一種原動機的半閉式正時定容熱力循環方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種原動機的半閉式正時定容熱力循環方法及系統，其循環包括多級壓縮級間冷卻、逆流換熱、正時定容燃燒、絕熱膨脹、后冷卻和二氧化碳和水脫除6個過程，是一種熱功轉化的熱力循環。多級壓縮級間冷卻過程減少壓縮耗功；逆流換熱過程回收膨脹后工質的焓，參與熱力循環；正時定容燃燒過程，有效抑制HC、CO、PM和NOx等有害污染物的產生；絕熱膨脹過程，實現充分膨脹做功；后冷卻過程將工質進一步冷卻至環境溫度，提高絕熱膨脹過程的膨脹比；二氧化碳和水脫除過程將正時定容燃燒過程產生的二氧化碳和水脫除，余下工質繼續參與下一次熱力循環。本發明為今后設計高效、低污染物排放和高性能的原動機提供了方向。
【專利說明】一種原動機的半閉式正時定容熱力循環方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種原動機，特別是一種原動機的半閉式正時定容熱力循環方法及系統。
【背景技術】
[0002]提高內燃機效率和降低排放對節約資源和保護環境均具有重要的積極作用。通過改進的循環過程和燃燒組織方式，可提升原動機效率和減少有害污染物的排放。目前內燃機應用的熱力循環主要有狄塞爾循環(Ρ-ν圖如圖1所示)、奧托循環(P-V圖如圖2所示)、阿特金森循環(P-V圖如圖3所示)、米勒循環、布雷頓循環等，其中狄塞爾循環、奧托循環、阿特金森循環、米勒循環主要應在傳統往復式活塞內燃機上，而布雷頓循環主要應用在燃氣輪機上。
[0003]奧托循環:等容加熱是其優點，但壓縮比小、絕熱壓縮、等容放熱是其缺點，P-V示功圖如I所示。其理論熱效率計算公式為:[0004]nt=l- ε 1^k
[0005]狄塞爾循環:壓縮比大是其優點，但絕熱壓縮、等壓加熱、等容放熱是其缺點，P-V示功圖如2所示。其理論熱效率計算公式為:
[0006]Iit=1-ε 卜k(p k-l) [k(P-1)-1
[0007]布雷頓循環:等壓放熱是其優點，但其加熱過程是等壓過程，其缺點是壓縮比較低、等容度低和排溫高。P-V示功圖如3所示。其理論熱效率計算公式為:
[0008]nt=l- ε 1^k
[0009]式中，ε為壓縮比；P為加熱膨脹比；k為比熱比。
[0010]為了提高內燃機的熱效率，傳統往復式活塞內燃機對廢氣的能量進行再利用，一般是采用廢氣渦輪增壓方式，如增壓柴油機、增壓汽油機等。然而，采用廢氣渦輪增壓方式獲得能量并未直接應用到熱力系統循環做功中，而是用來提高進氣壓力，增加進氣密度，以減少泵氣損失和提高單位容積的功率密度來提高熱效率。其次，盡管廢氣渦輪增壓器結構緊湊，但廢氣能量回收采用葉片式渦輪機和葉輪式壓縮機，其效率較低，轉速高，噪聲大。再次，廢氣通過渦輪機之后仍具有一定的能量，即溫度和壓力沒有得到充分的利用。最后，傳統往復式活塞內燃機由于燃燒局部溫度較高(局部最高溫度可達2800K)、油氣混合不均勻、主燃燒過程短(≤30°C A)、活塞環漏氣、活塞環狹隙和體積淬熄等原因，致使其Ν0χ、ΡΜ (微粒，柴油機上)、HC和CO (汽油機上)排放高。盡管目前科學界提出在往復式活塞內燃機上采用HCCI (均質壓燃點火)方式可大大減少NOx和PM，但是不管在柴油機上還是汽油機上其實現的工況范圍非常有限，應用性難以得到推廣。
[0011]燃氣輪機是一種以連續流動的氣體作為工質、把熱能轉換為機械能的旋轉式動力機械。在空氣和燃氣的主要流程中，只有壓縮機、定容燃燒室和燃氣透平這三大部件組成的燃氣輪機循環，通稱為簡單循環。大多數燃氣輪機均采用簡單循環方案。因為它的結構簡單，而且能體現出燃氣輪機所特有的體積小、重量輕、起動快、基本不用冷卻水等一系列優點。但是，簡單循環的燃氣輪機排溫高(900°C左右)，致使其熱效率不高。雖然在簡單循環的基礎上增加了一些過程，包括壓縮之間的冷卻過程和排氣換熱等過程，但是，其增壓比較低，采用定壓燃燒，等容度低，致使其熱效率低。其次，通過燃氣透平的廢氣仍具有一定的能量，即溫度和壓力沒有得到充分的利用。再次，燃氣輪機在負荷變化的情況下，熱效率低。
