CN102121434A - 低熵混燃循环热动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构、燃烧室、氧源和燃料源，氧源经氧高压供送系统与燃烧室连通，燃料源经燃料高压供送系统与燃烧室连通，在氧高压供送系统内设置氧吸热热交换器，氧源中的氧在氧吸热热交换器中吸热形成高压气态氧进入燃烧室，氧高压供送系统的最低承压能力大于等于2MPa；燃烧室与至少一个作功机构连通，作功机构对外输出动力。本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统是以低熵混燃循环为循环模式，是继外燃循环发动机和内燃循环发动机之后的新一代发动机，所述低熵混燃循环热动力系统不生成NOx、可无气体CO2排放、可无热排放、效率高、输出的功甚至可以接近或大于燃料的热值，而且负荷响应好。

Description

低熵混燃循环热动力系统
技术领域
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种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，标志着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，也就是即将膨胀作功时工质的温度)低和内燃循环系统的T2值(即低温热源的温度，也就是膨胀冲程/过程完了时工质的温度)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
在热动力系统内，如果燃烧室是绝热燃烧室燃料在燃烧时会将燃烧产生的热量传递给产物受热流体和相内受热流体，如果燃烧室是非绝热燃烧室燃料在燃烧时会将燃烧产生的热量传递给产物受热流体、相内受热流体以及相外受热流体。所谓产物受热流体是指燃烧化学反应的生成物(例如，燃烧碳氢化合物的热动力系统中燃烧产生的二氧化碳和水)；所谓相内受热流体是指与燃烧化学反应处于同一相内但不参与燃烧化学反应的流体(例如，用空气作氧化剂的热动力系统中的氮气以及空气中固有的二氧化碳等)；所谓相外受热流体是指处于燃烧化学反应相以外并接受燃烧化学反应所产生的热量的流体(例如，外燃机的水蒸气系统和内燃机的冷却系统)。根据外燃循环热动力系统和内燃循环热动力系统的工作原理，不难看出，在外燃循环热动力系统中，只有相外受热流体参与作功，而产物受热流体和相内受热流体并不参与作功(见附图20)，产物受热流体和相内受热流体虽然在燃烧过程中受热膨胀但不对外作功只是白白地受热进行熵增大的过程，所以在外燃循环系统中，有相当多的热量没有通过作功通道，即没有参与作功循环；在内燃循环系统中，只有产物受热流体和相内受热流体参与作功，而相外受热流体并不参与作功(见附图21)，例如传统内燃热动力系统(内燃机、燃气轮机等)的冷却系统(例如内燃机的缸套冷却系统)使大量的热量不对外作功，而进行熵增大过程，为此产生巨大的热能浪费。所以在内燃循环系统中，也有相当多的热量没有通过作功通道，即没有参与作功循环。总之，无论是在外燃循环热动力系统中还是在内燃循环热动力系统中都有大量的热没有参与作功就排放到环境中而白白浪费了。
此外，外燃机的特殊传热方式要求必须具有很大的传热温差才能保证传热效率，由于工质发生器(即锅炉)传热壁材料性能的限制使得工质的T1值(即高温热源的温度)较低，现代最先进的外燃工质发生器的T1值也只有630℃左右(如超超临界发电机组的锅炉中的蒸汽)，所以即便采用适当的工质使外燃循环的T2值(即低温热源的温度)降低至几十度(即330开尔文左右)，但因无法增大T1值，所以外燃循环的热效率仍较低。在传统内燃循环中，均含有压缩过程或压缩冲程(如燃气轮机的压气过程、传统内燃机的四冲程循环或二冲程循环中的压缩冲程)，但由于传统热动力系统的结构以及工质流程的限制压缩冲程完了时的压力不可能达到很高水平，即便是增加压缩力度，也很难把压缩冲程后的压力设定很高的水平，否则不仅耗功过大(如压缩冲程完了时压力过高，尽管可以使燃烧后的温度和压力均有明显提高，但由于压缩冲程耗功过多，反而会使整个系统的热效率降低)，而且还会因为温度过高产生大量NOx对环境产生更大的污染，为此，传统内燃热动力系统的燃烧室内的压力难以达到很高的水平(一般活塞式内燃机只有15MPa左右，而轮机只有3MPa左右)。由于内燃热动力循环过程中存在方程式
Figure BSA00000423613900031
其中T1和P1分别为高温热源的开尔文温度和压力，T2和P2分别为低温热源的开尔文温度和压力，K为绝热压缩指数，而空气的绝热压缩指数为1.4，所以存在压力比等于温度比的约3.5次方的基本近似关系，由此可见，要想使T2降低，从而提高热功转换效率，就必须使燃烧后的气体工质压力大幅度上升，达到数十兆帕或更高压力。为了使燃烧室内的原工质燃烧后的气体压力达到如此高度的水平，必须使燃烧前的工质(即原工质)的压力具有相当高的水平，最好是达到压力高温度低的状态(因为充入燃烧室的原工质的压力越高，温度越低，工质膨胀作功后的温度也会更低，效率也就越高)。而在传统的内燃热动力系统中，很难使燃烧室内燃烧前的工质(即原工质)达到这种状态，为此，T2一般都很高，达到约800℃左右。所以，在传统内燃循环系统中，要想提高效率，主要是增加T1，然而T1的增加，会生成大量的氮氧化物NOx，造成对环境的严重污染，因此内燃循环的效率也不可能达到更高的水平。
由此可见，外燃循环系统中的T1不可能达到较高的水平，而内燃循环系统中的T2也不可能达到较低的水平。这意味着传统的外燃循环热动力系统和内燃循环热动力系统的热功转换效率都不可能达到较高的水平。
如果进行更深刻的分析，我们不难看出，作功过程的真正推动力是压力而不是温度，升高温度只是产生压力的手段，如果高温热源状态下的工质压力不够高，无论系统内有多少热能都无法现实地产生应有的功(由于在现实中低温热源状态下的工质压力不可能太低，一般要高于大气压力，无法实现无限膨胀)，根据效率公式(P1和P2分别为高温热源的压力和低温热源的压力，K为绝热压缩指数，空气的绝热压缩指数为1.4)可知，提高高温热源状态下的工质压力是提高热机效率和功率密度的唯一根本途径，一切加入工质中的热量的量和加入方式都必须以提高高温热源状态下的工质压力为目的，否则过高的温度只能影响热机的寿命，对材料提出更高的要求并造成更大的污染，有百害而无一利。
高温热源状态下的工质压力高而温度相对较低，才能实现既高效又低污染，而这在传统内燃发动机中是无法实现的，因为压缩过程中的温升是由绝热压缩过程形成的即温度和压力的关系是
Figure BSA00000423613900042
(a是常数)，燃烧反应所引起的温升是由定容化学反应产生的热量形成的即温度和压力的关系是P＝bT(b是常数，即压力和温度是直线关系)，在传统内燃机中，是将这两个温升过程直接叠加后再进行绝热膨胀对外作功，这就必然导致温度过剩，而过剩的温度是导致传统内燃发动机低效率和高污染的原因(所谓“过剩的温度”是指按照绝热膨胀过程中温度和压力的关系，为了达到某一终点状态，在起点状态下工质的实际温度高于理论上所需温度的温度)；在传统外燃发动机中，由于材料的限制，很难使处于高温热源状态下的工质温度有本质的提高(传统外燃机的工质压力是由工质温度决定的，如果工质温度不够高，压力就不可能达到更高的水平，也无法对工质进行加压，否则会产生工质相变(除热气机外)。目前，最先进的超超临界发电机组锅炉产生的蒸汽温度仅有630℃左右，压力在300个大气压左右)，所以传统外燃发动机的效率也无法有本质的提高(如果能够将传统外燃发动机的工质温度提高到一千几百摄氏度，压力也达到更高水平，则外燃发动机的效率会有本质的提高)。
由以上两个方面可知：不论是外燃循环系统，还是内燃循环系统，在将热转换成功的过程中都存在着先天不足，这些先天不足构成了传统发动机的低热效率高污染现状。即最好的传统发动机也仅仅利用了燃料化学能的三分之一左右，而另外的约三分之二则以废热的形式排放到环境中。不仅如此，几乎所有的传统发动机无论是外燃机还是内燃机都使用自然空气作为氧化剂，因为自然空气中含有大量的氮，在传统发动机的循环模式下，这就不可避免地产生NOx等污染物，严重污染环境。
综上所述，外燃热动力系统和内燃热动力系统的循环方式严重限制了热功转换效率，并造成不可规避的污染排放问题。
在过去几十年的时间里，为了提高发动机的效率和环保性，全世界的发达国家都进行了大规模的研究和开发工作，但是其成果远远不能满足人们的要求，也永远解决不了内燃机和外燃机的先天不足。这就如同冷兵器时代，无论人类如何精雕细琢更好的弩，如果没有火药的诞生，兵器无论如何也不可能有大的进步。换言之，要想从根本上解决发动机的效率和污染问题，就必须从根本上摆脱外燃循环和内燃循环的束缚，重新设立一种继外燃循环和内燃循环之后的新型更优秀的循环方式。在这种新的循环方式的指导下开发出高效、低污染或零污染的第三代发动机(第一代是外燃发动机，第二代是内燃发动机)，才是从根本上提高发动机的效率，降低发动机排放污染的唯一选择。
详细分析科拉伯龙方程PV＝nRT，可以得出这样的结论：从对作功能力贡献的角度来说，工质的摩尔数n和工质的开尔文温度T是等价的。从热功转换方程可知，要想得到多的功W，一是要增加通过作功通道(即参加作功循环)的热量Q(在内燃发动机中此处的Q值是燃料的放热量与冷却散热量的差值，在外燃发动机中此处的Q值是燃料的放热量与排烟余热热量的差值)，二是提高热功转换效率的值。对热力学效率方程
