本发明涉及内燃机和利用这种内燃机提供动力的机车的改进 运行。

在地球上大约每11个人就有一个辆电动机车。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。对这些发动机试图通过将燃料注入或混合汽化进 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，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氮的氧化物是有害的。当按照单一 供料“微弱燃烧”运转增加空气对燃料比会将氮的氧化物的生成提 高到该达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已采用的技术包括老式的狄塞尔发 动机装置，其依靠将燃料直接注入燃烧室。这种技术的特征在于， 压缩空气以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。直接注入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，这是由于比相等动力额定值的火花点火发动机需要大约两倍以 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 相比需要更大的曲轴、更大的毛轮、更大的发动机缸体、更大的轴 承、更大起动电动机、更重的运行蓄电池、更大的轮胎、更重的弹 簧、更大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、热处理和加工狄塞尔发动机要消耗更多的能量。其它的困难(如 果不是不可克服的难题)包括：

1.狄塞尔发动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.狄塞尔发动机非常难于转换生成氧化的燃料(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。狄塞尔发动机 需要规定的高级十六烷航空燃料(狄塞尔燃料)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重新衡量 发动机，因为烟雾化的燃料占用一部分注入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狄塞尔发动 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，如果在 压缩周期期间不会损害压力上升，以便避免不起作用以及避免在产 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高约为7的十六烷 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 量损失很大。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.在较长冲程、较高压缩和较大支承表面的狄塞尔发动机中， 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。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所需要投资要更多。

用于将火花点火和分层次投料燃烧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产生或直接将燃料 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 in Technology Review Vol.II；Society of Automotive Engineers，New York，NY10017，1967，pp343-357上所著的，“燃料 注入和可靠点火-在狄塞尔发动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 Conference Proceedings，Fuel Economy and Emission of Lean Burn Engines，1 Mech E Conference Publications(微弱燃烧 的发动机的燃料经济性和排放，(机械E会议出版物)；Mechanical Engineering Publications，Ltd，London，1979；Institute of Mechanical Engineers Conference Procee dings，分层布料式发动 机，1 Mechanical Engineering Conference Publications 1976；Mechanical Engineering Publications Ltd.，London，1977“直 接注入分层次布料的旋转燃烧式发动机设计的最新发展Curtiss- Wright，by Jones，Chorles；Lamping，H.D；Myers，D.M.；and Lloyd，R.W.，SAE International Automotive Engineering Congress and Exposition，Paper No.770044，Feb.1977；Society of Automotive 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，SAE Technical Paper Series No 820347；Society of Automotive Engineers，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.，NASA Technical Memorandum 83429，AIAA-U3-1340；National Aeronautics 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伴随使活塞速度 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 活塞速度范围从惰转到全额动力变化，由于在燃烧室内的输入空气 的速度变化很宽和涡流的影响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物按照恒定火花点火，燃 料由燃料注入器定向朝火花源移动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，这是由于努力使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 为了保证可靠点火适宜地输送等离子体的能量。

5排放变化范围很宽，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，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.；and Pepko，L.L.；SAE Paper No 720052，Socity of Automotive Engineers， 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，它们在排放的气流 中进行催化清洁处理是容许的。

为了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。催化气流重整轻的碳氢化合物包括天然气、煤焦油以及液态石 油制品，这是目前为了得到氢可利用的最贵的方法。在热态发动机 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.；Jet Propulsion Laboratories and California Institute of Technology，Pasadena，CA.1974著“部 分氢注入内燃机对排放和燃料经济性的影响”；由Finegold，Joseph G.，Mokinnon，J.Thomas，and Karpuk，Michael，E.June 17，1982， Hydrogen Energy Progress IV，pp.1359-1369著“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.，Department of Chemical and Biochemical Engineering，University of Pennsylvania， Philadelphia，PA，19174；Industrial Engineering Chemical Process Development，Vol，15，No.1 1976著“利用化学循环由水制氢”； 由Gregory，D.P.，Institute of Gas Technology“作为未来燃料的 氢”；由Houseman，John and Cerini，D.J.，SAE Paper No 740600， Society of Automotive Engineers，New York，NY；著“用于局部氢注 入I.C发动机的车载氢发生器”；由Kester，F.L.，Konopta，A.J.，and Camara，E.H.，I.E.C.E.C.Record-1975，PP 1176-1183；著“车载汽流 重整甲烷成为燃料。汽车氢发动机”；由Lynch，F.E.，Hydrogen Energy Progress IV，June 17，1992，pp 1033-1051，著“平行感应：一 对于氢发动机的简单的燃料控制方法”；由Mac Carley，C.A.，and Van Vorst，W.D.，International Journal of Hydrogen Energy，Vol. 5，No 2，Mar.31，1980，PP.179-205.著“用于以氢作动力的I.C发动机 的电子燃料注入技术”。