[0012]目前外燃機應用的熱動力循環主要有斯特林循環、朗肯循環、卡諾循環等。斯特林循環需要經過一段時間才能響應氣缸的熱量變化，其熱量損失較大，熱效率低。蒸汽輪機作為一種外燃機，是一種高熱效率的熱力系統，其工作原理是擷取(將水加熱后形成的)水蒸汽之動能轉換為渦輪轉動的動能的機械，是朗肯循環的典型應用熱機。世界上大約80%的電是利用渦輪蒸汽機所產生，其特別適用于火力發電和核能發電。為了提高熱機的效率，應該盡可能地提高熱機中的加熱溫度和降低排熱溫度。但是蒸汽輪機和燃氣輪機的熱力循環都不能很好滿足上述要求，則提出了燃氣一蒸汽輪機聯合循環。為了進一步提高能源的綜合利用效率，又提出多級熱電并供熱力系統。但該類熱力系統龐大，結構復雜，不宜直接應用在運載工具上。
[0013]轉子發動機直接將可燃氣的燃燒膨脹力轉化為驅動扭矩。轉子發動機取消了往復式發動機的直線運動，不需使用曲柄滑塊機構和氣門正時機構，轉子每旋轉一圈就做功一次，與一般的四沖程發動機每旋轉兩圈才做功一次相比，具有升功率高的優點，變工況適應性好。在相同功率下轉子發動機尺寸較小，結構緊湊，體積小，重量較輕，而且振動和噪聲較低，充氣效率高，高速性能好，具有較大優勢。但其也有致命的弱點，端面密封面大，工作環境惡劣，密封、潤滑、冷卻困難，密封件磨損快，泄露損失大，活塞熱應力大，可靠性差，壽命低。
[0014]現已公開的相關專利中，中國專利CN102032049A和歐洲專利EP2578942A2公開了一種涉及碳封存和發動機的方法和系統，其主要應用于碳封存，但沒有采用多級適度等溫壓縮、穩壓調壓和逆流換熱過程，特別是該系統和方法沒有采用正時定容燃燒和特定工質閉式循環。此外，該系統沒應用氧化劑供給裝置，系統做功需要從外界吸入新鮮空氣，而且難以改變定容燃燒室內混合氣的氧濃度，同時做功后還要將二氧化碳之外的氮氣等氣體排至環境中，因此該系統沒有充分利用排氣中的焓，也不能應用在水中等缺氧環境當中工作。
[0015]中國專利CN102374026A公布了一種封閉循環式布雷頓循環系統及方法，其包含3個子系統，分別是開式熱能產生系統、熱功轉換回路系統和冷卻回路系統，熱工轉換系統通過一個熱交換器將熱量傳遞給熱工轉化系統。實現整個該系統需要較大空間，更重要的是該系統采用蒸汽動力做功而非燃氣動力做功，屬于外燃式熱機，而且熱能產生子系統未對工質循環利用，而是直接排至大氣中。
[0016]中國專利CN102454481A公布了一種二氧化碳收集系統的聯合循環動力裝置，其主要包含二氧化碳收集裝置、熱回收蒸汽發生器和燃燒廢氣再循環裝置，該系統不適合在水下和缺氧環境中工作，更重要的是該系統未包含供氧、正時定容燃燒和特定工質閉式循環。
[0017]中國專利CN1138135A公開了一種等溫壓縮、近似定容燃燒、絕熱完全膨脹和等壓放熱循環，但是該專利也沒有采用正時定容燃燒和特定工質閉式循環。
[0018]美國專利PCT/US00/03711公布了一種渦輪動力實現方法和裝置，其主要包含動力渦輪、燃燒廢氣換熱利用和燃料與水加熱轉化反應裝置，其中部分燃燒廢氣再循環利用，但不是特定工質始終循環，而且未進行脫碳、等溫壓縮和供氧的過程和正時定容燃燒，還有，該系統也不適合在水下和缺氧環境中工作。
[0019]為了提高內燃機的熱效率，應該盡可能提高燃料燃燒效率、熱功轉換效率，降低壓縮過程的消耗功，增大膨脹過程膨脹功，降低排氣溫度，同時減少排放污染物。盡管大部分專利都對多級壓縮中間冷卻和廢氣能量回收進行了闡述，但其加熱或燃燒過程不能實現真正的定容燃燒，熱功轉換效率不高，難以做到充分膨脹做功，沒有實現特定工質閉式循環，也無法實現超長時間清潔燃燒。因此設計一種熱效率高、排放污染小、工作柔和、排氣噪音小、外界吸入和排出工質少的熱力循環及系統，對實現內燃機的節能減排有十分重要有意義，對開發在水下作業或缺氧環境下的動力機械來說也具有重要意義。
【發明內容】
