CN101371026A - 水燃烧技术-哈瑟循环 - Google Patents

Abstract

本发明提供了氢氧燃烧，产生环保的燃烧产物，其中对能量和燃烧的管理进行了改进。本发明提供了改善的热力学，从而提高了燃烧动力和效率。本发明利用燃烧得到的水蒸汽做下列工作：(1)维持燃烧的动力输出，(2)提供能量转移的方法，(3)提供能量循环的方法，(4)提供动力，(5)冷却燃烧室。水蒸汽被用作从动能和可利用的热能获得的势能源，同时也用于生成H₂和O₂。

Description

水燃烧技术-哈瑟循环

技术领域

本发明涉及氢氧燃烧改进了的方法、系统、工艺和装置，其中生成环保的燃烧产物，其中对能量和燃烧的控制得到了显著的改善。本发明的方法、系统、工艺和装置在这里定义为“水燃烧技术发明”(WCT发明)。WCT发明基于水(H₂O)包含作为燃料的氢气(H₂)和作为氧化剂的氧气(O₂)的化学特性。WCT发明不需要碳氢化合物燃料源。H₂O是燃烧的主要产物。在WCT发明的许多实施方案中，H₂O被分解为H₂和O₂，这因而使H₂O成为存储燃料和氧化剂，如潜在能量的一种有效的方法。

WCT发明的应用包括：锅炉、燃烧发动机、内燃机、涡轮机以及任何能产生机械能、电能或热能(热能可以包括推力能)的燃烧系统。WCT发明包括一些实施方案，在这些实施方案中，氮气(N₂)和氩气(Ar)被完全或部分地从然料混合物中除去以提高燃烧的能量输出和/或减少燃烧的污染输出。

本WCT发明涉及显著提高的燃烧热力学，从而明显提高了燃烧的功率和效率。同时，本WCT发明涉及改善了的燃烧，其中向燃烧室中添加H₂O，从而利用H₂O作为冷却源，并使水蒸汽成为能量源。本WCT发明包括下面的实施方案，其中由燃烧产生的水蒸汽：(1)保持功率输出，(2)提供能量转移的方法，(3)提供一种能量循环的有效方法，(4)通过水蒸气提供能量，以及(5)冷却燃烧室。水蒸汽代表潜在的(可重新使用的)能量源，它们来自可利用的动能和可利用的热能，并代表由水蒸汽到H₂和O₂的转化。

本WCT发明涉及生成电(电能)。发明了四种生成电的WCT发明方法。第一种，在WCT发明排出的废气中放置蒸汽涡轮机，其中所述的蒸汽涡轮机由燃烧产生的水蒸汽驱动；其中所述的蒸汽涡轮机转动发电机(术语发电机在这里定义为发电机或交流发电机或直流发电机)；其中至少部分的所述蒸汽能转化为所述的电。第二种，在WCT发明的发动机的机械旋转能输出上放置发电机，其中至少部分的所述机械旋转能被发电机转化为电。第三种，包括将流动的空气和/或流动的水流集中到涡轮机上的物理装置，其中所述的涡轮机转动发动机产生电。第四种，采用光伏电池生成电能。

本发明使用至少部分的所述的电用于电解H₂O生成H₂和O₂。本发明进一步并优选将至少部分的所述H₂和O₂用在WCT发明中。

本WCT即时发明进一步涉及从空气中分离O₂。有三种方法。第一种，通过低温蒸馏从空气中分离O₂，其中空气经冷凝蒸馏成O₂和N₂。第二种，利用膜分离空气产生O₂；所述的膜可以是有机(聚合物)结构也可是无机(陶瓷)结构。而且，所述的膜可以带电以加速电解分离。第三种，用回旋吸咐(SA)分离空气，其中所述的SA可以是变压吸咐(PSA)或真空回旋吸咐(VSA)或两者结合。由于将空气分离成O₂和N₂可以有许多分离效率级，所以可以理解这里所用的术语O₂指的是至少含O₂丰富，其中O₂浓度至少为40％；优选纯O₂，O₂浓度至少为80％；最优选超纯O₂，O₂浓度至少为90％。

本WCT即时发明还涉及金属催化，其中由WCT即时发明产生的水蒸汽转化为H₂和金属氧化物。本发明进一步并优选将至少部分从金属催化产生的所述H₂用作WCT即时发明中的燃料。这里所用的术语金属催化指的是周期表中的任何金属或金属组合，其中金属或金属组合将水蒸汽或水蒸气中可利用的水转化成相应的金属氧化物和H₂。

本WCT即时发明涉及燃烧，其中Otto循环的热力学得以改善，从而提高了燃烧的效率和功率输出，因而产生了哈瑟循环。

背景技术

人类经过几个世纪开发出了多种形式的能源，并伴有多种形式的能源传输。在现代经济中，对能源的需求几乎就是经济的燃料。能源为房屋、工厂、办公室供暖，提供电能，为制造业工厂供能，并为货物和人们提供运输。

在19世纪和20世纪，人类将矿物燃料发展为可靠并廉价的能源。今天，矿物燃料被用于运输、制造加工、发电及供热等多个方面。这种应用已经使矿物燃料的燃烧产物成为了空气和水的主要污染源。

矿物燃料(碳氢化合物)作为燃料使用，而空气作为氧化剂，产生了燃烧能。碳氢化合物来自：石油馏分例如汽油、柴油、燃料油、喷气燃料和煤油；或发酵馏分例如甲醇和乙醇；或自然产生的物质例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、煤和木材。然而，过度的碳氢化合物燃烧会破坏环境。碳氢化合物燃烧的产物被教导为与自然界的O₂-碳循环工作一致，其中CO₂通过植物的光合作用循环变回O₂。而过多地CO₂例如过度的燃烧，打乱了环境。碳氢化合物燃烧可以用下式近似地表示：

C_nH_2n+2+(3/2n+1/2)O₂→nCO₂+(n+1)H₂O+能量

更具体地，对于汽油(2，2，4三甲基戊烷或n-辛烷)：

汽油(n-辛烷)+12-1/2O₂→8CO₂+9H₂O+1,300千卡

以及，对于天然气(甲烷)：

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O+213千卡

因此，矿物燃料的燃烧生成碳的氧化物(CO_X，CO和/或CO₂)。科学家们通常认为全球变暖是在地球大气中集结了CO_X的后果。虽然光合作用能自然地将CO₂转变回O₂，但人工生成的CO₂以及森林被大量砍伐使得地球上的植物不能将人工产生的CO₂充分转变回O₂。这就产生了CO，一种不完全燃烧的副产品，对人类、动物以及植物都是有害的。

另外，碳氢化合物燃烧产生NO_X(NO，NO₂和NO₃)；NO_X阻碍光合作用，而且对人类、动物以及植物都是有毒的。由于NO_X的形成过程是吸热的，因而降低了燃烧效率。一旦形成NO_X，NO_X进一步与空气中的O₂反应形成臭氧(O₃)。O₃对人类、动物以及植物都是有害的。在高层大气层O₃的确能保护地球免受强烈的紫外线辐射的伤害，但在地球表面O₃对所有的生物都是有害的。

自然界中液体和固体的碳氢化合物都含污染物硫。燃烧过程中，S被氧化成SO_X(SO₂，SO₃和SO₄)，它们对人类、动物以及植物也都是有害的。

最后，CO_X，NO_X和SO_X与空气中的水反应形成酸，如H₂CO₃，HNO₃和H₂SO₄，它们于是在地球上形成酸雨。

碳氢化合物燃料已经用添加剂进行改性，减少了CO_X或NO_X的形成。然而随着所有的洗涤器改进、发动机改进和燃料改进，地球正在努力维持着生存。除了环境问题，对大量石油碳氢化合物的可利用性和依赖性已经变成了地理政治问题。

以前也有许多生产燃烧发动机的尝试，该燃烧发动机以H₂为燃料，空气为氧化剂来运转。这些尝试都有下列弊端：燃烧温度较高，可用扭矩降低，形成的NO_X增加，H₂存储能力缺乏以及热量和运转成本过多。用H₂作燃料的喷气推进应用存在下列困难：燃烧温度高，缺少可用推力和所达到的最高高度较低，因此煤油的使用受到了限制。而与煤油相比，H₂每磅的可用燃烧能大约是煤油的三倍。然而，H₂的密度比碳氢化合物小得多；H₂直到温度降低到-423℉附近才变为液体；因此H₂的存贮设备需要能够承受高压和/或低温温度。高压存贮大容量H2在经济上变得不切实际。目前H₂存贮建议使用的技术是金属氢化物。有希望的是，金属氢化物存贮系统的存贮量与燃料量的比率很高，只是比较贵。

历史上，人们认为电动摩托找到了解决环保能源的途径。然而，这一概念在必须产生和存储驱动电动摩托所需要的电能方面存在不足。电能最常用下列的方法之一产生：(1)碳氢化合物燃烧/蒸汽发电过程，(2)光伏发电过程，(3)水力发电过程，(4)风力发电过程或(5)核能发电/蒸汽发电过程。虽然光伏过程环保，但光伏过程在许多应用中并不足够可靠和有效。虽然水力(水轮)发电过程环保，但水力发电过程受能源地理性限制。虽然风力发电过程环保，但风力属于受限制的不可靠资源。虽然核能发电过程环保，但对其装置安全性的顾虑使其应用受到了局限。

从前和现在对生产能对H₂和空气或碳氢化合物和空气操作的燃料电池的尝试正显示出了一些有希望的结果。然而，用于燃料电池的对功率输出率的资金投资为用于传统碳氢化合物燃烧的300-500％。而且，逐渐升高的对燃料电池的维持性需求为传统碳氢化合物燃烧的100-300％。另外，燃料电池需要铂，而地球外壳中的铂满足不了几年汽车生产的需求量。地球上的铂一定满足不了全世界能源的需求。最后，在运输方面，燃料电池没有与内燃机同样的“感觉”，这将使其接受力受到挑战。由于市场的接受力，以前对代替或减少内燃机动力的尝试遭到了失败。

在本发明之前，对WCT以前所做的工作在这里参考美国申请10/790,316，PCT/US03/11250和PCT/US03/41719。

在WCT之前，人们从前对开发以碳氢化合物之外的燃料工作的燃烧发动机所做的工作在这里参考美国3,884,262号，美国3,982,878号，美国4,167,919号，美国4,308,844号，美国4,599,865号，美国5,775,091号，美国5,293,857号，美国5,782,081号，美国5,775,091号和美国6,290,184号专利。与本发明最的工作是美国专利6,289,666B1。虽然这些专利中的每个对燃烧技术都有所改进，但每个都存在这种燃烧发动机不能商业化的问题。

燃烧发动机热力学-对于抗击与碳氢化合物燃烧相关的环境问题人们在机械和化学方面已做了大量的努力。通常，工厂都配备有昂贵的洗涤器系统不论是政策要求安装和/或商业需要安装。另一个例子是，内燃机明显得以增强，使发动机对燃料的利用更加有效并且更环保。然而，即使再增强，内燃机的效率仅仅为20％左右，燃气涡轮机/蒸汽涡轮机系统的效率仅为20-40％左右。内燃机损失的可用能量燃料值的百分比在于：(1)废气占大约35％，(2)冷却占大约35％，(3)摩擦力占大约9％，(4)燃烧性能方面的原因占大约3％，这使发动机的效率仅剩不到20％。

内燃机产生动力完成工作是“微观世界数十亿分子”(引用Carl Sagan的话)之间一系列复杂的相互作用的结果。热力学是工程学、化学和物理的一个分支，它允许基于这些分子的行为减少了这种混乱度，在总体上或者换句话说在宏观上达到一个相对简单的系统。

例如，气体的每个分子以一定的速度飞行，这一速度是其特定温度的函数。热动力学允许根据所有分子的平均温度为整个容积的气体分子指定一个单一温度。其它用于描述气体行为的宏观变量是密闭容器中的压强，容器的容积和存在的气体分子数。这些变量之间的关系可以用理想气体定律近似：

PV＝nRT

其中，P，V和T分别是绝对压强，容积和绝对温度。N(n)是气体摩尔数(1摩尔＝6.023×10²³个分子)，R是通用气体常数(0.0821升·大气压/摩·K)。

热力学有三大基本定律。第一个称为热力学第零定律，它描述了：如果系统A与系统B处于热平衡，系统B与系统C处于热平衡，那么系统A与系统C也必定处于热平衡。这一定律是温度测定法的依据，其中温度计可以用于一个物体与另一个物体对比温度。

第二个定律在传统编号方式中被称为第一定律，其描述了：一个系统内能的变化等于从该系统传递的热和从该系统转移的熵以及系统做功的量的总和。换句话说，任何传入系统的热能可以用于改变系统的内能(通过改变它的温度)或者对外做功。这就是对热力学过程能量守恒定律的描述。

最后一个定律，在传统编号方式中为第二定律，实质上是说任何形式的热发动机都不能把输入的能量全部转化为有用功。经常会有一些废热剩余。

系统温度是其内能的量度。如果给一定体积的气体分子加热并且系统不对外做任何功，所加的热量和温度之间的关系可以用下式描述：

Q＝nCVΔT或Q＝nCPΔT

其中：Q是传递的热量，n是存在的气体摩尔数，ΔT是温度变化，C_V和C_P分别叫做定容比热容和定压比热容，它们取决于气体的类型。第一个等式适用于体积不发生变化的过程(恒容或等容过程)，第二个等式适用于压力恒定的过程(恒压或等压过程)。

系统做的功可以通过移动方向上施加的分力乘以移动的位移累加得到。对于更复杂的系统，其中力不恒定，功可以用微积分通过求下式的积分来计算：

dW＝Fdx，

其中：dW是功的增量，F是力，dx是位移的增量。对于由处于密闭汽缸里的活塞组成的机器，对活塞施加的力由汽缸中的压强P乘以活塞的面积A得到，例如：

dW＝PAdx。

注意术语Adx是指当活塞移动一段距离dx时，密闭汽缸的容积变化量，所以等式可以改写为：

dW＝PdV。

为了对该等式求积分，需要知道过程中压力和体积之间的关系。这种关系可以在P-V图体现，P-V图是用P作为纵轴，V作为横轴的曲线图。图2阐释了几种标准的P-V过程。黑色实线代表从1升等温膨胀到5升。描述这一曲线的等式是理想气体定律：

PV＝nRT，

其中，P是绝对压力，V是体积，n是存在的气体摩尔数，R是通用气体常数，T是绝对温度。等温意味着过程中温度恒定。在膨胀过程中系统做的功可以通过对功的等式求积分来计算，等式中的P用从调整的理想气体定律得到的V的函数替换：

$W=\∫\mathrm{PdV}=\mathrm{nRT}\underset{1}{\overset{5}{\∫}}\frac{1}{V}\mathrm{dV}$

注意这里的积分代表P-V图上等温曲线下的面积。

灰色曲线代表从1升绝热膨胀到5升。绝热意味着过程中没有热量传递。注意绝热曲线比等温曲线更陡些。对于绝热曲线压力和体积之间的关系用下面的等式表示：

PVγ＝常数

其中，γ是定压比热容与定容比热容的比值(C_P/C_V)，对于汽油燃烧发动机中涉及的气体类型，所含气体的γ典型的值为1.4。通常，等温过程发生得很缓慢，因此热量能够传入或传出系统以维持温度恒定。相反，绝热过程通常发生得很快以至于热量没有机会流失。

黑色虚线描述了一个等压(压力恒定)过程。在这一过程中做的功简化为：

W＝P×(V_f-V_t)

