专利名称：低熵混燃充气爆排发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机领域，尤其是一种充气爆排发动机。
背景技术：
1769年，外燃机的诞生直接引发了人类的第一次工业革命，也造就了大不列颠这个日不落帝国。1883年汽油机的诞生和1897年柴油机的诞生，标志着人类由外燃时代进入内燃时代的开始。以汽油机和柴油机为代表的内燃机，构筑了现代文明的动力基础，承载着人类无数梦想。由此可见，无论是外燃机还是内燃机，对人类文明的进程都作出了不可估量的贡献。时至今日，一个国家的内燃和外燃发动机设计、研发及生产水平是这个国家的综合国力的基本构成，也是这个国家的工业水平的标志。所有发达国家在内燃和外燃发动机领域里的投入都是十分惊人的。所有能够代表世界水平的发动机研发制造企业也都隶属于发达国家。然而，由于外燃机的热力学循环方式和内燃机的热力学循环方式的限制，导致了在这两个循环系统中只有部分热量参与作功循环而且还导致了外燃循环系统的卩值(即高温热源的温度，也就是即将膨胀作功时工质的温度)低和内燃循环系统的τ值 (即低温热源的温度，也就是膨胀冲程/过程完了时工质的温度)高的问题，更导致了无法解决的污染问题，最终造成无论是外燃机还是内燃机都无法使发动机的热效率(输出的功和燃料热值之比)有本质上的大幅度提高，排放污染问题也无法从根本上解决。事实上目前利用这两种热力学循环方式，对化石能源以及生物质能源进行热功转换，不仅是对能源的巨大浪费，也是对环境巨大的破坏。由此可见，必须发明一种新的循环方式才能从本质上提高发动机的热效率和解决排放污染问题。
发明内容
在热动力系统内，如果燃烧室是绝热燃烧室燃料在燃烧时会将燃烧产生的热量传递给产物受热流体和相内受热流体，如果燃烧室是非绝热燃烧室燃料在燃烧时会将燃烧产生的热量传递给产物受热流体、相内受热流体以及相外受热流体。所谓产物受热流体是指燃烧化学反应的生成物(例如，燃烧碳氢化合物的热动力系统中燃烧产生的二氧化碳和水)； 所谓相内受热流体是指与燃烧化学反应处于同一相内但不参与燃烧化学反应的流体(例如，用空气作氧化剂的热动力系统中的氮气以及空气中固有的二氧化碳等)；所谓相外受热流体是指处于燃烧化学反应相以外并接受燃烧化学反应所产生的热量的流体(例如，外燃机的水蒸气系统和内燃机的冷却系统)。根据外燃循环热动力系统和内燃循环热动力系统的工作原理，不难看出，在外燃循环热动力系统中，只有相外受热流体参与作功，而产物受热流体和相内受热流体并不参与作功(见附图
观)，产物受热流体和相内受热流体虽然在燃烧过程中受热膨胀但不对外作功只是白白地受热进行熵增大的过程，所以在外燃循环系统中，有相当多的热量没有通过作功通道，即没有参与作功循环；在内燃循环系统中，只有产物受热流体和相内受热流体参与作功，而相外受热流体并不参与作功(见附图四)，例如传统内燃热动力系统(内燃机、燃气轮机等)的冷却系统(例如内燃机的缸套冷却系统)使大量的热量不对外作功，而进行熵增大过程，为此产生巨大的热能浪费。所以在内燃循环系统中，也有相当多的热量没有通过作功通道，即没有参与作功循环。总之，无论是在外燃循环热动力系统中还是在内燃循环热动力系统中都有大量的热没有参与作功就排放到环境中而白白浪费了。此外，外燃机的特殊传热方式要求必须具有很大的传热温差才能保证传热效率， 由于工质发生器(即锅炉)传热壁材料性能的限制使得工质的7I值(即高温热源的温度)较低，现代最先进的外燃工质发生器的巧值也只有600°C左右(如超超临界发电机组的锅炉中的蒸汽)，所以即便采用适当的工质使外燃循环的巧值(即低温热源的温度)降低至几十度 (即330开尔文左右)，但因无法增大巧值，所以外燃循环的热效率仍较低。在传统内燃循环
中，均含有压缩过程或压缩冲程(如燃气轮机的压气过程、传统内燃机的四冲程循环或二冲程循环)，但由于传统内燃热动力系统的工作模式的限制，压缩冲程完了时的气体压力不可能达到很高水平，否则燃烧后的温度会过高，不但会产生大量的NOx造成对环境的污染，而且由于温度过高会使材料无法承受，为此，传统热动力系统的燃烧室内的压力难以达到很高的水平(一般活塞式内燃机只有15MI^左右，而轮机只有左右)。由于内燃热动力循K4.
