燃料。通常由發動機水套和散熱器帶走的熱量也在廢熱回收系統中被回收和再利用。衝程1所使用的氧化劑已經被改進，以減少經由衝程4排氣氣流的熱損失，並使排氣有更強的再循環。通過去除幾乎所有的氮，二氧化碳和水來富集空氣，產生所述的氧化劑。使氧化劑富集至基本上為純氧或者含氧量超過80％，意味著排氣中的氧濃度可以單獨控制使排氣中存在過量的氧。這種氧化劑中的高氧濃度使得碳氫化合物排氣氣體中的氧濃度成為一個獨立變量。排氣中的過量氧使幾乎所有的碳氫化合物和一氧化碳被氧化成二氧化碳和水。由於過量的氧可以進一步將微粒氧化，也使得微粒物弱化，進而減少或消除它們。從氧化劑中去除氮意味著在發動機的排氣中實際上沒有NOx。本發明以及它所包含的運轉方法導致發動機大大提高的熱效率以及大大降低的排放。所述的六衝程發動機包括一個曲軸箱，至少一根旋轉的曲軸，以及將一個或多個活塞的往復運動轉換成曲軸的旋轉運動的連杆。這些活塞在配置氣門的氣缸中往復運動，用於所述發動機的六個不同的衝程。它們是衝程1:帶有或不帶有再循環廢氣的氧化劑進氣；衝程2:燃油噴射壓縮；衝程3:燃油燃燒，結果產生動力衝程一；衝程4:排氣至熱回收系統；衝程5:將過熱蒸汽噴射至氣缸中，結果產生動力衝程二；以及衝程6:將蒸汽排氣至熱回收系統。發動機，各部分之間的導管以及熱回收系統都進行了良好的保溫隔熱處理以有實效地留住儘量多的熱量。這種保溫隔熱也吸收了噪音，從而產生了一種低噪音發動機。來自所述發動機的衝程4和衝程6的兩股排氣去往熱回收系統，熱量在熱回收系統中被回收並以過熱蒸汽形式再循環至衝程5。由於過熱蒸汽的利用率是有限的，所以其流動必須受到控制。採用過熱蒸汽而不採用飽和蒸汽可以減少或消除該蒸汽在燃燒室裡的冷凝。一部分來自衝程4的排氣在經由熱回收之後被再循環至衝程1。被回收的熱量以過熱蒸汽的形式回到系統中被轉化為功而無需額外的燃料。本發動機可使用的燃料包括碳氫化合物，氫，或者它們的混合物。碳氫化合物包括但不限於天然氣，重整氣，甲烷，乙烷，丁烷，丙烷，醇類，汽油，噴氣式發動機燃料，柴油機燃油，燃料油，磨細的無灰煤。可以將煤溶解在碳氫化合物燃料中以便在進入發動機之前將煤的灰分過濾掉。含有溶解了的煤的碳氫化合物燃料仍可以稱為碳氫化合物。本發明還提供一種內燃機的運行方法，所述的內燃機具有在氣缸內作往復運動的活塞，並且驅動曲軸形成六衝程循環，該方法包括以下步驟：S1：執行衝程1循環，包括：(a)第一項動作：活塞在氣缸內部朝著曲軸的方向移動，再循環廢氣進氣門打開，氧化劑噴射閥可控地對進入燃燒室的氧化劑節流，同時，燃料噴射閥、蒸汽排氣門、過熱蒸汽門和燃燒排氣門保持關閉狀態，(b)第二項動作：在活塞行程接近終點時，再循環廢氣進氣門和氧化劑噴射閥兩者都關閉；S2：執行衝程2循環，包括：(a)第一項動作：活塞在氣缸內部朝著遠離曲軸的方向移動，對再循環廢氣與氧化劑的混合物進行壓縮，同時，再循環廢氣進氣門、氧化劑噴射閥、蒸汽排氣門和燃燒排氣門保持關閉狀態，燃料噴射閥可控地對進入燃燒室的燃料節流，形成燃料與氧化劑的可燃混合物，(b)第二項動作：當活塞接近其遠離曲軸方向移動的終點時，燃料與氧化劑的燃燒被激發；S3：執行衝程3循環，包括：(a)第一項動作：再循環廢氣進氣門、燃料噴射閥、氧化劑噴射閥、蒸汽排氣門、過熱蒸汽門和燃燒排氣門保持關閉狀態，由於燃料與氧化劑混合物的燃燒膨脹，活塞朝著曲軸的方向移動，(b)第二項動作：當活塞接近其朝著曲軸方向移動的終點時，燃燒排氣門打開；S4：執行衝程4循環，包括