CN103883399B - 一种原动机的半闭式正时定容热力循环方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原动机的半闭式正时定容热力循环方法及系统，其循环包括多级压缩级间冷却、逆流换热、正时定容燃烧、绝热膨胀、后冷却和二氧化碳和水脱除6个过程，是一种热功转化的热力循环。多级压缩级间冷却过程减少压缩耗功；逆流换热过程回收膨胀后工质的焓，参与热力循环；正时定容燃烧过程，有效抑制HC、CO、PM和NOx等有害污染物的产生；绝热膨胀过程，实现充分膨胀做功；后冷却过程将工质进一步冷却至环境温度，提高绝热膨胀过程的膨胀比；二氧化碳和水脱除过程将正时定容燃烧过程产生的二氧化碳和水脱除，余下工质继续参与下一次热力循环。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。

Description

一种原动机的半闭式正时定容热力循环方法及系统

技术领域

本发明涉及一种原动机，特别是一种原动机的半闭式正时定容热力循环方法及系统。

背景技术

提高内燃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。目前内燃机应用的热力循环主要有狄塞尔循环（P-V图如图1所示）、奥托循环（P-V图如图2所示）、阿特金森循环（P-V图如图3所示）、米勒循环、布雷顿循环等，其中狄塞尔循环、奥托循环、阿特金森循环、米勒循环主要应在传统往复式活塞内燃机上，而布雷顿循环主要应用在燃气轮机上。

奥托循环：等容加热是其优点，但压缩比小、绝热压缩、等容放热是其缺点，P-V示功图如1所示。其理论热效率计算公式为：

η_t=1-ε^1-k

狄塞尔循环：压缩比大是其优点，但绝热压缩、等压加热、等容放热是其缺点，P-V示功图如2所示。其理论热效率计算公式为：

η_t=1-ε^1-k(ρ^k-1)[k(ρ-1)]^-1

布雷顿循环：等压放热是其优点，但其加热过程是等压过程，其缺点是压缩比较低、等容度低和排温高。P-V示功图如3所示。其理论热效率计算公式为：

η_t=1-ε^1-k

式中，ε为压缩比；ρ为加热膨胀比；k为比热比。

为了提高内燃机的热效率，传统往复式活塞内燃机对废气的能量进行再利用，一般是采用废气涡轮增压方式，如增压柴油机、增压汽油机等。然而，采用废气涡轮增压方式获得能量并未直接应用到热力系统循环做功中，而是用来提高进气压力，增加进气密度，以减少泵气损失和提高单位容积的功率密度来提高热效率。其次，尽管废气涡轮增压器结构紧凑，但废气能量回收采用叶片式涡轮机和叶轮式压缩机，其效率较低，转速高，噪声大。再次，废气通过涡轮机之后仍具有一定的能量，即温度和压力没有得到充分的利用。最后，传统往复式活塞内燃机由于燃烧局部温度较高（局部最高温度可达2800K）、油气混合不均匀、主燃烧过程短（≤30℃A）、活塞环漏气、活塞环狭隙和体积淬熄等原因，致使其NOx、PM（微粒，柴油机上）、HC和CO（汽油机上）排放高。尽管目前科学界提出在往复式活塞内燃机上采用HCCI（均质压燃点火）方式可大大减少NOx和PM，但是不管在柴油机上还是汽油机上其实现的工况范围非常有限，应用性难以得到推广。

燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械能的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，只有压缩机、定容燃烧室和燃气透平这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为它的结构简单，而且能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快、基本不用冷却水等一系列优点。但是，简单循环的燃气轮机排温高（900℃左右），致使其热效率不高。虽然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换热等过程，但是，其增压比较低，采用定压燃烧，等容度低，致使其热效率低。其次，通过燃气透平的废气仍具有一定的能量，即温度和压力没有得到充分的利用。再次，燃气轮机在负荷变化的情况下，热效率低。

目前外燃机应用的热动力循环主要有斯特林循环、朗肯循环、卡诺循环等。斯特林循环需要经过一段时间才能响应气缸的热量变化，其热量损失较大，热效率低。蒸汽轮机作为一种外燃机，是一种高热效率的热力系统，其工作原理是撷取（将水加热后形成的）水蒸汽之动能转换为涡轮转动的动能的机械，是朗肯循环的典型应用热机。世界上大约80%的电是利用涡轮蒸汽机所产生，其特别适用于火力发电和核能发电。为了提高热机的效率，应该尽可能地提高热机中的加热温度和降低排热温度。但是蒸汽轮机和燃气轮机的热力循环都不能很好满足上述要求，则提出了燃气－蒸汽轮机联合循环。为了进一步提高能源的综合利用效率，又提出多级热电并供热力系统。但该类热力系统庞大，结构复杂，不宜直接应用在运载工具上。

转子发动机直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。转子发动机取消了往复式发动机的直线运动，不需使用曲柄滑块机构和气门正时机构，转子每旋转一圈就做功一次，与一般的四冲程发动机每旋转两圈才做功一次相比，具有升功率高的优点，变工况适应性好。在相同功率下转子发动机尺寸较小，结构紧凑，体积小，重量较轻，而且振动和噪声较低，充气效率高，高速性能好，具有较大优势。但其也有致命的弱点，端面密封面大，工作环境恶劣，密封、润滑、冷却困难，密封件磨损快，泄露损失大，活塞热应力大，可靠性差，寿命低。

现已公开的相关专利中，中国专利CN102032049A和欧洲专利EP2578942A2公开了一种涉及碳封存和发动机的方法和系统，其主要应用于碳封存，但没有采用多级适度等温压缩、稳压调压和逆流换热过程，特别是该系统和方法没有采用正时定容燃烧和特定工质闭式循环。此外，该系统没应用氧化剂供给装置，系统做功需要从外界吸入新鲜空气，而且难以改变定容燃烧室内混合气的氧浓度，同时做功后还要将二氧化碳之外的氮气等气体排至环境中，因此该系统没有充分利用排气中的焓，也不能应用在水中等缺氧环境当中工作。

中国专利CN102374026A公布了一种封闭循环式布雷顿循环系统及方法，其包含3个子系统，分别是开式热能产生系统、热功转换回路系统和冷却回路系统，热工转换系统通过一个热交换器将热量传递给热工转化系统。实现整个该系统需要较大空间，更重要的是该系统采用蒸汽动力做功而非燃气动力做功，属于外燃式热机，而且热能产生子系统未对工质循环利用，而是直接排至大气中。

中国专利CN102454481A公布了一种二氧化碳收集系统的联合循环动力装置，其主要包含二氧化碳收集装置、热回收蒸汽发生器和燃烧废气再循环装置，该系统不适合在水下和缺氧环境中工作，更重要的是该系统未包含供氧、正时定容燃烧和特定工质闭式循环。

中国专利CN1138135A公开了一种等温压缩、近似定容燃烧、绝热完全膨胀和等压放热循环，但是该专利也没有采用正时定容燃烧和特定工质闭式循环。

美国专利PCT/US00/03711公布了一种涡轮动力实现方法和装置，其主要包含动力涡轮、燃烧废气换热利用和燃料与水加热转化反应装置，其中部分燃烧废气再循环利用，但不是特定工质始终循环，而且未进行脱碳、等温压缩和供氧的过程和正时定容燃烧，还有，该系统也不适合在水下和缺氧环境中工作。

为了提高内燃机的热效率，应该尽可能提高燃料燃烧效率、热功转换效率，降低压缩过程的消耗功，增大膨胀过程膨胀功，降低排气温度，同时减少排放污染物。尽管大部分专利都对多级压缩中间冷却和废气能量回收进行了阐述，但其加热或燃烧过程不能实现真正的定容燃烧，热功转换效率不高，难以做到充分膨胀做功，没有实现特定工质闭式循环，也无法实现超长时间清洁燃烧。因此设计一种热效率高、排放污染小、工作柔和、排气噪音小、外界吸入和排出工质少的热力循环及系统，对实现内燃机的节能减排有十分重要有意义，对开发在水下作业或缺氧环境下的动力机械来说也具有重要意义。

