小溫升低熵混燃發動機的製作方法

2023-04-26 09:34:01

專利名稱：小溫升低熵混燃發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱能與動力領域，尤其是一種發動機。
背景技術：
為提高傳統內燃機(包括活塞式內燃機和內燃式輪機)的效率，已有不少方案提出向燃燒室噴射膨脹劑。但是沒有任何方案明確向燃燒室內噴射膨脹劑的量以及噴射前燃燒室內的壓力狀態，然而向燃燒室噴射膨脹劑的量和燃燒前燃燒室內的壓力和溫度狀態是影響向內燃機燃燒室噴射膨脹劑方案中內燃機的效率的最重要的因素之一。因此，需要明確向燃燒室噴射膨脹劑的量和內燃機壓縮過程完了時氣體的狀態參數，以使向燃燒室噴射膨脹劑並發生燃燒後的工質狀態參數更加合理，以提高發動機的效率。

發明內容
熱力學第二定律具有代表性的兩種闡述方式是一、開爾文的闡述方式是「不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變為有用功而不引起其他變化。」;二、克勞修斯的闡述方式是「不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響」。卡諾在其1824年發表的 《論火的動力》論文中提出熱機必須工作在兩個熱源之間，從高溫熱源吸取熱量，又把所吸取熱量的一部分傳遞給低溫熱源，只有這樣才能獲得機械功。而且卡諾根據這一結論提出了著名的卡諾定理，即7 =,(其中，？為循環效率，TI為高溫熱源的溫度-力低溫熱源的溫度)，卡諾定理是目前熱機理論中具有指導性意義的定理。目前人們對卡諾定理的理解是將工質在高溫熱源溫度下等溫膨脹過程中從高溫熱源中吸取的熱量視為卡諾定理中的「從高溫熱源吸取熱量」的熱量；把工質向環境排出的熱量視為卡諾定理中的「把所吸取熱量的一部分傳遞給低溫熱源」的那一部分熱量。然而，在實際熱機循環中，高溫熱源都是人為製造的，而低溫熱源都是根據高溫熱源下工質的狀態(溫度和壓力)以及工質的熱力學性質，膨脹過程自行製造的。例如，在外燃機中，如果向高溫熱源溫度下的工質內注入膨脹劑並使膨脹劑在高溫熱源溫度下吸收熱量升壓或發生氣化(含臨界化過程和過熱過程) 升壓，而且使新形成的工質(所謂新形成的工質包括原來的工質和膨脹劑)的壓力參數達到這樣一種狀態即膨脹作功終了時工質的溫度低於甚至大幅度低於環境溫度。這樣一個循環過程所輸出的功一定會接近、等於或超過從高溫熱源中吸收的熱量，換句話說，其效率一定會接近、等於或超過100%，如果膨脹作功的工質的溫度低於環境溫度，就不可能向低溫熱源排熱但是可以從低溫熱源吸熱或被導出，被導出的工質可以被拋入任何溫度的其他熱源 (包括高溫熱源)。再例如在內燃機中，內燃機的高溫熱源是燃料燃燒後的工質，低溫熱源 (也可稱為冷源)是膨脹作功後的工質，而膨脹作功後的工質的狀態是由燃料燃燒後的工質的狀態所決定的。在這種情況下，如果控制燃燒過程使燃料燃燒後的工質的狀態參數達到一定的值，就可以使膨脹作功後的工質的溫度低於甚至大幅度低於環境溫度，這樣一個循環過程所輸出的功一定會接近、等於或超過從高溫熱源中吸收的熱量，換句話說，其效率一定會接近、等於或超過100%，如果膨脹作功的工質的溫度低於環境溫度，就不可能向低溫熱源排熱但是可以從低溫熱源吸熱或被導出，被導出的工質可以被拋入任何溫度的其他熱源 (包括高溫熱源)。這兩個例子從表面上看，都造成了用現有的熱力學理論和定理無法解釋的狀況。因此，目前人們對卡諾定理的理解是存在誤區的，那麼所謂的「從高溫熱源吸取熱量」的熱量究竟是指哪一部分熱量，以及所謂的「把所吸取熱量的一部分傳遞給低溫熱源」 的那一部分熱量究竟是指哪一部分熱量。本發明人認為「從高溫熱源吸取熱量」的熱量是由將工質從低溫熱源的溫度被高溫熱源加熱到高溫熱源的溫度的過程中工質從高溫熱源中吸取的熱量(含在高溫熱源溫度下工質從高溫熱源吸取的熱量)(如

圖11中的Q所示)和工質的底熱(所謂工質的底熱是指工質處於低溫熱源溫度下本身所包含的從絕對零度算起的熱量)(如圖11中的Qc所示)兩部分構成的，而所謂的「把所吸取熱量的一部分傳遞給低溫熱源」的那一部分熱量是由工質向環境排出的熱量(如圖11中的q所示)和工質的底熱(如圖11中的Qc所示)兩部分構成的。換句話說，即便是膨脹作功後的工質溫度低於環境溫度，工質不能向環境傳熱，只要將膨脹作功後的工質找到去向，如拋入環境中或拋入任何溫度的其他熱源(包括高溫熱源)中，熱機就可循環工作。不僅如此，在某些特定條件下， 可以將膨脹作功後的低溫工質拋入系統的高溫熱源中(如圖12中Qc-M-T2所示虛線方向)， 例如膨脹作功後降溫冷凝的工質可以拋入內燃機的燃燒後的高溫高壓工質中，例如膨脹作功後的低溫工質可以拋入熱電系統的鍋爐燃燒室內或鍋爐蒸氣發生器內，例如將氣動發動機中的乏氣拋入環境中(在某些氣動發動機中環境就是氣動發動機的高溫熱源)，再例如將從膨脹作功後的工質吸收熱量的液體拋入高溫熱源中。由此可以得出這樣的結論熱機可以工作在一個熱源之下，只要將膨脹作功後的工質導出，熱機就可以循環工作。