极高功效内燃机气体工作物质热力循环的制作方法

极环属于内燃热动力机械气体工作物质热力循环技术领域。

背景技术：

到目前为止，还没有与极环在实质上相接近的内燃机气体工质循环技术。极环实质是因将其载体——极环式内燃机机体的有关物理力学特性和形式特点都充分合理地利用到了极致，从而既仍保机体运行安全可靠，又将其动力性(以比功表征)和运行经济性(以热效表征)大幅度(极环约是低功效性能环的2倍)地提升到了极致的定最高气压加热和定大气压放热的热力循环。

尽管极环的形式(或者叫环式)与定低气压加热、定大气压放热的一般用于燃气轮机或航空喷气机的布(莱顿循)环在加、放热环节有都“定压”的形相似，但是，布环燃程所定低气压至少比极环燃程所定最高气压低一个数量级，另外，布环机只可以稀燃(空燃比远大于1)加热＜＜极环机则可以饱和(空燃比等于1)加热。因此，可以把极环视为对布环进行“极环化”增功提效改造它已量变到了极致而发生质变的极限环。

极环也具有其环式和热效都极端接近同温限热效最高但却因为其定最高温的超高压加热在现代还没有超热强的机材适合于它故无可靠性可言和其定大气温放热须无限缓慢且机体非常庞大故无动力性可言而实不现的卡(诺循)环之意义。判定极环是极端接近卡环的理由是：极环也没有了可“回热”的条件：放热初温已尽量地低于了加热初温。

另外，对极环也有背景、参与作用的还有所谓“涡轮增压”的和在缸塞组合变容工作气腔内壁嵌装有陶瓷绝热材料即所谓“陶瓷绝热”的狄(塞尔循)环(即定较高气压加热和定大气容放热)技术。虽然这两个技术都有改善循环功效性能的效果，然而却是偏颇的和非更环提性而显著的。这是因为“涡轮增压”只小幅提升了加热程气压，虽可多加些热(原先加热也并未饱和)也增大了比功即提升了动力性，但由于涡轮增压系未与活塞机系连轴，涡轮功也全被叶压机耗尽，而涡轮出口废气的温、压、密、内能却比原先活塞机排气口(定大气容)的还要高，这就导致涡轮之后的废气放热实际变成了比原先狄式定大气容放热还要多的向大气扩容的放热，就是说涡轮增压虽会多加些热，但也会多放些热。于是，热效＝运行经济性＝比功/加热量＝1-放热量/加热量，就会因比值比功/加热量或放热量/加热量并没变而并没有得到提升。因此，可以说“涡轮增压”是一项只增功而不提效的偏颇技术。问题的关键是因“不连轴和涡轮小”而把循环的绝热膨胀和放热环节“改造”得更恶劣了(绝不该无意中反而提升了狄环的放热初态)；“陶瓷绝热”更是对原先的环式没做根本性的更环改造，只是将原先的确有漏热环节的狄环用“绝热腔材”最多改造成了即使不冷却腔体运行也安全可靠但功效性能即使不漏热也不高的理想狄环。如此，狄环虽因没了漏热而比功和热效均有些许提升，但与更环提性的极环化改造所获得的增功提效效果是不可比拟的。因此，可以说“陶瓷绝热”是一项“修修补补”低诉求的节能技术，而并非是一项更环改机提性具有技术“改朝换代”革命意义的只有极环才当之无愧的可谓“机尽力侍服于环而非环被迫倔从于机”的颠覆性技术。

发明目的

为了解决现代普遍实用着的各式内燃机热力循环的功效性能都很低下、不仅已浪费了大量的能源，而且正在造成纳废环境加速恶化的重大问题，必须对低功效性能环进行根本颠覆性的更环提性(机体也随之更新)的极环化改造，并用比功将达2076～2373kj/kg、热效将达70～80％的极环式新型内燃机逐步全面取代比功只有889.8～1186kj/kg、热效只有30～40％的现代低功效性能环式各型内燃机；从而终止一个多世纪以来，人类对大自然已不可再生、社会已不可或缺的化石燃料类能量资源(如今仍为全世界所用能量之主源)的多半(60～70％)浪费和相伴着严重大气污染下的环境、气候恶化；进而在人类用能的源头，实现具有本真意义的高效就是节能就是减排就是低碳就是环保的终极目标。

如果再将极环的温位够高废气放热量加以蒸汽循环利用，那么这个极环式燃气——蒸汽联合循环系统就有更高的功效性能了。这意味着，将煤炭(大量的化石燃料)液化用于独立极环机或极环式燃——蒸联合机都有非常光明的前景。

