专利名称：小温升低熵混燃发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种发动机。
背景技术：
为提高传统内燃机(包括活塞式内燃机和内燃式轮机)的效率，已有不少方案提出向燃烧室喷射膨胀剂。但是没有任何方案明确向燃烧室内喷射膨胀剂的量以及喷射前燃烧室内的压力状态，然而向燃烧室喷射膨胀剂的量和燃烧前燃烧室内的压力和温度状态是影响向内燃机燃烧室喷射膨胀剂方案中内燃机的效率的最重要的因素之一。因此，需要明确向燃烧室喷射膨胀剂的量和内燃机压缩过程完了时气体的状态参数，以使向燃烧室喷射膨胀剂并发生燃烧后的工质状态参数更加合理，以提高发动机的效率。
发明内容
热力学第二定律具有代表性的两种阐述方式是一、开尔文的阐述方式是“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化。”;二、克劳修斯的阐述方式是“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响”。卡诺在其1824年发表的 《论火的动力》论文中提出热机必须工作在两个热源之间，从高温热源吸取热量，又把所吸取热量的一部分传递给低温热源，只有这样才能获得机械功。而且卡诺根据这一结论提出了著名的卡诺定理，即7 =,(其中，？为循环效率，TI为高温热源的温度-力低温热源的温度)，卡诺定理是目前热机理论中具有指导性意义的定理。目前人们对卡诺定理的理解是将工质在高温热源温度下等温膨胀过程中从高温热源中吸取的热量视为卡诺定理中的“从高温热源吸取热量”的热量；把工质向环境排出的热量视为卡诺定理中的“把所吸取热量的一部分传递给低温热源”的那一部分热量。然而，在实际热机循环中，高温热源都是人为制造的，而低温热源都是根据高温热源下工质的状态(温度和压力)以及工质的热力学性质，膨胀过程自行制造的。例如，在外燃机中，如果向高温热源温度下的工质内注入膨胀剂并使膨胀剂在高温热源温度下吸收热量升压或发生气化(含临界化过程和过热过程) 升压，而且使新形成的工质(所谓新形成的工质包括原来的工质和膨胀剂)的压力参数达到这样一种状态即膨胀作功终了时工质的温度低于甚至大幅度低于环境温度。这样一个循环过程所输出的功一定会接近、等于或超过从高温热源中吸收的热量，换句话说，其效率一定会接近、等于或超过100%，如果膨胀作功的工质的温度低于环境温度，就不可能向低温热源排热但是可以从低温热源吸热或被导出，被导出的工质可以被抛入任何温度的其他热源 (包括高温热源)。再例如在内燃机中，内燃机的高温热源是燃料燃烧后的工质，低温热源 (也可称为冷源)是膨胀作功后的工质，而膨胀作功后的工质的状态是由燃料燃烧后的工质的状态所决定的。在这种情况下，如果控制燃烧过程使燃料燃烧后的工质的状态参数达到一定的值，就可以使膨胀作功后的工质的温度低于甚至大幅度低于环境温度，这样一个循环过程所输出的功一定会接近、等于或超过从高温热源中吸收的热量，换句话说，其效率一定会接近、等于或超过100%，如果膨胀作功的工质的温度低于环境温度，就不可能向低温热源排热但是可以从低温热源吸热或被导出，被导出的工质可以被抛入任何温度的其他热源 (包括高温热源)。这两个例子从表面上看，都造成了用现有的热力学理论和定理无法解释的状况。因此，目前人们对卡诺定理的理解是存在误区的，那么所谓的“从高温热源吸取热量”的热量究竟是指哪一部分热量，以及所谓的“把所吸取热量的一部分传递给低温热源” 的那一部分热量究竟是指哪一部分热量。本发明人认为“从高温热源吸取热量”的热量是由将工质从低温热源的温度被高温热源加热到高温热源的温度的过程中工质从高温热源中吸取的热量(含在高温热源温度下工质从高温热源吸取的热量)(如
图11中的Q所示)和工质的底热(所谓工质的底热是指工质处于低温热源温度下本身所包含的从绝对零度算起的热量)(如图11中的Qc所示)两部分构成的，而所谓的“把所吸取热量的一部分传递给低温热源”的那一部分热量是由工质向环境排出的热量(如图11中的q所示)和工质的底热(如图11中的Qc所示)两部分构成的。换句话说，即便是膨胀作功后的工质温度低于环境温度，工质不能向环境传热，只要将膨胀作功后的工质找到去向，如抛入环境中或抛入任何温度的其他热源(包括高温热源)中，热机就可循环工作。不仅如此，在某些特定条件下， 可以将膨胀作功后的低温工质抛入系统的高温热源中(如图12中Qc-M-T2所示虚线方向)， 例如膨胀作功后降温冷凝的工质可以抛入内燃机的燃烧后的高温高压工质中，例如膨胀作功后的低温工质可以抛入热电系统的锅炉燃烧室内或锅炉蒸气发生器内，例如将气动发动机中的乏气抛入环境中(在某些气动发动机中环境就是气动发动机的高温热源)，再例如将从膨胀作功后的工质吸收热量的液体抛入高温热源中。由此可以得出这样的结论热机可以工作在一个热源之下，只要将膨胀作功后的工质导出，热机就可以循环工作。被导出的膨胀作功后的工质可以被抛入比自身温度低的热源中，可以被抛入与自身温度相同的热源中，可以被抛入比自身温度高的热源中，可以被抛入高温热源中，也可以被抛入比高温热源温度更高的热源中；不仅如此，膨胀作功后的工质如果只对外传热传给低温热源，受热的低温热源仍可以被抛入高温热源中，例如可以将用于冷却膨胀作功后的工质的冷却介质抛入高温热源中。