CN103939214B - 一种原动机的半闭式定压内燃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定压内燃热力循环方法及系统，其循环过程包括多级压缩级间冷却过程、逆流换热过程、定压燃烧过程、绝热膨胀过程、后冷却过程和二氧化碳与水脱除过程。多级压缩级间冷却过程，减小压缩耗功。逆流换热过程，排气能量回收，提高循环的热能利用率。定压燃烧过程，采用独立供氧减少压缩耗功，同时工质不含氮气，不生成NO_x，可采用惰性气体做工质，使得该过程清洁高效。二氧化碳与水脱除过程，将燃烧过程产生的二氧化碳和水根据第一类工质的类型进行部分或全部脱除。新鲜工质需求量小，可在水下和缺氧等环境中应用。

Description

一种原动机的半闭式定压内燃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定压内燃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1所示）、阿特金森循环（p-v图如图1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：等容燃烧是其优点，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

式中，ε为压缩比；k为压缩过程比热比；

狄塞尔循环：压缩比大是其优点，但绝热压缩，等压燃烧，等容放热是其缺点，p-v示功图如图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

式中，ρ为加热膨胀比；

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

η_t=1-ε^1-k

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、活塞环漏气、活塞环狭隙和体积淬熄等原因，致使其HC、CO（汽油机上）、PM、NOx（微粒，柴油机上）等有害污染物排放高。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，但是不管在汽油机上还是柴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、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，然而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，其热效率有所提高。但是，传统的燃气轮机从外界吸入的空气全都要经压缩机增压，压缩机耗功大，约占膨胀功的1/2到2/3左右。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况情况下，热效率低。总之，传统燃气轮机的热功转化效率低。

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，实际的热功转化效率低，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，也不能应用在水中和缺氧等环境当中工作。

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，该系统未包含供氧和特定工质闭式循环，更重要的是该系统不适合在水下和缺氧等环境中工作。

中国专利CN1138135A公开了一种等温压缩、近似定容加热、绝热完全膨胀和等压放热循环，但是该专利也没有采用定压燃烧（燃烧）和特定工质闭式循环。

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级间冷却和废气能量回收进行了阐述，但其加热或燃烧过程并不是真正的定容燃烧过程，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，对开发在水下和缺氧等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，提高热功转化效率，实现清洁高效，以及解决不便于在水下工作等问题，本发明的技术方案是提供了一种原动机的半闭式定压内燃热力循环方法。

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，热力循环方法压缩过程和膨胀过程在不同装置中实现；该热力循环方法采用两类工质，第一类工质是参与循环的全部过程的工质，在燃烧室内加热后通过膨胀机做功，做功完成后返回到初级压缩机入口，完成一次热力循环并继续参与下一次热力循环；第二类工质是定压燃烧过程前加入的氧化剂和燃料而产生的，并参与定压燃烧过程、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，压缩后的第一类工质在进入燃烧室前回收上一次热力循环膨胀做功后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，以提高燃烧室中本次热力循环的第一类工质的初始温度；

步骤3、进行定压燃烧过程：该过程中，从逆流换热装置流出的第一类工质经连接管路进入燃烧室，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燃烧室并燃烧，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，燃烧室排出的工质经充分膨胀对外输出功；

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、进行二氧化碳与水脱除过程：该过程中，将定压燃烧过程产生的二氧化碳与水脱除，余下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定压内燃热力循环系统，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、燃烧室、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第一类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，膨胀机经连接管路P₁与燃烧室相连；

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燃烧室，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燃烧室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，之后从逆流换热过程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，余下的第一类工质开始下一次热力循环。

本发明的有益效果是：

1）多级压缩级间冷却过程减少了压缩耗功。

2）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循环做功，提高燃烧室中工质的初始温度，增大了循环的热功转化率。

3）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。

4）本发明热力循环中第一类工质中不参与燃烧的工质可用惰性气体，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NO_x，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。

5）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、降低膨胀机出口处压力和增大膨胀比，以及减少压缩过程消耗功。

6）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焓，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。

