CN102364071B - 涡轮气缸低熵发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮气缸低熵发动机，包括进气道、排气道、爆排发动机、涡轮压气机和动力涡轮，所述涡轮压气机的压缩气体出口与所述进气道连通，所述进气道经进气门与所述爆排发动机的燃烧室连通，所述燃烧室经排气门与所述排气道连通，所述排气道与所述动力涡轮的气体工质入口连通，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力大于1MPa，所述爆排发动机不对所述涡轮压气机输出动力，所述动力涡轮对所述涡轮压气机输出动力。本发明实现了发动机的高效、低污染，大大提高了发动机的环保性。

Description

涡轮气缸低熵发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种涡轮气缸低熵发动机。

背景技术

涡轮增压技术已有近百年的历史，涡轮具有体积小、重量轻、流量大的优势，然而至今为止的涡轮与活塞式内燃机之间的配合还一直停止在涡轮增压的水平。涡轮增压发动机是利用涡轮对空气进行增压，增压后的空气仍然需要在气缸内进行压缩，这种方式虽然比非增压具有一定的优势，但是由于活塞式内燃机仍然需要压缩冲程，所以无论是体积、升功率还是效率均受限制。因此，需要发明一种充分发挥涡轮和活塞各自优势的发动机。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

一种涡轮气缸低熵发动机，包括进气道、排气道、爆排发动机、涡轮压气机和动力涡轮，所述涡轮压气机的压缩气体出口与所述进气道连通，所述进气道经进气门与所述爆排发动机的燃烧室连通，所述燃烧室经排气门与所述排气道连通，所述排气道与所述动力涡轮的气体工质入口连通，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力大于1MPa，所述动力涡轮对所述涡轮压气机输出动力。

所述爆排发动机由连续燃烧室和作功机构连接构成。

一种涡轮气缸低熵发动机，包括进气道、排气道、短压程充气发动机、涡轮压气机和动力涡轮，所述涡轮压气机的压缩气体出口与所述进气道连通，所述进气道经进气门与所述短压程充气发动机的燃烧室连通，所述燃烧室经排气门与所述排气道连通，所述排气道与所述动力涡轮的气体工质入口连通，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力大于1MPa，所述动力涡轮对所述涡轮压气机输出动力。

所述短压程充气发动机设为绝热发动机。

所述短压程充气发动机在压缩冲程中容积减小的绝对量小于膨胀作功冲程中容积增加绝对量的二分之一。

一种涡轮气缸低熵发动机，包括进气道、排气道、全压程发动机、涡轮压气机和动力涡轮，所述涡轮压气机的压缩气体出口与所述进气道连通，所述进气道经进气门与所述全压程发动机的燃烧室连通，所述燃烧室经排气门与所述排气道连通，所述排气道与所述动力涡轮的气体工质入口连通，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力大于1MPa，所述动力涡轮对所述涡轮压气机输出动力。

所述全压程发动机的压缩比小于12。

在所述进气道上设进气降温器，和/或在所述排气道上设排气降温器。

所述进气降温器设为混合式进气降温器，和/或所述排气降温器设为混合式排气降温器。

所述涡轮压气机设为多级涡轮压气机，和/或所述动力涡轮设为多级动力涡轮。

所述涡轮压气机设为由多个单级涡轮压气机组成的多段涡轮压气机，所述动力涡轮设为由多个单级动力涡轮组成的多段动力涡轮。

所述多段涡轮压气机中的单级涡轮压气机与所述多段动力涡轮中的单级动力涡轮每段一一对应同轴设置。

所述多段涡轮压气机中的第一个单级涡轮压气机与所述多段动力涡轮中的第一个单级动力涡轮以外的一个单级动力涡轮同轴设置。

所述排气道经排气道旁通管与所述多段动力涡轮中的第一个单级动力涡轮以外的单级动力涡轮连通。

在所述涡轮压气机上设涡轮排热器。

所述涡轮气缸低熵发动机还包括膨胀器和深冷二氧化碳储罐，所述动力涡轮的气体出口与所述膨胀器的气体入口连通，所述膨胀器的液体出口与所述深冷二氧化碳储罐连通，在所述膨胀器上设不凝气体出口，在所述进气道上设进气降温器，所述不凝气体出口与所述进气降温器的冷流体入口连通。