：(a)第一項動作：隨著活塞向遠離曲軸方向推進，燃燒廢氣通過打開的燃燒排氣門排出，進入熱回收系統，該第一項動作在活塞接近其遠離曲軸移動的終點時結束，(b)第二項動作：在接近活塞上止點時燃燒排氣門關閉，(c)第三項動作：在接近活塞遠離曲軸移動的終點時，過熱蒸汽門打開，可控地量測進入燃燒室的過熱蒸汽的量；S5：執行衝程5循環，包括：(a)第一項動作：過熱蒸汽門關閉，所述的過熱蒸汽在燃燒室內施加壓力，推動活塞朝著曲軸方向移動，(b)第二項動作：在接近活塞朝著曲軸方向移動的終點時，蒸汽排氣門打開；S6：執行衝程6循環，包括：(a)第一項動作：隨著活塞向遠離曲軸方向移動，燃燒室內的蒸汽通過蒸汽排氣門排出，進入熱回收系統，(b)第二項動作：在接近活塞遠離曲軸方向移動的終點時，蒸汽排氣門關閉，(c)第三項動作：在接近活塞遠離曲軸方向移動的終點時，再循環廢氣進氣門打開。本發明的內燃機運行方法的一種較佳的技術方案，其特徵在於所述的熱回收系統利用燃燒排氣和蒸汽排氣加熱水和蒸汽，產生過熱蒸汽和冷卻的排氣並將其返回到發動機。本發明的內燃機運行方法的一種改進的技術方案，其特徵在於來自發動機衝程4的燃燒排氣經由燃燒排氣導管排出到蒸汽過熱器換熱器，並且利用該燃燒排氣的熱量使蒸汽過熱後再返回到燃燒室去。本發明的內燃機運行方法的一種優選的技術方案，其特徵在於來自發動機衝程6的蒸汽排氣經由蒸汽排氣導管排出到熱回收換熱器，並且利用該蒸汽排氣的熱量預熱流向熱回收換熱器的水，該預熱水接著依次流向蒸發器換熱器和蒸汽過熱器換熱器。本發明的帶熱回收的高熱效率六衝程內燃機的運行方法，產生了一種更高熱效率的發動機。本發明有若干優點：最明顯的優點包括需要更少的燃料來輸出功，相對於所輸出的功，包括二氧化碳在內的有害物質排放更少，以及噪聲更低。附圖說明附圖包括單個氣缸和活塞的發動機的側視截面簡圖，這些附圖圖解式地描繪了六個不同的衝程，以及熱回收和再循環系統。附圖還包括兩種通過富集空氣提供高氧濃度氧化劑的方法，以及一種採用低溫空氣分離製取的氧的方法。在後一種方法中的氧是來自外部供應源的液氧。本發明可適用於火花塞點火(SI)和壓縮點火(CI)的發動機。在包含有火花塞的情形下，應該理解為它指的是SI發動機，當未包含有火花塞時則指的是CI發動機。為明確起見，除了圖1b之外，所有附圖中都包含有火花塞。所述的六衝程發動機及其關聯部件均進行了良好的隔熱以有實效地留住儘量多的熱量。為清晰起見，隔熱未在圖中顯示出來。圖1描繪了帶有熱回收和再循環的六衝程發動機，但未包含氧化劑供應系統。該圖的主要目的是簡要地描述熱回收系統。接下來描述各個衝程。來自衝程4的熱氣體排氣進入蒸汽過熱器換熱器與蒸汽換熱產生過熱蒸汽。初步冷卻的熱排氣氣體隨後經由蒸發器換熱器進一步回收熱量。經再度冷卻或未經再度冷卻的一初步冷卻的排氣氣體，被再循環至衝程1。過熱蒸汽在衝程5被用來形成第二個動力衝程。來自衝程5的乏蒸汽在衝程6被排氣至第二套換熱器以進一步回收熱量，隨後再通過一個冷凝器將蒸汽轉換回液態。在將該液態水再加熱後重新利用之前，要除去不可冷凝的氣體。富氧空氣或者實質上是純氧被用作燃料的氧化劑，與使用空氣相比，富氧氧化劑的使用有若干明顯的優點。這些優點包括由於減少了排氣中的熱損失而提高了熱效率。同時還減少了微粒物，二氧化碳，一氧化碳，未燃盡碳氫化合物。燃燒溫度低和氮含量低使NOx排放減少。還有一個優點是衝程4排氣中的氧含量可以單獨控制，與燃料化學計量燃燒所需氧量無關。