[发明专利]小温升低熵混燃发动机

说明书

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种发动机。

背景技术

为提高传统内燃机（包括活塞式内燃机和内燃式轮机）的效率，已有不少方案提出向燃烧室喷射膨胀剂。但是没有任何方案明确向燃烧室内喷射膨胀剂的量以及喷射前燃烧室内的压力状态，然而向燃烧室喷射膨胀剂的量和燃烧前燃烧室内的压力和温度状态是影响向内燃机燃烧室喷射膨胀剂方案中内燃机的效率的最重要的因素之一。因此，需要明确向燃烧室喷射膨胀剂的量和内燃机压缩过程完了时气体的状态参数，以使向燃烧室喷射膨胀剂并发生燃烧后的工质状态参数更加合理，以提高发动机的效率。

发明内容

热力学第二定律具有代表性的两种阐述方式是：一、开尔文的阐述方式是“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化。”；二、克劳修斯的阐述方式是“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响”。卡诺在其1824年发表的《论火的动力》论文中提出：热机必须工作在两个热源之间，从高温热源吸取热量，又把所吸取热量的一部分传递给低温热源，只有这样才能获得机械功。而且卡诺根据这一结论提出了著名的卡诺定理，即                                                ，（其中，为循环效率，为高温热源的温度，为低温热源的温度），卡诺定理是目前热机理论中具有指导性意义的定理。目前人们对卡诺定理的理解是：将工质在高温热源温度下等温膨胀过程中从高温热源中吸取的热量视为卡诺定理中的“从高温热源吸取热量”的热量；把工质向环境排出的热量视为卡诺定理中的“把所吸取热量的一部分传递给低温热源”的那一部分热量。然而，在实际热机循环中，高温热源都是人为制造的，而低温热源都是根据高温热源下工质的状态（温度和压力）以及工质的热力学性质，膨胀过程自行制造的。例如，在外燃机中，如果向高温热源温度下的工质内注入膨胀剂并使膨胀剂在高温热源温度下吸收热量升压或发生气化（含临界化过程和过热过程）升压，而且使新形成的工质（所谓新形成的工质包括原来的工质和膨胀剂）的压力参数达到这样一种状态：即膨胀作功终了时工质的温度低于甚至大幅度低于环境温度。这样一个循环过程所输出的功一定会接近、等于或超过从高温热源中吸收的热量，换句话说，其效率一定会接近、等于或超过100%，如果膨胀作功的工质的温度低于环境温度，就不可能向低温热源排热但是可以从低温热源吸热或被导出，被导出的工质可以被抛入任何温度的其他热源（包括高温热源）。再例如在内燃机中，内燃机的高温热源是燃料燃烧后的工质，低温热源（也可称为冷源）是膨胀作功后的工质，而膨胀作功后的工质的状态是由燃料燃烧后的工质的状态所决定的。在这种情况下，如果控制燃烧过程使燃料燃烧后的工质的状态参数达到一定的值，就可以使膨胀作功后的工质的温度低于甚至大幅度低于环境温度，这样一个循环过程所输出的功一定会接近、等于或超过从高温热源中吸收的热量，换句话说，其效率一定会接近、等于或超过100%，如果膨胀作功的工质的温度低于环境温度，就不可能向低温热源排热但是可以从低温热源吸热或被导出，被导出的工质可以被抛入任何温度的其他热源（包括高温热源）。这两个例子从表面上看，都造成了用现有的热力学理论和定理无法解释的状况。因此，目前人们对卡诺定理的理解是存在误区的，那么所谓的“从高温热源吸取热量”的热量究竟是指哪一部分热量，以及所谓的“把所吸取热量的一部分传递给低温热源”的那一部分热量究竟是指哪一部分热量。本发明人认为“从高温热源吸取热量”的热量是由将工质从低温热源的温度被高温热源加热到高温热源的温度的过程中工质从高温热源中吸取的热量（含在高温热源温度下工质从高温热源吸取的热量）（如图11中的Q所示）和工质的底热（所谓工质的底热是指工质处于低温热源温度下本身所包含的从绝对零度算起的热量）（如图11中的Qc所示）两部分构成的，而所谓的“把所吸取热量的一部分传递给低温热源”的那一部分热量是由工质向环境排出的热量（如图11中的q所示）和工质的底热（如图11中的Qc所示）两部分构成的。换句话说，即便是膨胀作功后的工质温度低于环境温度，工质不能向环境传热，只要将膨胀作功后的工质找到去向，如抛入环境中或抛入任何温度的其他热源（包括高温热源）中，热机就可循环工作。不仅如此，在某些特定条件下，可以将膨胀作功后的低温工质抛入系统的高温热源中（如图12中Qc-M-T₂所示虚线方向），例如膨胀作功后降温冷凝的工质可以抛入内燃机的燃烧后的高温高压工质中，例如膨胀作功后的低温工质可以抛入热电系统的锅炉燃烧室内或锅炉蒸气发生器内，例如将气动发动机中的乏气抛入环境中（在某些气动发动机中环境就是气动发动机的高温热源），再例如将从膨胀作功后的工质吸收热量的液体抛入高温热源中。由此可以得出这样的结论：热机可以工作在一个热源之下，只要将膨胀作功后的工质导出，热机就可以循环工作。被导出的膨胀作功后的工质可以被抛入比自身温度低的热源中，可以被抛入与自身温度相同的热源中，可以被抛入比自身温度高的热源中，可以被抛入高温热源中，也可以被抛入比高温热源温度更高的热源中；不仅如此，膨胀作功后的工质如果只对外传热传给低温热源，受热的低温热源仍可以被抛入高温热源中，例如可以将用于冷却膨胀作功后的工质的冷却介质抛入高温热源中。因此，热机工作的必要条件并不是两个热源，而是至少一个热源，至少一个残留流出口（所谓的残留流出口是指膨胀作功后的工质的出口和/或膨胀作功后的工质的热量的出口），所述残留流出口可以与任何其他热源连通（包括系统的高温热源），在所述残留流出口与高温热源连通的结构中热机就只需要一个热源即可循环工作，在所述残留流出口不与高温热源连通的结构中热机就需要至少有两个热源，当所述残留流出口与温度高于所述残留流出口的热源连通时所述残留流出口只能是膨胀作功后的工质的出口。本发明人热为：热机工作过程中的热量传递和质量传递可以单一存在、共同存在或相互取代。不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响的说法是完全正确的，但是我们可以把低温物体（例如低温工质）抛入高温物体（例如高温工质），通过质量传递（即把低温物体抛入高温物体的过程）实现“把热量从低温物体传到高温物体”的这一不可实现过程。热机工作过程中的热量传递和质量传递可以单一存在、共同存在或相互取代的这一结论为制造高效热机或制造输出的功等于燃料的热值或制造输出的功大于燃料的热值的热机指明了方向。图11、图12和图13所示分别为q>0、q=0、q<0的三种循环示意图。