临界低熵混燃循环热动力系统

摘要

本发明公开了一种临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构、连续燃烧室、开放燃烧包络、液体氧化剂源、燃料源和膨胀剂源，液体氧化剂源经氧化剂高压供送系统与连续燃烧室连通，燃料源经燃料高压供送系统与连续燃烧室连通，液体氧化剂源中的氧化剂以高压液态的形式进入连续燃烧室，燃料源中的燃料以高压的形式进入连续燃烧室；连续燃烧室与至少一个作功机构连通，开放燃烧包络设置在连续燃烧室内并且与连续燃烧室连通，液体膨胀剂源内的膨胀剂被导入开放燃烧包络和连续燃烧室之间的空间内。本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统实现了高效、节能、低排放，是优于外燃循环热动力系统和内燃循环热动力系统的新一代热动力系统。

说明书

本案为申请号为201110101854.5，名称为“临界低熵混燃循环热动力系统”的专利申 请的分案申请

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种临界低熵混燃循环热动力系统。

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，标志了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T₁值(即 高温热源的温度)低和内燃循环系统的T₂值(即排气温度)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热动力系统的热效率(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热动力系统的热效率和解决排 放污染问题。

发明内容

本发明所谓的混燃循环热动力系统是指燃料燃烧后的所有热量(或近乎所有热量)全 部参与作功循环的热动力系统。为了实现燃料燃烧后的所有热量(或近乎所有热量)全部 参与作功循环，可以采用两种方式，一是对燃烧室进行绝热，二是利用原工质在燃烧室内 将燃烧室壁上的热量吸收带回燃烧室。例如绝热发动机，联合循环等都属于混燃的一种形 式。

本发明所谓的低熵混燃循环热动力系统是指燃料燃烧后的所有热量(或近乎所有热量) 全部参与作功循环，而且燃烧室的最高压力大幅度高于传统热动力系统的燃烧室的最高压 力。这一系统的低温热源的温度T₂大幅度低于传统内燃机的排气温度，高温热源的温度T₁大 幅度高于传统外燃循环热动力系统的工质最高温度，效率明显高于传统热动力系统的效率。 这一系统是继外燃循环热动力系统和内燃循环热动力系统之后的第三代热动力系统(或叫 第三代发动机)。所谓临界低熵混燃循环热动力系统是指燃烧室内的温度和压力接近达到或 超过工质的临界温度和临界压力的低熵混燃热动力系统。

在本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统中，由于原工质(即燃烧前的工质， 包括氧化剂、燃料、膨胀剂和气体液化物)的压力和温度以及组分是可以独立控制的，所 以燃烧室最高压力和最高温度是可以独立控制的，也就是说这与传统热动力系统中通过气 体压缩过程建立室内原工质压力(所谓室内原工质压力是指将要燃烧时的燃烧室压力，这 一压力应达到设计要求)的过程是完全不同的。在传统的热动力系统中，原工质的压力和 温度是相互关联的，压力大温度必然高，而在本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系 统中燃烧的最高压力大并不意味着燃烧室的最高温度高。为此，科学有效地调整燃烧室最 高压力和最高温度可以制作出低温热源的温度T₂很低，甚至大幅度低于环境温度的热动力 系统。当T₂低到一定值时，这种热动力系统的热效率会超过100％，这种热效率超过100％的 热动力系统在本发明中定义为超低熵混燃循环热动力系统。所述超低熵混燃循环热动力系 统并不违反能量守恒定律，其原因是：一、燃料的热值是指燃料在标准状态下燃烧后达到 标准状态(可近视为环境状态)时所放出的热量。而所述超临界低熵混燃循环热动力系统 的低温热源温度T₂可接近、低于或大幅度低于环境温度(也就是近视的标准状态下的温度)。 当所述低温热源温度T₂大幅度低于环境温度时，也就相当于有更多的热量参与作功循环， 当T₂低到一定程度时，这部分多出来的热量就可以使系统输出功的量大于燃料的热值，也 就使得热效率大于100％；二、所述超低熵混燃循环热动力系统中在某些情况下存在更低温 度的低温热源，例如液态氧、液化燃料、液化膨胀剂(液化二氧化碳)，所谓的更低温度的 低温热源中的原工质在循环过程中可以吸收环境中的热量和/或已经参与作功的排气中的 热量，并将这些热量带入燃烧室参与作功循环，这就使参与作功循环的热量大于燃料燃烧 所放出的热量，所以可以使系统对外输出的功大于燃料燃烧所放出的热量(即燃料的热值)， 也就使所谓的热效率高于100％。

本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统在正常工作的情况下，不从大气中吸气。

本发明中，图18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0.1MPa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10MPa(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，图18中的中的K是气体工质绝热指数，P是气体工质的压力，T 是气体工质的温度，C是常数。

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18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18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18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110K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18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、300K、250K、200K、190K、180K、170K、160K、150K、140K、130K、 120K、110K、100K、90K、80K、70K、60K、50K、40K、30K或小于20K。