通过将氢添加到碳氢化合物，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。

除了动力运输机车之外，内燃机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与利用转轴能量同时包含就地利 用由发动机排出的热量，以便减少总的能量消耗并对环境的污染降 低40％到75％。这样的系统通常由内燃机、废热回收热交换器， 以及驱动负载例如发电机或热源压缩机，在交换器中冷却套的水与 排放气体进行热交换，并有饮用水安全接口。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。最后所述问题推论得出：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 一种用于控制热机的方法来实现这一目的，包含的步骤有通过以热 化学反应使由热力发动机排出的废热再生，至少一种含氢和碳的常 规燃料主要利用废热量与施氧体反应，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热机。

本发明的另一个目的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顶部固定中心位 置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 如果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，将该发动机燃料注入到内燃机的燃烧室内，燃烧该燃料以 便产生比如果单独燃烧该燃料时，更多的膨胀产物。

本发明的另一个目的是利用流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，基本上在燃烧室的顶部固 定的中心位置处注入燃料，直到由于存储料量耗尽存储压力降低 时，然后在压缩之前陆续注入燃料，以及然后燃烧室的输入位置距 燃料存储系统范围更易变大。

本发明的另一目的是提供一种用于控制热机的方法，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 机燃料注入热机的燃烧室，以便同时燃烧更多的有活泼的或较慢燃 烧的燃料。

本发明的一个目的是提供方法，装置和过程，用于监测热机的 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 接将燃料注入到燃烧室，以便使排放的例如氮的氧化物，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，该燃料已经与从另一个源来的燃料的燃烧一起注入到燃 烧室。

本发明的一个目的是提供热机的快速故障保安控制。

本发明的一个目的是使热机的燃料输送、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，用于热机的燃料。

本发明的一个目的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热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热机的机动车中 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在对空气 污染敏感的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。

在对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注入发动机的 燃烧室并点火的装置的纵断面图。

图3是为了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，将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一散热片组 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汽流中回收 能量和废水。

图8表示用于从内燃机的排放汽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注入热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热机连同用于动力产生、能量 回收、动力加速的控制系统以及相关操作的示意图，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，以便产 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 度通常代表有量的数值，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数值的降低如箭头18所示。由于传热 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24上，以便降低从22到26的排放气体 的能量和由于温度增加使达到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)。这些温度根据在申请中包含的发 动机的压缩比和运转方式。

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之间设有一个热交换器。 取决于预期的热交换的程度，降低发动机燃料的温度多少接近发动 机冷却系统的温度并且因为热降低因数减少了能够按显著降低的 成本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 料注入和火花点火装置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，本发明适用于狄塞尔发动机，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注入器的结 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，并且在燃烧室里对于提供动力的周期需要增加压力之前防止 该燃料进入燃烧室。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，迫使 管阀组件48由座54中的孔口分开，如图所示，该座最好是一高密 注模的陶瓷，用于将在阀门48中的金属元件与喷嘴组件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54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 使得能对燃烧室温度和压力状态响应于与发动机加速度检测一道 的来自52、53、55、62、63和69的信号进行自适应控制，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推动自动关闭阀的线状杆78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比对于先有技术注入器来说是 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、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注入的燃料。

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，燃料对准在顶部固定的中心处的 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 准位置在顶部固定的中心稍后处的活塞边缘。提供了机会使得在起 动状态动力产生实现最佳，其中燃烧常规的燃料例如天然气、汽油 或狄塞尔燃料，但在产生发动机燃料之后，形成极为有益的运转方 式，比采用常规的燃料注入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 形成明显角形的尖端，以便降低放电电压和在产生等离子体期间的 温度。出于同样的目的，如图所示，最好形成带有明显角形尖端的 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，以及比从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。先有技术的狄塞尔燃料注入器和由美国专利1401612、 3173409、3830204、3094974、331650和4967708预期的注入 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现代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 升高的温度，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、点火引起的对于各种元件的火 花侵蚀。这是由于覆盖在70、90、82或83的阀门座表面上的催 化剂造成的。适合的催化剂包括铂黑、镍黑、铂、钯、锇、铱、镍、 氧化镍以及相变(transition)金属的金属间化合物例如钒-铜- 锌。按照公式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注入的时间以及点 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成最少。