最后的灰色虚线代表了等容(体积恒定)过程。由于该曲线下的面积为零，因此不做功。

图3代表了用于被称做Carnot发动机的理想系统的循环过程。路经a到b的是在400K下的等温压缩。路经b到c是绝热压缩。路经c到d是在600K下的等温膨胀，d返回到a是绝热膨胀。这四个路经定义了P-V空间中的一个闭合路经。围起来的面积是沿所描述的顺时针路径完成一个完整的循环发动机做的净功。如果路经沿逆时针方向，做的净功为负。

图4代表了Otto循环，它和汽油驱动的内燃机的操作接近。路经a到b代表进给冲程，在这一过程中当活塞向外移动时，空气-燃料的混合物进入汽缸。这一过程大致发生在大气压下(假定是普通的吸气式发动机)。接着，进气阀闭合，活塞向内移动压缩混合物，沿路经b到c。由于发生得相当快，这是绝热过程。对气体做功，内能升高。

在压缩冲程结束时，点燃混合物，压力沿路径c到d迅速升高。这一过程发生得非常快，实质上几乎完全是等容(体积恒定)过程。在这一过程中没有做功，因此燃烧热全部用于升高气体组分的内能。接下来是动力冲程，是从d到e的绝热膨胀。在这一过程中，系统对外做功，内能减少。在动力冲程结束时，排气阀打开，废气非常快地排掉，这实际上是另外一个沿路径e到b的等容过程。最后，活塞再次向内移动，迫使残留的废气排出，这是在大气压下沿路径b到a。然后，重复循环......。

Otto发动机做的净功由四个路径b到c到d到e到b围成的面积表示。在进给和排气冲程过程中做的功(路径a到b和b到a下的面积)相互抵消。A假定的汽油发动机-为了将一些实际参数引入上述的Otto循环，让我们考虑下面假定的汽油发动机。6汽缸，100mm缸径，78.9mm冲程和压缩比为10；于是：1.压缩

在压缩冲程过程中：

每个汽缸的排气量＝π·(50mm)²·(78.9mm)＝620cm³(0.62l)

死空间(活塞完全插入时剩余的容积)可以利用下式计算：

$c.r.=10.0=\frac{620+d.s.}{d.s.}\→69{\mathrm{mm}}^3\left(0.069l\right)$

简化为，死空间0.069L≈0.070L

在压缩冲程开始时汽缸中的气体(空气和汽油蒸气)的摩尔数由理想气体定律得到：

$n=\frac{P\·V}{n\·R}$

$n=\frac{\left(1.0\mathrm{atm}\right)\·\left(0.69l\right)}{(0.0821l-\mathrm{atm}/\mathrm{mole}-K)\·\left(300K\right)}=0.0280$ 摩

在压缩冲程结束时汽缸中的压强(P，V)可以从压缩冲程开始时的压力和体积(P₀，V₀)计算，如下式：

$P=P_0\·{\left(\frac{V_0}{V}\right)}^{\mathrm{\γ}}$

$P=\left(1.0\mathrm{atm}\right)\·{\left(\frac{0.690l}{0.070l}\right)}^{1.4}=24.6\mathrm{atm}$

压缩后的温度通过理想气体定律给出：

$T=\frac{\mathrm{PV}}{\mathrm{nR}}=\frac{\left(24.6\mathrm{atm}\right)\·\left(0.070l\right)}{\left(0.028\mathrm{moles}\right)\·(0.0821l\·\mathrm{atm}/\mathrm{mole}\·K)}=749K$

图5显示了上述结果的曲线。

2.燃烧

汽油和空气之间的化学反应可以简化为下式：

C₈H₁₈+12.5O₂→8CO₂+9H₂O+1300kcal(5443kJ)

仅在燃烧前，汽缸里有0.0280摩尔气体。它是汽油蒸气、O₂和N₂的混合气。O₂和N₂来自空气，空气中大约有21％的O₂和79％的N₂。汽油蒸气与O₂之比由上面的等式给出。于是一个简单的等式就可以把存在的三种气体的相对量联系起来了。如果x代表汽缸中空气的摩尔数，于是：

N₂的摩尔数＝0.79·x

O₂的摩尔数＝0.21·x

总摩尔数为0.0280，因此x可以由下列等式确定：

结果是0.0275摩尔空气。将x值代入上面的一系列等式，得到：0.0005摩尔C₈H₁₈，0.0058摩尔O₂和0.0218摩尔N₂。从描述汽油燃烧和反应物摩尔数的化学式，我们能算出每种反应产物的摩尔数。每12.5摩尔O₂产生8摩尔CO₂和9摩尔H₂O。

由于1摩尔汽油与O₂反应产生5443kJ，上述0.0005摩尔汽油反应产生2.5kJ的能量。在这一过程中没有做功，因此热力学第一定律要求这些能量存储为反应产物的内能，这将使它们的温度按每种气体所有的摩尔数和比热容升高。热容(在这个例子中是定容的摩尔比热容)和摩尔数(来自上式中)如下：

升高的温度可以用下式计算：

$Q=n_{N_2}\·C_{V,N_2}\·\mathrm{\ΔT}+n_{{\mathrm{CO}}_2}\·C_{V,{\mathrm{CO}}_2}\·\mathrm{\ΔT}+n_{H_{2}O}\·C_{V,H_{2}O}\·\mathrm{\ΔT}$

$\mathrm{\ΔT}=Q/(n_{N_2}\·C_{V,N_2}+n_{{\mathrm{CO}}_2}\·C_{V,{\mathrm{CO}}_2}+n_{H_{2}O}\·C_{V,H_{2}O})$

ΔT＝2.5％.02176·25.8+0.00368·40.8+0.00414·37.0)＝2891K

T＝749K+2891K＝3640K

燃烧结束时的压力可以用理想气体定律计算：

图5绘制了C_V下压力从24.6atm升高到126.3atm。

3.膨胀

由于膨胀冲程开时的压力已经计算出来了(并且已知体积)，因此在绝热膨胀过程中压力作为体积的函数是可以被计算出来的：

$P=P_0\·{\left(\frac{V_0}{V}\right)}^{\mathrm{\γ}}$

$P=\left(126.3\mathrm{atm}\right)\·{\left(\frac{0.070l}{V}\right)}^{1.4}$

P-V图中灰色的线就绘制了这条线。

4.排气

图5绘制了排气冲程。

5.做功

绝热过程中系统仅对外做功或仅对系统做功(当活塞实际移动时)，可计算如下：

W＝∫P·dV

P·V^γ＝P₀·V₀ ^γ

$W=\∫P_0{\left(\frac{V_0}{V}\right)}^{\mathrm{\γ}}\·\mathrm{dV}$

$W=\frac{P_0\·V}{1-\mathrm{\γ}}{\left(\frac{V_0}{V}\right)}^{\mathrm{\γ}}{|}_{V_i}^{V_f}$

求积分得到的值为：

1-atm＝大气压(压强)；2-L＝升(体积)

膨胀过程中做的功为13.25L-atm，压缩过程中做的功为-2.58L-atm。每次循环过程中净做功为10.67L-atm(1.08kJ)。

6.总马力

对于一般的汽车以60MPH的速度行驶，发动机的速度大约是3000rpm或每秒50转。由于一个四冲程汽缸每隔一转仅有一个动力冲程，因此以每秒25个动力冲程的速度加燃。一个六汽缸发动机每秒有150个动力冲程。于是，总动力为：

(150动力冲程/秒)·(1.08kJ/冲程)/0.746kW/hp＝217hp

然而，有许多因素使这些能量减少，例如摩擦力、燃烧效率低、热量损失、熵损失以及加速惯性质量。这些很容易地占取了80-85％的动力，仅剩了约35-45hp传递给了后轮(在60MPH下)。

O₂-有许多制备O₂的方法，而将空气分离成它的组分气体，工业上使用三种方法：低温蒸馏、膜分离和SA。

低温蒸馏包括低温制冷，有很多已知的低温制冷的方法。本领域现有技术已知的关于低温制冷很好的方法和工艺是Thomas M.Flynn写的、Dekker出版的“低温工程”。正如Flynn写的，“低温制冷和液化是同样的过程，除了液化在取走一部分制冷后的液体后必须再补充一些，而制冷过程中所有的液体都是循环使用的。”制冷和液化所有的方法和工艺都基于相同的基本制冷原理，正如流程图1中所示。

                流程图1

如Flynn所写的，将做功(压缩)、绝热、膨胀和吸热几个部分组合起来的方法有很多。现有技术中有很多低温制冷的方法和工艺，它们全部适合于低温液化。那些制冷循环项目包括：Joule Thompson，Sterling，Brayton，Claude，Linde，Hampson，Postle，Ericsson，Gifford-McMahon和Vuilleumier。如Flynn所写，“将这些组成部分组合起来的方法就像去组合它们的工程师们一样多。”(值得注意的是，如本领域已知的，H₂的Joule-Thompson系数一直为负直到温度达到约350R或更低)。

空气，O₂，N₂和Ar₂的三重混合物的蒸馏可以被视作两个二重蒸馏。一个二重蒸馏是从中沸点的Ar₂中分离出高沸点的O₂。另一个二重蒸馏是从低沸点的N₂中分离出中沸点的Ar₂。这两个二重蒸馏中，前者更加困难，比后者要求更多次回流和/或理论塔板数。Ar2-O2分离是第三分馏区的基本功能，第二分馏区的底部区域低于将进入第三区的进料取出来的点。N2分离是第二分馏区上部的基本功能，第二分馏区上部高于将进入第三分馏区的进料取出来的点。

将空气分离成O₂，Ar₂和N₂传统的低温空气蒸馏工艺通常基于双重压力循环。首先空气被压缩并随后冷却。冷却可通过四种方法之一完成：1-液体蒸发，2-Joule-Thompson效应(用方法3放大时最好)，3-与先前冷却的升温产物流或与外部冷却的升温产物流进行逆流热交换，以及4-发动机中气体膨胀对外做功。冷却和压缩的空气通常被送入两个分馏区。第一分馏区与压力较低的第二分馏区热连接。两个区通常热连接以至于第一区的冷疑器使第二区重沸腾。空气在第一区经过部分蒸馏产生了基本上纯的N₂馏分和富含O₂的液体馏分。富含O₂的馏分通常是第二分馏区的中间进料。来自第一分馏区基本纯的液体N₂被用于在第二分馏区的顶部进行回流。在第二分馏区的分离完成时，在该区底部产生基本纯的O₂而在顶部产生基本纯的N₂。用常规工艺生产Ar₂时，要采用第三分馏区。这个区的进料是从第二分馏区中间点取出的富含Ar₂的蒸气馏分。第三区的压力与第二区同级。在第三分馏区中，进料被精馏成Ar₂富集流从顶部取出，而从第三分馏区底部取出的液体流被送入第二分馏区中间点。第三分馏区的回流由位于顶部的冷凝器提供。在这个冷凝器中，富含Ar₂的蒸气经过与另一种流，典型的是来自第一分馏区富含O₂流进行热交换而被冷凝。富含O₂流随后进入第二分馏区在中间点处于部分汽化状态，中间点处于进入第三分馏区的进料被取出来的点之上。

蒸馏的难易也受压力的影响。在较高压力下两个二重分离都会变得更困难。这一事实表明对于常规安排，第二和第三分馏区最佳的操作压力是在一个大气压的最小压力或接近一个大气压的最小压力。对于常规安排，产物回收率基本上随着操作压力升高到一个大气压之上而降低，这主要是由于增加了Ar₂-O₂分离的难度。然而也有其它的一些考虑使升压工艺具有吸引力。蒸馏柱直径和热交换横断面积可因蒸气密度的增大而减少。升压产物可节约压缩设备资金成本。在某些情况下，要求将空气分离工艺与产能燃气涡轮机整合。在这样的情况下，需要对空气分离工艺进行升压操作。进入第一分馏区的空气进料处于大约10至20个绝对大气压的升压状态。这导致第二和第三分馏区的操作压为大约3至6个绝对大气压。

这里所用的术语“间接热交换”是指使两种流体流在彼此之间没有任何物理接触或混合的情况下进行热交换；术语“空气”是指基本上包含O₂，N₂和Ar₂的混合物；术语“上部”和“下部”是指分别在柱的中间点之上和之下的那些部分；术语“分镏塔板”是指接触段，它不必是平衡段，可以指其它的接触装置例如分离能力相当于一个塔板的填料(packing)；术语“平衡段”是指蒸气—液体的接触段，其中留在这一段的蒸气和液体全部处于交换平衡，例如具有100％效率的塔板或高度与一个理论塔板(HETP)相当的填料元件；术语“顶部冷疑器”是指由柱顶部蒸气产生柱向下流液体的热交换设备；术语“底部再沸器”是指由柱底部液体产生柱向上流蒸气的热交换设备。(底部再沸腾器物理上可以在柱的内部或之外。当底部再沸腾器在柱的内部时，底部再沸腾器环绕着柱的最低塔板或平衡段以下的柱的部分。)

虽然将空气低温蒸馏成O₂、N₂和Ar₂在化学工业是公知的，但低温蒸馏是生产这些元素的双原子气体最经济的途径。将空气分离成它的各个组分从前所做的工作在这里参考US4,112,875、US5,245,832、US5,976,273、US6,048,509、US6,082,136、US6,298,668、和US6,333,445。

在许多工业中利用膜分离空气也是公知的。本领域已知有两种常用类型的膜：有机聚合物膜和无机膜。这些膜分离工艺通过在已被设计成导电的膜上建立电势而得以改进。先前所做的采用膜将空气分离成各组分的工作可以参考US5,599,383、US5,820,654、US6,277,483、US6,289,884、US6,298,664、US6,315,814、US6,321,915、US6,325,218、US6,340,381、US6,357,601、US6,360,524、US6,361,582、US6,361,583和US6,372,020。

采用SA将空气分离成它的各组分也是公知的。先前采用SA将空气分离成各组分所做的工作可以参考US3,140,931、US3,140,932、US3,140,933、US3,313,091、US4,481,018、US4,557,736、US4,859,217、US5,464,467、US6,183,709和US6,284,201。

蒸气转化-本WCT发明涉及由水蒸汽制备H₂，这是由于水蒸汽是燃烧产物水的物理状态。本领域先前的工作集中于精炼或发电厂废气；没有工作涉及将水蒸汽分离再形成H₂。以前利用来自内燃机的碳氢化合物燃烧产物所做的工作可参考US4003343。以前在防止腐蚀而非促进腐蚀方面所做的工作在这里可参考US6,315,876、US6,320,395、US6,331,243、US6,346,188、US6,348,143和US6,358,397。

电解-本WCT发明涉及将H₂O电化学转化成O₂和H2。虽然电解技术有了一些改进，也有许多把电解与燃烧发动机结合的尝试，即用电解产生的H₂补充碳氢燃料，但是还没有用电解为燃烧发动机提供燃料，其中电解是O₂和H₂的主要来源，这方面的尝试。先前与燃料系统相关的电解工作在这里可以参考US6,336,430、US6,338,786、US6,361,893、US6,365,026、US6,635,032和US4,003,035。

电-本WCT发明涉及生产电。本WCT发明产生机械能以驱动发电机(发电机是指交流或直流发电机)。用于蒸汽驱动发电机的蒸汽能由WCT发明产生；WCT发明的废气蒸汽能可以驱动蒸汽涡轮机，从而使发电机运转产生电流。