发明内容

为了解决常用内燃机热力循环存在的不足，使热动力机械实现清洁高效定容燃烧，提高热效率，以及解决不便于在水下工作等问题，本发明提供了一种原动机的半闭式正时定容热力循环方法及系统，其循环过程包括六个过程固有过程，分别是进行多级压缩级间冷却过程、逆流换热过程、正时定容燃烧过程、绝热膨胀过程、后冷却过程和二氧化碳与水脱除过程，一些实施例中还包括辅助过程，如稳压调压过程和氧化剂和燃料混合过程。

本发明的具体技术方案是：一种原动机的半闭式正时定容热力循环方法，其中，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，其采用两类工质，第一类工质是参与热力循环全部过程的工质，在定容燃烧室内燃烧后通过膨胀机做功，做功完成后返回到一级压缩机入口，继续参与下一次热力循环；第二类工质是正时定容燃烧过程前加入的氧化剂和燃料而产生的，并参与正时定容燃烧过程、绝热膨胀过程、逆流换热过程、后冷却过程的，最后在二氧化碳与水脱除过程中脱除的工质，该工质不再参与下一次热力循环：

步骤1、进行多级压缩级间冷却过程：该过程中，对第一类工质进行多级压缩，并通过级间冷却以减少压缩耗功，对第一类工质压缩终了压力进行稳压调压；

步骤2、进行逆流换热过程：该过程中，稳压调压后的第一类工质在进入定容燃烧室前回收上一次热力循环膨胀做功后的第一类工质和第二类工质的焓，直接收益热量后参与本次热力循环，以提高定容燃烧室中本次热力循环的第一类工质和第二类工质的初始温度；

步骤3、进行正时定容燃烧过程：该过程中，第一类工质经过逆流换热过程后进入定容燃烧室，氧化剂供给装置和燃料供给装置将氧化剂和燃料通过混合喷射器喷入定容燃烧室并开始正时定容燃烧，定容燃烧室容积不变；

步骤4、进行绝热膨胀过程：该过程独立于多级压缩级间冷却过程和正时定容燃烧过程，定容燃烧室排出的工质经充分膨胀对外输出功，绝热膨胀过程的膨胀比大于压缩过程的增压比；

步骤5、进行后冷却过程：该过程中，膨胀做功后的第一类工质和第二类工质经过逆流换热装置后进入后冷却器，进一步冷却至环境温度；

步骤6、进行二氧化碳和水脱除过程：该过程中，将正时定容燃烧过程产生的二氧化碳和水脱除，余下的工质继续参与下一次热力循环。

此外，本发明还提供了一种原动机的半闭式正时定容热力循环系统，其特征在于：

包括多级压缩级间冷却装置、稳压调压装置、逆流换热装置、氧化剂供给装置、燃料供给装置、混合喷射器，正时定容燃烧器、膨胀机、后冷却器、二氧化碳与水脱除装置，其中，多级压缩级间冷却装置对工质实现压缩及中冷，稳压调压装置经连接管路P₁₀与多级压缩级间冷却装置的末级压缩机相连，逆流换热装置经连接管路P₁₁与稳压调压装置相连，正时定容燃烧器经连接管路P₁₂与逆流换热装置相连；

其中，氧化剂供给装置和燃料供给装置将氧化剂和燃料通过混合喷射器喷入正时定容燃烧器混合并燃烧，生成第二类工质中的二氧化碳和水；正时定容燃烧器经连接管路P₁与膨胀机相连；在膨胀机中做功后经连接管路P₂与逆流换热装置相连。

其中，第一类工质经多级压缩级间冷却装置后进入稳压调压装置，从稳压调压装置流出的第一类工质进入逆流换热装置吸热后进入正时定容燃烧器，氧化剂供给装置和燃料供给装置提供的氧化剂和燃料经混合喷射器喷入正时定容燃烧器边混合边燃烧产生第二类工质，与第一类工质一并进入膨胀机膨胀做功，并通过传动轴对外输出功，做功后经连接管路P₂进入逆流换热装置中放热，之后从逆流换热装置流出的工质进入后冷却器得到冷却，之后经过二氧化碳与水脱除装置，第二类工质被脱除，第一类工质开始下一次热力循环。

本发明的有益效果是：

1）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）。

2）多级压缩级间冷却过程每一级增压比在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。

3）逆流换热过程是回收了膨胀做功后的工质焓，直接收益热量后参与热力循环做功，提高定容燃烧室中工质的初始温度，增大了循环的热功转化率。

4）采用独立供氧，压缩装置只需压缩第一类工质，减少了压缩机的工质流量，而不需压缩定压燃烧过程中的氧化剂，燃烧过程的氧化剂是由一套独立氧化剂供给装置提供，因此减小了整个循环的压缩功，增大系统输出功，不需要从外部环境中吸入新鲜空气。

5）本发明热力循环中第一类工质中不参与燃烧的工质可应用惰性气体，可控制工质中不含氮气，燃烧温度较常规热力系统燃烧温度高，只要控制不超出定容燃烧室所能承受的极限温度，可将碳烟和HC烧尽，而又不会产生NOx，是一种清洁高效率的燃烧方式，而且该类工质比热比高，可提高整个系统的热效率。

6）本发明热力循环中采用后冷却过程，将从逆流换热过程流出的热源工质（来自膨胀做功后的工质）进一步冷却，有助于脱除燃烧过程产生的二氧化碳和水、降低排气背压和增大膨胀比，以及减少压缩过程消耗功。

7）该热力系统是半闭式的，不需要向环境直接排出燃烧废气，与其他开式循环系统相比本发明减少了燃烧废气中所带走的热量，回收了燃烧废气中所拥有的推动功，以及回收了在压缩过程和燃烧过程中的漏气量，避免了泄露损失，从而保证了整个系统的热效率高。

8）本发明热力系统燃烧过程压力波动小，工作柔和；做功后第一类工质占比大，能循环利用，第二类工质被脱除，不直接排气，无排气噪音。

9）初级压缩机入口压力提高，升功率同比例提升。

附图说明

图1是奥托循环P-v图；

图2是狄塞尔循环P-v图；

图3是布雷顿循环P-v图；

图4为本发明实施例的热力循环示意图；

图5为本发明实施例的系统主要部件结构示意图；

图6为本发明实施例的系统主要管路部件示意图；

图7为本发明实施例的系统氧化剂供给装置的结构示意图；

图8为本发明转子式压缩机示意图；

图9为本发明正时定容燃烧系统示意图；

图10为本发明正时定容燃烧器示意图；

图中，1-正时定容燃烧器、111-燃烧室格栅、112-进气道、113-排气道、114-燃烧室瓦块式绝热内壁、14-燃料喷射器、141-喷射器喷孔、2-膨胀机、3-逆流换热装置、4-后冷却器、5-二氧化碳和水脱除装置、6-一级压缩机、61-一级压缩进气口、62-一级压缩排气口、63-二级压缩进气口、64-二级压缩排气口、65-三级压缩进气口、66-三级压缩排气口、67-压缩机内腔转子、68-压缩机旋转驱动轴、69-压缩机联动装置、7-一级中冷器、8-二级压缩机、9-二级中冷器、10-三级压缩机、11-稳压调压装置、12-氧化剂供给装置、1201-储氧罐、1202-减压阀、1203-流量控制阀、1204-单向阀、1205-压力表、1206-连接管、1207-管路、13-燃料供给装置、14-混合喷射器、15-正时装置、151-燃烧室控制阀门Ⅰ、152-燃烧室控制阀门Ⅱ、153-控制阀门Ⅲ、154-正时驱动装置、16-传动轴、17-连接管路P₁、18-连接管路P₂、19-连接管路P₃、20-连接管路P₄、21-连接管路P₅、22-连接管路P₆、23-连接管路P₇、24-连接管路P₈、25-连接管路P₉、26-连接管路P₁₀、27-连接管路P₁₁、28-连接管路P₁₂、29-火花塞、30-等温压缩过程装置、31-充分膨胀过程装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一部详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明的概念。