被導出的膨脹作功後的工質可以被拋入比自身溫度低的熱源中，可以被拋入與自身溫度相同的熱源中，可以被拋入比自身溫度高的熱源中，可以被拋入高溫熱源中，也可以被拋入比高溫熱源溫度更高的熱源中；不僅如此，膨脹作功後的工質如果只對外傳熱傳給低溫熱源，受熱的低溫熱源仍可以被拋入高溫熱源中，例如可以將用於冷卻膨脹作功後的工質的冷卻介質拋入高溫熱源中。因此，熱機工作的必要條件並不是兩個熱源，而是至少一個熱源，至少一個殘留流出口(所謂的殘留流出口是指膨脹作功後的工質的出口和/或膨脹作功後的工質的熱量的出口)，所述殘留流出口可以與任何其他熱源連通(包括系統的高溫熱源)，在所述殘留流出口與高溫熱源連通的結構中熱機就只需要一個熱源即可循環工作，在所述殘留流出口不與高溫熱源連通的結構中熱機就需要至少有兩個熱源，當所述殘留流出口與溫度高於所述殘留流出口的熱源連通時所述殘留流出口只能是膨脹作功後的工質的出口。本發明人熱為熱機工作過程中的熱量傳遞和質量傳遞可以單一存在、共同存在或相互取代。不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響的說法是完全正確的，但是我們可以把低溫物體(例如低溫工質)拋入高溫物體(例如高溫工質)，通過質量傳遞(即把低溫物體拋入高溫物體的過程)實現「把熱量從低溫物體傳到高溫物體」的這一不可實現過程。熱機工作過程中的熱量傳遞和質量傳遞可以單一存在、共同存在或相互取代的這一結論為製造高效熱機或製造輸出的功等於燃料的熱值或製造輸出的功大於燃料的熱值的熱機指明了方向。 圖11、圖12和圖13所示分別為q>0、q=0、q〈0的三種循環示意圖。本發明人認為，熱力學第二定律可以用下述說法加以詮釋熱機工作的必要條件並不是兩個熱源，而是至少一個熱源，至少一個殘留流出口(所謂的殘留流出口是指膨脹作功後的工質的出口和/或膨脹作功後的工質的熱量的出口)，所述殘留流出口可以與任何其他熱源連通(包括系統的高溫熱源)，在所述殘留流出口與高溫熱源連通的結構中熱機就只需要一個熱源即可循環工作，在所述殘留流出口不與高溫熱源連通的結構中熱機就需要至少有兩個熱源，當所述殘留流出口與溫度高於所述殘留流出口的熱源連通時所述殘留流出口只能是膨脹作功後的工質的出口。卡諾在其1824年發表的《論火的動力》論文中提出的 「熱機必須工作在兩個熱源之間，從高溫熱源吸取熱量，又把所吸取熱量的一部分傳遞給低溫熱源，只有這樣才能獲得機械功」的論述只是本發明人對熱力學第二定律的這一說法中的一個特例。卡諾是一位偉大的科學家，但是在他的那個年代裡內燃機還沒有誕生，可能正是因為這個原因局限了卡諾的思想。不僅如此，在卡諾定理中只體現了溫度，而沒有涉及到壓力，這一點說明很有可能卡諾在構思卡諾定理的過程中是首先設定了兩個溫度不同的熱源，然後讓熱機(很可能是僅局限於外燃機)在這兩個熱源之間按照卡諾循環的方式進行工作，而這種模式恰恰與現實中的熱機相反。現實中的熱機的低溫熱源(也叫冷源)不是事先存在的，而是由高溫熱源下工質的狀態(溫度和壓力)以及工質的熱力學性質所決定的，換句話說，現實中的熱機的低溫熱源(也叫冷源)不是事先存在的，而是根據高溫熱源下工質的狀態(溫度和壓力)以及工質的熱力學性質，膨脹過程自行製造的。根據高溫熱源下工質的狀態(溫度和壓力)以及工質的熱力學性質，被膨脹過程自行製造的低溫熱源的溫度是完全可以低於環境溫度的，換句話說，所輸出的功完全可以高於從高溫熱源所吸取的熱量。由此可以得出這樣的結論在將高溫熱源的溫度設置到環保溫度限值或材料溫度限值的前提下，要儘量提高高溫熱源下工質的壓力，以使膨脹作功後工質的溫度儘可能的低，以提高發動機的效率。在現實中，熱機的效率並不是由高溫熱源的溫度和環境溫度所決定，而是由高溫熱源狀態下溫度和壓力的值所決定的，換句話說，是由高溫熱源的溫度和根據高溫熱源下工質的狀態(溫度和壓力)以及工質的熱力學性質，被膨脹過程自行製造的低溫熱源的溫度所決定的。化學能是現代熱機的能量的來源，然而本發明人認為在傳統熱機中對化學能的利用存在著相當的缺陷，導致這些缺陷的根本原因是，對化學能的一個極其重要的屬性的理解不夠深刻，即對化學能是可以近乎向任何高能狀態(高溫高壓)下的工質輸入能量的屬性的理解不夠深刻。本發明中，為了說明方便，將化學能是可以近乎向任何高能狀態(高溫高壓)下的工質輸入能量的屬性定義為化學能的超品性，如果對化學能的超品性進行充分利用，即可以使熱機的效率得到本質性的提高。現以有壓縮衝程(過程)且燃燒產物參與作功的熱機為例加以說明圖14中Sp S2和S3是壓縮力度不同的熱機工作示意圖，壓縮力度按 SpS2和S3順序依次增加，Qh是燃料的化學能，由於壓縮過程所需要的功是可以通過膨脹過程加以回收的，假設壓縮過程和膨脹過程都是可逆的，則不論壓縮力度多高，其本身並不影響熱機的效率，但是壓縮力度越高，相當於將化學能提高到了更高的品位，這些處於更高品位的化學能在作功過程中可以將其更大部分以功的形式輸出，如果狀態參數合理，被相當大的壓縮力度提高到相當高品位的化學能在膨脹作功過程中可以使工質的溫度下降到大幅度低於標準狀態的程度，進而使熱機輸出的功大於燃料的熱值；圖14中S31是在有膨脹劑存在的條件下燃料燃燒放出化學能後溫度不變的過程，在此過程中，P2= P1表示燃燒前後工質壓力不變體積增大，輸出的功W接近化學能Qh的過程，P^P1表示燃燒前後工質壓力增大，輸出的功W大於化學能Qh的過程。