[0020]為了解決常用內燃機熱力循環存在的不足，使熱動力機械實現清潔高效定容燃燒，提高熱效率，以及解決不便于在水下工作等問題，本發明提供了一種原動機的半閉式正時定容熱力循環方法及系統，其循環過程包括六個過程固有過程，分別是進行多級壓縮級間冷卻過程、逆流換熱過程、正時定容燃燒過程、絕熱膨脹過程、后冷卻過程和二氧化碳與水脫除過程，一些實施例中還包括輔助過程，如穩壓調壓過程和氧化劑和燃料混合過程。
[0021]本發明的具體技術方案是:一種原動機的半閉式正時定容熱力循環方法，其中，熱力循環方法以轉子發動機的轉子自轉角度360°或二沖程往復發動機的輸出軸旋轉角度360°或四沖程往復發動機的輸出軸旋轉角度720°為一個循環周期，其采用兩類工質，第一類工質是參與熱力循環全部過程的工質，在定容燃燒室內燃燒后通過膨脹機做功，做功完成后返回到一級壓縮機入口，繼續參與下一次熱力循環；第二類工質是正時定容燃燒過程前加入的氧化劑和燃料而產生的，并參與正時定容燃燒過程、絕熱膨脹過程、逆流換熱過程、后冷卻過程的，最后在二氧化碳與水脫除過程中脫除的工質，該工質不再參與下一次熱力循環:
[0022]步驟1、進行多級壓縮級間冷卻過程:該過程中，對第一類工質進行多級壓縮，并通過級間冷卻以減少壓縮耗功，對第一類工質壓縮終了壓力進行穩壓調壓；
[0023]步驟2、進行逆流換熱過程:該過程中，穩壓調壓后的第一類工質在進入定容燃燒室前回收上一次熱力循環膨脹做功后的第一類工質和第二類工質的焓，直接收益熱量后參與本次熱力循環，以提高定容燃燒室中本次熱力循環的第一類工質和第二類工質的初始溫度；
[0024]步驟3、進行正時定容燃燒過程:該過程中，第一類工質經過逆流換熱過程后進入定容燃燒室，氧化劑供給裝置和燃料供給裝置將氧化劑和燃料通過混合噴射器噴入定容燃燒室并開始正時定容燃燒，定容燃燒室容積不變；
[0025]步驟4、進行絕熱膨脹過程:該過程獨立于多級壓縮級間冷卻過程和正時定容燃燒過程，定容燃燒室排出的工質經充分膨脹對外輸出功，絕熱膨脹過程的膨脹比大于壓縮過程的增壓比；
[0026]步驟5、進行后冷卻過程:該過程中，膨脹做功后的第一類工質和第二類工質經過逆流換熱裝置后進入后冷卻器，進一步冷卻至環境溫度；
[0027]步驟6、進行二氧化碳和水脫除過程:該過程中，將正時定容燃燒過程產生的二氧化碳和水脫除，余下的工質繼續參與下一次熱力循環。
[0028]此外，本發明還提供了一種原動機的半閉式正時定容熱力循環系統，其特征在于:
[0029]包括多級壓縮級間冷卻裝置、穩壓調壓裝置、逆流換熱裝置、氧化劑供給裝置、燃料供給裝置、混合噴射器，正時定容燃燒器、膨脹機、后冷卻器、二氧化碳與水脫除裝置，其中，多級壓縮級間冷卻裝置對工質實現壓縮及中冷，穩壓調壓裝置經連接管路Pltl與多級壓縮級間冷卻裝置的末級壓縮機相連，逆流換熱裝置經連接管路P11與穩壓調壓裝置相連，正時定容燃燒器經連接管路P12與逆流換熱裝置相連；
[0030]其中，氧化劑供給裝置和燃料供給裝置將氧化劑和燃料通過混合噴射器噴入正時定容燃燒器混合并燃燒，生成第二類工質中的二氧化碳和水；正時定容燃燒器經連接管路P1與膨脹機相連；在膨脹機中做功后經連接管路P2與逆流換熱裝置相連。
[0031]其中，第一類工質經多級壓縮級間冷卻裝置后進入穩壓調壓裝置，從穩壓調壓裝置流出的第一類工質進入逆流換熱裝置吸熱后進入正時定容燃燒器，氧化劑供給裝置和燃料供給裝置提供的氧化劑和燃料經混合噴射器噴入正時定容燃燒器邊混合邊燃燒產生第二類工質，與第一類工質一并進入膨脹機膨脹做功，并通過傳動軸對外輸出功，做功后經連接管路P2進入逆流換熱裝置中放熱，之后從逆流換熱裝置流出的工質進入后冷卻器得到冷卻，之后經過二氧化碳與水脫除裝置，第二類工質被脫除，第一類工質開始下一次熱力循環。
[0032]本發明的有益效果是:
[0033]I)由熱力循環效率表達式，可得到:本發明循環熱效率主要取決于最高燃燒溫度和外部環境溫度。在其它條件不變的情況下，最高燃燒溫度越高，即熱源溫度越高，循環熱效率越高；在其它條件不變的情況下，外部環境溫度越低，即冷源溫度越低，循環熱效率越高，此規律與卡諾定律類似，比較接近卡諾循環熱效率(熱機極限熱效率)。
