CN1076787C - 发动机运行方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于运行燃烧式发动机(300)的方法，包含的步骤是将含氢的燃料原料进行变换，产生大量的含游离氢的发动机燃料，并且在发动机(300)的每个燃烧室内按分层次燃料布料方式燃烧该发动机燃料。利用由包括发动机冷却系统热量(14)、排放气体热量(22)和制动能量(380)构成的组合中选择出的未利用能源，从包括燃料酒精、酚、氨、氨化合物、汽油、柴油、氰基乙酸、氰碳化合物、碳的组合(方程1-14)中选择出的原料中产生发动机燃料。

Description

发动机运行方法和装置

本发明涉及内燃机和利用这种内燃机提供动力的车辆的改进运行。

在地球上大约每11个人就有一辆机动车。遍及全世界有4亿以上的小汽车和卡车在运行。单一供料的发动机为极为大量的电动机车提供动力。在这些发动机中，试图通过将燃料喷射或混合汽化进入一个输入多路导管来形成空气和燃料的均匀的混合物，以输送到发动机的燃烧室内。单一供料的发动机存在很多的问题，包括：

1.由单一供料的发动机中发出的未充分燃烧的碳氢化合物和一氧化碳是有害的。这些气体的发出是由于不可控的燃烧以及靠近燃烧室壁的单一供料的燃烧过程的猝灭所引起的。所有的大城市都被由单一供料的发动机产生的氮的氧化物、一氧化碳和未充分燃烧的碳氢化合物所污染。

2.引起单一供料的发动机产生未充分燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的另一个原因是在现代汽车的相当高的活塞速度下发动机运转在未处在完全燃烧所需的空气对燃料比的条件下。尽管实际上运转在过量空气状态将会发出较少的未充分燃烧的碳氢化合物和一氧化碳，但普遍的实践是使发动机运转在能够最好地提供动力的空气燃油比下。

3.由单一供料的发动机发出的氮的氧化物是有害的。当按照单一供料“稀薄燃”运转增加空气对燃料比时，会将氮的氧化物的生成量提高到难于点火的过大的空气对燃料比的工作点。

4.为了清洁单一供料的发动机的排气，需要几种催化处理和供应附加空气。运转在最佳空气燃料比以便达到驱动能力和使氮的氧化物最少的现代汽车需要将空气添加到排气中去，以便使未充分燃烧的碳氢化合物和一氧化碳催化燃烧。

5.由于在单一供料燃烧时很大百分值的燃料出现在燃烧室表面附近而会产生能量浪费。由于热量传输到顶盖、阀门、气缸、活塞和活塞环而没有有效做功，使热量损失了。

6.单一供料的发动机必须限制压缩比到一定数值，以防止爆燃点火和损坏活塞。利用火花塞实现可靠点火。

为了改进内燃机的热效率而已采用的技术包括老式的柴油机装置，其依靠将燃料直接喷射燃烧室。这种技术的特征在于，压缩空气产生足够高的温度以便使燃料蒸发、化学热解并点火，散入到压缩空气中。这种技术需要具有规定特性的便于“压缩点火”的燃料。适用于压缩点火发动机的燃料具有高的“十六烷”规定值。直接喷射压缩点火式发动机通常与单一供料的发动机相比在实际的工作周期中可达到每种燃料-BTU规定值2倍之上的英里数，这是因为具有分层次布料的更完全燃烧的优点和降低了燃烧产物达到发动机各元件所产生的热损耗。

采用压缩点火发动机的主要问题是发动机重量方面付出的代价，这是由于同相等动力额定值的火花点火发动机相比，需要大约两倍以上的气缸工作容量。在运转过程中，这可理解为与火花点火发动机相比，需要大得多的曲轴、大得多的毛轮、大得多的发动机缸体、大得多的轴承、大得多起动电动机、重得多的运行蓄电池、大得多的轮胎、重得多的弹簧、大得多的减震器以及对于极缺的合金资源例如钼、铬、钒、铜、镍、锡、铅、锑的更大的需求，以及制造过程例如采矿、提炼、铸造、热处理和加工柴油机要消耗多得多的能量。其它的困难(如果不是不可克服的难题)包括：

1.柴油机在停止和起动的工作周期中，在喷出黑色烟雾方面是出名的。在城市交通中公共汽车和卡车发出的令人讨厌的燃油味道和黑色烟雾是很有害的，实际上全世界的每个城市近来都致力于找出避免由于从机动车发出这样烟雾形成大气污染的办法。

2.柴油机非常难于转换被氧化的燃料(CH₃OH，C₂H₅₀H，等)或其它清洁的燃烧气体(例如天然气和氢气)，因为这些优选的气体具有高的辛烷值和低的十六烷值。柴油机需要规定的高级十六烷引火燃料(柴油)以便以火焰点燃清洁的燃料，在输入周期运转过程中这些燃料与提供的空气一起成“烟雾状”进入燃烧室。

3.在输入周期期间燃料烟雾与空气一道进入燃烧室要减少发动机的额定值，因为烟雾化的燃料占用一部分喷射容量并降低了变换式发动机的有效的体积效率。

4.压缩点火式发动机难于在寒冷的季节起动。寒冷的空气和寒冷的发动机元件在温度达到使燃料能够蒸发，化学裂解和点火之前消耗压缩的热量。为了试图克服在寒冷的季节起动压缩点火式发动机的困难，采用了高费用的辅助系统，例如火花点火式起动器发动机、电热塞、缸体电加热器以及起动器流体分配器。经常利用压缩点火式发动机的机动车的车主在寒冷的季节选择保持发动机日夜运转，宁愿承受燃料费用而不愿经受在寒冷的季节起动柴油机遇到的麻烦。

5.压缩点火式发动机最好的运行工况只在转矩速度特性曲线很窄的范围内。这是因为有一种称为狄塞尔点火延迟的特性，并且需要使引入燃料的数量和引入燃料的时间与活塞的速度相适应，以便避免在压缩周期期间损害压力上升，以及避免在产生动力周期期间由于延迟燃烧而造成能量浪费和产生烟雾。

6.压缩点火式发动机需采用碳对氢的质量比约为7的高十六烷值燃料。在燃烧过程中这些燃料和它们的燃烧产物向燃烧室壁辐射能量损失大。使用较清洁燃烧的燃料将大为提高热效率，这些燃料具有低的碳对氢的质量比和很低的辐射能量损失，但这些燃料不能在常规的发动机中实现压缩点火。

7.较长冲程、较高压缩和较大支承表面的柴油机，与相同动力额定值的火花点火式发动机相比，摩擦损失较大。它除了耗费蕴藏的能量以外，在昂贵的合金、壳体强化、热处理和降低磨损设计等方面比火花点火式发动机需要更多投资。

用于将火花点火和分层燃烧优点结合的技术已做过论证。美国专利3173409、3830204、3094974、3316650、3682142、4003343、4046522、4086877、4086878、4716851、4722203、4967409以及在本文引用的参考文献公开了用于将燃料导入或直接引入燃烧室内的方法和装置，以便形成可火花点火的燃料的分层次布料的混合物和利用火花源使这种分层次的布料点火。其它公开的参考文献包括：由Davis，C.W.，Barber，E.M；和Mitchel在SAE Progress inTechnology Review Vol.II；Society of Automotive Engineers，NewYork，NY10017，1967，pp343-357上所著的，“燃料喷射和可靠点火——在柴油机中燃烧范围广泛的燃料，用于提高效率和经济性的基本原理”；由Finsterwalder，Gerhard在Automotive Engineering，Dec.1971，pp28-32.上所著的“通过附加高压点火系统的Deutz变换器的运行”；Institute of Mechanical Engineers ConferenceProceedings，Fuel Economy and Emission of Lean BurnEngines，1 Mech E Conference Publications(稀薄燃的发动机的燃料经济性和排放，(机械E会议出版物)；Mechanical EngineeringPublications，Ltd，London，1979；tnsfitute of MechanicalEngineers Conference Proceedings，分层布料式发动机，1#Mechanical Engineering Conference Publications1976；Mechanical Engineering Publications Ltd.，London，1977“直接喷射分层次布料的旋转燃烧式发动机设计的Curtiss-Wright的最新发展，by Jones，Chorles；Lamping，H.D；Myers，D.M.；andLloyd，R.W.，SAE International Automotive EngineeringCongress and Exposition.Paber No.770044.Feb.1977；Society ofAutomotive Engineers，New York，NY 1977；“可应用的汽车发动机旋转分层次布料设计的最新发展”by Jones，Charles，SAETechnical Paper Seiees No 820347；Society of AutomotiveEngineers，Warrendale，PA，1982；“用于一般飞机的多种燃料旋转发动机”By Jones，Charles；Ellis，David，and Meng，P.R.，NASATechnical Memorandum 83429，AIAA-U3-1340；NationalAeronautics and Space Administration，Washington，D.C.，June，1983。这些现有技术建议采用比压缩点火式发动机所需的更低压缩比以及推理论断发动机重量的节省将使活塞速度和转矩需求有宽的运行范围。这些系统存在的共同问题包括：

1 燃料必须与空气混合以及按起始燃烧所需的严格时间在火花源的火花间隙中的可用火花点火的部分输送。这是困难的，因为随着活塞速度范围从空转到全额动力变化，在燃烧室内的输入空气的速度变化很宽和涡流的影响会改变燃料的偏转程度。

2 为了产生适当的燃料和气体的混合，以便火花点火，燃料由燃料喷射器定向朝火花源移动，恒定地到达围绕火花源的燃烧室的金属耗热区。这就导致燃烧过程猝冷并通过燃烧室的元件产生热损失。

3 火花源例如火花塞易于失效，因为火花塞所在位置深入燃烧室的燃烧区，这是火花间隙要尽可能远造成的，从而使火花塞氧化和过热。

4 在工作周期的一些部分火花塞还易于被炭黑覆盖，因而不能为可靠点火而适宜地输送等离子体的能量。

5 排放物变化范围很宽，例如有碳氢化合物、一氧化碳以及在某些速度和负载下还有炭黑与其它速度下还有过多的氮的氧化物，这与利用相对不活泼的燃料运行相关，其基本部分是由于起停、城市驱动工作周期例如低速加速、转变状态和全额动力引起的。

6 需致力克服在工作周期的重要部分的过程中由于在火花源处的不合理的燃料空气比而引起的问题(见“利用Ford可编程燃烧过程：PROCO的排放控制”by Simko，A.；Choma，M.A.；andPepko，L.L.；SAE Paper No 720052，Socity of AutomotiveEngineers，New York，NY.)。

利用现有技术带来问题的另一个方面是需要复杂的费用高的和高度协调的系统，为了保证机动车的驱动能力，该系统要适合规定的燃料特性，并排放未完全燃烧的燃料和氮的氧化物，它们要在排放的气流中进行催化清洁处理。

产生氢的公知的方法是重整气流和碳氢化合物的局部氧化。催化气流重整的轻质碳氢化合物包括天然气、煤焦油以及液态石油制品，这重整是目前得到氢可利用的最贵的方法。在热机中利用氢作为燃料具有令人满意的特性，特别是具有高的热效率和几乎不排放污染物。

致力于提供用于减少不完全燃烧的问题和利用清洁燃烧氢来提高热效率的技术包括如下公开的文件。参阅美国专利4253428、4362137、4181100、4503813、4515135、4441469；由Breshears，R.Cotrill，H.，和Rupe，J.著述，Jet PropulsionLaboratories and California Institute ofTechnology，Pasadena，CA.1974著“部分氢喷射内燃机对排放和燃料经济性的影响”；由Finegold，JosephG.，Mokinnon，J.Thomas，and Karpuk，Michael，E.著述，June17,1982，Hvdrogen Energy Progress IV，pp.1359-1369“作为一种用于汽车和燃气涡轮机的氢化物的离解的甲醇”；由Glandt，Eduardo D.，and Myers，Allan L.著述，Department ofChemical and Biochemical Engineering，University ofPennsylvania，Philadelphia，PA，19174；Industrial EngineeringChemical Process Development，Vol，15，No.1 1976，“利用化学循环由水制氢”；由Gregory，D.P.著述，Institute of Gas Technology“作为未来燃料的氢”；由Houseman，John and Cerini，D.J.，SAEPaper No 740600，Society of Automotive Engineers，NewYork，NY；“用于局部氢喷射I.C发动机的车载氢发生器”；由Kester，F.L.，Konopta，A.J.，and Camara，E.H.著述，I.E.C.E.C.Record-1975，pp1176-1183；“车载汽流重整甲烷成为燃料。汽车氢发动机”；由Lynch，F.E.著述，Hydrogen EnergyProgress IV，June 17,1992，pp 1033-1051，“平行感应：-对于氢发动机的简单的燃料控制方法”；由Mac Carley，C.A.，and VanVorst，W.D.著述，International Journal of Hydrogen Energy，Vol.5，No 2，Mar.31,1980，pp.179-205.“用于以氢作动力的I.C发动机的电子燃料喷射技术”。

