CN110462171A - 热力发动机 - Google Patents

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Abstract

一种热力发动机(100)。在一个实施例中，热力发动机(100)包括压缩机(10a、10b、11)；膨胀器(20a、20b、21)；反应器(40)，在反应器中，工作流体中的第一反应物和第二反应物可以相互反应，反应器(40)布置在压缩机(10a、10b、11)和膨胀器(20a、20b、21)之间；以及冷凝器(50)，用于冷凝工作流体中的气体，冷凝器布置在膨胀器(20a、20b、21)和压缩机(10a、10b、11)之间。还提供了一种操作热力发动机的方法。

Description

热力发动机
本发明涉及一种热力发动机。
一个多世纪以来，研究人员和工程师一直关注热量向机械功的有效转化，近年来，在政府监管和消费者需求的推动下，人们越来越关注能源效率和来自发电的污染物排放。因此，有一种持续的动力来改进热力发动机技术，以适应各种各样的应用。
这种努力的例子包括Bell MA、Partridge T.的Thermodynamic design of areciprocating Joule-cycle engine(往复焦耳循环发动机的热力学设计)，Proc.Inst.Mech.Eng.；电力和能源杂志，2003年第217卷第239-246页，Moss RW等人，Reciprocating Joule cycle engine for domestic CHP systems(家用热电联产系统往复焦耳循环发动机)，应用能源，2005年第80卷第169-185页，美国专利文件3,577,729和4,044,558以及国际专利申请WO2010/116172。
概述
本发明涉及一种用于将来自固体、液体或气体燃料的能量转化为例如电能、液压能或气动能的发动机概念。其旨在用于诸如发电、热电联供系统、推进系统以及目前使用常规燃烧发动机或其他类型能量变换器的其他应用中。
根据本发明的第一方面，提供了一种热力发动机，其包括压缩机；膨胀器；第一导管，其将压缩机的出口流体地联接到膨胀器的进口；第二导管，其将膨胀器的出口流体地联接到压缩机的进口；反应器，其中工作流体中的第一反应物和第二反应物可以相互反应，该反应器在压缩机和膨胀器之间布置在第一导管中；以及冷凝器，其用于冷凝工作流体中的气体，冷凝器在膨胀器和压缩机之间布置在第二导管中。
在一个实施例中，压缩机包括压缩室和可在所述压缩室内往复运动的第一正位移(positive displacement)构件，并且膨胀器包括膨胀室和可在所述膨胀室内往复运动的第二正位移构件。
在一个实施例中，第一正位移构件和第二正位移构件机械地联接成以自由活塞的构造一致地往复运动。
在一个实施例中，第一正位移构件和第二正位移构件通过曲轴连接。
根据本发明的第二方面，提供了热力发动机，包括：
压缩室；
第一正位移元件，其可在所述压缩室内往复运动；
膨胀室；
第二正位移元件，其可在所述膨胀室内往复运动；
其中所述第一正位移元件和所述第二正位移元件机械地联接成以自由活塞的构造一致的往复运动；
第一导管，其将压缩室的出口流体地联接到膨胀室的进口；
第二导管，其将膨胀室的出口流体地联接到压缩室的进口；
反应器(40)，其中工作流体中的第一反应物和第二反应物可以相互反应，反应器(40)在压缩室(10a、10b)和膨胀室(20a、20b)之间布置在第一导管(31、32)中；和
冷凝器(50)，其用于在第二导管(33、34)中冷凝工作流体中的气体，冷凝器在膨胀室(20a、20b)和压缩室(10a、10b)之间布置在第二导管(33、34)中。
热力发动机还可以包括第一供应管线，其被配置成用于将第一反应物供应到第一导管和/或第二导管中。
反应器可以包括第二供应管线，其用于将第二反应物供应到工作流体中。
冷凝器可以包括排出管线，其用于从冷凝器排出冷凝物。冷凝器可以包括冷却回路，其用于冷却来自膨胀室的工作流体。