[0034]2)多級壓縮級間冷卻過程每一級增壓比在2.0?3.0之間，可以使壓縮裝置在高效率區運行，級間冷卻過程降低進入壓縮過程的新鮮工質溫度，使壓縮過程接近等溫壓縮，減少壓縮裝置的壓縮耗功。
[0035]3)逆流換熱過程是回收了膨脹做功后的工質焓，直接收益熱量后參與熱力循環做功，提高定容燃燒室中工質的初始溫度，增大了循環的熱功轉化率。
[0036]4)采用獨立供氧，壓縮裝置只需壓縮第一類工質，減少了壓縮機的工質流量，而不需壓縮定壓燃燒過程中的氧化劑，燃燒過程的氧化劑是由一套獨立氧化劑供給裝置提供，因此減小了整個循環的壓縮功，增大系統輸出功，不需要從外部環境中吸入新鮮空氣。
[0037]5)本發明熱力循環中第一類工質中不參與燃燒的工質可應用惰性氣體，可控制工質中不含氮氣，燃燒溫度較常規熱力系統燃燒溫度高，只要控制不超出定容燃燒室所能承受的極限溫度，可將碳煙和HC燒盡，而又不會產生NOx，是一種清潔高效率的燃燒方式，而且該類工質比熱比聞，可提聞整個系統的熱效率。
[0038]6)本發明熱力循環中采用后冷卻過程，將從逆流換熱過程流出的熱源工質(來自膨脹做功后的工質)進一步冷卻，有助于脫除燃燒過程產生的二氧化碳和水、降低排氣背壓和增大膨脹比，以及減少壓縮過程消耗功。
[0039]7)該熱力系統是半閉式的，不需要向環境直接排出燃燒廢氣，與其他開式循環系統相比本發明減少了燃燒廢氣中所帶走的熱量，回收了燃燒廢氣中所擁有的推動功，以及回收了在壓縮過程和燃燒過程中的漏氣量，避免了泄露損失，從而保證了整個系統的熱效率高。
[0040]8)本發明熱力系統燃燒過程壓力波動小，工作柔和；做功后第一類工質占比大，能循環利用，第二類工質被脫除，不直接排氣，無排氣噪音。
[0041 ] 9 )初級壓縮機入口壓力提高，升功率同比例提升。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0042]圖1是奧托循環P-V圖；
[0043]圖2是狄塞爾循環P-V圖；
[0044]圖3是布雷頓循環P-V圖；
[0045]圖4為本發明實施例的熱力循環示意圖；
[0046]圖5為本發明實施例的系統主要部件結構示意圖；
[0047]圖6為本發明實施例的系統主要管路部件示意圖；
[0048]圖7為本發明實施例的系統氧化劑供給裝置的結構示意圖；
[0049]圖8為本發明轉子式壓縮機示意圖；
[0050]圖9為本發明正時定容燃燒系統示意圖；
[0051]圖10為本發明正時定容燃燒器示意圖；
[0052]圖中，1-正時定容燃燒器、111-燃燒室格柵、112-進氣道、113-排氣道、114-燃燒室瓦塊式絕熱內壁、14-燃料噴射器、141-噴射器噴孔、2-膨脹機、3-逆流換熱裝置、4-后冷卻器、5- 二氧化碳和水脫除裝置、6- —級壓縮機、61- —級壓縮進氣口、62_ —級壓縮排氣口、63- 二級壓縮進氣口、64_ 二級壓縮排氣口、65_三級壓縮進氣口、66_三級壓縮排氣口、67-壓縮機內腔轉子、68-壓縮機旋轉驅動軸、69-壓縮機聯動裝置、7-—級中冷器、8- 二級壓縮機、9- 二級中冷器、10-三級壓縮機、11-穩壓調壓裝置、12-氧化劑供給裝置、1201-儲氧罐、1202-減壓閥、1203-流量控制閥、1204-單向閥、1205-壓力表、1206-連接管、1207-管路、13-燃料供給裝置、14-混合噴射器、15-正時裝置、151-燃燒室控制閥門
1、152-燃燒室控制閥門I1、153-控制閥門II1、154-正時驅動裝置、16-傳動軸、17-連接管路P1US-連接管路P2、19-連接管路P3、20-連接管路P4、21-連接管路P5、22_連接管路P6、23-連接管路P7、24-連接管路P8、25-連接管路P9、26-連接管路Ρ1(ι、27-連接管路P11、28-連接管路Ρ12、29-火花塞、30-等溫壓縮過程裝置、31-充分膨脹過程裝置。
【具體實施方式】