所述涡轮气缸低熵发动机还包括深冷二氧化碳储罐、排气深冷器和液氧储罐，所述动力涡轮的气体出口与所述排气深冷器连通，所述排气深冷器的液体出口与所述深冷二氧化碳储罐连通，所述液氧储罐与所述排气深冷器连通，在所述排气深冷器上设含氧气体出口，所述含氧气体出口与所述涡轮压气机的气体入口连通。

在所述涡轮压气机、所述进气道、所述燃烧室、所述排气道、所述动力涡轮和所述排气深冷器所形成的流体流动空间内充入氦气，氦气作为不凝气周而复始参与循环。

所述排气道经射流泵与所述动力涡轮的气体工质入口连通。

所述动力涡轮的气体工质出口经排气回流管与所述射流泵的射流泵低压气体入口连通。

一种提高所述涡轮气缸低熵发动机效率和环保性的方法，调整即将开始作功的气体工质的压力到15MPa以上，调整即将开始作功的气体工质的温度到2700K以下，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

一种提高所述涡轮气缸低熵发动机效率和环保性的方法，

第一步，调整所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力为1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa、1.8MPa、2MPa、2.2MPa、2.4MPa、2.6MPa、2.8MPa、3MPa、3.2MPa、3.4MPa、3.6MPa、3.8MPa、4MPa、4.2MPa、4.4MPa、4.6MPa、4.8MPa或5MPa；

第二步，调整所述涡轮压气机的级数以及单级压比，使所述涡轮压气机的压缩气体出口处的气体压力等于所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力。

所述多段涡轮压气机中的第一个单级涡轮压气机与所述多段动力涡轮中的第一个单级动力涡轮同轴设置，所述多段涡轮压气机中的第二个单级涡轮压气机与所述多段动力涡轮中的第二个单级所述动力涡轮同轴设置，依此类推。

本发明中，在设所述爆排发动机的结构中，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力可大于1.5MPa、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或15MPa，相应地，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的压缩气体的压力可大于1.5MPa、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或15MPa，

本发明中，在设所述短压程充气发动机的结构中，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力可大于1.5MPa、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或15MPa，相应地，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的压缩气体的压力可大于1.5MPa、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或15MPa。

本发明中，在设所述全压程发动机的结构中，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力可大于1.5MPa、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或15MPa，相应地，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的压缩气体的压力可大于1.5MPa、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或15MPa。

本发明中，所述全压程发动机的压缩比小于11、10、9、8、7、6、5、4、3或小于2。

本发明的原理是利用所述涡轮压气机将所述低压气源（所谓的低压气源是指大气或低压含氧气体或低压非含氧气体，在所述低压气体源设为低压非含氧气体的结构中，需要在所述涡轮压气机的出口至所述燃烧室的某个部位上设氧化剂导入口）内的气体压缩到等于或高于传统内燃机压缩冲程完了时气缸内的压力，将此高压气体导入所述燃烧室内，在所述燃烧室内不再进行压缩就进行燃烧推动活塞对外作功，作功完了后气缸内的气体被排出气缸作用于所述动力涡轮，使所述动力涡轮对所述压气机作功；或者利用所述涡轮压气机将所述低压气源内的气体压缩到大于传统增压内燃机的压气涡轮出口处的压力，在所述短压程充气发动机处于排气冲程完了前的排气冲程中将此高压气体导入所述短压程充气发动机的燃烧室内，在所述燃烧室内只进行部分压缩冲程就进行燃烧推动活塞对外作功，作功完了后气缸内的气体被排出气缸作用于所述动力涡轮，使所述动力涡轮对所述压气机作功；或者利用所述涡轮压气机将所述低压气源内的气体压缩到大于传统增压内燃机的压气涡轮出口处的压力，在所述全压程发动机处于吸气冲程时将此高压气体导入所述全压程发动机的燃烧室内，在所述燃烧室内进行全压缩冲程后进行燃烧推动活塞对外作功，作功完了后气缸内的气体被排出气缸作用于所述动力涡轮，使所述动力涡轮对所述压气机作功。