热力发动机还可以包括工作流体。工作流体可以包括稀释剂，工作流体中的稀释剂的浓度为按体积计至少5％，或按体积计至少10％，或按体积计至少20％，或按体积计至少30％，或按体积计至少40％，或按体积计至少50％，或按体积计至少60％，或按体积计至少70％，或按体积计至少80％。
稀释剂具有至少1.4、或至少1.45、或至少1.5、或至少1.6的比热比。稀释剂可以是Ar、He、Ne、Kr、或Xe。
工作流体中的N2的浓度可以为按体积计小于70％，按体积计小于60％，按体积计小于50％，按体积计小于40％，按体积计小于30％，按体积计小于20％，按体积计小于10％，或按体积计小于5％。
热力发动机还可以包括用于控制工作流体流入压缩室中的第一阀；用于控制工作流体流出压缩室的第二阀；用于控制工作流体从压缩室流入膨胀室中的第三阀；和用于控制工作流体流出膨胀室的第四阀。
热力发动机还可以包括传感器，该传感器适于输出对应于第一正位移元件和第二正位移元件的位置和/或速度的信号；以及控制器，其用于根据由传感器输出的信号持续控制第三阀和/或第四阀和/或第二反应物向反应器的供应速率。控制器可以被配置成控制第一阀、第二阀、第三阀和第四阀(36、37、38、39、40)。
第二位移构件可以将膨胀室分成两个膨胀子室。第三阀可适于控制工作流体交替地流到每个膨胀子室。
第一位移构件可以将压缩室分成两个压缩子室。第一阀可适于控制工作流体交替地流到每个压缩子室。
热力发动机还可以包括能量转换装置，该能量转换装置包括至少一个可往复运动元件，该至少一个可往复运动元件被联接以用于与所述第一位移构件和第二位移构件一起往复运动。能量转换装置可以位于压缩室和膨胀室之间。
压缩机可以是涡轮机，并且膨胀器可以是涡轮机。
压缩机和膨胀气缸可以通过轴连接。
根据本发明的第三个方面，提供了热力发动机(101)，包括：
反应器；
冷凝器(50)，其用于冷凝热力发动机(101)的工作流体中的气体，
第一导管(33)，其将反应器的出口(71)流体地联接至冷凝器(50)的进口(56)；和
第二导管(34)，其将冷凝器(50)的出口(55)流体地联接到反应器的进口(72)。
反应器可以是内燃发动机的燃烧室。
热力发动机还可以包括第一供应管线(35)，其被配置为用于将第一反应物供应到第一和/或第二导管(33、34)中。
热力发动机可以包括第二供应管线(41)，用于将第二反应物供应到工作流体中。
第二供应管线(41)可以被配置为将第二反应物；
供应到第二导管(34)中，或者
供应到反应器中。
冷凝器(50)可以包括排出管线(54)，用于从冷凝器(50)排出冷凝物。
冷凝器(50)可以包括冷却回路(53、57)，用于冷却工作流体。
热力发动机可进一步包括工作流体，其中工作流体包括稀释剂，工作流体中的稀释剂的浓度为按体积计至少5％，或按体积计至少10％，或按体积计至少20％，或按体积计至少30％，或按体积计至少40％，或按体积计至少50％，或按体积计至少60％，或按体积计至少70％，或按体积计至少80％。
稀释剂可以具有至少1.4、或至少1.45、或至少1.5、或至少1.6的比热比。
稀释剂可以是Ar、He、Ne、Kr、或Xe。
工作流体中的N2的浓度可以是按体积计小于70％，按体积计小于60％，按体积计小于50％，按体积计小于40％，按体积计小于30％，按体积计小于20％，按体积计小于10％，或按体积计小于5％。
根据本发明的第四方面，提供了一种操作根据第一、第二或第三方面的热力发动机的方法，该方法包括；
向热力发动机提供工作流体，其中工作流体包括稀释剂，并且工作流体中的稀释剂的浓度为按体积计至少5％。
工作流体中的稀释剂的浓度可以是按体积计至少10％，或按体积计至少20％，或按体积计至少30％，或按体积计至少40％，或按体积计至少50％，或按体积计至少60％，或按体积计至少70％，或按体积计至少80％。
稀释剂可以具有至少1.4、或至少1.45、或至少1.5、或至少1.6的比热比。
稀释剂可以包括Ar、He、Ne、Kr、或Xe中的任何一种。