[0053]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，下面結合【具體實施方式】并參照附圖，對本發明進一部詳細說明。應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要的混淆本發明的概念。
[0054]本發明提供了一種原動機的半閉式正時定容熱力循環方法，其中，熱力循環方法以轉子發動機的轉子自轉角度360°或二沖程往復發動機的輸出軸旋轉角度360°或四沖程往復發動機的輸出軸旋轉角度720°為一個循環周期，其采用兩類工質，第一類工質是參與熱力循環全部過程的工質，在定容燃燒室內燃燒后通過膨脹機做功，做功完成后返回到一級壓縮機入口，繼續參與下一次熱力循環；第二類工質是正時定容燃燒過程前加入的氧化劑和燃料而產生的，并參與正時定容燃燒過程、絕熱膨脹過程、逆流換熱過程、后冷卻過程的，最后在二氧化碳與水脫除過程中脫除的工質，該工質不再參與下一次熱力循環:
[0055]步驟1、進行多級壓縮級間冷卻過程:該過程中，對第一類工質進行多級壓縮，并通過級間冷卻以減少壓縮耗功，對第一類工質壓縮終了壓力進行穩壓調壓；
[0056]該步驟中，多級壓縮級間冷卻過程是為了實現接近等溫壓縮，通過級間冷卻以減少下一次壓縮耗功，還有，流經壓縮機的工質不含氧化劑，進一步降低壓縮耗功；壓縮最終壓力影響定容燃燒室內燃燒初始狀態壓力，負責壓縮的裝置與定容燃燒器獨立開來，不是同一套裝置。
[0057]完成多級壓縮級間冷卻過程之后進行穩壓調壓過程，將壓縮過程產生的壓力波消除，維持穩定的壓力，保證進入定容燃燒室的進氣量可按照工況的變化進行調整。
[0058]步驟2、進行逆流換熱過程:該過程中，穩壓調壓后的第一類工質在進入定容燃燒室前回收上一次熱力循環膨脹做功后的第一類工質和第二類工質的焓，直接收益熱量后參與本次熱力循環，以提高定容燃燒室中本次熱力循環的第一類工質和第二類工質的初始溫度；
[0059]該步驟中，溫度較低的完成多級壓縮級間冷卻過程和穩壓調壓過程后的第一類工質吸熱焓增，溫度較高的完成絕熱膨脹過程后的第一類工質和第二類工質放熱焓降，余熱回收利用，提高熱能利用率。
[0060]步驟3、進行正時定容燃燒過程:該過程中，第一類工質經過逆流換熱過程后進入定容燃燒室，氧化劑供給裝置和燃料供給裝置將氧化劑和燃料通過混合噴射器噴入定容燃燒室并開始正時定容燃燒，定容燃燒室容積不變；
[0061]該步驟中，本發明所述熱力系統在正時定容燃燒過程實行正時定容燃燒，正時定容燃燒器是基于正時定容的特殊形式燃燒發生裝置。熱力循環中壓縮過程、膨脹過程與燃燒過程分別在獨立的裝置內完成，并通過正時裝置15相互關聯，工質在定容燃燒室中可以實現超長時間定容燃燒，等到燃料充分燃盡，再將高溫高壓工質排出定容燃燒室進入膨脹機2。由于氧化劑和燃料都是獨立供應，同時定容燃燒室內加格柵進行多點著火。當采用氮氣作為第一類工質的主要成分時，氧化劑與第一類循環工質先混合均勻，成為均質混合氣，在燃燒過程中實現均質低溫稀薄燃燒，燃燒溫度控制在1900-2100K之間，有效抑制HC、C0、PM和NOx等有害污染物的生成。當采用氬等惰性氣體作為第一類工質的主要成分時,氧化劑與第一類循環工質先不混合，而是與燃料在燃燒室內直接混合，進行邊混合邊燃燒，在燃燒過程中實現高溫燃燒，控制燃燒溫度不超過定容燃燒室所能承受的極限溫度，有效抑制PM、HC和CO的生成，無NOx生成。因此該系統可達到清潔高效燃燒的目的。
[0062]步驟4、進行絕熱膨脹過程:該過程不僅獨立于多級壓縮級間冷卻過程和正時定容燃燒過程，而且絕熱膨脹過程的膨脹比大于壓縮過程的增壓比，可以達到充分膨脹做功的目的；
[0063]步驟5、進行后冷卻過程:該過程中，膨脹做功后的第一類工質和第二類工質經過逆流換熱裝置后進入后冷卻器，進一步冷卻至環境溫度；
[0064]步驟6、進行二氧化碳和水脫除過程:該過程中，將正時定容燃燒過程產生的二氧化碳和水脫除即第二類工質脫除，余下的第一類工質繼續參與下一次熱力循環，對新鮮工質需求量少，有利于封閉和水下環境運行。