环过程中存在方程式1=(^4^ ,其中和分别为高温热源的开尔文温度和压力，
T2 UJ T1 P1-
和巧分别为低温热源的开尔文温度和压力，Γ为绝热压缩指数，而空气的绝热压缩指数为 1. 4，所以存在压力比等于温度比的约3. 5次方的基本近似关系，由此可见，要想使A (gp排气温度)降低，从而提高热功转换效率，就必须使燃烧后的气体工质压力大幅度上升，达到数十兆帕或更高压力。为了使燃烧室内的原工质燃烧后的气体压力达到如此高度的水平， 必须使燃烧前的工质(即原工质)压力具有相当高的水平，最好是达到压力高温度低的状态 (因为充入燃烧室的原工质的压力越高，温度越低，工质膨胀作功后的温度也会更低，效率也就越高)。而在传统的内燃热动力系统中，很难使燃烧室内燃烧前的工质(即原工质)达到这种状态，为此，乃一般都很高，达到800°C左右。所以，在传统内燃循环系统中，要想提高
效率，主要是增加T1 ,然而T1的增加，会生成大量的氮氧化物NOx，造成对环境的严重污染， 因此内燃循环的效率也不可能达到更高的水平。人们忽略了在实际热力学循环过程中高温热源状态下工质(S卩即将开始膨胀做功的工质)的状态参数与低温热源状态下工质(即膨胀做功完了时的工质)的状态参数之间的内在关联性，只是片面地认为低温热源状态下工质的温度G是环境温度，因此，T2是没
有办法加以调整的，要想提高效率只能通过提高高温热源状态下工质的温度？！，而事实上，
片面地提高 !会导致G的升高，最终影响发动机效率的提高，本发明人认为低温热源状态
下工质的温度巧的值是由高温热源状态下工质的状态参数决定的，因此，要想提高发动机
的效率必须合理选择高温热源状态下工质的状态参数，即高温热源状态下工质的压力和温度。由此可见，外燃循环系统中的T1不可能达到较高的水平，而内燃循环系统中的巾也不可能达到较低的水平。这意味着传统的外燃循环热动力系统和内燃循环热动力系统的热功转换效率都不可能达到较高的水平。如果进行更深刻的分析，我们不难看出，作功过程的真正推动力是压力而不是温度，升高温度只是产生压力的手段，如果高温热源状态下的工质压力不够高，无论系统内有多少热能都无法现实地产生应有的功(由于在现实中低温热源状态下的工质压力不可能太
低，一般要高于大气压力，无法实现无限膨胀)，根据效率
权利要求
1.一种低熵混燃充气爆排发动机，包括压气机(2)和爆排发动机(3)，其特征在于所述压气机(2)的气体入口设为低压含氧气体入口，所述压气机(2)的压缩气体出口与所述爆排发动机(3 )的燃烧室(300 )的燃烧室充气口( 301)连通，所述压气机(2 )的压缩气体出口处的承压能力大于IMPa，所述压气机(2)和所述爆排发动机(3)之间无正时关系。
2.一种低熵混燃充气爆排发动机，包括压气机(2)、爆排发动机(3)和高压氧源(116)， 其特征在于所述压气机(2 )的气体入口设为低压无氧气体入口，所述压气机(2 )的压缩气体出口与所述爆排发动机(3 )的燃烧室(300 )的燃烧室充气口( 301)连通，所述压气机(2 ) 的压缩气体出口处的承压能力大于IMPa，所述压气机(2)和所述爆排发动机(3)之间无正时关系，在所述压气机(2)的压缩气体出口处和/或在所述燃烧室(300)上和/或在所述压气机(2)的压缩气体出口和所述燃烧室(300)之间的连通通道上设高压氧化剂导入口 (110)，所述高压氧源(116)与所述高压氧化剂导入口( 110)连通。
3.一种低熵混燃充气爆排发动机，包括压气机(2)和短压程充气发动机(31)，其特征在于所述压气机(2)的气体入口设为低压含氧气体入口，所述压气机(2)的压缩气体出口与所述短压程充气发动机(31)的燃烧室(300 )的燃烧室充气口( 301)连通，所述压气机(2 ) 的压缩气体出口处的承压能力大于IMPa，所述压气机(2)和所述短压程充气发动机(31)之间无正时关系。
4.一种低熵混燃充气爆排发动机，包括压气机(2)、短压程充气发动机(31)和高压氧源(116)，其特征在于所述压气机(2)的气体入口设为低压无氧气体入口，所述压气机(2) 的压缩气体出口与所述短压程充气发动机(31)的燃烧室(300)的燃烧室充气口(301)连通，所述压气机(2)的压缩气体出口处的承压能力大于IMPa，所述压气机(2)和所述短压程充气发动机(31)之间无正时关系，在所述压气机(2)的压缩气体出口处和/或在所述燃烧室(300)上和/或在所述压气机(2)的压缩气体出口和所述燃烧室(300)之间的连通通道上设高压氧化剂导入口( 110)，所述高压氧源(116)与所述高压氧化剂导入口( 110)连通。
5.根据权利要求1或2所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述爆排发动机 (3)设为活塞式爆排发动机或叶轮式爆排发动机。
6.根据权利要求1或2所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述低熵混燃充气爆排发动机还包括通断器(32)，所述爆排发动机(3)经所述通断器(32)对所述压气机 (2)输出动力。