本WCT发明提供了燃烧涡轮机，其中废气如果不全是H₂O或H₂O和空气至少也是基本上是。虽然，在设计蒸汽涡轮机上已做了大量的工作，但是在所有情况中用于蒸汽涡轮机的蒸汽都是通过热传递生成的，而用于热传递的所述热是通过核裂变或碳氢化合物燃烧产生的。先前关于蒸汽涡轮机发电技术和废气涡轮机技术所做的工作可参考：US6,100,600、US6,305,901、US6,332,754、US6,341,941、US6,345,952、US4,003,035、US6,298,651、US6,354,798、US6,357,235、US6,358,004和US6,363,710，最接近的是US4,094,148和US6,286,315B1。

本WCT发明涉及空气和水驱动涡轮机技术以产生电。利用本WCT发明使得空气或水驱动涡轮机发电技术对于燃烧系统变得可行，其中：有可靠的运动的空气和/或水源来发电从而电解水。先前关于风力发电机技术所做的工作在这里参考US3,995,972、US4,024,409、US5,709,419、US6,132,172、US6,153,944、US6,224,338、US6,232,673、US6,239,506、US6,247,897、US6,270,308、US6,273,680、US293,835,15、US294,844、US6,302,652、US6,323,572和US6,635,981。

本WCT发明涉及光伏装置以产生电，其中所述的电用于电解水生产H₂和O₂中至少一种，其中所述H₂和/或所述O₂被用作所述WCT发明中的燃料。有许多光伏装置在本领域中是已知的。利用光伏电池生产电来电解H₂O分离为H₂和O₂有许多装置。先前与生产H₂相关的光电电池方面所做的工作可参考：US5,797,997、US5,900,330、US5,986,206、US6,075,203、US6,128,903、US6,166,397、US6,172,296、US6,211,643、US6,214,636、US6,279,321、US6,372,978、US6,459,231、US6,471,834、US6,489,553、US256,503,648、US6,508,929、US6,515,219和US6,515,283。

H₂O处理化学-本WCT发明涉及在水应用中控制腐蚀、水锈和沉积的方法。1980年6月24日授予Ii等人的美国专利US4,209,398中提出了一种抑制与水接触的表面上水锈和沉积形成以及使表面腐蚀最小化的水处理工艺。Ii等人的工艺包括在水中混合有效量的水可溶性聚合物，该聚合物包含源自具有如下结构的单体的结构单元：具有不饱和烯键和具有一个或多个羧基基团，至少一部分所述的羧基基团被改性，以及一个或多个选自包括无机磷酸及其水溶性盐的阻蚀剂化合物。磷酸及其水溶性盐，有机磷酸及其水溶性盐，有机磷酸酯及其水溶性盐和能在水中解离成多价金属离子的多价金属盐。

1984年4月10日颁给0’Leary等人的美国专利US 4,442,009提出了一种用于控制锅炉水中所含的水溶性钙、镁和铁杂质形成的水垢的方法。该方法包括向水中加入螯合剂及其水溶性盐、水溶性磷酸盐和水溶性聚甲基丙烯酸或其水溶性盐。

1986年12月23日颁给Cuisia等人的美国专利US 4,631,131提出了一种用于抑制水蒸气锅炉系统中水垢形成的方法。所述方法包括化学处理，主要是向锅炉系统水中加入能抑制水垢形成的一定剂量的组合物，该组合物包括马来酸和烷基磺酸的共聚物或其水溶性盐，羟基亚乙基二膦酸或其水溶性盐以及水溶性磷酸钠硬度沉淀剂。

1987年2月3日颁给Persinski等人的美国专利US 4,640,793提出了一种掺合剂以及它在抑制水系统中的水垢和腐蚀方面的应用，包括：(a)水溶性聚合物，其重均分子量小于25000，包含比例为1：20至20：1的不饱和羧酸和不饱和磺酸或它们的盐，和(b)至少一种选自水溶性聚羧酸盐、膦酸盐、磷酸盐、聚磷酸盐、金属盐和磺酸盐中的化合物。Persinski的专利提出防水垢和腐蚀的化学结合。

总之，CO_X，NO_X，SO_X和O₃是碳氢化合物燃烧的直接和间接产物。这些产物的不利影响是：所有的生命、地球上我们的环境和健康。环保的替代物将是与自然和谐一致的能量燃烧系统。本WCT发明就是这种代替物。

发明内容

本发明的主要目的是设计环保、实用、高效且经济上可行的燃烧方法、工艺、系统和装置，其中发动机动力、效能和效率都有所提高。

本发明的另一目的是为内燃机设计环保、实用、高效且经济上可行的燃烧装置。

本发明的另一目的是设计环保、实用、高效且经济上可行的燃烧装置，用于电能生产。

本发明的另一目的是设计实用、高效且经济上可行的、不产生碳氧化物的燃烧装置。

本发明的另一目的是设计实用、高效且经济上可行的、使氮的氧化物的产量最小化燃烧装置。

本发明的另一目的是设计实用、高效和经济上可行的燃料系统，用于环保、实用、高效的燃烧方法、工艺、系统和装置。

本发明的另一目的是设计实用、高效且经济上可行的燃料和冷却装置，用于环保、实用、高效的电力生产。

本发明的另一目的是设计实用、高效且经济上可行的包括H₂和O₂的燃烧装置，其中对燃烧温度进行调控，以便可用更为经济的制造原料制造燃烧发动机。

本发明的另一目的是设计实用、高效且经济上可行的装置，以提高燃烧的效率。

本发明的另一目的是设计实用、高效且经济上可行的电解装置，利用燃烧可利用的能量将H₂O转化为O₂和H₂。

本发明的另一目的是设计实用、高效且经济上可行的催化装置，将水蒸汽转化成H₂，其中所述的水蒸汽是由以O₂和H₂为燃料的燃烧发动机产生的。

本发明的其他的目的和优点将部分地在后续的说明书中列出，一部分可以从说明中明显地看出，或者可以从本发明的经验中学到。

取代矿物燃料燃烧的改进了的环保的产能工艺将是一种不产生地球必须自然去除或转换的产物的工艺。地球上覆盖最多的是水。H₂O由O₂和H₂燃烧得到。本发明包括至少一种富含O₂、纯O₂和超纯O₂，由下列中的至少一种方法得到：空气液化(低温蒸馏)；空气膜分离；空气回旋吸附(SA)和水电解。

本发明比传统的以碳氢化合物和空气为燃料操作的燃烧发动机对能量处理的效率更高。尤其是在内燃机(ICE)的情况下。内燃机通常有大约60—85％可获得的燃烧能释放在以下的方面：发动机的热损失、发动机废气和未使用的机械能。相反，本发明通过将损失的能量(焓和熵)转换成势能和内能而回收了大量的能量损失。相反，本发明利用蒸汽的动力提高发动机效率而用水和释放的所述水蒸汽冷却发动机，从而产生额外的动力。本发明提供了能提高燃烧效率的热力学能力，同时发动机的性能得以改善，其中改善的发动机性能与生成的发动机动力和每立方英寸的发动机排气量所产生的可获得的动力均相关。

本WCT发明利用H₂与作为氧化剂的富含O₂、纯O₂和非常纯O₂中的至少一种进行燃烧所得到的燃烧能。在替代方案中，本WCT发明利用H₂与超过进行燃烧所需要的量的空气进行燃烧，以便用所述的过量的空气降低燃烧温度，从而减少NO_X的生成。H₂与O₂燃烧提供的燃烧机壳(combustion envelope)所具有的性质与任何碳氢化合物的有稍许不同。经过对比，自动点火(无火花燃烧)温度H₂是585℃，而甲烷和丙烷分别是540℃和487℃。燃烧机壳，按体积计，H2在空气中将近4-75％(空气中近20％是O₂)，而甲烷和丙烷的分别是近5.3-15％和2.1-9.5％。H₂和甲烷的爆炸区分别是13-59％和6.3-14％。因此，本WCT发明发现H₂提供的燃烧机壳允许对燃烧和燃烧废气进行冷却，其中所述的燃烧机壳对于碳氢化合物是不可用的。

H₂和O₂的燃烧产物是H₂O。这个燃烧反应与碳氢化合物的燃烧反应有些类似；但碳从反应中去除了，而N₂部分或全部地从本WCT发明中去除了。而且，H₂做燃料不含一点硫。总之，H₂与几乎纯的O₂燃烧生成几乎纯的H₂O，这与矿物燃料燃烧形成鲜明地对比，矿物燃料燃烧除了产生H₂O以外还产生碳的氧化物(CO_X)和氮的氧化物(NO_X)，如果碳氢化合物含S，还会生成硫的氧化物(SO_X)。

本WCT充分利用了热力学第一和第二定律。而相反的，碳氢化合物燃烧技术则把热力学第一和第二定律作为制约因素。特别是：

燃烧能＝可用功+燃烧损失+摩擦力能量损失+焓损失+熵损失+势能，

上述可以改写为：

燃烧能＝可用功+燃烧损失+摩擦力能量损失+加热和冷却损失+废气损失+势能，

在大多数碳氢化合物的燃烧系统中：

燃烧能＝(15-20％)+(1-5％)+(5-15％)+≈35％+≈35％+0，

仅剩下约15-20％的燃烧能用于做功。

对比之下，本WCT发明有隔热的燃烧室或发动机组和废气能循环，因此重新定义燃烧的热力学大致如下：

燃烧能(100％)＝可用功+摩擦力能损失+循环的能量损失+势能

因此，100％＝(15-20％)+(1-5％)+(5-15％)+(5％-40％)+势能。势能＝25-75％不包括循环损失，因而发动机的最终效率约为40-90％，包括了循环获得的势能。图6为用于本WCT发明的优选的能量流程图。

本发明的发动机效率得以提高是通过在内燃机的至少一个循环过程中向燃烧室至少一次加入水以冷却发动机，从而产生水蒸汽，进而供给发动机动力。本发明内燃机的优选实施方案是至少有一个循环不向燃烧室加入燃料(H₂)或氧化剂(O₂)，其中水或以低压气体(水蒸汽)或以液体(水)加入，其中燃烧室的热量传递给所述水，从而使所述燃烧室冷却并因所述的热传递产生的蒸汽能而提供动力。本发明的涡轮机的优选实施方案是水或以低压气体(水蒸汽)或以液体(水)加入到燃烧室和蒸汽涡轮机至少一个中，其中燃烧室和燃烧产物(水蒸汽)至少一个的热量传递给所述的水，从而冷却所述的燃烧室并因所述的热传递产生蒸汽能而提供动力。本WCT发明能进一步提供动力并通过在除燃烧循环之外的至少一个循环中向内燃机加入水而进行冷却，并通过向涡轮机中的至少一个位置加入水而进行冷却，在这里称之为“能量回收性冷却”。

另外，由于本WCT发明的一个实施方案提高了燃烧过程中氧化剂的浓度，优选燃烧中使用O₂，而去除N₂，燃烧的效力和效率得以提高；由于空气通常作为碳氢化合物系统中的氧化剂，仅含约20％的O₂和约80％的N₂。因此，我们发现本WCT发明能显著提高发动机每立方英寸排气量(燃烧体积)的动力。本WCT发明的一个优选的实施方案是提供富含O₂、纯O₂、超纯O₂中的至少一种进行燃烧。

另外，本WCT发明的动力能力得以增强是通过本WCT发明至少提供燃料(H₂)和氧化剂(O₂)中的一种在压力下进行燃烧的能力而实现的。本WCT发明的这种能力提供了一种显著的动力能力，这对于碳氢化合物燃烧系统是切不实。特别是，碳氢化合物燃烧系统必须提高转速来提高动力，而每次旋转中的燃烧化学受到了大气压下空气中的氧化剂-O₂的可利用率的限制。相反，本WCT发明能提供富含O₂、纯O₂、超纯O₂中的至少一种在压力下进行燃烧，其中所述的O₂优选从下面中的至少一种获得：空气的低温蒸馏、SA和膜分离。进而，本WCT发明在一种优选的实施方案中低温存储H₂，其中所述的低温能力优选由从空气低温蒸馏得到的低温N₂提供。最优选的是所述的低温H₂在它的JouleThompson曲线下面存储，从而造成所述的H2具有正的Joule Thompson系数(JtC)，以便进一步激冷和/或液化所述的H₂。在每单元体积的存储能显著提高的同时，激冷或液化的H₂提供了一种能在压力下提供H₂进行燃烧的性能。由于本WCT发明优选提供H₂和O₂至少一种在压力下进行燃烧，本WCT发明提供一种发动机，它能提高独立于转速的动力或可用功，同时也能提高直接依赖于转速的动力或功。发现的这种WCT发明的性能提供了一种发动机，其扭矩曲线至少部分依赖于转速，或在扭矩对转速图上，垂直或接近垂直的扭矩曲线的能力或至少有一部分的扭矩曲线大约是垂直的扭矩曲线的能力。所述的至少有一部分大约是垂直的扭矩曲线或能垂直的扭矩曲线在这里称为“WCT扭矩曲线”。

进而，由于本WCT发明在另一个实施方案中增加了空气量而使燃烧温度降到最低，从而使氮的氧化物的形成减到了最少。燃烧系统中要求空气过量以降低和/或控制燃烧温度，这样将燃烧对环境造成的影响减少到了最小。

进一步，本WCT发明在另一实施方案中通过在排气过程中向燃烧室加入水改善了先前已知的Otto循环，从而在下一个循环之前进行排气的过程中对发动机进行冷却。在排气过程中添加水能增加可用功，PXV。

再进一步，由于本WCT发明在另一个优选的实施方案中因H₂的自动点火温度将近585℃，可以“柴油机形式”操作；本WCT发明通过在燃烧过程中加入H₂(燃料)或O₂(氧化剂)具有进一步管理循环的能力。发现的这种能力在循环的动力或膨胀步骤过程中提供了“缓慢燃烧”的能力。本WCT发明的这种缓慢燃烧的能力在这里称为“Newsom燃烧”。

更进一步，由于本WCT发明通过在排气冲程过程中加入水来冷却发动机而具有管理发动机动力的能力，并且具有在产生动力的过程中为燃烧提供H₂和O₂至少一种的能力(在内燃机ICE的情况下，这是动力冲程，而在涡轮机的情况下，这是燃料燃烧过程中的任何时候)；因此，本WCT发明有能力能有效管理和/或熟练操作发动机的功(P-V)曲线，以便本WCT发明能熟练操作为相对于传统内燃机的每一次发动机循环输出的净功。在图7和图8描述了这种能力，其中图7描述的是两循环的优选实施方案，图8描述的是四循环的优选实施方案；本WCT发明是Otto循环结合了在排气过程进行水冷却和在动力过程中如同“缓慢燃烧”的柴油机的变体，在本发明中被定义为一种新的燃烧循环，叫做“哈瑟循环”。