因此，热机工作的必要条件并不是两个热源，而是至少一个热源，至少一个残留流出口(所谓的残留流出口是指膨胀作功后的工质的出口和/或膨胀作功后的工质的热量的出口)，所述残留流出口可以与任何其他热源连通(包括系统的高温热源)，在所述残留流出口与高温热源连通的结构中热机就只需要一个热源即可循环工作，在所述残留流出口不与高温热源连通的结构中热机就需要至少有两个热源，当所述残留流出口与温度高于所述残留流出口的热源连通时所述残留流出口只能是膨胀作功后的工质的出口。本发明人热为热机工作过程中的热量传递和质量传递可以单一存在、共同存在或相互取代。不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响的说法是完全正确的，但是我们可以把低温物体(例如低温工质)抛入高温物体(例如高温工质)，通过质量传递(即把低温物体抛入高温物体的过程)实现“把热量从低温物体传到高温物体”的这一不可实现过程。热机工作过程中的热量传递和质量传递可以单一存在、共同存在或相互取代的这一结论为制造高效热机或制造输出的功等于燃料的热值或制造输出的功大于燃料的热值的热机指明了方向。 图11、图12和图13所示分别为q>0、q=0、q〈0的三种循环示意图。本发明人认为，热力学第二定律可以用下述说法加以诠释热机工作的必要条件并不是两个热源，而是至少一个热源，至少一个残留流出口(所谓的残留流出口是指膨胀作功后的工质的出口和/或膨胀作功后的工质的热量的出口)，所述残留流出口可以与任何其他热源连通(包括系统的高温热源)，在所述残留流出口与高温热源连通的结构中热机就只需要一个热源即可循环工作，在所述残留流出口不与高温热源连通的结构中热机就需要至少有两个热源，当所述残留流出口与温度高于所述残留流出口的热源连通时所述残留流出口只能是膨胀作功后的工质的出口。卡诺在其1824年发表的《论火的动力》论文中提出的 “热机必须工作在两个热源之间，从高温热源吸取热量，又把所吸取热量的一部分传递给低温热源，只有这样才能获得机械功”的论述只是本发明人对热力学第二定律的这一说法中的一个特例。卡诺是一位伟大的科学家，但是在他的那个年代里内燃机还没有诞生，可能正是因为这个原因局限了卡诺的思想。不仅如此，在卡诺定理中只体现了温度，而没有涉及到压力，这一点说明很有可能卡诺在构思卡诺定理的过程中是首先设定了两个温度不同的热源，然后让热机(很可能是仅局限于外燃机)在这两个热源之间按照卡诺循环的方式进行工作，而这种模式恰恰与现实中的热机相反。现实中的热机的低温热源(也叫冷源)不是事先存在的，而是由高温热源下工质的状态(温度和压力)以及工质的热力学性质所决定的，换句话说，现实中的热机的低温热源(也叫冷源)不是事先存在的，而是根据高温热源下工质的状态(温度和压力)以及工质的热力学性质，膨胀过程自行制造的。根据高温热源下工质的状态(温度和压力)以及工质的热力学性质，被膨胀过程自行制造的低温热源的温度是完全可以低于环境温度的，换句话说，所输出的功完全可以高于从高温热源所吸取的热量。由此可以得出这样的结论在将高温热源的温度设置到环保温度限值或材料温度限值的前提下，要尽量提高高温热源下工质的压力，以使膨胀作功后工质的温度尽可能的低，以提高发动机的效率。在现实中，热机的效率并不是由高温热源的温度和环境温度所决定，而是由高温热源状态下温度和压力的值所决定的，换句话说，是由高温热源的温度和根据高温热源下工质的状态(温度和压力)以及工质的热力学性质，被膨胀过程自行制造的低温热源的温度所决定的。化学能是现代热机的能量的来源，然而本发明人认为在传统热机中对化学能的利用存在着相当的缺陷，导致这些缺陷的根本原因是，对化学能的一个极其重要的属性的理解不够深刻，即对化学能是可以近乎向任何高能状态(高温高压)下的工质输入能量的属性的理解不够深刻。本发明中，为了说明方便，将化学能是可以近乎向任何高能状态(高温高压)下的工质输入能量的属性定义为化学能的超品性，如果对化学能的超品性进行充分利用，即可以使热机的效率得到本质性的提高。现以有压缩冲程(过程)且燃烧产物参与作功的热机为例加以说明图14中Sp S2和S3是压缩力度不同的热机工作示意图，压缩力度按 SpS2和S3顺序依次增加，Qh是燃料的化学能，由于压缩过程所需要的功是可以通过膨胀过程加以回收的，假设压缩过程和膨胀过程都是可逆的，则不论压缩力度多高，其本身并不影响热机的效率，但是压缩力度越高，相当于将化学能提高到了更高的品位，这些处于更高品位的化学能在作功过程中可以将其更大部分以功的形式输出，如果状态参数合理，被相当大的压缩力度提高到相当高品位的化学能在膨胀作功过程中可以使工质的温度下降到大幅度低于标准状态的程度，进而使热机输出的功大于燃料的热值；图14中S31是在有膨胀剂存在的条件下燃料燃烧放出化学能后温度不变的过程，在此过程中，P2= P1表示燃烧前后工质压力不变体积增大，输出的功W接近化学能Qh的过程，P^P1表示燃烧前后工质压力增大，输出的功W大于化学能Qh的过程。由此可见，要想制造出高效或超高效(超高效表示热机输出的功等于或大于燃料的化学能)的有压缩冲程(过程)且燃烧产物参与作功的热机，就必须一、大幅度增加热机的压缩力度使化学能在相当高的能量级别上传递给工质；二、 将化学能释放后所形成的高温高压工质的状态参数合理化(所谓的“将化学能释放后所形成的高温高压工质的状态参数合理化”是指通过导入膨胀剂或其他方式使燃烧后工质的压力和温度之间的关系能够使工质膨胀作功后的温度接近、等于、低于或大幅度低于标准状态温度，所谓的其他方式是在没有膨胀剂的条件下大幅度提高发动机压缩冲程的力度，使压缩冲程完了时的压力和温度处于相当高的状态后在利用化学能对工质进行加热升温，见图18中的高端位置所示的状态，这种方式虽然制造不出超高效发动机，但是可以制造出高效发动机，然而所需要的压缩后的工质温度和压力相当高，将对发动机的材料提出非常苛刻的要求);三、合理选择工质和/或膨胀剂(所谓合理选择工质是指选择相变热小而且在膨胀作功到设定程度时才液化的工质，所谓合理选择膨胀剂是指选择相变热小而且在膨胀作功到设定程度时才液化的膨胀剂)。