本发明提供了一种原动机的半闭式正时定容热力循环方法，其中，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，其采用两类工质，第一类工质是参与热力循环全部过程的工质，在定容燃烧室内燃烧后通过膨胀机做功，做功完成后返回到一级压缩机入口，继续参与下一次热力循环；第二类工质是正时定容燃烧过程前加入的氧化剂和燃料而产生的，并参与正时定容燃烧过程、绝热膨胀过程、逆流换热过程、后冷却过程的，最后在二氧化碳与水脱除过程中脱除的工质，该工质不再参与下一次热力循环：

步骤1、进行多级压缩级间冷却过程：该过程中，对第一类工质进行多级压缩，并通过级间冷却以减少压缩耗功，对第一类工质压缩终了压力进行稳压调压；

该步骤中，多级压缩级间冷却过程是为了实现接近等温压缩，通过级间冷却以减少下一次压缩耗功，还有，流经压缩机的工质不含氧化剂，进一步降低压缩耗功；压缩最终压力影响定容燃烧室内燃烧初始状态压力，负责压缩的装置与定容燃烧器独立开来，不是同一套装置。

完成多级压缩级间冷却过程之后进行稳压调压过程，将压缩过程产生的压力波消除，维持稳定的压力，保证进入定容燃烧室的进气量可按照工况的变化进行调整。

步骤2、进行逆流换热过程：该过程中，稳压调压后的第一类工质在进入定容燃烧室前回收上一次热力循环膨胀做功后的第一类工质和第二类工质的焓，直接收益热量后参与本次热力循环，以提高定容燃烧室中本次热力循环的第一类工质和第二类工质的初始温度；

该步骤中，温度较低的完成多级压缩级间冷却过程和稳压调压过程后的第一类工质吸热焓增，温度较高的完成绝热膨胀过程后的第一类工质和第二类工质放热焓降，余热回收利用，提高热能利用率。

步骤3、进行正时定容燃烧过程：该过程中，第一类工质经过逆流换热过程后进入定容燃烧室，氧化剂供给装置和燃料供给装置将氧化剂和燃料通过混合喷射器喷入定容燃烧室并开始正时定容燃烧，定容燃烧室容积不变；

该步骤中，本发明所述热力系统在正时定容燃烧过程实行正时定容燃烧，正时定容燃烧器是基于正时定容的特殊形式燃烧发生装置。热力循环中压缩过程、膨胀过程与燃烧过程分别在独立的装置内完成，并通过正时装置15相互关联，工质在定容燃烧室中可以实现超长时间定容燃烧，等到燃料充分燃尽，再将高温高压工质排出定容燃烧室进入膨胀机2。由于氧化剂和燃料都是独立供应，同时定容燃烧室内加格栅进行多点着火。当采用氮气作为第一类工质的主要成分时，氧化剂与第一类循环工质先混合均匀，成为均质混合气，在燃烧过程中实现均质低温稀薄燃烧，燃烧温度控制在1900-2100K之间，有效抑制HC、CO、PM和NOx等有害污染物的生成。当采用氩等惰性气体作为第一类工质的主要成分时，氧化剂与第一类循环工质先不混合，而是与燃料在燃烧室内直接混合，进行边混合边燃烧，在燃烧过程中实现高温燃烧，控制燃烧温度不超过定容燃烧室所能承受的极限温度，有效抑制PM、HC和CO的生成，无NOx生成。因此该系统可达到清洁高效燃烧的目的。

步骤4、进行绝热膨胀过程：该过程不仅独立于多级压缩级间冷却过程和正时定容燃烧过程，而且绝热膨胀过程的膨胀比大于压缩过程的增压比，可以达到充分膨胀做功的目的；

步骤5、进行后冷却过程：该过程中，膨胀做功后的第一类工质和第二类工质经过逆流换热装置后进入后冷却器，进一步冷却至环境温度；

步骤6、进行二氧化碳和水脱除过程：该过程中，将正时定容燃烧过程产生的二氧化碳和水脱除即第二类工质脱除，余下的第一类工质继续参与下一次热力循环，对新鲜工质需求量少，有利于封闭和水下环境运行。

由此可见，本发明提供了一种由热能转化为机械能（功）的半闭式正时定容内燃热力循环方法。在本发明的循环中，主要特点体现在加热方式是做功工质先经逆流换热定压加热，再进入定容燃烧室内的定容燃烧，是将膨胀做功后的余热直接应用到热功转化当中，综合起来整个循环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。

本发明所述半闭式正时定容内燃热力循环实现闭式工质再循环，是将二氧化碳与水脱除过程保留下来的第一类工质通过热力系统中回路返回到多级压缩级间冷却过程，完成一次半闭式正时定容内燃热力循环，之后继续重复上述过程。

所述半闭式正时定容内燃热力循环是该热力循环包含两类工质参与做功，由于整个系统设有回路，特别适用比热比较高的单原子气体做工质，如惰性气体中的氦等，而且在压缩和膨胀过程中产生的泄露，能量可以得到回收，从而提高了整个热力循环的热效率。

所述半闭式正时定容内燃热力循环中的多级压缩级间冷却过程，压缩装置不需压缩定压燃烧过程中的氧化剂，氧化剂是由一套独立氧化剂供给装置提供，因此减小了整个循环的压缩功。

以下将以三级压缩两级中冷热力循环系统为例详细说明本发明的半闭式正时定容内燃热力循环方法。

该热力循环的P-v图如图4所示。图中a-b-c-d-e-f为多级压缩级间冷却过程，即准等温压缩过程；f-g为稳压调压过程；g-h为逆流换热过程I（逆流吸热过程）；h-i为正时定容燃烧过程；i-j为绝热膨胀过程；j-k为逆流换热过程II（逆流放热过程）；k-l为后冷却过程；l-a为二氧化碳与水脱除过程。

以图4和图5为例来描述采用所述热力循环的热力系统的基本实现步骤，该实施例中，第一类工质不含氮气，并以惰性气体作为其主要成分，下面以工质流向顺序来叙述具体步骤。

步骤1、对三级压缩级间进行冷却

(1)以一级压缩6机入口端a为始点，第一类工质经一级压缩机6增压后处于b点状态，第一类工质压力提高到2.0～3.0倍；之后经连接管路P₆22进入一级中冷器7得到冷却，工质处于点c状态，到此完成第一次等温压缩，如图4中的a-b-c过程。

状态点a热力参数：

p_a

T_a

式中，p_a为工质在状态点a的压力，单位为MPa；T_a为工质在状态点a时的温度，单位为K。

状态点b热力参数：

p_b=p_a×cr1

$T_b=T_a+\frac{T_a}{\mathrm{ce}1}[{\left(\frac{p_b}{p_a}\right)}^{\frac{k_a-1}{k_a}}-1]$

式中，p_b为工质在状态点b的压力，单位为MPa；cr1为一级压缩机的增压比；T_b为工质在状态点b时的温度，单位为K；ce1为一级压缩机的等熵效率；k_a为工质在状态点a的比热比。

状态点c热力参数：

p_c=p_b-htp1

T_c=T_b-hte1×(T_b-T₀)

式中，p_c为工质在状态点c的压力；htp1为工质通过一级中冷器的压力损失，单位为MPa；T_c为工质在状态点c的温度，单位为K；hte1为一级中冷器的换热效能。T₀为外部环境的温度，单位为K。

a-b一级压缩过程功耗：

$w_1=c_{p\left(a\right)}\×T_a\×[{\left(\frac{p_b}{p_a}\right)}^{\frac{k_a-1}{k_a}}-1]\÷\mathrm{ce}1$