附图说明

下面对优选实施方案的描述结合下列附图可以更好地理解本发明，其中：

图1对图2-9图上的图例进行说明。

图2是代表各种热力学过程的压力与体积的函数图。

图3是Carnot循环的功、压力-体积图。

图4是Otto循环的功、压力-体积图。

图5是非典型的汽油发动机的功、压力-体积图。

图6是本发明应用于内燃机(ICE)时，本发明优选的实施方案的结构图。

图7是哈瑟循环2循环变体的功、压力-体积图。

图8是哈瑟循环4循环变体的功、压力-体积图。

图9是本WCT发明的4循环变体的功、压力-体积图。

图10表示计算机模型结果，其中T₀＝100K，H₂O的摩尔范围为0.084-0.2521，H₂的摩尔范围为0.005-0.016。

图11表示所述的计算机模型结果，其中T₀＝200K，H₂O的摩尔范围为0.042-0.126，H₂的摩尔范围为0.005-0.016。

图12表示所述的计算机模型结果，其中T₀＝300K，H₂O的摩尔范围为0.028-0.084，H₂的摩尔范围为0.005-0.016。

图13表示所述的计算机模型结果，其中T₀＝400K，H₂O的摩尔范围为0.021-0.063，H₂的摩尔范围为0.005-0.016。

图14表示所述的计算机模型结果，其中T₀＝300K，H₂O的摩尔范围为0.028-0.084，H₂的摩尔范围为0.010-0.050。

图15表示所述的计算机模型结果，其中T₀＝300K，H₂O的摩尔范围为0.028-0.084，H₂的摩尔范围为0.060-0.100。

图16表示所述的计算机模型结果，其中T₀＝300K，H₂O的摩尔范围为0.000-0.020，H₂的摩尔范围为0.060-0.10。

图17表示所述的计算机模型结果，其中T₀＝300K，H₂O的摩尔范围为0.100-0.0200，H₂的摩尔范围为0.060-0.010。

图18表示本发明以内燃机结构操作的流程图。图18中，可以理解的是成分H₂可来自H₂源或来自H2存储。优选的是，所述的存储优选是低温存储。优选所述的低温存储用下列中的至少一种维持：所述H₂的液化、用低温N₂激冷所述的H₂、所述H₂存储进行隔热以及这些的任意组合。图18中，可以理解的是所述的成分O₂至少是富含O₂、纯O₂和超纯O₂中的一种，其中所述的O₂由至少下列途径中的一种获得：空气低温蒸馏、空气膜分离、空气变压吸咐、空气真空回旋吸附以及这些的任意组合。图18中，优选的是所述的低温N₂由所述的空气低温蒸馏获得。图18中，一种实施方式是所述的成分O₂是空气。图18中描述了从每一个所述的燃烧室出来的两个排气阀；可以理解的是优选这样实施本发明：每个燃烧室的排气管将水蒸汽输送到蒸汽涡轮机，其中所述的蒸汽涡轮机使发电机和交流发电机中至少一个运转，其中由所述发电机和/或所述交流发电机产生的电输送到电解单元，其中所述电解单元中的水包括在所述燃烧室中H₂和O₂燃烧后的冷凝物，其中所述的电解单元将所述的水转化成H₂和O₂，在所述燃烧室中使用。图18中描述了两个从所述燃烧室出来的排气阀；可以理解的是优选这样实施本发明：燃烧室的排气管将水蒸汽输送到冷凝器，其中来自所述冷凝器的水至少部分用于所述的燃烧室。图18描述了两个从所述燃烧室出来的排气阀；可以理解的是最优选这样实施本发明：燃烧室至少将部分水蒸汽输送到蒸汽涡轮机，其中所述的蒸汽涡轮机使发电机和交流发电机中至少一个运转，其中由所述发电机和/或所述交流发电机产生的电输送到电解单元，其中所述电解单元中的水包括在所述燃烧室中H₂和O₂燃烧后的冷凝物，其中所述的电解单元将所述的冷凝物转化成H₂和O₂，在所述燃烧室中使用，其中至少将部分水蒸汽输送到冷凝器，其中来自所述冷凝器中的水用于所述的燃烧室中。

图19是本发明以蒸汽涡轮机发电机的结构操作的流程图。

具体实施方式

随着全球变暖正逐渐变成全球的政治问题，本WCT发明越来越明显地成为了时代的选择。随着石油和天然气以及用于碳氢化合物燃烧的碳氢化合物源的可利用性正逐渐成为全球的政治问题，本WCT发明越来越明显地成为了时代的选择。随着天然气(甲烷、乙烷、丙烷和/或丁烷)市场正在影响着电的生产和/或市场价格，本WCT发明越来越明显地成为了时代的选择。随着空气污染正逐渐变成了许多人的健康问题并且由于全球变暖变成了气候问题，本WCT发明越来越明显成为了时代的选择。本WCT发明提供了环保的、高效的燃烧方法、工艺、系统和装置，要求用合理数量的装置加以实施。在交通方面，本WCT发明提供了一种燃烧工艺，能给司机带来一种与碳氢化合物燃烧发动机类似的“手感”；这种“手感”使本发明更容易被接受。

本WCT发明利用H₂和O₂燃烧产生能量。优选本WCT发明的方法、工艺、系统和装置生成至少下列中的一种：旋转机械能、动力、扭矩和其任意组合。本WCT发明通过向燃烧室加入水，利用水对发动机进行冷却，同时通过将至少部分的所述的蒸汽能转化为势能(燃料)而用于本发明，利用燃烧和/或冷却过程中产生的水蒸汽(热的气态的水)作为能量循环和/或能量存储的方法。燃烧室在这里定义为一定容积的空间，其中燃烧在这里发生或者燃烧产物在这里生成能量、动力、扭矩及以上的任意组合中的至少一种。所述的循环的势能至少是O₂和H₂中的一种。

优选的实施方案是燃烧至少是下列中的一种：内燃、明火(加热)燃烧和涡轮燃烧，这些应用在燃烧科学领域中都是已知的。

哈瑟循环(图7和图8所示)-最优选的是，本WCT发明以H₂燃料与富含O₂、纯O₂和超纯O₂中的至少一种为氧化剂进行燃烧。优选的实施方案是，富含O₂、纯O₂和超纯O₂中的至少一种增加空气。一种实施方案是，所述的WCT发动机用H₂与空气进行燃烧，其中所述的空气超过燃烧所需要的量，其中过量的空气减少了燃烧中NO_X的形成。最优选的是，所述的过量的空气燃烧中H₂/空气的比率大约是40％-80％。优选的是，所述过量的空气中H₂/空气的比率大于约20％。

优选的是，本WCT发明进行隔热以减少发动机组的焓损失。最优选的是，燃烧室是隔热的。最优选的是，每个燃烧室都是隔热的，其中至少有一个燃烧室。优选的是，本WCT发明这样操作：为了冷却和/或管理WCT发明的温度，向燃烧室加入H₂O。最优选的是，本WCT发明这样操作：为了冷却和/或管理所述WCT发明的温度，在膨胀循环和排气循环中的至少一个过程中(或者如果是涡轮机，在燃烧的膨胀或排气部分的一点)向燃烧室加入H₂O。最优选的是，向燃烧中加入所述的H₂O会使燃烧温度降低到没有向燃烧排气中加入H₂O所得到的燃烧温度之下。最优选的是，向燃烧中加入所述的H₂O会以至少下列中的一种膨胀：P-V关系、功、动力、能量、扭矩以及可从本WCT发明得到的任意组合。

从本WCT发明可知，下列中的至少一种：降低操作压力、膨胀P-V关系、增加可用功、增加可用动力、增加可用能以及以上的任意组合，均可通过以Newsom燃烧操作WCT而完成。最优选的是，这样操作本WCT发明：在动力生成的过程中加入H₂和O₂中的至少一种(如果是内燃机，这将被定义为动力冲程)。而且，由于H₂的自动点火温度大约为585℃，最优选的是操作本WCT发明不加火花或点火装置；这种操作在这里称做“类柴油机的方式”。

优选的是，在排气过程中向燃烧室加入H₂O来操作本WCT发明并以类柴油机的方式操作。最优选的是，在排气过程中向燃烧室加入H₂O来操作本WCT发明并以柴油机的方式操作。最优选的是，如现有技术中已知的，以内燃机的结构来操作本WCT发明，其中本WCT发明以2循环操作，如图7所示。优选以内燃机的结构来操作本WCT发明，如现有技术中已知的，其中循环次数为4，如图8所示。

最优选本WCT发明以类柴油机的方式或以缓慢燃烧条件下的柴油机方式通过加入H₂和O₂中的至少一种进行操作，从而产生Newsom燃烧。最优选这样操作本发明：将H₂和O₂中的至少一种加入到压力大于约1.0个大气压的燃烧室中。

能量回收冷却-一个实施方案是对本WCT发明的燃烧室进行冷却，其中H₂O以液态和气态至少一种的形式在燃烧之前或燃烧之后的一个时间加入到燃烧室中。如果是涡轮机，由于涡轮机在360°的机箱内旋转，且燃烧室中的火焰处于所述的360°燃烧机箱中的至少一点，所述的H₂O优选至少加入到所述的360°燃烧机箱中的另外一点并以所述H2O不能熄灭燃烧火焰的量添加水。如果是内燃机，优选在燃烧不发生的循环过程中向燃烧室加入所述的H₂O，进而用所述的H₂O冷却所述的燃烧室。(循环在这里定义为在燃烧汽缸内，活塞从上死点(TDC)移动到可获得的完全活塞排气量并返回到上死点)。优选在燃烧不发生的循环过程中向内燃机中的燃烧室加入所述的_H2O，这是由于因H₂O的汽化潜热相对于气态H₂O(水蒸气)的比热容的关系，燃烧发生后在一个循环的任何部分的过程中加入所述的H₂O可能会对发动机动力产生负面影响；H₂O的汽化潜热约为41kJ/mole，而水蒸汽的热容仅约为34J/(mole°K)。

根据实践经验，向内燃机燃烧汽缸加入的H₂O优选在接近循环开始(TDC)时加入。正如本发明实施例10-23所示的，从蒸汽可获得的功以及从蒸汽绝热膨胀可获得的冷却都直接与所述水蒸汽绝热膨胀的量，所述水蒸汽的开始温度以及所述水蒸汽的量相关。优选至少有一个循环向内燃机燃烧室加入H₂O。在下一个燃烧循环之前向内燃机燃烧室加入H₂O的循环数目受从前一个燃烧循环燃烧室中可获得的焓(用温度衡量)以及所述水蒸汽的绝热膨胀过程中水蒸汽冷却效果的限制。取决于开始温度、H₂O转化成水蒸汽的量和绝热膨胀的量，一种实施方案是有多个能量回收冷却循环，循环的数目可以为1-20。优选在至少一个在不进行燃烧的循环或操作时间，向燃烧室加入H₂O，H₂O吸收燃烧室的焓，从而生成蒸汽能，同时冷却了燃烧室；以及

一种实施方案是燃烧室的构造材料具有很高的导热系数，例如可以使用金属。当燃烧室所含的能量很容易地转移到H₂O上，从而产生了蒸汽能，能量回收冷却最有效。一种实施方式是燃烧室的构造材料具有很高的热容，例如可以使用金属。由于内燃机的燃烧室是固有地效率低下，有将近50-80％的燃烧能释放为热量和废气，当从前一个燃烧循环产生的燃烧热能、焓被储存在燃烧室的构造材料里时，能量回收循环能最有效地提高发动机的动力和效率。

发动机效率-本发明利用电化学途径将H₂O转化为O₂和H₂，其中这些途径使用的电能从以下途径中的至少一种获得：冷却发动机、废气能，燃烧输出的机械能，光伏能和空气或H₂O的运动能。鉴于大多数燃烧发动机的效率(尤其是内燃机)仅仅约为15-25％(将近20％)，本发明能显著提高发动机的效率。

我们发现WCT的理论效率极限近似为能量回收冷却过程中可获得的焓回收的效率极限并结合蒸汽能、机械能、光伏能、风能以及流动的H₂O能转化为电的效率极限再结合H₂O电解转化成H₂和O₂的效率极限减去摩擦力损失。这一理论极限显示本WCT发明的理论效率极限大约将近60-90％。(有一个有趣的情况，发动机不运转，光伏电池、风能和/或流动的H₂O能通过从H₂O中产生燃料而增加势能。在这种假设下，发动机实际上不需要用任何燃料就增加了它的燃料，效率是无穷大。)

O₂-本发明提供了WCT发明装置，用于将空气分离成富含O₂、纯O₂、超纯O₂(这里统称为O₂)中的至少一种和N₂与所述O₂燃烧相结合。第一种方法，优选采用低温蒸馏工艺分离空气，其被用于加压，激冷和蒸馏空气。第二种方法，利用膜分离空气，所述的膜可以是有机聚合物构造或无机构造。第三种方法，利用SA分离空气。一种实施方案是所述的O₂包括至少N₂和Ar中的一种。

低温蒸馏-在化学工业中，低温蒸馏空气得到O₂和N₂是生产这些元素的双原子气体的常用方法。然而，以前并不建议但却是优选的实施方案是采用这种工艺：与H₂蒸馏相结合，为O₂与H₂燃烧供以燃料并利用O₂与H₂的燃烧能为空气低温蒸馏供以动力。另外，几乎所有的用于将空气分离成O₂和N₂的工业工艺都用N₂或N₂和Ar₂作为工业产品。在本WCT发明中，蒸馏得到的N₂和/或Ar主要用作吸热器。这种吸热器优选用于完成下列中的至少一种：对O₂存储进行冷却，对H₂存储进行冷却，加快低温蒸馏过程，对WCT燃烧发动机进行冷却，提供制冷，提供环境冷却，为涡轮发电机运转提供能量源以及以上的任意组合。在内燃机的情况下，这种吸热器优选至少部分地用于代替发动机冷却水冷却系统(典型的是风扇散热冷却器)。所述蒸馏的N₂和/或Ar的一个优选的用途是使所述的N₂和/或Ar升温从而膨胀，以便获得能量源，驱动涡轮机产生电和/或产生机械能。另外，从N₂中蒸馏Ar除了提高燃烧效率外并非是实质性的；为从O₂中分离Ar和/或N₂而使用额外的分馏柱应视资金投入-效率回报率分析而定。

优选用旋转机械能和电至少一种为低温空气分离系统提供动力。优选至少一部分所述的旋转机械能和/或电由本WCI发明产生。优选至少一部分所述的旋转机械能或电由本WCI发明产生，其中燃烧通过向燃烧室加入H₂O而进行冷却。优选至少一部分所述的旋转机械能或电由本WCI发明产生，其中所述的空气超过进行燃烧所需要的量，以限制NO_X的生成。优选所述的低温蒸馏分离H2。

H₂和/或O₂的低温存储-优选的实施方案是O₂和H₂至少一种在低于0℃的温度下储存，这里分别称为低温O₂和低温H₂。优选的实施方案是使用低温可获得的N₂或Ar将所述O₂和/或所述H₂冷却到0℃以下的温度。优选的实施方案是使用低温可获得的N₂或Ar将所述H₂冷却到所述H₂具有正的JtC的温度。最优选的实施方案是使用低温可获得的N₂或Ar将所述H₂冷却到所述H₂具有正的JtC的温度，其中所述H₂通过采用H₂、N₂和Ar至少一种作为制冷剂的制冷回路进行冷却。所述的制冷回路优选通过以下至少一种提供动力：本WCI发明，低温可获得的N₂或Ar膨胀以及外部电源。最优选的实施方案是使用低温可获得的N₂或Ar将所述H₂冷却到所述H₂具有正的JtC的温度，其中所述H₂通过采用H₂、N₂和Ar₂至少一种作为制冷剂的制冷回路进行冷却，其中所述H₂在约200°R以下的温度下储存。

凝胶-优选通过生成H₂凝胶来提高对H₂的处理。所述的H₂凝胶是在所述H₂中包含H₂O、O₂和甲烷中的至少一种而形成的，其中所述的H₂处于低温状态以致于所述的内含物处于冷冻的结晶状态，从而导致所述的H₂和内含物形成并表现为凝胶状。优选通过生成O₂凝胶来提高对O₂的处理。所述的O₂凝胶是在所述O₂中包含H₂O和甲烷至少一种而形成的，其中所述O₂处于低温状态以致于所述的内含物处于冷冻的结晶状态，从而导致所述的O₂和内含物表现为凝胶状。