对于外燃机来说，一、必须使工质在相当高的压力和温度下吸热(用环境或其他低品位热源使工质处于相当高的温度和压力下再利用化学能对工质加热)；二、必须使吸热后的工质的状态参数合理化；三、合理选择工质(所谓合理选择工质是指选择相变热小而且在膨胀作功到设定程度时才液化的工质)。图18是在对工质进行不同压缩力度的前提下利用燃料燃烧对工质进行加热升温升压的详细计算数据图，纵轴为压力，横轴为温度，O-H为绝热压缩曲线，A1-E1, A2-E2, A3-E3^……、An-En表示不同压缩力度下由燃料燃烧对工质加热升温升压的直线，而且随着η值的增加，压缩力度不断加大，由图 18可见，燃烧升温升压直线的斜率随压缩力度的提高而逐渐变大；不难推理，由图18中的状态点Ep E2、E3>……、En出发绝热膨胀作功后，随着η值的增加，工质的温度越低。本发明所公开的小温升低熵混燃发动机中，图18还说明了 传统内燃机中温度过剩的情况是十分严重的，也就是说在传统内燃机中燃烧后与压力相比，温度远远超于必要的值，也可以说，与温度相比，压力远远低于必要的值。从这一点我们不难得出这样的结论 如果我们能够找到能够承受更高的温度和更高压力的优质材料，使外燃机的工质的压力和
温度按照(其中是常数，—是气体工质压力，P是气体工质温度，r为绝热压缩
w^lrTK
指数)的关系大幅度提高，或者如果我们能够找到一种新型加热方式使外燃机的工质的压
力和温度按照P=Cifii的关系大幅度提高，就可以制造出高效外燃机。从这个方面上讲，
外燃循环是具有制造出效率高于内燃循环的潜力的一种循环方式。本发明所公开的小温升低熵混燃发动机就是利用了外燃循环和内燃循环的各自优势，使发动机的效率实现本质性提闻。经更加深入地对传统内燃机的工作过程的详细分析，我们可以得出如下结论发动机气缸内的气体工质的最高能量状态(即燃烧刚刚完了时的气体工质状态，此时气体工质的温度和压力都是处于整个循环中的最高状态)是由两个过程组成的第一个过程是活塞对气体进行绝热压缩(实际上是近似绝热压缩)
将气体的温度和压力按照P=C{fL· (其中，Q是常数，p是气体工质压力，^ 是气体工
质温度，I为绝热压缩指数，空气的绝热压缩指数为I. 4)的关系进行增压增温(见图17中的O-A所示的曲线)；第二个过程是向气体内喷入燃料由燃烧化学反应产生的热量在近乎等容加热的状态下将气体的温度和压力按照P = Ci2T (其中，q是常数)的关系进行增温增压(见图17中的A-E所示的直线，图17是纵轴为压力坐标横轴为温度坐标的压力温度关系图)。由这两个过程共同作用使工质处于作功即将开始状态，作功冲程是按照绝热膨胀过程(实际上是近似绝热膨胀)进行的(见图17中的E-F所示的曲线)，在这个绝热膨胀过程中，在
对外输出功的同时，工质按照/ = ;!^^!(其中，^是常数)的关系降压降温直至作功冲程完
了(点F所示的状态)。换句话说，达到工质最高能量状态是通过两个不同过程实现的，而由工质最高能量状态达到作功冲程完了时的状态是由一个绝热膨胀过程实现的。由于达到能量最高状态的过程中包括了一个燃烧化学反应放热升温的过程，此过程的温度和压力关系式为P = C2r，不难看出工质最高能量状态下(见图17中的点E所示的状态)，温度处于“过剩”状态(所谓的“过剩”温度是指按照绝热膨胀的关系为了达到某一终点状态，在起点状态下工质的实际温度高于理论上所需要的温度，在本发明中所谓的某一终点状态是指接近0点的状态)，“过剩”的温度导致膨胀过程的曲线处于高温位置(在图17中向右移动，即点F的状态，也就是说，点F处于点0的右侧)，形成作功冲程完了时，温度仍然相当高的状态(如图17中曲线E-F所示的曲线上的点F所示的状态)，由图17中点F所示的状态不难看出，巧(即作功冲程完了时的工质温度，也就是低温热源的温度)仍然处于较高状态，也就是说仍然有相当的热量在工质内而没有变成功，这部分热量全部白白排放至环境，因此，效率会处于较低状态。图15是描述燃烧后气体工质的压力和温度关系符合绝热压缩过程温度和压力关系的示意图，点A、点B、点C三点分别表示压缩冲程完了时的状态，点AA表示由点A开始燃烧化学反应后达到的状态，点BB表示由点B开始燃烧化学反应后达到的状态，点CC表示由点C开始燃烧化学反应后达到的状态，点0是压缩冲程的起点也是膨胀作功冲程的终点。图16是描述燃烧后气体工质的压力大于由绝热压缩过程的压力和温度的关系所确定的压力值的示意图，点A、点B、点C三点分别表示压缩冲程完了时的状态；点AA表示由点A开始燃烧化学反应后达到的状态，点AAA表示由点AA膨胀作功达到的终点；点BB表示由点B开始燃烧化学反应后达到的状态，点BBB表示由点BB膨胀作功达到的终点；点CC表示由点C开始燃烧化学反应后达到的状态，点CCC表示由点CC膨胀作功达到的终点。图17是压缩冲程完了时不同增温增压过程和加大压缩冲程的力度，使被压缩气体的温度达到环保温度限值或材料温度限值且燃烧前后温度不变或者没有明显变化，而压力大幅增加的过程示意图(包括与传统内燃机循环的比较曲线);A-CC、A-BB、A-AA表示不同升温升压过程，点D表示被压缩气体的温度达到环保温度限值或材料温度限值的压缩冲程完了时的状态，D-DD表示燃烧前后温度不变或者没有明显变化而压力大幅增加的过程，点DDD、点CCC、点BBB、点AAA和点0分别表示不同过程的膨胀作功终点。