7）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。

8）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为奥托循环p-v图；

图2为狄塞尔循环p-v图；

图3为布雷顿循环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结构示意。

其中：1-等压燃烧室、2-膨胀机、3-逆流换热装置、4-后冷却器、5-二氧化碳与水脱除装置、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-氧化剂储存装置、1202-减压阀、1203-流量控制阀、1204-单向阀、1205-压力表、1206-连接管、1207-连接管、13-燃料供给装置、14-混合喷射器、15-连接管路P₁、16-连接管路P₂、17-连接管路P₃、18-连接管路P₄、19-连接管路P₅、20-连接管路P₆、21-连接管路P₇、22-连接管路P₈、23-连接管路P₉、24-连接管路P₁₀、25-连接管路P₁₁、26-连接管路P₁₂、27-火花塞、28-传动轴。

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定压内燃热力循环方法，其循环过程包括六个固有过程分别是多级压缩级间冷却过程、逆流换热过程、定压燃烧过程、绝热膨胀过程、后冷却过程和二氧化碳与水脱除过程，该热力循环方法压缩过程和膨胀过程在不同装置中实现；其中：

步骤1、进行多级压缩级间冷却过程：该过程中，为实现接近等温压缩的效果，通过级间冷却以减少压缩耗功，压缩终了压力影响燃烧室内燃烧初始状态压力；

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，压缩最终压力影响燃烧室内燃烧初始状态压力，负责压缩的装置与燃烧装置独立开来，不是同一套装置。

步骤2、进行逆流换热过程，该过程中，压缩后的第一类工质在进入燃烧室前回收上一热力循环膨胀做功后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、进行定压燃烧过程，该过程中，氧化剂供给装置提供的氧化剂与燃料供给装置提供的燃料通过混合喷射器喷入燃烧室，与第一类工质混合后，在燃烧室中进行燃烧；

该步骤中，定压燃烧过程是在燃烧过程中工质一边燃烧，一边膨胀，由于本热力循环中第一类工质（不参与燃烧的工质，下文将对第一类工质的定义进行说明）可采用惰性气体等，工质中不含N₂，使得燃烧过程没有N₂参与，不会受生成NO_x的影响。因此，燃烧温度较常规热力系统燃烧温度高，只要不超出燃烧室所能承受的极限温度，燃烧过程中可将碳烟和HC烧尽，而又不会产生NO_x，是一种清洁高效率的燃烧方式。此外，该循环可采用氦等惰性气体作为第一类工质，该类工质比热比高，有助于进一步提高整个系统的热效率。

步骤4、进行绝热膨胀过程，从燃烧室排出的高温高压工质在膨胀机中经充分膨胀对外输出功；

步骤5、进行后冷却过程，该过程中，膨胀机流出的第一类工质和第二类工质经逆流换热器放热后进入后冷却器进一步冷却，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。

步骤6、进行二氧化碳与水脱除过程，该过程中，将定压燃烧过程产生的第二类工质脱除，第一类工质继续参与下一个循环。

由此可见，本发明提供了一种由热能转化为机械能（功）的半闭式定压内燃热力循环方法。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，再进入燃烧室内的定压燃烧，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。

本发明所述半闭式定压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，完成一次半闭式定压内燃热力循环，之后继续重复上述过程。

所述半闭式定压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。

所述半闭式定压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定压内燃热力循环方法。

该热力循环的p-v图如图4所示。图中a-b-c-d-e-f为过程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为定压燃烧过程；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5和图6为例来描述采用本发明所述热力循环方法的三级压缩两级中冷热力循环方法，其包括以下步骤：

步骤1、对三级压缩级间进行冷却

(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P₆20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：

压力：p_a

温度：T_a

式中，p_a为工质在状态点a的压力，MPa；T_a为工质在状态点a时的温度，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，MPa；cr1为一级压缩机的压缩比；T_b为工质在状态点b时的温度，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,MPa；T_c为工质在状态点c的温度，K；hte1为一级中冷器的换热效能。T₀为外部环境的温度，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为一级压缩过程的压缩比功，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P₇21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P₈22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