另一個優點是可以通過改變燃料與氧化劑和再再循環廢氣的比例控制燃燒溫度。圖1a描繪了不帶熱回收系統的發動機的第一個衝程。在該衝程中，曲軸從0°旋轉到180°(從活塞上止點TDC到發動機下止點BDC)。該圖以及接著的圖2至圖6顯示了活塞，氣缸，汽缸蓋，燃燒室，四個不同的閥，火花塞或者其他的點火裝置，噴油閥，氧化劑噴射閥，導管，連杆和曲軸。該衝程傳統上被業內人士描述為進氣衝程。在該衝程期間，氧化劑與再循環的排氣一起進入氣缸。圖1b描繪與圖1a相同的第一個衝程，但這是一臺壓縮點火發動機(CI)，沒有火花塞。應當理解的是本發明對火花點火式發動機和壓縮點火式發動機都適用。圖2描繪了該發動機的第二個衝程。在該衝程內，曲軸從180°旋轉至360°(從BDC至TDC)。先前進入的氧化劑和再循環的排氣被壓縮，當活塞接近360°(TDC)時燃料被加入。火花塞可能在TDC之前一點被激發，但為簡化起見，這在下一張圖中顯示出來。圖3描繪了第三個衝程，它發生在曲軸在360°和540°之間旋轉時(從TDC至BDC)。在曲軸轉角接近360°時火花塞被激發。在這種情形下的接近應當被理解成在360°之前的50°與360°之後的50°之間(310°至410°)。這造成了被壓縮的燃料和氧的點火併驅動活塞往下運動,曲軸旋隨之轉至540°的位置(BDC)。由燃料和氧的點火所引發的完全燃燒和膨脹在該衝程期間完成。在該衝程期間燃料可能噴射數次。這形成了該本發動機的兩個動力衝程中的第一個。圖4描繪了第四個衝程，它發生在曲軸在540°和720°之間旋轉時(從BDC至TDC)。由點火產生的熱氣體被排氣至蒸汽過熱器換熱器。圖5描繪了第五個衝程，它發生在曲軸在720°和900°之間旋轉時(從TDC至BDC)。過熱蒸汽在該衝程的早期進氣，有可能還稍在TDC之前進氣，它驅動活塞往下運動,曲軸隨之旋轉至900°的位置(TDC)。這形成了本發動機的第二個動力衝程。在燃燒室內採用過熱蒸汽而非飽和蒸汽，減少了蒸汽在該衝程期間發生冷凝的可能性。圖6描繪了當曲軸在900°和1080°之間(從BDC至TDC)旋轉時的第六個衝程，即最後一個衝程。來自本衝程的排氣去往熱回收換熱器。圖7描繪了產生富氧空氣的裝置，這裡顯示的是包含分子篩，也稱之為沸石的真空變壓吸附器(VPSA)。還有其他使空氣富氧的方法，但本方法廣為實施，設備較小，能效較高。這一空氣分離技術是不受專利權限制的。空氣進入該裝置被過濾和壓縮。經壓縮的空氣被送入一個或多個包含吸附劑的床層，吸附劑優選優先吸附氮或者氧的分子篩，而不未被優先吸附的氣體則流經所述的床層。在所示的情形中，氮是氣體中被優先吸附的組分。當一個或多個床層在處理經由濾壓縮的空氣的同時，另一個或多個床層則在被再生。採用真空從正進行再生的分子篩床層中除去所吸附的氮。離開分子篩床層的氣體主要是氧和氬，被儲存在壓力儲氣筒中給內燃機使用。絕大部分的二氧化碳和水也從進入的空氣中被吸附並去除。圖8描繪了變壓吸附器(PSA)，它能產生可用作本發明中的氧化劑的富氧空氣。該PSA裝置利用壓縮機通過空氣濾清器將周圍的環境空氣吸進來。所述的PSA裝置由一個或多個也稱之為分子篩的沸石床層組成。分子篩或者其他合適的吸附劑從空氣中優先吸附氮，二氧化碳和水，而氧和氬則穿過床層被儲存起來。氧化劑從儲氣筒流入發動機。利用兩個或多個吸附劑床層，當一個床層在壓縮空氣穿過該床層時吸附氮，二氧化碳和水的同時，另一個床層則在床層中的氣體洩壓期間被再生。圖9描繪了實質上是純氧的儲罐，所述的純氧來自外部供應源。