工作流体中的N2的浓度可以为按体积计小于70％，或按体积计小于60％，或按体积计小于50％，或按体积计小于40％，或按体积计小于30％，或按体积计小于20％，或按体积计小于10％，或按体积计小于5％。
第一反应物和第二反应物可以被供应到工作流体中。
第一反应物可以是O2。
第二反应物可以是H2。
燃烧产物可以在冷凝器中冷凝，燃烧产物包括H2O。
附图简述
现在将仅通过举例方式且不具有任何限制意义并参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了热力发动机的示例。
图2示出了布雷顿循环压力容积(PV)图；
图3示出了布雷顿循环的理论热效率，以及
图4示出了根据实施例的热力发动机；
详述
图1示出了根据一个示例的热力发动机100。热力发动机100具有压缩机。在该示例中，压缩机是具有压缩室的压缩气缸，该压缩室具有两个压缩子室10a和10b。第一正位移元件11被布置成可在压缩室内往复运动。在该示例中，第一正位移构件11是双作用活塞，其将压缩室分成两个单独的压缩子室10a和10b。
发动机还具有膨胀器。在此示例中，膨胀器是具有膨胀室的膨胀气缸，膨胀室具有两个膨胀子室20a和20b。第二正位移元件21可在膨胀室内往复运动。在该示例中，第二正位移元件21是双作用活塞，其将膨胀室分成两个膨胀子室20a和20b。
第一正位移元件和第二正位移元件11和21通过活塞杆机械地联接。这样，第一正位移元件和第二正位移元件11和21被构造成以自由活塞的构造一致地往复运动。也就是说，第一正位移元件在压缩室内的往复运动对应于第二正位移元件在膨胀室内的往复运动。
在使用中，发动机将利用工作流体来操作。第一导管31、32被布置成用于将工作流体从压缩室10a、10b引导至膨胀室21a、21b。第一导管31、32将压缩室10a、10b的出口流体地联接到膨胀室21a、21b的进口。因此，在使用中，工作流体可以从压缩室流到膨胀室。
第二导管33、34被布置成用于将工作流体从膨胀室20a、20b引导至压缩室10a、10b。第二导管33、34将膨胀室20a、20b的出口流体地联接到压缩室10a、10b的进口。因此，在使用中，工作流体可以从膨胀室流到压缩室。
第一供应管线35被配置为用于控制第一反应物流入第一和/或第二导管31-34中。在图1所示的例子中，第一反应物是O2，并且第一供应管线35在压缩机气缸上游位于第二导管34中。也就是说，第一供应管线35流体地联接到第二导管34，使得第一反应物可以从例如外部供应储器流入第二导管34中。然而，供应管线35可以位于该循环中的其他位置处，比如压缩机气缸的下游，例如第一导管31中。
发动机还具有反应器40，工作流体中的第一和第二反应物可以在反应器40中相互反应。反应器40可以包括第二供应管线41，用于供应第二反应物。反应器40布置在第一导管31、32中，即压缩机气缸和膨胀气缸之间。反应器40被配置为经由第二供应管线41将第二反应物供应到导管中的工作流体中，并使第二反应物与第一反应物反应。反应器可以是燃烧器，类似于常规开式循环发动机(例如燃气轮机)中已知的燃烧器。在该示例中，反应器41可包括反应室和点火器，并且第一反应物和第二反应物之间的反应可由反应室内的工作流体中的反应物的点燃引起。可选择地，反应器40可以设计成等同于气体燃料炉，或者具有不同的设计，例如，如果使用非常规的多对反应物。在所示的例子中，第二反应物是H2。
此外，冷凝器50布置在第二导管33、34中。冷凝器50接收来自膨胀气缸的工作流体，并将其冷却以冷凝工作流体中的气体。冷凝器50被配置为从工作流体中去除冷凝物，并将其从热力发动机中排出。在此示例中，冷凝器50具有排出管线54，用于通过从冷凝器50排出冷凝物来从工作流体中去除冷凝物。剩余的工作流体从冷凝器通过第二导管34流到压缩气缸。在这个例子中，其中第一反应物是O2，第二反应物是H2，H2将在反应器41中与O2反应，因此冷凝物将是水H2O。在该示例中，冷凝器包括冷却回路51、53，冷却回路51、53带有热交换器52，用于以常规方式冷却工作流体。
