本发明涉及内燃机技术领域，尤其是涉及一种无烟冷燃烧自热蒸汽催化重整转化与内燃机卡诺循环耦合形成的以氢气为主体的合成气燃料发展称为类氢内燃机。

　　全球石油资源日趋短缺，而汽车消费不断攀升，在找到终极替代能源之前，全世界汽车厂家、能源公司以及政府都在探索延缓石油危机爆发的中间路线。

　　二十世纪初，英国剑桥大学就提出在发动机中采用燃油渗水技术。1981年国际燃烧协会第一次会议把燃油掺水作为三大节能环保技术措施之一提出。其节能环保机理是乳化柴油中水粒子汽化微爆使混合燃料表面比增加了104倍，燃烧温度降低，抑制nox的生成，油燃烧更完全，但由于乳化柴油没有动力学稳定性而没有推广应用。其中的水没有直接参与燃烧反应，乳化柴油把水带入内燃机内形成高温蒸汽排出，带走了大量的潜热和显热，所以掺水量不能超过百分之二十，超过百分之二十后，内燃机热效率会明显降低，发动机点火将变得困难。

　　一种更高效更清洁地利用石油资源烃类蒸汽重整技术自二十世纪六十年代迅速发展起来，为石油资源的利用开辟了更广阔的空间。蒸汽转化重整是指蒸汽与石油烃类反应产生co、c02、ch4、h2和未转化反应物组成混合物的过程。自热重整技术最早由sba和basf在二十世纪30年代首先提出。此合成气已广泛应用在化学工业诸多领域，是创造化学工业和燃料生产灵活性的关键，在能源转化中发挥着越来越大的作用。其中油制气是早期应用，1912年巴斯夫(basf)获得第一个用镍催化剂单管转化炉专利，1961年是烃油蒸汽重整技术取得工业化突破的一年，欧美国家利用石脑油蒸汽转化重整技术成为民用燃油气生产关键技术。

　　我国1965年建成日处理20t/d的中间试验装置投入运行，成为我国民用燃气供应模式。国际科技界公认的油制气烃类蒸汽转化重整的机理是在有催化剂参与下利用含氧物质水蒸气的氧进行碳氢键、碳碳键的断裂，即称为“氧解”，生成一氧化碳或二氧化碳，h20被裂解脱出h2，形成包括co、c02、ch4、h2的合成物。在中石化出版社2017年1月第1版的烃类蒸汽转化制氢装置技术问答一书中的第7页记载有，当蒸汽和轻油气的摩尔比为2.5～6.0,反应温度为450°～900°，压力为1.5～3.mpa,在有催化剂条件下，得到的转化合成气组成中：h2为70～80％，(体积)完美体育wmco为7～8％，c02为10～15％，ch4为3～8％。

　　一种新型电力装置，燃料电池是在阳极发生蒸汽重整生产出富氢合成气，氢气在阳极发生电化学氧化过程，在阳极发生燃料蒸汽重整反应与电化学反应的耦合，形成燃料电池。对汽车用的10～50kw小型燃料电池包括外重整和内重整两种，技术选择上主要是操作简单以及加速启动时间短、瞬时响应性能满足汽车动力特性要求。燃料电池实验实践证明：燃料蒸汽重整转化形成富氢合成气的启动瞬间响应性能，能够达到汽车使用要求，消除了我们在内燃机应用此项蒸汽重整技术在启动瞬间响应性能方面的担忧。

　　无焰燃烧类氢内燃机与先进的内重整燃烧电池的比较:本发明是乳化柴油燃料部分氧化自热烃类蒸汽催化转化重整工艺生产富氢合成燃料与热能转化机械能卡诺循环的耦合。燃料电池是燃料蒸汽转化重整工艺生产富氢合成气，与氢氧在阳极发生自由能直接转化成电能的电化学反应耦合。两者有相同关键环节，就是燃料蒸汽转化重整，氢燃料的加工工艺系统，都是燃料蒸汽转化重整制氢反应器理念的特殊发展，均属於氢能的形成、利用的两个特殊发展。区别在于，本发明是氢燃料热能与卡诺循环耦合，燃料电池是氢氧自由能与电化学反应耦合。