典型地，這種氧是通過低溫空氣分離獲得的。如果氧化劑來自低溫空氣分離，則實質上純氧被用作本發明發動機的氧化劑。以上圖中的各部件的標號：1活塞2氣缸3燃燒室4再循環廢氣導管5再循環廢氣進氣門6火花塞7燃料噴射閥8燃料導管9氧化劑噴射閥10進入富氧空氣發生器的進氣11空氣濾清器12壓縮機13吸附劑床14真空泵15富氮空氣導管16氧化劑儲罐17氧化劑導管18氧化劑注入管20蒸汽排氣門21蒸汽排氣導管21a初步冷卻蒸汽導管21b冷凝蒸汽儲罐23過熱蒸汽門24燃燒排氣門25燃燒排氣導管25a初步冷卻排氣導管25b再度冷卻排氣導管26汽缸蓋27連杆28曲軸30循環水泵30a水管30b部分加熱水導管30c蒸汽導管30d過熱蒸汽導管31蒸汽過熱器換熱器32蒸發器換熱器33熱回收換熱器34冷凝器換熱器35排氣換熱器36排氣排出導管37冷卻水供水管38冷卻水回流管40不凝物真空泵41不凝物導管。具體實施方式為簡單起見,描述本發明的附圖僅以在一個氣缸內與一根曲軸連接在一起的一個活塞為例加以圖示說明。本發明可利用任意數目的氣缸和活塞以及多根曲軸。附圖是說明性的而不是按比例繪製，它示意地描繪了該發動機以及該發動機的運行方法。該發動機可以是火花點火式的(SI)，壓縮點火式的(CI)，SI與CI的結合，或者利用一些其他的手段來點燃可燃燒的混合物。用於該發動機的燃料包括所有的碳氫化合物，溶解在碳氫化合物中的脫除了灰分的煤，以及氫或者他們的混合物。當然，應當充分了解，氣缸2，汽缸蓋26，連接導管4、17、21、21a、25、25a、25b、30a、30b、30c和30d，泵30，以及換熱器31、32、33、34和35都經由保溫隔熱處理以保留住熱量。這種保溫隔熱也吸收了噪音，從而產生了一種低噪音發動機。為清晰起見，圖中未顯示所述的保溫隔熱。包含火花塞的地方暗示它是SI發動機，未包含有火花塞的地方暗示它是CI發動機。實際上，CI發動機可能會包含火花塞或其他裝置以確保在發動機轉動的某個預定點上點火。為明確起見，除了圖1b，7，8，和9之外，所有附圖中都包含有火花塞。圖1是一剖視圖，它顯示了在氣缸2內的活塞1、汽缸蓋26及與之相關的氣門及噴射閥，蒸汽過熱器換熱器31、蒸發器換熱器32、熱回收換熱器33、冷凝器換熱器34和排氣換熱器35，循環水泵30、不凝物真空泵40，以及連接導管4、8、17、21、21a、25、25a、25b、30a、30b、30c、30d、37、38和41，以及儲水罐21b。圖1將被用於描述熱回收系統。本發動機的六個不同的衝程將利用圖1a，1b，2，3，4，5，和6來詳細描述。該圖中的換熱器都是以管殼式換熱器來圖示，但決不應該用這種圖示方式將換熱器限制在這種形式的設備。其他可以用作換熱器的包括板框式，螺旋式，套管式，焊接板式或釺焊板式，擴展表面式以及其它的換熱器。換熱面被顯示在組合體內，但每個換熱面可以在其各自主體內，或者同樣的功能可以擴展到多個主體上。如圖4所示，衝程4期間的第一次發動機排氣進入熱回收系統，它經由燃燒排氣導管25進入蒸汽過熱器換熱器31的殼程。發動機產生的熱量與經由蒸汽導管30c進入31管程的蒸汽發生熱交換。該過熱蒸汽經由過熱蒸汽導管30d離開31管程，當過熱蒸汽門23打開時它經由23返回到發動機。初步冷卻的發動機排氣，經由初步冷卻排氣導管25a離開31的殼程，進入蒸發器換熱器32。再度冷卻的排氣經由再度冷卻排氣導管25b離開32的殼程。經由25b的排氣隨後進入排氣換熱器35，根據發動機做功的需要，排氣換熱器35可以工作或不工作。