Figure BSA00000423613900063
进行数学计算可以得出结论：效率η虽然是T1(即高温热源的温度)和T2(即低温热源的温度)的函数，但对效率η具有决定性控制作用的不是T1，而是T2(见图22)。如图22所示，在T2较低的前提下提高T1才能获得更高的效率，否则提高T1对提高效率作用不大。从热机工作过程的本质看，无论任何热机，其工作过程只有两个：一个是工质准备过程，也可以说是制造工质的过程，这是利用热量使工质升温，再利用温度达到升压目的的过程，在这个过程中最重要的不是工质的温度，而是工质的压力；另一个是工质通过作功机构的作功过程。要想达到高效低污染热功转换并得到更多的功，我们可从以下方面入手：第一，使全部、近乎全部或大于燃料燃烧释放的热量通过作功通道参与热功转换对外作功。也就是说在绝热燃烧室的情况下使产物受热流体和相内受热流体全部参与作功循环，在非绝热燃烧室的情况下使产物受热流体、相内受热流体以及相外受热流体全部参与作功循环；不仅如此，尽最大努力将参与作功循环后的将要向环境排放的热量(如内燃机的排气余热)加以利用使这些热量回流到系统中再次参与作功循环，从而使参与作功循环的热量接近、等于或大于燃料燃烧所放出的热量，这实质是增大热功转换方程
Figure BSA00000423613900071
中的Q值。第二，大幅度增加燃烧室内原工质的压力，可通过非气体压缩的形式大幅度提高燃烧室的原工质压力(如对液态原工质加高压后再在高压下汽化进入燃烧室)进而实现工质压力的大幅度提高，作功后达到大幅度降低T2值的目的。在T2较低的前提下，在满足环保要求和材料要求的范围内尽最大努力提高T1值(特别是对外燃循环热动力系统，提高T1值更为重要)，并且T1，T2和工质摩尔数n三项统筹并重。第三，在工质具有足够压力的前提下，将T1设定在少生成或不生成NOx的温度范围内，即实现工质压力高，温度适当的状态，减少NOx等污染物的排放；或在有些情况下用氧代替空气在燃烧室内和燃料发生燃烧反应，彻底消除NOx的排放，利用氧有压或高压充入燃烧室的易控性，省略发动机的压缩冲程，在提高环保性的同时提高热动力系统的效率。
从第一个方面来说，为了解决内燃热动力系统和外燃热动力系统在热力学循环方式上存在的只有部分燃烧热量通过作功通道及燃烧后工质压力低的缺陷，本发明公开了一种低熵混燃循环热动力系统。在这种低熵混燃循环热动力系统中通过使高压原工质进入绝热燃烧室的形式，或通过使高压原工质先进入设在非绝热燃烧室壁上的高压流体吸热壁内通道再进入非绝热燃烧室的形式，或通过使高压原工质先进入设在热动力系统的排气道上的高压流体吸热排气热交换器和设在非绝热燃烧室壁上的高压流体吸热壁内通道再进入非绝热燃烧室的形式，或通过使高压原工质先进入设在热动力系统的排气道上的高压流体吸热排气热交换器再进入非绝热燃烧室的形式，使全部、近乎全部或大于燃料燃烧释放的热量通过作功通道参与作功循环。可形象的比喻如下：内燃机的冷却系统不再以向环境散热的方式实现对燃烧室壁(缸套、缸盖等)进行冷却，而是通过把燃烧室壁的热量带回燃烧室后进入作功通道(所谓作功通道是指工质在参与作功循环对外作功的过程中流经的通道)或直接带回作功通道的方式在承担高压工质发生器(相当于锅炉)作用的同时，完成对燃烧室壁的冷却；外燃机的锅炉的炉膛不再仅仅负责燃烧放热，也要承担相当于内燃机燃烧室的作用。这一方案从根本上克服了在传统热动力系统(内燃热动力系统和外燃热动力系统)中只有一部分燃烧热参与作功而且燃烧时工质压力低的弊病，有效地增加了参与作功循环的热量，提高了热动力系统的效率和环保性。设在排气道上的高压流体吸热排气热交换器的作用是回收参与作功循环后的将要向环境排放的热量(如内燃机排气的余热)，并将这些热量回流到系统再次参与作功循环，在这种结构中，参与作功循环的热量在有些情况下会高于燃料燃烧放出的热量。所谓原工质是指没有通过内燃燃烧加热的工质，即进入燃烧室的氧化剂、还原剂和膨胀剂，以及其各种相变物，所谓相变物是指处于不同状态的原工质，即气态、液态或固态。
从第二个方面来说，为了解决传统热动力系统中要么T1低(外燃循环)，要么T2高(内燃循环)的问题，本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统包括了原工质在高压状态下以气态的形式进入燃烧室在燃烧室内进行内燃加热的方案，这一方案为控制燃烧室内的燃烧温度(即T1)和提高燃烧压力创造了条件。这个方案中由于原工质进入燃烧室的压力是通过液体泵在加热前建立，故这一压力可以达到很高的水平，所以燃烧后的工质压力将比传统热动力系统有大幅度地提高，达到相当高的水平，燃烧室内的工质温度也大幅度高于传统外燃循环热动力系统的工质最高温度。燃烧室的原工质燃烧压力的大幅度提高会大幅度降低作功过程完了时的工质温度(即T2)。这一方案从本质上解决了传统热动力系统中要么T1低(外燃循环)，要么T2高(内燃循环)的问题，从而可以从本质上大幅度提高热动力系统的热功转换效率。
从第三个方面来说，为了解决环保问题，可以使燃烧室内的工质温度保持在氮氧化物生成温度以下，从而避免NOx的生成，这是行之有效的方案，然而也可以用氧代替空气作氧化剂从根本上解决NOx的排放问题。本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统采取了用氧取代空气作氧化剂的方案。氧是一种常用的化工原料，其液化温度相对较高、比较容易储存，制造成本也较低。可以用氧和燃料直接燃烧，也可以用氧、燃料和膨胀剂混合燃烧，后者可以使燃烧室的温度得到良好控制，以满足民用发动机对材料热负荷的要求。为此，在本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统的某些方案中设置了膨胀剂系统。所述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n并膨胀作功的工质。用氧或在热功转换过程中不产生有害化合物的含氧气体作为热动力循环系统的氧化剂，是解决热动力转换系统排放污染问题的重要选择。
本发明所谓的混燃循环热动力系统是指燃料燃烧释放的所有热量或近乎所有热量或大于燃料燃烧释放的所有热量全部参与作功循环的热动力系统(在设有原工质吸热排气热交换器的结构中，参与作功循环的热量可能高于燃料燃烧放出的热量)。本发明所谓的混燃循环是指燃料燃烧释放的所有热量或近乎所有热量或大于燃料燃烧释放的所有热量全部参与作功循环的循环。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，可以采用三种方式，一是对燃烧室进行绝热，二是利用原工质在进入燃烧室之前将燃烧室壁上的热量吸收带回燃烧室或直接参与作功，三是利用原工质将排气或排烟的余热带回燃烧室或直接参与作功。例如绝热发动机，联合循环等都属于混燃循环的一种形式。
本发明所谓的低熵混燃循环热动力系统指燃料燃烧释放的所有热量或近乎所有热量或大于燃料燃烧释放的所有热量全部参与作功循环的热动力系统(在设有原工质吸热排气热交换器的结构中，参与作功循环的热量可能高于燃料燃烧放出的热量)，当作功机构设为活塞式作功机构时工质的最高压力大幅度高于传统活塞式内燃机燃烧室的最高压力，当作功机构设为非活塞式作功机构时工质的最高压力大幅度高于传统非活塞式热动力系统燃烧室的最高压力，而且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，效率本质性地高于传统热动力系统的效率，排放污染有本质性的改善的系统。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(本发明中定义为第三代发动机)。本发明所谓的低熵混燃循环是指燃料燃烧释放的所有热量或近乎所有热量或大于燃料燃烧释放的所有热量全部参与作功循环，工质的最高压力大幅度高于传统热动力系统中的工质的最高压力且无过剩温度的循环。为了进一步提高所谓的低熵混燃循环热动力系统的环保性，可用氧或在热功转换过程中不产生有害化合物的含氧气体作为低熵混燃循环热动力系统的氧化剂。
在本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统中，由于原工质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绝热或近乎绝热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内的压力，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内工质的最高温度高。为此，科学有效地调整燃烧室内工质的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。本发明所谓的超低熵混燃循环是指大于燃料燃烧释放的所有热量参与作功循环，而且工质的最高压力大幅度高于传统热动力系统中的工质的最高压力，工质膨胀作功后的温度大幅度低于环境温度，热效率超过100％的循环。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(可近似为环境状态)时所放出的热量。而所述超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(也就是近似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(如液化二氧化碳等)，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％。