为了利用常规燃料清洁地起动，尖端82和83可以除以氧化 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。通过促进在环绕尖端82和83周围区域内初期一氧化碳的形 成，整个燃烧反应迅速进行，深入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。一些应用场合的例如为医院、 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能结合热的表面促进点 火。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，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 点火效率和火花注入器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。由于增加压力差根据这种压 力差在引入状态期间活塞必须运作，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更晚的 注入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，由于不产生负功，大为改进每种燃料值的 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。本发明便于刚好在顶部固定的中心(TDC)之后注入和点燃 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。热力发动机100可以是任何一种热力发动机例如燃气轮机、包 括埃里克森和施密特型的旋转燃烧、外部燃烧的斯特型 (stirling-type)发动机；或者是一种内燃机，例如用某一种适合 的膨胀器例如活塞128和杆形组件131以及输入阀门118和排放阀 门120所表示的。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、汽油或狄塞尔燃 料。液体燃料存储的环境压力最好是利用泵104加压到所需的燃料 注入压力，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，冷却的燃料 输送到三通阀108并经过管线110、三通阀112、管线114和燃料 注入器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％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 可以更快地起动从而保证油压的形成。在发动机起动后，注入和点 火时间前移以便形成最佳状态。

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，以防止在油加压前将燃料注入， 通过利用一种适当的手动泵或电动泵来实现。

直接注入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。从而大为降低部件重量，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。图10中所示的适当的微 处理机370通过瞬间监测油压，温度、振动和其它重要的仪器便于 安全运行，假如发动机没有润滑油或发生其它故障可保证紧急停 机。

存储在102中的压缩气体燃料的压力比存储器压要低并调节到 预期的输送压力。最好基本上为顶部固定的中心位置直到存储箱 102近于放空再经过116注入燃料，燃料压力降低低于预期的输送 压力。本发明提供的注入燃料的步骤是基本上在燃烧室的顶部固定 的中心位置，直到由于存储的储量排空使存储压力降低时在压缩周 期之前逐渐地注入燃料，然后进入燃烧室的输入位置，以便于通过 提供最佳方式更大范围从燃料存储系统注入，以便利用存储的燃料 的最后部分。在注入燃料和监测利用图9所示的火花注入器40A中 的仪器62A、63或65指示的燃烧室的状态之后，根据所得到的燃 料存储压力对于陆续的注入和点火过程使注入和点火的时间实现 最优化。当燃料存储压力成排空状态时，注入的时间从近于顶部固 定的中心朝向底部固定的中心移动，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。

发动机用气体输送到三通阀122并经过管线114和燃料注入器 116引向发动机。最好采用如在图2和图3中所示的燃料注入器和 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 各平行的管状通道，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公式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。 如表所示，范围广泛的各种合金以及表面涂有铁、铝和以铜为基的 片状结构都是可行的。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镀敷或热浸 涂覆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 由于在扁平管道内部流体引起的压应力。还可预先考虑由于多次镀 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，重要 的是指出，本发明利用锌和铜的催化用合金或在固体溶液中的包含 锌和铜的涂层，同时对醇类、有机溶剂和水具有或多或少不均一的 脱氢作用。据认为一系列的中间反应决定了在公式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，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，允许进行冷加工形成引起湍流的图形结构，例如波纹形成交 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， 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，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，其还用来将发动机用气体输送到热交换器部分以及燃 料注入器116。在考虑附加安全报警的场合，最好利用例如为 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，0.187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形成在一个组件中的热交换器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。最终的热量进入机协车的机车，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 燃料对温度和压力状态要监测。如果温度和压力在预定的限值之 内，阀门112受控“打开”，允许来自热交换器部分154的燃料流 到燃料注入器116。阀门112对来自154的液流“关闭”但对来自 泵104的液流“打开”，保证发动机启动以及在部分154中形成预 期的温度和压力之间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，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。通过直接注入和火花点燃 液态燃料在发动机处于冷状态期间本发明保证很好的燃料经济使 用和最少散出。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 更多的能量用于矿山、研磨机、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 化或多路注入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 发明通过直到在燃烧室内部的燃料注入结束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狄塞尔燃料不 够精炼和较价廉的原料，包括在表1-3中所示的天然气、粗酒精 以及粗氨水。利用狄塞尔燃料和汽油可实现使用范围和热效率的显 著改进。