本发明中，由于所述压气涡轮对气体的压缩力度较高，所以需要所述动力涡轮具有更高的功率输出能力，为了这一要求，可以采用高压排气的方式，所谓高压排气是指在气缸压力相对较高时（即高于传统发动机排气冲程开始时的气缸内的压力）打开排气门进行排气，也可以利用排气冲程中活塞上行对排气作功以提升动力涡轮的工质入口的压力，提高所述动力涡轮输出动力的能力。

本发明中，所谓的短压程充气发动机是指没有独立的吸气冲程，排气过程、吸气过程和压缩过程共用一个冲程，即扫气压气冲程，压缩冲程中容积变化的量小于膨胀作功冲程中容积变化的量的活塞式发动机；所述涡轮压气机出口处的气体压力越高，压缩过程占一个冲程的长度的份额可以越小，这也意味着更加充分地利用了涡轮压气机的压气优势。

本发明中，所谓的全压程发动机是指在忽略因未增加进气量而采取的进排气门重叠角的影响（在设有扫气进气口和/或扫气排气口的发动机中，同理忽略扫气进气口和扫气排气口单一开通时间的影响，即扫气排气口先开先关，扫气进气口后开后关的影响）的前提下，压缩冲程的容积变化和膨胀作功冲程中的容积变化相等或基本接近的活塞发动机，例如二冲程发动机、四冲程发动机等。

本发明中，为了尽可能的提高发动机的效率，可以使所述涡轮压气机在恒温或近似恒温条件下对气体进行压缩，被压缩的气体导入所述短压程充气发动机后在所述短压程充气发动机内进行绝热压缩，在绝热压缩后利用燃料进行内燃加热，然后进行绝热或近似绝热膨胀作功；图18是描述这一过程中压力P和温度T关系的示意图，图18中，O-A所示线段（可以是直线也可以是曲线）为在所述涡轮压气机内的恒温或近似恒温压缩过程，A-B所示曲线是在所述短压程充气发动机内的绝热或近似绝热压缩过程，B-C所示线段（可以是直线也可以是曲线）为在所述短压程充气发动机内的恒容或近似恒容内燃燃烧加热过程，C-O所示曲线是在所述短压程充气发动机内的绝热或近似绝热膨胀作功过程。在此图中，如果C-O所示曲线与自起点O（例如大气状态点）进行绝热或近似绝热压缩所得到的O-H曲线相重合，则表示经过一个循环后温度压力均回到起始状态，这说明燃烧过程燃料所放出的热能全部或近乎全部转化为功。本发明中，可以统筹调整O-A过程、A-B过程和B-C过程，使自状态点C进行绝热或近似绝热膨胀作功后的状态点在O-H所示曲线上或在O-H所示曲线左侧，或者即使在O-H曲线右侧但尽可能靠近O-H所示曲线，这样就可以有效地提高发动机的效率。本发明中，如本段所述将压缩过程分为两段，第一段为恒温压缩，第二段为绝热压缩，其目的是在尽可能减少压缩功的前提下，又尽可能的使工质保持一定的温升，这样就实现了在压缩过程功耗较小的前提下，燃烧之前工质又具有一定温度，从而减少内燃加热过程中的不可逆损失。

本发明中，所谓的“所述短压程充气发动机在压缩冲程中容积减小的绝对量小于膨胀作功冲程中容积增加绝对量的二分之一”是指从压缩冲程开始到压缩冲程完了气体体积减小的量小于整个膨胀作功冲程中气体体积增加量的二分之一。

本发明所公开的涡轮气缸低熵发动机，在某些技术方案中，可以有吸气冲程。

本发明中，所谓的射流泵是指通过动力流体引射非动力流体，两流体相互作用从一个出口排出的装置，所谓的射流泵可以是气体射流泵（即喷射泵），也可以是液体射流泵；所谓的射流泵可以是传统射流泵，也可以是非传统射流泵。

本发明中，所谓的传统射流泵是指由两个套装设置的管构成的，向内管提供高压动力气体，内管高压动力气体在外管内喷射，在内管高压动力气体喷射和外管的共同作用下使内外管之间的其他气体（从外管进入的气体）沿内管高压动力气体的喷射方向产生运动的装置；所谓射流泵的外管可以有缩扩区，外管可以设为文丘里管，内管喷嘴可以设为拉瓦尔喷管，所谓的缩扩区是指外管内截面面积发生变化的区域；所述射流泵至少有三个接口或称通道，即射流泵动力气体喷射口、射流泵低压气体入口和射流泵气体出口。