由此可見，要想製造出高效或超高效(超高效表示熱機輸出的功等於或大於燃料的化學能)的有壓縮衝程(過程)且燃燒產物參與作功的熱機，就必須一、大幅度增加熱機的壓縮力度使化學能在相當高的能量級別上傳遞給工質；二、 將化學能釋放後所形成的高溫高壓工質的狀態參數合理化(所謂的「將化學能釋放後所形成的高溫高壓工質的狀態參數合理化」是指通過導入膨脹劑或其他方式使燃燒後工質的壓力和溫度之間的關係能夠使工質膨脹作功後的溫度接近、等於、低於或大幅度低於標準狀態溫度，所謂的其他方式是在沒有膨脹劑的條件下大幅度提高發動機壓縮衝程的力度，使壓縮衝程完了時的壓力和溫度處於相當高的狀態後在利用化學能對工質進行加熱升溫，見圖18中的高端位置所示的狀態，這種方式雖然製造不出超高效發動機，但是可以製造出高效發動機，然而所需要的壓縮後的工質溫度和壓力相當高，將對發動機的材料提出非常苛刻的要求);三、合理選擇工質和/或膨脹劑(所謂合理選擇工質是指選擇相變熱小而且在膨脹作功到設定程度時才液化的工質，所謂合理選擇膨脹劑是指選擇相變熱小而且在膨脹作功到設定程度時才液化的膨脹劑)。對於外燃機來說，一、必須使工質在相當高的壓力和溫度下吸熱(用環境或其他低品位熱源使工質處於相當高的溫度和壓力下再利用化學能對工質加熱)；二、必須使吸熱後的工質的狀態參數合理化；三、合理選擇工質(所謂合理選擇工質是指選擇相變熱小而且在膨脹作功到設定程度時才液化的工質)。圖18是在對工質進行不同壓縮力度的前提下利用燃料燃燒對工質進行加熱升溫升壓的詳細計算數據圖，縱軸為壓力，橫軸為溫度，O-H為絕熱壓縮曲線，A1-E1, A2-E2, A3-E3^……、An-En表示不同壓縮力度下由燃料燃燒對工質加熱升溫升壓的直線，而且隨著η值的增加，壓縮力度不斷加大，由圖 18可見，燃燒升溫升壓直線的斜率隨壓縮力度的提高而逐漸變大；不難推理，由圖18中的狀態點Ep E2、E3>……、En出發絕熱膨脹作功後，隨著η值的增加，工質的溫度越低。本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機中，圖18還說明了 傳統內燃機中溫度過剩的情況是十分嚴重的，也就是說在傳統內燃機中燃燒後與壓力相比，溫度遠遠超於必要的值，也可以說，與溫度相比，壓力遠遠低於必要的值。從這一點我們不難得出這樣的結論 如果我們能夠找到能夠承受更高的溫度和更高壓力的優質材料，使外燃機的工質的壓力和
溫度按照(其中是常數，—是氣體工質壓力，P是氣體工質溫度，r為絕熱壓縮
w^lrTK
指數)的關係大幅度提高，或者如果我們能夠找到一種新型加熱方式使外燃機的工質的壓
力和溫度按照P=Cifii的關係大幅度提高，就可以製造出高效外燃機。從這個方面上講，
外燃循環是具有製造出效率高於內燃循環的潛力的一種循環方式。本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機就是利用了外燃循環和內燃循環的各自優勢，使發動機的效率實現本質性提聞。經更加深入地對傳統內燃機的工作過程的詳細分析，我們可以得出如下結論發動機氣缸內的氣體工質的最高能量狀態(即燃燒剛剛完了時的氣體工質狀態，此時氣體工質的溫度和壓力都是處於整個循環中的最高狀態)是由兩個過程組成的第一個過程是活塞對氣體進行絕熱壓縮(實際上是近似絕熱壓縮)
將氣體的溫度和壓力按照P=C{fL· (其中，Q是常數，p是氣體工質壓力，^ 是氣體工
質溫度，I為絕熱壓縮指數，空氣的絕熱壓縮指數為I. 4)的關係進行增壓增溫(見圖17中的O-A所示的曲線)；第二個過程是向氣體內噴入燃料由燃燒化學反應產生的熱量在近乎等容加熱的狀態下將氣體的溫度和壓力按照P = Ci2T (其中，q是常數)的關係進行增溫增壓(見圖17中的A-E所示的直線，圖17是縱軸為壓力坐標橫軸為溫度坐標的壓力溫度關係圖)。由這兩個過程共同作用使工質處於作功即將開始狀態，作功衝程是按照絕熱膨脹過程(實際上是近似絕熱膨脹)進行的(見圖17中的E-F所示的曲線)，在這個絕熱膨脹過程中，在
對外輸出功的同時，工質按照/ = ;!^^!(其中，^是常數)的關係降壓降溫直至作功衝程完
了(點F所示的狀態)。換句話說，達到工質最高能量狀態是通過兩個不同過程實現的，而由工質最高能量狀態達到作功衝程完了時的狀態是由一個絕熱膨脹過程實現的。由於達到能量最高狀態的過程中包括了一個燃燒化學反應放熱升溫的過程，此過程的溫度和壓力關係式為P = C2r，不難看出工質最高能量狀態下(見圖17中的點E所示的狀態)，溫度處於「過剩」狀態(所謂的「過剩」溫度是指按照絕熱膨脹的關係為了達到某一終點狀態，在起點狀態下工質的實際溫度高於理論上所需要的溫度，在本發明中所謂的某一終點狀態是指接近0點的狀態)，「過剩」的溫度導致膨脹過程的曲線處於高溫位置(在圖17中向右移動，即點F的狀態，也就是說，點F處於點0的右側)，形成作功衝程完了時，溫度仍然相當高的狀態(如圖17中曲線E-F所示的曲線上的點F所示的狀態)，由圖17中點F所示的狀態不難看出，巧(即作功衝程完了時的工質溫度，也就是低溫熱源的溫度)仍然處於較高狀態，也就是說仍然有相當的熱量在工質內而沒有變成功，這部分熱量全部白白排放至環境，因此，效率會處於較低狀態。