冷卻內燃機的方法及其裝置的製作方法

2023-06-08 01:23:41 1

專利名稱:冷卻內燃機的方法及其裝置的製作方法
本發明與冷卻內燃機的方法及實現這一方法的裝置有關。
液體循環冷卻系統目前在世界上運行的絕大多數各類變容式內燃機均使用冷卻液來冷卻，這些冷卻滾以水為主，並由泵驅動使其在一封閉的迴路中流動，迴路中包括有環繞燃燒室的冷卻套及熱交換器(輻射器)。一些發動機，特別是小功率發動機及一些航空發動機是用空氣冷卻的。但風冷方法難以適用於大型固定式及地面車輛發動機，因為它不能在變化的環境、負荷條件下保持適當的穩定溫度，而這溫度卻是發動機的長久壽命和良好運轉性能所需要的。
事實上，所有的液冷式發動機都用水或含有抗凝劑的水溶液做冷卻劑，例如使用乙二醇的水溶液。水做冷卻劑有許多優點，例如水作為自然資源大量地存在於世界上的大部分地區;它不會著火;並有很好的傳熱性。它的有利之處遠勝過它能引起腐蝕和雜質沉集的不利之處。上述不利之處能在任何情況下用添加抗凝劑的方法來克服。大約在過去的二十年中，特別是在近幾年中，為了減小排熱率，並提高發動機效率，發動機冷卻系的工作溫度有了一些提高，這是通過增加冷卻系的壓力及使用高溫熱動開關來實現的。較高的冷卻劑溫度能提高效率，其原因是它不僅能使熱循環中有更多的熱功率輸出和較少的廢熱排出，而且能保持燃燒室的壁溫較高，使熄火現象減少。另一方面，冷卻系中的溫度和壓力較高也引起了一些維護方面的問題，例如管道和接頭的滲漏及失效。同時也引起了一些運行方面的問題，諸如使發動機過熱的嚴重趨勢;發動機爆震;不希望的油溫過高和氮氧化物(NOx)的排放增加。
儘管液體循環冷卻有公認的效用，但它也有一些公認的不足。它必須提供足夠大的冷卻劑容積及足以應付系統所可能會遇到的最大熱負荷的熱交換器，否則發動機就會時時過熱，並可能被嚴重地損壞。這就增加了系統的重量和費用。冷卻劑從冷卻套的上部開始循環，經熱交換器，返回冷卻套的下部。這會引起溫度沿氣缸壁的急劇變化，至使氣缸直徑由頂到底有所不同，活塞環將不得不膨脹和收縮，引起環與環座的磨損。氣缸壁下部的溫度經常低於那裡水蒸汽的露點溫度，水蒸汽凝結後若混入發動機潤滑油，會使油汙染，並形成酸和沉渣。
在關於高溫液體冷卻劑的早期實驗的技術文獻中有一些報告。這些液體，例如乙二醇和苯胺，用於被泵驅動的液流系統。(參見Gibson.A.H.所著「航空發動機的效率」，Tiansactions of tha Royal Aeionautical Societn.NO.3，1920)〔皇家航空協會會刊，1920年第3期〕;Fiank，G.W.的「高溫液體冷卻」，SAE Journal，VOL.2S.Octolei.1929.PP.329-340〔汽車工程學會學報，第25卷，1929年10月，第329頁到340頁〕;和Wood.H.「液體冷卻航空發動機」，SAE Journal.VOL.39，July，1936，PP.267-287)。這些報告中論述的一些問題有缸蓋運行溫度超高理想值的情況;變形;局部過熱點;冷卻劑的滲漏。
Young於1948年在「高溫冷卻系統」一文中(詳見後面介紹的刊物第635頁)討論了將汽車發動機的冷卻劑溫度從當時技術狀態下的60°至82°再提高一些的問題。他謹慎地提出未經壓縮的乙二醇能被用作冷卻劑，它能在高於水的沸點的溫度下工作，但他隨後又說到(635頁)散熱量會減少，而且在一般的發動機中可能出現過熱點。Young最後提出在加壓的液體系統中使用含有抗凝劑的水溶液作冷卻劑。目前這方面的技術狀態與Young的建議是一致的。
Bailey在英國專利No.480，461(1938)中提出了一個用於航空發動機的加壓水循環冷卻系統，該系統增加了一個用於收集在反常高負荷下生成的蒸汽的冷凝器，以使蒸汽凝結，並貯存凝結物。在發動機未停車並冷卻下來之前，一個閥門系統阻止凝結物返回。蒸汽被從冷卻套中帶出，並混到泵過的液流中，然後用一個「頂箱」將蒸汽與液體分離開。因從冷卻套帶出的蒸汽量與冷卻液流的速率有關，所以如果產生蒸汽的比率較大，而冷卻液流率不足，那麼在冷卻套的主要部位中，特別是在燃燒和排氣區域附近的冷卻套中，就要充滿蒸汽。
在應用標準液體冷卻系統的現行技術的汽車汽油機中，將由50%的乙二醇水溶液組成的冷卻液加壓到大約172KPa(25Psig)的水平上，並裝上了在140℃時啟動的熱控閥，看來這已達到主體冷卻溫度的上限，在這一溫度下，可沒有難以接受的爆震、發動機頭熱應力破壞、及其它由不均勻和過度的發動機溫度引起的副作用。的確，在發動機驅動汽車運行幾千公裡之後，常可發生難以接受的爆震現象，那時在燃燒室頂部的積炭開始形成一些過熱點，它們會引起提前點火和燃燒粗暴。
在柴油機中，當燃油被噴入燃燒室時發生點火。這樣在柴油機中就不會象在點火式汽油機中那樣出現由過熱點引起的提前點火。然而，在柴油機中，用傳統的液體冷卻系統冷卻發動機的典型的問題-溫度的不均勻分布和超過限度-會引起零件的變形和破壞，並增加了發動機的排放濃度。
蒸汽冷卻系統在早期的內燃機中，相當普遍地採用了蒸汽冷卻(也叫做沸騰冷卻或蒸發冷卻)。在蒸汽冷卻系統中，允許冷卻劑在冷卻套中沸騰，並以氣相(通常與一些水一起)傳到冷凝器中去。在冷凝器中凝結了的蒸汽，可借重力或泵的作用返回發動機。大約在1930年，在汽車中停止了蒸汽冷卻系統的使用，原因大概是由於熱力控制方法在液體系統中得以應用，這項應用使得在變化的條件下給發動機提供合理的穩定溫度成為可能，而且，在蒸汽冷卻系統中，蒸汽易於過載，並且通過壓力釋放閥損失掉的冷卻劑也非常多。
在過去的50或60年間，在技術和非技術文獻中，及專利文獻中，提出了多種蒸汽冷卻系統。但可能除了在固定式發動機，如鑽井動力發動機方面有一些例子之外，還沒有哪一系統已取得某種程度的商業成功。然而，因為蒸汽冷卻具有一些優點，對它的研究已在進行。它具有的主要優點是(1)冷卻劑沸騰或凝結時的傳熱係數比冷卻液升溫或降溫時的傳熱係數大一數量級。
(2)冷卻劑在定溫下沸騰(假設也是定壓的)，因此氣缸壁滑動面積上的溫度幾乎保持相等，活塞環在往復工作時造成的環及環座的磨損減小。
(3)更均勻的溫度意味著在氣缸壁下部的溫度水平能普遍地提高，排熱、熄火和摩擦隨之減少，燃油經濟性得到改善。
(4)蒸汽系統所用的冷卻劑的劑量要比液體系統的大為減少，因而重量減輕。
(5)與液體系統相比，低壓蒸汽系統能有較輕、較便宜的管道及接口，滲漏及破壞的機會也少。
提出蒸汽冷卻系統的實例的一些文獻是繆爾(Muir)美國專利No.1，658，934(1928);Muir美國專利No.1，630，070(1928);阿姆斯特朗(Aimstiong)美國專利No.1，432，518(1922);巴婁(Bailow)美國專利No.3，384，304(1968);雷佛特(Leffeit)美國專利No.3，731，660(1973);伊萬斯(Evans，本發明的發明人)美國專利No.4，367，699(1983)和揚(Young，F.M.)「高溫冷卻系統」，SAE.Quaiteily Tiansactions.VOL.2，No.4，Oct.1948.(汽車工程學會季刊，第二卷，1948年10月，第4號)除了一個例子之外，本發明人所知的所有處在以前技術水平上的蒸汽冷卻系統都採用水或含有大量水的抗凝劑水溶液作為冷卻劑。所有具有先前技術的系統都被認為是不合實際的，因為在高溫環境中，在發動機大負荷工作或長時間怠速時，在發動機中生成的蒸汽的容積無法用實際尺寸的凝結器來處理，一些蒸汽不可避免地被排出。