阀与压缩气缸和膨胀气缸一起布置，以控制发动机操作。第一组阀36控制工作流体从导管34流入压缩室10a、10b的进口。第二组阀37控制工作流体流出压缩室10a、10b的出口并流入导管31。第三组阀39控制工作流体从导管32流入膨胀室20a、20b的进口。第四组阀40控制工作流体流出膨胀室20a、20b的出口并流入导管33。
传感器62适于测量对应于第一/第二正位移元件11、21的位置和/或速度的信号。在图1所示的例子中，传感器62对连接两个双作用活塞的活塞杆进行操作。也就是说，传感器62测量连接第一正位移元件和第二正位移元件11、21的活塞杆的位置和/或速度。然而，传感器62可以例如相对于双作用活塞之一布置，以测量该活塞的位置。传感器可以向控制器63输出信号。
控制器63接收传感器信号，并根据传感器62输出的信号连续控制第三和/或第四组阀39、40和/或向反应器40供应反应物的速率。控制器63可以控制所有第一、第二、第三和第四组阀36-40。可选择地，与压缩气缸相关联的阀36和37可以是自控单向阀。在图1示出的示例中，第三组阀39适于控制工作流体交替流向每个膨胀子室20a、20b。类似地，第一组阀36适于控制工作流体交替流向每个压缩子腔10a、10b。
能量转换装置60、61与活塞杆相关联地被提供。该示例中的能量转换装置是直线电机，包括转换器(translator)61，其被联接以用于与第一位移构件和第二位移构件11、21一起往复运动；以及定子60，其固定到例如发动机壳体。直线电机可以是任何类型，例如具有布置在转换器61上的永磁体和布置在定子60上的线圈的永磁体机。在该示例中，能量转换装置60、61位于压缩气缸和膨胀气缸之间，但是如果有益于热力发动机100的整体布局，其他配置也是可能的。在其他示例中，能量转换装置60、61可以是例如液压活塞-气缸装置或空气压缩机。
借助冷凝器50，发动机可以半封闭循环工作。发动机的工作流体包括稀释剂。在所示的例子中，稀释剂是氩。
工作流体中稀释剂的浓度可以按体积计大于5％，或按体积计大于10％，按体积计大于20％，或按体积计大于30％，按体积计大于40％，或按体积计大于50％，按体积计大于60％，或按体积计大于70％，或按体积计大于80％。如下文所讨论的，工作流体中较高浓度的稀释剂通常可以提供改进的性能和更大的优势。适当地，稀释剂的浓度按体积计大于60％。
稀释剂具有大于1.4，或大于1.45，或大于1.5或大于1.6的比热比。适当地，稀释剂具有大于1.4的比热比。
在其他例子中，稀释剂可以是氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe)。可选择地，具有非常低的化学反应性和/或具有高比热比，例如大于氮气的比热比的其它单原子气体或气体混合物可以有利地用作稀释剂。
可选择地或附加地，工作流体中N2的浓度按体积计小于70％，按体积计小于60％，按体积计小于50％，按体积计小于40％，按体积计小于30％，按体积计小于20％，按体积计小于10％，或按体积计小于5％。适当地，N2的浓度按体积计小于5％。
在操作中，包括正位移元件11、21、转换器61和相关联的活塞杆的活塞组件在左手侧和右手侧端点之间往复运动。在此过程期间，工作流体将在压缩机气缸中被压缩。
跨越压缩机气缸的压力比(即工作流体在压缩室进口处进入压缩室时的压力与工作流体在压缩室出口处离开压缩室时的压力之间的压力比)可以例如在5和10之间。也就是说，压缩气缸可以将工作流体的压力增加到进入压缩气缸之前的工作流体的压力的5倍和10倍之间。然而，根据具体应用，其他压力比也是可能的。
在该示例中，该循环中发生压缩的位置处的工作流体包括大约86％的氩和14％的O2。氩与O2的其它比例也是可能的，并且可选择地，也可以存在其它气体。在其他例子中，如上所述，可以使用不同于氩的稀释剂。类似地，O2可以用另一种合适的反应物代替。
包括第一反应物O2的压缩的工作流体沿着第一导管31被引导并被供应到反应器40。在反应器40处，第二反应物H2被添加到工作流体。第二反应物与第一反应物反应(例如，由于被反应器点燃)，产生高温燃烧产物。