　　现有技术中，国内外的内燃机都是采用传统燃烧方式把柴油或汽油的化学热能转化为机械功。传统燃烧方式有由于涉及自由基气相引发，空气中的n2会参与燃烧反应生成nox，而nox是毒性很大的污染物，同时，产生柴油或汽油燃烧过程中生成的碳颗粒、碳氢化合物和一氧化碳，造成环境污染。

　　本发明的目的在于提供一种无焰燃烧类氢内燃机，以解决现有技术中存在的采用传统燃烧方式把柴油或汽油的化学热能转化为机械功时发生高碳高污染，造成环境污染的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果(结构简单、成本较低、节约能源)详见下文阐述。

　　本发明提供的一种无焰燃烧类氢内燃机，包括本机，本机的原位燃料是一种多元乳化柴油，它是蒸汽转化重整反应物烃油类和水预先配制合成的产品，本机的燃烧室采用分段多床结构的催化剂反应床，在催化剂反应床上经过蒸汽重整一系列热化学反应，形成以h2为主体的包括co、c02、ch4等组分的合成气燃料，本机的主位能源；由此把水引入燃料系统，在本机的膨胀冲程内把乳化柴油的燃烧、膨胀做功与合成气燃料的形成、燃烧膨胀做功相互融合，合二为一，把蒸汽重整生产富氢合成气工艺与卡诺循环耦合，由此把高碳高污染的传统内燃机转化成富氢低碳的类氢内燃机。

　　优选地，所述燃烧室的第一段设置有第一组催化剂涂层，按照内燃机正常工作规律，喷入的所述乳化柴油中的烃类在催化剂涂层毫秒级地停留就能在催化剂涂层和氧双重电子引发下发生无焰冷燃烧着火放热，使机内具备蒸汽转化重整反应的条件，蒸汽重整转化产生的氢是合成气中氢的主要来源，即乳化柴油中的水成为燃料的主体之一。

　　优选地，选用的催化剂具有无焰燃烧氧化、脱氢贮氧、重整功能的第一组催化剂，为fe系列和ti系列过渡金属高价氧化物以及经过原子调控的钨金属氧化物复合稀土超细粉均匀混合后形成的复合金属涂层，所述燃烧室内还设置有第二组催化剂涂层，所述第二组催化剂涂层包括有为三氧化钨和al2o3的混合物、镧系稀土元素和过度金属复合氧化物掺混纳米级tio2稀土粉复合涂层；根据反应床参与热化学转化反应的需要，从所述第一组催化剂涂层和所述第二组催化剂涂层中有选择性确定几个品味的催化剂，原子结构均做适当调控，按比例分别合成形成多元金属协同催化的制取催化剂反应床的涂层。

　　优选地，所述本机的燃烧室包括汽缸盖的副燃烧室、活塞顶部的主燃烧室和气缸套内设的活塞在气缸套的孔道内往复运动时上止点到下止点位置均匀刮出三条互成120°的浅槽，所述浅槽的面积为所述气缸套圆柱形孔道内表面面积的70％，呈均匀分布在三个区间内，所述浅槽深度由催化剂涂层的高度决定，气缸套的孔道内壁除三条所述浅槽，其余部分互成120°，均布三条圆弧形与活塞接触的平壁表面为活塞往复运动的导向面，所述导向面与所述浅槽内催化剂涂层表面的间距为3-7μm，以保证活塞运动时不会损伤催化剂涂层表面；除三条互为120°的导向面外，其余表面均采用分段多床结构涂覆催化剂，其中主、副燃烧室、汽缸盖至活塞运动上止点位置之间的气缸套环形表面、汽缸盖内侧表面、活塞顶表面为第一段，浅槽由活塞上止点到下止点位置均分上、中上、中下、下四段，上为第二段、中上为第三段、中下为第四段以及下为第五段；依据各段催化剂反应床所处位置及相对应的燃烧阶段的热化学反应特征，设计预期目标，对各阶段正向放热燃烧和逆向吸热重整反应的热力平衡的控制要求，达到排放更清洁目标，从两组催化剂中有选择性的确定几个品味，对其原子结构适当调控，按比例匹配均匀混合，形成多元金属协同催化，同时还要确定多床结构协同催化的影响，根据多床结构协同催化效果来次之决定每个反应床的涂层成分。