通過控制冷卻水供水管37的流量及其流過冷卻水回流管38的回流，將流經25b的發動機所產生的熱量移除。來自35的被冷卻或未被冷卻的排氣被分成兩股。一部分被冷卻的排氣將經由再循環廢氣導管4返回到發動機，剩下的則經由排氣排出導管36排放。在發動機做功需求低時，絕大部分的排氣將再循環回至發動機。發動機產生的熱量通過25a與進入蒸發器換熱器32管程的水進行熱交換。這股水流從部分加熱水導管30b進入32的管程。如圖6所示，衝程6期間產生進入熱回收系統的第二次發動機排氣，它從蒸汽排氣導管21進入熱回收換熱器33的殼程。發動機所產生的熱量通過導管21，與經由水管30a進入33管程的水進行熱交換，水由循環水泵30進行加壓。初步冷卻的蒸汽經由初步冷卻蒸汽導管21a離開換熱器33的殼程，進入冷凝器換熱器34的管程，在那裡蒸汽冷凝成水並被儲存在冷凝蒸汽儲罐21b中。利用經由冷卻水供水管37進入換熱器34殼程的水流及其經由冷卻水回流管38的回流，將經由導管21a的熱量移除。這股水流將通過水冷式內燃機常見的散熱器類型的冷卻系統再循環。散熱器水冷系統未在圖中表示是因為業內人士非常熟悉這類冷卻系統的緣故。利用循環水泵30通過水管30a將儲罐21b裡的水再循環回到熱回收換熱器33的管程。會有一些不凝氣體與來自導管21a的蒸汽混合在一起，這些氣體將通過不凝物真空泵40被除去，經由不凝物導管41排放到大氣中，圖1a是一剖視圖，它顯示了在氣缸2內的活塞1，完整地配置有氣門，噴射閥，以及可用於火花點火式發動機的火花塞6。該圖描繪了業內人士稱之為進氣衝程的內燃機的第一衝程。本衝程始於曲軸28位於曲軸轉角0°時(TDC)，直至曲軸28旋轉至180°時(BDC)。活塞1在氣缸2內往復運動，這種往復運動引起燃燒室3容積的變化。活塞通過連杆27與曲軸28相連。件1、27和28的組合體將活塞的往復運動轉化成曲軸28的旋轉運動。當再循環廢氣進氣門5打開且活塞1下行時，再循環廢氣導管4使排氣進入燃燒室3。為稍後噴入的燃料所饋送的氧氣，通過氧化劑導管17經由氧化劑噴射閥9加入燃燒室3。當活塞1到達活塞旋轉角180°時，也稱之為發動機下止點(BDC)，活塞1停止向下的運動。BDC是燃燒室3容積最大的點。氣門5在曲軸角接近180°時關閉，如此完成了衝程1，使燃燒室充滿了氧化劑與再循環廢氣的混合物。在本發明的說明中，涉及到氣門的開或關，或者火花塞的點火，「接近」的意思是指曲軸轉角的±50°。對於以上的示例，氣門5在早至曲軸轉角130°(180°-50°)時開始關閉，在遲至曲軸轉角230°(180°+50°)時完全關閉。除了未包括火花塞6之外，圖1b所描繪的情形與發生在圖1a中的一樣。該圖描繪的是壓縮點火式發動機而不是火花點火式發動機。壓縮點火式發動機的燃燒室裡氣體壓縮產生的溫度，足以點燃用於此種發動機的燃料。圖2描繪了稱之為壓縮衝程的內燃機第二衝程。本衝程始於曲軸位於曲軸轉角180°時，直至曲軸轉角至360°時。本衝程期間，氣門5、20、23和25都保持關閉，同時，燃燒室內建立壓力。可以利用各種不同的方法將燃料加到氧化劑與再循環廢氣的混合物中去，這些方法都為業內人士所熟知。這些方法包括採用化油器，將燃料在進氣門之前噴射到進入燃燒室的氣體中去，以及將燃料直接噴射到燃燒室中去。前兩種將燃料引入到氧化劑中的方法未在圖中示出。在優選的實施例中，圖示和描述了第三種方法。在本衝程期間，燃料經由燃料導管8通過燃料噴射閥直接加入到燃燒室3中。