更重要的是，在處於使發動機內產生大量蒸汽的環境條件和運行工況下，冷卻系統的效率大為降低。此時，在發動機冷卻套內存在大量的蒸汽，它們把能用於冷卻發動機的液相冷卻劑擠出。在高溫區域處，特別是在燃燒室頂和排氣門附近及燃燒室與排氣門之間的通道處，出現蒸汽附面層和沸騰膜。伴隨沸騰膜出現的蒸汽附面層使金屬傳向冷卻劑的熱量大大減少，過熱點形成，隨之發生嚴重的爆震。大量蒸汽由缸體冷卻套的流向缸蓋冷卻套，使在缸蓋冷卻套內與蒸汽共同存在的液態冷卻劑的數量減少，如果不把發動機停下來，可能會因過熱引起損壞。在大多數情況下，冷卻劑的出流一旦開始，就會持續相當的一段時間，即使發動機已停止了工作，亦是如此。冷卻劑的損失將會很大，以至不補充冷卻劑，發動機就無法再運行。
冷卻劑在冷卻套中的沸騰現象不是僅在液體冷卻系統中才有的。發動機燃燒室中的火焰溫度高達1093.3℃(2000°F)，柴油機的典型排氣溫度為482℃(900°F)，而汽油機的則為760℃(1400°F)。即使在能使大部分冷卻液的溫度保持在冷卻液的飽和溫度以下的液體循環冷卻系統中，在燃燒室頂和排氣門附近的冷卻套表面溫度也高得足以引起冷卻劑的局部沸騰。從這樣的熱區到低溫冷卻液之間的液體溫度發生變化，在任何液體中的熱傳遞都不足以防止這一溫度差別。緊靠冷卻套熱金屬壁面的冷卻液處於其飽和溫度，冷卻劑在那裡蒸發。
伊萬斯(Evans)在美國專利No.4，367，699中提出用「純乙二醇」柴油機蒸汽冷卻系統的冷卻劑。就本發明人所知，這是首次公開提出將高飽和溫度、低水分的冷卻劑用於蒸汽冷卻系統。伊萬斯(Evans)在1981年12月16日將此內容初次發表於歐洲專利申請書中(E.P.C.Application)No.0041853。但可以確信「不沸冷卻劑」(冷卻劑的飽和溫度較高，以至在發動機中不會沸騰)至少已實驗性地應用於具有液體循環冷卻系統的柴油機。眾所周知柴油機與汽油機相比，在高溫下運行得要好。
與以前的蒸汽冷卻技術一致，伊萬斯(Evans)專利推薦了在汽油機的傳統冷卻溫度沸騰的水基冷卻劑。他還推進了從汽油機的長期發展過程中和目前的普遍實踐中得來的認識，這個認識就是唯有水(摻有防凍、防沉澱、防腐蝕的抗凝劑)是可接受的汽油機冷卻劑。
伊萬斯(Evans)在專利合作條約申請(PCT application)No.US83/01775中命名了「內燃機沸液冷卻系」，並於1983年11月遞交該申請書。在那裡揭示一個沸液冷卻系統(可認為「沸液」對這些系統是合適的詞，在這一領域中也有「蒸汽」「沸騰」「蒸發」的提法)。那一系統使用有機物液體做冷卻劑，這些物質的飽和溫度要高於132℃(270°F)，而且通常要高得多。此臨界溫度是根據在缸體冷卻套中的冷卻劑溫度通常要低於此值的觀察結果而選定的。飽和溫度高於此臨界溫度的冷卻劑因此而極難在缸體中沸騰，而且也沒有足以產生影響的量冷卻劑蒸汽由缸體冷卻套流進缸蓋冷卻套。缸蓋冷卻套不再是蒸汽從缸體流向冷凝器的通道，結果缸蓋冷卻套中的冷卻劑蒸汽減少，而在缸頭冷卻套中的液汽比增加。
使用具有高飽和溫度的有機物做冷卻劑，可以改善條件，減少在冷卻套內表面處蒸汽附面層生成的可能性，這對提高冷卻套向冷卻劑的傳熱率是有利的。當一個表面的溫度超過與之接觸的液體的溫度，並超過一定的值時，會出現蒸汽附面層。這一超出的溫度差值被稱做過熱極限或極限溫度差，有機物液體的極限溫度差約為50℃，這大概是水的兩倍。此外，飽和溫度較高，極限溫度差就較難達到。從一個熱表面通過蒸汽附面層向液體傳熱引起的液體沸騰叫做膜態沸騰。在膜沸騰狀態下，冷卻套表面的溫度與冷卻劑的飽和溫度不很接近。
在選擇冷卻劑時，蒸汽摩爾熱(包含在蒸發的每一個克分子蒸汽中的熱)要比蒸發熱(包含在每一克蒸發的液體中的熱)更為重要。蒸發摩爾熱越高，由給定的熱量產生的蒸汽克分子數越少。雖然水的蒸發熱遠比任何有機物液體的大，但許多有機液體的蒸發摩爾熱卻比水的高。
如果能使用完全不含空氣、水及其它易揮發組份和雜質的高飽和溫度冷卻劑，那麼在冷卻套中就只有可在高溫下完全凝結的氣體(蒸汽)。保持冷卻套中大部分冷卻液的溫度低於一蒸汽必須通過的部位的冷卻液的飽和溫度，那麼在冷卻套中的所有蒸汽就都會凝結，而不必將它們送到冷卻套外面的熱交換器中去凝結。不幸的是，這在實際上是不可能的。冷卻劑易與水相溶，它們是吸溼的，可直接從與它們相接觸的環境空氣中吸收水分。
儘管在給定溶液中，水的比率看起來可以是微不足道的，但即使只有很少量的水，也能產生明顯的作用。例如一升高度濃縮的丙稀正二醇含水溶液，其中丙稀正二醇佔溶液重量的97%，溶液含水約有30克，大概為1.67個水克分子。這些水在一個大氣壓下蒸發的體積為37.4升。在水蒸汽中還混有其它物質蒸汽的情況下，只有在蒸汽混合物的溫度低於在系統壓力下的水的飽和溫度時，混入的物質的蒸汽才能完全凝結。即使一般被認為是不與水相溶的液體通常也含少量的水。一升僅包含0.5%的水的液體可能產生6.2升蒸汽，在這些蒸汽的溫度等於或高於水的沸點溫度時，蒸汽不會凝結。除了冷卻劑原來就含有的水之外，冷卻劑還可能從環境空氣中吸收水分，在維修或碰到意外情況時，也可能有水被無意識地加進冷卻系。漏進冷卻套的燃燒氣體也可能引起冷卻系中的水分增加。
使冷卻劑溫度保持在100℃以上，能有顯著的效益。發動機在缸溫較高時工作會使得排熱減少，效率提高。因燃料燃燒得較充分，一氧化碳(co)和碳氫化物(HC)的排放減少。在柴油機中，缸壁溫度較高，還能降低碳煙排放。處於當前技術狀況下的液體循環冷卻系統，利用提高冷卻系壓力的方法，部分獲得了上述效益。
伊萬斯的專利合作條約申請(Evans PCT application)中的沸騰冷卻方法實質上完全依靠冷凝器(一個或幾個)從冷卻劑中提取熱量。當然，冷凝器必須具有足夠的傳熱能力才能應付通過冷卻系傳來的全部發動機排熱，這些熱量是發動機在所遇到的最嚴重的負荷和環境條件下排出的，這意味著冷凝器應針對最嚴重的條件來設計。在一般條件下，僅有冷凝器的一小部分在工作，而它的大部分不工作。按照伊萬斯PCT申請(Evans PCT application)中的系統，能很容易地為小型汽車發動機(比如容積為1600cc的發動機)構造和安裝一個冷凝器。但是要滿足大型發動機冷卻的需要，冷凝器的尺寸就必須增加，所以對大型發動機來說，冷凝器的尺寸就可能大得實際上是無法安裝的。伊萬斯PCT申請(Evans PCT aPPlication)中的系統也有助於使發動機維持一給定的平均溫度，這在相當的程度上依賴於冷卻劑的飽和溫度。為了優化發動機的性能和提高發動機的耐久性，採用目前實用的高飽和溫度冷卻劑，可以使冷卻劑的平均溫度保持在低於或甚至大大低於冷卻劑飽和溫度的水平上。