通过将氢添加到碳氢化合物中，在火花点火和压缩点火发动机中已经证实有明显的优点。通过降低碳对氢的质量比，使得燃烧得更完全和辐射损失降低。遇到的难题包括：低的燃料存储密度；在输入系统中的回火；降低了换气容量，因为按单位体积计量氢包含的能量要远小于汽油和其它碳氢化合物蒸汽；降低了发动机的动力额定值；增加了在机罩内和氢存储区着火的危险。

除了为运输车辆提供动力之外，内燃机还为很多静止的装置提供动力。电力的迅速增长迫切需要改善人口稠密区的空气质量，对于向发电机和空调系统提供动力的内燃机提供重要的机会。热分流式(hot-tap)发动机驱动系统通常在利用转轴能量同时还就地利用由发动机排出的热量，以便把总的能量消耗和环境的污染降低40％到75％。这样的系统通常由内燃机、废热回收热交换器，以及例如发电机或热源压缩机的驱动负载组成。在交换器中冷却套的水与排放气体进行热交换，该交换器有移动式水安全接口。这种系统的问题是：内燃机低的热效率、由热交换器回收热量不良，发动机的寿命不长。最后所述问题推论：维护要求量大，修理费用高。

本发明的目的是克服上述问题。根据本发明的原理，通过提供一种用于控制内燃机的方法来实现这一目的，包含的步骤有通过以热化学方法使由热机排出的废热再生，主要利用废热使至少一种含氢和碳的常规燃料与施氧体反应，以便生成主要包含氢的发动机燃料的混合物，并利用该发动机燃料来运转内燃机。

本发明的另一个目的是提供一种控制内燃机的方法，包含的步骤是将含碳的燃料与含氢和氧的反应物进行吸热反应，产生主要包含一氧化碳和氢的混合物，将该混合物在基本上处在上死点的瞬间直接输入到发动机的燃烧室，燃烧该混合物，以便产生比在单独燃烧原始燃料时更多的膨胀产物。

本发明的另一个目的是提供一种控制内燃机的方法，包含的步骤有使含氢的燃料参加吸热反应，以便产生主要包含游离氢的发动机燃料，将该发动机燃料喷射到内燃机的燃烧室内，燃烧该燃料以便产生比在单独燃烧该燃料时，更多的膨胀产物。

本发明的另一个目的是利用液体燃料来运转内燃机，该燃料可以存储在加压的容器内，包含的步骤有，基本上在燃烧室的上死点处喷射燃料，直到由于存储料量耗尽而存储压力降低时，然后在压缩之前陆续喷射燃料，以及在然后燃烧室的输入位置喷射燃料，使燃料存储系统范围更大。

本发明的另一目的是提供一种用于控制发动机的方法，包含的步骤有通过电解或吸热反应产生包含游离氢的发动机燃料，将该发动机燃料喷射内燃机的燃烧室，以便有利于燃烧更不活泼的或较慢燃烧。

本发明的一个目的是提供方法，装置和过程，用于监测内燃机的每个燃烧室的状态并鉴别其特征。

本发明的一个目的是提供一种方法，用于监测、鉴别和控制直接将燃料喷射到燃烧室，以便使排放物例如氮的氧化物，一氧化碳和碳氧化合物最少。

本发明的一个目的是提供一种方法，用于监测和鉴别燃料的点火和燃烧，该燃料已经随着从另一个源来的燃料的燃烧而喷射到燃烧室。

本发明的一个目的是提供内燃机的快速故障保安控制。

本发明的一个目的是使内燃机的燃料输送、燃烧和动力形成实现最优化。

本发明的一个目的是汇集来自排放汽流的水，并将水变成氢作为燃料使用。

本发明的一个目的是通过电解产生氢，用于内燃机的燃料。

本发明的一个目的是当机动车减慢时产生电解氢，将机动车的动能变换为化学能。

本发明的一个目的是将来自内燃机的废热变为化学能。

本发明的一个目的是便于利用在已有的利用内燃机的机动车中的清洁的可重复再生的电量。

本发明的一个目的是利用实用的电量来产生氢，用于空气污染敏感地区的机动车的起动和清洁运行。

本发明的一个目的是在机动车上安全存储氢和调节氢的输送。

本发明的一个目的是控制一个阀，以便限制空气进入内燃机、用于有时产生一个输入真空，以便有助于大气压力增压辅助系统例如动力制动和类似设备。

在说明书和所提出权利要求的如下详细介绍的过程中，本发明的这些和其它目的将会变得更明显。

参照附图可以更好地理解本发明，其中表示了一个说明性的实施例。

图1是表示本发明的热动力过程的示意图。

图2是根据本发明的原理构成的用于直接将燃料喷射发动机的燃烧室并点火的装置的纵断面图。

图3是表示点火电极位置的在图2中所示装置的端部视图。

图4是本发明的示意线路图，所示断面图表示有代表性的燃烧室，冷却系统、排放系统、燃料存储器、燃油增压、冷却系统、废热回收热交换器、排热回收热交换器，以及将发动机燃料输送到燃烧室。

图5是用于回收排热的装置的透视图，该排热用于促进在燃料和施氧体之间的吸热反应。

图6是根据本发明的原理采用的优选的热交换管道-散热片组装技术细节的示意图。

图7是根据本发明的原理采用的装置的一个实施例的示意图，该装置用于从根据本发明的原理构成的内燃机的排放气流中回收能量和废水。

图8表示用于从内燃机的排放气流中回收能量和废水的装置的另一实施例的示意图。

图9表示根据本发明的原理构成的一个装置的纵向断面图，该装置用于测量包括将燃料喷射内燃机的燃烧室并点火的发动机的工作过程。

图10表示根据本发明的原理的内燃机连同用于动力产生、能量回收、动力加速以及相关操作的控制系统的示意图，该操作用于通过利用各种电源电解水和其它各种含氢原料来产生氢，并利用氢作为分层次布料的燃料。

废热(通常通过冷却、排放和制动系统排出)被利用，以便提供促进原始燃料和施氧体原料之间的反应所需的吸收热能，从而产生一种优选的所谓“发动机燃料”的燃料，上述原料例如为空气、水或酒精。这样在燃烧发动机燃料时就比直接由常规的发动机燃烧相同数量的天然气、汽油和燃料酒精原料时输入到发动机的热量提高20％到40％(并因此使机动车的额定值提高20％到40％)。这个过程表示在图1、4、7、8和10中。在图1中，热交换器10示意地利用彼此交叉的能量矢量表示。每个能量矢量(箭头)的宽度通常代表能量的数值，该能量表现为热、机械或化学潜能。引入的燃料的化学潜能和在发动机中所要利用的某一其它化学原料的化学潜能如箭头12所示。冷却系统热量用箭头14表示，由于在16处向引入的燃料传热的结果而数值的降低如箭头18所示。由于传热而使被加热的引入燃料增加的能量用箭头20表示。来自排放气体的热量如图所示在24转到燃料20上，以便降低从22到26的排放气体的能量，和由于温度增加而使达到28的燃料的能量增加，并如在表1和2中所示生成氢和一氧化碳。发动机燃料28在发动机中燃烧产生原动力30并形成废热14和22。

在图1中表示出各过程代表性的温度，在12为21℃(70°F)，在20为93℃(200°F)，在28为260℃(500°F)，在22为409℃(800°F)，在26为107℃(225°F)，在14为115℃(240°F)，在18为38℃(100°F)。这些温度随在申请中包含的发动机的压缩比和运转方式而变。

最好，在28的热的发动机燃料和(在包含应用相当数量的燃料的大型发动机的场合下的)预热燃料20之间有热交换。取决于预期的热交换的程度，这可把发动机燃料的温度降低到很接近发动机冷却系统的温度，并且因为热损失因数的减少而能够按显著降低的成本来构成燃料输送的各种元件。

利用本发明，发动机燃料燃烧结果的特征是形成高的燃烧速度，宽的燃烧限制、高的热效率、消除颗粒、极低的一氧化碳和未完全燃烧的碳氢化合物。

这些基本的优点充分便于采用如在图2和9中所示的综合的燃料喷射和火花点火装置40，将发动机燃料直接引入内燃机的燃烧室。实施例40装有相同螺纹的杆86作为本发明发动机所采用火花塞。在很多场合下，本发明适用于柴油机，在86所示的构造代表在与燃烧室形成密封的区域内的常规的燃料喷射器的结构。

如图2所示，加压的发动机燃料经过配件42在38输入到装置40，并且在燃烧室里需要对于提供动力的周期增加压力之前防止该燃料由于喷射88而进入燃烧室。配件42在滤井入口处，是在铁磁壳体44内部的螺线管主体43的一个部分。在适当的时间，允许燃料通过螺线管控管阀组件48，该组件利用在绕组46中的直流电流产生的电磁力克服圆锥形压缩弹簧49的作用力而动作。燃料控制阀48极为快速地克服高达10000PSI(磅/平方英寸)的燃料压力而动作，并且能够可控地提供约1毫秒持续时间的中断冲击。组件48迫使管阀组件48由座54中的孔口分开，如图所示，该座最好是一致密的模注的陶瓷，用于使在阀门48中的金属元件对喷嘴组件70中的高电压形成绝缘。非磁性的间隙环57最好如图所示焊接在铁磁元件43和58之间，以便当阀动作时使电枢47中的磁通密度增加。当电流流过绝缘线圈46时，电枢盘47快速加速并当其接近电磁铁43、44、46和58时由于圆锥形弹簧49的作用而对中，然后冲击管阀组件48的法兰环45，使48突然由座54上升，使燃料能流经各通过如图所示最好为O形环的弹性座41的很多交叉孔口51。然后燃料流经阀座54，进入由适当的绝缘管构成的导管61和进入喷嘴70。这种极为快速的流体阀门控制装置实现了燃料从孔口90的快速流动，以及大约1毫秒的完全打开、流动和阀门关闭周期的突然动作，可以响应于发动机加速度检测和来自52、53、55、62、63和69的信号，对燃烧室温度和压力状态进行自适应控制，以便自适应地满足性能和消除辐射热量的要求。

如图所示采用可靠的密封例如O形环62，以便如图所示密封流体输送通道防止泄漏。绝缘材料64和72将连接到压力传感器65上的引线52和连接到喷嘴电极70上的高压引线68绝缘。最好采用注模的热塑性的绝缘体64。绝缘体72最好是与火花塞陶瓷相类似的带釉陶瓷。

弹簧92推动线状杆78的自动关闭阀的头部关闭和将90紧密贴靠在70的阀门座，以使燃料作为薄层的细微雾化的燃料88喷到燃烧室。这有助于快速燃烧并且在接触氧化剂时完成后面的点火过程。用于点火的高电压利用适当的火花塞引线和在高电压套管66中的连接端68输送。连接件68将高电压输送到导电的喷嘴组件70上。

在很多燃料中作为有害污染物质出现的水引起很多困难，其范围从产生腐蚀到冻结和阻碍燃料的输送。设有电极71，以便对到达滤室60的水进行电解。利用绝缘引线77到71输送电流，这些引线在一些预期会有明显数量的水污染物质的应用场合下最好这样构成，其为带有薄层的圆柱体，利用绝缘的少量的微粒将该薄层和内侧薄层60相隔开。这样的构造防止浸水的汽油、管道天然气和其它燃料沉积凝结，这是一个在使用多种燃料的发动机的场合会遇到的问题。

由压缩弹簧92带有的高电压通过所示的线状杆到达尖端82。当为了燃料点火将燃料88喷到所示间隙中的空气中时，在82和83之间的间隙中形成火花放电等离子体。图3表示该间隙和火花塞尖端82和83的端视图。

管阀90通常静止时靠住喷嘴70的座。可动元件90可以像在70的阀门座一样按任何一种适合的形状构成，以便对于本发明适用的特定燃烧室产生预期的喷射图形88。形成喷射图形88的目的是在燃烧反应中得到较大的空气利用程度，同时使氮的氧化物、未完全燃烧的碳氢化合物、一氧化碳产生得最少，使点火后燃烧产物的热损失最少。