冷却-空气低温蒸馏得到的吸热产物优选用于冷却至少一种气体和液体。最优选的是，从低温蒸馏获到的N₂、O₂和Ar至少一种用于冷却至少一种气体和液体。最优选的是，所述的气体是空气，所述的液体是H₂O。

膜分离-膜分离是获得富含O₂、纯O₂和超纯O₂中至少一种的优选方法。最优选这样进行所述的膜分离：在膜两端提供电流，有助于将空气分离成富含O₂、纯O₂和超纯O₂中至少一种。

SA-空气PSA分离和VSA分离至少一种为优选的实施方案用于为本WCT发明获得富含O₂、纯O₂和超纯O₂中至少一种。相比于空气低温蒸馏，PSA和VSA(SA)具有和膜分离同样的缺点，即不能获得N₂作为吸热器，而从空气低温蒸馏可以得到。

隔热-优选对本WCT发明隔热。优选对本WCT发明隔热，其中所述的发动机通过向燃烧汽缸加入H₂O来进行冷却。优选对本WCT发明隔热，其中所述的空气超过进行燃烧所需要的量，以限制NO_X的形成。

最优选用现有技术中已知的那些技术进行隔热。所述的隔热优选布置在每个燃烧室的周围，从而使构造WCT发明所用的高温材料最少。在内燃机(ICE)的情况下，优选每个燃烧室(最可能是汽缸型设计)采用隔热领域中已知的隔热材料进行隔热。在内燃机的情况下，优选每个燃烧室(最可能是汽缸型设计)采用隔热领域中已知的隔热材料进行隔热，其中所述隔热材料的形状为圆柱形并包围着所述燃烧室，因而减缓了从所述燃烧室热传导的速度。在内燃机的情况下，优选每个燃烧室(最可能是汽缸型设计)采用隔热领域中已知的隔热材料进行隔热，其中活塞包括一隔热层以减少热量从燃烧室传导到发动机组的速度。在内燃机的情况下，优选每个燃烧室(最可能是汽缸型设计)采用隔热领域中已知的隔热材料进行隔热，其中所述内燃机的头部组件包括一隔热层以减少热量从燃烧室传导到所述头部组件或周围环境的速度。在内燃机的情况下，优选每个燃烧室(最可能是汽缸型设计)采用隔热领域中已知的隔热材料进行隔热，其中所述的内燃机冷却到能够触摸。在内燃机的情况下，优选每个燃烧室(最可能是汽缸型设计)采用隔热领域中已知的隔热材料进行隔热，其中所述内燃机冷却到能够触摸，其中所述内燃机的表面温度至少大约在150℉以下。在涡轮机的情况下，优选每个燃烧室(最可能是汽缸型设计)采用隔热领域中已知的隔热材料进行隔热。

优选使用陶瓷材料。陶瓷材料在这里定义为含有除铁以外的至少一种金属的化合物，其形成晶体结构，其中所述的晶体结构通过加热形成。

蒸汽转化-将WCT废气H₂O，水蒸汽转化为H₂优选利用腐蚀作用将水蒸汽化学地转化为H₂。所述的腐蚀作用利用水蒸汽中的O₂将至少一种金属转化成其金属氧化物，同时释放出H₂。最优选在至少一种金属中产生电动势以驱动至少一种金属腐蚀成其金属氧化物的过程，并生成H₂。最优选所述的电动势为阳极。

电解-优选废气H₂O电化学转化为O₂和H₂。可以理解，即使在最好的工程条件下，电解H₂O转化为O₂和H₂所需要的电能也要大于O₂和H₂燃烧所得到的能量。然而，电解考虑到了通过回收那些本来已经损失掉的能量而显著提高了燃烧热力学效率。

由于在发动机排气管中安装蒸汽涡轮机会对发动机产生一个背压位置，从而降低了发动机的动力和效率，因而本发明优选包括至少两个燃烧室排气通道或管道，如图18所示，这样至少有一部分燃烧室产生的蒸汽被送到所述的蒸汽涡轮机，至少有一部分燃烧室产生的所述蒸汽被送到冷凝器，从而排空燃烧室，在下一个燃烧循环之前将燃烧室中的压力降低到最小。最优选从蒸汽涡轮机出来的水蒸汽所用的冷凝器与从燃烧室排出的水蒸汽所用的冷凝器为同一个冷凝器。一种实施方案是从蒸汽涡轮机出来的水蒸汽所用的冷凝器与从燃烧室排出的水蒸汽所用的冷凝器分开。优选将本发明生成的H₂O加入到至少一个所述的冷凝器中。加入到燃烧室的H₂O优选包括来自所述冷凝器的H₂O。优选至少一部分所述冷凝器中的H₂O被输送到电解单元。优选所述电解单元中的H₂O通过电解转化成H₂和O₂。优选至少一部分所述的H₂用作所述燃烧室中的燃料。优选至少一部分所述的O₂用作所述燃烧室中的氧化剂。最优选的是所述电解单元的电能从交流发电机和发电机中至少一个获得，其中使所述交流发电机和发电机中至少一种运转的动力从选自下列中的至少一种而获得：由燃烧室排出的废气(水蒸汽)驱动的蒸汽涡轮机，由燃烧室驱动的驱动轴，运动的风能，流动的H₂O能以及以上的任意组合。

电解电能-优选从选自以下的至少一种方法获得用于电解的电能：旋转机械能使发电机运转，废气蒸汽能使涡轮机运转而涡轮机使发电机运转，光伏电池的光能，风能(运动的空气)使涡轮机运转而涡轮机使发电机运转，H₂O能(流动的H₂O)使涡轮机运转而涡轮机使发电机运转，以及上述任意组合。最优选的是，所述旋转机械能包括由发动机用H₂作燃料，富含O₂、纯O₂、超纯O₂中至少一种作氧化剂而产生的旋转机械能。最优选的是，所述旋转机械能包括由发动机用H₂作燃料，富含O₂、纯O₂、超纯O₂中至少一种作氧化剂而产生的旋转机械能，其中所述发动机通过向燃烧室加入H₂O进行冷却。最优选的是，所述旋转机械能包括由发动机用H₂作燃料，空气作氧化剂而产生的旋转机械能，其中所述空气超过进行燃烧所需要的量，以限制NO_X的形成。

势能/燃料的生成-最优选至少一部分电解H₂O得到的H₂和/或O₂在H₂作燃料、富含O₂、纯O₂、超纯O₂中至少一种作氧化剂的发动机中使用。最优选至少一部分电解H₂O得到的H₂和/或O₂在H₂作燃料、富含O₂、纯O₂、超纯O₂中的至少一种作氧化剂的发动机中使用，其中所述发动机通过向燃烧室加入H₂O进行冷却。最优选至少一部分电解H₂O得到的H₂和/或O₂在H₂作燃料、空气作氧化剂的发动机中使用，其中所述空气超过进行燃烧所需要的量，以限制NO_X的形成。

电的生成-优选生成电能，其中所述电能(电)由发电机产生，其中所述发电机的运转靠旋转机械能，其中所述的旋转机械能由H₂作燃料、富含O₂、纯O₂、超纯O₂中至少一种作氧化剂的发动机产生。优选生成电，其中所述的电由发电机产生，其中所述发电机的运转靠旋转机械能，其中所述的旋转机械能由H₂作燃料、富含O₂、纯O₂、超纯O₂中的至少一种作氧化剂发动机产生，其中所述发动机通过向燃烧室加入H₂O进行冷却。优选生成电，其中所述的电由发电机产生，其中所述发电机由H₂作燃料、空气作氧化剂的发动机驱动，其中所述空气超过进行燃烧所需要的量，以限制NO_X的形成。

一种优选的实施方案是，所述旋转机械能进入一个传动器，其中所述传动器以与发动机的扭矩和/或工作量成反比的方式进行啮合，其中所述传动器输出的机械旋转能使所述发电机运转产生所述的电能。所述传动器是现有技术中已知的。最优选的是，所述传动器与能储存旋转动能的飞轮啮合，其中所述的飞轮使所述发电机运转。

优选生成电，其中所述的电由发电机产生，其中所述发电机的运转靠蒸汽涡轮机，其中所述的蒸汽涡轮机由蒸汽驱动，其中所述蒸汽由H₂作燃料、富含O₂、纯O₂、超纯O₂中至少一种作氧化剂的发动机产生。优选生成电，其中所述的电由发电机产生，其中所述发电机的运转靠蒸汽涡轮机，其中所述的蒸汽涡轮机由蒸汽驱动，其中所述蒸汽由H₂作燃料、富含O₂、纯O₂、超纯O₂中至少一种作氧化剂的发动机产生，其中所述发动机通过向燃烧室加入H₂O进行冷却。优选生成电，其中所述的电由发电机产生，其中所述发电机的运转靠蒸汽涡轮机，其中所述的蒸汽涡轮机由蒸汽驱动，其中所述蒸汽由H₂作燃料、空气作氧化剂的发动机产生，其中所述空气超过进行燃烧所需要的量，以限制NO_X的形成。所述的蒸汽涡轮机优选是这样的构造，其中所述的蒸汽为所述发动机的废气。优选所述的蒸汽能经涡轮机转化为旋转机械能，从而使所述的发动机运转。最优选的是，至少有一个蒸汽涡轮机并且所述的蒸汽涡轮机产生机械能，使至少一个所述的发电机运转。

优选利用光伏电池通过光能生成电，其中所述的电用于将H₂O电化学转化为H₂和O₂，其中所述的H₂和O₂至少一种用于本WCT发明的燃烧室。

优选利用运动的空气或H₂O能生成电，其中所述运动的空气能使发电机运转产生电，其中所述的电用于将H₂O电化学转化为H₂和O₂，其中所述的H₂和O₂至少一种用于本WCT发明的燃烧室。

优选利用运动的H₂O能生成电，其中所述运动的H₂O能使发电机运转产生电，其中所述的电用于将H₂O电化学转化为H₂和O₂，其中所述的H₂和O₂至少一种用于本WCT发明的燃烧室。

优选利用核方法生成电，其中所述核方法在这里定义为由至少一种元素放射性衰变或者由H₂生成He所引起的热能产生，其中所述的热能用于产生蒸汽能，其中所述的蒸汽能用于运转至少一个蒸汽涡轮机，其中所述的蒸汽涡轮机至少使一个发电机运转产生所述的电。优选所述的电用于将H₂O电化学转化为H₂和O₂，其中所述的H₂和O₂至少一种用于本WCT发明的燃烧室。

优选生成电，其中所述的电由选自下列中的至少一种生成：光伏电池、运动的空气、流动的H₂O、核方法以及以上的任意组合，其中所述的电至少部分被用于电解单元将H₂O转化为H₂和O₂，其中至少一部分所述H₂和O₂中的至少一种用于本WCT发明的燃烧室。

H₂O化学-H₂O是存储O₂和/或H₂最有效最经济的方法。电解是将H₂O转化为可燃的H₂和O₂最优选的方法。电解最好在电解质的水溶液中进行；溶解的电解质最优选用盐，提高了在水中的导电性，因而减少了电解所需要的电能。一种实施方案是在含电解质的水中进行电解。优选在含盐的水中进行电解。最优选在含聚合电解质的水中进行电解。

然而，许多溶解的阳离子和阴离子的混合经过一段时间会产生沉淀，降低了电解的效率。而且，随着温度的升高，硬水中的杂质会沉淀；因此，优选向水中加入分散剂以防止水垢。

分散剂是低分子量聚合物，通常为分子量低于25000，优选低于10000的有机酸。分散剂通常是聚合电解质。分散剂的化学特性是基于羧基的化学特性，也基于烷基硫酸盐，烷基亚硫酸盐和烷基硫化物的化学特性；是氧原子产生了分散作用，其中氧以羧基部分和/或硫氧基部分的形式在分子中出现。可用于本WCT发明中含羧基部分的分散剂包括选自下列中的至少一种：丙烯酸类聚合物、丙烯酸、丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸、马来酸、富马酸、衣康酸、巴豆酸、肉桂酸、乙烯基苯甲酸以及这些酸的任意聚合物和以上的任意组合。能用于本WCT发明含烷基硫氧基或烯丙基硫氧基部分的分散剂包括任何含至少以下一种：SO、SO₂、SO₃和其任意组合的烷基或烯丙基化合物。由于有许多方法可以将有机分子设计成包含羧基部分和/或硫氧基部分，一种实施方案是任何含羧基部分和/或硫氧基部分至少一种的水溶性有机化合物可被添加到本WCT发明的H₂O中。(这是根据不是所有分散剂都具有相同分散性质的知识得到的。丙烯酸类聚合物表现出非常好的分散性质，因而对水溶性盐的沉积起到了限制作用，因而是作为分散剂最优选的实施方案。分散剂的使用限制是分散剂在水中的溶解度以及其羧基的特性和/或硫氧基的特性。)

水会对金属产生腐蚀。水自然氧化金属，一些金属比其它的更容易被氧化。为了使腐蚀最小化，优选水的PH值等于或大于7.5，其中PH的碱性从氢氧根阴离子处得到。进而，为防止腐蚀或水在蒸汽涡轮机上沉积，优选在水中加入腐蚀抑制剂。一种实施方案是利用含腐蚀抑制剂的N₂，如肼，如水处理领域中已知的。

当向水中加入腐蚀抑制剂防止腐蚀时，优选使用螯合剂防止腐蚀和络合，同时也可防止包括硬度和重金属在内的阳离子沉积。螯合剂或螯合试剂是具有或形成杂环的化合物，其中在一个环中至少连接了两类原子。螯合是通过将螯合试剂连到金属离子上而形成杂环化合物。大多数螯合剂是聚合电解质。优选的实施方案是在水中或蒸汽中使用螯合剂以控制矿物沉积。优选向水中和/或蒸汽中添加选自下列中的至少一种：磷酸盐、磷酸盐聚合物，磷酸盐单体和其任意组合。所述的磷酸盐聚合物包括但不限于：磷酸酯，偏磷酸盐，六偏磷酸盐，焦磷酸盐和/或其任意组合。磷酸盐聚合物在分散硅酸镁、氢氧化镁和磷酸钙时特别有效。磷酸盐聚合物对于控制腐蚀尤其有效。通过选择合适的聚合物并且保持足够的聚合物浓度水平，能有效地改变颗粒表面电荷。除了改变表面电荷之外，聚合物还有破坏晶体生长的功能。

操作压力的管理-发动机循环废气能有出现无意识操作位置的可能，其中操作压力会变得大于所用装置的设计压力；任何这样的位置都是重大的安全问题。即使是在安全的位置，可以在改变废气状态的位置下进行操作的发动机废气能循环包括一个应该对所述废气压进行管理的位置，以便保护设备并对设备的操作进行管理。操作压力的管理包括压力管理设备，这里成为压力控制设备，它可以包括管理气体压力领域已知的任何类型的压力控制器和/或卸压设备。这样的设备可以包括但不限于：压力控制阀、压力控制回路包括阀、安全阀、爆破膜以及以上的任意组合。一种实施方案是为用H₂作燃料、富含O₂、纯O₂、超纯O₂中至少一种作氧化剂的发动机提供压力控制设备。一种实施方案是为用H₂作燃料、富含O₂、纯O₂、超纯O₂中至少一种作氧化剂的发动机提供压力控制设备，其中所述发动机通过向燃烧室加入H₂O进行冷却。一种实施方案是为用H₂作燃料、空气作氧化剂的发动机提供压力控制设备，其中所述空气超过进行燃烧所需要的量，以限制NO_X的形成。一种实施方案是为用H₂作燃料、富含O₂、纯O₂、超纯O₂中至少一种作氧化剂的发动机提供压力控制设备，其中所述发动机的废气包括水蒸汽，其中所述的水蒸汽使蒸汽涡轮机运转。优选的实施方案是为用H₂作燃料、富含O₂、纯O₂、超纯O₂中至少一种作氧化剂的发动机提供压力控制设备，其中所述发动机通过向燃烧室加入H₂O进行冷却，其中所述发动机的废气包括水蒸汽，其中所述的水蒸汽使蒸汽涡轮机运转。一种优选的实施方案是为用H₂作燃料、空气作氧化剂的发动机提供压力控制设备，其中所述空气超过进行燃烧所需要的量，以限制NO_X的形成，其中所述发动机的废气包括水蒸汽，其中所述的水蒸汽使蒸汽涡轮机运转。