本發明的第一個目標是將發動機冷卻套的各個部位的溫度限制在與冷卻劑的飽和溫度一致的水平上。第二個目標是在任何系統壓力下，使工作容積或缸筒壁區域處的冷卻套中的冷卻劑溫度，高於水的飽和溫度，但低於冷卻劑的飽和溫度。第三個目標是使存在於燃燒室頂和排氣門附近的冷卻套中由局部沸騰產生的蒸汽減至最少，並使那裡的冷卻套主部中始終充滿液態冷卻劑。第四個目標是在減小冷卻系熱交換器尺寸的同時，使冷卻套的溫度得到適當的控制。還有一個目標是使系統中的冷卻劑損失降到最少。
依據本發明，採用下列各方法達到上述各目標。所採用的方法有應用沸液冷卻劑;促使冷卻套中的冷卻劑蒸汽凝結;為在冷卻套中沒有凝結的氣體提供一個無阻塞的通道，使這些氣體能以對流方式流向一個冷凝器裝置，這個裝置能使凝結物返回冷卻套;用泵驅使液態冷卻劑做通過熱交換器的循環流動，以便使熱量從冷卻液中放出;利用高溫差，加大從冷卻液傳向環境空氣的傳熱量;阻止冷凝器裝置與環境空氣之間的氣體傳遞;僅將其蒸汽壓力基本低於水蒸汽壓力的冷卻劑暴露於環境空氣。
依照本發明，按以下步驟組成一個特有方法為向熱交換器傳送熱量，將可沸騰的冷卻液從冷卻套中泵出，並使冷卻液在流經熱交換器之後返回冷卻套。在大氣壓下，這種冷卻液的飽和溫度高於132℃。這樣做的結果是在冷卻套之外的液體中，沒有因泵吸作用引起的壓力下降而造成蒸汽的生成;而且，在系統的壓力下，在冷卻套上部的一些部位內的冷卻劑溫度低於冷卻劑的飽和溫度，這些部位位於燃燒室頂和排氣門之上。除了凝結在套中冷卻劑中的氣體之外的幾乎全部氣體，包括冷卻液在燃燒室頂和排氣門附近局部沸騰而產生的蒸汽，將以基本上無限制的對流方式，至少經過一個連於冷卻套上部的最高部位上的開口，從發動機冷卻套中連續地流出。藉此，在發動機冷卻套上部的主要部分內，始終充滿著液態冷卻劑。氣體從開口處流入一個帶有凝結室的冷凝器裝置。凝結物從冷凝器裝置返回冷卻套。
在這方法中所使用的冷卻劑是有機物，其中一些易與水相溶，而另一些卻基本上不與水相溶。在使用易與水相溶的物質的情況下，本方法允許冷卻劑中含少量的水，大約為10%或更多一些，但為了使水分保持最小，本方法的運行參數要增加。合適的、可與水相溶的物質有乙二醇、丙二醇、四氫糠醛醇、雙丙二醇及其它們的混合物。在使用基本不與水相溶的物質的情況下，水也是一種雜質，但除了微量的水(通常少於1%)之外，水不溶進帶冷卻物質的溶液。溶液中不應有超過1%重量比的水，即超過微量的水存在。合適的、基本不與水相溶的物質有2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單丁酸酯，二丁基異丙胺，2-丁基辛醇。
出於下面將要討論的原因，採用令冷卻液從冷卻套的缸筒部出發，從冷卻套的上部返回的循環是可取的。這一方法還包括以下步驟使存留在冷凝器最高部位中的全部氣體，通過一條輸送管路，傳到一個回收冷凝器中去。回收冷凝器處在能使它比主冷凝器較冷的位置上。結果傳到回收冷凝器中的氣體的可凝物質凝結起來，並可被送回主冷凝器。例如，來自回收冷凝器的凝結物，能在重力的作用下，連續地返回主冷凝器;也能在重力或虹吸的作用下，周期性地返回。發生虹吸作用時，回收冷凝器中的壓力要超過主冷凝器中的壓力與在輸送管中正在回流的凝結物的質量壓頭之和。上述作用在熱負荷減小期間和降溫時發生。回收冷凝器中的氣體可經過一條開口通道或一個低壓釋放閥流入大氣。也可以舉另外一個例子，即在主冷凝器與回收冷凝器之間裝一個雙路低壓釋放閥。在這種情況下，在方法中要包括以下步驟只有在主冷凝器中的壓力比回收冷凝器中的壓力高出一個預先給定的壓力值時，氣體才能由主冷凝器傳向回收冷凝器;同樣，也只有在回收冷凝器中的壓力比主冷凝器中的壓力高出一個預先給定的壓力值時，氣體才能由回收冷凝器傳向主冷凝器。
根據本發明方法的進一步的變型，存留在冷凝器最高部位中的全部氣體都可通過一個通風口流向大氣。這個通風口遠離氣體由冷卻套進入冷凝器的入口，這個通風口通常被一個壓力釋放閥所關閉，只有在冷凝器中的壓力比環境壓力高於一個預先給定的壓力值時，它才打開。
本發明進一步提供了一套用於內燃機冷卻的裝置。該裝置的構成有至少能環繞每一個燃燒室的一部分和排氣門的冷卻套;並在其中盛有飽和溫度在大氣壓下高於132℃的可沸冷卻液;一個包括熱交換器和泵裝置的冷卻液迴路，該泵裝置使冷卻液做向熱交換器送熱的循環，它使冷卻液從冷卻套中流出，在流經熱交換器之後，再返回冷卻套。結果在液體冷卻迴路中，沒有因泵吸作用引起的壓力下降而造成蒸汽的生成，而且，在系統壓力下，在冷卻套上部的一些部位內的冷卻劑溫度低於冷卻劑的飽和溫度，這些部位位於燃燒室頂和排氣門之上;至少配備一個連於冷卻套上部的最高部位上的開口，以便使除了凝結在套內冷卻劑中的氣體之外的幾乎全部氣體，包括由冷卻液在燃燒室頂和排氣門附近局部沸騰而產生的蒸汽，能以基本上無限制的對流方式從冷卻套流出，藉此，在燃燒室頂和排氣門附近的冷卻套的主要部分內，始終充滿著液態冷卻劑;包括一個凝結室的冷凝器裝置，用它收集經過開口由冷卻套流出的氣體，並將其中的可凝成份凝結起來;冷凝器中還有一個返回裝置，用它使凝結物從冷凝器裝置返回冷卻套。
可以給本發明中的裝置增加一些特性，或做些改動。它們是1、本發明中所用的冷卻劑，正是在上面方法介紹部分中所提到過的冷卻劑。
2、冷卻劑的循環從冷卻套的缸筒部開始，冷卻液從冷卻套上部返回。
3、為了使凝結物能在重力的作用下從冷凝器返回冷卻套，冷凝器應裝在比冷卻套出口高的位置上。
4、有一些處理冷凝器中未凝結的氣體的方法。這些氣體是從冷卻套而來，經過出口進入到冷凝器中來的。除了一個壓力釋放閥之外，可以把整個冷卻系封閉起來，按照所用的設計，該壓力釋放閥僅在最大的負荷、環境溫度或海拔高度變化的條件下，及遇到緊急情況時才工作，而在一般條件下不工作。也可以採用另外一種方案，在該方案中，裝置中要有一個回收冷凝器，它與主冷凝器相連接，並被安裝在距主冷凝器較遠的位置上，那一位置處的實際溫度比主冷凝器的要低。回收冷凝器按下列要求設計它能使由主冷凝器傳入的氣體中的可凝物質凝結，同時把任何沒有凝結的氣體通過一個開口送出，它能利用重力及泵的作用，使集結在回收冷凝器中的凝結物返回;也可利用重力和虹吸作用，使凝結物間歇地返回。只要回收冷凝器中的壓力一超過主冷凝器中的壓力與在回收冷凝器中的凝結物壓頭之和，就會發生虹吸現象。與回收冷凝器相連的通道上可有一個壓力釋放閥，或者說，可在主冷凝器與回收冷凝器之間插入一個壓力釋放閥。
本發明中的方法和裝置可被看成是液體循環和蒸汽冷卻的方法和裝置的合成物。因為有一些部分是相同的。液體冷卻迴路使冷卻液中的熱量排出，當冷卻液回到冷卻套時，它的溫度低於其飽和溫度。大部分從發動機排出的熱量被液體迴路中的熱交換器送到環境空氣中去。本方法和裝置在上述各方面與傳統的液冷方法和系統相似。
熱量從燃燒室頂和排氣門周圍的較熱區域傳出，使發動機冷卻套中的冷卻劑產生蒸汽，那些沒有凝結在液體中的蒸汽以對流方式上升到冷卻套上部的最上邊，然後經過出口傳入冷凝器。蒸汽中的可凝物質在冷凝器中凝結，並被送回冷卻套。在這些方面，本發明與蒸汽冷卻系統相似。