本发明中，所谓的非传统射流泵是指由两个或两个以上相互套装设置或相互并列设置的管构成的，其中至少一个管与动力气体源连通，并且动力气体源中的动力气体的流动能够引起其他管中的气体产生定向流动的装置；所谓射流泵的管可以有缩扩区，可以设为文丘里管，管的喷嘴可以设为拉瓦尔喷管，所谓的缩扩区是指管内截面面积发生变化的区域；所述射流泵至少有三个接口或称通道，即射流泵动力气体喷射口、射流泵低压气体入口和射流泵气体出口；所述射流泵可以包括多个射流泵动力气体喷射口，在包括多个射流泵动力气体喷射口的结构中，所述射流泵动力气体喷射口可以布置在所述射流泵低压气体入口的管道中心区，也可以布置在所述射流泵低压气体入口的管道壁附近，所述射流泵动力气体喷射口也可以是环绕所述射流泵低压气体入口管道壁的环形喷射口。

本发明中，所述射流泵包括多级射流泵，多股射流泵和脉冲射流泵等。

为了进一步提高效率，在本发明中，在进气道上设置了进气降温器。

本发明中，为了降低通过所述动力涡轮后的排气温度有利于排气液化，在排气道上设置了排气降温器；如果需要大幅度降低通过涡轮后的排气温度，可以采用高压排气的方式，所谓高压排气是指在气缸压力相对较高时（即高于传统发动机排气冲程开始时的气缸内的压力）打开排气门进行排气，也可以利用排气冲程中活塞上行对排气作功以提升动力涡轮的工质入口的压力，实现更大的膨胀比从而降低排气温度。

本发明中，图19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19中的                                                

中的

是气体工质绝热指数，

是气体工质的压力，

是气体工质的温度，

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19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19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19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19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、950K、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19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指在作功冲程（或作功过程）即将开始时自身即将开始膨胀推动作功机构作功的气体工质。

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，调整喷入所述燃烧室的燃油的量，进而调整即将开始作功的气体工质的压力到15MPa以上，调整即将开始作功的气体工质的温度到2700K以下，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

本发明中所谓的爆排发动机是指只有爆炸作功冲程和排气冲程的发动机，这种发动机将预先压缩好的低压气源的气体充入燃烧室，在燃烧室内不再进行压缩就进行燃烧爆炸，这种发动机是只进行爆炸作功冲程和排气冲程的活塞式热动力系统以及转子活塞式热动力系统，为使这种发动机正常工作需要在进气中加入燃料或在燃烧室中喷射燃料，根据燃料不同，可以采用点燃或喷射后自燃的形式（相当于传统发动机的压燃）；所谓的排气深冷器是指能够使排气深度冷却达到液化或部分液化的装置；所谓的膨胀器是将排气膨胀降温的装置，可以是节流膨胀器，也可以是膨胀动力单元，在节流膨胀器中排气节流膨胀降温，在膨胀动力单元中排气膨胀作功降温；所谓的排气降温器是指对排气进行降温的装置，可以是散热器，也可以是以排气降温为目的的热交换器，还可以是将温度较低的流体与排气进行混合的混合式排气降温器，所谓的混合式排气降温器是指将排气和低温流体直接混合进行传热的降温器，其本质是一个容器，在此容器中排气和低温流体进行混合，为了增加混合的均匀度，在此容器中可设导流结构、搅拌机构或射流结构；所谓进气降温器是指将进气进行降温的装置，同排气降温器；所谓的涡轮压气机是指利用旋转叶片或旋转通道对气体进行压缩的机构，它可以是单级的、多级的，也可以是多个单级或多个多级组合而成；所谓动力涡轮是指利用排气推动叶片或通道旋转对外作功的机构；所谓多段是指多个涡轮压气机串联或多个动力涡轮串联；所谓第一个单级和第二个单级的排列顺序是以离开燃烧室远近为依据的，距离燃烧室近的为第一级，次之为第二级，依此类推；所谓的深冷二氧化碳是指二氧化碳被冷却到液化和/或固化的程度；所谓的低压气源是指可以提供空气、低压氧气或低压含氧气体或低压非含氧气体的系统，例如发动机的进气系统等。