式中，w₁为一级压缩过程的增压比功，单位为kJ/kg。

b-c一级中冷过程功：

w₂=c_p(c)T_c-c_p(b)T_b

式中，w₂为一级中冷过程的过程比功，kJ/kg；c_p(b)、c_p(c)分别为工质在状态点b和c的定压比热，kJ/kg·K。

(2)第一类工质经连接管路P₇23进入二级压缩机8进行第二次增压，此时第一类工质压力比一级中冷器7出口压力又提高到2.0～3.0倍，工质处于点d状态，再经连接管路P₈24进入二级中冷器9再次得到冷却，工质处于点e状态，完成第二次等温压缩，如图4中的c-d-e过程。

状态点d热力参数：

p_d=p_c×cr2

$T_a=T_c+\frac{T_c}{\mathrm{ce}2}[{\left(\frac{p_d}{p_c}\right)}^{\frac{k_c-1}{k_c}}-1]$

式中，p_d为工质在状态点d的压力，单位为MPa；cr2为二级压缩机的增压比；T_d为工质在状态点d时的温度，单位为K；ce2为二级压缩机的等熵效率；k_c为工质在状态点c的比热比。

状态点e热力参数：

p_e=p_d-htp2

T_e=T_d-hte2×(T_d-T₀)

式中，p_e为工质在状态点e的压力；htp2为工质通过二级中冷器的压力损失，单位为MPa；T_e为工质在状态点e的温度，单位为K；hte2为一级中冷器的换热效能。

c-d二级压缩过程功耗：

$w_3=c_{p\left(c\right)}\×T_c\×[{\left(\frac{p_d}{p_c}\right)}^{\frac{k_c-1}{k_c}}-1]\÷\mathrm{ce}2$

式中，w₃为二级压缩过程的增压比功，单位为kJ/kg。

d-e二级中冷过程功：

w₄=c_p(e)T_e-c_p(d)T_d

式中，w₄为二级中冷过程的过程比功，单位为kJ/kg；c_p(d)、c_p(e)分别为工质在状态点d和e的定压比热，单位为kJ/kg·K。

(3)、从二级中冷器9流出的第一类工质经连接管路P₉25进入第三级压缩机10进行第三次增压，第一类工质压力进一步提高，是二级中冷器9出口压力的2.0～3.0倍，工质处于f点状态，完成第三次近似绝热压缩，如图4中的e-f过程。在此着重说明，第一类工质在第三次压缩后没有进行中冷，而是直接进行稳压调压，目的是充分利用压力能。

状态点f热力参数：

p_f=p_e×cr3

$T_f=T_e+\frac{T_e}{\mathrm{ce}3}[{\left(\frac{p_g}{p_e}\right)}^{\frac{k_e-1}{k_e}}-1]$

式中，p_f为工质在状态点f的压力，单位为MPa；p_g为工质在状态点g的压力，单位为MPa；T_f为工质在状态点f时的温度，单位为K；T_g为工质在状态点g时的温度，单位为K；cr3为三级压缩机的增压比；ce3为三级压缩机的等熵效率；k_e为工质在状态点e的比热比。

e-f三级压缩过程：

$w_5=c_{p\left(e\right)}\×T_e\×[{\left(\frac{p_g}{p_e}\right)}^{\frac{k_e-1}{k_e}}-1]\÷\mathrm{ce}3$

式中，w₅为三级压缩过程的增压比功，单位为kJ/kg。

完成步骤1后，进行稳压调压过程，第一类工质经连接管路P₁₀26直接进入稳压调压装置11将气体压力维持在一定值，例如增压比是2时，压力为7bar，增压比是2.5时，压力为14bar，当进气压力增加，则气体压力也随着增加，使进入下一级部件的工质保持稳定的压力和流量，这不仅可以调节整个系统的负荷，而且保证系统间歇性做功，持续稳定工作，完成稳压调压过程，如图4中的f-g过程。

此处f到g的过程是稳压调压过程，在热力循环计算时，近似认为状态点f和状态点g的热力学参数相等。

p_f=p_g

T_f=T_g

步骤2、进行逆流换热过程

该过程包括了逆流吸热过程和逆流放热过程，其中，在进行逆流吸热过程中，从稳压调压装置11流出的第一类工质经连接管路P₁₁27进入逆流换热装置3中进行预热，热源来自于膨胀机2中排出的第一类工质和第二类工质，在逆流换热装置3中，稳压调压装置11流出的第一类工质吸热，膨胀机2排出的第一类工质和第二类工质放热。稳压调压装置11流出的第一类工质逆流吸热焓升，如图4中的g-h过程。

状态点h热力参数：

p_h=p_g-htp3

T_h=T_g+hte3×(T_j-T_g)

式中，p_h为工质在状态点h时的压力，单位为MPa；htp3为工质通过逆流换热装置时的压力损失，单位为MPa；T_h为工质在状态点h时的温度，单位为K；hte3为逆流换热装置的换热效能；T_g为工质在状态点g时的温度，K；T_j为工质在状态点j时的温度，K。

g-h逆流换热过程Ⅰ：

w₆=c_p(h)T_h-c_p(g)T_g

式中，w₆为逆流换热过程的过程比功，kJ/kg；c_p(g)、c_p(h)分别为工质在状态点g和h的定压比热，单位为kJ/kg·K。

在进行逆流换热过程时，从膨胀机2流出的燃烧废气经连接管路P₂18进入逆流换热装置3中进一步释放热量，并将热量传递给从稳压调压装置流向正时定容燃烧器1的第一类工质（吸热）。使得从逆流换热装置排出的燃烧废气温度控制在120℃左右，防止水蒸气发生冷凝。在此，燃烧废气完成逆流换热过程，如图4中的j-k过程。第一类工质在逆流换热装置3中得到初步等压膨胀。所述的燃烧废气是经过膨胀机2做功后排出的工质，是热力系统中工质在不同阶段的一种名称。

状态点k热力参数：

p_k=p_j-htp4

T_k=(c_p(j)×T_j-c_p(h)×T_h+c_p(g)×T_g)÷c_p(k)

式中，p_k为工质在状态点k时的压力，单位为MPa；htp4为工质通过逆流换热装置的压力损失，单位为MPa；T_k为工质在状态点k时的温度，单位为K；c_p(j)为工质在状态点j时的定压比热，单位为kJ/kg·K；c_p(h)为工质在状态点h时的定压比热，单位为kJ/kg·K；c_p(g)为工质在状态点g时的定压比热，单位为kJ/kg·K；c_p(k)为工质在状态点k时的定压比热，单位为kJ/kg·K。

j-k逆流换热过程Ⅱ：

w₉=c_p(k)T_k-c_p(j)T_j

式中，w₉为逆流换热过程Ⅱ的过程比功，单位为kJ/kg。

步骤3、完成正时定容燃烧过程：

完成步骤2后，从逆流换热装置3流出的第一类工质经连接管路P₁₂28进入混合喷射器14，连接管路P₁₂28和氧化剂供给装置12在混合喷射器14交汇，第一类工质与氧化剂在混合喷射器14中边混合边燃烧。

此处第一类工质与氧混合，在热力循环计算时，近似认为喷入的氧化剂产生的体积压力视为逆流换热吸热的热量，即压力不便，状态压力为p_h，氧化剂的温度不变，状态温度为T_h。