如图15、图16和图17所示，如果我们能够找到一种方法使燃烧后的工质的压力温度状态点处于绝热压缩过程的压力温度曲线O-H上或处于绝热压缩过程的压力温度曲线O-H左方，则膨胀作功后的工质温度将可达到等于0点的温度、低于0点的温度或大幅度低于0点的温度的状态，这样将使发动机的效率大幅度提高，而且可以制造出输出的功接近燃料热值、等于燃料热值或大于燃料热值的发动机。如果燃烧后的工质的压力温度状态点处于绝热压缩过程的压力温度曲线O-H右侧，虽然不能制造出输出的功等于燃料热值或大于燃料热值的发动机，但通过使燃烧后的工质的压力温度状态点尽可能靠近O-H曲线，以达到效率的提高。而要想使燃烧后的工质的压力温度状态点处于曲线O-H上或处于曲线O-H左方，可行的办法是使燃烧化学反应放出的热量的全部或部分被所述膨胀剂吸收增加即将开始作功的气体工质的摩尔数，形成燃烧后的工质
压力不低于由公式P = (P0 +Pe)(Τ Τη(其中，P是燃烧后的工质压力，是绝热压缩后未
燃烧未导入膨胀剂的工质压力，C是燃烧后膨胀剂所形成的分压，r是燃烧后的工质温度， η是绝热压缩后未燃烧未导入膨胀剂的工质温度，K为绝热压缩指数，空气的绝热压缩指数为I. 4)所确定的压力值，即P值，这样就能保证燃烧后的工质的压力温度状态点处于曲线O-H上或处于曲线O-H左方，这样才能实现更高的效率和更好的环保性。本发明所公开的小温升低熵混燃发动机依据上述理论，公开了如下技术方案在压缩冲程/过程完了时， 使燃烧化学反应放出的热量的一定比例或全部被已导入所述燃烧室的膨胀剂吸收增加即将开始作功的气体工质的摩尔数，例如图17中A-CC、A-BB、A-AA所示被已导入所述燃烧室的膨胀剂所吸收的燃烧化学反应所放出的热量的量按A-AA、A-BB、A-CC依次增加；为了进一步提高效率和环保性，本发明所公开的小温升低熵混燃发动机还公开了另外一种技术方案大幅度提高对气体的压缩力度，使被压缩气体的温度达到环保温度限值或材料温度限值，并且使燃烧化学反应放出的热量全部被已导入所述燃烧室的膨胀剂吸收增加即将开始作功的气体工质的摩尔数，形成燃烧前后温度不变或者没有明显变化，而压力大幅增加的状态(例如图17中D-DD所示)。本发明所公开的小温升低熵混燃发动机中，在燃料燃烧化学反应放出的热量的一定比例被已导入所述燃烧室的膨胀剂吸收增加即将开始作功的气体工质的摩尔数的结构中，燃烧室内的温度和压力均会提高，但是压力的提高是由两个因素构成的第一个因素是由于工质吸收燃烧化学反应所放出热量的一部分导致工质温度升高(按定容升温考虑)， 进而按直线关系导致压力升高；第二个因素是由于膨胀剂吸收燃烧化学反应所放出热量的一部分导致燃烧室内气相摩尔数增加，而导致压力增加，这种压力增加不是由于升温所致， 即便温度下降、温度恒定或温度有所增加，在这个过程中，压力都会明显增加，所谓的压力
明显增加是指压力增加的值不仅細P =叹所确定的压力值，而且大于由
所确定的压力值。第一个因素所营造的状态是温度过剩状态，第二个因素所营造的状态是温度负过剩状态，科学控制被膨胀剂吸收的燃料燃烧化学反应所放出热量的量，可以实现控制这两种因素的影响力，进而实现燃烧后温度升高、压力升高，但所形成的工质的状态点 (由温度和压力所决定的点)在图17所示O-H曲线的左侧或在O-H曲线上或在O-H曲线的右侧但尽可能靠近O-H曲线。本发明所公开的小温升低熵混燃发动机，被导入燃烧室的膨胀剂不仅可以吸收燃料燃烧所放出的全部的热量，而且还可以吸收一部分已经被压缩的气体工质的热量，在这种情况下，即将开始作功的工质的温度比压缩冲程/过程终了时的工质温度低。图19是本发明所公开的小温升低熵混燃发动机的循环和传统内燃机的循环的示功对比图，图中a-b-c-d-a所示的曲线是传统内燃机循环的示功图，图中a-b-m-s_a所示的曲线是本发明所公开的小温升低熵混燃发动机在压缩冲程完了时的压力略大于传统内燃机压缩终了时的压力时但是燃烧化学反应放出的热量的全部或近乎全部被已导入所述燃烧室的膨胀剂吸收增加即将开始作功的气体工质的摩尔数，形成燃烧前后温度不变或者没有明显变化，而压力大幅增加的状态所构成的循环示功图，图中a-z-n-t-a所示的曲线是本发明所公开的小温升低熵混燃发动机在压缩冲程完了时的温度达到环保温度限值或材料温度限值并且使燃烧化学反应放出的热量的全部或近乎全部被已导入所述燃烧室的膨胀剂吸收增加即将开始作功的气体工质的摩尔数，形成燃烧前后温度不变或者没有明显变化，而压力大幅增加的状态所构成的循环示功图。不难看出，本发明所公开的小温升低熵混燃发动机与传统内燃机相比，具有更高的效率和更好的环保性。本发明中，图20是气体工质的温度T和压力P的关系图，O-A-H所示曲线是通过状态参数为298K和O. IMPa的O点的气体工质绝热关系曲线；B点为气体工质的实际状态点，E-B-D所示曲线是通过B点的绝热关系曲线，A点和B点的压力相同；F-G所示曲线是通过2800K和IOMPa (即目前内燃机中即将开始作功的气体工质的状态点)的工质绝热关系曲线。本发明中，所谓的类绝热关系包括下列三种情况1.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线上，即气体工质的状态参数点在图20中 O-A-H所示曲线上；2.