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18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即将进入所述作功机构的气体工质。

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，调整进入所述连续燃烧室内的原工质的温度、压力和流量，调整向所述连 续燃烧室导入燃料的量，调整所述连续燃烧室导出气体工质的量，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，所述燃料可设为乙醇或甲醇，所述膨胀剂设为水，所述燃料源和所述液体 膨胀剂源设为混合式原工质储罐，所述混合式原工质储罐设为乙醇水溶液或甲醇水溶液储 罐。

本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统，由于原工质独立可控，可以通过电控 等手段，不仅可以调节燃料，还可以调节氧化剂和膨胀剂，所以本发明所公开的临界低熵 混燃循环热动力系统具有更好的负荷响应。

本发明中，所述连续燃烧室的最高压力(燃烧后的压力)是由燃烧前原工质的组分、 总压力、温度以及燃烧放热量决定的。在本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统的 连续燃烧室的工质的最高压力大于15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、 18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、21.5MPa、22MPa、22.5MPa、23MPa、 23.5MPa、24MPa、24.5MPa、25MPa、25.5MPa、26MPa、26.5MPa、27MPa、27.5MPa、28MPa、 28.5MPa、29MPa、29.5MPa、30MPa、31MPa、32MPa、33MPa、34MPa、35MPa、36MPa、37MPa、 38MPa、39MPa、40MPa、41MPa、42MPa、43MPa、44MPa、45MPa、46MPa、47MPa、48MPa、49MPa 或50MPa。为了达到连续燃烧室的设计最高压力，实现高效、低污染和低热负荷的目的，应 对原工质的组分(调整组分，可以调整热容量)、压力、温度和含氧量(影响放热量)进行 综合控制。换言之，通过控制原工质的状态和组分，达到控制燃烧化学反应后的连续燃烧 室内的气体状态。连续燃烧室内的最高温度与连续燃烧室内的最高压力应当匹配，如果连 续燃烧室内的最高温度过高不能与最高压力匹配，将造成作功完了后工质的温度过高，有 害而无利。

本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统的原理是通过向连续燃烧室内连续导入 氧化剂和燃料或连续导入氧化剂、燃料和膨胀剂或连续导入氧化剂、燃料和气体液化物使 燃料在燃烧温度和燃烧压力可控的条件下于连续燃烧室内连续燃烧，形成压力相当高、温 度适中的气体工质或临界态气体工质，所形成的气体工质或临界态气体工质进入作功机构 后不再发生燃烧反应或压缩直接膨胀作功，膨胀作功后的工质经所述作功机构的排气道排 出，所述作功机构对外输出动力，所述作功机构可以是连续工作的动力透平，所述作功机 构也可以是气缸活塞作功机构；在所述作功机构设为气缸活塞作功机构的结构中，在所述 连续燃烧室和气缸活塞作功机构之间设工质导入控制阀。

本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统中的连续燃烧室的作用相当于外燃热动 力系统的锅炉，其根本区别在于：外燃热动力系统中的锅炉是外燃加热，所以其工质的温 度不可能达到很高的水平，而本发明所公开的连续燃烧室是通过内燃的方式产生气体工质 或临界态气体工质，用内燃方式产生的气体工质或临界态工质的温度和压力均可达到或超 过目前最先进的临界、超临界或超超临界外燃热动力系统。

本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统的具体技术方案如下：

一种临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构、连续燃烧室、液体氧化剂源和燃 料源，所述液体氧化剂源经氧化剂高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所述燃料源经燃 料高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所述液体氧化剂源中的氧化剂以高压液态的形式 进入所述连续燃烧室，所述燃料源中的燃料以高压的形式进入所述连续燃烧室，所述氧化 剂高压供送系统、所述燃料高压供送系统和所述连续燃烧室的最低承压能力大于15.5MPa， 调整所述液体氧化剂源中的液体氧化剂的纯度和/或调整所述燃料源中燃料的纯度和热值 使所述连续燃烧室内的燃烧温度高于800K，并使所述连续燃烧室内的燃烧压力大于 15.5MPa；所述连续燃烧室与至少一个所述作功机构连通，所述作功机构对外输出动力。

一种临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构、连续燃烧室、液体氧化剂源、燃 料源和液体膨胀剂源，所述液体氧化剂源经氧化剂高压供送系统再经氧化剂吸热热交换器 与所述连续燃烧室连通，所述燃料源经燃料高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所述液 体氧化剂源中的氧化剂在所述氧化剂吸热热交换器中吸热气化后以高压气态或临界态的形 式进入所述连续燃烧室，所述燃料源中的燃料以高压的形式进入所述连续燃烧室，所述液 体膨胀剂源经膨胀剂高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所述液体膨胀剂源中的膨胀剂 以高压液态的形式进入所述连续燃烧室，所述氧化剂高压供送系统、所述燃料高压供送系 统、所述膨胀剂高压供送系统和所述连续燃烧室的最低承压能力大于15.5MPa，调整所述液 体氧化剂源中的液体氧化剂的纯度和/或调整所述燃料源中的燃料的纯度和热值和/或调整 所述液体膨胀剂源中的膨胀剂导入所述连续燃烧室的量使所述连续燃烧室内的燃烧温度高 于800K，并使所述连续燃烧室内的燃烧压力大于15.5MPa；所述连续燃烧室与至少一个所 述作功机构连通，所述作功机构对外输出动力。