例如为天然气、煤气、丙酮、甲醇、乙醇、丙醇、丙烷、丁烷、 氨和丁醇都是对于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增强剂的性质。存在于煤或生物体原料中的 水连同与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，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玻环性的析 出，可以明显地减轻能量紧张的状况。本方法和装置便于利用天然 气、湿燃料酒精、水溶性的或酒精溶性的有机化合物，由表1和表 2所示的说明性的反应产生的发动机的废热如下：

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中的方程式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，以便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 物还将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 在燃烧室作为分层气体燃料并进行火花点火。

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 将能量紧张程度降低30-50％。

另一个问题关于每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 转用了相当大的通气(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，因为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，由于存在更多的空气，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，通过来自 采用本发明的热力发动机中的排放气体的水蒸汽的凝结可以提供 未满足要求的水。形成由热力发动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 之与相似，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 由热力发动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，其中汽车排放的成分添加 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)，排放 物与大气的热交换将有大约80°F的变化。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和由排热翅 片260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 附加功并离心加速凝结的水朝向用于将水通过管268输送到箱102 的汇集罩266。

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，新提供的原料行进进入热化学 反应器144的最冷的区域。在燃烧室内的发动机燃料的注入和点火 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)262涡轮抽出。 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，按传统方式选择，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顶部固定的中心时，发动机燃 料注入并燃烧，比如果采用常规的燃料作为单一的装料或者如果注 入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％以上能量的发动机燃料)

CO+3H2+2O2产生CO2+3H2O

(1摩尔CH4产生4摩尔膨胀产物)      方程式21

本发明提供一种利用比压缩微小颗粒更多的膨胀产物的微小 颗粒的周期。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。

在希望减少热态发动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。这种作用通过对用于排放气体膨胀到环境 压力的输出引导器涡轮262选择尺寸可以加强。在燃气轮机的应用 场合这点是特别有益的。

通过再生利用发动机的废热由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 动机燃料的燃烧其特征在于氢的极快燃烧的特性迫使一氧化碳完 全燃烧与过余空气反应产生二氧化碳。变换式发动机的改进过程的 效率包括：

1.发动机燃料比燃烧原料燃料多产生约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块约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顶部固定的中心位置或其 之后。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。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 作的重工况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一定温度下和热交换器256的热输入的状 态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通到火花注入器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注入器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 体经过很短的时间(t1)通过阀270到热交换器274，然经很短时 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保证对发动 机燃料到非变换的反应物的比率的控制。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的发动机燃料均匀地与经过 阀270旁通的反应物蒸汽相混合。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。在不需要采用排放物驱动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。 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由在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 而不是汽油或狄塞尔燃料火焰燃烧的状况。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要提供的能量增加。与常规的运转状况相 比较，通过直接注入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， 通过对发动机燃料控制本发明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，但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、旋转燃烧 式和具有2和4冲程结构的活塞发动机。

一个适当的聚合物管61例如四氟乙烯管，如图所示使如图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，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，燃料注入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。为此目的特别常用的压力传感器是应 力计和包括例如石英和钛酸钡的压电陶瓷，聚合物例如为聚氟乙烯 (PVDF)。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。可以设计电极图形，强调取监 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 监测这二种压力。

为了监测燃料压力信号，最好环绕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注入器40外侧的控制 器。最好由一种适当的绝缘材料制成阀座54，例如为烧结的氧化 铝或其它陶瓷材料，然而已经可以利用粉末状涂敷用的和烧结的绝 缘质例如余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，已发现对于燃料压力和燃烧室压力这种方式是最好的。这 样提供的信号基本上是用于监测燃料注入和燃烧室中的过程。