圖15是描述燃燒後氣體工質的壓力和溫度關係符合絕熱壓縮過程溫度和壓力關係的示意圖，點A、點B、點C三點分別表示壓縮衝程完了時的狀態，點AA表示由點A開始燃燒化學反應後達到的狀態，點BB表示由點B開始燃燒化學反應後達到的狀態，點CC表示由點C開始燃燒化學反應後達到的狀態，點0是壓縮衝程的起點也是膨脹作功衝程的終點。圖16是描述燃燒後氣體工質的壓力大於由絕熱壓縮過程的壓力和溫度的關系所確定的壓力值的示意圖，點A、點B、點C三點分別表示壓縮衝程完了時的狀態；點AA表示由點A開始燃燒化學反應後達到的狀態，點AAA表示由點AA膨脹作功達到的終點；點BB表示由點B開始燃燒化學反應後達到的狀態，點BBB表示由點BB膨脹作功達到的終點；點CC表示由點C開始燃燒化學反應後達到的狀態，點CCC表示由點CC膨脹作功達到的終點。圖17是壓縮衝程完了時不同增溫增壓過程和加大壓縮衝程的力度，使被壓縮氣體的溫度達到環保溫度限值或材料溫度限值且燃燒前後溫度不變或者沒有明顯變化，而壓力大幅增加的過程示意圖(包括與傳統內燃機循環的比較曲線);A-CC、A-BB、A-AA表示不同升溫升壓過程，點D表示被壓縮氣體的溫度達到環保溫度限值或材料溫度限值的壓縮衝程完了時的狀態，D-DD表示燃燒前後溫度不變或者沒有明顯變化而壓力大幅增加的過程，點DDD、點CCC、點BBB、點AAA和點0分別表示不同過程的膨脹作功終點。如圖15、圖16和圖17所示，如果我們能夠找到一種方法使燃燒後的工質的壓力溫度狀態點處於絕熱壓縮過程的壓力溫度曲線O-H上或處於絕熱壓縮過程的壓力溫度曲線O-H左方，則膨脹作功後的工質溫度將可達到等於0點的溫度、低於0點的溫度或大幅度低於0點的溫度的狀態，這樣將使發動機的效率大幅度提高，而且可以製造出輸出的功接近燃料熱值、等於燃料熱值或大於燃料熱值的發動機。如果燃燒後的工質的壓力溫度狀態點處於絕熱壓縮過程的壓力溫度曲線O-H右側，雖然不能製造出輸出的功等於燃料熱值或大於燃料熱值的發動機，但通過使燃燒後的工質的壓力溫度狀態點儘可能靠近O-H曲線，以達到效率的提高。而要想使燃燒後的工質的壓力溫度狀態點處於曲線O-H上或處於曲線O-H左方，可行的辦法是使燃燒化學反應放出的熱量的全部或部分被所述膨脹劑吸收增加即將開始作功的氣體工質的摩爾數，形成燃燒後的工質
壓力不低於由公式P = (P0 +Pe)(Τ Τη(其中，P是燃燒後的工質壓力，是絕熱壓縮後未
燃燒未導入膨脹劑的工質壓力，C是燃燒後膨脹劑所形成的分壓，r是燃燒後的工質溫度， η是絕熱壓縮後未燃燒未導入膨脹劑的工質溫度，K為絕熱壓縮指數，空氣的絕熱壓縮指數為I. 4)所確定的壓力值，即P值，這樣就能保證燃燒後的工質的壓力溫度狀態點處於曲線O-H上或處於曲線O-H左方，這樣才能實現更高的效率和更好的環保性。本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機依據上述理論，公開了如下技術方案在壓縮衝程/過程完了時， 使燃燒化學反應放出的熱量的一定比例或全部被已導入所述燃燒室的膨脹劑吸收增加即將開始作功的氣體工質的摩爾數，例如圖17中A-CC、A-BB、A-AA所示被已導入所述燃燒室的膨脹劑所吸收的燃燒化學反應所放出的熱量的量按A-AA、A-BB、A-CC依次增加；為了進一步提高效率和環保性，本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機還公開了另外一種技術方案大幅度提高對氣體的壓縮力度，使被壓縮氣體的溫度達到環保溫度限值或材料溫度限值，並且使燃燒化學反應放出的熱量全部被已導入所述燃燒室的膨脹劑吸收增加即將開始作功的氣體工質的摩爾數，形成燃燒前後溫度不變或者沒有明顯變化，而壓力大幅增加的狀態(例如圖17中D-DD所示)。本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機中，在燃料燃燒化學反應放出的熱量的一定比例被已導入所述燃燒室的膨脹劑吸收增加即將開始作功的氣體工質的摩爾數的結構中，燃燒室內的溫度和壓力均會提高，但是壓力的提高是由兩個因素構成的第一個因素是由於工質吸收燃燒化學反應所放出熱量的一部分導致工質溫度升高(按定容升溫考慮)， 進而按直線關係導致壓力升高；第二個因素是由於膨脹劑吸收燃燒化學反應所放出熱量的一部分導致燃燒室內氣相摩爾數增加，而導致壓力增加，這種壓力增加不是由於升溫所致， 即便溫度下降、溫度恆定或溫度有所增加，在這個過程中，壓力都會明顯增加，所謂的壓力
明顯增加是指壓力增加的值不僅細P =嘆所確定的壓力值，而且大於由