技术实现要素：

以上所述，也可谓是定性极环的内容。定量极环的内容，则是接下来将要详细阐明的。

由于极环总是要在一定的载体即一定形式的内燃机机体中才能定量实现，而且同一极环可以用不同形式和用途的内燃机来实现它。为了使定量极环的过程简明，首选单一气缸单拐外驱活塞四冲程多单元单涡轮极环(123451)机作为实现极环的最简机型，也是实现极环的最简方式或极环的实施例。

123451极环图示于极环说明书附图1，图名为《最简配机最高定压内燃饱和加热定大气压外敛废气放热极环温熵图》。

该图表明：极环的由单一气缸与单一活塞构成的单一变容工作气腔正在进行的四冲程工作是(一)、定大气态1扩容吸进空气冲程1→1；

(二)、限最高压p2缩容绝热压缩空气冲程1→2；

(三)、定最高压p2＝p3扩容(1.1％)喷油饱和加热q23燃膨2→3+限大气容v4＝v1＞v3扩容(98.9％)绝热膨胀3→4＝燃膨与绝膨串联组合冲程2→3→4；

(四)、定燃气态4缩容排气(给涡轮)冲程4→4，与此同时用与塞机连轴涡轮限大气压p5＝p1＜p4地将4态燃气继续绝热膨胀至5态废气的涡轮续膨过程涡轮出口定5态排废气入大气之后的定大气压

p1＝p5外敛压缩(v1＜v5)废气放热q51过程5→1。

根据各环节节点即过程端态的三个气态(t、p、v)参数和计算极环功效性能指标需要的加、放热环节(过程)两个热量(q23和q11)，则须由如下设算得到。

1、设用空燃气有限压缩状态方程即态式p(v-δ)＝rt。

即当比容v＝液化态比容δ＝1.187l/kg时，则有就是说，这时空燃气即使未液化也是再压不缩的了。

2、设极环起始或终了节点1态为大气常态，即t1＝300k,p1＝1atm，由态式知

3、设用空燃气实测适线温变比热cp＝2.142+0.08478(t-2700)^1//3kj/kgk(300k≤t≤5100k)cv＝cp-r＝1.855+0.08478(t-2700)^1/3kj/kgk(300k≤t≤5100k)。

4、设用柴油燃料，其低热值43×10³kj/kg，空气与之完全燃烧的化学当量比于是，1kg空气最多能加进1/14.5kg柴油的内燃饱和热量

5、极环计算中忽略燃料的加入引起单位质量循环工质变多的影响，即按不加质只加热处理(这是可以的，因为1/14.5＝0.069比1少0.931)。

6、设限、定最高气压p2＝p3的是活塞往复运动曲轴机构的轴颈承压面积az(拐轴的或主轴总的)较小的且与活塞迎气面积ah相当的滑动轴承所允许的最高恒载压强为最强轴承合金材料在常温环境下许用的最高恒载比压[p]＝250atm。并按因p1＝1atm可忽略、az≈ah而限定最高气压p2＝2[p]＝500atm＝p3。当计及活塞及偏心机构的平均质量惯性力fm削弱平均气压合力[p]ah-fm＝[p]az时，则可设减轴承承压面积az＝ah–fm＜ah。

7、设标志着机体高温力学特性的是由气缸与活塞构成的变容工作气腔内壁的均衡壁温t(由循环气在四冲程中周期变化气温的均衡不变气温t和是否冷却腔体t≤t决定)下的弹性抗压极限应力σ简称为弹限。之所以取内壁的热强为弹限，就是为了确保内壁在其均衡壁温下始终处于弹性应力状态而无塑变、蠕变之忧。只要腔内最高气压p2＝p3≤腔内壁衡温t弹限σ，腔体在极环运行中就是安全可靠的；而且因这样的腔体不须冷却(t＝t)甚至还可实施体外保温隔热而就可按不漏热循环计算的极环就真实可信。不同的腔体内壁材料有不同的衡温弹限：钢铁类腔内壁

衡温t弹限钨陶类腔内壁衡温t弹限

8、设限、定大气压p5＝p1的是在变容工作气腔排气口后所设置的既要与活塞机连轴又能将4(v4＝v1)态燃气继续膨胀为5(p5＝p1)态废气的涡轮机。该涡轮机不仅是要接受一个变容工作气腔所供燃气，而且还要接受多个(即多个单元塞机)变容工作气腔所供燃气。这样做的目的既要保证涡轮中的燃气流量连续趋稳，又可实现由多个单元塞机组合成的整机能够自行部分或完全消除机震。123451极环温熵图所示的只是一个变容工作气腔单元塞机与涡轮机串气连轴所完成的一个完整的饱和加热极环。