本發明在一個重要方面與傳統的液體循環冷卻系統不同。在本發明中，蒸汽和其它氣體從冷卻套的最高區域中流出，而不是將它們留在液態冷卻劑中與液態冷卻劑一同循環。在傳統的液體循環系統中，在燃燒室頂和排氣門周圍附近的熱區中產生的蒸汽可能被聚在一些部位，在那裡冷卻液的循環率相對地較低，而且蒸汽幾乎沒有機會以對流方式溢出，因為附近存在著冷卻液循環速度相對高的區域。上述部位正是生成蒸汽泡的地方，蒸汽泡起著阻礙金屬與冷卻劑之間的傳熱的作用。於是在上述部位能形成過熱點，並引起發動機爆震。在大負荷工況下，在冷卻套中產生的蒸汽量增加，大量蒸汽聚在冷卻劑中，把液態冷卻劑擠出，一些蒸汽流入系統的溢流箱。在這種情況下，會有如下結果即在最需要冷卻系能有效工作的時候，冷卻系將發動機產生熱量散去的能力，卻在實際上被削弱了。在處於目前技術水平上的液體循環冷卻系中，為了使蒸汽凝結，要使蒸汽與液態冷卻劑一起，沿著一條通常是基本水平的通道，從冷卻套流向輻射散熱器。蒸汽的速度和與之一同流動的液體運動有關，液體的速度是泵轉速，因而又是發動機轉速的函數。當生成蒸汽的速率大，而液體運動速率不足時，大量的蒸汽存留在冷卻套中。
本發明提出了一種釋放蒸汽的方法，它能使蒸汽從冷卻套的最上邊不受阻礙地釋放，從而使不但在冷卻套中，而且在循環系統中，液體冷卻劑中夾帶的蒸汽量減至最小。本發明所要求的體體循環率要低於傳統的液體循環系統所要求的，而且它不是運汽需求的函數。本發明中的系統有助於使蒸汽從冷卻套的所有內表面處迅速地放出，並以不受阻礙的對流方式迅速流向出口，該出口位於冷卻套的最高部位。蒸汽的流動與液態冷卻劑的運動無關，即使沒有液態冷卻劑的循環，氣體也能自由地離開冷卻套。
當冷卻物質可與水相溶時，最好把冷卻劑中的水分儘量減少，而當冷卻物質不可與水相溶時，應把含水量保持在1%以上。假設冷卻劑完全不含水是不現實的，特別是對於可與水相溶的物質來說，這種假設更不現實，冷卻物質總是吸溼的。存在於可與水相溶的物質中的水，使所形成的溶液具有一個沸騰範圍，雖然這一範圍的初始沸點比該純物質的低，但發生沸騰處的溫度受限於純物質的飽和溫度，而不受限於初始沸點。雖然在可與水相溶的純物質中加少量的水，能使初沸點降低，但在因局部蒸餾和淨化引起高熱流量的區域上的溫度卻沒有明顯地降低。
由摻水引起的沸騰範圍加寬有一個副作用，這就是比較容易發生泵的抽空現象。壓力稍有下降，就會引起處於其飽和溫度附近的液體的蒸發。當泵抽吸接近飽和溫度的液體時，在聯接泵的入口的管道中會發生冷卻劑的蒸發，並可能發生機械泵的抽空現象。在上述情況下，冷卻劑不再做通過熱交換器的循環流動，冷卻系只能完全依賴冷凝器裝置來排出冷卻系中的全部熱量。摻水使冷卻劑的初沸溫度下降，為了防止泵的抽空，對應的冷卻液溫度也必須有所下降。實際上，當冷卻套中的液體平均溫度能保持在比冷卻劑的初沸點低10℃的水平上時，就可防止泵的抽空現象。為了保證有合理的安全係數，可按以下要求設計冷卻系;要使平均液體溫度能保持在比冷卻劑的初沸溫度低20℃的水平上。例如，在不加壓系統中，用99%的丙二醇溶液做冷卻劑，使該溶液的平均冷卻溫度保持在157℃(315°F)或157℃以下，就可避免泵的抽空;而若用95%的丙二醇溶液做冷卻劑，在不加壓系統中，就應使溶液的平均溫度保持在129℃(264°F)或129℃以下。在高空工作的飛機上裝上這種冷卻系，就能在保持較低的系統壓力的同時，使平均液體溫度比在常壓下的冷卻劑初沸點低30℃左右。
重要的是要認識到，若在本發明中使用與水相溶的物質，那麼只要整個冷卻套上部的冷卻劑溫度高於在當時壓力下的水的沸點，就將有一些蒸汽不會在冷卻套中凝結，它們將通過出口傳向冷凝器。在冷卻套上部的冷卻液的溫度越低，在冷卻套中凝結的蒸汽量就越大。然而，因為通常冷卻套內的溫度沒有低得能使凝結完全進行，所以總有一些蒸汽不會穎結。在傳統的水一正二醇泵驅動液冷卻系中，經常存有這樣殘餘蒸汽。本發明的一個重要特點是能使殘餘蒸汽不斷地流到冷凝器中去，以保證冷卻套上部的主要部分中的冷卻劑為液態。蒸汽的去除大大增強了金屬與冷卻劑之間的熱傳遞。冷卻劑從金屬將熱傳走的效率不再被存留的蒸汽泡所降低。也不必再依賴高泵流率將蒸汽從熱表面處排除，以及將它們傳送到較冷的區域和散熱器中。
由不與水相溶的物質和水組成的冷卻劑跟由易與水相溶的物質和水組成的冷卻劑，兩者具有不同的表現。含不溶水物質的冷卻劑起初在稍低於水沸點的溫度上沸騰，如果這種冷卻劑的蒸汽壓遠低於水的，那麼蒸汽幾乎全是水蒸汽。相應的，水沸騰出去，並被傳向冷凝器。在水沸騰出去之後，冷卻劑的沸點即為該物質的沸點。在冷卻套上部的熱區中形成的該物質蒸汽幾乎會完全凝結在冷卻套內較冷的液體中。同時，只要在上部的冷卻劑溫度保持在水的沸點之上，那麼任何從冷凝器返回發動機的凝結水，在一返回冷卻套的時候，便很快地沸騰掉。在初次給系統充填的冷卻劑中應含儘可能少的水，在充填之後，系統中的大部分水可通過一個低壓(比如2磅平方英寸)釋放閥進入冷凝器。此後，在不考慮進入系統的水的情況下，冷卻劑將有穩定的組分，並含有少量殘餘的水，這些殘餘的水，在發動機正常運轉期間，以蒸汽的形式存在於系統中。
由於蒸汽的凝結溫度與液體的沸點相同，不可與水相溶的冷卻劑物質幾乎不產生能從冷卻套上部離去的蒸汽。冷卻液在液體冷卻迴路中做連續的循環運動，為保證發動機冷卻套中的冷卻劑的平均溫度低於沸點，將熱送到熱交換器中(輻射散熱器)排出。在熱表面上形成的蒸汽，通常凝結於較冷的液體冷卻劑中。
在非正常的運行工況下(熱天和高負荷)，冷卻劑中不與水相溶物質質的蒸汽可能沒在冷卻套中完全凝結，它將通過出口離開冷卻套，進入到冷凝器中，在那裡，它將凝結成凝結物，並返回發動機冷卻套。在爬很長的坡時，或在高負荷運行後的怠速停車時，會出現這種現象。在後一種情況下，由發動機驅動的泵，在怠速時的循環率減小，液體冷卻劑的溫度可能在短期內升高，結果不能使冷卻劑蒸汽完全凝結。
同樣，在發動機停止工作時，它處於沒有液體循環的降溫方式。熱金屬中存有大量的熱，它們傳向冷卻劑。在此期間，也許約有五分鐘，冷卻劑蒸汽生成，升入冷凝器，凝成凝結物並返回發動機。在降溫期間，因蒸汽從冷卻套的最上部自由放出，使靠近熱金屬表面的冷卻套主部內充滿液態冷卻劑，保證了發動機能得到有效的冷卻，防止了能引起缸頭破裂和汽缸墊破壞的高熱應力。本系統能防止蒸汽泡的反覆生成和釋放。蒸汽泡的這種現象能引起燃燒室頂和排氣門處金屬溫度的急劇變化。
在應用本發明的系統中，冷凝器有一個重要的功能，它能適應冷卻劑容積在高、低溫度下的明顯變化。這種變化的範圍約為10%～15%。在傳統的強迫液體冷卻系統中，當冷卻劑膨脹時，一些冷卻液溢進膨脹箱，被困住的氣體也被壓縮。在本發明中，有兩種應付膨脹的方法(1)冷卻液面升進蒸汽出口通道，對某些設計，升入冷凝器的下部。(2)使蒸汽從液體冷卻劑中放出，並進入冷凝器。在那裡，蒸汽膨脹，冷卻和凝結，使蒸汽壓力較低。
上面提到的所有冷卻物質都能應用於柴油機，高沸點物質更理想，因為柴油機在高缸溫時能更有效地工作。當然，也應對高溫條件下的潤滑系設計予以注意，如有效的過濾;使用高溫合成潤滑劑;潤滑油冷卻。卡車、大客車和內燃機車上用的大功率柴油機通常總要配有複雜的潤滑系。