所確定的壓力值。第一個因素所營造的狀態是溫度過剩狀態，第二個因素所營造的狀態是溫度負過剩狀態，科學控制被膨脹劑吸收的燃料燃燒化學反應所放出熱量的量，可以實現控制這兩種因素的影響力，進而實現燃燒後溫度升高、壓力升高，但所形成的工質的狀態點 (由溫度和壓力所決定的點)在圖17所示O-H曲線的左側或在O-H曲線上或在O-H曲線的右側但儘可能靠近O-H曲線。本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機，被導入燃燒室的膨脹劑不僅可以吸收燃料燃燒所放出的全部的熱量，而且還可以吸收一部分已經被壓縮的氣體工質的熱量，在這種情況下，即將開始作功的工質的溫度比壓縮衝程/過程終了時的工質溫度低。圖19是本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機的循環和傳統內燃機的循環的示功對比圖，圖中a-b-c-d-a所示的曲線是傳統內燃機循環的示功圖，圖中a-b-m-s_a所示的曲線是本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機在壓縮衝程完了時的壓力略大於傳統內燃機壓縮終了時的壓力時但是燃燒化學反應放出的熱量的全部或近乎全部被已導入所述燃燒室的膨脹劑吸收增加即將開始作功的氣體工質的摩爾數，形成燃燒前後溫度不變或者沒有明顯變化，而壓力大幅增加的狀態所構成的循環示功圖，圖中a-z-n-t-a所示的曲線是本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機在壓縮衝程完了時的溫度達到環保溫度限值或材料溫度限值並且使燃燒化學反應放出的熱量的全部或近乎全部被已導入所述燃燒室的膨脹劑吸收增加即將開始作功的氣體工質的摩爾數，形成燃燒前後溫度不變或者沒有明顯變化，而壓力大幅增加的狀態所構成的循環示功圖。不難看出，本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機與傳統內燃機相比，具有更高的效率和更好的環保性。本發明中，圖20是氣體工質的溫度T和壓力P的關係圖，O-A-H所示曲線是通過狀態參數為298K和O. IMPa的O點的氣體工質絕熱關係曲線；B點為氣體工質的實際狀態點，E-B-D所示曲線是通過B點的絕熱關係曲線，A點和B點的壓力相同；F-G所示曲線是通過2800K和IOMPa (即目前內燃機中即將開始作功的氣體工質的狀態點)的工質絕熱關係曲線。本發明中，所謂的類絕熱關係包括下列三種情況1.氣體工質的狀態參數(即工質的溫度和壓力)點在所述工質絕熱關係曲線上，即氣體工質的狀態參數點在圖20中 O-A-H所示曲線上；2.氣體工質的狀態參數(即工質的溫度和壓力)點在所述工質絕熱關係曲線左側，即氣體工質的狀態參數點在圖20中O-A-H所示曲線的左側；3.氣體工質的狀態參數(即工質的溫度和壓力)點在所述工質絕熱關係曲線右側，即氣體工質的狀態參數點在圖20中O-A-H所示曲線的右側，但是氣體工質的溫度不高於由此氣體工質的壓力按絕熱關係計算所得溫度加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的和或不高於加20K的和，即如圖20所示，所述氣體工質的實際狀態點為B點，A點是壓力與B點相同的絕熱關係曲線上的點，A點和B點之間的溫差應小於 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 或小於 20Κ。本發明中，所謂類絕熱關係可以是上述三種情況中的任何一種，也就是指即將開始作功的氣體工質的狀態參數(即氣體工質的溫度和壓力)點在如圖20所示的通過B點的絕熱過程曲線E-B-D的左側區域內。本發明中，所謂的即將開始作功的氣體工質是指燃燒反應和膨脹劑導入過程均完成時的氣體工質。本發明中，將即將開始作功的氣體工質的狀態參數(即氣體工質的溫度和壓力)符合類絕熱關係的發動機系統(即熱動力系統)定義為低熵發動機。本發明中，調整充入所述燃燒室內的氣體工質的狀態(即溫度、壓力和質量)，調整向所述燃燒室導入燃料的量以及向系統內導入膨脹劑的量使即將開始作功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關係。本發明中，通過對氣體工質在壓縮過程中進行冷卻或將壓縮後的氣體工質進行冷卻的方式，通過對氣體工質進行大幅度增壓的方式(如多級壓縮)，通過向所述燃燒室導入膨脹劑的方式，使即將開始作功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關係。為了製造出高效和超高效發動機，本發明提出了下述方案
一種小溫升低熵混燃發動機，包括燃燒室，膨脹劑源和燃料源，所述燃料源經燃料導入控制機構與所述燃燒室連通，所述膨脹劑源經膨脹劑導入控制機構與所述燃燒室連通，所述燃料導入控制機構和所述膨脹劑導入控制機構受燃燒控制裝置控制；所述燃燒室設為活塞式發動機燃燒室，所述活塞式發動機燃燒室的承壓能力大於等於4MPa，或所述燃燒室設為輪機燃燒室，所述輪機燃燒室的承壓能力大於等於2MPa。在所述燃燒室和所述膨脹劑源之間設膨脹劑吸熱熱交換器，使所述膨脹劑源內的膨脹劑在所述膨脹劑吸熱熱交換器中吸熱。所述膨脹劑吸熱熱交換器的熱源設為所述小溫升低熵混燃發動機的餘熱。所述膨脹劑源內的膨脹劑在所述膨脹劑吸熱熱交換器中吸熱達到臨界狀態、超臨界狀態或超超臨界狀態後再進入所述燃燒室。