　　优选地，活塞顶部主燃烧室内壁周边表面呈螺旋形状，自顶面螺旋线到相对应的底螺旋线渐进式平滑过渡，与垂向面呈30°夹角，在燃烧膨胀冲程内爆炸燃烧的燃气气流在此螺旋壁面的挤压迫使下燃气形成螺旋式运动扫过气缸套表面，螺旋方向与进气螺旋方向相同，使燃气混合气与催化剂反应床有良好的吻合，并造成与多床接触形势，提高多床结构协同催化效果，与每个反应床的多元金属协同催化相互配合，改善催化效果，提高综合反应速率。

　　优选地，本机所使用的石化原油或其制品油和水纳米乳化配制合成的一种多元多品味乳化柴油，其中水的质量比达到50％左右，石油烃类的质量比低于35％，其余助料的质量比份15％左右。

　　优选地，本发明适用于新产品制造，也适用于已有的汽车、船舶、农机、发电机组旧发动机的更新改造，为我国2.5亿辆保有的民用汽车和全世界正在行驶的10亿辆传统汽车向绿色汽车过度提供便捷、经济、优质的更新改造的新技术。

　　优选地，把纳米乳化柴油技术、催化燃烧蒸汽重整技术、传统内燃机技术综合结合创新发展而来，本机采用的原位燃料是纳米乳化柴油，在催化剂的参与下与内燃机卡诺循环耦合，蒸汽经“氧解”重整热化学转化反应，形成以h2为主体的富氢合成气燃料，其中h2的主要来源是水蒸汽，由此把水转化成燃料的主体之一，把高碳高污染的传统内燃机转化成富氢低碳类氢清洁型内燃机，推动了内燃机领域氢燃料的加工和燃烧做功新理念的形成和发展，成为更清洁、更高效地利用石油资源的一项技术；由于乳化柴油与化石柴油的理化特征相近，所以乳化柴油的供应、运输、储存系统完全可以继承目前在市场上已形成商业化的化石柴油的供应、运输、储存系统，从而圆满解决了氢的供应、运输、储存所存在的疑难问题。

　　优选地，还包括控完美体育wm制装置、缸内燃料喷射阀，所述控制装置与所述缸内燃料喷射阀相连接，所述本机内设置有位置传感器，所述位置传感器的触头能感应所述本机内的活塞的位置并能将采集到的所述活塞的位置信息传送给所述控制装置，所述控制装置能根据所述活塞处于的不同位置来控制所述缸内燃料喷射阀喷射燃料的速率。

　　本发明提供的一种无焰燃烧类氢内燃机，包括本机，本机内设置有燃烧室，燃烧室内的原位燃料为一种多元乳化柴油，乳化柴油从燃油系统的高压泵喷入燃烧室中压力剧降，其中油包水粒子发生失压汽蚀急速汽化；温度突升，沸点低的水先沸腾汽化当水膨胀压力超过油表面张力之和时，水蒸气冲破油膜束缚，发生微爆形成二次雾化，使油滴粉碎成细小的颗粒，细小的油颗粒与空气接触的总比表面大大增加，在催化剂反应床上经过无焰燃烧蒸汽重整一系列热化学反应，形成以h2为主体的包括co、c02、ch4等组分的合成气燃料，由此把水引入燃料系统，在本机的膨胀冲程内把乳化柴油的燃烧、膨胀做功与合成气燃料的形成、燃烧膨胀做功相互融合，合二为一，把蒸汽重整生产富氢合成气工艺与卡诺循环耦合，由此把高碳高污染的传统内燃机转化成富氢低碳的类氢内燃机。

　　为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

　　图中气缸盖1包括副燃烧室1-a1、内表面1-a2；活塞2包括主燃烧2-b1、活塞顶面2-b2、主燃烧室底表面螺旋线l、活塞顶表面螺旋线l、主燃烧室螺旋形周边内壁2-b3；气缸套3包括园柱形孔道内表面3-c、浅槽3-c1、导向面3-c2。