隨著曲軸接近360°，本衝程接近終點，火花塞6被激發，所產生的電弧開始了迅速燃燒或氧化過程。火花可以在曲軸轉過360°之後延遲點火，但在任何情形下，幾乎所有的燃料與氧氣的爆發效應出現在衝程3中。圖3描繪了稱之為動力衝程的內燃機的第三個衝程。在本發明的情形下，這是動力衝程一，因為有兩個動力衝程。本衝程始於曲軸轉角360°直至曲軸轉角540°。在本衝程期間，氣門5、20、23和24保存關閉，但是，燃料可以在本衝程期間噴射數次。在燃料與氧氣一起燃燒的時候，燃燒室3內的溫度和壓力迅速升高。該壓力施加在活塞1的暴露面上，隨其在氣缸2內下行而做功。燃料燃燒釋放出的熱能以這種方式轉化為功。連續地獲得動力直至曲軸轉角到達540°。曲軸轉角接近540°時，燃燒排氣門24開始打開，將熱的廢氣釋放進燃燒排氣導管25。因為燃燒排氣門24在衝程4的整個過程中幾乎一直保持打開，所以該氣門在圖4中畫成打開的。圖4描繪了稱之為排氣衝程的內燃機的第四個衝程。在本發明的情形下，這是排氣衝程一，因為有兩個排氣衝程。本衝程始於曲軸轉角540°，直至曲軸轉角720°。本衝程期間，燃燒排氣門24保持打開，使熱的排氣經由燃燒排氣導管25，進入先前在圖1中所描述的蒸汽過熱器換熱器31。排氣持續進行直至曲軸轉到720°。在本衝程的後期，曲軸轉角接近720°時，燃燒排氣門24開始關閉，為衝程5做好準備。在衝程4的終點，由於汽缸蓋26的金屬，氣門和噴射閥，活塞1，氣缸2的溫升，以及燃燒室3裡殘留的燃燒氣體，還有熱量保留下來。這些熱量的一部分將在衝程5期間被轉化為動力，圖5描繪了本六衝程內燃機的第五個衝程，它是第二個動力衝程。本衝程始於曲軸轉角720°，直至曲軸轉角900°。氣門5、20和24保持關閉，同時控制過熱蒸汽門23，讓來自蒸汽過熱器換熱器31的過熱蒸汽從過熱蒸汽導管30d進入燃燒室3。隨著活塞被推向曲軸，進入燃燒室的過熱蒸汽做了額外的功。過熱蒸汽可用量受限於能量平衡，所以必須控制其流量。過熱蒸汽是溫度高於其在測溫部位絕對壓力下的汽化點或沸點的蒸汽或水蒸氣。過熱蒸汽優於飽和蒸汽，因為不希望有水在燃燒室裡冷凝出來。在汽缸蓋26的金屬，活塞1，氣門5、20、23和24，火花塞6，噴射閥7和9，以及氣缸2裡保留的一部分熱量，也被用作熱源。這些來自金屬壁的熱量還降低了蒸汽在燃燒室裡冷凝出來的可能性。發動機在本衝程期間被冷卻。這些來自包圍著燃燒室的金屬的發動機熱量，被轉化成做功而不是通過發動機的冷卻水套被廢棄。因此，本發動機不需要氣缸外的水套，圖6描繪了本六衝程內燃機的第六個衝程，它是第二個排氣衝程。本衝程始於曲軸轉角900°，直至曲軸轉角1080°。在本衝程中，排氣主要是蒸汽而非燃燒產物。蒸汽排氣門在本衝程期間完全打開，讓低壓蒸汽經由蒸汽排氣導管21排出，沿其途徑送往如前所述的熱回收換熱器33，圖7描繪了真空變壓吸附器(VPSA)，它能產生在本發明中用作氧化劑的富氧空氣。任何來源的富氧空氣或者甚至純氧都適合於本發明的運行，並不限於VPSA。富氧空氣或純氧中的氧氣是燃料的氧化劑，而其他低濃度組分，包括氬、二氧化碳、和水蒸氣，通過發動機而不發生反應。VPSA是一種優選的製取富氧空氣的方法，其氧濃度在80至97％。氧化劑中的氧濃度越高，導致再循環至衝程1的排氣越多，從而獲得更高的熱效率，並且排氣中的NOx含量更低。通過控制燃燒溫度，防止了富氧空氣中低濃度的氮發生反應生成NOx。本VPSA裝置依次通過空氣進氣導管10和空氣濾清器11，再經由壓縮機12從環境大氣中吸進空氣。