本發明的研究和試驗強調指出用於火花點火式汽油機的冷卻物質的沸點是有上限的。到目前為止，乙二醇、丙二醇和四氫糠醛醇已被確認是適合於汽油機的。雙丙二醇及上面提到過的三種不與水相溶的冷卻物質的沸點太高，不宜用於點火式汽油機，至少目前的認識是如此。
不宜把水混入本發明中用到的冷卻劑中去。水分越大，從冷卻套流向冷凝器的蒸汽量就越多，需要使冷凝器有更大的盛裝蒸汽的容量。水還能在發動機(特別是鋁製發動機)的冷卻系內引起腐蝕和沉積。
乙二醇的凍點溫度為-12.7℃(9°F)，除了它之外，上面明確提到過的所有冷卻劑都能適應很冷的氣候。眾所周知，向乙二醇中摻加少量水分可使此液體的凍點降低。添加雙丙二醇是達到同一目的，而又避免水分增加的更好方法。
本發明中的蒸汽出口和冷凝器子系統的基本功能是使蒸汽能儘量自由地從發動機冷卻套上部的最上面離去，以便使存在於發動機冷卻套及液體冷卻迴路中的蒸汽含量減至最小。如上所述，冷凝器也能適應冷卻劑的膨脹。使儘可能多的存在於冷凝器子系統中的冷卻劑蒸汽凝結也是是重要的，這能使系統中的冷卻劑損失減至最小。當然，冷凝器也排熱，但其量不大，通常只是冷卻系排熱總量的5%。
本發明的重要優點是能夠使內燃機在缸溫普遍較高的情況下運行。這樣的工作缸溫是以前不曾達到的。發動機在缸溫較高的條件下運行，能改善燃油經濟性。原因有一、發動機的排熱率降低，這意味著在熱循環中有更多的熱量被利用。二、減少熄火現象，燃油得到更完全的燃燒。三、發動機各部分的溫度分布更加均勻，減小了摩擦和摩損。四、沿著具有均勻高溫的缸筒滑動表面有較好的潤滑。
本發明的另一個優點是由於更完全地燃燒和減少了爆震，汽油機中的全部三種主要排放物、在柴油機中還要加上碳煙，都減少了。
由於發動機通過冷卻系排出的熱量較少，並由於本發明中應用的高沸點冷卻劑與環境空氣之間的溫差遠大於水或水/甘醇溶液與空氣間的溫差，熱交換器和冷凝器都可以相應減小。
在本發明中作為冷卻劑的有機物具有高的飽和溫度，它們不在冷卻套、冷凝器、輻射散熱器及冷卻系其它部分中發生腐蝕和沉積。相應地能用鋁來製造價格相對便宜的熱交換器和冷凝器。而且清除了腐蝕問題，這一問題在處於目前技術水平上的液體冷卻循環鋁製發動機中可被遇到。
本發明中的冷卻方法和裝置，可在環境壓力或略高於環境的壓力下工作，比如表壓力通常為7～35KPa(1～5磅/平方英寸)。所以，冷卻系的所有組件的設計比目前高壓系統的要簡單，並不易滲漏和失效。
熱交換器和冷凝器的尺寸小，從它們那裡帶走熱量的空氣的需求量也被減少，這就可以將它們較合理地安裝在合適的位置，而不必象傳統的泵驅動液體冷卻系統那樣，將它們裝在輻射散熱器的鼻部。結果車輛的頭部可以大為縮小，並按空氣動力學的考慮設計車頭形狀。熱交換器能按任何設計構形的要求安裝，甚至可以水平地安裝。冷凝器和輻射散熱器能結合成一個單元，在此種情況下，冷凝器部分應在輻射散熱器之上，並高於冷卻液面。由於這個單元小於傳統的輻射散熱器，加之通過它的氣流需要量較少，這個單元能夠從車頭移到後部，並且如同輻射器和冷凝器分置時一樣，也可按空氣動力學要求做外形設計。
在液體冷卻迴路中的冷卻液循環率比傳統冷卻系所需要的要少，這意味著能使用一臺簡單的、小功率、低價格的泵。
一個具體應用本發明的冷卻系所需的輻射散熱器尺寸較小，它僅是處於目前技術狀態下的液體循環冷卻系所需的輻射器尺寸的1/3～1/6。所需的冷卻劑容積的減小量與輻射器容積的減小量相同。考慮到能用鋁製造輻射器和冷凝器的部件，而且管道僅需承受低壓，應用本發明可以減少重量和費用。
本發明的另一個令人滿意的特性是冷卻劑能夠以這樣的方向流動，這一流動方向與目前各系統受泵驅動的冷卻劑唯一可行的流向相反。特別值得一提的是在處於目前技術狀態下的冷卻系中，不能有效地把冷卻劑從缸套處泵出，使其經過輻射散熱器後再返回缸頭部。其原因是目前的各系統必須在冷卻劑平均溫度很接近在系統壓力下的冷卻劑飽和溫度的情況下工作。當冷卻劑從冷卻套上部經過缸筒部分流向出口時，發動機中最熱的冷卻劑通過缸筒壁。在系統使用摻入抗凝劑的水作為冷卻劑的情況下，冷卻劑從缸套處湧出，並進入到泵中，那時的冷卻劑溫度很接近它的沸點溫度。由於泵的抽吸產生的壓力降低會引起泵的抽空，使流動會急劇減弱或中斷。本發明能避免這一問題，它可以保持冷卻液的溫度遠低於它的沸點，以防止冷卻劑在泵或泵的上遊迴路中蒸發。冷卻劑的飽和溫度越高，越容易將液態冷卻劑的溫度保持在其飽和溫度之下。
液態冷卻劑所做的由缸體冷卻套出發，經過輻射散熱器，返回冷卻套上部的循環流動，具有一些重要的優點。冷卻劑不象從缸蓋-散熱器-缸體的反循環那樣，在缸體冷卻套中被預熱。來自輻射散熱器的冷液體直接進入發動機排熱量最大的冷卻套的上部，這對上部套內蒸汽的凝結最為有利，而且，與冷卻了的液體由輻射散熱器返回缸體部的反向循環相比，較熱的冷卻劑將熱量從缸蓋部帶進缸體部，結果缸套處的運行溫度提高。
下面結合圖紙，參考對實例的說明，對本發明做進一步了解。
圖1、是發動機的橫斷面示意圖，該發動機裝有具體應用本發明的冷卻系。
圖2、是另一個發明實例的示意圖。
圖1描繪了一個活塞式內燃機。它有一個用螺栓裝在缸體12底部的油槽10;缸體12內有缸筒14;活塞16在連杆18的控制下、在缸筒14內往復運動;連杆18由曲軸(未畫出)支撐;缸體冷卻套20包圍著限定氣缸14的套筒;缸蓋22被栓在缸體上;汽缸墊24夾在缸蓋與缸體之間，它將燃燒室與冷卻套中的冷卻劑通道密封隔開，也將冷卻劑通道與環境空間密封隔開;在缸蓋內形成冷卻套的上部26;在缸蓋的上面裝有氣門罩28，為了簡化起見，包門及與它有關的一些部件，以及進、排氣口均沒有示出;冷卻套上部通過汽缸墊上的幾個孔與缸體主部相連通。
通道32通過一個缸體上的開口連接於冷卻套主部的下部，它將冷卻套主部20與一個比例恆溫閥(PTV)34連接起來。當從冷卻套主部20中流出的冷卻劑的溫度相對較低時，閥34令全部冷卻劑通過連於泵38的入口的旁路36流入泵中，泵38可以用發動機驅動，也可以用電機驅動。泵38可以被移換到通道32處。當從冷卻套主部流出的冷卻劑的溫度較高時，閥34令全部冷卻劑通過通道40流向熱交換器(輻射散熱器)42。當冷卻劑的溫度處於閥的高、低溫限之間時，閥使冷卻劑向旁路36和輻射散熱器42分流。冷卻劑經過通道44離開輻射散熱器42，在泵38的驅動下，通過通道46返回冷卻套的上部26。當從冷卻套主部的下部吸出的冷卻劑的溫度高於一個預定值時，風扇48被恆溫開關52打開，風扇48由車上的電池50驅動。這樣可以加強輻射散熱器與環境空氣之間的熱交換。
液體冷卻迴路中還有一個包括控制閥54和換熱器56的支路。在需要的時候，可以用來對乘客廂加熱。
輻射散熱器42可採用任何合適的結構，例如可用一些平行排列的肋片管構成。這些管子的直徑可相對大些。由於本發明中使用的冷卻劑不腐蝕鋁，所以輻射散熱器可由鋁製成。輻射散熱器42不是用做盛氣的，它的任何部件都不必裝在比缸蓋冷卻套最高面還高的位置上。輻射散散熱器42的位置可根據設計選擇，例如，由於它尺寸小，它可很容易地被裝在車輛前保險槓的後面，它還能被水平地安裝。可以引導空氣從它那裡吹過。車輛的頭部能按空氣動力學的考慮成形並封閉，以減少阻力。輻射散熱器42也可作為給乘客廂加熱的熱交換器，安裝一個送氣控制閥，把熱空氣從交換器送至乘客廂和/或外面，車內的人能通過加熱器調整機構選擇送氣目標。