7.根据权利要求1或2所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于在所述压气机(2) 和所述爆排发动机(3)之间的气体流连通通道上设气体储罐(23)，所述爆排发动机(3)经第一离合器(222333)与所述压气机(2)连接，所述爆排发动机(3)经第二离合器(222444) 与车辆(9 )连接，所述压气机(2 )经第三离合器(333444 )与所述车辆(9 )连接；所述第一离合器(222333)、所述第二离合器(222444)和所述第三离合器(333444)经控制装置协调工作。
8.根据权利要求1或2所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于一个所述燃烧室 (300)与两个或两个以上作功机构连接。
9.根据权利要求1或2所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述燃烧室(300) 设为连续燃烧室(30)，所述爆排发动机(3)的作功机构设为活塞式作功机构(35)，在所述连续燃烧室(30)和所述活塞式作功机构(35)之间设控制阀(38)将所述连续燃烧室(30)内的工质按正时关系导入所述活塞式作功机构(35)。
10.根据权利要求1或2所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述压气机(2) 和所述爆排发动机(3)同时或单独设为绝热式机构。
11.根据权利要求1或3所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述低熵混燃充气爆排发动机还包括不凝气回流管(123)、二氧化碳液化器(335)和低压纯氧源(111)，所述二氧化碳液化器(335 )设在排气道(302 )上，所述低压纯氧源(111)与所述压气机(2 )连通，所述不凝气回流管(123)连通所述二氧化碳液化器(335)的不凝气出口和所述压气机 (2 )的气体入口，所述压气机(2 )、所述燃烧室(300 )和所述二氧化碳液化器(335 )构成不凝气循环流动闭合通道。
12.根据权利要求1、2、3或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述低熵混燃充气爆排发动机还包括膨胀剂源(333)，在所述压气机(2)上和/或在所述压气机(2)的压缩气体出口处和/或在所述燃烧室(300)上和/或在所述压气机(2)的压缩气体出口和所述燃烧室(300 )之间的连通通道上设膨胀剂入口( 4031)，所述膨胀剂源(333 )与所述膨胀剂入口(4031)连通。
13.根据权利要求1、2、3或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述低熵混燃充气爆排发动机还包括排热器(4444 )，所述排热器(4444 )设在所述压气机(2 )的气体入口处，和/或所述排热器(4444)设在所述压气机(2)上，和/或所述排热器(4444)设在所述压气机(2)的压缩气体出口处，和/或所述排热器(4444)设在所述压气机(2)的压缩气体出口和所述燃烧室(300)之间的连通通道上。
14.根据权利要求1、2、3或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述低熵混燃充气爆排发动机还包括混合式降温器(4)，所述压气机(2)的压缩气体出口经所述混合式降温器(4)与所述燃烧室充气口(301)连通；所述混合式降温器(4)与膨胀剂源(333) 连通。
15.根据权利要求1、2、3或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于在所述压气机(2)的压缩气体出口处和/或在所述燃烧室(300)上和/或在所述压气机(2)的压缩气体出口和所述燃烧室(300)之间的连通通道上设燃料导入口(405)，所述燃料导入口(405) 经燃料控制机构(408)与燃料源连通。
16.根据权利要求1、2、3或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于在所述压气机(2)的压缩气体出口和所述燃烧室充气口(301)之间的气体流上设气体储罐(23)。
17.根据权利要求1、2、3或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述低熵混燃充气爆排发动机还包括热摩可调燃料储罐(66)，在所述压气机(2)上和/或在所述压气机(2)的压缩气体出口处和/或在所述燃烧室(300)上和/或在所述压气机(2)的压缩气体出口和所述燃烧室(300)之间的连通通道上设热摩可调燃料导入口(67)，所述热摩可调燃料导入口(67)经控制机构(68)与所述热摩可调燃料储罐(66)连通。