在较小的发动机的应用场合中，为了利用具有较小包角的凸圆锥形管阀移动头90，提供的一个靠住90的凹圆锥座具有大的包角通常是很适宜的。这种在一个圆锥内部的圆锥或“圆锥-圆锥”自动关闭管阀移动头和座的结构形成，要比对于先有技术喷射器来说是典型的多个孔口，明显增大了适于燃料输入燃烧室的表面对体积之比。进入燃烧室的燃料由于弹簧92的作用和对于管阀移动头90侧的空气压缩的空气动力学的作用力的作用，被挤压成为薄的圆锥层。由于出现大的表面对体积比的喷射图形，燃料燃烧是极为快速的。

对于靠住90的凹圆锥形座的选择角度通常要实现最佳，以便使圆锥形的燃料喷射部分定向，在与燃烧室表面相撞之前沿着可能最长的路径行进。在燃料进入燃烧室的起始点进行点火，并且在燃料流入燃烧室的整个时间过程中继续点火。这样在接近燃烧室的猝冷区之前，能保证最大的空气利用率和最长的燃烧时间，实现可控温度的燃烧。本发明按照燃料压力和粘度的函数提供在座70和90之间的入口的包角和可变的间隙。在产生最大转矩的高速状态时，燃料输送的量很大，并且在曲轴旋转的度数越大时，输送量越大。本发明对不同的燃烧速度保证最佳空气利用率，这是由于形成燃料圆锥一定的包角，其在预期的工作循环周期中的最高燃料流率期间在在活塞的边缘处输入辐射状喷射的燃料。

为了使通过例如在表3中所示的反应产生的氢或发动机燃料形成燃料分布图形最佳，包角要大，燃料对准在上死点附近的活塞边缘。对于较慢燃烧的天然气或汽油，包角较小，以及燃料对准位置在上死点稍后处的活塞边缘。提供了机会使得起动状态的动力产生实现最佳，其中燃烧常规的燃料例如天然气、汽油或柴油，但在产生发动机燃料之后，形成极为有益的运转方式，比采用常规的燃料喷射器能形成更高的功率、更好的经济性。最好由片状或管状材料形成管阀88，以及如图所示在较低的裙部形成大角形的尖端，以便在产生等离子体期间降低放电电压和温度。出于同样的目的，如图所示，最好形成带有大角形尖端的电极裙部83。特别适合于大行程的发动机的燃烧室的管阀移动头90的另外的几何形状和在70的阀门座的形状是球形的，90的球形表面与具有稍大半径的在70的凹形球面座相接触。这种在球内部的球或“球-球”自动关闭管阀移动头和座的结构使得燃料喷射圆锥易于形成提高的表面对体积的比，以及比前述的圆锥-圆锥结构具有更大的空气利用率。在具有高的活塞速度的轻型发动机例如赛车发动机中，最好通过在70提供凹形球面座和相应的在90的凸形球面表面，借助迫使形成更大程度的燃料表面对体积之比，使燃烧速度最大。

为了实现把燃料满意地掺入更大燃烧室中的压缩空气体积内，在82的表面上或在70的座的表面上和在90的表面上形成沟道(未表示)是有利的，以便确定燃料喷射的图形。这些沟道比沟道之间的区域通过更大的燃料流量，以及比在沟道之间的区域形成更大的燃料贯穿能力。螺旋形或其它图形的沟道能按一定角度以从喷嘴70中的孔口到燃烧室的行进的最短距离保证燃料加速，并使得元件90旋转，在抛光的座90与70中这样是有益的，使得它们能保持清洁和均匀。

这些各种各样的圆锥-圆锥、球形-球形、球形-圆锥和圆锥-球形结构以及沟道的几何形状形成了超过先有技术的重要的改进。先有技术的柴油喷射器和由美国专利1401612、3173409、3830204、3094974、331650和4967708预期的喷射器由一个或多个单个的孔通过喷射燃料，将燃料喷射到燃烧室内的空气体积内，将其与空气混合，然后按照严格的时间行进到火花间隙，该混合物是可燃的。本发明的实施例装置按照具有很高表面对体积之比的圆锥形状输送燃料，按照一定图形输送能保证燃料达到在燃烧室内的猝冷区之前的过程中完全燃烧。这些各种各样的装置满足了在实际的燃烧室设计中要求使空气利用最佳的需要，并没有借助牺牲效率的空气涡流和/或吸入空气的节流的技术。

本发明适用于燃烧室尺寸达12英寸或其以上的大型发动机以及适用于尺寸适合于模型飞机应用的小型燃烧室。最好采用朝向尖端形成锥度或为具有尖端的金属须的点火装置，以便在起动时降低火花放电电压以及在某些发动机中在各燃料引入周期之间维持已足够高的温度，保证热表面点火而不会附加火花放电。适合于点火作用的金属须的尺寸为0.13mm(0.005英寸)到2.29mm(0.09英寸)的直径，从0.51到6.35mm(0.020到0.250英寸)的长度，取决于所使用的发动机的燃烧室的结构。适用于尖端82和83的材料包括含铁的合金，例如含5-6％的铝，20-25％的铬、余额配平的铁；碳化硅；钼硅化合物；钴超级合金以及镍超级合金。

在很多应用场合，希望降低火花消耗的能量、最小程度地利用火花点火或不石借助火花点火设备来保证点火。原因包括避免由于火花引起的氮的氧化物、无线电干扰、和各种元件的火花侵蚀。这是由覆盖在70、90、82或83的阀门座表面上的催化剂涂料完成的。适合的催化剂包括铂黑、镍黑、铂、钯、锇、铱、镍、氧化镍以及过渡金属的金属间化合物例如钒-铜-锌。按照方程式1-14提供的方式产生氢是有利的，以便增加热效率和利用发动机燃料或喷燃的其它燃料空气混合物以清洁方式起动发动机，而无火花或极大降低火花的能量。发动机燃料是特别导热的，以便降低氮的氧化物，因为用于火花放电所需的能量仅为0.02mWs(毫瓦秒)，而对于甲烷为0.29mW，对于汽油为0.24mWs。发动机燃料点火比对于汽油或其它碳氢化合物所需的等离子体能量的10％还要少。这就极大地降低了在燃烧的起始阶段氮的氧化物的生成，并且接着通过控制燃料添加的速率和喷射的时间以及点火过程来限制最大燃烧温度，实现动力产生、燃料经济性、发动机平稳等方面的最优化，同时使氮的氧化物量最少。

为了利用常规燃料清洁地起动，尖端82和83可以涂以氧化镍、氧化钴、氧化钒或类似的有效材料，以便通过增加在整个富氧反应中的缺氧区内的一氧化碳形成的速率，促进碳氢化合物的燃烧。通过在环绕尖端82和83周围区域内催化初期一氧化碳的形成，整个燃烧反应迅速转入用过余空气产生二氧化碳。实际上消除了烟尘颗粒的形成。

在发动机必须起动并产生应急动力而不会失败或暂停的情况下，最好利用在82和83之间的间隙中的火花等离子体来起动并利用等离子体点火来运转直到表明形成满意的动力。这样就保证快速启动和将82和83加热到点火温度。一些应用场合，例如为医院、计算机和化学生产过程提供紧急动力是本发明的这样一些安全可靠应用的示例。在不太关键应用场合最好利用镍或铂族合金来涂覆尖端82和83。在更需要的场合，最好由这样一些材料来制造82和83，这些材料具有长的火花点火寿命和随着热表面点火而发生催化。利用这些装置形成的火花，催化和热表面点火的综合作用使本发明适合于各种尺寸、活塞速度和应用场合的发动机。取决于所选择的“圆锥-球面”设计结构，通过燃料空气与催化剂接触或在82和83上的热表面作用，或者由于使低温火花-等离子体能量通过交替的各空气层、过余的空气-燃料区、富燃料区、过余的空气-燃料区以及空气，形成点火。最大的燃烧速度产生在富燃料区的表面。即使在最高的活塞速度下，这种结构在过余空气区内部也会产生使富燃料的高速燃烧的推动作用，从而保证在较慢的燃烧速率区的完全燃烧的过程。

最好利用图10中所示的火花发生器371，其使每个火花的极性相反，以便降低对82的火花侵蚀和消除对绝缘子64的高压电解。火花电压发生器371可以具有任何适宜的结构，只要能将交变的火花电流传输到如图所示的82和83之间的间隙。这样大为提高点火效率和火花喷射器40的寿命。现有技术装置根据在燃烧室里的空气涡流作用将喷射的燃料偏移形成螺旋形路径，以便防止穿入猝冷区。在燃烧室中形成的空气涡流是由于对引入空气的阻碍作用产生的。由于与在活塞下方的压力相比，在活塞上方承受被降低的压力，这样会降低发动机的机械效率。与假如没有对引入空气的阻碍作用相比，必须做更多的机械功来克服导管真空状态的不利作用。现有技术的解决方案是根据可变的空气在所有实际的运转方式下进行节流控制，以便在产生所有量值的动力时产生燃料和空气的均匀的混合物。为了总能火花点火，空气必须节流，这样才能使燃料由最高动力定额到最低动力定额时降低。由于增加压力差，活塞必须根据这种压力差在引入状态期间运作，这种运作方式大为降低部分负载时的效率。

本发明当在燃烧室内需要改变湍流和保证点火时提供多个火花，使得可以不考虑按照粘度密度和释热特性的很宽的变化范围对燃料所作的选择。本发明为了达到最大的机械和容量效率在所有的动力量级下可以不阻碍空气进入燃烧室。这样能提供更高的动力、保证平稳运转，没有“死点”以及得到更大范围的速度转矩状态。最好能运转在从在低动力定值下的远为过余的空气状态到在高动力定值下的过余空气状态的燃料-空气比范围内。表2表示了燃烧能力、燃烧速度的极限以及包括发动机燃料的各种燃料的燃烧热。如表所示，体现发动机燃料特性的氢的燃烧速度比选择的较为不活泼的燃料高7.5倍以上。这样就能比常规的碳氢化合物燃料晚得多地喷射发动机燃料和使之点火，从而由于在发动机运转的压缩周期中的慢燃烧压力上升期间不产生负功，大为改进每个燃料值的BTU下的平均有效制动压力。

发动机燃料燃烧的特征是呈现一种极为快速的无色燃烧过程，与常规的燃料相比由于辐射到燃烧室表面形成的热损失要小得多。本发明便于刚好在上死点(TDC)之后喷射和点燃发动机燃料，从而由于利用本发明在压缩周期期间使由于不适当地点火引起的活塞撞击和振动被消除了，因而能更安稳地运转。变换式发动机与常规的燃料调节和输送系统相比，运行更冷些，更平稳、安静和更有效。

图4表示按热化学原理运转的示意回路中采用的本发明的方法。热机100可以是任何一种热机，例如燃气轮机，旋转式内燃机；包括埃里克森和施密特型的外部燃烧的斯特林型发动机；或者是一种下述的内燃机：例如用活塞128和杆形组件131以及输入阀门118和排放阀门120所表示的某一种适合的膨胀器。燃料存储在102。该燃料可以适当选择，例如压缩的天然气，适宜的燃料酒精，液态天然气，氨、汽油或柴油。在环境压力下存储的液体燃料最好是利用泵104加压到所需的燃料喷射压力，其范围从100到1500psi，超过发动机的压缩压力，取决于燃料的粘度，表面张力、分子量以及碳对氢的质量比。

在按照规定气缸工作容量的发动机的起动状态下，把冷的燃料输送到三通阀108并经过管线110、三通阀112、管线114和燃料喷射器116引向发动机。燃料喷入燃烧室内部并点火，其量的大约1％到70％是在产生动力(膨胀)周期中喷入的。空气迅速加热并输出动力。无起动器电动机的发动机起动，或假如利用一起动器电动机则可以更快地起动从而保证油压的形成。在发动机起动后，喷射和点火时间转入形成最佳状态。

为了对液体燃料加压，最好结合发动机的机械泵使用电动泵。在轴承装置于起动前需对提供到曲轴和凸轮轴轴承的油加压的情况下，最好提供一种安全连锁装置，以防止将燃料喷射，直至通过利用一种适当的手动泵或电动泵来实现油加压。