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制的 盘63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，该盘很好地用作 燃料压力和燃烧室监测器。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。以便形成 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″)，圆柱长高达300mm或12 ″。这种器件可以由Atochem Sensors，P.O.Box799，Valley Forge， PA.19482专门订购。由通过管块空间61的燃料传递的压力和燃烧 室压力形成周期都会使压电体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，确定运行状态，例如输入、压缩、产生动力和排放。按照燃 料注入和点火特性的检测结果确定接近顶部固定的中心的点和活 塞速度的趋势，使得燃料注入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、燃料注入、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 传感器被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。为了确定利用图9中所示的燃料注入器和火花点火装置 的综合形成的燃烧室的状态，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。芯片的作用是一个膜片，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Fiber Optic 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 Eden Prairie，Minnesota， 以及由Dresser/Ashcroft of stanford，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。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，可由Endress+Hauser Instruments of Greenwood，Indiana。

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。其由Yokogawa Coporation of America in Newman.GA.可购得。

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，例如由Wade O.Troxell 在Manufacturing International’90.Atlanta 1990.3的“A Robotic Assembly Description Language Derived From Task.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Neuronal Group Selection(神经元类虽选择)； 以及由Tim Smithers和Chris Malcolm在DAI Reserch Paper No 417，Edinburgh University，Department of Artificial Intelligence， 1989上的“Programming robotic assembly 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 892142 in SP-798Gaseous Fuels：Technology and Emission(气体燃料：技术和排放)Society of Automotive Engineers，1989上的“Dynamic Qptimization of Spark Advance and Air-Fuel Ratio for a Natural Gas 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最好进行动态最优化的实例。

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 速分析与更多的传统的自适应控制技术相结合。这种燃料注入和燃 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即时 的图象。利用各种即时的信息，对于燃料注入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相当慢变化的发动机的 情况下，最好本发明的应用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相当慢地变化，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，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中所示要在很短的由常规控制系统需 要时间内利用控制器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。

在对于电子式燃料注入的常规控制系统中，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，一开始燃料 压力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，准备进行燃料注入、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发动机性能变化之前 利用常规的方法就能检测到，对于系统的局部性能进行补偿或校 正。通过直接将燃料注入燃烧室，可以比利用先前的对燃料的管理 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)能 够更快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，由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.Schriber，G.Lucier，J.a.Ferrante，和R.a.Huggins在Int.J Hydrogen Energy，Vol.16，No6，pp 373-378，1991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，Fuel Cell Seminar 1990.11上所著的“SPE Regenerative Fuel Cells For Space 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。最好通过回 收废热采用图10中所示的装置，以便降低对电能的需求。

通过利用图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 如为石英、玻璃或以纤维或同轴套筒55形式的蓝宝石的光导材料 将由于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、注入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反馈的过行参数的安全包络线的形 成，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。调节燃料注入起始 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 都使得能够进自适应控制，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。取出由燃烧室53产生的信号最好利用内部连接件 52A经过在绝缘件64中的槽提供到控制器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。测量连 接件槽例如50A、50B、50C(与50和50A相似但未表示)用于 通过来自53、62A、63、65和67的测量信号，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 连接引线接到连接件370上。

在近于50％的众多的机动车在起动时或在冷态发动机状态下 不希望排放烟雾。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表示一种用于升高温度的电解装 置。在远方地方特别是缺水的地方，或为了在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，这些水利 用如在图7和图8中所示的装置由热机的排放汽流中回收的。

在图10中的装置工作时，利用活塞式发动机一般代表的热机 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盐为最小的小室 提供电解质，该小室从管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，对于周围的 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， 同心的氢电极308位于在该小室内。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302型不锈钢，对308为镍屏蔽层。膜310可以由任何适宜的质 子或氢离子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，其用作对于两个电极312和308作为共同负电极， 在这些情况都必须具有长的寿命。对于汽车应用场合，例如钯涂覆 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302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。每个电解单元需约 为1.1到1.5伏，取决于工作温度。

电解装置304工作所需电量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所产生的电量。举列说，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，以便将电量输送到电解装 置304，回收制动能量。当希望减速时，采用再减式制动，这些发 电机产生的电量用于电解装置304。当需要推进动力时、这样就能 按照以所用发动机燃料化学潜能的形式回收机动车动能。除了利用 轨道式牵引列车采用的形式之外，适于此目的发电机包括标准的发 动机驱动的交流发电机、驱动线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。这样会提高机动车效率和通过回收制动能量利用 发动机燃料来改善性有。

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，对于作 为工作的优选方式的未经节流的空气的输入这样会带来问题。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，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，以使控制器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。自动关闭阀357限制所形成 的真空，如图所示。