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

式中，p_d为工质在状态点d的压力，MPa；cr2为二级压缩机的压缩比；T_d为工质在状态点d时的温度，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，MPa；htp2为工质通过二级中冷器的压力损失,MPa；T_e为工质在状态点e的温度，K；hte2为一级中冷器的换热效能。

c-d二级压缩过程功耗：

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

式中，w₃为二级压缩过程的压缩比功，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，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，kJ/kg·K。

(3)、从二级中冷器9流出的第一类工质经连接管路P₉23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，完成第三次近似等熵压缩，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，MPa；p_g为工质在状态点g的压力，MPa；T_f为工质在状态点f时的温度，K；T_g为工质在状态点g时的温度，K；cr3为三级压缩机的压缩比；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为三级压缩过程的压缩比功，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P₁₀24直接进入稳压调压装置11将气体压力维持在一定值，例如压缩比是2时，压力为7bar，压缩比是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时，从稳压调压装置11流出的第一类工质经连接管路P₁₁25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，MPa；htp3为工质通过逆流换热装置时的压力损失，MPa；T_h为工质在状态点h时的温度，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，kJ/kg·K。

在进行逆流放热过程时，从膨胀机流出的燃烧废气经连接管路P₂16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燃烧室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中得到初步温升。所述的燃烧废气是经过膨胀机做功后排出的工质，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，MPa；htp4为工质通过逆流换热装置的压力损失，MPa；T_k为工质在状态点k时的温度，K；c_p(j)为工质在状态点j时的定压比热，kJ/kg·K；c_p(h)为工质在状态点h时的定压比热，kJ/kg·K；c_p(g)为工质在状态点g时的定压比热，kJ/kg·K；c_p(k)为工质在状态点k时的定压比热，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，kJ/kg。

步骤3、完成定压燃烧过程：

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P₁₂26进入燃烧室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在混合喷射器14交汇，在混合喷射器14中得到均匀混合后喷射至燃烧室1中。

第一类工质经连接管路P₁₃26被送入燃烧室1中，并在燃烧室1的入口与混合喷射器14提供的燃料和氧化剂进行混合，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。接着氧化剂和燃料在燃烧室1中由火花塞27点燃，进行超长时间、均质稀薄、低温定压燃烧，并实行边混合边燃烧。燃料和含氧工质在燃烧室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，从燃烧室1出口排出进入膨胀机2。到此，工质在燃烧室完成定压燃烧加热过程，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；

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

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：

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

h-i定压燃烧过程：

w₇=q

式中，w₇为定压燃烧过程的当量燃烧放热量，kJ/kg。

状态点i热力参数：

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

p_i=p_h

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

步骤4、绝热膨胀过程:

定压燃烧结束后，从燃烧室1中排出的高温燃气经连接管路P₁15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28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，MPa；τ为工质在膨胀过程的膨胀比，MPa；T_j为工质在状态点j时的温度，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，kJ/kg；c_p(i)分别为工质在状态点i的定压比热，kJ/kg·K；c_p(i)为i-j过程的等效比热比；v_i为工质在状态点i时的比容，m³/kg；hl_loss为一级膨胀机的散热损失率。

步骤5、后冷却过程

从换热器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P₃17进入后冷却器4。在后冷却器4中膨胀机流出的第一类工质和第二类工质得到充分冷却，温度可接近环境温度，其中的水蒸汽部分得到冷凝，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，MPa；htp5为工质通过后冷却器的压力损失，MPa；T_k为工质在状态点k时的温度，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，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，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P₄18流入二氧化碳与水脱除装置5，在装置5中有效脱除二氧化碳和水分，即第二类工质，余下工质为第一类工质。如图4中的l-a过程。

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定压内燃热力循环，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_p(i)T_i-c_p(j)T_j

当忽略燃料质量的加入时：

燃料热量输入=c_p(i)T_i-c_p(h)T_h

所以，

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

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_p(i)T_i-c_p(h)T_h=c_p(i)T_i-c_p(j)T_j