[0065]由此可見，本發明提供了一種由熱能轉化為機械能(功)的半閉式正時定容內燃熱力循環方法。在本發明的循環中，主要特點體現在加熱方式是做功工質先經逆流換熱定壓加熱，再進入定容燃燒室內的定容燃燒，是將膨脹做功后的余熱直接應用到熱功轉化當中，綜合起來整個循環是一個有別于奧托循環、狄賽爾循環、混合循環和斯特林循環等現有循環形式的循環。
[0066]本發明所述半閉式正時定容內燃熱力循環實現閉式工質再循環，是將二氧化碳與水脫除過程保留下來的第一類工質通過熱力系統中回路返回到多級壓縮級間冷卻過程，完成一次半閉式正時定容內燃熱力循環，之后繼續重復上述過程。
[0067]所述半閉式正時定容內燃熱力循環是該熱力循環包含兩類工質參與做功，由于整個系統設有回路，特別適用比熱比較高的單原子氣體做工質，如惰性氣體中的氦等，而且在壓縮和膨脹過程中產生的泄露，能量可以得到回收，從而提高了整個熱力循環的熱效率。
[0068]所述半閉式正時定容內燃熱力循環中的多級壓縮級間冷卻過程，壓縮裝置不需壓縮定壓燃燒過程中的氧化劑，氧化劑是由一套獨立氧化劑供給裝置提供，因此減小了整個循環的壓縮功。
[0069]以下將以三級壓縮兩級中冷熱力循環系統為例詳細說明本發明的半閉式正時定容內燃熱力循環方法。
[0070]該熱力循環 的P-V圖如圖4所示。圖中a-b-c-d-e-f為多級壓縮級間冷卻過程，即準等溫壓縮過程；f_g為穩壓調壓過程；g_h為逆流換熱過程I (逆流吸熱過程);h-1為正時定容燃燒過程為絕熱膨脹過程；j_k為逆流換熱過程II (逆流放熱過程)；k-l為后冷卻過程；l_a為二氧化碳與水脫除過程。
[0071]以圖4和圖5為例來描述采用所述熱力循環的熱力系統的基本實現步驟，該實施例中，第一類工質不含氮氣，并以惰性氣體作為其主要成分，下面以工質流向順序來敘述具體步驟。
[0072]步驟1、對三級壓縮級間進行冷卻
[0073](I)以一級壓縮6機入口端a為始點，第一類工質經一級壓縮機6增壓后處于b點狀態，第一類工質壓力提高到2.0~3.0倍；之后經連接管路匕22進入一級中冷器7得到冷卻，工質處于點c狀態，到此完成第一次等溫壓縮，如圖4中的a-b-c過程。
[0074]狀態點a熱力參數:
[0075]pa
[0076]Ta
[0077]式中，paS工質在狀態點a的壓力，單位為MPa ;Ta為工質在狀態點a時的溫度，單位為K。
[0078]狀態點b熱力參數:
[0079]Pb=PaXcrl
【權利要求】
1.一種原動機的半閉式正時定容熱力循環方法，其特征在于:該熱力循環方法以轉子發動機的轉子自轉角度360°或二沖程往復發動機的輸出軸旋轉角度360°或四沖程往復發動機的輸出軸旋轉角度720°為一個循環周期，其采用兩類工質，第一類工質是參與熱力循環全部過程的工質，在定容燃燒室內燃燒后通過膨脹機做功，做功完成后返回到一級壓縮機入口，繼續參與下一次熱力循環；第二類工質是正時定容燃燒過程前加入的氧化劑和燃料而產生的，并參與正時定容燃燒過程、絕熱膨脹過程、逆流換熱過程、后冷卻過程的，最后在二氧化碳與水脫除過程中脫除的工質，該工質不再參與下一次熱力循環: 步驟1、進行多級壓縮級間冷卻過程:該過程中，對第一類工質進行多級壓縮，并通過級間冷卻以減少壓縮耗功，對第一類工質壓縮終了壓力進行穩壓調壓； 步驟2、進行逆流換熱過程:該過程中，穩壓調壓后的第一類工質在進入定容燃燒室前回收上一次熱力循環膨脹做功后的第一類工質和第二類工質的焓，直接收益熱量后參與本次熱力循環，以提高定容燃燒室中本次熱力循環的第一類工質和第二類工質的初始溫度； 步驟3、進行正時定容燃燒過程:該過程中，第一類工質經過逆流換熱過程后進入定容燃燒室，氧化劑供給裝置和燃料供給裝置將氧化劑和燃料通過混合噴射器噴入定容燃燒室并開始正時定容燃燒，定容燃燒室容積不變； 步驟4、進行絕熱膨脹過程:該過程獨立于多級壓縮級間冷卻過程和正時定容燃燒過程，定容燃燒室排出的工質經膨脹對外輸出功，絕熱膨脹過程的膨脹比大于壓縮過程的增壓比； 步驟5、進行后冷卻過程:該過程中，膨脹做功后的第一類工質和第二類工質經過逆流換熱裝置后進入后冷卻器，進一步冷卻至環境溫度； 步驟6、進行二氧化碳和水脫除過程:該過程中，將正時定容燃燒過程產生的二氧化碳和水脫除，余下的工質繼續參與下一次熱力循環。