在这个例子中，反应器40下游的工作流体将包括氩和H2O的混合物，H2O是H2和O2之间反应的产物。可以控制供应到该循环中的H2和O2的量，以控制循环温度。例如，可以使用反应器40外的约为800摄氏度的温度，但是也可以使用其他温度，这取决于具体的系统设计和材料性质。通常，材料性质允许的最高温度有利于热力发动机100的整体效率。
来自反应器40的工作流体经过第一导管32流到膨胀室20a、20b。这种高温混合物在膨胀气缸中膨胀。膨胀的工作流体随后通过从膨胀室20a、20b流动并流过第二导管33而从膨胀气缸供应到冷凝器。
在冷凝器50中，流体被冷却，使得水冷凝并且可以从工作流体去除。水通过排出管线54从冷凝器50排出。剩余的工作流体，在本例中大体上是纯氩，被供应到导管34，新O2被供应到导管34中。如上所述，工作流体被引领至压缩气缸，被压缩，并被供应至反应器40。
膨胀气缸中的工作流体膨胀产生的功直接用于压缩压缩机气缸中的工作流体，多余的功由能量转换装置60、61提取，用于外部使用或储存。
因此，该循环大体上以布雷顿(焦耳)循环操作。图2示出了理论上的布雷顿循环。A-B是绝热可逆压缩，此时工作流体被吸入压缩机并在压缩机中被压缩。B-C是恒压燃烧，理想的是恒压添加热量，此时反应物在恒压下燃烧。C-D是绝热可逆膨胀，此时热的高压工作流体进入膨胀室并在子室中交替膨胀，以推动活塞进行往复直线运动。来自直线运动的机械功率部分地用于驱动压缩机活塞进行压缩过程，并且剩余的功率是驱动直线发电机进行发电的输出。D-A是恒压排放过程，排放过程为膨胀的热工作流体的恒压喷射。
通过使用具有高于大气或N2的比热比的稀释剂，可以获得更高的效率。例如，在图3所示的压力比范围内，相对于布雷顿循环的氮气(就好像它是一个开放系统)，利用氩作为主要工作流体提高了循环的整体效率。这是因为氮的比热比(γ＝1.4)和氩的比热比(γ＝1.6)之间存在相对差异。与氮不同，在氩存在的情况下的燃烧不进一步产生氮氧化物(NOx)。因此，发动机可以在工作流体中的N2含量降低的情况下操作。
在可选择的实施例中，压缩机和膨胀器可以由不同类型的往复活塞式机器提供。活塞式机器可以是例如常规的曲轴机，其中压缩机活塞和膨胀器活塞通过曲轴连接。即，第一正位移构件和第二正位移构件(11、21)通过曲轴连接。在该实施例中，能量转换装置可以是例如旋转发电机、旋转液压发电机、旋转气动发电机、不同类型的旋转能量变换器，或者热力发动机可以直接与负载联接。在该可选择的实施例中，压缩气缸、膨胀气缸、第一和第二导管、冷凝器和反应器之间的相互作用与关于先前描述的实施例所描述的不同。
在又一可选择的实施例中，压缩机和膨胀器可以由涡轮机提供。例如，在该实施例中可以利用从燃气轮机已知的这种技术。在该实施例中，压缩机和膨胀器通过轴连接。在该实施例中，能量转换装置可以是例如旋转发电机、旋转液压发电机、旋转气动发电机、不同类型的旋转能量变换器，或者热力发动机可以直接和负载联接。在该可选择的实施例中，压缩机、膨胀器、第一和第二导管、冷凝器和反应器之间的相互作用与关于先前描述的实施例所描述的不同。
因此，根据上述示例的发动机提供了一种有效的解决方案，因为燃烧以恒定的体积连续发生，从而获得了非常好的对燃烧的控制。在上面的例子中，自由活塞构造具有改善对系统操作的控制的优点，因为自由活塞构造的可变冲程长度允许控制压缩机气缸和膨胀器气缸排量，并因此改善系统处理负载变化和/或针对任何给定操作设置进行优化的能力。系统的压力比例如可以通过调节活塞组件的冲程长度来改变。因此，例如，该系统非常适合于处理具有不同负载要求的应用，或对不同反应物对操作或处理具有不同稀释剂或稀释剂混合物的应用。此外，在图1所示的示例中，双作用活塞-气缸布置提供的优点在于，工作流体通过活塞的任何泄漏都不会导致工作流体的损失。这放松了密封要求，从而允许例如使用低摩擦活塞-气缸设计。
在图4中示意性示出的另一个实施例中，热力发动机101包括反应器；冷凝器50，其用于冷凝热力发动机101的工作流体中的气体；第一导管33，其将反应器的出口71流体地联接到冷凝器50的进口56；和第二导管34，其将冷凝器50的出口55流体地联接到反应器的进口72。