本发明中所谓的涡轮排热器是指能够将所述涡轮压气机内的被压缩气体中的热量散出的热交换器。本发明中，在设有所述深冷二氧化碳储罐的结构中，在排气系统存在冷凝水的部位上可设置冷凝水导出口。本发明中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。本发明中，根据热能与动力领域的公知技术，可在适当的位置设置泵、控制阀、正时控制阀、喷油器或火花塞等部件、单元或系统；一个所述涡轮压气机可以与两个或多个作功机构的燃烧室连通，所述作功机构的燃烧室是指所述爆排发动机的燃烧室和所述短压程充气发动机的燃烧室。

本发明的有益效果如下:

本发明实现了发动机的高效、低污染，大大提高了发动机的环保性。 

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明实施例4的结构示意图；

图5为本发明实施例5的结构示意图；

图6为本发明实施例6的结构示意图；

图7为本发明实施例7的结构示意图；

图8为本发明实施例8的结构示意图；

图9为本发明实施例9的结构示意图；

图10为本发明实施例10的结构示意图；

图11为本发明实施例11的结构示意图；

图12为本发明实施例12的结构示意图；

图13为本发明实施例13的结构示意图；

图14为本发明实施例14的结构示意图；

图15为本发明实施例15的结构示意图；

图16为本发明实施例16的结构示意图；

图17为本发明实施例17的结构示意图；

图18为本发明短压程充气发动机的压力P和温度T关系的示意图；

图19是气体工质的温度T和压力P的三条绝热关系曲线比较图；

图20为本发明实施例18的结构示意图；

图中：

1进气道、2排气道、3爆排发动机、4涡轮压气机、5动力涡轮、6低压气源、7进气门、8排气门、10深冷二氧化碳储罐、11排气深冷器、50膨胀器、61液氧储罐、90排气道旁通管、91射流泵、92排气回流管、100进气降温器、200排气降温器、301燃烧室、333短压程充气发动机、400多级涡轮压气机、401多段涡轮压气机、402涡轮排热器、500多级动力涡轮、501多段动力涡轮、555全压程发动机、511不凝气体出口、1101含氧气体出口、1111连续燃烧室、4444作功机构、1001混合式进气降温器、2001混合式排气降温器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的涡轮气缸低熵发动机，包括进气道1、排气道2、爆排发动机3、涡轮压气机4和动力涡轮5，所述涡轮压气机4的气体入口与低压气源6连通，所述涡轮压气机4的压缩气体出口与所述进气道1连通，所述进气道1经进气门7与所述爆排发动机3的燃烧室301连通，所述燃烧室301经排气门8与所述排气道2连通，所述排气道2与所述动力涡轮5的气体工质入口连通，所述涡轮压气机4的压缩气体出口处的承压能力为1MPa，所述动力涡轮5对所述涡轮压气机4输出动力。

可选择地，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力还可以是大于1.5MPa、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或15MPa。

为了提高权利所述涡轮气缸低熵发动机效率和环保性，调整即将开始作功的气体工质的压力到20MPa，调整即将开始作功的气体工质的温度到2000K，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

可选择地，所述气体工质的压力还可以是15MPa以上，所述气体工质的温度到还可以为2700K以下，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

实施例2

如图2所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：所述涡轮压气机4的气体入口与大气连通，在所述进气道1上设进气降温器100。这样设置的目的是为了进一步提高所述涡轮压气机的效率，进而提高所述涡轮气缸低熵发动机的效率。

实施例3

如图3所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：在所述排气道2上设排气降温器200。这样设置的目的是为了降低通过所述动力涡轮后的排气温度有利于排气液化，实现系统的闭合。

实施例4

如图4所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：所述涡轮压气机4设为多级涡轮压气机400，所述动力涡轮5设为多级动力涡轮500。

实施例5

如图5所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：所述涡轮压气机4设为由多个单级涡轮压气机组成的多段涡轮压气机401，所述动力涡轮5设为由多个单级动力涡轮组成的多段动力涡轮501；所述多段涡轮压气机401中的第一个单级涡轮压气机与所述多段动力涡轮501中的第一个单级动力涡轮同轴设置，所述多段涡轮压气机401中的第二个单级涡轮压气机与所述多段动力涡轮501中的第二个单级动力涡轮同轴设置，依此类推。