从混合喷射器14流出的含氧工质进入正时定容燃烧器1中，并在正时定容燃烧器1的入口与燃料供给装置13提供的燃料进行混合，形成可燃混合气。由于氧化剂由氧化剂供给装置12供给，其供氧量可按照需求自由控制，而不像从外部环境中吸入新鲜空气那样，又加之燃料也可独立地自由控制，因此该系统可方便地形成稀薄的混合气。接着氧化剂和燃料供给装置13喷射的燃料在正时定容燃烧器1中有火花塞29点燃，边混合边燃烧。这里燃料与氧化剂集中在燃烧室中的一空间范围内，可将燃烧充分燃尽，不会形成碳烟。燃烧完成后缸内平均温度较常规柴油机和汽油机缸内的平均温度高，而又不会生成NO_x。通过正时装置15使燃烧过程、进气过程、膨胀过程既关联又相互独立，氧化剂进入正时定容燃烧器1时，正时定容燃烧器1与膨胀机2相隔离，没有工质交换；氧化剂与燃料混合燃烧时，正时定容燃烧器1与进气过程及膨胀机2相隔离，极度接近定容燃烧。燃料和氧化剂在正时定容燃烧器1中燃烧生成二氧化碳和水，并与其他未参与燃烧的第一类工质一起受热形成高温气体，从正时定容燃烧器1出口排出进入膨胀机2。到此，工质在定容燃烧室完成正时定容燃烧加热过程，如图4中的h-i过程。

设循环中氧化剂体积与第一类工质体积（第一类工质与氧化剂的总体积）的比值为γ，即： $\mathrm{\γ}=\frac{V_{O_2}}{V_b}$

式中为循环中氧化剂的体积，V_b为第一类工质的体积，此处假定γ=0.25

假定燃料分子式中只有C和H元素，并且n/m的值为β，燃烧过程中O₂过量空气系数为α，且α≥1；

$C_n{H}_m+(n+\frac{m}{4})O_2=n{\mathrm{CO}}_2+\frac{m}{2}{H}_{2}O+q$

式中，n为燃料分子中碳原子数，m为燃料分子中氢原子数，q为燃烧释放的热量。

燃烧完成后水认为是气态，第一类工质在燃烧后的所占体积分数ζ_b计算公式为：

${\mathrm{\ζ}}_b=\frac{\frac{V_{O_2}}{r}}{\frac{V_{O_2}}{\mathrm{\α}}\·\frac{n+m/2}{n+m/4}+V_{O_2}\·(\mathrm{\α}-1)+\frac{V_{O_2}}{r}}=\frac{\frac{1}{r}}{\frac{1}{\mathrm{\α}}\·\frac{1+1/2\mathrm{\β}}{1+1+1/4\mathrm{\β}}+(\mathrm{\α}-1)+\frac{1}{r}}$

h-i正时定容燃烧过程：

w₇=q

式中，w₇为正时定容燃烧过程的当量燃烧放热量，单位为kJ/kg。

状态点i热力参数：

T_i=[q×com_eff×(1-hl_comb)+c_v(h)×T_h]÷c_v(i)

p_i=p_h×T_i÷T_h

式中，T_i为工质在状态点i时的温度，单位为K；q为燃料当量热值，单位为kJ/kg；com_eff为燃烧效率；hl_comb为定容燃烧室散热损失率；c_v(h)为工质在状态点h时的定容比热，单位为kJ/kg·K；c_v(i)为工质在状态点i时的定容比热，单位为kJ/kg·K；p_i为工质在状态点i时的压力，单位为MPa。

步骤4、绝热膨胀过程

正时定容燃烧结束后，正时定容燃烧器1与进气过程相隔离，从正时定容燃烧器1中排出的高温燃气经连接管路P₁17进入膨胀机2进行充分膨胀做功，膨胀机2在高温高压的燃气推动下对外输出机械功，同时通过传动轴16带动一级压缩机6、二级压缩机8和三级压缩机10旋转，为各级压缩机提供压缩功。在此，燃气在膨胀机2中完成膨胀做功，如图4中的i-j过程。

状态点j热力参数：

$p_j=\frac{p_i}{\mathrm{\τ}}$

$T_j=\frac{T_h-T_g}{\mathrm{hte}3}{T}_g$

式中，p_j为工质在状态点j时的压力，单位为MPa；τ为工质在膨胀过程的膨胀比；T_j为工质在状态点j时的温度，单位为K。

i-j一级膨胀过程膨胀功：

$w_8=\left\{c_{p\left(i\right)}{T}_i\right[1-{\left(\frac{p_j}{p_i}\right)}^{\frac{k_{i-j}-1}{k_{i-j}}}]-1000v_i(p_i-p_g)\}\×(1-\mathrm{hl}\_\mathrm{loss})$

式中，w₈为一级膨胀过程的过程比功，单位为kJ/kg；c_p(i)分别为工质在状态点i的定压比热，单位为kJ/kg·K；c_p(i)为i-j过程的等效定压比热；v_i为工质在状态点i时的比容，单位为m³/kg；hl_loss为一级膨胀机的散热损失率。

步骤5、后冷却过程

从逆流换热装置3流出的燃烧废气的温度约为170～180℃，需要进一步冷却，其经连接管路P₃19进入后冷却器4。膨胀机流出的第一类工质和第二类工质在后冷却器4中得到充分冷却，温度可接近环境温度，其中的水蒸气部分得到冷凝，这起到一定程度的脱水作用。在此，燃烧废气在后冷却器4中完成充分冷却和实现初步脱水，如图4中的k-l过程。

状态点l热力参数：

p_l=p_k-htp5

T_l=T_k-hte5×(T_k-T₀)

式中，p_l为工质在状态l点时的压力，单位为MPa；htp5为工质通过后冷却器的压力损失，单位为MPa；T_h为工质在状态点h时的温度，单位为K；Tl为工质在状态点l时的温度，K；hte5为后冷却器的换热效能。

l-k后冷却过程功：

w₁₀=c_p(l)T_l-c_p(k)T_k

式中，w₁₀为后冷却器的过程比功，单位为kJ/kg；c_p(k)、c_p(l)分别为工质在状态点k和l的定压比热，单位为kJ/kg·K。

步骤6、二氧化碳与水脱除过程

从后冷却器4排出的燃烧废气经连接管路P₄20流入二氧化碳和水脱除装置5，在装置5中彻底脱除二氧化碳或者吸收部分多余的二氧化碳，同时进一步脱除燃烧废气中的水分,该类工质实现开式循环，得到适量的较为纯净的第一类工质。从二氧化碳和水脱除装置5中流出的燃烧废气转变为新鲜的第一类工质，经连接管路P₅21再次返回到一级压缩机7的入口处，开始下一循环，即该类工质实现闭式循环。到此，燃烧废气完成了脱二氧化碳和水，如图4中的l-a过程。

目前，除二氧化碳和水有两种常用方法，一是采用升压降温到二氧化碳超临界点（温度在31度,压力7.18MPa），此时二氧化碳为液体，然后与水一起被排除；二是直接排水法，通过将二氧化碳溶解于水中排除。

状态点a热力参数：

p_a=p_l·{ζ_b+(1-ζ_b)·(100-η_d)}

T_a=T_l

式中，p_l为工质在状态l点时的压力，单位为MPa；ζ_b为第一类工质的在燃烧后的体积比，η_d二氧化碳和水总的脱除效率百分数，htp5为工质通过后冷却器的压力损失，单位为MPa；T_h为工质在状态点h时的温度，单位为K；hte5为后冷却器的换热效能。

通过上述6个步骤完成一次半闭式正时定容热力循环，之后继续重复上述步骤。

整个循环热效率计算：

当忽略扫入膨胀过程少量的新鲜空气时：

膨胀做功=c_v(i)T_i-c_v(j)T_j

n级压缩耗功之和 $=c_{p\left(a\right)}{T}_a({\mathrm{\α}}^{\frac{k_a-1}{k_a}}-1)+c_{p\left(c\right)}{T}_c({\mathrm{\α}}^{\frac{k_c-1}{k_c}}-1)+c_{p\left(e\right)}{T}_e({\mathrm{\α}}^{\frac{k_e-1}{k_e}}-1)+...$