下面就据上列所设，计算极环各节点态参数、加、放热环节热量和极环功效性能指标以及分析其真实性。

因1→2程绝热(等熵)，有

已知式中t1＝300k，r＝0.287kj/kgk，p1＝1atm，p2＝2[p]＝500atm，于是便可试算解知t2＝1571k，

由态式知

因2→3程定压p3＝p2＝500atm，有内燃饱和加热量已知式中t2＝1571k，于是便可试算解知t3＝3190k。

由态式知，该程两端态熵差因故该程温熵线2～3是微凸的。

因3→4程绝热(等熵)，有＝0，已知式中t3＝3190k，r＝0.287kj/kg；v3＝19.26l/kg，δ＝1.187l/kg，v4＝v1＝851.1l/kg，于是便可试算解知t4＝1443k，

由态式知

因程绝热(等熵)，有

已知式中t4＝1443k，c4＝-0.775，r＝0.287kj/kg，p4＝4.810atm，p5＝p1＝1atm，于是便可试算解知t5＝982.4k，由态式知，因5→1程定压p1＝p5＝1atm，有外敛放热量：

该程两端态熵差计算无误。因故该程温熵线5～1是较凹的。

以上便是饱和加热极环的一个定量完整循环，可知其功效性能指标中的有效功(比功)输出l123451＝q23-q51＝2966-726.3＝2240kj/kg和热效率都达到了发明极环的目标：比功2076～2373kj/kg和热效70％～80％。

那么，量化极环所得到的如上功效性能指标是否真实呢？除了可以确认限定p2＝p3＝2[p]＝500atm的曲轴滑动轴承的确安全可靠和限定p5＝p1＝1atm的在变容工作气腔排气口后设置既与塞机连轴又有降压比的涡轮机的确方案可行外，还要看变容工作气腔内壁在不冷却腔体条件下的衡温t＝t弹限σ是否大于或等于p2＝p3，是则因不须冷却腔体不漏热(t-t＝0)而指标就真实，否则因必须冷却腔体有漏热(t-t＞0)，而指标就会下降失真。

现已可计算用钨陶类腔内壁时，显然是安全可靠不须冷却腔体不漏热的，故所得功效效能指标也是真实的。甚至还可以改用特性较差的σ＝500atm，熔点的内壁；

用钢铁类腔内壁时，这显然是毁机性的不可靠，必须至少把内壁温冷却至才安全可靠，但这时便有δt＝t-t＝343k的稳恒漏热温差，就会因漏热而使指标下降失真。可见，钢铁类材料其实不宜用作极环的变容腔内壁。否则，若明知不可为而为之，那必须冷却腔体对应极环的性能指标也下降就是不可避免的了。

极环优点

通过对极环进行的量化，可以看出：极环在机体运行安全可靠性方面虽仍与低功效性能环相当，但却具有了已将低功效性能环的比功(标志着动力性)889.8～1186kj/kg和热效(标志着运行经济性)30～40％大幅度提高到了极环的比功2240kj/kg和热效75.5％这一非常突出的优点。

另外，由于极环用了符合实际的温变比热算法，故致使它的稀燃加热工况热效还高于了它的饱和加热工况热效。稀燃热效最高可达饱和热效0.755.尽管这时的比功是为零(无限稀燃就加不进热)的，但饱和度不为零时的稀燃总有不为零的比功和较高的热效。故极环机就更适用于负荷变动频繁、常有部分负荷工况(对应着稀燃工况)的原动力需求场合。

附图说明

图1是最简配机最高定压内燃饱和加热定大气压外敛废气放热极环温熵图。

实施方式

极环之所以能够实现，就是因为可以给极环配置合适的载体——极环机机体。而与极环同温限的卡环就没有合适的载体。其实，极环本来就与其载体密切相关并完全取决于载体的性质和形式特点。这也是极环区别于其他环的明显特征。

在发明内容里，为使定量极的过程简明，首选了单一气缸单轴单拐外驱活塞四冲程多单元单涡轮极环(123451)式内燃机作为实现极环的最简方式，但不一定是最好方式。其实，实现同一功效性能的极环，并没有最好的方式而只有最简和不同形式适合不同用途的极环机方式。

除了最简方式的极环i型机外，还有适用于单一负荷(比如发电机)场合的较为复杂的六变容腔六面一体双轴顺拐内驱活塞两冲程多单元单叶压单涡轮极环ii型机和适用于多个负荷(比如四驱车)场合的更为复杂的八变容腔八面一体双轴对拐内驱活塞两冲程多单元双叶压双涡轮极环iii型机……等等，这些都是可以实现同一极环的不同形式的极环式内燃机机型，也都各有其优缺点。

要具体说明具有详细结构构造的哪怕是i型机极环式内燃机，都不是属于本发明——极环的内容，就不在此论述了。

附说明书附图1。