一种临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构、连续燃烧室、液体氧化剂源、燃 料源和气体液化物源，所述液体氧化剂源经氧化剂高压供送系统直接或再经氧化剂吸热热 交换器与所述连续燃烧室连通，所述燃料源经燃料高压供送系统与所述连续燃烧室连通， 所述液体氧化剂源中的氧化剂以高压液态的形式或在所述氧化剂吸热热交换器中吸热气化 后以高压气态的形式进入所述连续燃烧室，所述燃料源中的燃料以高压的形式进入所述连 续燃烧室，所述气体液化物源经气体液化物高压供送系统再经气体液化物吸热热交换器与 所述连续燃烧室连通，所述气体液化物源中的气体液化物以高压气态的形式或临界态的形 式进入所述连续燃烧室，所述氧化剂高压供送系统、所述燃料高压供送系统、所述气体液 化物高压供送系统和所述连续燃烧室的最低承压能力大于15.5MPa，调整所述液体氧化剂源 中的液体氧化剂的纯度和/或调整所述燃料源中的燃料的纯度和热值和/或调整所述气体液 化物源中的气体液化物导入所述连续燃烧室的量使所述连续燃烧室内的燃烧温度高于 800K，并使所述连续燃烧室内的燃烧压力大于15.5MPa；所述连续燃烧室与至少一个所述作 功机构连通，所述作功机构对外输出动力。

所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括开放燃烧包络，所述开放燃烧包络设置在所 述连续燃烧室内并且与所述连续燃烧室连通，所述液体氧化剂源经氧化剂高压供送系统与 所述开放燃烧包络连通，所述燃料源经燃料高压供送系统与所述开放燃烧包络连通，在包 括所述气体液化物源的结构中，所述气体液化物源经气体液化物高压供送系统与所述连续 燃烧室连通，所述气体液化物源内的气体液化物被导入所述开放燃烧包络和所述连续燃烧 室之间的空间内，以形成高压气态气体液化物对燃烧火焰的悬浮作用进而改善燃烧环境降 低燃烧对所述连续燃烧室的连续燃烧室壁的热负荷要求。

所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括流体预混室，在包括所述液体氧化剂源、所 述燃料源和所述气体液化物源的结构中，所述液体氧化剂源、所述燃料源和所述气体液化 物源中的任意两个或共同与所述流体预混室连通，所述流体预混室与所述连续燃烧室连通。

在设有所述氧化剂高压供送系统、所述燃料高压供送系统和所述气体液化物高压供送 系统的结构中，调整所述氧化剂高压供送系统、所述燃料高压供送系统和所述气体液化物 高压供送系统的供送量以及每个供送量之间的比例使所述气体液化物源内的气体液化物在 所述连续燃烧室内处于临界状态。

所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括液体膨胀剂源，所述液体膨胀剂源经膨胀剂 高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所述液体膨胀剂源中的膨胀剂以高压液态的形式进 入所述连续燃烧室，所述膨胀剂高压供送系统最低承压能力大于15.5MPa。

在设有所述氧化剂高压供送系统、所述燃料高压供送系统和所述膨胀剂高压供送系统 的结构中，调整所述氧化剂高压供送系统、所述燃料高压供送系统和所述膨胀剂高压供送 系统的供送量以及每个供送量之间的比例使所述液体膨胀剂源内的膨胀剂在所述连续燃烧 室内处于临界状态。

所述液体膨胀剂源内的膨胀剂设为水、液氮、液体二氧化碳或液氦。

所述液体氧化剂源中的氧化剂设为纯液氧、含氧气体液化物、过氧化氢或过氧化氢水 溶液。

所述燃料源中的燃料设为氢气、可燃碳氢化物、可燃碳氢氧化合物或可燃醇水溶液。

所述液体氧化剂源经氧化剂高压供送系统再经氧化剂吸热热交换器与所述连续燃烧室 连通，所述燃料源经燃料高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所述液体氧化剂源中的氧 化剂在所述氧化剂吸热热交换器中吸热气化后以高压气态或临界态的形式进入所述连续燃 烧室，所述燃料源中的燃料以高压的形式进入所述连续燃烧室，所述液体膨胀剂源经膨胀 剂高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所述液体膨胀剂源中的膨胀剂以高压液态的形式 进入所述连续燃烧室，所述氧化剂高压供送系统、所述燃料高压供送系统、所述膨胀剂高 压供送系统和所述连续燃烧室的最低承压能力大于15MPa，所述液体膨胀剂源内的膨胀剂设 为水，调整所述液体氧化剂源中的液体氧化剂的纯度和/或调整所述燃料源中的燃料的纯度 和热值和/或调整所述液体膨胀剂源中的膨胀剂导入所述连续燃烧室的量使所述连续燃烧 室内的燃烧温度高于647K，并使所述连续燃烧室内的燃烧压力大于22MPa；所述连续燃烧 室与至少一个所述作功机构连通，所述作功机构对外输出动力。

所述连续燃烧室设为绝热连续燃烧室。

所述作功机构设为气缸活塞作功机构，在所述连续燃烧室和所述气缸活塞作功机构之 间设工质导入控制阀，在所述连续燃烧室内产生的高温高压工质经所述工质导入控制阀按 正时关系定量导入所述气缸活塞作功机构内膨胀作功，膨胀作功后的工质经所述气缸活塞 作功机构的排气门排出。

所述作功机构设为气缸活塞作功机构，所述气缸气缸活塞作功机构设为自绝热式作功 机构。

所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括开放燃烧包络，所述开放燃烧包络设置在所 述连续燃烧室内并且与所述连续燃烧室连通，所述液体氧化剂源经氧化剂高压供送系统与 所述开放燃烧包络连通，所述燃料源经燃料高压供送系统与所述开放燃烧包络连通，在包 括所述液体膨胀剂源的结构中，所述液体膨胀剂源经膨胀剂高压供送系统与所述连续燃烧 室连通，所述液体膨胀剂源内的膨胀剂被导入所述开放燃烧包络和所述连续燃烧室之间的 空间内，以形成高压气态膨胀剂对燃烧火焰的悬浮作用进而改善燃烧环境降低燃烧对所述 连续燃烧室的连续燃烧室壁的热负荷要求；在包括所述气体液化物源的结构中，所述气体 液化物源经气体液化物高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所述气体液化物源内的气体 液化物被导入所述开放燃烧包络和所述连续燃烧室之间的空间内，以形成高压气态气体液 化物对燃烧火焰的悬浮作用进而改善燃烧环境降低燃烧对所述连续燃烧室的连续燃烧室壁 的热负荷要求。

所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括流体预混室，在包括所述液体氧化剂源、所 述燃料源和所述液体膨胀剂源的结构中，所述液体氧化剂源、所述燃料源和所述液体膨胀 剂源中的任意两个或共同与流体预混室连通，所述流体预混室与所述连续燃烧室连通；在 包括所述液体氧化剂源、所述燃料源和所述气体液化物源的结构中，所述液体氧化剂源、 所述燃料源和所述气体液化物源中的任意两个或共同与流体预混室连通，所述流体预混室 与所述连续燃烧室连通。

在所述作功机构的排气道上设气液分离器。

在所述作功机构的排气道上设气液分离器，所述气液分离器的液体出口设为所述液体 膨胀剂源，所述气液分离器内的液体作为所述液体膨胀剂循环使用。

在所述作功机构的排气道上设排气冷却器。

所述作功机构设为动力透平。

即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括液体膨胀剂源，所述液体膨胀剂源经膨胀剂 高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所述液体膨胀剂源中的膨胀剂以高压液态的形式进 入所述连续燃烧室，所述液体氧化剂源经氧化剂高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所 述燃料源经燃料高压供送系统与所述连续燃烧室连通，所述液体氧化剂源中的氧化剂以高 压液态的形式进入所述连续燃烧室，所述燃料源中的燃料以高压的形式进入所述连续燃烧 室，所述氧化剂高压供送系统、所述燃料高压供送系统、所述连续燃烧室和所述膨胀剂高 压供送系统的最低承压能力大于15MPa，所述液体膨胀剂源内的膨胀剂设为水，调整所述液 体氧化剂源中的液体氧化剂的纯度和/或调整所述燃料源中燃料的纯度和热值使所述连续 燃烧室内的燃烧温度高于647K，并使所述连续燃烧室内的燃烧压力大于22MPa；所述连续 燃烧室与至少一个所述作功机构连通，所述作功机构对外输出动力。

本发明所谓的活塞作功结构是指一切利用气体工质推动活塞作功的机构，包括气缸活 塞机构和其他形式的活塞机构，如三角活塞作功结构等；所谓动力透平是指一切利用气体 工质推动叶轮、涡轮作功的机构。

所述发动机和所述热动力系统是等同的。

本发明中，所谓的临界状态包括临界状态、超临界状态和超超临界状态。

本发明中的燃烧方式可以是燃料和氧化剂直接燃烧，也可以是氧化剂、燃料和膨胀剂 混合式燃烧，还可以是在连续燃烧室里的膨胀剂中建立核心燃烧区，在该核心燃烧区内氧 化剂和燃料直接燃烧后与膨胀剂混合，这样可以利用膨胀剂将燃料和氧化剂直接燃烧形成 的过高温度的火焰与连续燃烧室壁隔离，从而减少连续燃烧室壁的热负荷。

本发明所谓的开放燃烧包络是指完全开放的燃烧区域或部分开放的燃烧区域，在这个 区域内主要含有氧化剂、燃料及其反应生成物，不含有或只含有少量高压气态膨胀剂。所 谓的部分开放的燃烧区域是指以固体(如陶瓷或其它高耐热材料)形成的非封闭空间。所 谓完全开放的燃烧区域是指通过调整氧化剂和燃料的供给方式，使氧化剂和燃料在与高压 气态膨胀剂混合前发生燃烧化学反应，即用高压气态膨胀剂将氧化剂和燃料燃烧反应时的 火焰与连续燃烧室相隔离。设置开放燃烧包络的目的是在于使燃料与氧更彻底、更容易、 更快速的发生燃烧化学反应，减少一氧化碳和碳氢化合物的排放，而且使燃烧处于高压气 态膨胀剂包围的状态下进行，相当于在连续燃烧室内悬浮设置核心燃烧区，从而形成开放 燃烧包络与连续燃烧室壁的气体隔离，进而大幅度降低了对连续燃烧室壁热负荷的要求。

在本发明中，开放燃烧包络的设置是用高压气态膨胀剂包围燃烧所形成的火焰，避免 了连续燃烧室的壁直接接触火焰，就避免了火焰直接对连续燃烧室的壁发生传热，这实质 上形成了一种对连续燃烧室壁的新型冷却方式。也就是说，传统内燃机(包括燃气轮机) 都是火焰直接接触连续燃烧室壁再对连续燃烧室壁进行冷却，这就不可避免的造成了大量 的热能低品质化及能量的浪费。而本发明中的这种结构是使火焰在接触连续燃烧室壁之前 即被膨胀剂冷却，而且冷却得到的热量仍留在工质内，这就提高了能量的利用率，进而提 高了热动力系统的热效率。

本发明所谓的膨胀剂是指不参与燃烧化学反应起冷却和调整作功工质摩尔数并膨胀作 功的工质，可以是水蒸汽、二氧化碳、氦气、氮气、液态二氧化碳、液氦或液氮等。所谓 的液体膨胀剂源是指提供液体膨胀剂的装置。

本发明所谓的氧化剂是指纯氧或其他成分在热功转换过程中不产生有害化合物的含氧 气体，如纯氧、过氧化氢或过氧化氢水溶液等。所谓氧化剂源是指一切可以提供氧化剂的 装置、系统或容器，如商用氧源(即高压储氧罐或液化氧罐)和在热动力系统内由现场制 氧系统提供的氧(如膜分离制氧系统)等。

本发明所谓的供送系统是指按照热动力系统连续燃烧室燃烧条件的要求将原工质供送 给连续燃烧室的系统，包括供送通道，如管道，也可以包括阀门和泵，还可以包括喷射器。 供送系统可以连续供送，也可以间歇供送，还可以受控供送，如正时供送，可调流量供送 等。

在本发明中所公开的临界低熵混燃循环热动力系统中，为了大幅度降低T₂采用原工质 高压进入连续燃烧室的方式，从而实现连续燃烧室最高压力大幅度高于传统内燃机燃烧室 的最高压力，最终实现大幅度降低T₂的目的。从热力学上分析可知，提高燃烧室的最高压 力是降低T₂提高效率的关键所在，为了实现这一目的，必须将原工质高压进入燃烧室。

绝热热动力系统是经过长期研究而没有现实意义的热动力系统，目前人们认为这一系 统没有提高热动力系统效率的可能性。这些研究的结果是：如果对热动力系统的燃烧室进 行绝热，只能增加热动力系统排气的温度并没有多少潜力可以增加热动力系统的效率。本 发明人详细分析了这一结论和其原因，得出如下结论：一、至今为止，人们所研究的绝热 发动机的燃烧室均是处于传统燃烧室的压力范围，绝热只增加了燃烧室的温度，没有增加 燃烧室的压力，也没有给出增加燃烧室压力的方案，所以绝热的结果是温度增加而由于压 力不够高造成膨胀不足(因作功完了时的压力基本等于或高于环境压力)，最终结果是排气 温度高，效率并没有提高。二、人们有个传统思想，绝热就等于高温，所以传统绝热发动 机的燃烧室温度都很高，高温给绝热发动机带来许多麻烦，例如要更换燃烧室的材料等等， 导致发动机成本高，可靠性低。三、几乎所有至今为止的绝热发动机的研究都是集中于如 何解决燃烧室的材料、润滑剂等方面，但没有关于如何增加燃烧室最高压力的研究。正是 因为上述三点，才使得传统绝热发动机没有能够提高效率。在本发明的方案中，原工质以 高压气态形式进入燃烧室，而且进入燃烧室的压力的大小是可以根据设计要求进行调整的， 如果把燃烧室设为绝热，由于其内的压力可以达到很高的水平，这样就可以形成很大的膨 胀比，所以即便是燃烧室绝热，排气温度仍然可以达到很低的水平，这就必然使热效率有 很大的提高。不仅如此，在本发明的热动力系统中的某些方案内设有膨胀剂，可以调节膨 胀剂的量控制绝热燃烧室的温度，可以使绝热燃烧室的温度接近传统燃烧室的温度。在本 发明所公开的系统中，可使用目前技术成熟的绝热燃烧室的材料制造绝热燃烧室。

本发明中的所述膨胀剂可以在所述临界低熵混燃循环热动力系统中循环使用。在循环 使用膨胀剂的结构中，可以将膨胀剂压缩后进入连续燃烧室。

本发明所谓的作功机构是指一切可以将高温高压工质的能量转化为机械功向外输出的 装置，如活塞曲柄机构、透平和喷管等。

本发明所谓的连续燃烧室是指一切可以在其内部发生连续燃烧(剧烈放热化学反应) 的容器。

本发明所谓的燃料是指一切化学燃烧意义上能和氧发生剧烈的氧化还原反应的物质， 可以是气体、液体或固体，在这里主要包括汽油、柴油、天然气、氢气和煤气及流化燃料、 液化燃料或粉末状的固体燃料等。所谓的液化燃料是指被液化的在常温常压状态下为气态 的燃料。

本发明所公开的临界低熵混燃热动力系统，可使用碳氢化合物或碳氢氧化合物作燃料， 例如乙醇或乙醇水溶液，使用乙醇水溶液来代替原来的燃料和膨胀剂，不但可以防冻，还 可以只用一个乙醇水溶液储罐来代替原来的燃料储罐和膨胀剂储罐，并且通过调整乙醇水 溶液的浓度来改变燃料和膨胀剂所需要的比例。在必要的时候，可以用乙醇、水和碳氢化 合物的混合溶液来代替本发明中的燃料和膨胀剂，调节其浓度以满足本发明所公开的临界 低熵混燃循环热动力系统的要求。本发明所公开的临界低熵混燃热动力系统中，可以用过 氧化氢水溶液代替氧化剂和膨胀剂，通过调整过氧化氢水溶液的浓度实现调整氧化剂和膨 胀剂的比例，而且可以用一个过氧化氢水溶液储罐代替氧化剂储罐和膨胀剂储罐。

本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统可以制造出排气温度接近于环境温度、 低于环境温度或大幅度低于环境温度的热动力系统。在所述作功机构设为气缸活塞作功机 构的结构中，如果排气温度低到一定程度，就可以实现热动力系统的自绝热。所谓自绝热 是指高温高压工质的热量在燃烧爆炸作功开始时会传给气缸壁、活塞顶及气缸盖，而在作 功的过程中，由于工质的温度已经很低，会将作功开始时传给气缸壁、活塞顶及气缸盖的 热量重新吸收回工质内，减少热量的损失，实现相当于“绝热”的功能，在自绝热的系统 中，与工质接触的所有承压壁(气缸壁、活塞顶及气缸盖)的外部可以进行绝热对外并不 发生热量传递，也可以根据承压壁的温度要求对外发生少量热量传递以降低承压壁的温度； 在自绝热系统中，在所述与工质接触的承压壁内或外侧可以设液体通道或液体腔，在此液 体通道或液体腔内充入液体以保证所述与工质接触的承压壁的受热均匀性并利用液体的蓄 热性优化缸内气体温度的变化，在液体通道或液体腔的外侧可以设绝热层，以减少对环境 的传热。

本发明中尤其是在设有开放燃烧包络的结构中，作功工质温度可以达到数千度甚至更 高，作功工质的压力可以达到数百个大气压甚至更高。

本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统作功工质的温度和压力可以控制到当作 功膨胀到所设定膨胀压力时，其工质温度降至相当低的水平，例如接近环境温度、低于环 境温度或大幅度低于环境温度。

本发明的有益效果如下:

本发明所公开的临界低熵混燃循环热动力系统实现了高效、节能、低排放，是优于外 燃循环热动力系统和内燃循环热动力系统的新一代热动力系统。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2、5和实施例7的结构示意图；

图3是本发明实施例3和实施例6的结构示意图；

图4是本发明实施例4的结构示意图；

图5是本发明实施例8的结构示意图；

图6是本发明实施例9的结构示意图；

图7是本发明实施例10的结构示意图；

图8、9和10是本发明实施例11的结构示意图；

图11、12和图13是本发明实施例12的结构示意图；

图14和图15是本发明实施例13的结构示意图；

图16是本发明实施例14的结构示意图；

图17是本发明实施例15的结构示意图；

图18为气体工质的温度T和压力P的关系图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构1、连续燃烧室2、液体氧化 剂源3和燃料源4，所述液体氧化剂源3经氧化剂高压供送系统301与所述连续燃烧室2连 通，所述燃料源4经燃料高压供送系统401与所述连续燃烧室2连通，所述液体氧化剂源3 中的氧化剂以高压液态的形式进入所述连续燃烧室2，所述燃料源4中的燃料以高压的形式 进入所述连续燃烧室2，所述氧化剂高压供送系统301、所述燃料高压供送系统401和所述 连续燃烧室2的最低承压能力大于15.5MPa，调整所述液体氧化剂源3中的液体氧化剂的纯 度和/或调整所述燃料源4中燃料的纯度和热值使所述连续燃烧室2内的燃烧温度高于 800K，并使所述连续燃烧室2内的燃烧压力大于15.5MPa；所述连续燃烧室2与至少一个所 述作功机构1连通，所述作功机构1对外输出动力，即将开始作功的气体工质的温度和压 力符合类绝热关系。所述液体氧化剂源3中的氧化剂设为纯液氧、含氧气体液化物、过氧 化氢或过氧化氢水溶液。

实施例2

如图2所示临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构1、连续燃烧室2、液体氧化 剂源3、燃料源4和液体膨胀剂源5，所述液体氧化剂源3经氧化剂高压供送系统301再经 氧化剂吸热热交换器402与所述连续燃烧室2连通，所述燃料源4经燃料高压供送系统401 与所述连续燃烧室2连通，所述液体氧化剂源3中的氧化剂在所述氧化剂吸热热交换器402 中吸热气化后以高压气态或临界态的形式进入所述连续燃烧室2，所述燃料源4中的燃料以 高压的形式进入所述连续燃烧室2，所述液体膨胀剂源5经膨胀剂高压供送系统501与所述 连续燃烧室2连通，所述液体膨胀剂源5中的膨胀剂以高压液态的形式进入所述连续燃烧 室2，所述氧化剂高压供送系统301、所述燃料高压供送系统401、所述膨胀剂高压供送系 统501和所述连续燃烧室2的最低承压能力大于15.5MPa，调整所述液体氧化剂源3中的液 体氧化剂的纯度和/或调整所述燃料源4中的燃料的纯度和热值和/或调整所述液体膨胀剂 源5中的膨胀剂导入所述连续燃烧室2的量使所述连续燃烧室2内的燃烧温度高于800K， 并使所述连续燃烧室2内的燃烧压力大于15.5MPa；所述连续燃烧室2与至少一个所述作功 机构1连通，所述作功机构1对外输出动力，即将开始作功的气体工质的温度和压力符合 类绝热关系。所述液体膨胀剂源5内的膨胀剂设为水、液氮、液体二氧化碳或液氦。

实施例3

如图3所示临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构1、连续燃烧室2、液体氧化 剂源3、燃料源4和气体液化物源6，所述液体氧化剂源3经氧化剂高压供送系统301直接 或再经氧化剂吸热热交换器与所述连续燃烧室2连通，所述燃料源4经燃料高压供送系统 401与所述连续燃烧室2连通，所述液体氧化剂源3中的氧化剂以高压液态的形式或在所述 氧化剂吸热热交换器中吸热气化后以高压气态的形式进入所述连续燃烧室2，所述燃料源4 中的燃料以高压的形式进入所述连续燃烧室2，所述气体液化物源6经气体液化物高压供送 系统601再经气体液化物吸热热交换器602与所述连续燃烧室2连通，所述气体液化物源6 中的气体液化物以高压气态的形式或临界态的形式进入所述连续燃烧室2，所述氧化剂高压 供送系统301、所述燃料高压供送系统401、所述气体液化物高压供送系统601和所述连续 燃烧室2的最低承压能力大于15.5MPa，调整所述液体氧化剂源3中的液体氧化剂的纯度和 /或调整所述燃料源4中的燃料的纯度和热值和/或调整所述气体液化物源6中的气体液化 物导入所述连续燃烧室2的量使所述连续燃烧室2内的燃烧温度高于800K，并使所述连续 燃烧室2内的燃烧压力大于15.5MPa；所述连续燃烧室2与至少一个所述作功机构1连通， 所述作功机构1对外输出动力即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。所 述燃料源4中的燃料设为氢气、可燃碳氢化物、可燃碳氢氧化合物或可燃醇水溶液。

实施例4

如图4所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例3的区别在于：所述液体氧化 剂源3经氧化剂高压供送系统301再经氧化剂吸热热交换器402与所述连续燃烧室2连通， 所述液体氧化剂源3中的氧化剂在所述氧化剂吸热热交换器402中吸热气化后以高压气态 或临界态的形式进入所述连续燃烧室2。

实施例5

如图2所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例2的区别在于：在设有所述氧 化剂高压供送系统301、所述燃料高压供送系统401和所述膨胀剂高压供送系统501的结构 中，调整所述氧化剂高压供送系统301、所述燃料高压供送系统401和所述膨胀剂高压供送 系统501的供送量以及每个供送量之间的比例使所述液体膨胀剂源5内的膨胀剂在所述连 续燃烧室2内处于临界状态。

实施例6

如图3所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例3的区别在于：在设有所述氧 化剂高压供送系统301、所述燃料高压供送系统401和所述气体液化物高压供送系统601的 结构中，调整所述氧化剂高压供送系统301、所述燃料高压供送系统401和所述气体液化物 高压供送系统601的供送量以及每个供送量之间的比例使所述气体液化物源6内的气体液 化物在所述连续燃烧室2内处于临界状态。

实施例7

如图2所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例2的区别在于：所述液体膨胀 剂源5内的膨胀剂设为水，所述连续燃烧室2内的燃烧温度高于647K，所述连续燃烧室2 内的燃烧压力大于22MPa。

实施例8

如图5所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述连续燃烧 室2设为绝热连续燃烧室，所述绝热连续燃烧室与三个所述作功机构1连通，所述作功机 构1对外输出动力。

实施例9

如图6所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述临界低熵 混燃循环热动力系统还包括液体膨胀剂源5，所述液体膨胀剂源5经膨胀剂高压供送系统 501与所述连续燃烧室2连通，所述液体膨胀剂源5中的膨胀剂以高压液态的形式进入所述 连续燃烧室2，所述膨胀剂高压供送系统501最低承压能力大于15.5MPa。所述连续燃烧室 2设为绝热连续燃烧室，所述绝热连续燃烧室与三个所述作功机构1连通，所述作功机构1 对外输出动力。

实施例10

如图7所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述作功机构1 设为气缸活塞作功机构111，在所述连续燃烧室2和所述气缸活塞作功机构111之间设工质 导入控制阀112，在所述连续燃烧室2内产生的高温高压工质经所述工质导入控制阀112按 正时关系定量导入所述气缸活塞作功机构111内膨胀作功，膨胀作功后的工质经所述气缸 活塞作功机构111的排气门113排出。

实施例11

如图8、9和图10所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例2的区别在于：在 所述作功机构1的排气道11上设气液分离器1100，所述气液分离器1100的液体出口设为 所述液体膨胀剂源5，所述气液分离器1100内的液体作为所述液体膨胀剂循环使用。其中， 图8中所述作功机构1设为气缸活塞作功机构111，所述气缸气缸活塞作功机构111设为自 绝热式作功机构101；图9中所述作功机构1设为气缸活塞作功机构111，所述连续燃烧室 2与两个所述气缸活塞作功机构111连通；图10中在所述作功机构1的排气道11上设排气 冷却器110。

实施例12

如图11、12和图13所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例2和实施例3的 区别在于：所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括开放燃烧包络2001，所述开放燃烧包 络2001设置在所述连续燃烧室2内并且与所述连续燃烧室2连通，所述液体氧化剂源3经 氧化剂高压供送系统301与所述开放燃烧包络2001连通，所述燃料源4经燃料高压供送系 统401与所述开放燃烧包络2001连通，在包括所述液体膨胀剂源5的结构中，所述液体膨 胀剂源5经膨胀剂高压供送系统501与所述连续燃烧室2连通，所述液体膨胀剂源5内的 膨胀剂被导入所述开放燃烧包络2001和所述连续燃烧室2之间的空间内，以形成高压气态 膨胀剂对燃烧火焰的悬浮作用进而改善燃烧环境降低燃烧对所述连续燃烧室2的连续燃烧 室壁的热负荷要求；在包括所述气体液化物源6的结构中，所述气体液化物源6经气体液 化物高压供送系统601与所述连续燃烧室2连通，所述气体液化物源6内的气体液化物被 导入所述开放燃烧包络2001和所述连续燃烧室2之间的空间内，以形成高压气态气体液化 物对燃烧火焰的悬浮作用进而改善燃烧环境降低燃烧对所述连续燃烧室2的连续燃烧室壁 的热负荷要求。

实施例13

如图14所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述作功机构 1设为动力透平12。

实施例14

如图15和图16所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例2和实施例3的区别 在于：所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括流体预混室400，在包括所述液体氧化剂源 3、所述燃料源4和所述液体膨胀剂源5的结构中，所述液体氧化剂源3、所述燃料源4和 所述液体膨胀剂源5中的任意两个或共同与流体预混室400连通，所述流体预混室400与 所述连续燃烧室2连通(如图14所示)；在包括所述液体氧化剂源3、所述燃料源4和所述 气体液化物源6的结构中，所述液体氧化剂源3、所述燃料源4和所述气体液化物源6中的 任意两个或共同与流体预混室400连通，所述流体预混室400与所述连续燃烧室2连通(如 图15所示)。

实施例15

如图17所示临界低熵混燃循环热动力系统，其与实施例2的区别在于：所述作功机构 1设为动力透平12，在所述作功机构1的排气道11上设气液分离器1100，所述气液分离器 1100的液体出口设为所述液体膨胀剂源5，所述气液分离器1100内的液体作为所述液体膨 胀剂循环使用。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案， 可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。