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线左侧，即气体工质的状态参数点在图20中O-A-H所示曲线的左侧；3.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线右侧，即气体工质的状态参数点在图20中O-A-H所示曲线的右侧，但是气体工质的温度不高于由此气体工质的压力按绝热关系计算所得温度加1000K的和、加950K的和、加900K的和、加850K的和、加800K的和、加750K的和、加700K的和、加650K的和、加600K的和、加550K的和、加500K的和、加 450K的和、加400K的和、加350K的和、加300K的和、加250K的和、加200K的和、加190K 的和、加180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、 加120K的和、加IlOK的和、加100K的和、加90K的和、加80K的和、加70K的和、加60K的和、加50K的和、加40K的和、加30K的和或不高于加20K的和，即如图20所示，所述气体工质的实际状态点为B点，A点是压力与B点相同的绝热关系曲线上的点，A点和B点之间的温差应小于 1000K、900K、850K、800K、750K、700K、650K、600K、550K、500K、450K、400K、350K、 300Κ、250Κ、200Κ、190Κ、180Κ、170Κ、160Κ、150Κ、140Κ、130Κ、120Κ、110Κ、100K、90K、80K、70K、 60Κ、50Κ、40Κ、30Κ 或小于 20Κ。本发明中，所谓类绝热关系可以是上述三种情况中的任何一种，也就是指即将开始作功的气体工质的状态参数(即气体工质的温度和压力)点在如图20所示的通过B点的绝热过程曲线E-B-D的左侧区域内。本发明中，所谓的即将开始作功的气体工质是指燃烧反应和膨胀剂导入过程均完成时的气体工质。本发明中，将即将开始作功的气体工质的状态参数(即气体工质的温度和压力)符合类绝热关系的发动机系统(即热动力系统)定义为低熵发动机。本发明中，调整充入所述燃烧室内的气体工质的状态(即温度、压力和质量)，调整向所述燃烧室导入燃料的量以及向系统内导入膨胀剂的量使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。本发明中，通过对气体工质在压缩过程中进行冷却或将压缩后的气体工质进行冷却的方式，通过对气体工质进行大幅度增压的方式(如多级压缩)，通过向所述燃烧室导入膨胀剂的方式，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。为了制造出高效和超高效发动机，本发明提出了下述方案
一种小温升低熵混燃发动机，包括燃烧室，膨胀剂源和燃料源，所述燃料源经燃料导入控制机构与所述燃烧室连通，所述膨胀剂源经膨胀剂导入控制机构与所述燃烧室连通，所述燃料导入控制机构和所述膨胀剂导入控制机构受燃烧控制装置控制；所述燃烧室设为活塞式发动机燃烧室，所述活塞式发动机燃烧室的承压能力大于等于4MPa，或所述燃烧室设为轮机燃烧室，所述轮机燃烧室的承压能力大于等于2MPa。在所述燃烧室和所述膨胀剂源之间设膨胀剂吸热热交换器，使所述膨胀剂源内的膨胀剂在所述膨胀剂吸热热交换器中吸热。所述膨胀剂吸热热交换器的热源设为所述小温升低熵混燃发动机的余热。所述膨胀剂源内的膨胀剂在所述膨胀剂吸热热交换器中吸热达到临界状态、超临界状态或超超临界状态后再进入所述燃烧室。所述小温升低熵混燃发动机还包括氧化剂源和气体连通通道，所述气体连通通道连通所述燃烧室的进气道和排气道，在所述排气道上设排气放出口，在所述排气放出口处设排气放出控制阀，所述氧化剂源经氧化剂导入控制机构再经所述进气道与所述燃烧室连通或直接经所述氧化剂导入控制机构与所述燃烧室连通，所述氧化剂导入控制机构、所述燃料导入控制机构和所述膨胀剂导入控制机构受燃烧控制装置控制。在所述气体连通通道上设气体吸热低品位热源加热器。在所述气体连通通道上和/或在所述进气道上和/或在所述排气道上设气体放热环境冷却器。在所述燃烧室的排气道处设气液分离器，所述膨胀剂源设为所述气液分离器的液体出口，所述气液分离器内的液体作为所述膨胀剂使用。所述膨胀剂源内的膨胀剂设为气体液化物。所述燃料源内的燃料设为乙醇，所述膨胀剂源内的膨胀剂设为水，所述燃料源和所述膨胀剂源设为同一个乙醇水溶液储罐。所述燃烧室设为绝热燃烧室。一种提高所述小温升低熵混燃发动机效率和环保性的方法，在所述燃烧室设为所述活塞式发动机燃烧室的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了燃烧前的被压缩气体的温度在1800K的正负200K的范围内，在所述燃烧室设为所述轮机燃烧室的结构中调整压气机和动力涡轮的流量使所述轮机燃烧室内燃烧前气体的温度在1800K的正负200K的范围内；调整导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源内的膨胀剂的量和导入所述燃烧室内的所述燃料源内的燃料的量，使导入所述燃烧室的所述燃料源内的燃料燃烧所产生的热量的全部或近乎全部在所述燃烧室内被已导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源内的膨胀剂吸收；调整燃料在所述燃烧室内燃烧后所述燃烧室内的气体温度最高值在有害化合物NOx生成温度以下以提高发动机的环保性。