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

把上两式代入效率计算式：

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

式中，k₁为压缩过程比热比（假设不变）；k₂为膨胀过程的比热比；α为单级压缩比；n为压缩级数；T_a为外部环境温度，K；T_i为燃烧过程后温度，K；c_p(a)为工质在状态点a时的定压比热，kJ/kg·K；c_p(h)为工质在状态点h时的定压比热，kJ/kg·K；c_p(i)为工质在状态点i时的定压热容，kJ/kg·K。

完成所述半闭式定压内燃热力循环，实现目标热效率。本发明采用了实现该热力循环的半闭式定压热力系统，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压缩等压冷却装置、逆流换热等压膨胀机、混合喷射器、定压燃烧加热装置、绝热膨胀机、再循环工质冷却装置和脱二氧化碳与水装置，该热力系统有一套氧化剂供给装置和燃料供给装置，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所述逆流换热过程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定压燃烧过程，完成定压燃烧过程后，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。

如图7所示，所述热力系统的供氧设有一套氧化剂供给装置12，并通过流量控制阀1203控制氧化剂供给量。该实施例中，氧化剂供给装置12负责为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。该装置含有氧化剂储存装置1201、减压阀1202、流量控制阀1203、单向阀1204、压力表1205、连接管1206和连接管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燃烧室1中的最高燃烧发生温度来确定，即由稀燃程度来决定。

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，转子压缩机形成三个压缩腔，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。

所述稳压调压过程是设有一套稳压调压装置，该装置具有一定的容积，是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，保证热力系统持续稳定工作；另一方面为原动机在启动时提供所需的工质。

所述绝热膨胀过程使用的膨胀机可以有多种形式：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。

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P₆20、一级中冷器7与二级压缩机8的连接管路P₇21、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P₈22、三级压缩机10、二级中冷器9与三级压缩机10的连接管路P₉23，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P₁₀24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P₁₁25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；从逆流换热装置3中流出的第一类工质直接进入燃烧室1；可燃混合气在燃烧室1中由火花塞27点燃（仅在该热力系统起动时第一次燃烧时需要点火，后续燃烧不再需要点火），燃烧后受热膨胀，并被排出；包含膨胀机，膨胀机2与燃烧室1经连接管路P₁15相连，从燃烧室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28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P₂16进入逆流换热装置3中放热，在本实施例中所述膨胀机为转子膨胀机；还包含后冷却器，后冷却器4与逆流换热装置3经连接管路P₃17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P₄18相连，脱二氧化碳和水装置5与一级压缩机6经连接管路P₅19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。

该实施例是一个具有回路的热力循环系统，通过回路将从燃烧室1排出的工质经过一系列过程又返回到燃烧室1中继续参与受热膨胀做功，所述第一类工质可以是氩等惰性气体、二氧化碳、氮气或它们的混合物，是该热力系统中为了与不需继续参与循环做功的开式工质而定义的一种名称。

其他实施方式：所述一种原动机的半闭式定压内燃热力循环方法及系统可以包含多级压缩、多级中冷和多级膨胀，其工作原理与特征均与本实施例的相同。

Claims (9)

1.一种原动机的半闭式定压内燃热力循环方法，其特征在于：该热力循环方法压缩过程和膨胀过程在不同装置中实现；该热力循环方法采用两类工质，第一类工质是参与循环的全部过程的工质，在燃烧室内加热后通过膨胀装置做功，做功完成后返回到初级压缩机入口，完成一次热力循环并继续参与下一次热力循环；第二类工质是定压燃烧过程前加入的氧化剂和燃料而产生的，并参与定压燃烧过程、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，压缩后的第一类工质在进入燃烧室前在逆流换热装置中回收上一次热力循环膨胀做功后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，以提高燃烧室中本次热力循环的第一类工质的初始温度；

步骤3、进行定压燃烧过程：该过程中，从逆流换热装置吸热侧流出的第一类工质经连接管路进入燃烧室，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燃烧室并燃烧，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，燃烧室排出的工质经充分膨胀对外输出功；

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、进行二氧化碳与水脱除过程：该过程中，将定压燃烧过程产生的二氧化碳与水脱除，余下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定压内燃热力循环方法，其特征在于：