装置-参照图6，象征性地示意了用于接收作为燃料的H₂和作为氧化剂的O₂的WCT燃烧发动机，其中所述的O₂至少是富含O₂、纯O₂、超纯O₂中的一种并在这里定义为O₂源。所述的O₂可以至少部分用空气替代，其中所述的空气过量以限制燃烧温度进而限制NO_X的生成。所述燃烧发动机可以是任意类型，其中进行燃烧产生至少以下一种：机械扭矩、热、推力、电和/或其任意组合。优选H₂与所述的燃料一起被送到燃烧室，这样流向燃烧室的所述H₂有一个流量。流向燃烧室的O₂有一个流量。流向燃烧室的空气有一个流量。有检测所述H₂流量的装置，检测所述O₂流量的装置以及检测所述空气流量的装置，使与所述流量有关的比例信号传送到所述H₂流量检测设备、所述O₂流量检测设备和所述空气流量检测设备各自的控制器上。流向燃烧室的H₂具有至少一个流量控制阀。流向燃烧室的O₂具有至少一个流量控制阀。流向燃烧室的空气具有至少一个流量控制设备，形式为阀和/或压气机。每个流量检测设备产生一个流量信号。控制器随着输入有了所述H₂流量信号，所述O₂流量信号和所述空气流量信号。所述控制器接收一个输入信号，该信号来自外部并指示了燃烧设定值。所述控制器将所述的燃烧设定值与所述的H₂流量信号和/或所述的发动机转速(rpm)进行对比，向所述的H₂流量控制阀传送与所述燃烧设定值和所述流量信号之间的差值成比例的比例信号，从而成比例调节所述的H₂流量控制阀。控制器将所述的O₂流量信号和所述的空气流量信号与H₂比例设定值进行比较，为所述的O₂流量控制阀和所述的空气流量控制设备提供比例信号，其中所述的H₂流量、所述的O₂流量和所述的空气流量是H₂/O₂摩尔比大约为2：1。在所述O₂流量控制阀信号没有接近约100％的情况下，所述的控制器发送一个信号关闭所述的空气流量控制设备。在所述的O₂流量控制阀信号接近大约100％的情况下，所述的控制器将所述的O₂流量信号和所述的空气流量信号与所述H₂比例设定值进行比较，得到一个空气流量差值，从而向所述的空气流量控制设备发送与所述差值成比例的比例信号，从而成比例调节所述的空气流量控制设备。

为了保存能量，优选所述的H₂流量控制阀由两级流量控制阀系统组成。第一级H₂流量控制阀控制流进燃烧室的循环H₂。第一级H₂控制阀优选处于生成的H₂下游和H₂存储的下游以控制流进燃烧室的H₂流量。第二级H₂流量控制阀给燃烧室供给存储的H₂。第二级H₂流量控制阀优选保持关闭状态直至第一级H₂流量控制阀接近大约100％打开(因而确保生成的H₂在使用存储的H₂之前几乎全部用完)，在这时，第二级H₂流量控制阀将根据H₂设定值流量控制信号由控制器成比列地开始打开。也优选设置循环H₂控制阀，对H₂到H₂存储的循环进行控制。所述的循环H₂控制阀与第一级H₂控制阀接近100％关闭的位置成比例。优选所述控制器相对于第一级H₂控制阀接近0位置或100％关闭，成比例调节所述循环H₂控制阀。

为了保存能量，优选所述的O₂流量控制阀由两级流量控制阀系统组成。第一级O₂流量控制阀在生成的O₂下游和O₂存储的下游，优选用于控制流进燃烧室的O₂流量。第二级O₂流量控制阀给燃烧室供给存储的O₂。第二级O₂流量控制阀保持关闭状态直至第一级O₂流量控制阀接近大约100％打开(因而确保生成的O₂在使用存储的O₂之前几乎全部用完)，在这时，第二级O₂流量控制阀将根据O₂设定值流量控制信号由控制器成比列地开始打开。也优选设置循环O₂控制阀，对O₂到O₂存储的循环进行控制。所述的循环O₂控制阀与第一级O₂控制阀接近100％关闭的位置成比例。优选所述控制器相对于第一级O₂控制阀接近0位置或100％关闭，成比例调节所述循环O₂控制阀。

优选所述燃烧包括流向所述燃烧室的可获得的H₂O流量，在这里称为燃烧H₂O。优选冷却剂源流向和/或流经燃烧室区。优选温度检测设备具有检测燃烧温度或近似燃烧温度的装置。优选有检测所述燃烧H₂O流量的装置。优选有检测所述冷却剂流量的装置。优选有指示发动机转速的装置。优选向所述燃烧H₂O流量检测设备、所述冷却剂流量检测设备和所述燃烧温度检测设备各自的控制器输送信号。所述的控制器随着输入有了前述的H₂流量信号，所述发动机转速，所述燃烧H₂O流量信号，所述冷却剂流量信号和所述温度信号。优选所述的控制器具有一个热温度设定值、一个冷却剂温度设定值、一个温和温度设定值、一个发动机转速设定值和一个H₂/H₂O比率设定值。优选所述控制器将所述H₂流量信号和所述燃烧H₂O流量信号与所述H₂/H₂O比率设定值进行对比，并将所述发动机转速信号与所述发动机转速设定值对比，温度信号与所述温和温度设定值、与所述冷却剂温度设定值、与所述热温度设定值进行对比，并向所述燃烧H₂O流量控制阀和所述冷却剂流量控制阀提供比例信号。

当所述温度信号小于所述温和温度设定值，小于所述冷却剂温度设定值，小于所述热温度设定值时，优选所述的控制器向所述冷却剂流量控制阀发送信号关闭所述冷却剂流量控制阀；并向所述燃烧H₂O流量控制阀发送信号关闭所述燃烧H₂O流量控制阀。

当所述H₂/H₂O比例约大于所述H₂/H₂O比率设定值且所述的温度信号约等于或大于所述温和温度设定值而小于所述冷却剂温度设定值，小于所述热温度设定值，发动机转速信号大于所述发动机转速设定值时，优选所述的控制器向所述冷却剂流量控制阀发送信号关闭所述冷却剂流量控制阀；并向所述燃烧H₂O流量控制阀发送信号，该信号与所述检测到的温度信号和温和温度设定值之间的差值成比例，从而成比例调节所述燃烧H₂O流量控制阀。

当所述H₂/H₂O比例约大于所述H₂/H₂O比率设定值且所述的温度信号大于所述温和温度设定值而等于或大于所述冷却剂设定值，小于所述热温度设定值，发动机转速信号大于所述发动机转速设定值时，优选所述的控制器向燃烧H₂O流量控制阀发送信号，从而成比例调节所述燃烧H₂O流量控制阀；向所述冷却剂流量控制阀发送信号，该信号与所述温度信号和所述冷却剂设定值之间的差值成比例，从而成比例调节所述冷却剂流量控制阀。

当所述H₂/H₂O比率约大于所述H₂/H₂O比率设定值且所述的温度信号大于所述温和温度设定值，大于所述冷却剂设定值，等于或大于所述热温度设定值时，优选所述的控制器发送信号关闭燃烧H₂O流量控制阀；向所述冷却剂流量阀发送与所述温度信号和所述冷却剂设定值之间的差值成比例信号，从而成比例调节所述冷却剂流量控制阀；向H₂流量控制阀发送信号关闭H₂流量控制阀；向O₂流量控制阀发送信号关闭O₂流量控制阀；向空气流量控制阀发送信号关闭空气流量控制阀。

最优选的是，发动机在所述温和温度设定值和所述冷却剂温度设定值之间的温度下操作。优选的是，能量不会经发动机的冷却剂离开发动机。最优选的是，要求的发动机冷却通过向燃烧室加入燃烧H₂O来实现。

所述的发动机和装置优选从以下中的至少一种获得O₂：O₂储存，低温蒸馏单元，膜分离单元，空气SA分离单元，将H₂O转化为H₂和O₂的电解单元和/或其组合。所述低温蒸馏单元从空气和/或所述电解单元至少一种中获得O₂。优选所述低温蒸馏单元从空气中分离O₂。优选从所述低温蒸馏单元出来的低温N₂用于冷却选自下列至少一种的任何部分：所述低温空气分离单元、O₂的存储、H₂的存储、电解、所述发动机的冷却剂、所述发动机以及以上的任意组合。优选用所述膜空气分离单元和/或所述空气SA分离单元从空气中获得O₂。所述低温蒸馏单元、所述空气膜分离单元和所述空气SA分离单元优选由所述发动机供给动力。优选所述H₂和所述O₂至少一种至少部分地用于所述发动机中。优选所述H₂和所述O₂至少一种在低温温度下存储。优选所述H₂和所述O₂至少一种用现有技术中已知的液化单元进行液化。

构造发动机的材料是那些本领域公知用于各种应用中的材料。例如，各种复合物和金属合金是已知的且被用作在低温温度下使用的材料。复合物、陶瓷和金属合金是已知的且被用作在500℉以上的操作温度使用的材料。各种陶瓷材料在操作温度大于2000℉时是可导电的，也可以作为隔热材料，半导体和/或完成其它功能。各种铁的组合物与合金已知它们的性能可以用在操作温度大约在200至1500℉范围的燃烧发动机中。钛和钛合金已知操作温度在2000和3000℉以上。钽和钨已知在超过3000℉的温度下仍能很好操作。优选发动机至少一部分构造包含一种合金组合物，使用第4周期，第5周期和/或第6周期的重金属，因为本领域已公知，这些金属能单独或组合成合金使用以限制腐蚀和/或进行低温应用和/或进行温度超过1000℉的应用。虽然铝重量轻，能在有限制性的结构中应用，但铝受到温度的限制。鉴于在WCT发动机中涉及到的操作温度，热塑材料不是优选的除非应用考虑到热塑材料的玻璃转化温度和软化温度。

WCT的应用-虽然本发明有很多应用，但一个最优选的实施方案是本发明包括内燃机和涡轮机至少一种。最优选本发明为交通设备提供动力。交通设备包括但不限于：汽车、卡车、火车、飞机和船。最优选的实施方案是利用本发明生成电。最优选的实施方案是利用本发明生成蒸汽。

实施例1代表用于WCT发动机的改进的Otto循环在内燃机中的应用。实施例2-9是根据实施例1的描述以及得到的结果由开发出来的WCT发动机的计算机模型得到的结果。所述的计算机模型用Excel spreadsheet程序并结合图制作。所述的计算机模型结合H₂、O₂和H₂O的热力学特性以及实施例1所示的热力学关系制作。

实施例1-制作本发明的Excel表计算机模型。所述的模型是本发明该实施例的产物，其结果在实施例2-9中显示。

本发明的操作近似为4冲程内燃机的循环，如图9所示，其中路径a到b代表进给冲程，在这一过程中当活塞向外移动时，H₂O蒸汽-燃料-氧化剂的混合物被吸入燃烧室中。接下来，进气阀关闭，其中活塞向内移动从而压缩H₂O蒸汽、燃料和氧化剂的混合物；路径从点“0”到点“1”代表这一过程。由于发生得很快，这一过程几乎是绝热的。

在压缩冲程大概接近结束时，点燃混合物，压力沿路径点1到点2迅速升高。这一过程发生得非常快，因而几乎完全是等容(体积恒定)过程。

接下来是动力冲程，动力冲程是从点2到点3的绝热膨胀。在动力冲程结束时，排气阀打开，废气排走，这几乎是沿着路径点3到点4的等容过程。

最后，活塞再次向内移动，迫使废气沿路径b到a从燃烧室排出。然后，重复循环......

由于净功是压力和体积的乘积，做的净功近似为四个路径点：0-1、1-2、2-3和3-4围成的面积。在进给和排气冲程过程中做的功(路径a到b和b到a下的面积)相互抵消。

在这个实施例中，本发明包括：

 

汽缸数目	6
			缸径	100.0	mm
冲程	78.9	mm
			压缩比	10

压缩-

每个汽缸的排气量＝π·(50mm)²·(78.9mm)＝620cm³(0.62l)

死空间(活塞完全插入时剩余的空间)可以利用下式计算：

$c.r.=10.0=\frac{620+d.s.}{d.s.}\→69{\mathrm{mm}}^3\left(0.069l\right)$

为了简化，我们将死空间近似为0.070L。

在这个实施例中，假定进气混合物由H₂O蒸汽、氧化剂(O₂)和燃料(H₂)组成。一种实施方案是，进气混合物包括H₂O蒸汽，其中氧化剂可以在压缩冲程和动力冲程至少一个的过程中在任何一点喷入。类似的，还有一种实施方案，燃料可以在压缩冲程和动力冲程至少一个的过程中在任何一点喷入。在这个实施例中，假定并优选的实施方案是，在压缩冲程开始时的压力大约为1个大气压。最优选的实施方案是，在压缩冲程开始时的压力大约大于1个大气压。一种实施方案是在压缩冲程开始时的压力大约小于1个大气压。

在这个实施例中，实施方案包括进气混合物由1个大气压下的H₂O蒸汽、O₂和H₂组成。在这种情况下，我们可以根据理想气体定律大概近似得到压缩冲程开始时汽缸中的H₂O蒸汽、燃料和O₂的摩尔数

$n=\frac{P\·V}{R\·T}$

在压缩冲程结束时汽缸中的压力可以近似为：

$P=P_0\·{\left(\frac{V_0}{V}\right)}^{\mathrm{\γ}}$

$P=\left(1.0\mathrm{atm}\right)\·{\left(\frac{0.690l}{0.070l}\right)}^{1.4}=24.6\mathrm{atm}$

在压缩结束时燃烧室中的温度可以近似为：

$T=\frac{P\·V}{n\·R}$

$T=\frac{\left(24.6\mathrm{atm}\right)\·\left(0.070l\right)}{\left(0.0280\mathrm{moles}\right)\·(0.0821l\·\mathrm{atm}/\mathrm{mole}\·K)}$

图9为结果曲线。

燃烧-H₂和O₂燃烧的化学反应可以近似为下式：

2H₂+O₂→2H₂O+137kcal

在这个实施例中，假定汽缸中的H₂、O₂和H₂O接近0.0280摩尔(对于这个实施例，摩尔数可以多点少点)；进一步假设气体混合物包含大约18％的O₂、36％的H₂和46％的H₂O蒸汽(对于这个实施例，每种可以多点少点，除了最优选的是H₂约是O₂摩尔浓度的2倍)。一种实施方案是，这些百分比可以根据需要进行变化；但最优选的是，H₂的摩尔浓度大约接近O₂摩尔浓度的2倍。因此，在这个实施例中，燃烧室包括约0.0050摩尔的O2和0.0100摩尔的H₂；假定接近完全燃烧，所述近0.0050摩尔的O₂和所述近0.0100摩尔的H₂应产生约2.87kJ的能量。由于在燃烧过程中没有做功，热力学第一定律要求所述的2.87kJ以反应产物的内能保存，这使它们的温度按与存在的摩尔数和气体的比热容成比例的方式升高。对于H₂O，约0.0280摩尔具有的热容约为36.2J/mole-K。