18.根据权利要求1、2、3或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述压气机 (2)设为活塞式压气机(202)或叶轮式压气机(201)。
19.根据权利要求3或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述燃烧室 (300)的承压能力大于2. 5MPa。
20.根据权利要求3或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述短压程充气发动机(31)在压缩冲程中容积减小的绝对量和在膨胀作功冲程中容积增加绝对量的比值小于0. 9。
21.根据权利要求3或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述低熵混燃充气爆排发动机还包括通断器(32)，所述短压程充气发动机(31)经所述通断器(32)对所述压气机(2)输出动力。
22.根据权利要求18所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述叶轮式压气机 (201)的气体入口的进气体积流量与所述燃烧室充气口(301)的进气体积流量的比值大于 18 ；所述活塞式压气机(202)的气体入口的进气体积流量与所述燃烧室充气口(301)的进气体积流量的比值大于22。
23.根据权利要求2或4所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述低熵混燃充气爆排发动机还包括不凝气回流管(123)、二氧化碳液化器(335)和不凝气储罐(119)，所述二氧化碳液化器(335 )设在排气道(302 )上，所述压气机(2 )的低压无氧气体入口与不凝气储罐(119)连通，所述不凝气回流管(123)连通所述二氧化碳液化器(335)的不凝气出口和所述不凝气储罐(119)，所述压气机(2)、所述燃烧室(300)、所述二氧化碳液化器(335) 和所述不凝气储罐(119)构成不凝气循环流动闭合通道。
24.根据权利要求12所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述膨胀剂源(333) 中的膨胀剂设为气体液化物。
25.根据权利要求12所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于所述膨胀剂源(333) 与膨胀剂液化器(3333 )的液体出口连通，所述膨胀剂液化器(3333 )设在排气道(302 )上。
26.根据权利要求14所述低熵混燃充气爆排发动机，其特征在于，所述混合式降温器 (4)与所述膨胀剂源(333)之间设低品质热源热交换器。
27.一种提高权利要求1、2、3或4所述低熵混燃充气爆排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压力到15MPa以上，调整即将开始作功的气体工质的温度到2700K以下，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。
28.一种提高权利要求12所述低熵混燃充气爆排发动机效率和环保性的方法，其特征在于控制所述膨胀剂控制机构(3331)调整膨胀剂导入的量和/或调整导入所述燃烧室 (300)的燃料的量实现燃烧后燃烧室内的气体温度不超过所述压气机(2)的气体出口处的压缩气体的温度。
29.一种提高权利要求12所述低熵混燃充气爆排发动机效率和环保性的方法，其特征在于调整所述压气机(2)的气体入口的进气体积流量与所述燃烧室充气口(301)的进气体积流量的比值以实现所述压气机(2)的气体出口处的压缩气体的温度达到环保温度限值或材料温度限值，通过控制所述膨胀剂控制机构(3331)调整膨胀剂导入的量和/或调整导入所述燃烧室(300)的燃料的量实现燃烧后燃烧室内的温度不超过环保温度限值和材料温度限值中的所述压气机(2)的气体出口处的压缩气体的温度达到的限值。
30.一种提高权利要求1、2、3或4所述低熵混燃充气爆排发动机效率和环保性的方法， 其特征在于调整所述压气机(2)的气体入口的进气体积流量与所述燃烧室充气口(301) 的进气体积流量的比值以实现所述压气机(2)的气体出口处的压缩气体的压力达到所述压气机(2)的气体出口处承压能力的限值。
全文摘要
本发明公开了一种低熵混燃充气爆排发动机，包括压气机和爆排发动机，所述压气机的气体入口设为低压含氧气体入口，所述压气机的压缩气体出口与所述爆排发动机的燃烧室的燃烧室充气口连通，所述压气机的压缩气体出口处的承压能力大于1MPa，所述压气机和所述爆排发动机之间无正时关系。本发明所公开的低熵混燃充气爆排发动机实现了高效、低排放的目的，具有负荷响应好的特点，大大提高了发动机的环保性和节能性。
文档编号F02G5/04GK102536427SQ20111026994
公开日2012年7月4日 申请日期2011年9月13日 优先权日2010年9月13日
发明者靳北彪 申请人:靳北彪