化学能可以加入具有任何高压和任何高温的工质中，而且只要以科学的方式将化学能加入工质后再使工质膨胀作功，就可以使膨胀作功后的工质的温度大幅度低于标准状态的温度(可近似为环境温度)。如果使膨胀作功后的工质的温度达到很低的水平，或使膨胀作功过程中的工质从环境中吸热，就可以使系统输出的功大于所加入的化学能。在这种情况下，可以认为化学能的品位高于机械能(功)。
本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统在原工质进入燃烧室后可以没有压缩过程(冲程)、可以有压缩过程(冲程)或部分压缩过程(冲程)。所谓通过非气体压缩的形式大幅度提高燃烧室的压力并不是指必须没有气体的任何压缩过程，而是可以没有一些气体压缩过程，完全靠高压气体充入燃烧室建立起室内原工质压力，也可以在压缩过程或部分压缩过程后向燃烧室充入高压气体建立起室内原工质压力，但其主流是通过加压液体后汽化或临界化形成高压气体。
本发明所公开的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。
本发明所公开的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控制，不仅可以调节燃料，还可以调节氧和膨胀剂，所以本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统具有更好的负荷响应。
本发明所谓的含碳化合物是指含有碳的可以燃烧的化合物，如汽油、柴油、酒精等。
本发明所谓的超高压液体泵是指输出压力达到10MPa以上的液体泵。通过所述超高压液体泵可以使进入燃烧室的原工质压力达到或接近10MPa或超过10MPa。
本发明所谓的自液化是指在工质完成作功冲程后由于温度大幅度降低，全部工质或部分工质或工质中的某种组分发生液化的过程。
燃烧室的工质最高压力(燃烧后的压力)是由燃烧前原工质的组分、总压力、温度以及燃料燃烧放热量和燃烧室容积是否变化决定的。在本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统的作功机构设为活塞式作功机构的结构中，燃烧室的工质最高压力大于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；在本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统的作功机构设为非活塞式作功机构的结构中，燃烧室的工质最高压力大于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、11MPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、19MPa、20MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa或30MPa。为了达到燃烧室工质的设计最高压力，实现高效、低污染和低燃烧室热负荷的目的，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燃烧室内的气体状态。燃烧室内工质的最高温度与燃烧室内工质的最高压力应当匹配，如果燃烧室内的工质最高温度过高不能与工质最高压力匹配，将造成作功完了后工质的温度过高，有害而无利。
本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统的原理是通过原工质的高压气化或临界化吸收系统的余热和/或环境中的热量并将这些热量带回燃烧室或通过在燃烧室建立高压状态，在燃烧室间歇式燃烧的结构中使大于燃料燃烧所释放的热量或等于燃料燃烧所释放的热量或近乎等于燃料燃烧所释放的热量在超出传统燃烧室工质最高压力的条件下直接参与作功循环；在燃烧室连续燃烧的结构中使含有大于燃料燃烧所释放的热量或等于燃料燃烧所释放的热量或近乎等于燃料燃烧所释放的热量的工质在超出传统燃烧室工质最高压力的条件下经控制阀间歇式导入活塞式作功机构参与作功循环或连续导入非活塞式作功机构参与作功循环，并且在能够满足材料和排放性要求的情况下，在有足够压力相匹配的条件下(即可以达到较低T2的条件下)尽可能的提高燃烧室工质的最高温度，从而获得高效率；如果需要对排放的气体进行液化回收，与燃烧室的最高温度相匹配的最高压力应更高些，以获得较低的排气温度，有利于排气的冷却和/或液化。所谓的临界化是指物质由非临界状态变为临界状态或超临界状态的过程。
本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统的具体技术方案如下：
一种低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构、燃烧室、氧源和燃料源，所述氧源经氧高压供送系统与所述燃烧室连通，所述燃料源经燃料高压供送系统与所述燃烧室连通，在所述氧高压供送系统内设置氧吸热热交换器，所述氧源中的氧在所述氧吸热热交换器中吸热形成高压气态氧或临界态氧进入所述燃烧室，所述作功机构设为非活塞式作功机构或活塞式作功机构；在所述作功机构设为非活塞式作功机构的结构中所述氧高压供送系统的最低承压能力大于等于2MPa，在所述作功机构设为活塞式作功机构的结构中所述氧高压供送系统的最低承压能力大于等于3MPa；
所述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。
一种低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构、燃烧室、氧源、燃料源和膨胀剂源，所述氧源经氧高压供送系统与所述燃烧室连通，所述燃料源经燃料高压供送系统与所述燃烧室连通，所述膨胀剂源经膨胀剂高压供送系统与所述燃烧室连通；
在所述氧高压供送系统内设置氧吸热热交换器，所述氧源中的氧在所述氧吸热热交换器中吸热形成高压气态氧或临界态氧进入所述燃烧室；在所述膨胀剂高压供送系统内设置膨胀剂吸热热交换器，所述膨胀剂源中的膨胀剂在所述膨胀剂吸热热交换器中吸热形成高压气态膨胀剂或临界态膨胀剂进入所述燃烧室；
所述作功机构设为非活塞式作功机构或活塞式作功机构；在所述作功机构设为非活塞式作功机构的结构中，所述氧高压供送系统和所述膨胀剂高压供送系统两者中的任何一个的最低承压能力大于等于2MPa；在所述作功机构设为活塞式作功机构的结构中，所述氧高压供送系统和所述膨胀剂高压供送系统两者中的任何一个的最低承压能力大于等于3MPa；
所述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。
在所述燃料源内的燃料为液化燃料的结构中，在所述燃料高压供送系统内设置燃料吸热热交换器，所述燃料源内的液化燃料在所述燃料吸热热交换器中吸热形成高压气体燃料或临界态燃料进入所述燃烧室。
在所述低熵混燃循环热动力系统的排气道内设置高压流体吸热排气热交换器；在设有所述氧吸热热交换器的结构中，所述氧吸热热交换器设为所述高压流体吸热排气热交换器；和/或在设有所述膨胀剂吸热热交换器的结构中，所述膨胀剂吸热热交换器设为所述高压流体吸热排气热交换器。
在所述低熵混燃循环热动力系统的排气道内设置高压流体吸热排气热交换器，所述燃料吸热热交换器设为所述高压流体吸热排气热交换器。
在所述低熵混燃循环热动力系统中设置高压流体吸热环境热交换器；在设有所述氧吸热热交换器的结构中，所述氧吸热热交换器设为所述高压流体吸热环境热交换器；和/或在设有所述膨胀剂吸热热交换器的结构中，所述膨胀剂吸热热交换器设为所述高压流体吸热环境热交换器。
在所述低熵混燃循环热动力系统中设置高压流体吸热环境热交换器，所述燃料吸热热交换器设为所述高压流体吸热环境热交换器。
在所述燃烧室的燃烧室壁内设置高压流体吸热壁内通道；在设有所述氧吸热热交换器的结构中，所述氧吸热热交换器设为所述高压流体吸热壁内通道；和/或在设有所述膨胀剂吸热热交换器的结构中，所述膨胀剂吸热热交换器设为所述高压流体吸热壁内通道。
在所述燃烧室的燃烧室壁内设置高压流体吸热壁内通道，所述燃料吸热热交换器设为所述高压流体吸热壁内通道。
所述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燃烧室内并且与所述燃烧室连通，所述氧源经氧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，所述膨胀剂源经膨胀剂高压供送系统与所述燃烧室连通，所述膨胀剂源内的膨胀剂被导入所述开放燃烧包络和所述燃烧室的燃烧室壁之间的空间内，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燃烧室的燃烧室壁的热负荷要求。
所述低熵混燃循环热动力系统还包括氧膨胀剂预混室，所述氧源经所述氧高压供送系统再经所述氧膨胀剂预混室与所述燃烧室连通，所述膨胀剂源经所述膨胀剂高压供送系统再经所述氧膨胀剂预混室与所述燃烧室连通，所述氧源中的氧和所述膨胀剂源中的膨胀剂在所述氧膨胀剂预混室中预先混合后导入所述燃烧室。