实施例6

如图6所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例5的区别在于：所述多段涡轮压气机401中的第一个单级涡轮压气机与所述多段动力涡轮501中的第二个单级动力涡轮同轴设置，所述多段涡轮压气机401中的第二个单级涡轮压气机与所述多段动力涡轮501中的第一个单级动力涡轮同轴设置。

实施例7

如图7所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：在所述涡轮压气机4上设涡轮排热器402。

实施例8

如图8所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：所述涡轮气缸低熵发动机还包括膨胀器50和深冷二氧化碳储罐10，所述动力涡轮5的气体出口与所述膨胀器50的气体入口连通，所述膨胀器50的液体出口与所述深冷二氧化碳储罐10连通，在所述膨胀器50上设不凝气体出口511，在所述进气道1上设进气降温器100，所述进气降温器100设为降温热交换器，所述不凝气体出口511与所述降温热交换器的冷流体入口连通，低压气源6设为大气。

实施例9

如图9所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：所述涡轮气缸低熵发动机还包括深冷二氧化碳储罐10、排气深冷器11和液氧储罐61，所述动力涡轮5的气体出口与所述排气深冷器11连通，所述排气深冷器11的液体出口与所述深冷二氧化碳储罐10连通，所述液氧储罐61与所述排气深冷器11连通，在所述排气深冷器11上设含氧气体出口1101，所述含氧气体出口1101与所述涡轮压气机4的气体入口连通；

在所述涡轮压气机4、所述进气道1、所述燃烧室301、所述排气道2、所述动力涡轮5和所述排气深冷器11所形成的流体流动空间内充入氦气，氦气作为不凝气周而复始参与循环。

实施例10

如图10所示的涡轮气缸低熵发动机，包括进气道1、排气道2、短压程充气发动机333、涡轮压气机4和动力涡轮5，所述涡轮压气机4的气体入口与低压气源6连通，所述涡轮压气机4的压缩气体出口与所述进气道1连通，所述进气道1经进气门7与所述短压程充气发动机333的燃烧室301连通，所述燃烧室301经排气门8与所述排气道2连通，所述排气道2与所述动力涡轮5的气体工质入口连通，所述涡轮压气机4的压缩气体出口处的承压能力为1MPa，所述动力涡轮5对所述涡轮压气机4输出动力。

可选择地，所述涡轮压气机的压缩气体出口处的承压能力还可以是大于1.5MPa、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或15MPa。

为了提高权利所述涡轮气缸低熵发动机效率和环保性，调整即将开始作功的气体工质的压力到15MPa，调整即将开始作功的气体工质的温度到2000K，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

可选择地，所述气体工质的压力还可以是15MPa以上，所述气体工质的温度到还可以为2700K以下，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

实施例11

如图11所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：在所述进气道1上设进气降温器100，所述进气降温器100设为混合式进气降温器（1001），在所述排气道2上设排气降温器200，所述排气降温器200设为混合式排气降温器（2001）。

实施例12

如图12所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：所述涡轮压气机4设为多段涡轮压气机401，所述动力涡轮5设为多段动力涡轮501，所述排气道2上设排气道旁通管90，所述排气道旁通管90与所述多段动力涡轮501中的第二个单级动力涡轮的气体工质入口连通。

实施例13

如图13所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例10的区别在于：在所述涡轮压气机4上设涡轮排热器402，所述短压程充气发动机333设为绝热发动机，所述短压程充气发动机333在压缩冲程中容积减小的绝对量小于膨胀作功冲程中容积增加绝对量的二分之一。

实施例14

如图14所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例12的区别在于：所述排气道2和所述排气道旁通管90分别经射流泵91与所述多段动力涡轮501中的相应级动力涡轮的气体工质入口连通。

实施例15

如图15所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例14的区别在于：所述多段动力涡轮501中每一段动力涡轮的气体工质出口分别经排气回流管92与所述射流泵91的射流泵低压气体入口连通。