升高的温度因此近似为：

$\mathrm{\ΔT}=Q/(n_{H_{2}O}\·C_{H_{2}O})$

ΔT＝2.87kJ/(0.0280·26.2)＝2831K

由于燃烧开始时的温度估计接近749.1K，燃烧后的最终温度约为749.1K+2831K，或约为3580K。有了温度升高的近似值，最终压力根据理想气体定律和存在的气体摩尔总数近似为：

压力从24.6atm增加到117.6atm，接近等容过程，见图9中的P-V图上从点1到点2的垂线。

膨胀-有了膨胀冲程开始时的近似压力(而且已知体积)，膨胀过程中压力作为体积的函数就可能近似地得到：

$P=P_0\·{\left(\frac{V_0}{V}\right)}^{\mathrm{\γ}}$

$P=\left(117.6\mathrm{atm}\right)\·{\left(\frac{0.070l}{V}\right)}^{1.4}$

这条线表示为图9中的P-V图上点2到点3的线。

排气-图9中的P-V图上点3到点0表示排气冲程。

做功-绝热过程中系统仅对外做功或仅对系统做功，可近似为：

W＝∫P·dV

P·V^γ＝P₀·V₀ ^γ

$W=\∫P_0{\left(\frac{V_0}{V}\right)}^{\mathrm{\γ}}\·\mathrm{dV}$

$W=\frac{P_0\·V}{1-\mathrm{\γ}}{\left(\frac{V_0}{V}\right)}^{\mathrm{\γ}}{|}_{V_i}^{V_f}$

 

参数	压缩	膨胀	单位
				P0	1.0	117.6	atm
V0(Vi)	0.690	0.070	升
				Vf	0.070	0.690	升
功	-2.42	12.35	1-atm

因此，每个循环过程净做功为12.35-2.42L-atm，为9.93L-atm(1.006kJ)。总马力-一般的汽车以60MPH的速度行驶时，发动机的速度大约是3000rpm，每秒近50转(变速器位置改变转速会有所改变，这一近似值可以修改)。由于一个四冲程发动机中一个汽缸每隔一转仅有一次动力冲程，因此以每秒25个动力冲程的速度加燃。一个六汽缸发动机每秒有150个动力冲程。于是，总动力接近：

(150动力冲程/秒)·(1.006kJ/冲程)/0.746kW/hp＝202hp

在2冲程发动机中，每秒产生近2倍的动力；因此燃料和氧化剂、转速、汽缸数或上述一些组合中至少一种的需要量将减少近50％。然而，有一系列影响消耗了这一能量，如达不到理想的容积效率、摩擦力、燃烧效率低下、不必要的热损失和加速的惯性质量。这些能轻松占用75-85％的动力，仅剩下约30-50hp传给后轮(在60MPH)。

扭矩和动力-汽油动力内燃机中的扭矩和动力得自于基于空气和燃料混合物燃烧过程。空气包括将近18-21％的固定百分比的氧化剂(O₂)。空气中剩余的组分不给燃烧提供氧化剂。能进行燃烧的燃料量由存在的氧化剂量决定。汽缸能容纳的燃料和氧化剂的最大量通常受限于空气中将近79-82％的庞大数量、固定量的N₂和其他惰性气体。

扭矩和动力的量由发动机进给冲程过程中汽缸容纳的空气-燃料混合物的量决定。发动机在低速下，空气和燃料流量的降低是依靠在混合物的输入途径上设置限制来实现的。典型地用称为节流板的设备来实现。在发动机速度最低时，节流限制最大。当节流限制被去掉时，逐步产生了额外的动力和扭矩，发动机速度增加。因此发动机速度和发动机扭矩和动力输出量之间有直接的联系。

本发明的一个实施方案是燃烧室容纳的氧化剂(O₂)和燃料(H₂)的量可以独立于发动机速度进行变化。而且，氧化剂的量不受惰性气体的固定百分比限制。因此，本发明的一个优选实施方案是独立于发动机速度改变扭矩和动力中的至少一种。一个优选实施方案是本发明包括在指定转速下接近垂直扭矩曲线能力，其中所述的扭矩曲线描述为发动机转速的函数。这一垂直扭矩能力，曲线，作为发动机转速的函数，在这里被称为“WCT扭矩曲线”。

WCT扭矩曲线提供了一些本发明范围内的实施方案，这些对于碳氢化合物作燃料的内燃机是不可行的，而使用空气作燃烧的氧化剂。WCT扭矩曲线的实施方案能增加和/或降低独立于转速的扭矩，能在较低的发动机速度下增加扭矩。这种能增加和/或降低独立于发动机转速的扭矩的能力提供了一种发动机，能在较低转速下提供比可比尺寸的碳氢化合物/空气发动机更大的扭矩和/或加速度。WCT扭矩曲线在匹配发动机输出与功需求方面也更加灵活，因而使传动器的需求达到最小化，这正是碳氢化合物/空气发动机要求的。综合考虑，这些实施方案提供了一种发动机和传动器，其至少是更小和更轻之一，而获得的性能至少比得上传统碳氢化合物/空气发动机的性能。

实施例2-利用一个计算机模型，该模型由实施例1的信息发展而来并被重写入Excel spreadsheet程序，图10代表结果，其中T₀＝100K，每个冲程中，H₂的摩尔范围在0.005-0.016，O₂的摩尔数按与H₂的化学计量关系计，H₂O的摩尔数从0.084-0.252之间变化。

实施例3-利用实施例1的计算机模型并重写入Excel spreadsheet程序，图11代表结果，其中T₀＝200K，每个冲程中，H₂的摩尔范围在0.005-0.016，O₂的摩尔数按与H2的化学计量关系计，H₂O的摩尔数从0.042-0.126之间变化。

实施例4-利用实施例1的计算机模型并重写入Excel spreadsheet程序，图12代表结果，其中T₀＝300K，每个冲程中，H₂的摩尔范围在0.005-0.016，O₂的摩尔数按与H₂的化学计量关系计，H₂O的摩尔数从0.028-0.084之间变化。

实施例5-利用实施例1的计算机模型并重写入Excel spreadsheet程序，图13代表结果，其中T₀＝400K，每个冲程中，H₂的摩尔范围在0.005-0.016，O₂的摩尔数按与H₂的化学计量关系计，H₂O的摩尔数从0.021-0.063之间变化。

实施例6-利用实施例1的计算机模型并重写入Excel spreadsheet程序，图14代表结果，其中T₀＝300K，每个冲程中，H₂的摩尔范围在0.010-0.050，O₂的摩尔数按与H₂的化学计量关系计，H₂O的摩尔数从0.028-0.084之间变化。

实施例7-利用实施例1的计算机模型并重写入Excel spreadsheet程序，图15代表结果，其中T₀＝300K，每个冲程中，H₂的摩尔范围在0.060-0.100，O₂的摩尔数按与H₂的化学计量关系计，H₂O的摩尔数从0.028-0.084之间变化。

实施例8-利用实施例1的计算机模型并重写入Excel spreadsheet程序，图16代表结果，其中T₀＝300K，每个冲程中，H₂的摩尔范围在0.060-0.100，O₂的摩尔数按与H₂的化学计量关系计，H₂O的摩尔数从0.000-0.020之间变化。

实施例9-利用实施例1的计算机模型并重写入Excel spreadsheet程序，图17代表结果，其中T₀＝300K，每个冲程中，H₂的摩尔范围在0.060-0.100，O₂的摩尔数按与H₂的化学计量关系计，H₂O的摩尔数从0.100-0.200之间变化。

实施例10-23是其他计算机模型，其中用绝热关系估算蒸汽的绝热膨胀：

W＝∫P·dV

P·V^γ＝P₀·V₀ ^γ

$W=\∫P_0{\left(\frac{V_0}{V}\right)}^{\mathrm{\γ}}\·\mathrm{dV}$

$W=\frac{P_0\·V}{1-\mathrm{\γ}}{\left(\frac{V_0}{V}\right)}^{\mathrm{\γ}}{|}_{V_i}^{V_f}$

最终温度用理想气体定律进行估算：

PV＝nRT，其中R＝0.0821(L·atm)/(mole·K)

在实施例10-23每一个中，所下所示的摩尔量的H₂O用来自燃烧室的热量加热到指定的初始温度，形成水蒸汽，其中所述燃烧室的热量为来自H₂和O₂燃烧的焓，其中指定的初始温度和指定的初始压力在绝热膨胀之前，而做的功、最终压力和最终温度在水蒸汽的绝热膨胀之后。本发明的一个实施方案是H₂和O₂燃烧发生后向燃烧室加入水以冷却燃烧室，其中所述的水为液体和/或低压气体形式，按约为1：0.1-1:12的H₂/H₂O摩尔比加入；最优选的是，所述的摩尔比约为1：6-1:10；所述的摩尔比最优选为1:8。

实施例10

实施例11

实施例12

实施例13

实施例14

实施例15

实施例16

实施例17

实施例18

实施例19

实施例20

实施例21

实施例22

实施例23

上面列举了一些目的并使前述说明更清楚。然而，由于可以在不脱离本发明范围的情况下做出一定的改变，因此前述说明包含的所有事项被解释为仅仅是对本发明原理的示例性说明而不具有限制意义。对于上述说明，应该认识到任何说明，附图和实施例对于本领域技术人员来说都显而易见的，所有与说明书中描述的那些相等同的情况也包括在本发明中。

而且，由于大量的改进和改变对于那些本领域技术人员来说很容易的，因此本发明不局限于所显示和描述的具体结构和操作，相应地，所有适当的改进和等价体均落入本发明的范围中。还要理解的是随后的权利要求涵盖了本发明所有概念和具体特征，所有对本发明范围的陈述如果仅仅是语言问题均落入其中。

Claims (100)

1.一种发动机，包括一个燃烧室，其中

H₂与O₂在燃烧室中燃烧，其中发动机与选自下列中的至少一个结合实施燃烧：

在燃烧气体从燃烧室排出的过程中，向燃烧室中加入H₂O；

在燃烧过程中，向燃烧室至少加入部分所述的H₂；

在燃烧过程中，向燃烧室至少加入部分所述的O₂；

在至少一个不进行燃烧的循环或操作时间向燃烧室加入H₂O，H₂O吸收燃烧室的焓，从而生成蒸汽能，同时冷却了燃烧室；以及以上的任意组合。

2.根据权利要求1的发动机，其中所述的O₂进一步包括N₂或Ar。

3.根据权利要求1的发动机，其中所述的O₂进一步包括空气。

4.根据权利要求1的发动机，其中所述的发动机包括2个循环。

5.根据权利要求1的发动机，其中所述的发动机包括4个或多个循环。

6.根据权利要求1的发动机，其中所述的H₂至少部分存储为凝胶。

7.根据权利要求1的发动机，其中所述的O₂至少部分存储为凝胶。

8.根据权利要求1的发动机，进一步包括WCT扭矩曲线。

9.根据权利要求1的发动机，进一步包括Newsom燃烧。

10.根据权利要求1的发动机，其中将所述H₂和所述O₂中至少一种加入到压力大于约1个大气压的所述燃烧室中。

11.根据权利要求1的发动机，其中所述发动机的应用包括交通或动力生成。

12.根据权利要求1的发动机，其中所述O₂是富含O₂、纯O₂和超纯O₂中的至少一种。

13.根据权利要求1的发动机，其中电由至少选自下列中的一种生成：光伏电池、发电机、由运动的空气或流动的H₂O驱动的交流发电机或直流发电机、核方法及以上的任意组合，其中所述的电至少部分用于电解单元将H₂O转化为H₂和O₂，其中所述H₂和O₂中的至少一种至少有一部分用于所述的燃烧室中。

14.根据权利要求1的发动机，其中所述的发动机产生下列中的至少一种：旋转机械能、扭矩和动力。

15.根据权利要求14的发动机，其中所述的旋转机械能使交流发电机、发电机或直流发电机运转产生电。

16.根据权利要求14的发动机，其中所述机械旋转能进入传动器，其中所述传动器以与所述发动机上的扭矩和工作量至少一个成反比的方式进行啮合，其中

所述传动器输出的机械旋转能使交流发电机或发电机运转产生电。

17.根据权利要求16的发动机，其中所述传动器与能存储旋转动能的飞轮啮合，其中所述的飞轮使所述交流发电机或发电机运转。

18.根据权利要求1的发动机，其中所述的发动机生产水蒸汽。

19.根据权利要求18的发动机，其中至少一部分所述的水蒸汽使蒸汽涡轮机运转，其中蒸汽涡轮机使交流发电机、发电机或直流发电机运转产生电。

20.根据权利要求15、16或19的发动机，其中至少一部分所述的电用于电解单元，其中

所述的电解单元将H₂O转化成H₂和O₂，其中

H₂和O₂中至少一种至少有一部分用于所述的燃烧室中。

21.根据权利要求18的发动机，其中至少一部分所述水蒸汽在一个单元通过对至少一种金属进行腐蚀而转化成H₂。

22.根据权利要求21的发动机，其中所述水蒸汽转化成所述H₂的转化率通过所述金属中的电流来提高。

23.根据权利要求21或22的发动机，其中所述H₂至少部分用于所述的燃烧室中。

24.根据权利要求1的发动机，进一步包括低温空气分离单元，其中所述的发动机或来自所述发动机的水蒸汽供给至少一部分的低温空气分离单元动力。

25.根据权利要求24的发动机，其中从空气分离出来的N₂用于冷却选自下列至少一个的任何部分：所述低温空气分离单元、O₂的存储、H₂的存储、电解、所述发动机的冷却液、所述发动机以及以上的任意组合。

26.根据权利要求24的发动机，其中从空气分离出来的N₂至少部分用于冷却空气或H₂O。

27.根据权利要求24的发动机，其中从空气分离出来的N₂至少部分用于使涡轮机运转，其中

所述的涡轮机进行下列中的至少一个步骤：

供给低温致冷单元动力，使H₂和O₂中至少一个激冷或液化，和使发电机运转产生电。

28.根据权利要求24的发动机，其中H2在所述的低温蒸馏单元中被分离出来。

29.根据权利要求1的发动机，结合膜空气分离单元，其中所述的发动机或来自所述发动机的水蒸汽供给至少一部分所述膜空气分离单元动力。

30.根据权利要求1的发动机，结合SA空气分离单元，其中所述的发动机或来自所述发动机的水蒸汽供给至少一部分所述SA空气分离单元动力。

31.根据权利要求24、29或30的发动机，其中从空气分离出来的O₂至少是富含O₂、纯O₂和超纯O₂中的一种。

32.根据权利要求24、29或30的发动机，其中从空气分离出来的O₂至少一部分用于所述的燃烧室中。

33.根据权利要求1、18或24的发动机，其中所述燃烧室和所述发动机中的至少一个至少有一部分是隔热的。

34.根据权利要求1的发动机，其中O₂和H₂中至少一种通过制冷单元以冷却的气态和液态至少一种形式存储。

35.根据权利要求34的发动机，其中用于冷却和/或液化中至少一种的压气机由选自下列中的至少一种供给动力：所述发动机、来自所述发动机的水蒸汽、低温N₂膨胀和外部电源。