当忽略燃料质量的加入时：

燃料热量输入=c_v(i)T_i-c_v(h)T_h

所以， ${\mathrm{\η}}_t=\frac{(c_{v\left(i\right)}{T}_i-c_{v\left(j\right)}{T}_j)-(c_{p\left(a\right)}{T}_a({\mathrm{\α}}^{\frac{k_1-1}{k_1}}-1)+c_{p\left(c\right)}{T}_c({\mathrm{\α}}^{\frac{k_3-1}{k_3}}-1)+c_{p\left(e\right)}{T}_e({\mathrm{\α}}^{\frac{k_5-1}{k_5}}-1)+...)}{c_{v\left(i\right)}{T}_i-c_{v\left(h\right)}{T}_h}$

假设：（1）T_h=T_j；

(2)p_j=p_a；

(3)其余损失忽略。

由以上3个假设，可得到：

c_v(i)T_i-c_v(h)T_h=c_v(i)T_i-c_v(j)T_j

$\frac{T_h}{T_i}=\frac{T_j}{T_i}={\left(\frac{p_j}{p_i}\right)}^{\frac{k_2-1}{k_2}}={\left(\frac{p_a}{p_i}\right)}^{\frac{k_2-1}{k_2}}={\left(\frac{p_a}{\frac{T_i}{T_h}{P}_h}\right)}^{\frac{k_2-1}{k_2}},$ 即 $\frac{T_h}{T_i}={\left(\frac{T_h}{T_i}\frac{P_a}{p_h}\right)}^{\frac{k_2-1}{k_2}},$ 即 $\frac{T_h}{T_i}={\mathrm{\α}}^{n(1-k_2)}$

把上两式代入效率计算式：

$\mathrm{\η}=1-\frac{n\·\frac{c_{p\left(a\right)}}{c_{v\left(i\right)}}({\mathrm{\α}}^{\frac{k_1-1}{k_1}}-1)}{1-\frac{c_{v\left(h\right)}}{c_{v\left(i\right)}}\·{\mathrm{\α}}^{n(1-k_2)}}\·\frac{T_a}{T_i}$

式中，k₁为压缩过程（低温段）比热比（假设不变）；k₂为膨胀过程（高温段）的比热比；α为单级增压比；n为压缩级数；T_a为外部环境温度，单位为K；T_i为燃烧过程后温度，单位为K；c_p(a)为工质在状态点a时的定压比热，单位为kJ/kg·K；c_p(h)为工质在状态点h时的定压比热，单位为kJ/kg·K；c_v(i)为工质在状态点i时的定容比热，单位为kJ/kg·K。

完成所述半闭式正时定容热力循环，实现目标热效率。本发明采用了实现该热力循环的半闭式正时定容热力系统，其结构和功能有特殊的要求和设计。该热力系统包括采用多级适度等温压缩装置、稳压调压装置、逆流换热装置、正时定容燃烧器、绝热膨胀机、再循环工质冷却装置和二氧化碳与水脱除装置，该热力系统并设有一套的氧化剂供给装置和一套正时装置15，使该热力循环热效率高，燃烧排放污染物少，工作柔和，排气噪音小，且不需要从外部环境中吸入新鲜空气。

第一类工质经过所述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的工质进行冷却，通过稳压和调压作用后经历逆流换热过程I，吸收余热实现等压加热过程，然后，第一类工质、氧化剂和燃料经历所述正时定容燃烧过程，完成正时定容燃烧过程后，经历所述绝热膨胀过程对外做功，再经历所述逆流换热过程II，将绝热膨胀做功后工质的余热传递给稳压调压装置流出的第一类工质，有助于提高热能回收利用率。经逆流换热过程II后的工质经历所述后冷却过程，将工质进一步冷却，再经过所述脱除二氧化碳和水过程，脱除第二类工质，余下的第一类工质开始下一个热力循环。

为实现上述热力循环的多级压缩级间冷却过程的装置可以有多种形式：容积式压缩机、速度式压缩机，本发明技术解决方案可以采用：转子式压缩机、逆流换热装置、燃烧室、转子式膨胀机。

转子式发动机具有结构紧凑、运转平稳的特点，由于其缺陷（压缩比大，密封环境恶劣），并没有得到广泛的应用。应用转子式发动机的原理来压缩第一类工质，增压比在2.0～3.0之间，是低增压比压缩，也是低温压缩，克服了转子式发动机燃烧做功时活塞环磨损快，活塞热应力大、难以密封等缺点，为充分利用其优点，弥补其缺陷，本发明可应用转子压缩机。转子压缩机结构如图8所示，而定容燃烧室则采用正时定容燃烧器，其结构和原理将在下文叙述。

所述转子压缩机结构形成三个压缩腔，工质首先经过一级压缩进气口61，经过一次压缩后，从一级压缩排气口62排出，经过中间冷却过程后，再次进入二级压缩进气口63，经过二次压缩后，从二级压缩排气口64排出，经过二级中间冷却后，然后进入三级压缩进气口65，最后从三级压缩排气口66排出，其中的动力来自于压缩机旋转驱动轴68输出的扭矩，压缩机内腔转子67固定在压缩机旋转驱动轴68上随着轴同步旋转，压缩机联动装置69沿着压缩机内腔转子67轮廓运动，这样起到密封作用。这样充分利用了转子式发动机压缩效率高的特点，又由于一个压缩机可以实现两次压缩，同时还可以把结构做得十分紧凑。

所述热力系统的供氧设有一套氧化剂供给装置12，氧化剂供给装置12负责为定容燃烧室提供所需要的氧化剂，使得该热力系统不需要从外部环境（大气）中吸入空气。这也正是该热力系统不需要从环境中吸入空气的原因。其结构示意图如图7所示，该装置含有储氧罐1201、减压阀1202、流量控制阀1203、单向阀1204、压力表1205、连接管1206和管路1207。该氧化剂供给装置12通过管路1207与混合喷射器14相连，并通过流量控制阀1203控制供氧量。该实施例中，氧化剂供给装置12负责为定容燃烧室提供所需要的氧化剂，使得该热力系统不需要从外部环境（大气）中吸入空气。该装置含有储氧罐1201、减压阀1202、流量控制阀1203、单向阀1204、压力表1205、连接管1206和管路1207。这也正是该热力系统不需要从环境中吸入空气的原因。氧化剂供给量由燃料喷入量和正时定容燃烧器1中的最高燃烧发生温度来确定，即由稀燃程度来决定，而且不同组分的第一类工质的最高燃烧发生温度不同。

所述稳压调压过程是设有一套稳压调压装置11，该装置具有一定的容积，是定容燃烧室容积的十倍左右。该装置一方面维持稳定的压力和流量，同时还可以调节整个系统的负荷，保证系统间歇性做功和持续稳定工作；另一方面为原动机在启动时提供所需的工质。

所述正时定容燃烧过程的正时定容燃烧系统，其结构如图9所示，包括正时装置15、正时定容燃烧器1，所述正时装置15包括正时驱动装置154、燃烧室控制阀门Ⅰ151、燃烧室控制阀门Ⅱ152，所述正时定容燃烧器1包括混合喷射器14、进气道112、定容燃烧室、排气道113。所述定容燃烧室包括燃烧室格栅111、燃烧室瓦块式绝热内壁114，通过所述燃烧室格栅111实现均匀燃烧，所述燃烧室瓦块式绝热内壁114是由具有绝热涂层材料的瓦块式结构搭接而成，可以承受高温差变化，也能减少热能的散失。正时驱动装置154通过传动装置直接控制所述燃烧室控制阀门Ⅰ151、燃烧室控制阀门Ⅱ152和控制阀门Ⅲ153的开启和关闭的时间。控制阀门Ⅰ151、控制阀门Ⅱ152、控制阀门Ⅲ153和等温压缩过程装置30及充分膨胀过程装置314通过正时驱动装置124相互关联，实现按时序的运转。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Ⅱ152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机做功，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Ⅰ151开启，正时定容燃烧系统内进气过程、扫气过程开始，当膨胀机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Ⅱ152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Ⅰ151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Ⅰ151和燃烧室控制阀门Ⅱ152都是关闭状态，通过所述混合喷射器14喷射燃料混合物后，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完成时，所述控制阀门Ⅲ153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Ⅲ153关闭。