本VPSA裝置包括吸附劑床13中的一個或多個床層，各床層裝有也稱之為分子篩的沸石。所述的分子篩或其他合適的吸附劑優先從空氣中吸附氮、二氧化碳和水，同時氧和氬流過床層到達氧化劑儲罐16。富氧空氣通過氧化劑導管17沿其途徑送往發動機。吸附劑床13通常由兩個吸附劑床層組成。可以採用一個、兩個、三個或更多個床層，在一個或多個床層吸附流經的壓縮空氣中的氮、二氧化碳和水的同時，另一個或多個床層在真空下進行再生。真空泵14提供再生需要的真空，脫附下來的氮、二氧化碳和水通過富氮空氣導管15排出。VPSA單元的最終產品是富氧空氣，也稱之為氧化劑。圖8描繪了變壓吸附器(PSA)，它能產生在本發明中用作氧化劑的富氧空氣。本PSA裝置依次通過空氣進氣導管10和空氣濾清器11，再經由壓縮機12從環境大氣中吸進空氣。本PSA裝置包括吸附劑床13中的一個或多個床層，各床層裝有也稱之為分子篩的沸石。所述的分子篩或其他合適的吸附劑優先從空氣中吸附氮、二氧化碳和水，同時氧和氬流過床層到達氧化劑儲罐16。富氧空氣通過氧化劑導管17沿其途徑送往發動機。吸附劑床13通常由兩個吸附劑床層組成，當一個床層在吸附流經床層的壓縮空氣中的氮、二氧化碳和水時，另一個床層在床層中的氣體洩壓過程中進行再生。脫附下來的氮、二氧化碳和水通過富氮空氣導管15排出。圖9描繪了實質上是純氧的儲罐，所述的純氧來自外部供應源。氧化劑注入管18被用來為氧化劑儲罐16充裝液態或氣態氧，典型地是通過低溫空氣分離獲得的氧。實質上的純氧通過氧化劑導管17，沿其途徑送往發動機。其他為本發動機提供氧化劑的方法包括但不限於空氣的膜分離，氧化學吸收/解吸，某些釋放氧氣的化學品的分解，以及水電解。已經以CI和SI兩種模式對本發動機進行了精確模擬以估計和優化熱效率。在CI發動機的壓縮比為15:1，氧化劑含氧95％，發動機轉速1500rpm條件下，計算的燃燒溫度為1641-1834°F(894-1001℃)，僅燃料的熱效率可能達61％左右至70％左右。排氣組成可能有約0.5％體積的氮和約5％體積的氧。排氣中這種氮和氧的組成再結合低的燃燒溫度，導致極低的CO、HC和NOx組成成分。在SI發動機的壓縮比為11.3:1，氧化劑含氧95％，發動機轉速1500rpm條件下，計算的燃燒溫度為1651-1846°F(899-1008℃)，僅燃料的熱效率可能達55％左右至59％左右。排氣組成可能有約0.6％體積的氮和約6％體積的氧。排氣中這種氮和氧的組成再結合低的燃燒溫度，導致極低的CO、HC和NOx的組成成分。本發動機的單位氣缸排量的比功率有所降低，這是由於燃燒室高溫加之這種氧含量水平的緣故。概括地說，這裡所使用的諸如「結合到」和「配置為連接」，「固定住」和「配置為固定住」，「配置為控制」和「配置為允許」，「」配置為接收」和「配置為移除」」，以及「連接到」等措詞，(例如，第一個零部件「連接到」第二個零部件，或者」配置為連接第二個零部件)，用於表示兩個或多個零部件或構件之間的關係，包括在結構、功能、機械、電氣、信號、光學、磁性、電磁、離子或者流體方面的關聯。因此，我們說一個零部件連接到第二個零部件，並不意味著排除在第一個與第二個零部件之間存在另外的零部件，並且/或者該零部件與第一個和第二個零部件有效結合或銜接的可能性。應該理解到可以對本發明的各個方面或細節進行改變而不脫離本發明的範圍。此外，以上描述的目的僅僅為了舉例說明本發明，並非為了限制由權利要求書所限定的本發明。