2.根據權利要求1所述的原動機的半閉式正時定容熱力循環方法，其特征在于:第一類工質包括惰性氣體、二氧化碳或氮氣及及經二氧化碳與水脫除過程后殘存的部分工質。
3.根據權利要求1所述的原動機的半閉式正時定容熱力循環方法，其特征在于:多級壓縮級間冷卻過程中，只需壓縮第一類工質。
4.根據權利要求1所述的原動機的半閉式正時定容熱力循環方法，其特征在于:多級壓縮級間冷卻過程和絕熱膨脹過程分別在獨立裝置中完成，通過正時裝置相互關聯。
5.根據權利要求1所述的原動機的半閉式正時定容熱力循環方法，其特征在于:所述熱力循環的熱效率為:
6.一種應用權利要求1所述的原動機的半閉式正時定容熱力循環方法的三級壓縮兩級中冷熱力循環方法，其特征在于: 步驟1、進行三級壓縮級間冷卻 (1)以一級壓縮機(6)入口端a為始點，第一類工質經一級壓縮機(6)增壓后，第一類工質壓力提高到2.0~3.0倍；之后經連接管路P6 (22)進入一級中冷器(7)得到冷卻，完成第一次壓縮及冷卻過程； (2)第一類工質經連接管路匕(23)進入二級壓縮機(8)進行第二次增壓，第一類工質壓力提高到一級中冷器(7)出口壓力的2.0~3.0倍，之后經連接管路P8 (24)進入二級中冷器(9)得到冷卻，完成第二次壓縮及冷卻過程； (3)第一類工質經連接管路匕(25)進入第三級壓縮機(10)進行第三次增壓，第一類工質壓力提高到二級中冷器(9)出口壓力的2.0~3.0倍，完成第三次壓縮過程；之后直接進入穩壓調壓裝置(11)維持穩定的壓力； 步驟2、進行逆流換熱過程:該過程中，從穩壓調壓裝置(11)流出的第一類工質經連接管路P11 (27)進入逆流換熱裝置(3)中進行逆流換熱，熱量來自于從膨脹機(2)中排出的工質余熱，排出的工質在逆流換熱裝置(3)中放熱得到冷卻；從膨脹機(2)流出的燃燒廢氣經連接管路P2 (18)進入逆流換熱裝置(3)中進一步釋放熱量，并將熱量傳遞給從穩壓調壓裝置流向正時定容燃燒器(I)的第一類工質，使余熱直接被利用到熱力循環中； 步驟3、進行正時定容燃燒過程:該過程中，從逆流換熱裝置(3)流出的第一類工質經連接管路P12 (28)進入正時定容燃燒器(I )，氧化劑供給裝置(12)和燃料供給裝置(13)，將氧化劑和燃料通過混合噴射器(14)噴入正時定容燃燒器(I)并燃燒，生成第二類工質中的二氧化碳和水； 步驟4、進行絕熱膨脹過程:該過程中，從正時定容燃燒器(I)中排出的高溫高壓工質經連接管路P1 (17)進入膨脹機(2)進行充分膨脹做功； 步驟5、進行后冷卻過程:該過程中，從逆流換熱裝置(3)流出的第一類工質和第二類工質經連接管路匕(19)進入后冷卻器(4)進行冷卻后，溫度降低至環境溫度； 步驟6、進行二氧化碳和水脫除過程:該過程中，從后冷卻器(4)流出的工質經連接管路匕(20)進入二氧化碳和水脫除裝置(5)中脫除第二類工質，余下的第一類工質經連接管路匕(21)參與下一次熱力循環。
7.根據權利要求6所述的三級壓縮兩級中冷熱力循環方法，其特征在于:第一類工質與通過混合噴射器(14)噴入的氧化劑和燃料進入正時定容燃燒器(I)時，不會進入膨脹機(2)，通過正時裝置(15)控制進排氣門的開啟和關閉時間，實現超長時間燃燒，以360°為一個循環周期計，燃燒時間最高至210°，壓縮過程、膨脹過程與燃燒過程分別在獨立的裝置內完成，并通過正時裝置(15)相互關聯。