一种提高所述小温升低熵混燃发动机效率和环保性的方法，调整导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源内的膨胀剂的量和导入所述燃烧室内的所述燃料源内的燃料的量，使导入所述燃烧室的所述燃料源内的燃料燃烧所产生的热量的全部或近乎全部在所述燃烧室内被已导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源内的膨胀剂吸收；燃料在所述燃烧室燃烧前后所述燃烧室内的温度基本维持不变压力增加，以提高发动机的效率。一种提高所述小温升低熵混燃发动机效率和环保性的方法，在所述燃烧室设为所述活塞式发动机燃烧室的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了燃烧前的被压缩气体的温度在1000K以上，在所述燃烧室设为所述轮机燃烧室的结构中调整压气机和动力涡轮的体积流量比使所述轮机燃烧室内燃烧前气体的温度在1000K以上。一种提高所述小温升低熵混燃发动机效率和环保性的方法，调整导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源内的膨胀剂的量和导入所述燃烧室内的所述燃料源内的燃料的量，使导入所述燃烧室的所述燃料源内的燃料燃烧所产生的热量的5%以上在所述燃烧室内被已导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源内的膨胀剂吸收。一种提高所述小温升低熵混燃发动机效率和环保性的方法，调整即将开始作功的气体工质的温度到2000K以下，调整即将开始作功的气体工质的压力到15MI^以上，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。本发明中，在所述燃烧室设为所述活塞式发动机燃烧室的结构中，所述活塞式发动机燃烧室的承压能力大于等于4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、lOMPa、10. 5MPa、1IMPa、11. 5Pa、12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa、15MPa、15. 5MPa、16MPa、16. 5MPa、17MPa、17. 5MPa、18MPa、18. 5MPa、19MPa、19. 5MPa、20MPa、22MPa、24MPa、26MPa、28MPa、30MPa、32MPa、34MPa、36MPa、38MI^或大于等于40MPa，即调整发动机的压缩比使压缩冲程完了时的被压缩气体的压力大于等于 4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、10MPa、10. 5MPa,lIMPaU 1. 5Pa、12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa、15MPa、15. 5MPa、16MPa、16. 5MPa、17MPa、17. 5MPa、18MPa、18. 5MPa、19MPa、19. 5MPa、20MPa、22MPa、24MPaJ6MPaJ8MPa、30MPa、32MPa、34MPa、36MPa、38MPa 或大于等于 40MPa ；在所述燃烧室设为所述轮机燃烧室的结构中，所述轮机燃烧室的承压能力大于等于2MPa、2. 5MPa、3MPa、3. 5MPa、4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、10MPa、10. 5MPa、llMPa、11. 5Pa、12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa、15MPa、15. 5MPa、16MPa、16. 5MPa、17MPa、17. 5MPa、18MPa、18. 5MPa、19MPa、19. 5MPa、20MPa、22MPa、24MPaJ6MPaJ8MPa、30MPa、32MPa、34MPa、36MPa、38MPa 或大于等于 40MPa，BP 调整压气机和动力涡轮的流量使所述轮机燃烧室内的压力大于等于2MPa、2. 5MPa、3MPa、3. 5MPa、4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9. 5MPa、10MPa、10. 5MPa,lIMPaU 1. 5Pa、12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa、15MPa、15. 5MPa、16MPa、16. 5MPa、17MPa、17. 5MPa、18MPa、18. 5MPa、19MPa、19. 5MPa、20MPa、22MPa、24MPa、26MPa、28MPa、30MPa、32MPa、34MPa、36MPa、38MPa 或大于等于 40MPa。