实施例16

如图16所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：所述爆排发动机3由一个连续燃烧室1111与四个作功机构4444连接构成，所述作功机构4444设为活塞式作功机构。

具体实施时，所述爆排发动机3还可以由一个连续燃烧室1111与两个或两个以上作功机构4444连接构成。

实施例17

如图17所示的涡轮气缸低熵发动机，其与实施例1的区别在于：所述爆排发动机3由一个连续燃烧室1111与一个叶轮式作功机构88连接构成。

具体实施时，所述作功机构还可以设为活塞式作功机构。

实施例18

如图20所示的涡轮气缸低熵发动机，包括进气道1、排气道2、全压程发动机555、涡轮压气机4和动力涡轮5，所述涡轮压气机4的压缩气体出口与所述进气道1连通，所述进气道1经进气门7与所述全压程发动机555的燃烧室301连通，所述燃烧室301经排气门8与所述排气道2连通，所述排气道2与所述动力涡轮5的气体工质入口连通，所述涡轮压气机4的压缩气体出口处的承压能力大于1MPa，所述动力涡轮5对所述涡轮压气机4输出动力，所述全压程发动机555的压缩比小于12。

为了提高所述涡轮气缸低熵发动机效率和环保性，可以采用下述方法：

第一步，调整所述涡轮压气机4的压缩气体出口处的承压能力为1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa、1.8MPa、2MPa、2.2MPa、2.4MPa、2.6MPa、2.8MPa、3MPa、3.2MPa、3.4MPa、3.6MPa、3.8MPa、4MPa、4.2MPa、4.4MPa、4.6MPa、4.8MPa或5MPa；

第二步，调整所述涡轮压气机4的级数以及单级压比，使所述涡轮压气机4的压缩气体出口处的气体压力等于所述涡轮压气机4的压缩气体出口处的承压能力。

具体实施时，可选择地，所述全压程发动机的压缩比还可以是小于11、10、9、8、7、6、5、4、3或小于2。

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 (22)

1.一种涡轮气缸低熵发动机，包括进气道（1）、排气道（2）、爆排发动机（3）、涡轮压气机（4）和动力涡轮（5），其特征在于：所述涡轮压气机（4）的压缩气体出口与所述进气道（1）连通，所述进气道（1）经进气门（7）与所述爆排发动机（3）的燃烧室（301）连通，所述燃烧室（301）经排气门（8）与所述排气道（2）连通，所述排气道（2）与所述动力涡轮（5）的气体工质入口连通，所述涡轮压气机（4）的压缩气体出口处的承压能力大于1MPa，所述动力涡轮（5）对所述涡轮压气机（4）输出动力。

2.如权利要求1所述低熵混燃气体液化物发动机，其特征在于：所述爆排发动机（3）由连续燃烧室（1111）和作功机构（4444）连接构成。

3.一种涡轮气缸低熵发动机，包括进气道（1）、排气道（2）、短压程充气发动机（333）、涡轮压气机（4）和动力涡轮（5），其特征在于：所述涡轮压气机（4）的压缩气体出口与所述进气道（1）连通，所述进气道（1）经进气门（7）与所述短压程充气发动机（333）的燃烧室（301）连通，所述燃烧室（301）经排气门（8）与所述排气道（2）连通，所述排气道（2）与所述动力涡轮（5）的气体工质入口连通，所述涡轮压气机（4）的压缩气体出口处的承压能力大于1MPa，所述动力涡轮（5）对所述涡轮压气机（4）输出动力。

4.如权利要求3所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述短压程充气发动机（333）设为绝热发动机。

5.如权利要求3所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述短压程充气发动机（333）在压缩冲程中容积减小的绝对量小于膨胀作功冲程中容积增加绝对量的二分之一。

6.一种涡轮气缸低熵发动机，包括进气道（1）、排气道（2）、全压程发动机（555）、涡轮压气机（4）和动力涡轮（5），其特征在于：所述涡轮压气机（4）的压缩气体出口与所述进气道（1）连通，所述进气道（1）经进气门（7）与所述全压程发动机（555）的燃烧室（301）连通，所述燃烧室（301）经排气门（8）与所述排气道（2）连通，所述排气道（2）与所述动力涡轮（5）的气体工质入口连通，所述涡轮压气机（4）的压缩气体出口处的承压能力大于1MPa，所述动力涡轮（5）对所述涡轮压气机（4）输出动力。