所述正时装置15的开启和关闭实现所述正时定容燃烧过程、多级压缩级间冷却过程和多级绝热膨胀过程按预设时序协同工作，定容燃烧室排气时与进气脱离关联，进气时与排气脱离关联，燃烧时与进气、排气脱离关联，使加热过程、进气过程、排气过程既相互独立又相互关联。燃烧限定在定容燃烧室的空间范围内，达到严格意义定容燃烧的目的，由于压缩和膨胀相互独立，通过设定正时装置15的气门定时，控制进排气门的开启和关闭时间，实现超长时间燃烧，以360°为一个循环周期计，燃烧持续期最高至210°，而一般内燃机的燃烧持续期仅为20～60°，又由于燃烧时间长，故燃烧放热率和压力升高率小，故燃烧柔和。

在该正时定容燃烧系统中定容燃烧器的结构如图10所示，定容燃烧室具有带格栅的结构，达到均匀燃烧的目的，由于燃烧时间长，燃烧混合物混合均匀，使燃料充分燃烧，有效抑制HC、CO和PM的产生，通过稀薄燃烧方式，使燃烧温度在1900-2100K之间，有效抑制NO_x的产生。定容燃烧室还带有由具有绝热涂层材料的瓦块式结构搭接而成的燃烧室瓦块式绝热内壁114，可以承受高温差变化，也能减少热能的散失。同时定容燃烧室的进排气门不是气阀式，而是球形式，这样的结构能使气门尽快开启，以最大程度减少工质流过气门时产生的节流损失。另外，混合喷射器14深入到定容燃烧室内腔，并且有多个燃料喷射孔141，实现喷射时燃料尽快达到均匀分布。

所述绝热膨胀过程使用的膨胀机可以有多种形式：活塞容积式膨胀机、涡轮膨胀机等等，本发明适用于转子式膨胀机。由于活塞式膨胀机需要把活塞的直线运动转化为曲轴的旋转运动，热功转化效率不高，而涡轮膨胀机没有容积式膨胀机效率高，故采用转子式膨胀机。另一方面，本发明通过正时装置15实现定容燃烧，燃烧后的高温高压气体需要按时进入膨胀机，由于采用转子形式膨胀机，故只要控制好转子的正时，便可以使高温高压气体进行最大程度做功，而且不用新增排气阀门，减少了做功的气体的节流损失。由于是定容燃烧，燃烧后的压力要远高于燃烧前的压力，膨胀后的压力则与压缩前的压力接近，这样使得整个系统的膨胀比要大于要所比。

通过所述正时装置15独立于所述正时定容燃烧过程，此过程有别于传统四冲程内燃机的工作过程，传统工作过程中压缩与膨胀相关且不独立，使膨胀比不能太大，而本发明通过正时装置15使进气、加热、排气有序协同工作，能够实现充分膨胀，膨胀过程的膨胀比大于压缩过程的增压比，使膨胀尽可能实现充分膨胀。

参照图5和图6，本实施例中包含多级压缩级间冷却装置，如一级压缩机6、一级中冷器7、一级压缩机6与一级中冷器7的连接管路P₆22、一级中冷器7与二级压缩机8的连接管路P₇23、二级压缩机8、二级中冷器9、二级压缩机8与二级中冷器9的连接管路P₈24、三级压缩机10、二级中冷器9与三级压缩机10的连接管路P₉25，第一类工质在多级压缩级间冷却装置实现等效的等温压缩，在本实施例中所述压缩机为转子压缩机；包含稳压调压装置11，该装置与多级压缩级间冷却装置的第三级压缩机10经连接管路P₁₀26相连，第一类工质在该装置中储存充分高的压力；包含逆流换热装置，逆流换热装置3与稳压调压装置11经连接管路P₁₁27相连，从稳压调压装置11流出的第一类工质从燃烧废气的出口端进入逆流换热装置3中，吸热后从燃烧废气的入口端流出；包含气体混合装置，混合喷射器14与逆流换热装置3经连接管路P₁₂28相连，从逆流换热装置3中流出的第一类工质在混合喷射器14中与来自氧化剂供给装置12的氧化剂充分均匀混合；包含正时定容燃烧器1，混合喷射器14的出口在正时定容燃烧器1内，从混合喷射器14中流出的氧化剂和燃料进入正时定容燃烧器1中再次混合，可燃混合气在正时定容燃烧器1中由火花塞29辅助点燃，燃烧后受热膨胀，并被排出；包含膨胀机2，膨胀机2与正时定容燃烧器1经连接管路P₁17相连，从正时定容燃烧器1排出的高温燃气进入膨胀机2中进行充分膨胀做功，并通过传动轴16对外输入功，高温燃气做功后转变为燃烧废气，其经连接管路P₂18进入逆流换热装置3中放热，在本实施例中所述膨胀机2为转子膨胀机；还包含后冷却装置，后冷却器4与逆流换热装置3经连接管路P₃19相连，燃烧废气在后冷却器4中充分释放热能；最后包含脱二氧化碳和水装置，脱二氧化碳和水装置5与后冷却器4经连接管路P₄20相连，脱二氧化碳和水装置5与一级压缩机6经连接管路P₅21相连；按照上述连接次序形成本专利的一个实施例的系统装置。

其他实施方式：所述一种原动机的半闭式正时定容热力循环方法也可以包括单级压缩过程、单级中冷过程或多级膨胀过程，热力循环系统可以是单级压缩机、多级膨胀机，其工作原理与特征均与本实施例的相同。

Claims (10)

1.一种原动机的半闭式正时定容热力循环方法，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，其采用两类工质，第一类工质是参与热力循环全部过程的工质，在定容燃烧室内燃烧后通过膨胀机做功，做功完成后返回到一级压缩机入口，继续参与下一次热力循环；第二类工质是正时定容燃烧过程前加入的氧化剂和燃料而产生的，并参与正时定容燃烧过程、绝热膨胀过程、逆流换热过程、后冷却过程的，最后在二氧化碳与水脱除过程中脱除的工质，该工质不再参与下一次热力循环：

步骤1、进行多级压缩级间冷却过程：该过程中，对第一类工质进行多级压缩，并通过级间冷却以减少压缩耗功，对第一类工质压缩终了压力进行稳压调压；

步骤2、进行逆流换热过程：该过程中，稳压调压后的第一类工质在进入定容燃烧室前回收上一次热力循环膨胀做功后的第一类工质和第二类工质的焓，直接收益热量后参与本次热力循环，以提高定容燃烧室中本次热力循环的第一类工质和第二类工质的初始温度；

步骤3、进行正时定容燃烧过程：该过程中，第一类工质经过逆流换热过程后进入定容燃烧室，氧化剂供给装置和燃料供给装置将氧化剂和燃料通过混合喷射器喷入定容燃烧室并开始正时定容燃烧，定容燃烧室容积不变；

步骤4、进行绝热膨胀过程：该过程独立于多级压缩级间冷却过程和正时定容燃烧过程，定容燃烧室排出的工质经膨胀对外输出功，绝热膨胀过程的膨胀比大于压缩过程的增压比；

步骤5、进行后冷却过程：该过程中，膨胀做功后的第一类工质和第二类工质经过逆流换热装置后进入后冷却器，进一步冷却至环境温度；

步骤6、进行二氧化碳和水脱除过程：该过程中，将正时定容燃烧过程产生的二氧化碳和水脱除，余下的工质继续参与下一次热力循环。

2.根据权利要求1所述的原动机的半闭式正时定容热力循环方法，其特征在于：第一类工质包括惰性气体、二氧化碳或氮气及及经二氧化碳与水脱除过程后残存的部分工质。

3.根据权利要求1所述的原动机的半闭式正时定容热力循环方法，其特征在于：多级压缩级间冷却过程中，只压缩第一类工质。

4.根据权利要求1所述的原动机的半闭式正时定容热力循环方法，其特征在于：多级压缩级间冷却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所述的原动机的半闭式正时定容热力循环方法，其特征在于：所述热力循环的热效率为：