所述小溫升低熵混燃發動機還包括氧化劑源和氣體連通通道，所述氣體連通通道連通所述燃燒室的進氣道和排氣道，在所述排氣道上設排氣放出口，在所述排氣放出口處設排氣放出控制閥，所述氧化劑源經氧化劑導入控制機構再經所述進氣道與所述燃燒室連通或直接經所述氧化劑導入控制機構與所述燃燒室連通，所述氧化劑導入控制機構、所述燃料導入控制機構和所述膨脹劑導入控制機構受燃燒控制裝置控制。在所述氣體連通通道上設氣體吸熱低品位熱源加熱器。在所述氣體連通通道上和/或在所述進氣道上和/或在所述排氣道上設氣體放熱環境冷卻器。在所述燃燒室的排氣道處設氣液分離器，所述膨脹劑源設為所述氣液分離器的液體出口，所述氣液分離器內的液體作為所述膨脹劑使用。所述膨脹劑源內的膨脹劑設為氣體液化物。所述燃料源內的燃料設為乙醇，所述膨脹劑源內的膨脹劑設為水，所述燃料源和所述膨脹劑源設為同一個乙醇水溶液儲罐。所述燃燒室設為絕熱燃燒室。一種提高所述小溫升低熵混燃發動機效率和環保性的方法，在所述燃燒室設為所述活塞式發動機燃燒室的結構中調整發動機的壓縮比使壓縮衝程完了燃燒前的被壓縮氣體的溫度在1800K的正負200K的範圍內，在所述燃燒室設為所述輪機燃燒室的結構中調整壓氣機和動力渦輪的流量使所述輪機燃燒室內燃燒前氣體的溫度在1800K的正負200K的範圍內；調整導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源內的膨脹劑的量和導入所述燃燒室內的所述燃料源內的燃料的量，使導入所述燃燒室的所述燃料源內的燃料燃燒所產生的熱量的全部或近乎全部在所述燃燒室內被已導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源內的膨脹劑吸收；調整燃料在所述燃燒室內燃燒後所述燃燒室內的氣體溫度最高值在有害化合物NOx生成溫度以下以提高發動機的環保性。一種提高所述小溫升低熵混燃發動機效率和環保性的方法，調整導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源內的膨脹劑的量和導入所述燃燒室內的所述燃料源內的燃料的量，使導入所述燃燒室的所述燃料源內的燃料燃燒所產生的熱量的全部或近乎全部在所述燃燒室內被已導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源內的膨脹劑吸收；燃料在所述燃燒室燃燒前後所述燃燒室內的溫度基本維持不變壓力增加，以提高發動機的效率。一種提高所述小溫升低熵混燃發動機效率和環保性的方法，在所述燃燒室設為所述活塞式發動機燃燒室的結構中調整發動機的壓縮比使壓縮衝程完了燃燒前的被壓縮氣體的溫度在1000K以上，在所述燃燒室設為所述輪機燃燒室的結構中調整壓氣機和動力渦輪的體積流量比使所述輪機燃燒室內燃燒前氣體的溫度在1000K以上。一種提高所述小溫升低熵混燃發動機效率和環保性的方法，調整導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源內的膨脹劑的量和導入所述燃燒室內的所述燃料源內的燃料的量，使導入所述燃燒室的所述燃料源內的燃料燃燒所產生的熱量的5%以上在所述燃燒室內被已導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源內的膨脹劑吸收。一種提高所述小溫升低熵混燃發動機效率和環保性的方法，調整即將開始作功的氣體工質的溫度到2000K以下，調整即將開始作功的氣體工質的壓力到15MI^以上，使即將開始作功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關係。本發明中，在所述燃燒室設為所述活塞式發動機燃燒室的結構中，所述活塞式發動機燃燒室的承壓能力大於等於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^或大於等於40MPa，即調整發動機的壓縮比使壓縮衝程完了時的被壓縮氣體的壓力大於等於 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 或大於等於 40MPa ；在所述燃燒室設為所述輪機燃燒室的結構中，所述輪機燃燒室的承壓能力大於等於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 或大於等於 40MPa，BP 調整壓氣機和動力渦輪的流量使所述輪機燃燒室內的壓力大於等於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 或大於等於 40MPa。本發明中，調整導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源內的膨脹劑的量和導入所述燃燒室內的所述燃料源內的燃料的量，使導入所述燃燒室的所述燃料源內的燃料燃燒所產生的熱量的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%在所述燃燒室內被已導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源內的膨脹劑吸收。