8.一種應用權利要求1所述的原動機的半閉式正時定容熱力循環方法的熱力循環系統，其特征在于:包括多級壓縮級間冷卻裝置、穩壓調壓裝置(11)、逆流換熱裝置(3)、氧化劑供給裝置(12)、燃料供給裝置(13)、混合噴射器(14)，正時定容燃燒器(I)、膨脹機(2)、后冷卻器(4)、二氧化碳與水脫除裝置(5)，其中，多級壓縮級間冷卻裝置對工質實現壓縮及中冷，穩壓調壓裝置(11)經連接管路P10 (26)與多級壓縮級間冷卻裝置的末級壓縮機相連，逆流換熱裝置(3)經連接管路P11 (27)與穩壓調壓裝置(11)相連，正時定容燃燒器(1)經連接管路P12 (28)與逆流換熱裝置(3)相連； 其中，氧化劑供給裝置(12)和燃料供給裝置(13)將氧化劑和燃料通過混合噴射器(14)噴入正時定容燃燒器(I)混合并燃燒，生成第二類工質中的二氧化碳和水；正時定容燃燒器(I)經連接管路P1 (17)與膨脹機(2)相連；在膨脹機(2)中做功后經連接管路P2(18)與逆流換熱裝置(3)相連。 其中，第一類工質經多級壓縮級間冷卻裝置后進入穩壓調壓裝置(11 )，從穩壓調壓裝置(11)流出的第一類工質進入逆流換熱裝置(3 )吸熱后進入正時定容燃燒器(I )，氧化劑供給裝置(12)和燃料供給裝置(13)提供的氧化劑和燃料經混合噴射器(14)噴入正時定容燃燒器(I)邊混合邊燃燒產生第二類工質，與第一類工質一并進入膨脹機(2 )膨脹做功，并通過傳動軸(16)對外輸出功，做功后經連接管路P2 (18)進入逆流換熱裝置(3)中放熱，之后從逆流換熱裝置(3)流出的工質進入后冷卻器(4)得到冷卻，之后經過二氧化碳與水脫除裝置(5)，第二類工質被脫除，第一類工質開始下一次熱力循環。
9.根據權利要求8所述的熱力循環系統，其特征在于:正時定容燃燒系統，包括正時裝置(15)、正時定容燃燒器(I);所述正時裝置(15)包括正時驅動裝置(154)、燃燒室控制閥門I (151)、燃燒室控制閥門II (152)、控制閥門III (153);所述正時定容燃燒器(I)包括混合噴射器(14)、進氣道(112)、定容燃燒室、排氣道(113);所述正時驅動裝置(154)通過傳動裝置直接控制所述燃燒室控制閥門I (151)、燃燒室控制閥門II (152)和控制閥門III(153)的開啟和關閉的時間；當正時定容燃燒系統內燃燒過程結束時，所述燃燒室控制閥門II(152)開啟，正時定容燃燒系統內排氣過程開始，高溫高壓工質推動膨脹機(2)做功，當膨脹后工質壓力低于穩壓調壓裝置內工質壓力時，所述燃燒室控制閥門I (151)開啟，正時定容燃燒系統內進氣過程、掃氣過程開始，當膨脹機(2)內進入的工質與穩壓調壓裝置的工質相同時，正時定容燃燒系統內掃氣過程結束，所述燃燒室控制閥門II (152)關閉，正時定容燃燒系統內定容燃燒室內的工質壓力和穩壓調壓裝置內的工質壓力相同時，所述燃燒室控制閥門I (151)關閉，完成正時定容燃燒系統內進氣過程，此時所述燃燒室控制閥門I(151)和燃燒室控制閥門II (152)都是關閉狀態，所述混合噴射器(14)噴射燃料混合物后，開始正時定容燃燒系統內定容燃燒過程；當正時定容燃燒系統內掃氣完成時，所述控制閥門111(153)開啟，當正時定容燃燒系統內排氣過程開始前，所述控制閥門111(153)關閉； 所述定容燃燒室包括燃燒室格柵(111 )、燃燒室瓦塊式絕熱內壁(114)，通過所述燃燒室格柵(111)實現均勻燃燒，所述燃燒室瓦塊式絕熱內壁(114)是由具有絕熱涂層材料的瓦塊式結構搭接而成。
10.根據權利要求8所述的熱力循環系統，其中:多級壓縮級間冷卻裝置設置為三級壓縮和二級中冷，工質首先經過一級壓縮進氣口(61 )，經過一次壓縮后，從一級壓縮排氣口(62)排出，經過中間冷卻過程后，再次進入二級壓縮進氣口(63)，經過二次壓縮后，從二級壓縮排氣口(64)排出，經過二級中間冷卻后，然后進入三級壓縮進氣口(65)，最后從三級壓縮排氣口(65)排出。
【文檔編號】F02C7/08GK103883399SQ201410130949
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】張孔明, 梁世希, 金則兵, 王科, 張帆, 朱建明, 謝昕, 周松景, 周群, 王彥超, 姜進, 劉敬平, 廖誠, 楊漢乾 申請人:綠能高科集團有限公司, 北京綠能高科天然氣應用技術研究院有限公司, 河南中原綠能高科有限責任公司, 山東綠能燃氣實業有限責任公司, 包頭中援綠能天然氣有限公司, 河南綠能融創燃氣有限公司