$\mathrm{\η}=1-\frac{n\·\frac{c_{p\left(a\right)}}{c_{v\left(i\right)}}({\mathrm{\α}}^{\frac{k_1-1}{k_1}}-1)}{1-\frac{c_{v\left(h\right)}}{c_{v\left(i\right)}}\·{\mathrm{\α}}^{n(1-k_2)}}\·\frac{T_a}{T_i}$

式中，k₁为压缩过程比热比；k₂为膨胀过程的比热比；α为单级增压比；n为压缩级数；T_a为外部环境温度，单位为K；T_i为燃烧完成后状态i点温度，单位为K；c_p(a)为工质在多级压缩级间冷却过程前状态点a时的定压比热，单位为kJ/kg·K；c_v(i)为工质在绝热膨胀过程前状态点i时的定容比热，单位为kJ/kg·K；c_v(h)为工质在定压燃烧过程前状态点h时的定容比热，单位为kJ/kg·K。

6.一种应用权利要求1所述的原动机的半闭式正时定容热力循环方法的三级压缩两级中冷热力循环方法，其特征在于：

步骤1、进行三级压缩级间冷却

(1)以一级压缩机(6)入口端a为始点，第一类工质经一级压缩机(6)增压后，第一类工质压力提高到2.0～3.0倍；之后经连接管路P₆(22)进入一级中冷器(7)得到冷却，完成第一次压缩及冷却过程；

(2)第一类工质经连接管路P₇(23)进入二级压缩机(8)进行第二次增压，第一类工质压力提高到一级中冷器(7)出口压力的2.0～3.0倍，之后经连接管路P₈(24)进入二级中冷器(9)得到冷却，完成第二次压缩及冷却过程；

(3)第一类工质经连接管路P₉(25)进入第三级压缩机(10)进行第三次增压，第一类工质压力提高到二级中冷器(9)出口压力的2.0～3.0倍，完成第三次压缩过程；之后直接进入稳压调压装置(11)维持稳定的压力；

步骤2、进行逆流换热过程：该过程中，从稳压调压装置(11)流出的第一类工质经连接管路P₁₁(27)进入逆流换热装置(3)中进行逆流换热，热量来自于从膨胀机(2)中排出的工质余热，排出的工质在逆流换热装置(3)中放热得到冷却；从膨胀机(2)流出的燃烧废气经连接管路P₂(18)进入逆流换热装置(3)中进一步释放热量，并将热量传递给从稳压调压装置流向正时定容燃烧器(1)的第一类工质，使余热直接被利用到热力循环中；

步骤3、进行正时定容燃烧过程：该过程中，从逆流换热装置(3)流出的第一类工质经连接管路P₁₂(28)进入正时定容燃烧器(1)，氧化剂供给装置(12)和燃料供给装置(13)，将氧化剂和燃料通过混合喷射器(14)喷入正时定容燃烧器(1)并燃烧，生成第二类工质中的二氧化碳和水；

步骤4、进行绝热膨胀过程：该过程中，从正时定容燃烧器(1)中排出的高温高压工质经连接管路P₁(17)进入膨胀机(2)进行充分膨胀做功；

步骤5、进行后冷却过程：该过程中，从逆流换热装置(3)流出的第一类工质和第二类工质经连接管路P₃(19)进入后冷却器(4)进行冷却后，温度降低至环境温度；

步骤6、进行二氧化碳和水脱除过程：该过程中，从后冷却器(4)流出的工质经连接管路P₄(20)进入二氧化碳和水脱除装置(5)中脱除第二类工质，余下的第一类工质经连接管路P₅(21)参与下一次热力循环。

7.根据权利要求6所述的三级压缩两级中冷热力循环方法，其特征在于：第一类工质与通过混合喷射器(14)喷入的氧化剂和燃料进入正时定容燃烧器(1)时，不会进入膨胀机(2)，通过正时装置(15)控制进排气门的开启和关闭时间，实现超长时间燃烧，以360°为一个循环周期计，燃烧时间最高至210°，压缩过程、膨胀过程与燃烧过程分别在独立的装置内完成，并通过正时装置(15)相互关联。

8.一种应用权利要求1所述的原动机的半闭式正时定容热力循环方法的热力循环系统，其特征在于：包括多级压缩级间冷却装置、稳压调压装置(11)、逆流换热装置(3)、氧化剂供给装置(12)、燃料供给装置(13)、混合喷射器(14)，正时定容燃烧器(1)、膨胀机(2)、后冷却器(4)、二氧化碳与水脱除装置(5)，其中，多级压缩级间冷却装置对工质实现压缩及中冷，稳压调压装置(11)经连接管路P₁₀(26)与多级压缩级间冷却装置的末级压缩机相连，逆流换热装置(3)经连接管路P₁₁(27)与稳压调压装置(11)相连，正时定容燃烧器(1)经连接管路P₁₂(28)与逆流换热装置(3)相连；

其中，氧化剂供给装置(12)和燃料供给装置(13)将氧化剂和燃料通过混合喷射器(14)喷入正时定容燃烧器(1)混合并燃烧，生成第二类工质中的二氧化碳和水；正时定容燃烧器(1)经连接管路P₁(17)与膨胀机(2)相连；在膨胀机(2)中做功后经连接管路P₂(18)与逆流换热装置(3)相连；

其中，第一类工质经多级压缩级间冷却装置后进入稳压调压装置(11)，从稳压调压装置(11)流出的第一类工质进入逆流换热装置(3)吸热后进入正时定容燃烧器(1)，氧化剂供给装置(12)和燃料供给装置(13)提供的氧化剂和燃料经混合喷射器(14)喷入正时定容燃烧器(1)边混合边燃烧产生第二类工质，与第一类工质一并进入膨胀机(2)膨胀做功，并通过传动轴(16)对外输出功，做功后经连接管路P₂(18)进入逆流换热装置(3)中放热，之后从逆流换热装置(3)流出的工质进入后冷却器(4)得到冷却，之后经过二氧化碳与水脱除装置(5)，第二类工质被脱除，第一类工质开始下一次热力循环。

9.根据权利要求8所述的热力循环系统，其特征在于：正时定容燃烧系统，包括正时装置(15)、正时定容燃烧器(1)；所述正时装置(15)包括正时驱动装置(154)、燃烧室控制阀门Ⅰ(151)、燃烧室控制阀门Ⅱ(152)、控制阀门III(153)；所述正时定容燃烧器(1)包括混合喷射器(14)、进气道(112)、定容燃烧室、排气道(113)；所述正时驱动装置(154)通过传动装置直接控制所述燃烧室控制阀门Ⅰ(151)、燃烧室控制阀门Ⅱ(152)和控制阀门Ⅲ(153)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(152)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机(2)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(151)开启，正时定容燃烧系统内进气过程、扫气过程开始，当膨胀机(2)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(152)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(151)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(151)和燃烧室控制阀门Ⅱ(152)都是关闭状态，所述混合喷射器(14)喷射燃料混合物后，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完成时，所述控制阀门Ⅲ(153)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(153)关闭；

所述定容燃烧室包括燃烧室格栅(111)、燃烧室瓦块式绝热内壁(114)，通过所述燃烧室格栅(111)实现均匀燃烧，所述燃烧室瓦块式绝热内壁(114)是由具有绝热涂层材料的瓦块式结构搭接而成；

10.根据权利要求8所述的热力循环系统，其中：多级压缩级间冷却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(61)，经过一次压缩后，从一级压缩排气口(62)排出，经过中间冷却过程后，再次进入二级压缩进气口(63)，经过二次压缩后，从二级压缩排气口(64)排出，经过二级中间冷却后，然后进入三级压缩进气口(65)，最后从三级压缩排气口(65)排出。