本发明中，调整导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源内的膨胀剂的量和导入所述燃烧室内的所述燃料源内的燃料的量，使导入所述燃烧室的所述燃料源内的燃料燃烧所产生的热量的6%以上、7%以上、8%以上、9%以上、10%以上、11%以上、1 以上、13%以上、14%以上、15%以上、16%以上、17%以上、18%以上、19%以上、20%以上、21%以上、22%以上、23%以上、24%以上、25%以上、30%以上、35%以上、40%以上、45%以上、50%以上、55%以上、60%以上、65%以上、70%以上、75%以上、80%以上、85%以上、90%以上、95%以上、或100%在所述燃烧室内被已导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源内的膨胀剂吸收。本发明中，在所述燃烧室设为所述活塞式发动机燃烧室的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了燃烧前的被压缩气体的温度在1000K以上、1300K以上、1500K以上、1800K以上、2000K以上、2300K以上、2500K以上、2800K以上、3000K以上、3200K以上或3500K以上，在所述燃烧室设为所述轮机燃烧室的结构中调整压气机和动力涡轮的体积流量比使所述轮机燃烧室内燃烧前气体的温度在1000K以上、1300K以上、1500K以上、1800K以上、2000K以上、2300K以上、2500K以上、2800K以上、3000K以上、3200K以上或!3500K以上。本发明的原理是，通过提高发动机的压缩比，达到提高压缩冲程或压缩过程完了时的燃烧室内的气体的温度和压力，调整进入所述燃烧室的燃料和膨胀剂的量，通过使燃料燃烧放出热量的一定值在所述燃烧室室内被所述膨胀剂吸收形成工质摩尔数增加进而增加工质压力而温度变化量小或保持不变的工作循环模式代替传统内燃机燃烧室内靠对气体工质升温获得压力增加的工作循环模式，具体说来是对活塞式发动机来说，通过提高活塞式内燃机的压缩比使燃烧室燃烧前的气体压力和温度均超过传统活塞式内燃机的气体压力和温度，控制燃料和膨胀剂进入所述燃烧室的量以及膨胀剂进入所述燃烧室时的温度使尽可能多的燃料燃烧放出的热量被所述膨胀剂吸收，大幅度提高燃烧室内的压力，而温度的变化量小或保持不变；对轮机来说，通过调整压气机和涡轮的体积流量比使轮机燃烧室燃烧前的气体压力和温度均超过传统轮机燃烧室的气体压力和温度，控制燃料和膨胀剂进入所述燃烧室的量以及膨胀剂进入所述燃烧室时的温度使尽可能多的燃料燃烧放出的热量被所述膨胀剂吸收，大幅度提高燃烧室内的压力，而温度的变化量小或保持不变；进而大幅度提高发动机的效率和环保性。本发明中，燃料燃烧所放出的热量的主要目的是被所述膨胀剂吸收，而不被用于加热升温气体工质(特别是燃烧前的气体工质)。本发明中，所谓的活塞式发动机燃烧室可以是四冲程活塞发动机燃烧室，也可以是二冲程活塞发动机燃烧室，转子活塞发动机的燃烧室，还可以是吸气压缩冲程和作功排气冲程由两套机构构成的活塞发动机的燃烧室。本发明中，所谓的低温热源也可称之为冷源，与有些文献中的所谓冷源等价。
本发明中，所述膨胀剂吸热热交换器可以设为压缩过程(冲程)中的被压缩气体的冷却器，也就是利用膨胀剂吸收压缩过程中被压缩气体的热量，以使被压缩气体温度降低。本发明中，所谓“高温热源下工质的状态(温度和压力)”是指从高温热源吸热完毕后的工质的状态，即工质的温度和压力；所谓的高温热源下工质的状态可能与高温热源的状态一致，也可能与高温热源的状态不一致。本发明所公开的小温升低熵混燃发动机中，所谓“热量被膨胀剂吸收”是指热量被用于加热升温膨胀剂、气化膨胀剂、临界化膨胀剂和/或过热膨胀剂；所谓临界化膨胀剂是指使膨胀剂处于临界状态、超临界状态、超超临界状态或更高的温度压力状态。本发明中，所谓的“温度变化量小或保持不变”是指燃料燃烧后热量全部或近乎全部被所述膨胀剂吸收，燃烧室内的气体温度在燃烧前后变化量小或保持不变，而且近乎没有过剩温度(所谓过剩温度是指按照绝热膨胀的关系为了达到某一终点状态，在起点状态下工质的实际温度高于理论上所需要的温度)；依据这一工作模式，在本发明所公开的小温升低熵混燃发动机中，在向经压缩冲程(过程)被压缩的气体工质内导入燃料和膨胀剂
并发生燃烧化学反应后，所述燃烧室内的气体压力接近、等于或大于由公式
权利要求
1.一种小温升低熵混燃发动机，包括燃烧室，膨胀剂源(2)和燃料源(3)，其特征在于 所述燃料源(3)经燃料导入控制机构(30)与所述燃烧室连通，所述膨胀剂源(2)经膨胀剂导入控制机构(20)与所述燃烧室连通，所述燃料导入控制机构(30)和所述膨胀剂导入控制机构(20)受燃烧控制装置(3020)控制；所述燃烧室设为活塞式发动机燃烧室(101)， 所述活塞式发动机燃烧室(101)的承压能力大于等于4MPa，或所述燃烧室设为轮机燃烧室 (102)，所述轮机燃烧室(102)的承压能力大于等于2MPa。
2.如权利要求I所述小温升低熵混燃发动机，其特征在于在所述燃烧室和所述膨胀剂源(2)之间设膨胀剂吸热热交换器(1020)，使所述膨胀剂源(2)内的膨胀剂在所述膨胀剂吸热热交换器(1020)中吸热。
3.如权利要求2所述小温升低熵混燃发动机，其特征在于所述膨胀剂吸热热交换器 (1020)的热源设为所述小温升低熵混燃发动机的余热。
4.如权利要求2所述小温升低熵混燃发动机，其特征在于所述膨胀剂源(2)内的膨胀剂在所述膨胀剂吸热热交换器(1020)中吸热达到临界状态、超临界状态或超超临界状态后再进入所述燃烧室。