直接喷射结合火花点火来起动是对现有技术的起动发动机的方法的重要改进。这可大为降低部件重量，节约初始成本和消除起动系统的维护费用。这种快速起动系统使发动机按停止信号停止并且当需要时瞬间重新启动提供动力。当不再需要动力时，消除了燃料的浪费和在这些状态下污染的产生。最好采用常规的带存储器的电子微处理机，来监测、起动发动机并使其最优化运转。在停机状态下活塞在燃烧室内的位置被存储起来，并且在起动状态下被再调用。图10中所示的适当的微处理机370通过油压，温度、振动和其它重要的仪器的瞬间监测便于安全运行，假如发动机没有润滑油或发生其它故障则可保证紧急停机。

存储在102中的压缩气体燃料的压力比存储器压力要低并调节到预期的输送压力。最好基本上在上死点条件下经过116喷射燃料，直到存储箱102近于放空，且燃料压力降低到低于预期的输送压力。本发明提供的喷射燃料的步骤是基本上处在燃烧室的上死点状态，直到由于存储的储量排空使存储压力降低时在压缩周期之前逐渐地喷射燃料，然后进入燃烧室的输入位置，以便于通过提供最佳方式从更大范围从燃料存储系统喷射，以便利用存储的燃料的最后部分。在利用图9所示的火花喷射器40A中的仪器62A、63或65的指示喷射燃料和监测燃烧室的状态之后，根据所得到的燃料存储压力使陆续的喷射和点火过程实现喷射和点火的时间最优化。当燃料存储压力变成排空状态时，喷射的时间从近于上死点处朝向下死点移动，并最终达到发动机的输入周期。

在发动机已加温并且在热化学变换器144处的温度已经到达约500°F之后，阀门108往复运动以便将燃料引向热交换器回路154/132，如图所示。发动机利用由存储器152提供燃料连续运转。燃料和来自箱160的其它预期的施氧体(例如空气或在表1和表2中列举的组合)利用适当的泵158加压，并利用由冷却套124输送的冷却流体在热交换器130中被加热，并通过导管136返回到冷却套138。来自箱102的燃料和来自箱160的水或另一种施氧体的组合称为“反应物”。反应物的进一步加热是通过利用在热化学变换器144中产生的发动机气体在140和142之间的逆流交换来实现的。

由在变换器144中的催化作用完成反应物的最终加热和产生发动机用气体。取决于工作循环周期的温度范围由598℃-316℃(1100°F-600°F)的热的排放气体250被输送到热化学变换器144，如图所示。被冷却的排放气体通过排放管道146。被冷却的套中的流体通过管道136返回到发动机，通过适当的冷却通道138和124循环。包含一般的散热器和热塑性阀门的另外的排热回路可以与回路130和136串联或并联使用。

发动机用的气体被输送到三通阀122并经过管线114和燃料喷射器116引向发动机。最好采用如在图2和图3中所示的燃料喷射器和火花点火器的组合方案。

在图5和图6中表示用于热化学变换器144的最佳实施例的细节。通过将热的排放气体通入箱206的入口210来回收来自发动机的废热。由热的排放气体的热交换作用将通过管62输送的馈送的储藏气体加热。以热化学方式变换的发动机用燃料通过管164离开反应器144并且最好利用与在热交换器140/142和132/154中的原料流体进行再生式热交换来冷却，如图4所示。

在206内部的原料流体的热交换和催化变换通过扁平管状线圈208来维持。管状线圈208最好由两条金属构成，其构成能形成极高的传热的表面面积并维持对原料流体的混合物或溶液的催化作用。在图6中表示了用于原料的这样一个装置200。条200形成有波纹状的滚花人字形或其它曲折形表面，如图所示。其沿着接缝202连续地粘接到片198上。片198可以像200一样构成，或者按照基本平滑的片构成。利用片198和200形成一种具有特别高的表面对体积比的催化热交换器，其中每片都呈波纹形，当组装时在各接缝202之间的区域内形成相互邻近的人字形结构，如图所示。每一片上的人字形波纹与另一片相反。这样在各接缝202之间就形成平行的内部管状通道，曲折的内部沟道迫使在通过反应器行进的流体的所有部分形成反应物的湍流以及通过波纹形间隔的形成排放气体的湍流，这些间隔是在组件的形成层或轧制层之间形成的。

各管状通道是多路的，以便形成通过反应器144的预期的回路。最好有各种逆流式热交换作用，其中进入反应器的最冷的流体由最冷的排放气体吸收热量，如图所示。接近反应器出口的流体接收来自最热的排放气体的热量。在多路形成管状通道之后，组件螺旋绕在一个管上，将组件封装在绝热的箱206内。在图5中表示了螺旋绕制的组件。

经过催化表面的附加热量最好用于进行在方程式1-11中所示的预期的反应。在图5和图6中所示的装置提供了高的导热性以及催化功能。用于反应器208的片状材料可以是在表4列举的典型材料。如表所示，范围广泛的各种合金以及用于铁、铝和铜基片状结构的表面涂料都是可行的。在催化热交换器中催化剂的选择还需有用作粘接剂或密封剂的作用。在成形、接缝焊接，形成多路导管以及绕制之后，可以将组件熔焊或感应焊接，以便连接在扁平管内侧和在扁平管的各层之间的接触区。这会大为增强组件。

选择的片状带条首先利用任何适当的生产线技术被镀敷或热浸涂覆以形成均匀的涂敷厚度，然后沿着接缝区202进行滚轧连接或接缝焊接。最好将在片198和200之间的所有接触区连接，以便抑制在扁平管道内由流体引起的压应力。还可预先考虑通过多次镀敷或涂敷接着进行热处理将会产生所需催化剂的扩散梯度。

虽然在现有技术中已经记录锌和铜可使各种醇类脱氢，但重要的是指出，本发明利用催化的锌和铜合金或在固溶体中包含的锌和铜的涂层，同时对醇类、有机溶剂和水具有或多或少不相同的脱氢作用。据认为一系列的中间反应决定了在方程式1-11中所示的总的反应。Kirk-Othmer的“化工技术百科全书”第二版的第535页到586页上可找到各种中间反应，这对于帮助理解中间反应是很有用的，这里引用可供参考。

正如在表4中所指出的，所列举的合金片状材料具有相当的延展性，允许进行冷加工以形成引起湍流的图形结构，例如波纹状的或交叉的各行凸起，其取决于在为了操作所选择的工作温度下选择的片料的热耐受强度。沿在25.4mm(1英寸)宽的诸沟道204之间的2.29mm(0.090英寸)宽的接缝202通过按冶金方式连接、实现下片对上片的密封。一种用于图6的装置中的带条198和200的适当片状原料的厚度为0.25mm(0.010英寸)，波纹形沟道深度为0.38到1.52mm(0.015-0.060英寸)。这样在组装的反应器带卷结构内部提供了很低的间隙空间。

由于在燃料调节系统的所有部分中具有低的间隙空间，使发动机燃料的存量最少。为了进一步保证安全，监测在管线106、110、148和114中的压力。如果压力变化速度超过窄的预定值的范围，则泵104停止，阀170关闭，防止附加的燃料进入燃料调节系统。由于热交换器130和144容纳在水冷或排热系统中，提供了附加的故障保安功能。如果在热交换器130或140中发生泄漏，则泵104停机，通常关闭的螺线管控阀170关闭，少量流散的燃料包含在水中或在排放管中，在其中不会产生危害。在538℃在燃料压力为680atm(大气压)(1000psi，在1000°F下)，催化剂片的屈服强度为20000psi或其以上，因为该螺旋形组件是紧密绕制和结合的。利用图5所示的管状结构206，通过传递由外部容器来的压力性的预载荷也有助于抑制应力，该结构最好由几卷薄的带料构成，以便降低热损耗和保证高强度。

最好利用耐热纤维套筒214将线圈208与箱206热隔离。这样就使其中产生拉伸载荷的空气冷却的圆柱形容器206，对带卷208产生压力载荷。利用绝缘套筒对于12mm外径(OD)、2.4mm壁厚(1/2英寸OD.0.0095英寸壁厚)的不锈钢管制成的多路导管形成一个间隔，其还用来将发动机气体输送到热交换器部分以及燃料喷射器116。在考虑附加安全报警的场合，最好利用例如17.7pH的高强度不锈钢护套包覆管106、110、148和114。通过将带卷连接到76mm直径4.75mm壁厚(3英寸直径，0187英寸壁厚)的管上，设置入口多路导管和用于螺旋组件的芯子，即在内部形成隔壁，以便保证蒸汽预期经过A和B然后并行经过C和C’再并行经过D和D’顺序流动，如图6所示。排放气体由连接器210到212通入反应器，以便形成一多路逆流式热交换器与吸热式反应器的综合体。

发动机冷却套之水为82℃到121℃(180°F到250°F)，可以在热交换器130的附加部分中循环，以便形成标准温度的发动机用气体。在这种情况下，冷却套的水将从124到138经过热交换器138循环，如图所示以逆流方式与发动机用气体流热交换。用于提供所需热交换的另一种方式是在一个组件中形成的热交换器130和132/154，利用从入口124到138的恒温控制的发动机套水的循环。在利用允许燃烧室壁温度为260℃(500°F)和更高的材料形成发动机时，最好利用分相热管式热交换器来保证发动机燃料的标准温度。最终的热量进入车辆框架，对于空调的同生热量的要求以及对含水的燃料酒精的原料供应的进一步预热都要考虑到。

来自104或一种适当的调节器的加压的发动机燃料利用螺线管控制的三通阀108和112来控制。在热交换器部分154中的发动机燃料要监测其温度和压力状态。如果温度和压力在预定的限值之内，则阀门112受控“打开”，允许来自热交换器部分154的燃料流到燃料喷射器116。阀门112对来自154的液流“关闭”但对来自泵104的液流“打开”，以保证发动机启动以及在部分154中形成预期的温度和压力之前通过利用液态燃料来运转。在利用液体燃料运转的过程中，采用燃料管理系统的标记图“A”。在利用气态的发动机燃料运转的过程用标记图“B”。根据螺线管控阀112的动作以电子方式在标记图A和B之间的运转方式进行转换。

进入燃烧室的燃料利用火花点火，该火花通过空气-燃料-空气交替的各层，并保证点火，而不管燃烧室的空气和燃料的总投料是多少。利用本发明按总的空气对燃料的比为1000比1可靠地点火，正像按空气对燃料的比为15比1一样。在发动机处于冷状态期间本发明通过直接喷射和火花点燃液态燃料，保证很好的燃料经济使用和最少的排放物。随后在达到发动机的指定运行温度之后，通过利用气态燃料运转，本发明能够有效地回收发动机的废热，气态燃料在燃烧时提供的能量明显高于作为原料的液态燃料。本发明发扬了这些燃料效率高的优点，又没有牺牲发动机在产生动力与热量单位比方面的规定动力额定值。这是本发明极为重要的方面，因为当考虑使用气态燃料时，通常需要规定30％-150％的更大的行程位移并且增加压缩比(比对于汽化汽油燃料)。大型发动机需要级联，投入使用所需代价包括：

1.较大的轮胎、减震器、弹簧、起动电动机、蓄电池，交流发电机，辅助电源装置/传动装置以及在运输业中用于较大车重的制动器。

2.对于铁、铬、钼、钒、锰、镍和石油储备的巨大需求。需要更多的能量用于采矿、选矿、精炼、合金、铸造、煅造、机加工以及制造大型发动机。对于稀有材料的有限蕴藏量的更大需求形成更高的每磅价格以及迫使全世界的经济通货膨胀。

此外，本发明克服了产生回火和暂停的难题，其中解决了在汽化或多路喷射式发动机的入口多路管路内部的氢的不适时的燃烧。这一问题来源于这样一个事实，即氢会在十分宽的燃料与空气比的条件下支持燃烧以及由于在氢燃烧时的燃烧速度是极高的。本发明通过在燃烧室内部的燃料喷射之前消除氢和空气的混合物来防止回火。

由价廉的燃料酒精和压缩的或液态的天然气生产发动机燃料是方便的。一种较长范围的方式将采用以生物为源的甲烷和湿乙醇和甲醇。本发明按热化学方式处理并且利用比汽油或柴油较原始的和较价廉的原料，包括在表1-3中所示的天然气、粗酒精以及粗氨水。利用柴油和汽油可实现使用范围和热效率的显著改进。

例如天然气、煤气、丙酮、甲醇、乙醇、丙醇、丙烷、丁烷、氨和丁醇都是传统的石油燃料的有吸引力的替换物。燃料酒精和煤油易于由煤、泥煤、油页岩、柏油砂、天然气、固体废料或新生长的生物体制备。利用以废料和污水为源的氢、甲烷，以及燃料酒精是方便的，本发明使要用的石油成为更有价值的聚合物和石化产品。