例如，使用真空助动的防风玻璃雨刷，控制器370将通过更 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，当关于发动机动力、排放和燃料经济性为控制40按 所提出的最佳参数需要维持安全驱动状态，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，例如由于 燃料存储耗尽或燃料加压系统故障，为使燃料能直接注入到燃烧室 中，最好动作阀门350，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，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，直到燃料压力恢复足以能按照 分层次布料的状态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中的 预热输入的水所冷却。最好，将电解装置304与高温的石棉或类似 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。这样通过升高温度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来实现相对于火花注入器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全用。假如机动车受冲击，空气袋或 安全带会起作用，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燃料连续安全输送到火花式注入器 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，使其适当变温。

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由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一点处的入 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，即准备许可对停车的能量进行变换来存储氢。通过对停放 的机动车充氢来编程就可以做到，车辆一停马上氢存储容器充的氢 就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 No 685。 接近编程的停放时间的预期的终点，电解装置重新加热，容器充到 指定的压力，至少准备启动并且在含入含碳的燃料之间对利用氢的 发动机加温。这种方式降低不希望的排放物达50％。对很多驾驶 员在交通信号为起停时，机协车应当用氢运行而不是使用矿物燃 料。这种过行方式使不希望有排放几乎降低50％。最好利用专用 的所示水凝结式涡轮增压机来运行热机，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)机330。凝结的水汇集在离心分离 机332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。已预计在某些应用场合下，图9和10中所示的装置将与结合 图7和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 计量设备例如狄塞尔燃料注入器、汽化器、节气门注入器和节气口 喷射注入器例如来自燃料管线392的390使用。在这一示例中，一 般最好运行在“微弱燃烧”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中的装置产生的氢和图9中的装置进行输送 惊人地提高了燃烧效率和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的价值评估为由氢传输的 热量平均为2％或以下。利用氢以便同时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一体积比，因而有利于面临于氧，实 现完全燃烧过程。表1中表示的对于甲烷一氢混合物的相似的改进 是可能的，因为氢用于激发其它碳氢化合物例如甲醇、乙醇、汽油 和狄塞尔燃料的燃烧。这在微弱燃烧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％的氢以及假如需要对 于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NOx，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 用来替代汽油或狄塞尔燃料中的几乎任何一部分时，降低有价值的 排放物是NOx，CO2，CO，HCx和SO2，各种颗粒也是可能的。 表1和表2表示了利用了各种各样百分值的氢或其它燃料采用本发 明时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，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。对于微弱添充的甲烷、 天然气和沟道气，将氢作为冷起动和行驶燃料是令人鼓舞的，对于 利用废热发电和交通业，通过由垃圾埋藏和污水处理工厂进行处理 汇集可重新利用的氢和甲烷，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可以被取代。污染环境的成本很高的 废物垃圾处理，由于清洁燃烧可重新利用的氢和甲烷被汇集和上市 作为替代狄塞尔燃料和汽油，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排放测试简况 测试或标准 排放，           克/升 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：1RHC＝反应的碳氢化合物

      2％氢通过火花注入器40注入

      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

表2：燃料燃烧特性 燃料 下燃烧 限值 上燃烧 限值 低热释放 (BTU/Ib) 高热释放 (BUT/Ib) 空气-燃 烧比 燃烧速度 (Ft/Sec.) 氢 4％VOL 75％VO L 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+C2H5O H+H2O→ 3CO+6H2 方程式1 甲醇-烯丙醇 CH3OH+C3H5O H+2H2O→ 4CO+7H2 方程式2 甲醇-丙醇 CH3OH+C3H7O H+2H2O→ 4CO+8H2 方程式3 甲醇-丁醇 CH3OH+C4H9O H+3H2O→ 5CO+10H2 方程式4 乙醇-戊醇 C2H5OH+C5H11  OH+5H2O→ 7CO+14H2 方程式5 甲醇-酚 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 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 C3H3NO2+H2O → 3CO+2.5H2+.5 N2 方程式12 氨 2NH3→ N2+3H2 方程式13 氢氧化氨 2NH4OH→ N2+3H2+2H2O 方程式14

附注：1.方程式1表示由对本质纤维材料的破坏性的蒸馏和淀 粉的发酵，利用生物体醇产生例如甲醇，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， “汽油”

      4对各各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 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，或氢，炉内加热， 环境气体。