本發明中，在所述燃燒室設為所述活塞式發動機燃燒室的結構中調整發動機的壓縮比使壓縮衝程完了燃燒前的被壓縮氣體的溫度在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，在所述燃燒室設為所述輪機燃燒室的結構中調整壓氣機和動力渦輪的體積流量比使所述輪機燃燒室內燃燒前氣體的溫度在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。本發明的原理是，通過提高發動機的壓縮比，達到提高壓縮衝程或壓縮過程完了時的燃燒室內的氣體的溫度和壓力，調整進入所述燃燒室的燃料和膨脹劑的量，通過使燃料燃燒放出熱量的一定值在所述燃燒室室內被所述膨脹劑吸收形成工質摩爾數增加進而增加工質壓力而溫度變化量小或保持不變的工作循環模式代替傳統內燃機燃燒室內靠對氣體工質升溫獲得壓力增加的工作循環模式，具體說來是對活塞式發動機來說，通過提高活塞式內燃機的壓縮比使燃燒室燃燒前的氣體壓力和溫度均超過傳統活塞式內燃機的氣體壓力和溫度，控制燃料和膨脹劑進入所述燃燒室的量以及膨脹劑進入所述燃燒室時的溫度使儘可能多的燃料燃燒放出的熱量被所述膨脹劑吸收，大幅度提高燃燒室內的壓力，而溫度的變化量小或保持不變；對輪機來說，通過調整壓氣機和渦輪的體積流量比使輪機燃燒室燃燒前的氣體壓力和溫度均超過傳統輪機燃燒室的氣體壓力和溫度，控制燃料和膨脹劑進入所述燃燒室的量以及膨脹劑進入所述燃燒室時的溫度使儘可能多的燃料燃燒放出的熱量被所述膨脹劑吸收，大幅度提高燃燒室內的壓力，而溫度的變化量小或保持不變；進而大幅度提高發動機的效率和環保性。本發明中，燃料燃燒所放出的熱量的主要目的是被所述膨脹劑吸收，而不被用於加熱升溫氣體工質(特別是燃燒前的氣體工質)。本發明中，所謂的活塞式發動機燃燒室可以是四衝程活塞發動機燃燒室，也可以是二衝程活塞發動機燃燒室，轉子活塞發動機的燃燒室，還可以是吸氣壓縮衝程和作功排氣衝程由兩套機構構成的活塞發動機的燃燒室。本發明中，所謂的低溫熱源也可稱之為冷源，與有些文獻中的所謂冷源等價。
本發明中，所述膨脹劑吸熱熱交換器可以設為壓縮過程(衝程)中的被壓縮氣體的冷卻器，也就是利用膨脹劑吸收壓縮過程中被壓縮氣體的熱量，以使被壓縮氣體溫度降低。本發明中，所謂「高溫熱源下工質的狀態(溫度和壓力)」是指從高溫熱源吸熱完畢後的工質的狀態，即工質的溫度和壓力；所謂的高溫熱源下工質的狀態可能與高溫熱源的狀態一致，也可能與高溫熱源的狀態不一致。本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機中，所謂「熱量被膨脹劑吸收」是指熱量被用於加熱升溫膨脹劑、氣化膨脹劑、臨界化膨脹劑和/或過熱膨脹劑；所謂臨界化膨脹劑是指使膨脹劑處於臨界狀態、超臨界狀態、超超臨界狀態或更高的溫度壓力狀態。本發明中，所謂的「溫度變化量小或保持不變」是指燃料燃燒後熱量全部或近乎全部被所述膨脹劑吸收，燃燒室內的氣體溫度在燃燒前後變化量小或保持不變，而且近乎沒有過剩溫度(所謂過剩溫度是指按照絕熱膨脹的關係為了達到某一終點狀態，在起點狀態下工質的實際溫度高於理論上所需要的溫度)；依據這一工作模式，在本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機中，在向經壓縮衝程(過程)被壓縮的氣體工質內導入燃料和膨脹劑
並發生燃燒化學反應後，所述燃燒室內的氣體壓力接近、等於或大於由公式
權利要求
1.一種小溫升低熵混燃發動機，包括燃燒室，膨脹劑源(2)和燃料源(3)，其特徵在於 所述燃料源(3)經燃料導入控制機構(30)與所述燃燒室連通，所述膨脹劑源(2)經膨脹劑導入控制機構(20)與所述燃燒室連通，所述燃料導入控制機構(30)和所述膨脹劑導入控制機構(20)受燃燒控制裝置(3020)控制；所述燃燒室設為活塞式發動機燃燒室(101)， 所述活塞式發動機燃燒室(101)的承壓能力大於等於4MPa，或所述燃燒室設為輪機燃燒室 (102)，所述輪機燃燒室(102)的承壓能力大於等於2MPa。
2.如權利要求I所述小溫升低熵混燃發動機，其特徵在於在所述燃燒室和所述膨脹劑源(2)之間設膨脹劑吸熱熱交換器(1020)，使所述膨脹劑源(2)內的膨脹劑在所述膨脹劑吸熱熱交換器(1020)中吸熱。
3.如權利要求2所述小溫升低熵混燃發動機，其特徵在於所述膨脹劑吸熱熱交換器 (1020)的熱源設為所述小溫升低熵混燃發動機的餘熱。
4.如權利要求2所述小溫升低熵混燃發動機，其特徵在於所述膨脹劑源(2)內的膨脹劑在所述膨脹劑吸熱熱交換器(1020)中吸熱達到臨界狀態、超臨界狀態或超超臨界狀態後再進入所述燃燒室。
5.如權利要求I所述小溫升低熵混燃發動機，其特徵在於所述小溫升低熵混燃發動機還包括氧化劑源(5 )和氣體連通通道(9 )，所述氣體連通通道(9 )連通所述燃燒室的進氣道(10)和排氣道(11)，在所述排氣道(11)上設排氣放出口( 12)，在所述排氣放出口( 12) 處設排氣放出控制閥(13)，所述氧化劑源(5)經氧化劑導入控制機構(16)再經所述進氣道(10)與所述燃燒室連通或直接經所述氧化劑導入控制機構(16)與所述燃燒室連通，所述氧化劑導入控制機構(16)、所述燃料導入控制機構(30)和所述膨脹劑導入控制機構(20)受燃燒控制裝置(3020)控制。