一种公认的长期存在的与生物燃料有关的问题是由煤和生物体产生燃料酒精的能量密度的性质。存在于煤或生物体原料中的水以及在含碳的原料反应中使该原料气化所用的蒸汽，要达到过程的反应温度需要相当的能量。在产生氢和一氧化碳的混合物(水煤气)以及燃料酒精的催化合成之后，经常要增加相当多的能量才能除去凝结水和产生脱水燃料。

假如产品可以“湿式”(130-190-proof(标准酒精度)而不是“干式”(200-proof)利用，则利用OXY1(烃氧基)法的甲醇的商业生产、酶的发酵作用或木质和纤维素的干馏，可以明显地降低能量密度。本方法和装置便于由表1和表2所示的说明性的下述反应，利用天然气、湿燃料酒精、水溶性的或酒精溶性的有机化合物，和发动机的废热：

湿天然气＋废热产生氢和一氧化碳

CH₄－H₂O＋HEAT产生3H₂＋CO          方程式15

在表3的方程式1-8中的由一或多种醇类、一或多种可熔性的有机物以及水参加的反应通过与排放气体热交换而被加热，温度范围达到从107℃到538℃，或225°F到1000°F。热的有机化合物蒸汽和水蒸汽的混合物通过催化剂，产生一氧化碳和氢的混合物。方程式9表示天然气或生物体生成的甲烷怎样与水蒸汽反应生成氢和一氧化碳。方程式10和11表示汽油和狄塞尔混合燃料与含氧的液体进行吸热反应时生成一氧化碳和氢。这些反应的混合物还包含浮化剂以便长期存储。蒸汽状态的产物或发动机燃料用于在燃烧室作为分层气体燃料，并被火花点火。

发动机燃料组分完全燃烧释放潜在热量，超过燃料原料的完全燃烧释放潜能20％-40％。释放潜在热能的增加是由于与发动机的废热进行热交换而产生的，交换的热量参加在表3的方程式1-14中所一般表示的吸热反应。同样重要的是选择机会利用湿燃料，在起始生成时，与采用无水酒精，酚或其它对应有机化合物相比，可以将能量密度降低30-50％。

本发明解决的另一个问题涉及每BTU得到动力或由发动机燃料释放的热量的卡路里值的能力与在火花点火发动机中汽油产生的一样多。通常承认，产生单位动力时用气态燃料的发动机气缸工作容量比用汽油燃料的发动机要大得多。这是因为前者试图利用气态燃料，在引入操作过程中使燃料与空气相混合。要将气态燃料引入发动机，已经占用了相当大的通气(breathring)容量和循环容量。按照本发明，发动机的全部通气容量被保存，用于引入过量的燃烧空气。制动平均有效压力(BMEP)较高，因为：在燃烧室内有更多的分子做膨胀功；存在更多的空气，更多的燃料可燃烧释放更多能量；以及与多路管路真空相比活塞不需要做功(克服曲轴箱的大气压力)。

通过利用湿酒精或在表2和3中所示的其它组合物未满足要求的水，可以通过来自采用本发明的热机中的排放气体的水蒸汽的凝结来提供。形成由热机燃烧的每加仑的含氢燃料，可生成近一加仑的水。举例说明，与8摩尔的水以热化学方式交流换热的一摩尔的辛烷(或汽油)在空气中燃烧会产生17摩尔的水。仅17摩尔中的8摩尔需重新循环：

C₈H₁₈＋8H₂O产生8CO＋17H₂(发动机燃料)    方程式16

8CO＋17H₂＋12.5O₂产生8CO₂＋17H₂O      方程式17与之相似，当将甲烷变成发动机燃料时，仅3摩尔的水中的一摩尔的水需要汇集。

CH₄＋H₂O产生CO＋3H₂(发动机燃料)    方程式18

CO＋3H₂＋2O₂产生CO₂＋3H₂O        方程式19由热机排放气流最终凝结产生液态的水。在寒冷季节期间形成汽车排放汽流的凝结水滴好像一缕水蒸汽，是迅速凝结的一个实例。由云雾形成雨是较延迟凝结的实例，其中汽车排放物被添加到由海洋、湖泊和河流蒸发的水分中以及植物生长发出的水分中。

为了将在发动机的排放物中的水回收近于二分之一以用于热化学过程的热交换，排放汽流的大部分必须冷却到接近200°F。假设白天高的环境温度为120°F(大部分地方的白天高温较低)，则用于排放物与大气的热交换的温度梯度有大约80°F。在图7和8中所示的热交换保证在热交换的过程中有极高的表面面积和涡流作用，以便实现预期的回收凝结的液态水。

如图6中所示，在144和256中所用的扁平管热交换器是自行加强的，并利用耐腐蚀材料很好地保存。这种设计已经证明可具有极快的组装速度。因此图6所示的设计方案适用于对汽车应用场合提出的大容量的要求。

来自排放汽流的水的汇集最好利用在图7中所示的方法来实现。来自内燃机的燃烧室的排放气体250首先用于驱动适当的通风电动机252，其又驱动一适当的压缩机254，以便增加进入发动机的燃烧室中的空气。离开通风电动机252的排放气体进入热交换器144，用于吸热产生发动机燃料。排放气体由热交换器144通到热交换器256，用于将热量排放到在翅片管螺旋线圈258中的内燃机燃料反应物中，和由排热翅片260排放到大气中。利用所示连接轴机械连接到压缩空气发动机252和压缩机254上的第二压缩空气发动机262，由膨胀的排放气体得到附加功，并离心加速到汇集罩266的凝结的水，以便将水通过管268输送到箱102。

如图所示，在表1和2中列举的典型的发动机燃料反应物存储在箱102中。泵104将反应物输送到逆流式热交换器256中的翅片管258。反应物流体然后在再生式热交换器274中被进一步加热，同时发动机燃料由于热交换被冷却，新提供的原料进入热化学反应器144的最冷的区域。在燃烧室内的发动机燃料的喷射和点火最好利用图中所示的装置40或40A来完成。热的排放物250包含由燃烧过程产生的所有水蒸汽。随着热量被引出，使相对湿度达到100％，液态的水可以利用exducer(出口导流器)涡轮262抽出。出口导流器涡轮262最好由例如为碳纤维加强的液晶聚合物的材料构成，该材料不为凝结的水滴所腐蚀或冲刷。涡轮252最好由常规的以铁为基的超级合金构成，按传统选择方式，在这种场合下要耐氧化和蠕变。压缩机254最好由铝、镁或聚合物化合物制成，取决于发动机的容量和系统元件的所需寿命。

本发明的一个特别有利的方面是回收没有被利用的能量，与压缩气体相比较在膨胀气体时也获益。对于压缩周期中的最大部分仅存在空气。当希望增加压力时在近于上死点时，发动机燃料喷射并燃烧，比如果采用常规的燃料作为单一的装料或者如果喷射常规的燃料和按照分层次的装料燃烧，将会出现的热膨胀气体要远为多。这可通过将采用甲烷和采用由甲烷衍生的发动机燃料的本发明的燃烧过程相比来说明。

CH₄＋2O₂产生CO₂＋2H₂O

(1摩尔CH₄产生3摩尔膨胀产物)    方程式20

CH₄＋H₂O产生CO＋3H₂(具有20％附加能量的发动机燃料)

CO＋3H₂＋2O₂产生CO₂＋3H₂O

(1摩尔CH₄产生4摩尔膨胀产物)    方程式21

本发明提供一种循环，其膨胀产物分子多于压缩物分子。这导致对于相同的发动机会产生更大的动力额定值并增加过程的热效率。

已预想到，按照或多或少的恒定转速运转的大型固定的发动机在动力涡轮252的前方设热化学反应器144，用于提高系统的整体热效率。在希望获得最高动力对重量比的汽车应用场合，已预计到将动力涡轮252置于热化学变换器144的前方如图7所示。在不希望将回收的水添加到在箱102中存储的燃料原料的情况下，来自268的凝结水可以添加到如图4中所示的容器160中。当水汇集的速率超过存储的预期的速率时(如在塞冷季节的情况下)，由翅片260的散热减少，从而降低了凝结到汇集罩266上的速率。

在希望减少热机的热信号的情况下，本发明提供的排放气体温度接近环境温度。通过对用于把排放气体膨胀到环境压力的输出引导器涡轮262的尺寸选择，可以加强这种作用。在燃气涡轮发动机的应用场合这点是特别有益的。

通过再生利用发动机的废热使水和碳氢化合物的燃料产生一氧化碳和氢，使得使用范围和燃料经济利用至少提高20％。这种方法实际上消除了一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物的排放，因为发动机燃料的燃烧特征在于氢的极快燃烧的特性，迫使一氧化碳完成与过余空气的燃烧过程，以产生二氧化碳。改进变换式发动机的过程效率包括：

1.燃烧发动机燃料比原料燃料多产生约20％的热量。

2.通过将高辐射的原料燃料变换成低辐射的发动机燃料，本发明降低了燃烧的辐射损失。

3.发动机燃料燃烧比原料燃烧约快7.5倍。这就使得本发明能产生的压力升高更快并发生在基本上在上死点状态或其后。机械效率和热效率两者都提高。

4.本发明燃烧发动机燃料是在过余空气中在局部富集燃料的状态下，从而发扬了高燃烧速度的优点。

5.本发明是在过余空气中在局部富集燃料的状态下燃烧发动机燃料，从而降低了导热损失。

6.在过余的隔离的空气内部燃烧发动机燃料，保证完全燃烧过程，并消除了未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳。

7.氮的氧化物大为降低，这是由于在可控的燃料输入速率和局部的空气-燃料比下，保持峰值燃烧温度低于4000°F，在过余空气包层内部的富集燃料区的快速燃烧的结果。控制燃烧以便限制峰值温度约为4000°F，防止形成氮的氧化物例如NO。根据整体过余空气分层次布料的原理在温度限制条件下燃烧实际上消除了氮的氧化物的产生。

已经发现，本发明在热效率和降低不希望有的排放方面取得重大的改进，即使是当只有部分碳氢化合物燃料变换为氢和一氧化碳也如此。在利用其它的燃料例如甲烷、丙烷、丁烷和燃料酒精的情况下，这点特别具有实际意义。将某些碳氢化合物燃料变换成氢大为提高了燃烧速度和在燃烧室内的完全燃烧过程。这就为设计者在将本发明应用到各种发动机容量和场合提供很大的余地。利用大量燃料工作的重型发动机例如铁路牵引机车要提供足够大的热化学变换器(144)，以便将基本上所有的碳氢化合物燃料变换成一氧化碳，实现最大限度的燃料经济利用。较小的发动机例如割草机和摩托车可以牺牲某些燃料潜能的经济利用(通过将碳氢化合物全部变换为氢和一氧化碳来提供该潜能)，但需要降低不希望有的排放。

在主要选择的燃料在热交换器256的一定温度和热输入的状态下满意地蒸发的情况下，最好调节通过144的流量以便维持最佳运行状态。这种类型的燃料的实例是甲醇、乙醇、丁烷、汽油、丙烷和甲烷。在适于起停应用场合例如城市公共汽车的大型发动机中这点是特别有益的。当燃料直接从热交换器256通到火花喷射器40时三通阀270保证发动机的起动，阀270最好设有流通到热交换器274的可变间隔和到火花喷射器40的旁通回路，如图所示。当借助一个按时可变的数字流量控制器控制阀40时可实现这一点。流体经过短的时间(t₁)通过阀270到热交换器274，然经过短时间(t₂)通过阀270。t₁的数值范围从大约30毫秒到全操作时间。t₂的数值范围从大约30毫秒到全操作时间。比率t₁/t₂控制发动机燃料对未变换的反应物的比率。比率t₁/t₂可以根据热化学变换器144的温度或根据其它最优化规则进行调节。

在144中达到最低阈值温度以后，通常希望在每600毫秒的操作时间内形成至少4％的旁通流量t₂，以便在144的沟道中引起湍流。在变换器144中超过最低阈值温度之后，最好按照总体时间控制通过144的反应物的流量。对到144的流量进行调节使得在发动机的工作周期内能够实现最大限度地将反应物变换为发动机燃料。

静止的混合器272能保证来自144的发动机燃料与经过阀270旁通的反应物蒸汽均匀地相混合。存储器296利用阀270调节保证流体压力平稳，当发动机运转状态变化时，由于状态瞬变使平稳的压力变化。在不需要采用驱动排放物的输出引导器原动机的情况下，最好采用一个电动机292来驱动水输出引导器290，如图8所示。在266添加碳氢化合物燃料，在102与凝结水混合。泵104对存储在102中的液态原料加压并输送到热交换器的片形管258。逆流式热交换器274从在144中产生的发动机燃料吸取热量。通过与温度调节用的发动机冷却剂进行热交换，热交换器276可以用于使发动机燃料达到标准温度。