本發明中的冷卻裝置並不依靠冷卻劑的高循環率將冷卻劑蒸汽從冷卻套上部帶走。但有一些控制液體循環的排熱量的方法，這些方法能使發動機在變化的負荷和環境條件下，保持所希望的溫度水平。例如，為了調整通過輻射散熱器42的液體流率，可以用一個T型管和一個恆溫節流閥將閥門34換掉，這個節流閥可被裝在通道40或旁路36上。另一個方法是控制輻射散熱器的熱 換率，比如，可在散熱器的導氣路線上設置熱力控制阻風板;或者減小吹過輻射散熱器的空氣流，其空氣的流動依靠車輛運動來產生，但在需要時，可由熱控風扇淨化空氣流動。還有一種方法是使用熱控變速泵。應用這些成熟的技術，能很容易地做出適於本發明的、合適的液體冷卻迴路。事實上，由於輻射散熱器的尺寸小，而且它的換熱率高(因冷卻劑的溫度高，而且幾乎不含蒸汽;並且需要排出的熱量也少)，所以可以排除許多傳統冷卻系所具有的設計限制因素。
在發動機缸蓋部的較熱區域上，例如在燃燒室頂上面或排氣門周圍，一些冷卻劑將在除了暖車期的其它所有運行工況下沸騰。由於在燃燒室頂和排氣門上方位置處的冷卻液的溫度低於其飽和溫度，所以在這些熱表面上形成的大部分蒸汽將凝結在冷卻套上部的冷卻液中。未凝結在冷卻套上部的蒸汽量與產生的蒸汽量有關，並與存在於冷卻套上部的冷卻液的整體或主體溫度有關，還和蒸汽在冷卻套上部的凝結特性有關。如某冷卻劑物質是可與水相溶的，並且在冷卻液中含有少量的水，那麼大部分(但不是全部)冷卻劑蒸汽會凝結在冷卻液中，該冷卻液的溫度低於冷卻劑物質的飽和溫度、高於水的飽和溫度。可從水相溶的冷卻劑物質有吸溼性，應假定它們含有水份。
不與水相溶的冷卻劑無吸溼性，它們不從與之接觸的，含有水蒸汽的環境空氣中吸收水分。同可與水相溶的冷卻劑相比，它們更容易保持「很乾」。對於不與水相溶的冷卻劑來說，冷卻劑蒸汽通常能在冷卻套上部內充分凝結，與不相溶冷卻劑共存的水，會在其溫度稍低於水的飽和溫度的時候，提前蒸發。生成的水蒸汽與很少量的冷卻劑蒸汽相混，混合汽的成份摩爾比等於其分壓比。此混合汽不在冷卻套上部凝結，而作為蒸汽入冷凝器，在那裡部分或充分地凝結。凝結物返回冷卻套上部，並將會再次蒸發。如果允許一些混亂蒸汽離開冷卻系，那麼冷卻液中的水分將減少，同時僅排出很少量的冷卻劑物質。例如水同2，2、4-三甲基-1，3-戊二醇單丁酸酯的摩爾濃度之比，大約為450∶1。
任何未凝結在冷卻套上部的冷卻液中的蒸汽，將以對流方式升到冷卻套的最上部或其它部位，並通過與這些部位相連的一個或幾個出口60逸出。應儘可能將冷卻套設計得有利於使蒸汽向一個或幾個高區運動，以便使蒸汽能容易地通過出口60，從冷卻套上部逸出。
來自冷卻套上部的蒸汽，通過一個或幾個出口，並經過通道62，進入一個蒸汽冷凝器64。在圖1所示的實例中，冷凝器被裝在缸蓋冷卻套的上方，其方位可與任何常用發動機的相同，結果冷凝器中的凝結物可因重力作用，通過一條返回通道(未示出)或通過使蒸汽進少冷凝器的通道62返回發動機。如圖所示，凝結物返回發動機冷卻套所經的通道，也能被用於將來自液體冷卻迴路的冷卻劑送回發動機，作為一種變換，凝結物返回發動機冷卻套所經過的一條或幾條通道，也可以同將冷卻液從液體冷卻迴路泵回發動機所經的一條或幾條通道分開。
冷凝器64的設計能有相當大的變化，使用能允許蒸汽相對無阻礙地運動的金屬容器，以便促進蒸汽與壁面接觸，可獲得好的結果，與減少任何實際上的蒸汽運動障礙的願望一致，為避免蒸汽在返回冷卻套上部時及離開冷卻套時受阻，通道62的直徑應大些，比如對汽車發動機，可取為1.5英寸。冷凝器應採取能滿足以下要求的設計即應能使凝結物在重力作用下流向一個聚集點，然後從那裡流回發動機冷卻套。在車上，合意的布置是將一個具有長形容積的冷凝器縱向裝在發動機箱蓋下，並由前至後向上傾斜。冷凝器可與車身板(例如蓋板)構成一體。
不論冷卻套內蒸汽凝結多少，存在於熱冷卻劑上方的空氣容積上將含有冷卻劑上方空氣至該容積達到飽和時為止。這樣獲得的蒸汽的量是冷卻劑蒸汽壓的函數，溫度越高，蒸汽壓就越高。壁面較冷的冷凝器64不僅能使由沸騰而來的蔥汽凝結，而且還能使由較熱的冷卻液表面汽化而來的蒸汽凝結。
根據本發明，可用具有高分子量的有機化合物做冷卻劑。它的蒸汽比空氣重，所以，它的蒸汽在擴散之前，先在空氣中下沉，並超於在冷凝器的下部結集。為了有助於氣體分層，從通道62進入冷凝器的入口可置於最下面。可以在冷凝器內設置隔板，藉以控制蒸汽的運動，從而使蒸汽與冷凝器壁的接觸加強，蒸汽直接流向冷凝器口上部的運動減弱。在凝結過程中，剩餘蒸汽內的水蒸汽比例增加。成份大部分是水蒸汽的蒸汽比空氣輕，它們以對流方式流向冷凝器上部。
系統中液體的體積，隨著溫度及沸騰程度的不同而有明顯的變化。液體的膨脹及未凝蒸汽混在冷卻套中都會引起液面的升高。如圖1所示，起初充入系統的冷卻液面應在A處，以使冷卻套中始終充滿著冷卻液。當系統變熱，冷卻劑膨脹約15%時，冷卻液面升到B處。如圖1所示，B面可以在通道62上，也可以進入到冷凝器中。
如果冷凝器沒有開孔，液體視容積的增加會引起系統壓力的提高。此外，冷凝器內的空氣受熱以及未凝冷卻劑或水的蒸汽量增加，也會進一步提高壓力。基於上述各因素，相對於環境壓力測定的，壓力增高的範圍是冷凝器體積和其中氣體的平均溫度的函數。在定常海拔高度上，在典型系統內壓力增量均為70KPa。海拔高度的變化，能影響封閉系統與環境之間的壓力差。由海平面上升到3000米處時，大氣壓力再下降26KPa。
在設計系統時，不得不考慮壓力的升降，有幾種可以採用的方案。其中一種如圖1所示，一個出氣道66連於冷凝器的上部，並遠離蒸汽入口。如上所述，那裡的氣體主要是空氣和水蒸汽，大部分冷卻劑物質的蒸汽留在底部，並凝結在箱壁上。在氣體壓力未達一預定值(比如2磅/平方英寸)時，一個裝在出氣道上的兩向壓力釋放閥68將出氣道堵住，使氣體不能從冷凝器64經出氣道流出。當閥68打開時，來自冷凝器頂部的氣體流入一個回收冷凝器70。回收冷凝器是一個小容器，它被裝在可能會始終較冷的地方。因為冷凝器64很可能緊靠發動機，它通常要盛有一些較熱的冷卻液，而回收冷凝器70的凝結表面的溫度與冷凝器64的相比則要相當低，從而使回收冷凝器70能把未在冷凝器64中凝結的剩餘蒸汽凝結起來。管66的開口緊靠回收冷凝器的底部，並在那裡被容器內的凝結物所淹沒。一個小通氣管72裝於容器的頂部，並與環境大氣相通。裝它時要採取一些防氣流的措施，以免空氣流改變小通氣管處的大氣靜壓力。經通氣管傳入回收冷凝器的可凝物質將被冷凝，並被存集。
只有在發動機冷卻套中產生了大量蒸汽，而且冷凝器64的工作能力接近飽和的時候，例如當冷凝器中的熱氣體使壓力升高，並將閥68打開時，閥68才允許氣體流向回收冷凝器。一旦冷凝器中的氣體變冷，壓力便下降，而且由於氣體(大部分是空氣和水蒸汽)經出口傳出冷凝器，使冷凝器(以至冷卻系)中的壓力將能變得低於大氣壓。當閥68兩端的壓力差達到一個極限值時，閥便打開。那時，閥的壓力與存在於回收冷凝器中的通道內的凝結物壓頭之和，小於大氣與冷卻系之間的壓差。控制冷卻系壓力變化的這種設計，能夠回收全部或幾乎全部可凝物，而且它能滿足下述要求冷凝器內容納來自發動機的蒸汽的容積得以反覆地利用，並在不增加冷凝器容積的情況下，限制系統的壓力。回收冷凝器可以不大，並可在其中設置擋板，金屬絲或金屬網，以便加大表面積，提高凝結率。在它的出口處，可裝一個防塵濾清器。