在这个例子中，反应器是内燃(IC)发动机(70)的燃烧室。
IC发动机可以是自由活塞发动机、常规的曲轴发动机，如图4所示，或者是不同类型的IC发动机。
第一供应管线35被配置为用于将第一反应物供应到第二导管34中，或者可选地供应到第一导管33中，或者可选地供应到第一和第二导管33、34两者中。在该实施例中，第一反应物是O2。
提供第二供应管线41以用于将第二反应物供应到工作流体中。在这个实施例中，第二反应物是H2。第二反应物可以供应到第一或第二导管33、34(其可以包括发动机的进气系统)，或者直接供应到反应器(例如内燃发动机70的燃烧室)中。IC发动机可以是火花点燃发动机或压缩点燃发动机。发动机可以是HCCI(均质压燃)发动机。
工作流体因此在大体上闭合的回路中操作。可以使用类似于上面所述的稀释剂。反应物可被注入工作流体中，且燃烧产物可被冷凝并从冷凝器50中移除，类似于上面所述。在此示例中，燃烧产物在冷凝器中冷凝，燃烧产物包括H2O。
因此，在该实施例中，在机械简单和可靠的系统中，功率可以由IC发动机以高效率和低排放产生。
以与前述实施例相同的方式，冷凝器50包括排出管线54，其用于从冷凝器50排出冷凝物。类似地，冷凝器50包括冷却回路53、57，其用于冷却工作流体。
在该实施例中，热力发动机包括工作流体。如上文所讨论的，将第一和第二反应物供应到工作流体中。工作流体包括稀释剂，工作流体中稀释剂的浓度至少占总体积的5％。合适地，工作流体中稀释剂的浓度可以是按体积计至少10％，或按体积计至少20％，或按体积计至少30％，或按体积计至少40％，或按体积计至少50％，或按体积计至少60％，或按体积计至少70％，或按体积计至少80％。
此外，稀释剂具有至少为1.4的比热比。适当地，稀释剂可以具有至少1.45、或至少1.5、或至少1.6的比热比。
在该实施例中，稀释剂是Ar、He、Ne、Kr、或Xe中的一种。
在该实施例中，工作流体中N2的浓度按体积计小于70％。适当地，工作流体中N2的浓度可以按体积计小于60％，按体积计小于50％，按体积计小于40％，按体积计小于30％，按体积计小于20％，按体积计小于10％，按体积计小于5％。
根据本发明的实施例可适于诸如混合动力电动汽车、固定发电、微型热电联供、便携式/辅助发电机、和应急/不间断电力系统的应用。
本发明不限于这里描述的实施例。应当参考所附权利要求。

Claims (42)

1.一种热力发动机(100)，包括；
压缩机(10a、10b、11)；
膨胀器(20a、20b、21)；
第一导管(31、32)，所述第一导管将所述压缩机(10a、10b、11)的出口流体地联接到所述膨胀器(20a、20b、21)的进口；
第二导管(33、34)，所述第二导管将所述膨胀器(20a、20b、21)的出口流体地联接到所述压缩机(10a、10b、11)的进口；
反应器(40)，在所述反应器中，工作流体中的第一反应物和第二反应物能够相互反应，所述反应器(40)在所述压缩机(10a、10b、11)和所述膨胀器(20a、20b、21)之间布置在所述第一导管(31、32)中；和
冷凝器(50)，其用于冷凝所述工作流体中的气体，所述冷凝器在所述膨胀器(20a、20b、21)和所述压缩机(10a、10b、11)之间布置在所述第二导管(33、34)中。
2.根据权利要求1所述的热力发动机(100)，其中，所述压缩机(10a、10b、11)包括压缩室(10a、10b)和能够在所述压缩室(10a、10b)内往复运动的第一正位移构件(11)，并且所述膨胀器(20a、20b、21)包括膨胀室(20a、20b)和能够在所述膨胀室(20a、20b)内往复运动的第二正位移构件(21)。
3.根据权利要求2所述的热力发动机(100)，其中：
所述第一正位移构件和所述第二正位移构件(11、21)机械地联接成以自由活塞的构造一致地往复运动，或者
所述第一正位移构件和所述第二正位移构件(11、21)通过曲轴连接。
4.根据权利要求1所述的热力发动机(100)，其中，所述压缩机(10a、10b、11)是涡轮机，并且所述膨胀器(20a、20b、21)是涡轮机。