5.如权利要求I所述小温升低熵混燃发动机，其特征在于所述小温升低熵混燃发动机还包括氧化剂源(5 )和气体连通通道(9 )，所述气体连通通道(9 )连通所述燃烧室的进气道(10)和排气道(11)，在所述排气道(11)上设排气放出口( 12)，在所述排气放出口( 12) 处设排气放出控制阀(13)，所述氧化剂源(5)经氧化剂导入控制机构(16)再经所述进气道(10)与所述燃烧室连通或直接经所述氧化剂导入控制机构(16)与所述燃烧室连通，所述氧化剂导入控制机构(16)、所述燃料导入控制机构(30)和所述膨胀剂导入控制机构(20)受燃烧控制装置(3020)控制。
6.如权利要求5所述小温升低熵混燃发动机，其特征在于在所述气体连通通道(9)上设气体吸热低品位热源加热器(17)。
7.如权利要求5所述小温升低熵混燃发动机，其特征在于在所述气体连通通道(9)上和/或在所述进气道(10)上和/或在所述排气道(11)上设气体放热环境冷却器(18)。
8.如权利要求I所述小温升低熵混燃发动机，其特征在于在所述燃烧室的排气道(11)处设气液分离器(1100)，所述膨胀剂源(2)设为所述气液分离器(1100)的液体出口， 所述气液分离器(1100)内的液体作为所述膨胀剂使用。
9.如权利要求I所述小温升低熵混燃发动机，其特征在于所述膨胀剂源(2)内的膨胀剂设为气体液化物。
10.如权利要求I所述小温升低熵混燃发动机，其特征在于所述燃料源(3)内的燃料设为乙醇，所述膨胀剂源(2)内的膨胀剂设为水，所述燃料源(3)和所述膨胀剂源(2)设为同一个乙醇水溶液储罐。
11.如权利要求I所述小温升低熵混燃发动机，其特征在于所述燃烧室设为绝热燃烧室。
12.一种提高如权利要求I至11任意之一所述小温升低熵混燃发动机效率和环保性的方法，其特征在于在所述燃烧室设为所述活塞式发动机燃烧室(101)的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了燃烧前的被压缩气体的温度在1800K的正负200K的范围内，在所述燃烧室设为所述轮机燃烧室(102)的结构中调整压气机(6)和动力涡轮(7)的流量使所述轮机燃烧室(102)内燃烧前气体的温度在1800K的正负200K的范围内；调整导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源(2)内的膨胀剂的量和导入所述燃烧室内的所述燃料源(3)内的燃料的量，使导入所述燃烧室的所述燃料源(3)内的燃料燃烧所产生的热量的全部或近乎全部在所述燃烧室内被已导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源(2)内的膨胀剂吸收；调整燃料在所述燃烧室内燃烧后所述燃烧室内的气体温度最高值在有害化合物NOx生成温度以下以提高发动机的环保性。
13.一种提高如权利要求I至11任意之一所述小温升低熵混燃发动机效率和环保性的方法，其特征在于调整导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源(2)内的膨胀剂的量和导入所述燃烧室内的所述燃料源(3)内的燃料的量，使导入所述燃烧室的所述燃料源(3)内的燃料燃烧所产生的热量的全部或近乎全部在所述燃烧室内被已导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源(2)内的膨胀剂吸收；燃料在所述燃烧室燃烧前后所述燃烧室内的温度基本维持不变压力增加，以提高发动机的效率。
14.一种提高如权利要求I至11任意之一所述小温升低熵混燃发动机效率和环保性的方法，其特征在于在所述燃烧室设为所述活塞式发动机燃烧室(101)的结构中调整发动机的压缩比使压缩冲程完了燃烧前的被压缩气体的温度在1000K以上，在所述燃烧室设为所述轮机燃烧室(102)的结构中调整压气机(6)和动力涡轮(7)的体积流量比使所述轮机燃烧室(102)内燃烧前气体的温度在1000K以上。
15.一种提高如权利要求I至11任意之一所述小温升低熵混燃发动机效率和环保性的方法，其特征在于调整导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源(2)内的膨胀剂的量和导入所述燃烧室内的所述燃料源(3)内的燃料的量，使导入所述燃烧室的所述燃料源(3)内的燃料燃烧所产生的热量的5%以上在所述燃烧室内被已导入所述燃烧室内的所述膨胀剂源(2)内的膨胀剂吸收。
16.一种提高如权利要求I至11任意之一所述小温升低熵混燃发动机效率和环保性的方法，其特征在于调整即将开始作功的气体工质的温度到2000K以下，调整即将开始作功的气体工质的压力到15MPa以上，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。
全文摘要
本发明公开了一种小温升低熵混燃发动机，包括燃烧室，膨胀剂源和燃料源，所述燃料源经燃料导入控制机构与所述燃烧室连通，所述膨胀剂源经膨胀剂导入控制机构与所述燃烧室连通，所述燃料导入控制机构和所述膨胀剂导入控制机构受燃烧控制装置控制；所述燃烧室设为活塞式发动机燃烧室，所述活塞式发动机燃烧室的承压能力大于等于4MPa，或所述燃烧室设为轮机燃烧室，所述轮机燃烧室的承压能力大于等于2MPa。本发明所公开的小温升低熵混燃发动机效率高，环保性好。
文档编号F02G5/00GK102588149SQ20111024962
公开日2012年7月18日 申请日期2011年8月26日 优先权日2010年8月27日
发明者靳北彪 申请人:靳北彪