第一类工质为惰性气体、二氧化碳、氮气或它们的混合物，以及经二氧化碳与水脱除过程后残存的二氧化碳。

3.根据权利要求1所述的原动机的半闭式定压内燃热力循环方法，其特征在于：多级压缩级间冷却过程中，只需压缩第一类工质；在所述多级压缩级间冷却过程之后的定压燃烧过程中，氧化剂由一套独立氧化剂供给装置提供。

4.根据权利要求1所述的原动机的半闭式定压内燃热力循环方法，其特征在于：所述热力循环的热效率为：

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

式中，k₁为压缩过程比热比；k₂为膨胀过程的比热比；α为单级压缩比；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)为第一类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_p(h)为第一类工质和第二类工质混合后在定压燃烧过程前状态点h时的定压比热，单位为kJ/kg·K；c_p(i)为第一类工质和第二类工质混合后在绝热膨胀过程前状态点i时的定压比热，单位为kJ/kg·K。

5.一种应用权利要求1所述的原动机的半闭式定压内燃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（20）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（21）进入二级压缩机（8）进行第二次增压，此时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（22）进入二级中冷器（9）再次得到冷却，完成第二次压缩及冷却过程；

3)从二级中冷器（9）流出的第一类工质经连接管路P₉（23）进入第三级压缩机（10）进行第三次增压，完成第三次压缩过程，第一类工质压力是二级中冷器（9）出口压力的2.0～3.0倍，第一类工质在第三次压缩后直接进入稳压调压装置（11）进行稳压调压过程，将第一类工质压力维持稳定；

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（25）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）流出的工质经连接管路P₂（16）进入逆流换热装置（3）中进一步释放热量给稳压调压装置（11）流向燃烧室（1）的第一类工质；

步骤3、进行定压燃烧过程：该过程中，从逆流换热装置（3）吸热侧流出的第一类工质经连接管路P₁₂（26）进入燃烧室（1）中，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）喷入燃烧室（1）中进行混合与燃烧，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，从燃烧室（1）中排出的高焓工质经连接管路P₁（15）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）放热侧流出的第一类工质和第二类工质经连接管路P₃（17）进入后冷却器（4）进行冷却后，温度降低至环境温度；

步骤6、进行二氧化碳与水脱除过程：该过程中，从后冷却器（4）流出的工质经连接管路P₄（18）进入二氧化碳与水脱除装置（5），在二氧化碳与水脱除装置（5）中脱除第二类工质。

6.一种应用权利要求1所述的原动机的半闭式定压内燃热力循环方法的一种原动机的半闭式定压内燃热力循环系统，其特征在于：该热力循环系统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）、燃烧室（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第一类工质实现压缩及中冷；稳压调压装置（11）经连接管路P₁₀（24）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）的吸热侧经连接管路P₁₁（25）与稳压调压装置（11）相连，膨胀机（2）经连接管路P₁（15）与燃烧室（1）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）吸热后进入燃烧室（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）喷入燃烧室（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（28）对外输出功，做功后经连接管路P₂（16）进入逆流换热装置（3）中放热，之后从逆流换热过程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，余下的第一类工质开始下一次热力循环。

7.根据权利要求6所述的原动机的半闭式定压内燃热力循环系统，其特征在于：后冷却器（4）与逆流换热装置（3）的放热侧经连接管路P₃（17）相连，进入膨胀机（2）做功后的第一类工质和第二类工质经在逆流换热装置（3）中放热后在后冷却器（4）中冷却至环境温度，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（66）排出。

8.根据权利要求6所述的原动机的半闭式定压内燃热力循环系统，其特征在于：膨胀机为容积式膨胀机或速度式膨胀机。

9.根据权利要求6所述的原动机的半闭式定压内燃热力循环系统，其特征在于：

所述热力循环系统的热效率为：

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

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为燃烧完成时第一类工质和第二类工质混合后在状态点i时的温度，单位为K；c_p(a)为第一类工质在状态点a时的定压比热，单位为kJ/kg·K；c_p(h)为第一类工质和第二类工质混合后在状态点h时的定压比热，单位为kJ/kg·K；c_p(i)为第一类工质和第二类工质混合后在状态点i时的定压比热，单位为kJ/kg·K。