5.根据权利要求4所述的热力发动机(100)，其中，所述压缩机(10a、10b、11)和所述膨胀器(20a、20b、21)通过轴连接。
6.根据任一项前述权利要求所述的热力发动机，还包括第一供应管线(35)，所述第一供应管线(35)被配置为用于将所述第一反应物供应到所述第一导管和/或所述第二导管(31、32、33、34)中。
7.根据任一项前述权利要求所述的热力发动机，其中，所述反应器(40)包括第二供应管线(41)，所述第二供应管线(41)用于将所述第二反应物供应到所述工作流体中。
8.根据任一项前述权利要求所述的热力发动机，其中，所述冷凝器(50)包括排出管线(54)，所述排出管线(54)用于从所述冷凝器(50)排出冷凝物。
9.根据任一项前述权利要求所述的热力发动机，其中，所述冷凝器(50)包括冷却回路(53、57)，所述冷却回路(53、57)用于冷却工作流体。
10.根据任一项前述权利要求所述的热力发动机，还包括工作流体，其中所述工作流体包括稀释剂，所述工作流体中的所述稀释剂的浓度为按体积计至少5％，或按体积计至少10％，或按体积计至少20％，或按体积计至少30％，或按体积计至少40％，或按体积计至少50％，或按体积计至少60％，或按体积计至少70％，或按体积计至少80％。
11.根据权利要求10所述的热力发动机，其中，所述稀释剂具有为至少1.4、或至少1.45、或至少1.5、或至少1.6的比热比。
12.根据权利要求10或11所述的热力发动机，其中，所述稀释剂是Ar、He、Ne、Kr、或Xe。
13.根据任一项前述权利要求所述的热力发动机，其中，所述工作流体中的N2的浓度按体积计小于70％、按体积计小于60％、按体积计小于50％、按体积计小于40％、按体积计小于30％、按体积计小于20％、按体积计小于10％，或按体积计小于5％。
14.根据任一项前述权利要求所述的热力发动机，还包括：
第一阀(36)，其用于控制工作流体流入所述压缩室(10a、10b)中；
第二阀(37)，其用于控制工作流体流出所述压缩室(10a、10b)；
第三阀(39)，其用于控制工作流体从所述压缩室流入所述膨胀室(20a、20b)中；和
第四阀(40)，其用于控制工作流体流出所述膨胀室(40)。
15.根据权利要求14所述的热力发动机，还包括：
传感器(62)，其适于输出对应于所述第一正位移元件和所述第二正位移元件(11、21)的位置和/或速度的信号；和
控制器(63)，其用于根据由所述传感器(62)输出的信号连续控制所述第三阀和/或所述第四阀(39、40)和/或向所述反应器(40)供应所述第二反应物的速率。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的热力发动机，其中，所述控制器(63)被配置为控制所述第一阀、所述第二阀、所述第三阀和所述第四阀(36、37、38、39、40)。
17.根据任一项前述权利要求所述的热力发动机，其中，所述第二位移构件(21)将所述膨胀室(20a、20b)分成两个膨胀子室(20a、20b)。
18.根据结合权利要求10至12中任一项的权利要求17所述的热力发动机，其中，所述第三阀(39)适于控制工作流体交替地流到每个膨胀子室(20a、20b)。
19.根据任一项前述权利要求所述的热力发动机，其中，所述第一位移构件(11)将所述压缩室(10a、10b)分成两个压缩子室(10a、10b)。
20.根据结合权利要求10至12中任一项的权利要求19所述的热力发动机，其中，所述第一阀(36)适于控制工作流体交替地流到每个压缩子室(10a、10b)。
21.根据任一项前述权利要求所述的热力发动机，还包括能量转换装置(60、61)，所述能量转换装置(60、61)包括至少一个可往复运动元件(61)，所述至少一个可往复运动元件(61)被联接以用于与所述第一位移构件和所述第二位移构件(11、21)一起往复运动。
22.根据权利要求21所述的热力发动机，其中，所述能量转换装置(60、61)位于所述压缩室(10a、10b)和所述膨胀室(20a、20b)之间。