6.如權利要求5所述小溫升低熵混燃發動機，其特徵在於在所述氣體連通通道(9)上設氣體吸熱低品位熱源加熱器(17)。
7.如權利要求5所述小溫升低熵混燃發動機，其特徵在於在所述氣體連通通道(9)上和/或在所述進氣道(10)上和/或在所述排氣道(11)上設氣體放熱環境冷卻器(18)。
8.如權利要求I所述小溫升低熵混燃發動機，其特徵在於在所述燃燒室的排氣道(11)處設氣液分離器(1100)，所述膨脹劑源(2)設為所述氣液分離器(1100)的液體出口， 所述氣液分離器(1100)內的液體作為所述膨脹劑使用。
9.如權利要求I所述小溫升低熵混燃發動機，其特徵在於所述膨脹劑源(2)內的膨脹劑設為氣體液化物。
10.如權利要求I所述小溫升低熵混燃發動機，其特徵在於所述燃料源(3)內的燃料設為乙醇，所述膨脹劑源(2)內的膨脹劑設為水，所述燃料源(3)和所述膨脹劑源(2)設為同一個乙醇水溶液儲罐。
11.如權利要求I所述小溫升低熵混燃發動機，其特徵在於所述燃燒室設為絕熱燃燒室。
12.一種提高如權利要求I至11任意之一所述小溫升低熵混燃發動機效率和環保性的方法，其特徵在於在所述燃燒室設為所述活塞式發動機燃燒室(101)的結構中調整發動機的壓縮比使壓縮衝程完了燃燒前的被壓縮氣體的溫度在1800K的正負200K的範圍內，在所述燃燒室設為所述輪機燃燒室(102)的結構中調整壓氣機(6)和動力渦輪(7)的流量使所述輪機燃燒室(102)內燃燒前氣體的溫度在1800K的正負200K的範圍內；調整導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源(2)內的膨脹劑的量和導入所述燃燒室內的所述燃料源(3)內的燃料的量，使導入所述燃燒室的所述燃料源(3)內的燃料燃燒所產生的熱量的全部或近乎全部在所述燃燒室內被已導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源(2)內的膨脹劑吸收；調整燃料在所述燃燒室內燃燒後所述燃燒室內的氣體溫度最高值在有害化合物NOx生成溫度以下以提高發動機的環保性。
13.一種提高如權利要求I至11任意之一所述小溫升低熵混燃發動機效率和環保性的方法，其特徵在於調整導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源(2)內的膨脹劑的量和導入所述燃燒室內的所述燃料源(3)內的燃料的量，使導入所述燃燒室的所述燃料源(3)內的燃料燃燒所產生的熱量的全部或近乎全部在所述燃燒室內被已導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源(2)內的膨脹劑吸收；燃料在所述燃燒室燃燒前後所述燃燒室內的溫度基本維持不變壓力增加，以提高發動機的效率。
14.一種提高如權利要求I至11任意之一所述小溫升低熵混燃發動機效率和環保性的方法，其特徵在於在所述燃燒室設為所述活塞式發動機燃燒室(101)的結構中調整發動機的壓縮比使壓縮衝程完了燃燒前的被壓縮氣體的溫度在1000K以上，在所述燃燒室設為所述輪機燃燒室(102)的結構中調整壓氣機(6)和動力渦輪(7)的體積流量比使所述輪機燃燒室(102)內燃燒前氣體的溫度在1000K以上。
15.一種提高如權利要求I至11任意之一所述小溫升低熵混燃發動機效率和環保性的方法，其特徵在於調整導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源(2)內的膨脹劑的量和導入所述燃燒室內的所述燃料源(3)內的燃料的量，使導入所述燃燒室的所述燃料源(3)內的燃料燃燒所產生的熱量的5%以上在所述燃燒室內被已導入所述燃燒室內的所述膨脹劑源(2)內的膨脹劑吸收。
16.一種提高如權利要求I至11任意之一所述小溫升低熵混燃發動機效率和環保性的方法，其特徵在於調整即將開始作功的氣體工質的溫度到2000K以下，調整即將開始作功的氣體工質的壓力到15MPa以上，使即將開始作功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關係。
全文摘要
本發明公開了一種小溫升低熵混燃發動機，包括燃燒室，膨脹劑源和燃料源，所述燃料源經燃料導入控制機構與所述燃燒室連通，所述膨脹劑源經膨脹劑導入控制機構與所述燃燒室連通，所述燃料導入控制機構和所述膨脹劑導入控制機構受燃燒控制裝置控制；所述燃燒室設為活塞式發動機燃燒室，所述活塞式發動機燃燒室的承壓能力大於等於4MPa，或所述燃燒室設為輪機燃燒室，所述輪機燃燒室的承壓能力大於等於2MPa。本發明所公開的小溫升低熵混燃發動機效率高，環保性好。
文檔編號F02G5/00GK102588149SQ20111024962
公開日2012年7月18日 申請日期2011年8月26日 優先權日2010年8月27日
發明者靳北彪 申請人:靳北彪