設置閥68的主要原因是要減弱空氣進、出系統的「呼吸」。隨空氣的交換離開系統的冷卻劑蒸汽的多少，與冷凝器64和回收冷凝器70的凝結蒸汽的能力有關。在一些情況下，閥68可被完全去掉，而不致有不可接受的冷卻劑損失。
當水蒸汽離開系統時，從回收冷凝器70出去是有利的，在通道中可以有閥68，也可以沒有閥68。系統中水分減少，便可使用更小的冷凝器64。如果冷卻劑可與水相溶，那麼水分的減少會使得冷卻劑的飽和溫度升高，減小了冷卻液的飽和溫度和冷卻劑物質的飽和溫度的差距，並減少了在泵38處產生抽空現象的可能性。如果冷卻劑不與水相溶，水分的減少將使水蒸汽的量及循環於冷卻套上部26和冷凝器64之間的凝結物的量，均有所減少。
對閥68選擇相對高的調整壓力(一般約為70KPa〔1opsi〕)，冷卻系便可只在非正常的大負荷工況下，或在海拔高度變化大時開放，在其它情況下被有效地封閉。如果使用了揮發性強的冷卻劑，或由於某些部件失效(比如缸蓋墊漏氣)而引起了冷卻系壓力升高，那麼出口也將打開。為了使系統能在較高的壓力下工作，系統中的組件都應能承受壓力。在較高壓力下工作的結果是飽和溫度也將上升，如果壓力升高70KPa，那麼冷卻液的飽和溫度約升高20℃。
圖2顯示的裝置與圖1的相似，但沒有回收凝結器。冷凝器110的凝結容量大，以至回收冷凝器的功能可用它來執行。一個低壓雙路檢驗閥112在暖車和關車時打開，以便使空氣能進出系統。該閥的低壓水平可以為35KPa〔5psi〕，其進、出通路均在通氣管114內。在暖車期，因為液體體積明顯地增加，而且在冷凝器中的空氣被加熱，空氣被通過通氣管排出。一旦系統被加熱到正常環境條件下的正常負荷工況時，通氣管關閉。但在大負荷變化的情況下，或在海拔高度有大變化之後，通氣管不關閉。除了暖車的情況外，當通氣管打開時，大部分排出的氣體是空氣。即使在長期的運轉之後，蒸汽量的損失也是微小的，也許不多於在目前常用的溢流箱中的損失。圖2所示的設計可以不帶回收冷凝器，但冷凝器110必須比圖1所示例中的冷凝器64大。減少冷卻劑中的水分之後，兩例中的冷凝器均可縮小。若使用的冷卻劑物質不與水相溶，則相應裝置中的冷凝器可以做得更小，因為這種冷卻劑是不吸溼的。
圖2中所示的系統有如下的變動一旦發現機和冷卻系已經加熱升溫，它用一個恆溫控制閥來維持升高了的壓力，此閥還有應急減壓的功能。這種結構在暖機和停機時能提供一個基本開放的通路;而在運行工況下，使系統封閉。這裡的最大壓力比完全封閉系統的低，因為上升到最最大負荷時的總的溫度、壓力變化中減去了暖機時的溫度，壓力的增加量。
除了處理系統中的溫度，壓力變化的方法不同外，上述各例的工作情況是十分相同的。將冷卻液從缸體冷卻套連續地泵出，使它們通過一個輻射散熱器(或在暖機和冷天小負荷工況時，通過一個旁路)，然後返回發動機缸蓋冷卻套，那時的冷卻劑溫度低於它的飽和溫度。結果在燃燒室頂和排氣門附近的熱金屬表面處產生的一些蒸汽，凝結在冷卻液中。未在冷卻液中凝結的蒸汽從最高部位傳到冷凝器中，並在那裡凝結。最後，凝結物返回冷卻套。
應按下述要求設計從上部冷卻迴路 返回冷卻套的冷卻液的溫度應足夠高，使發動機能在比較高的平均溫度下運行，以便獲得上面詳細提到過的一些好處。同時，冷卻液的溫度也應足夠低，以便能使冷卻套上部的蒸汽凝結，並且能使泵上遊的液體冷卻迴路中的冷卻液溫度低得不足以引起泵的抽空。
附圖中描述了直立式發動機。當然，本發明中的冷卻系也能被用於其氣缸軸線和垂直軸或水平軸成一定角度的發動機上。在上述情況下，蒸汽會升到最高的一個或幾個區域中去，蒸汽的出口應相應地安裝。本系統也能被用於汪克爾發動機。上述的關於缸蓋冷卻套的討論適合於汪克爾發動機的燃燒和排氣部分周圍的冷卻套區域;而關於缸體冷卻套的討論也被應用於燃燒室工作容積周圍的冷卻套區域。最後要提出的是本發明既能被用於僅冷卻缸蓋的發動機，也能被用於冷卻汽缸工作容積部分壁面的的液冷發動機。
附圖中所描述的裝置中的冷凝器被裝在發動機的上面，以便能使凝結物在重力的作用下返回，這種方案是比較好的。然而，在必要的時候，也可以將冷凝器裝在最高冷卻液面之下，並用機械泵驅使凝結物返回發動機。在設計這樣的系統時，應注意在蒸汽出口通道上安裝一個容器，這個容器應高於缸蓋，以便對付液面的升高，並使蒸汽流向冷凝器的路程阻力減至最小。為使凝結物返回，用一個低轉速、小流量泵就足夠了。
在圖1所示的應用實例中，回收冷凝器70及冷凝器64裝得低，凝結物以虹吸方式返回冷凝器64。也可採取另一種方案，即將回收冷凝器裝在比冷凝器64位置高的地方，以使凝結物能在重力的作用下返回。
對於本發明中的方法和裝置而言，在發動機關車之後，蒸發和凝結的過程仍會持續進行。一些與冷卻液接觸的缸蓋內金屬的溫度將高於冷卻卻劑的飽和溫度，在金屬溫度降到冷卻劑的飽和溫度之前，冷卻劑將不停地沸騰。如果液體循環泵靠發動機驅動，或者一旦發動機關機，泵立即停止工作，那麼缸蓋冷卻套內的冷卻劑溫度將上升到它的飽和溫度。較少的蒸汽凝結於冷卻液中，進入冷凝器中的蒸汽將增加。當時發動機的溫度高於冷卻劑的飽和溫度，雖然儲存在發動機中的熱量比發動機工作時給予冷卻劑的相比不大，但在降溫期由沸騰產生的蒸汽量確是值得注意的。冷凝器應有足夠的容量，以凝結在降溫期及工作時產生的蒸汽。如果泵能夠在降溫期使冷卻液循環流動，那就能保持冷卻液的溫度低於冷卻劑的飽和溫度，在降溫期存在於冷凝器中的蒸汽也能大為減少。
權利要求
1.冷卻內燃機的方法，它由以下的幾個步驟組成為把廢熱送到熱交換器中去，用機械泵把可沸冷卻液從發動機冷卻套(20，26)中泵出，使其通過熱交換器(42)，然後返回冷卻套，從而在冷卻套之外的液體中，沒有由泵(38)的作用造成的壓力下降而引起蒸汽的生成，而且在位於燃燒室頂和排氣門周圍的附近區域之上的、缸蓋冷卻套的一些部位內的冷卻劑溫度，被保持在低於對應系統壓力下的冷卻劑飽和溫度；除了凝結在冷卻劑(這些冷卻劑存在於冷卻套內)內的氣體之外，將幾乎全部氣體，包括在燃燒室頂和排氣門附近區域由冷卻液局部沸騰而產生的蒸氣，從發動機冷卻套(20，26)，以基本無限制的對流形式，連續地傳向至少一個連接於缸蓋冷卻套最高部位的出口(60)，藉此，在缸蓋冷卻套的主要部分中，始終充滿著液態冷卻劑；將來自出口(60)的氣體導入一個冷凝器裝置，這個冷凝器裝置中有一個冷凝室(64或110)；使凝結物從冷凝器裝置返回冷卻套。
2.如權利要求
1中所述的方法，其特點是，冷卻劑至少以一種物質為其基本成分，這種物質易與水相溶，而且在任何給定的溫度下，它的蒸汽壓明顯低於水的蒸汽壓。
3.如權利要求
2中所述的方法，其特點是，冷卻物質從1，2-亞乙基二醇(ethylene glycol)、丙二醇(Propylene qlycol)、四氫糠醇(tetrahydrofurfuryl alcohol)、二亞丙基二醇(dipropylene glycol)中選出。