7.如权利要求6所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述全压程发动机（555）的压缩比小于12。

8.如权利要求1、3或6所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：在所述进气道（1）上设进气降温器（100），和/或在所述排气道（2）上设排气降温器（200）。

9.如权利要求8所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述进气降温器（100）设为混合式进气降温器（1001），和/或所述排气降温器（200）设为混合式排气降温器（2001）。

10.如权利要求1、3或6所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述涡轮压气机（4）设为多级涡轮压气机（400），和/或所述动力涡轮（5）设为多级动力涡轮（500）。

11.如权利要求1、3或6所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述涡轮压气机（4）设为由多个单级涡轮压气机组成的多段涡轮压气机（401），所述动力涡轮（5）设为由多个单级动力涡轮组成的多段动力涡轮（501）。

12.如权利要求11所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述多段涡轮压气机（401）中的单级涡轮压气机与所述多段动力涡轮（501）中的单级动力涡轮每段一一对应同轴设置。

13.如权利要求11所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述多段涡轮压气机（401）中的第一个单级涡轮压气机与所述多段动力涡轮（501）中的第一个单级动力涡轮以外的一个单级动力涡轮同轴设置。

14.如权利要求11所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述排气道（2）经排气道旁通管（90）与所述多段动力涡轮（501）中的第一个单级动力涡轮以外的单级动力涡轮连通。

15.如权利要求1、3或6所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：在所述涡轮压气机（4）上设涡轮排热器（402）。

16.如权利要求1、3或6所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述涡轮气缸低熵发动机还包括膨胀器（50）和深冷二氧化碳储罐（10），所述动力涡轮（5）的气体出口与所述膨胀器（50）的气体入口连通，所述膨胀器（50）的液体出口与所述深冷二氧化碳储罐（10）连通，在所述膨胀器（50）上设不凝气体出口（511），在所述进气道（1）上设进气降温器（100），所述不凝气体出口（511）与所述进气降温器（100）的冷流体入口连通。

17.如权利要求1、3或6所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述涡轮气缸低熵发动机还包括深冷二氧化碳储罐（10）、排气深冷器（11）和液氧储罐（61），所述动力涡轮（5）的气体出口与所述排气深冷器（11）连通，所述排气深冷器（11）的液体出口与所述深冷二氧化碳储罐（10）连通，所述液氧储罐（61）与所述排气深冷器（11）连通，在所述排气深冷器（11）上设含氧气体出口（1101），所述含氧气体出口（1101）与所述涡轮压气机（4）的气体入口连通。

18.如权利要求17所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：在所述涡轮压气机（4）、所述进气道（1）、所述燃烧室（301）、所述排气道（2）、所述动力涡轮（5）和所述排气深冷器（11）所形成的流体流动空间内充入氦气，氦气作为不凝气周而复始参与循环。

19.如权利要求1、3或6所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述排气道（2）经射流泵（91）与所述动力涡轮（5）的气体工质入口连通。

20.如权利要求19所述涡轮气缸低熵发动机，其特征在于：所述动力涡轮（5）的气体工质出口经排气回流管（92）与所述射流泵（91）的射流泵低压气体入口连通。

21.一种提高权利要求1、3或6所述涡轮气缸低熵发动机效率和环保性的方法，其特征在于：调整即将开始作功的气体工质的压力到15MPa以上，调整即将开始作功的气体工质的温度到2700K以下，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

22.一种提高权利要求1、3或6所述涡轮气缸低熵发动机效率和环保性的方法，其特征在于：

第一步，调整所述涡轮压气机（4）的压缩气体出口处的承压能力为1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa、1.8MPa、2MPa、2.2MPa、2.4MPa、2.6MPa、2.8MPa、3MPa、3.2MPa、3.4MPa、3.6MPa、3.8MPa、4MPa、4.2MPa、4.4MPa、4.6MPa、4.8MPa或5MPa；

第二步，调整所述涡轮压气机（4）的级数以及单级压比，使所述涡轮压气机（4）的压缩气体出口处的气体压力等于所述涡轮压气机（4）的压缩气体出口处的承压能力。

Images