所述低熵混燃循环热动力系统还包括氧燃料预混室，所述氧源经所述氧高压供送系统再经所述氧燃料预混室与所述燃烧室连通，所述燃料源经所述燃料高压供送系统再经所述氧燃料预混室与所述燃烧室连通，所述氧源中的氧和所述燃料源中的燃料在所述氧燃料预混室中预先混合后导入所述燃烧室。
充入所述燃烧室后的原工质的温度等于或低于标准状态的温度。
所述膨胀剂设为气体液化物。
在所述低熵混燃循环热动力系统的排气道内设高压流体吸热排气热交换器，所述氧吸热热交换器、所述膨胀剂吸热热交换器和所述燃料吸热热交换器中的一种、两种或三种热交换器设为被加热流体先进入所述高压流体吸热排气热交换器再进入所述高压流体吸热壁内通道内的串联热交换器组。
所述燃料源内的燃料设为含碳化合物；在没有包括所述膨胀剂高压供送系统的结构中，在所述氧高压供送系统和/或所述燃料高压供送系统内设超高压液体泵；或在包括所述膨胀剂高压供送系统的结构中，在所述氧高压供送系统、所述膨胀剂高压供送系统和/或所述燃料高压供送系统内设超高压液体泵；
依据
Figure BSA00000423613900171
在设定膨胀后压力P2的前提下调整所述超高压液体泵的输出压力进而调整室内原工质压力，使所述燃烧室内的最高压力P1和最高温度T1满足所述低熵混燃循环热动力系统的低温热源温度T2达到在P2压力下二氧化碳的液化温度的要求，从而使所述低熵混燃循环热动力系统的排气发生自液化，以实现二氧化碳以液体或固体状态回收的目的。
本发明中所公开的燃烧室在与非活塞式作功机构连通的结构中，可设为连续燃烧室；本发明中所公开的燃烧室在与活塞式作功机构连通的结构中，可设为连续燃烧室，也可设为间歇式燃烧室，在设为连续燃烧室时，需要在所述连续燃烧室与所述活塞式作功机构之间设控制阀。当将本发明所述燃烧室设为连续燃烧室，并与一个或多个活塞式作功机构连通时，会取消传统发动机中的燃料供送系统(包括高压共轨系统和电控系统等)，会使燃料供送系统大幅度简化，而且会使燃烧更为有效，更为环保，因为在这种结构中，燃料有足够的时间与氧或含氧气体混合，从而使混合及燃烧更加充分。
本发明所谓的活塞式热动力系统是指利用活塞作功的热动力系统，所谓非活塞式热动力系统是指利用活塞以外的机构(如叶轮等)作功的热动力系统。本发明所谓的活塞式作功机构是指利用活塞作功的机构，所谓非活塞式作功机构是指利用活塞以外的机构(如叶轮等)作功的机构。
本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统充入所述燃烧室后的原工质的温度低于100℃、50℃、20℃、10℃或0℃。
本发明在只设有所述氧高压供送系统的结构中，当所述作功机构设为非活塞式作功机构时，所述氧高压供送系统的最低承压能力大于等于2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、85MPa、9MPa、95MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、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、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或30MPa。
本发明在只设有所述氧高压供送系统的结构中，当所述作功机构设为活塞式作功机构时，所述氧高压供送系统的最低承压能力大于等于3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、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、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或30MPa。
本发明在设有所述氧高压供送系统和所述膨胀剂高压供送系统的结构中，当所述作功机构设为非活塞式作功机构时，所述氧高压供送系统和所述膨胀剂高压供送系统两者中的任何一个的最低承压能力大于等于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、11MPa、11.5MPa、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、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或30MPa。
本发明在设有所述氧高压供送系统和所述膨胀剂高压供送系统的结构中，当所述作功机构设为活塞式作功机构时，所述氧高压供送系统和所述膨胀剂高压供送系统两者中的任何一个的最低承压能力大于等于3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、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、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或30MPa。
所述发动机和所述热动力系统是等同的。
所述第三代发动机是继外燃循环发动机和内燃循环发动机之后的以低熵混燃循环为指导思想开发出的新一代发动机，也就是所述低熵混燃循环热动力系统。低熵混燃循环方式及超低熵混燃循环方式是优于外燃循环也优于内燃循环的一种新的循环方式，是热功转换的更高级循环方式。因此，不论与外燃循环系统相比，还是与内燃循环系统相比，低熵混燃循环系统必定具有更高的效率。在这种循环方式的指导下，会开发出既优于外燃机也优于内燃机的高效、节能、低污染的新一代热机，即第三代发动机。
本发明所谓氧的易控性是指氧在充入燃烧室之前可以通过加压泵、温度传感器、压力传感器和受控电磁阀门等控制部件精确控制氧的温度、压力和导入气缸的量。由于燃料的量可以比较容易的精准控制，从而氧可以更加容易地在燃烧室内与燃油形成最佳混合比，达到更为理想的燃烧状态，最终使系统的效率和排放性得到改善。在传统发动机中，氧化剂的量是由活塞或压气机决定的，所以很难得到精准的控制。
在本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统中，通过使高压原工质进入绝热燃烧室的形式，或通过使高压原工质先进入设在非绝热燃烧室壁上的高压流体吸热壁内通道再进入非绝热燃烧室的形式，或通过使高压原工质先进入设在热动力系统的排气道上的高压流体吸热排气热交换器和设在非绝热燃烧室壁上的高压流体吸热壁内通道再进入非绝热燃烧室的形式，或通过使高压原工质先进入设在热动力系统的排气道上的高压流体吸热排气热交换器再进入非绝热燃烧室的形式，实现使全部、近乎全部或大于燃料燃烧释放的热量通过作功通道参与作功循环。而在燃料燃烧所释放的所有热量全部参与作功循环的前提下，原工质的压力越高，温度越低，热动力系统的环保性就越好，效率也越高。
由科拉伯龙方程PV＝nRT可知：从对作功能力贡献的角度来说，工质的摩尔数n和工质的开尔文温度T是等价的。但是因为开尔文温度T是以273.15为基数的，如果要获得成倍的功，成倍增加开尔文温度T是比较困难的。而成倍增加摩尔数n，就相对比较容易，而且可以获得更多的功，说明如下：
假设燃料燃烧前原工质的温度为T0，工质摩尔数为n0，燃料燃烧释放的热量为Q，则燃料燃烧后的工质的温度为T1＝T0+Q/CM(其中，C和M分别为燃料燃烧后工质的比热容和质量)，故燃料燃烧后工质的作功能力为PV＝n0RT1＝n0R(T0+Q/CM)；如果将工质摩尔数增加为2n0(即增加一倍)，燃料燃烧前原工质的温度仍为T0，燃料燃烧释放的热量仍为Q，则燃料燃烧后的工质的温度约，故摩尔数增加以后的燃料燃烧后的工质的作功能力为
Figure BSA00000423613900202
。所以，摩尔数增加前后，工质的作功能力的差值为(PV)/-PV＝n0RT0，显然，在只增加摩尔数而工质初始温度和燃料所释放的热量不变的情况下，系统能够获得更高的作功能力。在本发明所公开的低熵混燃热动力系统中，通过加入膨胀剂的形式来增加工质的摩尔数，可以提高作功能力，也就是说在条件成熟时可获得更多的功。
为了提高工质的作功能力，传统的方法是提高工质的温度，这一方法是正确的、有效的。但是，从上面的分析可以看出：在加热量相同的条件下，有效提高工质的摩尔数，虽然工质的温度会降低一些，但是由于摩尔数n的增加，其作功能力反而会得到明显提高。因此，在热动力系统中，应当统筹考虑摩尔数n和工质温度T，充分认识摩尔数n和工质温度T对作功能力来说是等价的这一事实。
本发明中的燃烧方式可以是燃料和氧直接燃烧，也可以是氧、燃料和膨胀剂混合式燃烧，还可以是在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直接燃烧形成的过高温度的火焰与燃烧室壁隔离，从而减少燃烧室壁的热负荷。
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、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和燃料的供给方式，使氧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和燃料燃烧反应时的火焰与燃烧室相隔离。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，相当于在燃烧室内悬浮设置核心燃烧区，从而形成开放燃烧包络与燃烧室壁的气体隔离，进而大幅度降低了对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，避免了燃烧室的壁直接接触火焰，就避免了火焰直接对燃烧室的壁发生传热，这实质上形成了一种对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)都是火焰直接接触燃烧室壁再对燃烧室壁进行冷却，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n并膨胀作功的工质，可以是气体或液体，如水蒸汽、二氧化碳、氦气、氮气及水、液体二氧化碳、液氦、液氮等。所谓的膨胀剂源是指提供气体膨胀剂或液体膨胀剂的装置。
本发明所谓的氧是指纯氧或在热功转换过程中不产生有害化合物的含氧气体。所谓氧源是指一切可以提供高压氧或高压含氧气体的装置、系统或容器，如高压储氧罐、液化氧罐或过氧化氢储罐等商用氧源，以及在热动力系统内的现场制氧系统(如膜分离制氧系统)等。如果所述膨胀剂源设为水，所述氧源设为过氧化氢，则两者可以设置在同一储罐内，通过调整过氧化氢水溶液的浓度，实现调整氧和膨胀剂的比例。
本发明所谓的气体液化物是指被液化的气体，如液氮、液氦、液体二氧化碳或液化空气等。
本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统，如果将膨胀剂设为气体液化物，则不仅可以利用气体液化物作为膨胀剂的功能，而且可以以气动发动机的形式利用气体液化物内所储存的能量，这一结构方式克服了传统气动发动机的许多缺陷，提高了系统的效率和环保性；这实质上构成了内燃气动发动机，所谓内燃气动发动机是指在内燃机的燃烧室内导入气体液化物，气体液化物和气缸内的气体工质混合后同时对外作功的机构；如果使用液氮作膨胀剂，应当通过调整原工质通入燃烧室的温度以及向燃烧室内导入氮的量达到降低燃烧室内的燃烧温度，规避氮氧化物生成的目的。液氮安全、成本低、资源丰富，可以利用谷电等廉价电力通过空分生产，经计算可知，液氮的能量密度与蓄电池相当，具有相当强的作功能力，液氮的气化潜热仅有水的百分之十左右，因此是优良的膨胀剂。
本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统，在向燃烧室导入原工质时，应当尽可能提高原工质的压力，尽可能维持所述原工质的临界态。所谓的临界态包括原工质的临界状态、超临界状态和超超临界状态。
本发明所谓的供送系统是指按照热动力系统燃烧室燃烧条件的要求将原工质供送给燃烧室的系统，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)。
本发明中的氧吸热热交换器、膨胀剂吸热热交换器和燃料吸热热交换器的热源可以是环境，也可以是系统中的低品质热源，如系统的排气等。
本发明所谓的高压流体吸热环境热交换器是指能够使高压流体从环境中吸热的热交换器。在某些情况下，所述低熵混燃循环热动力系统可能不产生高于环境的余热或只产生少量高于环境的余热，为了使进入燃烧室的原工质充分吸收低品位热量以提高热动力系统的效率，所以在这种情况下设置高压流体吸热环境热交换器。在所述高压流体吸热环境热交换器中，原工质可以发生相变成为气体，也可以不发生相变而只提高自身的温度，因为在所述低熵混燃循环热动力系统中某些原工质可能是处于低温气体状态或低温液化状态。
传统热动力系统多为吸入空气或低压含氧气体再进行压缩后喷入燃料燃烧，由于无论是活塞式还是叶轮式或是冲压式热动力系统，在压缩冲程中很难形成较高的压力，所以最先进的传统热动力系统中燃烧室的最高压力一般在15MPa左右，这个压力远远不能使T2降至理想程度，所以效率也无法提高。在本发明所公开的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燃烧室的方式，从而实现燃烧室工质最高压力大幅度高于传统内燃机燃烧室工质的最高压力，最终实现大幅度降低T2的目的。从热力学上分析可知，提高燃烧室工质的最高压力是降低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。
在确保有足够的压力与T1相匹配的情况下，而且在材料和排放性能够满足要求的情况下，为了提高热动力系统的效率，必须在大幅度降低T2的前提下尽可能提高燃烧室的最高温度T1。为了提高燃烧室的最高温度，就必须尽可能减少原工质在燃烧室内吸收燃料燃烧所释放的热量，所以要尽可能多的利用低品位热量将原工质气化后并高压进入燃烧室。这一过程实质上是将更多的低品位热量带回燃烧室，以减少燃料燃烧所释放热量的低品位化的量，其结果是使燃料燃烧所释放的热量的全部或更大部分处于高品位状态，从而提高了热动力系统的效率。由此可见，原工质气化后高压进入燃烧室对提高热动力系统的效率是至关重要的。
原工质吸收低品位热量(动力系统自身的余热和/或环境中的低品位热量)以气态或临界状态的形式进入燃烧室的热动力系统与原工质以液态的形式进入燃烧室的热动力系统具有本质的不同，是提高热动力系统效率的一个非常重要的过程。当然，根据热动力系统的具体结构不一定需要把所有原工质都进行气化，但是至少应该利用一种或一部分原工质将热动力系统自身的余热带入燃烧室，这样不仅可以提高效率，而且还可以取消或部分取消热动力系统的冷却系统。在利用低品位热量对原工质进行气化的过程中，必须保持高压状态，否则将降低热动力系统的热效率。为了能够实现这一高压过程，本发明中将液态原工质经液态泵加压后再进入气化过程，这样既可以节省加压的能量，也可以使气态处于高压状态。
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，没有明显增加燃烧室的压力，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，可以通过调节膨胀剂的量和性质控制绝热燃烧室的温度，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。
本发明中的膨胀剂可以是水、二氧化碳、氦气和其他物质，膨胀剂可以在所述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，可以先将膨胀剂压缩后进入燃烧室或进入燃烧室后再压缩，也可以将膨胀剂液化后通过液体泵加压再利用低品质热量气化形成高压气态膨胀剂进入燃烧室。
本发明中所谓的高压流体吸热壁内通道是指设在燃烧室壁内的高压流体加热通道，这一通道加热气化原工质的同时也起到对燃烧室壁的冷却作用。所以，在某些情况下原工质的温度和压力能够达到临界、超临界、超超临界状态或更高的状态，所述高压流体吸热壁内通道的承压耐温性能要达到原工质进入燃烧室状态的要求。所谓将高压流体吸热壁内通道设为热交换器是指让吸热流体通过所述高压流体吸热壁内通道。
本发明所谓的燃烧室壁是指在燃烧室内燃烧产生的高温高压气体能够接触到的面所对应的热壁。所谓热壁是指温度高的壁。
本发明所谓的作功机构是指一切可以将来自所述燃烧室的高压工质进行膨胀并通过高压工质膨胀过程对外输出动力的机构，如气缸活塞机构、螺杆式作功机构、透平等。
本发明所谓的燃烧室和气缸活塞机构构成的发动机可以是无压缩冲程的活塞式发动机，也可以是无压缩冲程后上止点燃烧式活塞发动机。所谓的无压缩冲程后上止点燃烧式活塞发动机，是指在没有压缩冲程的情况下，当活塞处于上止点附近时对气缸进行充气，当活塞越过上止点后气缸中才发生燃烧化学反应的发动机。在燃烧爆炸后，工质推动活塞下行进行作功冲程，当活塞接近或者将要达到下止点时，打开排气门进行排气；随着活塞上行，进行排气冲程。当活塞接近或处于上止点位置时，排气冲程完了，开始关闭排气门，对气缸进行充气。这种发动机，由于没有压缩冲程，而且活塞过上止点位置之后气缸内工质才达到最大压力开始作功(增大了发动机的扭矩)，所以这种发动机具有非常高的效率。由于本发明中，进入燃烧室内的原工质处于高压状态，故无需进一步压缩。
本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统设为无压缩冲程的活塞式发动机时，系统的循环图(即示功图)分别如图23所示的P-V图(Y轴为压力P，X轴为体积V)和图24所示的P-T图(Y轴为压力P，X轴为温度T)所示。图23中A-E所示的直线是原工质恒容充入增压曲线，E-B所示的直线是燃烧爆炸增压曲线，B-C所示的曲线是在绝热膨胀过程中的压力体积变化的曲线，C-D-A所示的曲线是排气过程中的压力体积变化曲线。图24中a-b-c-d-a所示的曲线是当充入燃烧室的原工质压力等于传统内燃机压缩冲程完了时的压力时的压力温度关系示意图，a-e-f-g-a所示的曲线是当充入燃烧室的原工质压力高于传统内燃机压缩冲程完了时的压力时的压力温度关系示意图，a-h-i-j-a所示的曲线是当充入燃烧室的原工质压力大幅度提高时的压力温度关系示意图，其中a-b、a-e、a-h所示的曲线是原工质恒容充入增压过程，b-c、e-f、h-i所示的直线是恒容燃烧爆炸增压过程，c-d、f-g、i-j所示的曲线是绝热膨胀过程，d-a、g-a、j-a所示的曲线是排气过程；不难看出，随着充入燃烧室的原工质压力的提高，系统的排气温度逐渐降低，可以接近于环境温度甚至大幅度低于环境温度，进而提高系统的效率；随着充入燃烧室的原工质压力的提高，恒容燃烧爆炸增压过程的直线(即b-c、e-f、h-i所示的直线)的斜率逐渐提高。
本发明的作功机构可以是喷管，它可以直线、曲线运动，也可以将其设置在旋转结构体上，通过旋转结构体的旋转对外输出动力。
本发明中的氧源可设为高压氧气、过氧化氢(H2O2)或低温液氧。其中，低温液氧具有明显的优势，液氧的造价按照现在的价格每公斤仅仅五六毛钱，而燃烧1公斤燃料大约需要3.5公斤氧，从表面上看，车辆需要装载相当数量的氧，但是由于本发明所公开的发动机的效率会明显提高，甚至达到现有发动机效率的两倍，重量和体积会明显降低，均衡利弊，本发明所公开的发动机仍然具有良好的经济性。
本发明所谓的燃烧室是指一切可以在其内部发生燃烧化学反应的容器，如传统内燃机的燃烧室、燃气轮机的燃烧室、火箭的燃烧室、发电厂的发电锅炉的燃烧室和普通锅炉的燃烧室等。
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、丙烷、酒精、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。
本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统，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源和膨胀剂源，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量。在必要的时候，可以用乙醇、水和碳氢化合物的混合溶液(如酒精、水和汽油的混合物)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低熵混燃循环热动力系统的要求。
本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统，在所述作功机构设为活塞式作功机构的结构中，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。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对温度的要求使其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，在与工质接触的所述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。
本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统中，在所述作功机构设为非活塞式作功机构(如动力透平等)的结构中，当膨胀作功完了时工质的压力可以等于或小于环境压力，以提高效率，在这种结构中，需将通过作功机构后的工质通道抽成低压，并使部分或全部工质发生冷凝。
本发明中，由于液态氧的温度较低，可以利用这一低温对发动机的余热进行更有效的利用，提高发动机的效率。
本发明中，所公开的低熵混燃循环热动力系统可以压燃，可以点燃，还可以蒸汽点燃。所谓的蒸汽点燃，是指高温高压的气态膨胀剂将氧化剂和还原剂提升到足够燃烧的温度和压力而将还原剂点燃。本发明中的燃烧方式可以是连续的，也可以是间歇式的。
在本发明所公开的低熵混燃循环热动力系统中，可根据公知技术和原理在适当的地方设置控制阀、泵、传感器、控制单元、燃料喷射器、火花塞等；所谓连通是指直接连通、经过若干过程(包括与其他物质混合等)的间接连通或经泵、控制阀等受控连通。当作功机构设为活塞式作功机构时，而且燃烧室内的燃烧设为连续燃烧方式时，在所述作功机构和所述燃烧室之间应设控制阀，以实现对所述作功机构间歇(按正时关系)提供工质；当作功机构设为活塞式作功机构时，而且燃烧室内的燃烧设为间歇式燃烧方式时，在所述燃烧室的原工质入口处应设控制阀，以实现对所述燃烧室间歇(按正时关系)提供原工质。
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很高的水平，如数千度甚至更高，作功工质的压力可以达到很高的水平，如数百甚至上千个大气压。
本发明与本申请人的申请号为201010118601.4的专利相比，本发明的区别和优势表现在：
本发明同时将膨胀剂和氧化剂(氧)利用发动机的燃烧室余热和/或排气余热加热汽化或临界化后经高压供送系统高压进入气缸直接进行燃烧，无需进行压缩冲程，省掉了压气活塞和压气冲程，简化了发动机的结构，而且避免了在压气冲程中消耗大量的机械功，从而提高了整个发动机的效率，而申请号为201010118601.4的专利仅仅将膨胀剂(冷却水)利用发动机的余热升温后喷入气缸，且仍然是吸入自然空气，在气缸内进行压缩冲程。
本发明与申请号为2008/115330A1的国际专利相比，本发明的区别和优势表现在：
1、除了氧化剂和还原剂外，本发明将高压气态或临界状态膨胀剂通入燃烧室，而申请号为2008/115330A1的国际专利将液态的水通入燃烧室(即将液态水做为膨胀剂使用)，但是将液态水直接喷入气缸做为膨胀剂使用存在明显的弊端：即液态水进入气缸后瞬间吸收大量的热而汽化，会大大降低气缸内工质的温度，从而减弱工质的作功能力，降低发动机的效率。而本发明将高压气态或临界状态膨胀剂喷入气缸做为膨胀剂使用，即相对于将液态水的汽化过程拿到气缸外进行，这样就可以利用发动机的余热来使液态水汽化或临界化，这不仅解决了液态水在气缸内汽化减弱工质做功能力的不足，而且解决了发动机的余热由于热品质较低难以有效回收利用的问题，从而大大提高了整个发动机的效率。
2、与申请号为2008/115330A1的国际专利相比，本发明省掉了压气活塞和压气冲程，简化了发动机的结构，而且避免了在压气冲程中消耗大量的机械功，从而提高了整个发动机的效率。
本发明与申请号为2010/036095A1的国际专利相比，本发明的区别和优势表现在：
1、除了氧化剂和还原剂外，本发明将高压气态或临界状态膨胀剂通入燃烧室而申请号为2010/036095A1的国际专利将液态水或液态氨水通入燃烧室(即将液态水或液态氨水做为膨胀剂使用)，其同样存在如下的弊端：即液态水或液态氨水进入气缸后瞬间吸收大量的热而汽化，会大大降低气缸内工质的温度，从而减弱工质的作功能力，降低发动机的效率。而本发明将高压气态或临界状态膨胀剂喷入气缸做为膨胀剂使用，即相当于将液态水的汽化过程拿到气缸外进行，这样就可以利用发动机的余热来使液态水汽化或临界化，这不仅解决了液态水在气缸内汽化减弱工质做功能力的不足，而且解决了发动机的余热由于热品质较低难以有效回收利用的问题，从而大大提高了整个发动机的效率。
2、与申请号为2010/036095A1的国际专利相比，本发明将高压气态膨胀剂喷入气缸后，在燃烧室和气缸之间形成了隔离，从而可以有效降低燃烧室高温对气缸壁的影响，同时减少余热的产生，提高发动机的热效率。而申请号为2010/036095A1的国际专利中的技术方案显然没有如此功能。
3、申请号为2010/036095A1的国际专利仍然具有部分压缩冲程，而本发明省掉了压气冲程，避免了在压气冲程中消耗大量的机械功，从而提高了整个发动机的效率。
本发明的有益效果如下：
本发明所公开的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为本发明的实施例1的示意图；
图2为本发明的实施例2的示意图；
图3为本发明的实施例3的示意图；
图4为本发明的实施例4的示意图；
图5为本发明的实施例5的示意图；
图6为本发明的实施例6的示意图；
图7为本发明的实施例7的示意图；
图8为本发明的实施例8的示意图；
图9为本发明的实施例9的示意图；
图10为本发明的实施例10的示意图；
图11为本发明的实施例11的示意图；
图12为本发明的实施例12的示意图；
图13、14和图15为本发明的实施例13的示意图；
图16为本发明的实施例14的示意图；
图17为本发明的实施例15的示意图；
图18为本发明的实施例16的示意图；
图19为本发明的实施例17的示意图；
图20为本发明外燃机的三种受热流体的示意图；
图21为本发明内燃机的三种受热流体的示意图；
图22为本发明热动力系统效率与T1、T2的关系曲线图；
图23为本发明的热动力系统工作循环的压力P、体积V的关系示意图；
图24为本发明的热动力系统工作循环的压力P、温度T的关系示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构1、燃烧室2、氧源3和燃料源4，氧源3经氧高压供送系统301与燃烧室2连通，燃料源4经燃料高压供送系统401与燃烧室2连通，在氧高压供送系统301内设置氧吸热热交换器3011，氧源3中的氧在氧吸热热交换器3011中吸热形成高压气态氧进入燃烧室2，氧高压供送系统301的最低承压能力大于等于2MPa；燃烧室2与至少一个作功机构1连通，作功机构1对外输出动力。所述氧源3设为低温液氧储罐。充入所述燃烧室2后的原工质的温度等于或低于标准状态的温度，这样可以使燃烧后的工质的压力达到更高的水平，进而提高系统的热效率。
实施例2
如图2所示的低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构1、燃烧室2、氧源3、燃料源4和膨胀剂源5，氧源3经氧高压供送系统301与燃烧室2连通，燃料源4经燃料高压供送系统401与燃烧室2连通，膨胀剂源5经膨胀剂高压供送系统501与燃烧室2连通；在氧高压供送系统301内设置氧吸热热交换器3011，氧源3中的氧在氧吸热热交换器3011中吸热形成高压气态氧进入燃烧室2；氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于3MPa；燃烧室2与至少一个作功机构1连通，作功机构1对外输出动力。
实施例3
如图3所示的低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构1、燃烧室2、氧源3、燃料源4和膨胀剂源5，氧源3经氧高压供送系统301与燃烧室2连通，燃料源4经燃料高压供送系统401与燃烧室2连通，膨胀剂源5经膨胀剂高压供送系统501与燃烧室2连通；在膨胀剂高压供送系统501中设置膨胀剂吸热热交换器5011，膨胀剂源5中的膨胀剂在膨胀剂吸热热交换器5011中吸热形成高压气态膨胀剂进入燃烧室2；氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于4MPa；燃烧室2与至少一个作功机构1连通，作功机构1对外输出动力。燃料源4内的燃料设为含碳化合物；在没有包括膨胀剂高压供送系统501的结构中，在氧高压供送系统301和/或燃料高压供送系统401内设超高压液体泵；或在包括膨胀剂高压供送系统501的结构中，在氧高压供送系统301、膨胀剂高压供送系统501和/或燃料高压供送系统401内设超高压液体泵；
依据
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在设定膨胀后压力P2的前提下调整超高压液体泵的输出压力进而调整室内原工质压力，使燃烧室2内的最高压力P1和最高温度T1满足低熵混燃循环热动力系统的低温热源温度T2达到在P2压力下二氧化碳的液化温度的要求，从而使低熵混燃循环热动力系统的排气发生自液化，以实现二氧化碳以液体或固体状态回收的目的。
在具体实施时，所述膨胀剂可以设为气体液化物，如液氮、液体二氧化碳等；所述氧源中的氧化剂可以设为过氧化氢、高压气态氧或液氧等；为了节省空间，简化结构，可以将氧源和膨胀剂源设为同一过氧化氢储罐，和/或将膨胀剂源和燃料源设为同一乙醇水溶液储罐。
实施例4
如图4所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例1的区别在于：包括作功机构1、燃烧室2、氧源3、燃料源4和膨胀剂源5，氧源3经氧高压供送系统301与燃烧室2连通，燃料源4经燃料高压供送系统401与燃烧室2连通，膨胀剂源5经膨胀剂高压供送系统501与燃烧室2连通；在氧高压供送系统301内设置氧吸热热交换器3011，氧源3中的氧在氧吸热热交换器3011中吸热形成高压气态氧进入燃烧室2；在膨胀剂高压供送系统501中设置膨胀剂吸热热交换器5011，膨胀剂源5中的膨胀剂在膨胀剂吸热热交换器5011中吸热形成高压气态膨胀剂进入燃烧室2；氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于5MPa；燃烧室2与至少一个作功机构1连通，作功机构1对外输出动力。
实施例5
如图5所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例1的区别在于：当燃料源4内的燃料为液化燃料时，在燃料高压供送系统401内设置燃料吸热热交换器4011，燃料源4内的液化燃料在燃料吸热热交换器4011中吸热形成高压气体燃料进入燃烧室2。氧高压供送系统301的最低承压能力大于等于6MPa。
实施例6
如图6所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例2的区别在于：当燃料源4内的燃料为液化燃料时，在燃料高压供送系统401内设置燃料吸热热交换器4011，燃料源4内的液化燃料在燃料吸热热交换器4011中吸热形成高压气体燃料进入燃烧室2。氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于7MPa。
实施例7
如图7所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例3的区别在于：当燃料源4内的燃料为液化燃料时，在燃料高压供送系统401内设置燃料吸热热交换器4011，燃料源4内的液化燃料在燃料吸热热交换器4011中吸热形成高压气体燃料进入燃烧室2。氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于8MPa。
实施例8
如图8所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例4的区别在于：当燃料源4内的燃料为液化燃料时，在燃料高压供送系统401内设置燃料吸热热交换器4011，燃料源4内的液化燃料在燃料吸热热交换器4011中吸热形成高压气体燃料进入燃烧室2。氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于9MPa。
实施例9
如图9所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例8的区别在于：在低熵混燃循环热动力系统的排气道23内设置高压流体吸热排气热交换器2301，氧吸热热交换器3011设为高压流体吸热排气热交换器2301，氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于10MPa。此外，还可以将氧吸热热交换器3011、膨胀剂吸热热交换器和燃料吸热热交换器中的一种、两种或三种热交换器设为高压流体吸热排气热交换器2301。
实施例10
如图10所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例8的区别在于：在低熵混燃循环热动力系统中设置高压流体吸热环境热交换器2302，氧吸热热交换器3011、膨胀剂吸热热交换器5011和燃料吸热热交换器4011都设为高压流体吸热环境热交换器2302，氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于15MPa。此外，还可以将氧吸热热交换器3011、膨胀剂吸热热交换器5011和燃料吸热热交换器4011中的一种或两种热交换器设为高压流体吸热环境热交换器2302。
实施例11
如图11所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例8的区别在于：在燃烧室2的燃烧室壁22内设置高压流体吸热壁内通道203，氧吸热热交换器3011设为高压流体吸热壁内通道203，氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于20MPa。此外，还可以将氧吸热热交换器3011、膨胀剂吸热热交换器和燃料吸热热交换器中的一种、两种或三种热交换器设为高压流体吸热壁内通道203。
实施例12
如图12所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例11的区别在于：在低熵混燃循环热动力系统的排气道23内设置高压流体吸热排气热交换器2301，氧吸热热交换器3011设为被加热流体先进入高压流体吸热排气热交换器2301再进入高压流体吸热壁内通道203内的串联热交换器组，氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于25MPa。此外，还可以将氧吸热热交换器3011、膨胀剂吸热热交换器和燃料吸热热交换器中的一种、两种或三种热交换器设为被加热流体先进入高压流体吸热排气热交换器2301再进入高压流体吸热壁内通道203内的串联热交换器组。本实施例中，原工质在通过高压流体吸热排气热交换器2301后再进入高压流体吸热壁内通道203的目的是为了进一步提高对热量的利用率。
实施例13
如图13、图14或图15所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例2的区别在于：低熵混燃循环热动力系统还包括开放燃烧包络2001，开放燃烧包络2001设置在燃烧室2内并且与燃烧室2连通，氧源3经氧高压供送系统301与开放燃烧包络2001连通，燃料源4经燃料高压供送系统401与开放燃烧包络2001连通，膨胀剂源5经膨胀剂高压供送系统501与燃烧室2连通，膨胀剂源5内的膨胀剂被导入开放燃烧包络2001和燃烧室2的燃烧室壁22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燃烧室2的燃烧室壁22的热负荷要求，氧高压供送系统301和/或膨胀剂高压供送系统501的最低承压能力大于等于30MPa。
实施例14
如图16所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例4的区别在于：所述低熵混燃循环热动力系统还包括氧膨胀剂预混室100，所述氧源3经所述氧高压供送系统301再经所述氧膨胀剂预混室100与所述燃烧室2连通，所述膨胀剂源5经所述膨胀剂高压供送系统501再经所述氧膨胀剂预混室100与所述燃烧室2连通，所述氧源3中的氧和所述膨胀剂源5中的膨胀剂在所述氧膨胀剂预混室100中预先混合后导入所述燃烧室2。