36.根据权利要求1的发动机，其中燃烧热能和发动机废气能中至少一种用于给至少一种气体和液体加热的单元。

37.根据权利要求36的发动机，其中至少一种气体是空气，至少一种液体是H₂O。

38.根据权利要求1的发动机，其中所述的发动机至少是内燃机和涡轮机中的一种。

39.根据权利要求38的发动机，其中所述的发动机包括能量回收冷却。

40.根据权利要求1、4、5或39的发动机，其中至少一种：

所述燃烧室的构造材料具有的热容能将前一次燃烧产生的热作为焓存储起来，以便从所述燃烧室转移到所述H₂O中；和

所述燃烧室的构造材料具有导热系数，能将前一次燃烧产生的热在所述燃烧室的材料里转移到所述的H₂O中。

41.根据权利要求18的发动机，其中所述水蒸汽和从所述发动机排出的H₂O至少一种至少有一部分被送到冷凝器。

42.根据权利要求41的发动机，其中至少一部分来自冷凝器的H₂O用于所述的燃烧室中。

43.根据权利要求41的发动机，其中至少一部分来自冷凝器的H₂O用于电解单元，其中所述的电解单元将至少一部分所述的H₂O转化成H₂和O₂，其中至少一部分所述的H₂或O₂用于所述的燃烧室中。

44.根据权利要求19的发动机，所述水蒸汽和从所述涡轮机排出的H₂O至少一种至少有一部分被送到冷凝器。

45.根据权利要求44的发动机，其中至少一部分来自所述冷凝器的H₂O用于所述的燃烧室中。

46.根据权利要求44的发动机，其中至少一部分来自所述冷凝器的H₂O用于电解单元，其中电解单元将至少一部分H₂O转化成H₂和O₂，其中至少一部分H₂或O₂用于所述的燃烧室中。

47.根据权利要求43或46的发动机，其中用于所述电解单元的电至少部分从运转的发电机、交流发电机和直流发电机中至少一个获得，其中

由选自下列中至少一种的能量使所述发电机、交流发电机和直流发电机中至少一种运转：由从所述燃烧室排出的废气(水蒸汽)驱动的蒸汽涡轮机，由所述燃烧室中产生的能量驱动的驱动轴，运动的风能，流动的H₂O能以及以上的任意组合。

48.根据权利要求1、4、5、18或24的发动机，进一步包括至少一个压力控制设备。

49.根据权利要求1、4、5、13、20、43或46的发动机，其中选自下列中的至少一种被加入到H₂O中：腐蚀抑制剂、螯合剂、分散剂、电解质以及以上的任意组合。

50.一种实施燃烧的方法，包括燃烧室，其中

H₂与O₂在燃烧室中燃烧，其中燃烧与选自下列中的至少一个结合实施：

在燃烧气体从燃烧室排出的过程中，向燃烧室中加入H₂O；

在燃烧过程中，向燃烧室至少加入部分H₂；

在燃烧过程中，向燃烧室至少加入部分O₂；

在至少一个不进行燃烧的循环或操作时间向燃烧室加入H₂O，H₂O吸收燃烧室的焓，从而生成蒸汽能，同时冷却了燃烧室；以及以上的任意组合。

51.根据权利要求50的方法，其中所述的O₂进一步包括N₂或Ar。

52.根据权利要求50的方法，其中所述的O₂进一步包括空气。

53.根据权利要求50的方法，其中所述的方法包括2个循环。

54.根据权利要求50的方法，其中所述的方法包括4个或多个循环。

55.根据权利要求50的方法，其中所述的H₂至少部分存储为凝胶。

56.根据权利要求50的方法，其中所述的O₂至少部分存储为凝胶。

57.根据权利要求50的方法，进一步包括WCT扭矩曲线。

58.根据权利要求50的方法，进一步包括Newsom燃烧。

59.根据权利要求50的方法，其中所述H₂和所述O₂中至少一种在大约大于1个大气压的压力下。

60.根据权利要求50的方法，其中所述的方法进一步包括交通或动力生成。

61.根据权利要求50的方法，其中所述O₂是富含O₂、纯O₂和超纯O₂中的至少一种。

62.根据权利要求50的方法，通过选自下列中的至少一种进一步生成电：光伏、运动的空气、流动的H₂O、核方法及以上的任意组合，其中

所述的电至少部分进行电解将H₂O转化为H₂和O₂，其中

所述H₂和O₂中至少一个至少有一部分用于所述的燃烧室中。

63.根据权利要求50的方法，其中所述方法产生下列中的至少一种：旋转机械能、扭矩和动力。

64.根据权利要求63的方法，其中所述的旋转机械能用于使发电机、交流发电机或直流发电机运转，其中

所述的交流发电机、发电机或直流发电机产生电。

65.根据权利要求63的方法，进一步包括传动器，其中

所述方法产生的所述机械旋转能进入所述传动器，其中

所述传动器以与扭矩和工作量至少一个成反比的方式进行啮合，其中

所述传动器输出的机械旋转能使交流发电机或发电机运转产生电。

66.根据权利要求65的方法，进一步包括能存储旋转动能的飞轮，其中所述的飞轮使所述交流发电机或发电机运转。

67.根据权利要求50的方法，其中所述的方法生产水蒸汽。

68.根据权利要求67的方法，进一步包括蒸汽涡轮机，其中

至少一部分燃烧产生的所述水蒸汽使蒸汽涡轮机运转，其中

所述蒸汽涡轮机使交流发电机、发电机或直流发电机运转产生电。

69.根据权利要求64、65或68的方法，进一步包括电解单元，其中

至少一部分所述的电用于电解单元，其中

所述的电解单元将H₂O转化成H₂和O₂，其中

H₂和O₂中至少一个至少有一部分用于所述的燃烧方法中。

70.根据权利要求67的方法，进一步包括至少一种金属，其中至少一部分所述水蒸汽通过对所述金属进行腐蚀而转化成H₂。

71.根据权利要求70的方法，进一步包括所述金属中的电流，其中所述水蒸汽的转化率通过所述的电流来提高。

72.根据权利要求70或71的方法，其中所述H₂至少部分用于所述的燃烧方法中。

73.根据权利要求50的方法，进一步包括低温空气分离，其中所述的方法或来自所述方法的水蒸汽供给至少一部分所述的低温空气分离动力。

74.根据权利要求73的方法，进一步包括冷却，其中从空气分离出来的N₂用于冷却选自下列至少一个的至少一部分：低温空气分离元、O₂、H₂、电解、用于所述燃烧方法的冷却剂、所述燃烧方法以及以上的任意组合。

75.根据权利要求73的方法，进一步包括空气或H₂O的冷却，其中从低温分离出来的N₂至少部分用于冷却。

76.根据权利要求73的方法，进一步包括涡轮机，其中

从空气分离出来的N₂允许进行膨胀并使涡轮机运转，其中

涡轮机进行下列中的至少一个：

给低温致冷供给动力，以使H₂和O₂中至少一个激冷或液化，和

使发电机运转产生电，以及

以上的任意组合。

77.根据权利要求73的方法，进一步包括H₂的分离。

78.根据权利要求50的方法，进一步包括膜空气分离单元，其中所述的方法或来自所述方法的水蒸汽供给至少一部分所述膜空气分离单元动力。

79.根据权利要求50的方法，进一步包括SA空气分离单元，其中所述的方法或来自所述方法的水蒸汽供给至少一部分所述SA空气分离单元动力。

80.根据权利要求73、78或79的方法，其中从空气分离出来的O₂至少是富含O₂、纯O₂和超纯O₂中的一种。

81.根据权利要求73、78或79的方法，其中从空气分离出来的O₂至少一部分用于所述的燃烧方法中。

82.根据权利要求50、67或73的方法，其中所述的方法包括隔热。

83.根据权利要求50的方法，进一步包括液化，其中O₂和H₂中至少一种以冷却的气体或液体形式存储。

84.根据权利要求83的方法，进一步包括压缩，

其中实施所述压缩进行冷却和/或液化O₂和H₂中至少一种，其中

所述压缩由选自下列中的至少一种供给动力：所述方法、来自所述方法的水蒸汽、低温N₂气膨胀和外部电源以及以上任意组合。

85.根据权利要求50的方法，其中所述方法的能量加热至少一种气体和液体。

86.根据权利要求85的方法，其中至少一种气体是空气，至少一种液体是H₂O。

87.根据权利要求50的方法，其中所述方法包括内燃机和涡轮机中的至少一种。

88.根据权利要求87的方法，其中所述方法进一步包括能量回收冷却。

89.根据权利要求50、53、54或88的方法，其中至少一种：

所述燃烧室的构造材料具有的热容能将前一次燃烧产生的热作为焓存储起来，以便从所述燃烧室转移到所述H₂O中；和

所述燃烧室的构造材料具有的导热系数，能将前一次燃烧产生的热在所述燃烧室的材料里转移到所述的H₂O中。

90.根据权利要求67的方法，进一步包括冷凝器，其中所述水蒸汽和从所述燃烧方法排出的H₂O至少一种至少有一部分被送到冷凝器。

91.根据权利要求90的方法，其中至少一部分H₂O从所述冷凝器输送到所述的燃烧室。

92.根据权利要求90的方法，进一步包括电解，其中

至少一部分来自所述冷凝器的H₂O用于电解，其中

所述的电解将至少一部分所述的H₂O转化成H₂和O₂，其中

至少一部分所述的H₂或O₂用于所述的燃烧方法中。

93.根据权利要求68的方法，进一步包括冷凝器，其中所述水蒸汽和从所述涡轮机排出的H₂O至少一种至少有一部分被送到冷凝器。

94.根据权利要求93的方法，其中至少一部分H₂O从所述的冷凝器输送到所述的燃烧室。

95.根据权利要求93的方法，进一步包括电解，其中

至少一部分来自所述冷凝器的H₂O用于电解中，其中

电解将至少一部分H₂O转化成H₂和O₂，其中

至少一部分H₂或O₂用于所述的燃烧方法中。

96.根据权利要求92或95的方法，进一步包括发电机、交流发电机和直流发电机中至少一个，其中用于所述电解的电在所述发电机、交流发电机和直流发电机至少一个中生成，其中

使所述发电机、交流发电机或直流发电机运转的能量由选自下列中至少一种获得：来自所述燃烧方法的水蒸汽、所述燃烧方法、运动的风能、流动的H₂O能以及以上的任意组合。

97.根据权利要求50、53、55、67或73的方法，进一步包括至少一个压力控制设备。

98.根据权利要求50、53、54、62、69、92或95的方法，其中选自下列中的至少一种被加入到所述H₂O中：腐蚀抑制剂、螯合剂、分散剂、电解质以及以上的任意组合。

99.一种实施H₂和O₂燃烧的装置，该装置包括：

a.燃料设备，包括：

i.H₂源，H₂源流量控制阀和H₂源流量传感设备用于检测H₂源流量并将与H₂源流量成比例的H₂源流量信号传给控制器；

ii.O₂源，O₂源流量控制阀和O₂源流量传感设备用于检测O₂源流量并将与O₂源流量成比例的O₂源流量信号传给控制器；

iii.空气源，空气源流量控制设备和空气源流量传感设备用于检测空气源流量并将与空气源流量成比例的空气源流量信号传给控制器；

b.控制设备，包括至少一个控制器，控制器有H₂/O₂设定值，并接收：

iv.O₂源、H₂源和空气源的所述比例流量信号，和

v.外部的燃烧信号设定值；同时

vi.将所述的燃烧信号设定值与所述的H₂源流量信号进行比较，向H₂源流量控制阀传送与所述H₂源流量信号和所述燃烧信号设定值之间的差值成比例的信号，从而成比例调节所述的H₂源流量控制阀；

vii.将所述的H₂源流量信号和所述的O₂源流量信号与H₂/O₂设定值进行比较，向O₂源流量控制阀传送信号，从而成比例调节O₂源流量控制阀；具体这样进行：

viii.当所述O₂源流量控制设备低于和没有约100％打开时，向所述的空气源流量控制设备发送信号关闭所述的空气源流量控制设备；

ix.当所述O₂源流量控制设备约100％打开时，将所述O₂源流量信号和所述空气源流量信号与所述的H₂/O₂设定值进行比较，得到一个空气源流量差值，向所述空气源流量控制设备发送与所述差值成比例的比例信号，从而成比例调节所述空气源流量控制设备。

100.一种实施H₂和O₂燃烧的装置，该装置包括：

a.冷却剂设备，包括：

i.转速检测设备，用于检测所述装置的转速并将与转速成比例的信号传给控制器；

ii.温度测量设备，用于测量燃烧温度和所述装置温度中至少一种并将与所述燃烧温度或所述装置温度成比例的温度信号传给控制器；

iii.冷却剂源和冷却剂源流量控制阀；以及

iv.流向所述装置燃烧室的燃烧H₂O源，燃烧H₂O源流量控制阀和燃烧H₂O源流量传感设备用于检测燃烧H₂O源流量并将与燃烧H₂O源流量成比例的燃烧H₂O源流量信号传给控制器；

b.燃烧控制设备；

c.冷却控制设备，包括至少一个控制器，控制器具有下列各项的设定值：

v.H₂/燃烧H₂O的比率，

vi.转速，

vii冷却剂温度，

viii.温和温度，

ix.热温度；

同时接收：

x.所述的转速信号，

xi.所述成比例的温度信号，和

xii.所述燃烧H₂O流量信号，

将所述转速信号与所述转速设定值、所述温度信号与所述冷却剂温度设定值、所述温和温度设定值与所述热温度设定值进行比较，从而：

xiii.当所述温度信号小于所述温和温度设定值，小于所述冷却剂温度设定值，小于所述热温度设定值时，向所述燃烧H₂O源流量控制阀发送信号关闭所述燃烧H₂O源流量控制阀；向所述冷却剂源流量控制阀发送信号关闭所述冷却剂源流量控制阀；

xiv.当所述温度信号等于或大于所述温和温度设定值而小于所述冷却剂温度设定值，小于所述热温度设定值，且所述转速信号大于所述转速设定值时，获得一个所述温度信号与所述温和温度设定值之间的差值，并发送与所述温度信号和所述温和温度设定值之间的差值成比例的信号，得到的H₂/燃烧H₂O比率大于所述H₂/燃烧H₂O比率设定值，从而发送信号给所述燃烧H₂O源流量阀，成比例调节所述燃烧H₂O源流量控制阀；并向所述冷却剂源流量控制阀发送信号，从而关闭所述冷却剂流量控制阀；

xv.当所述的温度信号大于所述温和温度设定值，等于或大于所述冷却剂温度设定值，小于所述热温度设定值，且所述的转速信号大于所述的转速设定值时，获得一个所述温度信号与所述冷却剂温度设定值之间的差值，从而向所述燃烧H₂O源流量控制阀发送信号，获得的燃烧H₂O源流量等于H₂/燃烧H₂O比率设定值；向所述冷却剂源流量控制阀发送与所述温度信号和所述冷却剂温度设定值之间的差值成比例的信号，从而成比例调节所述冷却剂源流量控制阀；

xvi.当所述的温度信号大于所述温和温度设定值，大于所述冷却剂温度设定值，等于或大于所述热温度设定值时，向所述冷却剂源流量控制阀发送与所述温度信号和所述冷却剂温度设定值之间的差值成比例的信号，从而成比例调节所述冷却剂源流量控制阀；向所述燃烧H₂O源流量控制阀发送信号关闭所述燃烧H₂O源流量控制阀；向所述燃烧控制器发送信号。

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