分层次的燃料点火和在利用过余空气包围的局部富集燃料条件下燃烧，惊人地提高了燃烧速度，超过依靠单一投料条件下的燃烧，并降低了氮的氧化物。火焰燃烧的特点是典型的氢的透明燃烧而不是汽油或柴油火焰燃烧的状况。辐射损失降低到最小程度。导热损失降低到最小程度。形成的热效率超过通过将原料燃料吸热变换为发动机燃料所提供的能量增加。与常规的运转状况相比较，通过直接喷射和火花点火实现了燃料经济利用并在冷态发动机期间降低了排放。后来，在达到发动机的指定的运行温度之后，本发明通过对发动机燃料控制实现了对发动机废热的有效回收，该发动机燃料比液体燃料原料燃烧时产生明显多的能量。本发明具有使这些燃料高效率的优点，而在单位热量产生动力比较中没有牺牲发动机的规定的动力额定值，并且可适用于燃气涡轮机、旋转式内燃烧和具有2和4冲程结构的活塞发动机。

一个适当的聚合物管61例如图2所示的四氟乙烯管，使如图9所示的聚合物绝缘件64由于在孔61内和管44的壁76外侧环境压力形成压力差的结果，而由孔61传递较大的作用力。由绝缘件64传向壁76的径向力可由如图所示容纳组件的弹性变形的钢管形壁76产生的相等相反的力应付。

取消陶瓷管61也能使聚合物绝缘件64，由于在绝缘件72以外的燃烧室和阀座54之间的压力差作用的结果，而向阀座54传递较大的作用力。通过在阀座54和聚合物绝缘件64之间装一力或“压力”传感器63，燃料喷射和发动机运转时的其它活动可以被测量。本发明的这一方面表示在图9中。为此目的而特别常用的压力传感器是应力计和压电计，后者含有例如为石英和钛酸钡的压电陶瓷，和例如为聚氟乙烯(PVDF)的聚合物。在阀座54中的O形环可以由能够具有密封和压力传感器功能的材料构成。材料的变形产生的电压可以进行监测，以便确定从阀座54到喷嘴70的途中管道内的流体压力。由在燃烧室内的压力变化形成的轴向作用力也由在阀座54中的压电式O形环62A所检测。

通过在O形环的表面上使O形环62A形成掩膜和利用导电油墨形成涂层或喷镀NiCu电极图形，使得利用连接到外部控制器上的适当电缆能从组件取出电压信号。电极图形可以设计成，主要监测燃料压力的信号或强调取监测燃烧室压力的信号，或者可以设计成主要监测这二种压力。

为了监测燃料压力信号，最好在环绕O形环的最大直径或外径处设一金属化的电极以及在最小直径或内径处设另一相反的电极。由外侧电极取出的压电作用力信号送到在燃料喷射器40外侧的控制器。最好由一种适当的绝缘材料，例如烧结的氧化铝或其它陶瓷材料制成阀座54，然而已经可以利用粉末状涂敷用的和烧结的绝缘材料例如全氟烷氧基聚合物来涂敷金属座，以便使产生的绝缘涂敷层充分地与压力传感器信号电隔离。

在希望侧重监测燃烧室压力的情况下，为了在与绝缘件64的表面以及在阀座54中的O形环槽中的平行表面相接触的区域上附着相反的电极，最好掩蔽O形环。这种配置旨在电极之间产生用以监测由于燃烧室压力引起的轴向力的电压。

通过在上述两个位置之间大约半程附着电极来形成另一种电极图形，已发现这种图形对于燃料压力和燃烧室压力的监测是最好的。这样提供的信号基本上是用于监测燃料喷射和燃烧室中的过程。

由Pennualt Corporation Valley forge，PA 19842也可以得到各种厚度和直径的这种压电材料(PVDF)。已经发现，PVDF盘63可以很好地用作燃料压力和燃烧室监测器，该盘的外径尺寸就是在阀座54位置处的壳体44的孔径，是O形密封环的内孔径，如图所示，盘厚度约50微米。最好将电极附着到与阀座54和绝缘件64接触的表面上。

在采用压电盘63的情况下，最好选择制造绝缘件64的材料，以便使由燃料压力产生的作用力能产生足够的泊松位移，并且形成显著的轴向力和在传感器盘63上形成压电信号。在这种情况下，最好选择具有相对低的弹性模量的材料例如未填充乙烯的四氟乙烯而不是坚硬的材料，例如填充玻璃的聚苯撑硫。

压电传感器的另一种适合的形状是正的圆柱形，如在图9中所示位置65、67或69处表示的。可使用的圆柱形压电传感器尺寸为：外径6.35到25.4mm(0.25″(英寸)到1.00″(英寸))，标称壁厚0.51到1.27mm(0.02″到0.05″)，圆柱长达300mm或12″。这种器件可以从Atochem Sensors，P.O.Box799，Valley Forge，PA.19482专门订购。由通过管状空间61的燃料传递的压力和燃烧室压力循环都会使压电体65、67或69产生电信号。在燃烧室中的压力升降通过组成组件55、70、72和64传递，从而在传感器62A，63、65、67和69上产生压电信号。这样就能监测燃烧室，以确定运行状态，例如输入、压缩、产生动力和排放。按照燃料喷射和点火特性的检测结果确定接近上死点和活塞速度的趋势，使得燃料喷射和火花点火能迅速实现最优化。这种对于压力测量和确定活塞速度、燃料喷射、点火和燃烧特定的方案比常规的测量和控制方案，形成更快速和更综合的控制和使发动机工作最优化。

在运行时，力传感器63、力检测O形环62或例如为65的各传感器的监测是通过将它们的电极连接到适当的电路，测定压电信号来实现的。为了确定利用图9中所示的燃料喷射器和火花点火装置的综合形成的燃烧室的状态，而使用的其它适宜的压力传感器包括：

1.光纤器件，其中一干涉腔谐振器位于在光纤的端面和薄的反射硅基片芯片之间。芯片起一个膜片的作用，由于受不同的压力或由于周围材料的运动而挠曲或由于在燃料导管内的压力和燃烧室内的压力作用而变形。膜片的这种挠曲按照膜片半径的函数关系改变腔的深度并调节与压力相关的光的整个频谱的反射。利用这种光纤测量仪可以检测强度，频率、相位和偏振四种基本变量中的一种，以便检测压力。简单介绍强度调制，其中反射光的总强度代表燃料导管和燃烧室中的压力。这种器件的一个适当的来源是FiberOptic Sensor Technologies of Ann Arbop，Michigan。

2.多晶硅压电计量元件，通过化学方式蒸发沉积或分子键合法被粘接到一温度匹配的基片上，例如图2中的管60上，或座54的表面上。这种器件可以由Rosemount，Inc.of EdenPrairie，Minnesota，以及由Dresser/Ashcroft ofstanford，Connecticut得到。

3.电容传感器，具有双向发射极，利用光纤、灵活的(smart)或区域总线式(fieldbus)通信。全部型式的传感器都采用微电容硅传感器。这些器件可由Fuji Instruments，Ltd.of Tokyo，Japan得到。参阅图9，标号55代表光纤耦合结构。

4.陶瓷膜片，可以应用在电容压力传感器中。这种类型的压力传感器是适合的，可从Endress+Hauser Instruments ofGreenwood，Indiana买到。

5.调谐音叉测量仪，按照频率变化测定压力，这种压力传感器适于测量压电元件的固有频率。其可从Yokogawa Coporation ofAmerica in Newman.GA.购得。

6.光纤器件，其中反射光的强度由可压力变形的金属化镜调节。光纤的端部与具有用作可变反射器的反射表面的膜片相适配。膜片由于压力差或周围材料的运动而挠曲，这种材料由于燃料导管内部的压力以及由于燃烧室内部的压力而变形。膜片的这种挠曲按照膜片半径的函数关系改变反射光的光量并且调节与压力相关的光的整个频谱的反射。

在运行中，当燃料通向燃烧室时，传感器63根据孔61内部的压力增加产生信号。检测和确定燃料流的特性是重要的诊断步骤，以便保证以精确定时将燃料输送到燃烧室以及以最佳方式控制发动机。燃烧室的工作过程包括输入、压缩、分层次引入燃料、点火、燃烧和膨胀，由一个或多个压力传感器62A、63和65监测。最好利用基本工况趋近方案控制某些发动机，这些方案例如见由WadeO.Troxell在Manufacturing International’90.Atlanta 1990.3的“A Robotic Assembly Description Language Derived FromTask.achieving Behaviors“(由完成任务所需行为导出的机器人装置描述的语言”)中所公开的Neuronal Group Selection(神经元类选择)；以及由Tim Smithers和Chris Malcolm在DAIReserch Paper No 417，Edinburgh University，Department ofArtificial Intelligence，1989上公开的“Programming roboticassembly in term of task achieving behavioral modules(“按照完成任务所需行为模式工作的可编程机器人装置”)；以及由D.B..Killelson，M.J.Pipbo，和J.L.Franklin在SAE paper 892142in SP-798Gaseous Fuels：Technology and Emission(气体燃料：技术和排放)Society of Automotive Engineers，1989上的“DynamicQptimization of Spark Advance and Air-Fuel Ratio for a NaturalGas Engine”(对于天然气发动机的火花提前和空气燃料比的动态最优化问题)。这些参考文件在这里引用可参考。驱动割草机、摩托车和快速改变速度和负荷的手动工具是进行动态最优化的最好实例。

本发明的优点还在于有利于通过提供对运行工况和趋势的快速分析而与更多的传统的自适应控制技术相结合。这种燃料喷射和燃烧室的信息比先前的仪器提供了发动机运行工况的更直接和更即时的图象。利用各种即时的信息，对于燃料喷射和点火参数例如输入时间、压力和贯穿方式，可以实现极为快速的自适应控制最优化。这些参数可以利用发动机控制器管理，通过利用在富集燃料的混合物的输入的燃料的等离子体点火接着在远为过余的空气的状态下完全燃烧，可以产生很高的燃烧效率和最少的氮的氧化物，从而降低峰值燃烧温度、降低氮的氧化物，以及更快地完全燃烧使燃烧的产物完全氧化。在长时间运行负载和速度状态变化相当慢的发动机的情况下，本发明的应用最好结合自适应控制技术。其实例是牵引机车、驳船和飞机，其中发动机运行负载状态变化相当慢，其中两台或多台发动机可以连接到同一负荷上并要求速度匹配。将燃料流量与燃料流量相比较，引起在其它燃烧室的燃烧变化，以便在最少的燃料消耗和最少的污染排放的情况下产生最大的有效平均制动压力。除实现最优化以外，本发明提供极为快速的故障安全监测，以防止由于卡住打开的燃料控制阀而损坏发动机。例如，假若阀48或82卡在打开位置，则在61中的燃料压力不一致立即被检测到并鉴定出现不正常情况，如图10中所示要在由常规控制系统需要的很短的时间内利用控制器370切断燃料供应或开始降低压力。在其它的常规仪器可检测到曲轴速度变化之前会检测到过大的燃料流，这是极为重要的安全保障措施。

在对于电子式燃料喷射的常规控制系统中，在多缸发动机中一个卡住打开的燃料控制阀至少在曲轴和凸轮轴改变速度之前未被检测到，或许在检测到之前已转很多周。在本发明中，燃料压力一开始出现不正常就会检测到，控制器可以确定最佳的动作程序以便完成预期的操作机构的操作，体现最安全的性能。在下一个燃烧室进行校正的操作，准备进行燃料喷射、点火和产生动力。

本发明还能够确定工况的不一致，例如低油压。对于每个装置40的各个燃料过滤器的局部堵塞可以通过在这些燃烧室中延长燃料流动时间来补偿。本发明的这个方面能够早在利用常规的方法检测到发动机性能变化之前，对于系统的局部性能进行补偿或校正。通过直接将燃料喷射燃烧室，可以比利用先前的燃料管理方法(其中在发动机的输入系统中制备均匀空气/燃料混合物)快得多地实现校正运行工况、维持预期的发动机速度和转矩生成。