实施例15
如图17所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例8的区别在于：所述低熵混燃循环热动力系统还包括氧燃料预混室200，所述氧源3经所述氧高压供送系统301再经所述氧燃料预混室200与所述燃烧室2连通，所述燃料源4经所述燃料高压供送系统401再经所述氧燃料预混室200与所述燃烧室2连通，所述氧源3中的氧和所述燃料源4中的燃料在所述氧燃料预混室200中预先混合后导入所述燃烧室2。
实施例16
如图18所示的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设为活塞式作功机构，在燃烧室2和作功机构1之间设有工质供送控制阀1101。
实施例17
如图19所示的低熵混燃循环热动力系统，其与实施例2的区别在于：一个燃烧室2与多个作功机构1连通，在燃烧室2和每个作功机构1之间设有工质供送控制阀1101，作功机构1对外输出动力，作功机构1设为无压缩冲程后上止点燃烧式活塞气缸机构40。
显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员，能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构(1)、燃烧室(2)、氧源(3)和燃料源(4)，其特征在于：所述氧源(3)经氧高压供送系统(301)与所述燃烧室(2)连通，所述燃料源(4)经燃料高压供送系统(401)与所述燃烧室(2)连通，在所述氧高压供送系统(301)内设置氧吸热热交换器(3011)，所述氧源(3)中的氧在所述氧吸热热交换器(3011)中吸热形成高压气态氧或临界态氧进入所述燃烧室(2)，所述作功机构(1)设为非活塞式作功机构或活塞式作功机构；在所述作功机构(1)设为非活塞式作功机构的结构中所述氧高压供送系统(301)的最低承压能力大于等于2MPa，在所述作功机构(1)设为活塞式作功机构的结构中所述氧高压供送系统(301)的最低承压能力大于等于3MPa；
所述燃烧室(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。
2.一种低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构(1)、燃烧室(2)、氧源(3)、燃料源(4)和膨胀剂源(5)，其特征在于：所述氧源(3)经氧高压供送系统(301)与所述燃烧室(2)连通，所述燃料源(4)经燃料高压供送系统(401)与所述燃烧室(2)连通，所述膨胀剂源(5)经膨胀剂高压供送系统(501)与所述燃烧室(2)连通；
在所述氧高压供送系统(301)内设置氧吸热热交换器(3011)，所述氧源(3)中的氧在所述氧吸热热交换器(3011)中吸热形成高压气态氧或临界态氧进入所述燃烧室(2)；在所述膨胀剂高压供送系统(501)内设置膨胀剂吸热热交换器(5011)，所述膨胀剂源(5)中的膨胀剂在所述膨胀剂吸热热交换器(5011)中吸热形成高压气态膨胀剂或临界态膨胀剂进入所述燃烧室(2)；
所述作功机构(1)设为非活塞式作功机构或活塞式作功机构；在所述作功机构(1)设为非活塞式作功机构的结构中，所述氧高压供送系统(301)和所述膨胀剂高压供送系统(501)两者中的任何一个的最低承压能力大于等于2MPa；在所述作功机构(1)设为活塞式作功机构的结构中，所述氧高压供送系统(301)和所述膨胀剂高压供送系统(501)两者中的任何一个的最低承压能力大于等于3MPa；
所述燃烧室(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。
3.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：在所述燃料源(4)内的燃料为液化燃料的结构中，在所述燃料高压供送系统(401)内设置燃料吸热热交换器(4011)，所述燃料源(4)内的液化燃料在所述燃料吸热热交换器(4011)中吸热形成高压气体燃料或临界态燃料进入所述燃烧室(2)。
4.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：在所述低熵混燃循环热动力系统的排气道(23)内设置高压流体吸热排气热交换器(2301)；在设有所述氧吸热热交换器(3011)的结构中，所述氧吸热热交换器(3011)设为所述高压流体吸热排气热交换器(2301)；和/或在设有所述膨胀剂吸热热交换器(5011)的结构中，所述膨胀剂吸热热交换器(5011)设为所述高压流体吸热排气热交换器(2301)。
5.如权利要求3所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：在所述低熵混燃循环热动力系统的排气道(23)内设置高压流体吸热排气热交换器(2301)，所述燃料吸热热交换器(4011)设为所述高压流体吸热排气热交换器(2301)。
6.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：在所述低熵混燃循环热动力系统中设置高压流体吸热环境热交换器(2302)；在设有所述氧吸热热交换器(3011)的结构中，所述氧吸热热交换器(3011)设为所述高压流体吸热环境热交换器(2302)；和/或在设有所述膨胀剂吸热热交换器(5011)的结构中，所述膨胀剂吸热热交换器(5011)设为所述高压流体吸热环境热交换器(2302)。
7.如权利要求3所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：在所述低熵混燃循环热动力系统中设置高压流体吸热环境热交换器(2302)，所述燃料吸热热交换器(4011)设为所述高压流体吸热环境热交换器(2302)。
8.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：在所述燃烧室(2)的燃烧室壁(22)内设置高压流体吸热壁内通道(203)；在设有所述氧吸热热交换器(3011)的结构中，所述氧吸热热交换器(3011)设为所述高压流体吸热壁内通道(203)；和/或在设有所述膨胀剂吸热热交换器(5011)的结构中，所述膨胀剂吸热热交换器(5011)设为所述高压流体吸热壁内通道(203)。
9.如权利要求3所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：在所述燃烧室(2)的燃烧室壁(22)内设置高压流体吸热壁内通道(203)，所述燃料吸热热交换器(4011)设为所述高压流体吸热壁内通道(203)。
10.如权利要求2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：所述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)设置在所述燃烧室(2)内并且与所述燃烧室(2)连通，所述氧源(3)经氧高压供送系统(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，所述膨胀剂源(5)经膨胀剂高压供送系统(501)与所述燃烧室(2)连通，所述膨胀剂源(5)内的膨胀剂被导入所述开放燃烧包络(2001)和所述燃烧室(2)的燃烧室壁(22)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燃烧室(2)的燃烧室壁(22)的热负荷要求。
11.如权利要求2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：所述低熵混燃循环热动力系统还包括氧膨胀剂预混室(100)，所述氧源(3)经所述氧高压供送系统(301)再经所述氧膨胀剂预混室(100)与所述燃烧室(2)连通，所述膨胀剂源(5)经所述膨胀剂高压供送系统(501)再经所述氧膨胀剂预混室(100)与所述燃烧室(2)连通，所述氧源(3)中的氧和所述膨胀剂源(5)中的膨胀剂在所述氧膨胀剂预混室(100)中预先混合后导入所述燃烧室(2)。
12.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：所述低熵混燃循环热动力系统还包括氧燃料预混室(200)，所述氧源(3)经所述氧高压供送系统(301)再经所述氧燃料预混室(200)与所述燃烧室(2)连通，所述燃料源(4)经所述燃料高压供送系统(401)再经所述氧燃料预混室(200)与所述燃烧室(2)连通，所述氧源(3)中的氧和所述燃料源(4)中的燃料在所述氧燃料预混室(200)中预先混合后导入所述燃烧室(2)。
13.如权利要求1或2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：充入所述燃烧室(2)后的原工质的温度等于或低于标准状态的温度。
14.如权利要求2所述低熵混燃循环热动力系统，其特征在于：所述膨胀剂设为气体液化物。
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