4.如權利要求
1中所述的方法，其特點是，冷卻劑至少以一種物質為其基本成分，這種物質基本上不與水相溶，而且在任何給定的溫度下，它的蒸汽壓明顯低於水的蒸汽壓。
5.如權利要求
4中所述的方法，其特點是，冷卻劑物質從2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單丁酸酯、二丁基異丙胺，以及2-丁基辛醇中選出。
6.如權利要求
1中所述的方法，其特點是，冷卻液從發動機冷卻套的缸筒部出發開始循環，並由冷卻套的上部返回。
7.如權利要求
1中所述的方法，其特點是，在重力的作用下，凝結物從冷凝器室(64)返回冷卻套。
8.如權利要求
1中所述的方法，其中進一步包括以下步驟存留在冷凝器室(64)的最高部位中的氣體傳向一個回收冷凝器(70)，該回收冷凝器由通氣口(72)與大氣相通;為了能使回收冷凝器內的可凝氣體凝結，該回收冷凝器被裝在比冷凝器室的位置較冷的地方;凝結物液體從回收冷凝器返回冷凝器室。
9.如權利要求
8中所述的方法，其中進一步包括以下步驟只有在冷凝器室中的壓力超過回收冷凝器的壓力，並超出一預定值時，氣體才能由冷凝器室傳向回收冷凝器，而在其它情況下，一個裝在冷凝器室和回收冷凝器之間的壓力釋放閥(68)，將阻止氣體的上述運動;只有在回收冷凝器中的壓力與任何凝結物的壓頭之和超過冷凝器室中的壓力，並超出一預定值時，凝結物和氣體才能由回收冷凝器傳向冷凝室，而在其它情況下，一個裝在冷凝器室和回收冷凝器之間的第二壓力釋放閥(68)，將阻止凝結物和氣體的上述運動。
10.如權利要求
1中所述的方法，其中進一步包括以下步驟僅當冷凝器中的壓力超過環境壓力，並超出一預定值時，存留在冷凝器室(110)的最高部位中的氣體，才通過通道(114)傳向大氣。僅當環境壓力超過冷凝器中的壓力，並超出一預定值時，環境空氣才通過通道傳進冷凝器。
11.冷卻內燃機的裝置，它由以下幾部分組成，至少能部分地圍繞每一個燃燒室和發動機排氣門的冷卻套(20，26)，其中盛有其飽和溫度在大氣壓下高於132℃的可沸冷卻液;一個液體冷卻迴路，它包括熱交換器(42)和機械泵裝置(38)，這個泵裝置使冷卻液做向熱交換器送熱的循環，它使冷卻液從冷卻套中泵出，在流經熱交換器之後，再返回冷卻套，從而在液體冷卻迴路中，沒有由泵(38)的作用造成的壓力下降而引起蒸氣的生成，而且在位於燃燒室頂和排氣門周圍的附近區域之上的缸蓋冷卻套(26)的一些部位內的冷卻劑溫度，被保持在低於系統壓力對應的冷卻劑飽和溫度;至少一個通向冷卻套(20，26)的最高部位的出口(60)，以適應氣體的連續排出，除了凝結在冷卻劑(這些冷卻劑存在於冷卻套內)內的氣體之外，幾乎全部氣體，包括在燃燒室頂和排氣門附近區域，由冷卻液局部沸騰而產生的蒸氣，從發動機冷卻套(20，26)，以基本無阻礙的對流形式，經上述出口(60)排出，藉此，在冷卻套上部的主要部分中，始終充滿著液態冷卻劑;一個包括有冷凝器室(64)的冷凝器裝置，用於接收通過出口(60)，來自冷卻套的氣體，並用於將氣體中的可凝成分凝結起來;一個返回裝置，它使凝結物從冷凝器裝置返回冷卻套。
12.按照權利要求
11中所述的裝置，其特點是，冷卻劑至少以一種物質為基本成分，這種物質易與水相溶，而且在任何給定的溫度下，它的蒸氣壓明顯低於水的蒸氣壓。13、按照權利要求
12種所述的裝置，其特點是，冷卻劑物質從1，2-亞乙基二醇、丙二醇、四氫糖醛醇、二亞丙基二醇中選出。
14.按照權利要求
11中所述的裝置，其特點是，冷卻劑至少以一種物質為其基本成分，這種物質基本上不與水相溶，而且在任何給定的溫度下，它的蒸汽壓明顯低於水的蒸汽壓。
15.按照權利要求
14中所述的裝置，其特點是，冷卻劑物質從2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單丁酸酯、二丁基異丙胺和2-丁基辛醇中選出。
16.按照權利要求
11中所述的裝置，其特點是，液體冷卻迴路適合於冷卻劑從缸體冷卻套(20)出發，冷卻液從缸蓋冷卻套(26)返回的循環。
17.按照權利要求
11中所述的裝置，其特點是，冷凝器室(64或110)被裝在高於冷卻套的出口的位置上，並且返回裝置(62)能使凝結物在重力的作用下，從冷凝器室返回冷卻套。
18.按照權利要求
11中所述的裝置，其特點是，冷凝器室的最高部位上裝有一個通道管，它遠離冷凝器的進口。
19.按照權利要求
18中所述的裝置，其特點是，在冷凝器裝置中，進一步包括以下的部分一個回收冷凝器(70);一個通道管(60)，它將冷凝器容器的通氣口與回收冷凝器連接起來，一般它在回收冷凝器的最下部開口;回收冷凝器的最上部與大氣相通，它的安裝位置會比冷凝器室的冷;藉此，當冷凝器室中的壓力超過回收冷凝器中的壓力時，存留在冷凝器室最上部中的氣體傳向回收冷凝器，其中的可凝氣體凝結，不可凝氣體被排出;只要回收冷凝器中的壓力超過冷凝器室中的壓力與在通道管中的凝結物壓頭之和，則存留在回收冷凝器中的凝結物和氣體由回收冷凝器返回冷凝器室。
20.按照權利要求
19中所述的裝置，進一步包括以下部件第一壓力釋放閥裝置(68)，它被裝在冷凝器室和回收冷凝器之間，除了在冷凝器室中的壓力超過回收冷凝器中的壓力，並超出一預定值時，第一壓力釋放閥裝置將使氣體由冷凝器室傳向回收冷凝器的通道關閉;第二壓力釋放閥裝置(68)，它被裝在冷凝器室和回收冷凝器之間，除了在回收冷凝器中的壓力超過冷凝器室中的壓力與在通道管中的凝結物壓頭之和，並超出一預定值的時候，第二壓力釋放 閥裝置將使凝結物和氣體由回收冷凝器傳向冷凝器室的通道關閉。
21.按照權利要求
18中所述的裝置，進一步包括以下部件出口壓力釋放閥裝置(112)，它被裝在通道管(114)上，除了在冷凝器室(110)中的壓力超過環境壓力，並超出一預定值的時候，出口壓力釋放閥裝置將使氣體由冷凝器(110)傳向大氣的通道關閉;入口壓力釋放閥裝置(112)，它被裝在通道管上，除了在環境壓力超過冷凝器室中的壓力，並超出一預定值的時候，入口壓力釋放閥裝置將使空氣從大氣中傳進冷凝器室的通道關閉。
專利摘要
冷卻內燃機的方法，它由以下步驟組成將在大氣壓力下飽和溫度高於132℃的可沸冷卻液，從發動機冷卻套(20，26)中機械地泵出，並使其在流經輻射散熱器(42)之後，再返回冷卻套。除了凝結在冷卻套中的氣體之外，幾乎全部的氣體，以基本無限制的對流方式，通過至少一個連於冷卻套上部(26)的最高部分的出口(60)，連續地流出。來自出口的氣體傳向冷凝器(64，110)。凝結物從冷凝器返回冷卻套(20，26)。冷卻裝置由能夠執行本方法的一個液體冷卻迴路和一個蒸汽釋放與凝結迴路構成。
文檔編號F01P3/22GK85104160SQ85104160
公開日1986年11月26日 申請日期1985年5月31日
發明者瓊·W·埃文斯 申請人:瓊·W·埃文斯導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan