基于正时定容燃烧方式的一种原动机的热力循环方法
【专利摘要】本发明提供了基于正时定容燃烧方式的一种原动机的热力循环方法，其循环包括多级压缩级间冷却过程、逆流换热过程、正时定容燃烧过程和绝热膨胀过程，是一种由热能转化为机械能的热力循环。通过多级压缩级间冷却过程，减少压缩耗功；通过逆流换热过程，回收本要排至外部环境的工质的焓并参与热力循环，提高热能利用率；通过正时定容燃烧过程，实现长时间均匀低温定容燃烧，有效抑制HC、CO、PM和NOx等有害污染物的产生，同时提高燃烧效率；通过绝热膨胀过程，使膨胀后压力接近环境压力，实现充分膨胀做功。本发明为今后设计高效低污染物排放和高性能的原动机提供了方向。
【专利说明】基于正时定容燃烧方式的一种原动机的热力循环方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种原动机，特别是一种基于正时定容燃烧方式原动机的热力循环方法。
【背景技术】
[0002]提高原动机效率和降低排放对节约资源和保护环境均具有重要的积极作用。通过改进的循环过程和燃烧组织方式，可提升原动机效率和减少有害污染物的排放。
[0003]典型内燃机的循环一般包括3类热力学循环:第一类，等容燃烧循环又叫奥托循环，其燃烧放热过程近似等容燃烧过程，汽油机一般采用这种循环方法，其循环过程包括等熵压缩过程、等容燃烧过程、等熵膨胀过程和等容放热过程；第二类，等压燃烧循环又叫狄塞尔循环，其燃烧放热过程近似等压燃烧过程，高增压柴油机和船用大型柴油机一般采用这种循环方法，其循环过程包括绝热压缩过程、等压燃烧过程、等熵膨胀过程和等容放热过程；第三类，混合燃烧循环又叫萨巴德循环，是介于等容燃烧循环和等压燃烧循环之间的一种循环，高速轻型柴油机一般采用这种循环方法，其循环过程包括等熵压缩过程、等容燃烧过程、等压燃烧过程、等熵膨胀过程和等容放热过程。
[0004]典型外燃机的循环一般包括简单循环、复杂循环和斯特林循环。第一种，简单循环，其循环过程包括压气过程、燃烧过程和膨胀过程，其压气过程从大气环境吸入空气，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，燃烧产生的高温高压工质进入涡轮机中膨胀做功，从涡轮机排出的废气直接进入大气环境，是一种开式循环方法，虽结构简单，但效率低。第二种，复杂循环，为提高效率在简单循环的基础上增加了一些过程，包括压缩之间的冷却过程和排气回热过程，称之为间冷回热循环(ICR)，其效率较简单循环有提升。第三种，斯特林循环，其循环过程包括等温压缩过程、等容燃烧过程、等温膨胀过程、等容放热过程，工质在等温膨胀过程中从高温热源吸热，在等温压缩过程中向低温热源放热，由于其燃烧温度和蓄热器的限制，导致效率不高。
[0005]上述内燃机热力循环的燃烧过程要么是定容燃烧过程，要么是定压燃烧过程，要么是先定容再定压燃烧过程，这些热力循环中定容燃烧循环的理论热效率最高，虽然专利CN1222218A公开了一种消除污染的发动机的方法，包括一独立和定容的燃烧室，其燃烧过程仅仅是燃料燃烧定容燃烧，理论热效率并不高。目前广泛应用的定容燃烧循环并不是真正意义的定容燃烧，所以其实际热效率比理论热效率低很多。
[0006]上述外燃机的热力循环，已公开的发明涉及用途、循环工质或联合循环等方向的改进，但对循环的热力过程并没有本质的改变，利用其循环方法的系统难以适应变工况工作环境。这些热力循环，热效率并不高，有很大提升潜力。目前已经公开的内燃机和外燃机的热力循环专利中，有些阐述了废气回热循环，如专利CN1133392A公开一种涡轮机膨胀后的能量部分回收的系统，有些阐述了多级压缩中冷循环，如专利CN102162397A公开了一种三级压缩二级压缩系统，也有一些既阐述了多级压缩中冷又阐述了废气能量回收循环，如专利CN1138135A公开了一种等温压缩、近似等容燃烧、绝热完全膨胀和等压放热循环，专利CN86104890A公开了一种多级压缩级间冷却和利用废气温度燃烧压缩气体的系统。尽管现有相关专利都对多级压缩级间冷却和废气能量回收进行了阐述，但其加热过程不能实现真正的先定压再定容加热，故热功转换效率不高，同时也难以适应工况变化。因此，要提供一种循环方法，既能减少压缩耗功，又实现先回收废气能量的定压燃烧再定容燃烧，还能大幅度减少污染排放和提高循环的热效率，并且该方法实现起来经济可靠，燃料普适性好，噪声低。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以大幅度提高原动机效率和降低排放的新型热力循环，可实现均匀超稀薄、超长时间、低温定容燃烧和高的热效率。
[0008]本发明的具体技术方案是:一种原动机的半闭式定压内燃热力循环方法，其中，
[0009]该热力循环方法以转子发动机的转子自转角度360°或二冲程往复发动机的输出轴旋转角度360°或四冲程往复发动机的输出轴旋转角度720°为一个循环周期，压缩过程和膨胀过程在不同装置中实现；
[0010]步骤1，进行多级压缩级间冷却过程，该过程包括多级压缩和级间冷却两个过程，其中，相邻两级压缩之间，进行一次级间冷却，级间冷却对前一级压缩与后一级压缩之间的工质进行冷却，末级压缩之后不再对工质进行冷却，之后工质进入稳压调压过程，稳定和调节工质压力；
[0011]该过程中，对工质进行多级压缩并通过级间冷却以减少压缩耗功；
[0012]步骤2，进行逆流换热过程，该过程中，对稳压调压后的工质进行逆流换热，使其与绝热膨胀后的工质进行热交换，使稳压调压后的工质吸收绝热膨胀后的工质焓，使绝热膨胀后排出的工质的余热直接被利用到热力循环中以便提高热能利用率，同时绝热膨胀后的工质焓降；
[0013]步骤3，进行正时定容燃烧过程，该过程中，在正时燃烧系统内有进气过程、燃烧过程、排气过程、扫气过程，并且通过正时系统使这4个过程按时序工作，一方面膨胀过程与压缩过程分别在独立装置内完成，实现膨胀比大于增压比，一方面燃烧的时间延长，以360°为一个循环周期计，燃烧时间最高至210°，和通过均质稀薄燃烧方式，使燃烧温度在1900-2100K之间，有效抑制了 HC、CO、PM和NOx等有害污染物的产生；
[0014]步骤4，进行绝热膨胀过程，该过程独立于正时定容燃烧过程和多级压缩级间冷却过程，绝热膨胀过程的膨胀比大于压缩过程的增压比，使绝热膨胀后工质的压力接近环境压力。
[0015]本发明的有益效果是:
[0016]I)由热力循环效率表达式，可得到:本发明循环热效率主要取决于最高燃烧温度和外部环境温度。在其它条件不变的情况下，最高燃烧温度越高，即热源温度越高，循环热效率越高；在其它条件不变的情况下，外部环境温度越低，即冷源温度越低，循环热效率越高，此规律与卡诺定律类似，比较接近卡诺循环热效率(热机极限热效率)。
[0017]2)所述多级压缩级间冷却过程包括多级压缩和级间冷却，多级压缩单级增压比在
2.0?3.0之间，可以使压缩装置在高效率区运行，级间冷却过程降低进入压缩过程的新鲜工质温度，使压缩过程接近等温压缩，减少压缩装置的压缩耗功，并且使通过整个多级压缩级间中冷后的新鲜工质温度较低，进而提升热能利用率；
[0018]3)所述逆流换热过程回收大部分充分膨胀后工质的热能，直接收益热能后参与循环，提高了能源利用率；
[0019]4)所述正时定容燃烧过程是基于正时装置的特殊形式燃烧过程，正时装置使燃烧过程与膨胀过程及压缩过程相独立，可以实现工质与燃料在定容燃烧室中进行超长时间、定容燃烧，以360°为一个循环周期计，燃烧持续期最高至210°，远远大于现有内燃机的有效燃烧时间，同时正时装置实现重叠角扫气，通过扫气净化燃烧室的同时降低整个系统的热负荷；通过在燃烧室内加格栅和稀薄燃烧，实现均匀低温燃烧，燃烧温度控制不超过2100K，所以整个燃烧过程不仅热效率高，而且HC、CO、PM和NOx#有害排放污染物都大幅度降低，实现真正的高效清洁燃烧；
[0020]5)超长时间和柔和燃烧，适用多种燃料，对燃料供给系统的要求低；
[0021]6)由于燃烧室没有运动部件，燃烧室内壁可以用绝热材料，降低燃烧散热损失，提高燃烧燃烧室的可靠性，降低燃烧室的冲击噪声；
[0022]7)所述多级绝热膨胀过程由于正时装置使燃烧和膨胀相独立，燃烧后产生的高温高压工质实现充分膨胀，使膨胀后压力接近环境压力，通过逆流换热过程和充分膨胀，不仅使燃烧后的热能得到充分利用，也使压能得到充分利用，降低了排气噪声，同时大幅度提高整个循环的热效率；
[0023]8)所述燃烧过程时间长，故燃烧柔和，使机构产生的噪声大大降低；由热力循环效率表达式可以得到，压缩级数2?3级最好，故系统所需部件少，单级增压比在2左右最好，故可充分利用转子式压缩机的优点并且回避其缺点，使得各部件体积小，结构紧凑，使实现循环的系统寿命长、造价较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明理想情况下热力循环示意图；
[0025]图2为本发明实际情况下热力循环示意图；
[0026]图3为现有技术转子式发动机示意图；
[0027]图4为本发明转子式压缩机示意图；
[0028]图5为本发明正时定容燃烧系统示意图；
[0029]图6为本发明正时定容燃烧器示意图；
[0030]图7为本发明热力循环热效率与卡诺循环及压比12理论奥托循环热效率对比图；
[0031]图8为本发明热力循环热效率与单级增压比的关系图；
[0032]图9为本发明热力循环热效率与压缩级数的关系图。
[0033]图10为本发明实施例和一般循环方法例对比示功图；
[0034]图11为本发明实施例的实际情况下热力循环示功图；
[0035]图12为本发明实施例的理想情况下热力循环示功图；
[0036]图13为本发明实施例的结构示意图；
[0037]图中，1- 一级压缩机、2- —级中冷器、3- 二级压缩机、4- 二级中冷器、5-三级压缩机、51- —级压缩进气口、52- —级压缩排气口、53- 二级压缩进气口、54- 二级压缩排气口、55-三级压缩进气口、56-三级压缩排气口、57-压缩机内腔转子、58-压缩机旋转驱动轴、59-压缩机联动装置、6-储压调压装置、7-逆流换热器、8-正时定容燃烧器、81-燃烧室格栅、82-燃烧室进气道、83-燃烧室排气道、84-燃烧室瓦块式绝热内壁、9-燃料喷射器、91-喷射器喷孔、10-膨胀机、11-输出轴、12-正时装置、121-控制阀门1、122-控制阀门I1、123-控制阀门II1、124-正时装置驱动机构、13-等温压缩过程装置、14-充分膨胀过程装置、15-氧化剂辅助供给装置。
【具体实施方式】
[0038]下面将结合附图1-13及具体实施例对本发明进行详细说明。
[0039]本发明提供了一种基于正时定容燃烧方式原动机的热力循环方法，其循环过程包括多级压缩级间冷却过程(准等温压缩过程)、逆流换热过程、正时定容燃烧过程和绝热膨胀过程4个过程，在这4个过程中，多级压缩级间冷却过程是为实现接近等温压缩，以减少压缩耗功；逆流换热过程是为了回收本来排放到外部环境的工质焓，直接收益热量后参与循环，提高热能利用率；正时定容燃烧过程实现等容燃烧，其是一种高效率的燃烧方式；绝热膨胀过程中膨胀过程独立于燃烧过程和压缩过程，一方面由于与燃烧过程的隔离，减少了膨胀过程散失的热量，使之更接近绝热压缩，一方面又由于与压缩过程的隔离，使膨胀比可以大于增压比，进而使膨胀后压力接近外部环境压力，实现最大程度的膨胀做功。
[0040]在本发明所述热力循环中，首先，新鲜工质经过多级压缩级间冷却过程，其中，级间冷却对前一级压缩与后一级压缩之间工质进行冷却，通过稳压和调压作用后经历所述逆流换热过程 ，吸收余热实现等压燃烧过程，然后，工质经历所述正时定容燃烧过程，完成正时定容燃烧过程后，工质经历所述绝热膨胀过程，实现对外做功，膨胀后的工质经历所述逆流换热过程，将余热传递给新鲜工质后排出系统外，完成一次热力循环。
[0041]这种循环是一种由热能转化为机械能的热力循环。在本发明的循环中，重要特点体现在加热方式是先定压再定容的加热方式，此处的定容燃烧过程是严格意义的定容燃烧，综合起来整个循环过程是一个有别于奥托循环、狄赛尔循环、混合循环和斯特林循环等现有循环形式的循环。如图1所示，以三级压缩为例，整个开式循环方式:a-b-c-d-e-f过程为多级压缩级间冷却过程，即准等温压缩过程，f-g-h-1为逆流换热过程和正时定容燃烧过程，即先定压再定容加热过程，1-j为绝热膨胀过程，j-k为废气焓回收过程。
[0042]循环热效率计算:
[0043]
【权利要求】
1.基于正时定容燃烧方式的一种原动机的热力循环方法，其特征在于:该热力循环方法以转子发动机的转子自转角度360°或二冲程往复发动机的输出轴旋转角度360°或四冲程往复发动机的输出轴旋转角度720°为一个循环周期，压缩过程和膨胀过程在不同装置中实现: 步骤I，进行多级压缩级间冷却过程，该过程包括多级压缩和级间冷却两个过程，其中，相邻两级压缩之间，进行一次级间冷却，级间冷却对前一级压缩与后一级压缩之间的工质进行冷却，末级压缩之后不再对工质进行冷却，之后工质进入稳压调压过程，稳定和调节工质压力； 步骤2，进行逆流换热过程，该过程中，对稳压调压后的工质进行逆流换热，使其与绝热膨胀后的工质进行热交换，使稳压调压后的工质吸收绝热膨胀后的工质焓，使绝热膨胀后排出的工质的余热直接被利用到热力循环中，同时绝热膨胀后的工质焓降； 步骤3，进行正时定容燃烧过程，该过程中，在正时燃烧系统内有进气过程、燃烧过程、排气过程、扫气过程，并且通过正时系统使这4个过程按时序工作，一方面膨胀过程与压缩过程分别在独立装置内完成，实现膨胀比大于增压比，一方面燃烧的时间延长，以360°为一个循环周期计，燃烧时间最高至210° ； 步骤4，进行绝热膨胀过程，该过程独立于正时定容燃烧过程和多级压缩级间冷却过程，绝热膨胀过程的膨胀比大于压缩过程的增压比，使绝热膨胀后工质的压力接近环境压力。
2.根据权利要求1所述的基于正时定容燃烧方式的一种原动机的热力循环方法，其特征在于:步骤2中，逆流换热过程平均温差保持在10~50°C。
3.根据权利要求1所述的基于正时定容燃烧方式的一种原动机的热力循环方法，其特征在于:步骤3中，进入正时定容燃烧过程前，由于有逆流换热过程，提高进入正时定容燃烧过程工质的初始温度，在产生相同热量的情况下减少了燃烧室内燃料的加入量。
4.根据权利要求1所述的基于正时定容燃烧方式的一种原动机的热力循环方法，其特征在于:在步骤4中，压缩过程和绝热膨胀过程分别在独立装置中完成，通过正时装置相互关联。
5.根据权利要求1所述的基于正时定容燃烧方式的一种原动机的热力循环方法，其特征在于:该热力循环方法的热效率为，
6.根据权利要求1所述的基于正时定容燃烧方式的一种原动机的热力循环方法的热力循环系统，其特征在于:该热力循环系统包括多级压缩中冷装置、正时定容燃烧系统和转子膨胀机，所述正时定容燃烧系统，包括正时装置、正时定容燃烧器(8)，所述正时装置包括正时驱动装置(124)、燃烧室控制阀门I (121 )、燃烧室控制阀门II (122)和控制阀门III(123)，所述正时定容燃烧器(8)包括氧化剂辅助供给装置(15)、进气道(82)、定容燃烧室、排气道(83 )、燃料喷射器(9 )，正时驱动装置(124 )通过传动装置直接控制所述燃烧室控制阀门I (121)、燃烧室控制阀门II (122)和控制阀门111(123)的开启和关闭的时间；当正时定容燃烧系统内燃烧过程结束时，所述燃烧室控制阀门II (122)开启，正时定容燃烧系统内排气过程开始，高温高压工质推动膨胀装置做功，当膨胀后工质压力低于稳压调压装置内工质压力时，所述燃烧室控制阀门I (121)开启，正时定容燃烧系统内进气过程、扫气过程开始，当膨胀装置内进入的工质与稳压调压装置的工质相同时，正时定容燃烧系统内扫气过程结束，所述燃烧室控制阀门II (122)关闭，正时定容燃烧系统内定容燃烧室内的工质压力和稳压调压装置内的工质压力相同时，所述燃烧室控制阀门I (121)关闭，完成正时定容燃烧系统内进气过程，此时所述燃烧室控制阀门I (121)和燃烧室控制阀门II (122)都是关闭状态，通过所述燃料喷射器(9)喷射燃料后，开始正时定容燃烧系统内定容燃烧过程，当正时定容燃烧系统内扫气过程后膨胀装置内的工质压力接近环境压力时，所述控制阀门III (123)开启，当正时定容燃烧系统内排气过程开始前，所述控制阀门III (123)关闭。
7.根据权利要求6所述的热力循环系统，其特征在于:定容燃烧室包括燃烧室格栅(81)、燃烧室瓦块式绝热内壁(84)和燃料喷射器(9)，通过所述燃烧室格栅(81)结构实现均匀低温燃烧，抑制了 HC、CO、PM和NOx有害污染物的产生。
8.根据权利要求6所述的热力循环系统，其特征在于:多级压缩中冷装置设置为三级压缩和二级中冷，工质首先经过一级压缩进气口(51 )，经过一次压缩后，从一级压缩排气口 (52)排出，经过中间冷却过程后，再次进入二级压缩进气口(53)，经过二次压缩后，从二级压缩排气口(54)排出，经过二级中间冷却后，然后进入三级压缩进气口(55)，最后从三级压缩排气口(56)排出。
【文档编号】F02G1/00GK103939229SQ201410132101
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】张孔明, 梁世希, 金则兵, 王科, 张帆, 朱建明, 谢昕, 周松景, 周群, 王彦超, 姜进, 刘敬平, 廖诚, 杨汉乾 申请人:绿能高科集团有限公司, 北京绿能高科天然气应用技术研究院有限公司, 河南中原绿能高科有限责任公司, 山东绿能燃气实业有限责任公司, 包头中援绿能天然气有限公司, 河南绿能融创燃气有限公司