正如在图7和8中所示，从内燃机的排放气流中回收水。而水可以电解产生氢。任何适当的电解装置都可采用，包括能够产生氢和氧的混合物的。对电解技术的简要介绍可以在如下文章中找到：由M.Schrir，G.Lucier，J.a.Ferrante，和R.a.Huggins在Int.JHydrogen Energy，Vol.16，No6，pp373-378,1991上所著的“中等温度的水蒸汽电解”，可供参考。在由J.F.McElroy在pp282-285，FuelCell Seminar 1990.11上所著的“SPE Regenerative Fuel Cells ForSpace and Marine Applications”(“用于空间和航海应用场合的SPE再生式燃料电池”)中公开了一种电解装置，对于需要峰值发动机性能参数的机动车，在对该电解装置进行透平充电(turbocharging)时尽可能多地利用了排放的能量。最好采用图10中所示的装置，以便通过回收废热降低对电能的需求。

利用图9和10中所示所述仪器和自适应控制系统可以大为降低氮的氧化物的生成，这些仪器和系统用于监测在控制燃料输入速率和使峰值燃烧温度低4000°F的区部空气燃料比的条件下在过余的空气包层内的燃料富集区中的快速燃烧。控制燃料供给速率和点火时间可以将峰值温度限制到4000°F，并防止氮的氧化物例如NO的生成。本发明使得利用传感器62A、63或65检测的燃烧压力上升特性能够与利用适当的光导管55对峰值温度测定相关，该光导管55将燃烧室的光辐射传输到光探测器53。如图所示，例如纤维或同轴套筒55形式的石英、玻璃或蓝宝石的光导材料将由燃烧发出的光传输到光传感器53，以便监测作为燃料特性，传输压力，燃料传输速率、喷射时间和点火时间的函数的燃烧情况。这一信息可以用作单独的控制参数或与包括62、63、65、67和69的先前介绍过的其它传感器相结合。

借助如图10中所示的控制器370利用在图9中的装置中的一个或多个传感器62、65、53和/或55的反馈作用，能防止燃烧温度超过4000°F。在高输出的发动机中，要充分对在特定发动机中的每一种选择燃料的运行参数进行测定，利用功率计测试动力和排放特性以及包括由62A、63或65反馈的运行参数的安全包络线的发展，将这些参数与由电子控制器中的存储器中取出的数值按照标志图相比较，该标志图先前称为标志图A、标志图B等等。在限定的温度条件下按照整体空气过余分层次投料原理的燃烧实际上消除了氮的氧化物的生成。采用本发明的发动机可以实现最优化运行，使氮的氧化物最少同时达到最好的经济性。调节燃料喷射起始时间、燃料流速率、相对于燃料燃烧特性的点火时间、压缩比、燃烧室的几何形状和尺寸，使得能够产生最佳的结果，例如最少的氮的氧化物、最大的动力、最高的燃料经济性及最小的运行噪声。形成的燃烧温度、活塞速度、压力上升以及在排放物中出现氮的氧化物的反馈，都使得能够进行自适应控制，实现对发动机的精确控制。

用于检测燃烧室温度的适宜的光电传感器53包括光驱动的半导体器件例如光敏二极管、光敏晶体管和光敏电阻。最好将这些器件经过光导管连接到燃烧室。已经发现将这些器件53定位在位于绝缘保护体64内部的截头圆锥形的透光绝缘套管55的聚光点是适宜的，如图9所示。光导套管55延伸到燃烧室，如图所示，以便为传感器53集光。最好光导套管55由适宜的高温材料例如玻璃、石英或蓝宝石制成。最好利用内部连接件52A经过在绝缘件64中的槽把由燃烧室53产生的信号提供到控制器370，该槽与在50所示的相似，适宜的连接件52A与52相似，如图2和9所示。仪表连接件槽例如50A、50B、50C(与50和50A相似但未表示)用于传输来自53、62A、63、65和67的测量信号，这些槽最好按需要配置在适当的高度和在50和66之间的沿圆周旋转位置上，以易于将连接引线接到控制器370上。

在众多的机动车中，在起动时或在冷态发动机状态下，不希望排放的烟雾约占50％。可以利用电解或热化学再生作用产生氢并存储以备在冷启动状态下使用，防止产生污染。由内燃机产生的废热通常超过转变为轴做功的能量。这种废热可以用在吸热性电解或吸热的热化学反应或吸热的电化学反应，以便降低电解时对电能的需求。因此，在表3中所示的各种混合物材料的电解，例如水和氨就表明是一种吸热的电化学反应。图10表示一种用于高温电解的装置。在偏远地方特别是缺水的地方，或为了任何地方或气候下驱动方便，最好利用电解、热化学、电化学反应产生的水，这些水是利用如在图7和图8中所示的装置由燃烧式发动机的排放汽流中回收的。

在图10中的装置工作时，一般用活塞式发动机代表的燃烧式发动机300由压缩机302输入的气源工作。接着燃烧，排放的气体行进到圆柱形的电解装置304，用以加热该电解装置。来自适合来源的水，在与来自电解槽304的被升温的氢和氧在306中进行热交换之后，添加到电解槽304中。

利用施加到同心的正圆柱形的电极308和312上的电流在304内进行电解。半透性的膜制杯310将在其内部装有圆柱形电极308和312的同心的小室分开。共晶的NaOH和KOH盐为最里面的小室提供电解质，在该小室中，从管360到导管364添加水，以及同心的氧电极312位于该处。然而同样的电解质可以用在外侧小室，氢化锂、氯化钾、氯化钠和氯化锂形成适合的共晶盐电解质以用于周围的小室，同心的氢电极308位于该小室内。为了运行电解装置，177℃或350°F以上的温度(或最大排放温度)是适宜的。对水适合的电极材料是用于312的302型不锈钢，和用于电极308的镍屏蔽层。膜310可以由任何适宜的质子或氢离子可透过的材料，包括指定用于电渗析的例如以无机材料如陶瓷或金属为基础的材料制成，这些材料能耐氧化和耐氢脆。最好采用银钯膜片，其用作两个电极312和308的共同负电极，在这些情况都必须具有长的寿命。对于汽车应用场合，使用钯涂覆的铁-镍和铁-锰合金，例如奥氏体钢就足够了。

如图所示通过接线片320和316将正电压施加到每个电极308和312上。负电压加到接线片318上。最好利用几个电解装置，如图所示作为单元串联或利用同心的电极串联组装起来，以便为较高电压的系统例如12-240伏系统提供全负荷。每个电解单元约需为1.1到1.5伏，取决于工作温度。

电解装置304工作所需电力可以由一或多个车载发电机380产生，通过典型的输出端319、319A、319B等连接到318上，或者可以来自经整流的统一的网络电源(未表示)，当机动车停放在用于充电的设施处时使用。最好，在机动车减速过程中，利用由“制动”发电机380所产生的电力。举例来说，变换式的狄塞尔电力牵引机车可以利用车轮驱动机构的制动作用，将电力输送到电解装置304，回收制动能量。当希望减速时，采用再生式制动，这些发电机产生的电力用于电解装置304。这样就能以发动机燃料化学潜能的形式回收机动车动能，以便在需要推进动力时使用。除了轨道式牵引列车采用的形式之外，适于此用途的发电机包括标准的发动机驱动的交流发电机、驱动线路发电机以及装在机动车车轮上的专用的电动/发电机。当蓄电池适当充电时，在制动板受到作用时，最好将标准的或辅助的汽车发电机的输出利用控制器370施加到电解装置304上。这样，通过回收用于发动机燃料的制动能量，会提高机动车效率和改善性能。

在汽车应用场合，经常希望更新机动车中的发动机，这一般取决于所用的真空辅助子系统例如车轮或驱动线路制动、防风玻璃雨刷以及众多的其它设备。然而，由于输入系统不再产生真空，这样会对作为工作的优选方式的未经节流的空气的输入带来问题。最好在施加制动作用时，操作机构348控制气阀350，在线路356上产生真空，以有助于反映真空的辅助装置358动作，如图所示。利用适合的压力传感器355监测容器354中形成的压力，使控制器370能按要求确定阀门350的使用的频率和程度，以便在任何时候对于所进行的驱动方式都维持预期的压力差。止回阀357保持所积累的真空，如图所示。

例如，若使用真空助动的防风玻璃雨刷，则控制器370通过更频繁或更大范围地限制空气进入到发动机贯通阀350，会维持在354中所需的真空。在机动车停止或减速的过程中是使用阀350的优选时间。然而，当按照发动机动力、排放和燃料经济性需要为控制40所提出的最佳参数而维持安全驱动状态时，控制器370将保证阀350的使用。正常关闭的应急排放阀359，当需要时，使压缩机302卸载，直到更有效的操作重新开始时。在燃料压力不足时，例如燃料存储耗尽或燃料加压系统故障时，为了燃料能直接喷射到燃烧室中，最好动作阀门350，以降低空气进入发动机、降低压缩压力；假如这样还不能使发动机满意地工作，则在输入状态的过程中将燃料输送到燃烧室中。在很多发动机中，在输入状态的过程中燃料的输入可能与输送的燃料的数量成比例连续地动作阀门350，以便产生或多或少的单一的空气-燃料混合物，直到燃料压力恢复到足以能按照分层次布料的状态而进入较好的运行状态。

由电解装置304输出热的氢和氧，利用在热交换器组件306中预热输入的水来冷却。最好，将电解装置304用高温的石棉或类似的材料相隔离，以便在发动机停机之后几个小时使所存的电解质保持熔融状态。这样通过高温的电解作用保证以化学潜能的形式回收废热。氢加压存储在压力存储容器314中。

氢的存储压力由泵346维持的压力所决定。在典型的大约140大气压的存储压力下，使膜片310两侧的压力平衡。最好利用螺线管控阀322来实现相对于火花喷射器40的氢压力的调节，当压力低于设定点时阀打开，当压力达到设定点时阀关闭。如果需要，其它常规的压力调节器也可串联使用，但是最好至少利用一个故障保安调节器322。最好将压力调节器322定位在存储容器314内，如图所示，这样其就不会受到冲击和破坏，也不会损坏存储容器314，并万一受到冲击仍有故障保安作用。假如机动车受冲击，则空气袋或安全带会起作用，使故障安全阀322返回到正常闭合状态。压力调节的复原需要由操作者根据代表把燃料连续安全输送到火花式喷射器的信号进行操作。适当的操作是复归一个开关。

利用非峰值的电量来产生清洁传输的氢燃料，对于已有的发电容量是一种特别合适的方式，有助于解决空气污染问题。对于本发明的一个装置，非峰值的风、波浪、瀑布和其它形式的可重新利用的电力是特别希望的，当汽车停放时，汽车开始准备日常使用的氢。停放的汽车以手动的方式或自动的方式利用适当的接触线或感应耦合方式接到电源上。电解装置304的加热可利用加到电极316/318和320/318上的交流或直流电流，使其适当升温。

在达到预期的温度之后，直流电流加在电极308和312(正)及310(负)之间。起动泵346，将流体通过管364提供到中心小室304。泵346从331将流体输送到热膨胀器306到364，并在瞬间的氢存储压力下维持膜片310两侧的压力均衡。正常打开的螺线管控阀362动作到关闭位置，并且和与压力调节阀322相协调，立即打开以便通过使氧向发动机的入口放出，来维持瞬间的氢存储压力平衡。最好正常吸气的发动机将这些氧放入在尽可能接近燃烧室处的入口。停放车辆时最好使304的温度达到温度上限，使得当车辆开始运行时，即可对停车的能量进行变换来存储氢。通过对停放的机动车充氢系统进行编程就可以做到：车辆一停就使氢存储容器的充氢达到最大存储压力的大约10％之内，以便利用在304积蓄的热量产生效益。一种适合的可编程定时器是Grainger Stock No685。在接近编程的停放时间的预期的终点时，电解装置重新加热，容器充到指定的压力，以便至少准备在引入含碳的燃料之前对利用氢的发动机启动和加温。这种方式降低不希望的排放物达50％。很多驾驶员在交通信号为起停时，应当用氢运行机动车而不是使用矿物燃料。这种运行方式使不希望有的排放几乎降低50％。最好利用专用的所示水凝结式涡轮增压机来运行燃烧式发动机，该增压机由压缩机302、驱动轴324、涡轮式原动机(turbo-motor)、导叶(stator)328，涡轮式原动机(turbo-motor)330组成。凝结的水汇集在离心分离机332中并输送到容器331，如图所示。排放的气体沿螺旋形路径，如图所示(在断面334、336、338、340和342)，环绕电解装置304通过。这就将热量提供到电解装置304并有助于保温304。最终的绝热层(未表示)位于组件的外侧，以便保温。最好利用真空套隔热系统，像一老式保温瓶。排放的气体经过376进入大气，如图所示。预计在某些应用场合下，图9和10中所示的装置将结合图7或8中所示的装置使用。本发明通过提高燃烧效率实际上有助于任何燃料。图2-10中的装置可以独立使用，或者结合标准燃料计量设备，例如柴油喷射器、汽化器、节气门喷射器、和来自燃料管线392的节气口喷射喷射器390使用。在这一示例中，一般最好运行在“稀薄燃”状态，其对于火花点火是弱的。