23.一种热力发动机(101)，包括；
反应器；
冷凝器(50)，其用于冷凝所述热力发动机(101)的工作流体中的气体；
第一导管(33)，其将所述反应器的出口(71)流体地联接至所述冷凝器(50)的进口(56)；和
第二导管(34)，其将所述冷凝器(50)的出口(55)流体地联接至所述反应器的进口(72)。
24.根据权利要求23所述的热力发动机(101)，其中，所述反应器是内燃发动机(70)的燃烧室。
25.根据前一项权利要求所述的热力发动机，还包括第一供应管线(35)，所述第一供应管线(35)被配置为用于将第一反应物供应到所述第一导管和/或所述第二导管(33、34)中。
26.根据权利要求24或25所述的热力发动机，包括用于将第二反应物供应到所述工作流体中的第二供应管线(41)。
27.根据前一项权利要求所述的热力发动机，其中，所述第二供应管线(41)被配置为将所述第二反应物：
供应到所述第二导管(34)中，或者
供应到所述反应器中。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的热力发动机，其中，所述冷凝器(50)包括排出管线(54)，所述排出管线(54)用于从所述冷凝器(50)排出冷凝物。
29.根据权利要求23至28中任一项所述的热力发动机，其中，所述冷凝器(50)包括用于冷却所述工作流体的冷却回路(53、57)。
30.根据权利要求23至29中任一项所述的热力发动机，还包括工作流体，其中所述工作流体包括稀释剂，所述工作流体中的所述稀释剂的浓度为按体积计至少5％，或按体积计至少10％，或按体积计至少20％，或按体积计至少30％，或按体积计至少40％，或按体积计至少50％，或按体积计至少60％，或按体积计至少70％，或按体积计至少80％。
31.根据前一项权利要求的热力发动机，其中，所述稀释剂具有至少1.4、或至少1.45、或至少1.5、或至少1.6的比热比。
32.根据权利要求29或31所述的热力发动机，其中，所述稀释剂是Ar、He、Ne、Kr、或Xe。
33.根据权利要求23至32中任一项所述的热力发动机，其中，所述工作流体中的N2的浓度为按体积计小于70％，按体积计小于60％，按体积计小于50％，按体积计小于40％，按体积计小于30％，按体积计小于20％，按体积计小于10％，或按体积计小于5％。
34.一种操作根据任一项前述权利要求所述的热力发动机的方法，所述方法包括；
向所述热力发动机提供工作流体，其中所述工作流体包括稀释剂，并且所述工作流体中的所述稀释剂的浓度为按体积计至少5％。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述工作流体中的稀释剂的浓度为按体积计至少10％，或按体积计至少20％，或按体积计至少30％，或按体积计至少40％，或按体积计至少50％，或按体积计至少60％，或按体积计至少70％，或按体积计至少80％。
36.根据权利要求34或35所述的方法，其中，所述稀释剂具有至少1.4，或至少1.45，或至少1.5，或至少1.6的比热比。
37.根据权利要求34至36中任一项所述的方法，其中，所述稀释剂是Ar、He、Ne、Kr、或Xe。
38.根据权利要求34至37中任一项所述的方法，其中，所述工作流体中的N2的浓度按体积计小于70％，或按体积计小于60％，或按体积计小于50％，或按体积计小于40％，或按体积计小于30％，或按体积计小于20％，或按体积计小于10％，或按体积计小于5％。
39.根据权利要求34至38中任一项所述的方法，包括将第一反应物和第二反应物供应到所述工作流体中。
40.根据前一项权利要求的所述方法，其中，所述第一反应物是O2。
41.根据权利要求39或40所述的方法，其中，所述第二反应物是H2。
42.根据权利要求34至41中任一项所述的方法，包括在所述冷凝器(50)中冷凝燃烧产物，所述燃烧产物包括H2O。
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