虽然，一般最好按照分层次的原理燃烧所有的燃料，但已经发现，利用由图4-10中的装置产生和图9中的装置进行输送的氢惊人地提高了利用常规系统输送的更为不活泼的传统的碳氢化合物燃料的燃烧效率和动力额定值。这种方法特征在于，利用氢的点火作用的更为不活泼的常规燃料的燃烧甚至只需氢传输的热量的2％或以下。利用氢促进燃烧碳氢化合物燃料，使得燃料的燃烧比利用常规的火花塞方案要弱并增加分子裂解过程的速率(其中大的碳氢化合物分子分成更小的部分)。较小的分子部分的加快生成有利于增加表面-体积比，因而有利于暴露于氧，实现完全燃烧过程。表1中表示的对于甲烷-氢混合物的相似的改进是可能的，因为氢可用于激发其它碳氢化合物例如甲醇、乙醇、汽油和柴油的燃烧。这在稀薄燃状态下是特别有利的。最好在冷天起动、空转和在污染的城市中利用100％的氢，以及假如需要则要在更大的范围使用发动机燃料或氢-辅助增压的矿物燃料。

氢在过量的空气中燃烧产生水蒸汽和十分有限的NO_x，这取决于利用控制器370的最优化的目标来控制燃烧的峰值温度。当将氢用来替代汽油或柴油中的几乎任何一部分时，可以有利地降低排放物NO_x，CO₂，CO，HC_x和SO₂，以及各种颗粒。表1和表2表示了利用各种各样百分值的氢或其它燃料的采用本发明的由机动车排放的物质的比较。其表明相对少量的氢可以惊人地降低污染大气的排放物，并且实现严格的废气排放物限额。如表1所示，通过增加氢或发动机燃料的百分值可以满足极为清洁排放的要求条件。把氢用作到处都有的甲烷、天然气和沟道气的冷起动和行驶燃料是令人鼓舞的。为了用于废热发电和交通业，由垃圾埋藏和污水处理工厂汇集可重新利用的氢和甲烷的处理，可以取代使释放大量有害暖房气体例如甲烷和二氧化碳的常规废物垃圾处理。污染环境的成本很高的废物垃圾处理，由于清洁地燃烧可重新利用的氢和甲烷，且它们被汇集和上市，用于替代柴油和汽油，故可以变为一个获益的中心。

因此应当理解，本发明的各个目的完全而有效地实现了。然而应认识到，所表示和介绍的上述特定的优选实施例是为了说明本发明的功能和结构原理，其中的改变并没有脱离这种原理。因此本发明包括在如下权利要求的构思和范围内所拥有的所有改进。

表1排放物测试简况

测试或标准	排放物，    克/英里(mile)*
					RHC1	CO	NOx
5％氢，95％甲烷2	0.06	1.6	0.38
				50％氢，50％甲烷2	0.03	0.4	0.23
100％氢2	0.0	0.0	0.18
				加利福尼亚TLEV3	0.125	3.4	0.4
加利福尼亚LEV4	0.075	3.4	0.2
				加利福尼亚ULEV5	0.040	1.7	0.2

附注：1 RHC＝反应的碳氢化合物

        2通过火花喷射器40喷射的％氢

        3平移的低排放机动车(CARB)

        4低排放机动车(CARB)

        5超低排放机动车(CARB)

       ^*CARB加利福尼亚大气资源局

       ^*在大气压力下

表2：燃料燃烧特性

燃料	燃烧下限值	燃烧上限值	低热释放(BTU/Ib)	高热释放(BUT/Ib)	空气-燃料比	燃烧速度(Ft/Sec.)
							氢	4％VOL	75％VOL	51,593	61,031	34.5LBS/LB	30,200
一氧化碳	12	74.2	4,347	4,347	2.85
							甲烷	5.3	15	21,518	23,890	17.21	4,025
乙烷	3	12.5	20,432	22,100	16.14	4,040
							丙烷	2.1	9.4	19,944	21,670	15.65	4,050
丁烷	1.8	8.4	19,679	21,316	15.44	4,060
							苯	1.4	7.1	17,466	18,188	13.26	4,150
甲醇	6.7	36.5	7,658	9,758	6.46	3,900

乙醇	3.2	19	9,620	12,770	8.99	4,030
							辛烷			19,029	20,529	15.11	4,280
己烷	1.18	7.4				4,200
							汽油	1.0	7.6	18,900	20,380	14.9	4,010

表3：发动机燃料生成

反应物	原料	发动机燃料
				甲醇-乙醇	CH3OH＋C2H5OH＋H2O→	3CO＋6H2	方程式1[1]
甲醇-烯丙醇	CH3OH＋C3H5OH＋2H2O→	4CO＋7H2	方程式2
				甲醇-丙醇	CH3OH＋C3H7OH＋2H2O→	4CO＋8H2	方程式3
甲醇-丁醇	CH3OH＋C4H9OH＋3H2O→	5CO＋10H2	方程式4
				乙醇-戊醇	C2H5OH＋C5H11OH＋5H2O→	7CO＋14H2	方程式5
甲醇-酚[2]	CH3OH＋C6H6O＋5H2O→	7CO＋10H2	方程式6
				144标准单位乙醇	C2H5OH＋H2O→	2CO＋4H2	方程式7
“黑”甲醇(130标准单位)	C＋H2O＋CH3OH→	2CO＋3H2	方程式8
				甲烷-水蒸汽	CH4＋H2O→	CO＋3H2	方程式9
汽油湿甲醇[3]	C8H18＋CH3OH＋8H2O→	9CO＋19H2	方程式10
				狄塞尔湿甲醇	C9H20＋CH3OH＋9H2O	10CO＋21H2	方程式11
氰基乙酸[4]	C3H3NO2＋H2O→	3CO＋2.5H2＋.5N2	方程式12

氨	2NH3→	N2＋3H2	方程式13
				氢氧化氨[5]	2NH4OH→	N2＋3H2＋2H2O	方程式14

附注：1.方程式1表示根据木质纤维材料的干馏和淀粉的发酵，可利用更大的生物体醇例如甲醇产率。相当多的水留在粗酒精中以降低精炼费用

      2 对在部分地精炼生物燃料和煤焦油燃料中的各种化合物都是典型的。

      3 “汽油”对于各种成分例如十一烷、癸烷、壬烷、辛烷、庚烷、己烷、戊烷、苯、甲苯、和(有时)燃料酒精的混合物是典型的。

      4 对各式各样氰碳化合物和氰-有机化合物都是典型的。

      5对各种氨化合物都是典型的。

表4催化材料系统

金属基体材料	催化材料	Ag*	Cu*	Zn*	Sn*	Si*	Mg*	Cd*	Al*	T.S.PSI	Y.S.PSI	ELG.％	Melt°F
														-	合金片	-	95％	5％	-		-	-	-	30000	10000	40
-	合金片	-	80％	20％	-	-	-	-	-	38000	12000	52
														-	合金片	-	70％	30％	-	-	-	-	-	40000	11000	85
-	合金片	-	70％	28％	2％	-	-	-	-	53000	22000	63
														-	合金片	-	60％	35％	1％	1％	-	-	3％	58000	25000	45
Fe*2	热浸涂敷	-	57％	42％	1％	-	-	-	-	-	-	-	1640
														Cu*3	热浸涂敷	45％	15％	16％	-	-	-	24％	-	-	-	-	1135
Al*4	热浸涂敷		3％	6％	-	5％	60％	-	25％	-	-	-	940
														Fe	热浸涂敷	7％	48％	38％	1％	1％	1％	2％	2％				1485
Fe*1	热浸涂敷	10％	60％	25％									1205
														Fe	热浸涂敷		22％	48％		1％		2％	2％				1120

附注：*＝催化剂的成分

*¹＝加5％磷

*²＝Fe＝低合金和不锈钢

*³＝Cu＝包括黄铜、青铜和蒙乃尔合金

*⁴＝Al＝铝合金

热浸涂敷处理可能需要不活泼的，真空的，或氢的炉内气氛。

Claims (16)

1.一种燃烧式发动机，所述燃烧式发动机包括一燃料喷射器，用于将所选择的燃料直接喷射发动机的燃烧室，该燃料是由含氢的各种液体和包括甲烷和氢的气体燃料构成的组合中选择的，所述燃料喷射器具有用于从燃料喷射和燃烧室中各种过程参数检测信息的装置，该过程参数是由压缩、燃料压力、燃料流动周期、点火、燃烧、膨胀、排放和输入构成的组合中选择的；所述发动机还包含控制装置，用于响应于所述检测的信息调节所述发动机的运行。

2.如权利要求1所述的燃烧式发动机，其中所述控制装置是一种自适应控制器，用于使从一个组合中选择的各种过程参数最优化，该组合包括：氮的氧化物生成最少、热效率、动力生成、发动机平稳度和燃烧温度控制。

3.如权利要求1所述的燃烧式发动机，其中所述的检测装置是压电传感器。

4.如权利要求1所述的燃烧式发动机，其中所述的检测装置是光纤传感器，利用传感器的操作，根据从一个组合中选择出的工作参数，检测所述过程参数，所述工作参数组合包括：强度、频率、相位，偏振。

5.如权利要求1所述的燃烧式发动机，其中所述的检测装置是电容传感器。

6.如权利要求1所述的燃烧式发动机，其中所述的检测装置测量所述过程的固有频率。

7.如权利要求1所述的燃烧式发动机，其中所述的燃料喷射器包括一个适合的装置，用于当燃料进入所述燃烧室时点火该燃料。

8.一种用于运行内燃机的方法，该内燃机按照输入、压缩、产生动力和排放各周期部分工作，具有一个燃烧室，该方法包含的步骤有：使含氢的原料燃料利用所述发动机产生的热量与水作用，生成含游离氢的发动机燃料，所引入的基本数量的流体原料是由包括空气、原始燃料和在所述燃烧室的输入周期部分期间进入所述燃烧室的发动机燃料的组合中选择的，在所述燃烧室的加压周期部分期间将基本数量的发动机原料喷入所述燃烧室，使所述的发动机燃料进入点火过程，点火方式是从包括热表面点火、催化点火、火花点火和交流火花点火的组合中选择的，其中所述点火过程基本上发生在发动机燃料喷射所述燃烧室的位置处，在该处使所述空气和所述喷射的发动机燃料点火。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述火花点火包含从在所述燃烧室中的发动机燃料喷射位置基本上径向扩展的多个火花。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述火花点火时间基本上发生在所述发动机燃料产生等离子体时间之内，等离子体受激发足以使与在所述燃烧室内的空气相接触的所述发动机燃料点火。

11.如权利要求8所述的方法，其中所述火花点火时间基本上发生在空气中产生空气的等离子体之时，等离子体被激发足以使接触所述空气的等离子体的所述发动机燃料点火。

12.如权利要求8所述的方法，其中在所述初始燃料中的氢通过化学反应与碳相化合，将施氧体引入所述原始燃料，因此产生除包含游离氢以外还包含一氧化碳的发动机燃料。

13.一种燃烧式发动机，包括：一个燃料喷射器，用于将由含氢的各种液体和包含甲烷和氢的气体燃料构成的总和中选择出的燃料直接喷射到发动机的燃烧室；所述发动机还包括控制装置，用于对在所述发动机的输入系统中的阀门装置进行控制，以便产生真空，该真空用于以动力形成真空的辅助装置，该辅助装置是由包括推拉元件，旋转装置、动力制动器、动力操作窗、防风窗雨刷、动力控制座位，前灯盖、座位调节器、震动和颠簸调节器、空调输送装置和传动齿轮选择装置的组合中选择出来的。

14.如权利要求13所述的燃烧式发动机，其中所述的燃烧式发动机是涡轮机。

15.如权利要求13所述的燃烧式发动机，其中所述的燃烧式发动机是斯特林型发动机。

16.如权利要求13所述的燃烧式发动机，其中所述的燃烧式发动机是旋转式热机。

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