　　为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

　　如图1所示，本发明把无焰燃烧类氢内燃机的燃烧室定义为由气缸盖、活塞2和气缸套3组成，包括汽缸盖1中的副燃烧室1-a1、活塞2顶部的主燃烧室2-b1和由汽缸盖1的内表面1-a2、活塞2顶面2-b2、气缸套3圆柱形孔道内表面3-c由活塞2上止点位置到下止点位置均匀刮出三条互成120°的浅槽3-c1，浅槽3-c1的面积为气缸套3圆柱形内表面面积3-c的70％，气缸套3的孔道内壁除三条浅槽3-c1外，其余三条互成120°的平面为气缸套3圆柱形内孔表面3-c面积的30％，是活塞2运动的导向面3-c2，浅槽3-c1深度由催化剂涂层的高度决定，保证催化剂涂层表面与导向面3-c2之间有3～7μm的距离，使活塞2运动不会破坏涂层表面。在本机燃烧室内除导向面3-c2外，其余表面均涂覆催化剂，采用均向分段多床结构涂层，共分五段：第一段包括主燃烧室2-b、副燃烧室1-a1及汽缸盖内表面1-a2至活塞2运动上止点位置的气缸套3内孔环形表面，气缸套3的浅槽3-c1由活塞2运动上止点到下止点位置均匀分成四段为上、中上、中下、下四段，上为第二段、中上为第三段、中下为第四段以及下为第五段；图2中a-f所示为直喷式柴油机，g、h为分隔式燃烧室，其中活塞2顶部空间为主燃烧室2-b1，位于汽缸盖1内为副燃烧室1-a1。

　　本发明把主燃烧室2-b1的周边内壁表面自顶面2-b2l螺旋线l螺旋线之间呈螺旋形状的周边内壁面2-b3垂向面有30°夹角，此螺旋形壁面在燃烧膨胀过程燃气收到挤压导向产生绕气缸套3圆柱孔形表面螺旋旋转运动，螺旋方向与进气螺旋方向相同，使其燃气流扫过多个催化剂反应床，增加燃气混合气与催化剂接触的吻合时间，提高多床结构协同催化效果，与每个床的多元金属协同催化相互配合，改善催化效果，提高反应效率。

　　下面结合内燃机的正常循坏、工作规律，进一步说明乳化柴油技术、蒸汽自热催化转化重整促使传统内燃机转型发展成类氢内燃机的过程。

　　本机的原位燃料为纳米乳化柴油，它是原油或其制品油和水纳米乳化配置合成的多元乳化柴油，是烃类蒸汽催化重整反应物烃油和水预先纳米乳化合成的产品，其中水的质量比分高达50％左右，由此把水引入燃料系统内；本机的燃烧室呈分段多床结构布置，采用具有氧化、脱氢贮氧、重整功能催化剂，烃类蒸汽在催化剂反应床上“氧解”反应脱出h2来，形成以h2主体的合成气燃料，其中h2的主要来源是水蒸汽，与卡诺低环耦合把传统内燃机转化为类氢内燃机，水转化为燃料的主体之一，推动了内燃机氢燃料的加工和燃烧做功新理念的形成与应用的发展，其中，物理化学反应过程可以综合为：

　　1.最初合成气燃料的形成：按传统内燃机正常循环工作规律，自内燃机压缩冲程末期，即活塞2接近上止点时，乳化柴油借助喷油装置喷入气缸中，此时气缸中压缩空气的温度达到600℃左右，压力约为4mpa，喷入的乳化柴油雾化颗粒直径约为2-20μm，乳化柴油的油包水颗粒在汽缸中突然失去压力，发生二次雾化(微爆)。乳化柴油在经历雾化、二次雾化、与空气中的蒸汽混合，在汽缸中接受辐射热和传导热后形成汽缸中最初的水蒸气、烃油气和空气中的氧气混合形成最初的合成气燃料。此时，乳化柴油的喷入量为总量的35％-45％。

　　2.无火焰燃烧阶段：乳化柴油在汽缸中的水汽化和水蒸气转化反应过程主要是吸热反应。

　　气缸中的温度、压力降至300℃，2mpa左右，合成气燃料在第一段催化剂涂层上毫秒级停留就能在第一段催化剂涂层作用下和空气中的氧气两重电子交换(置换反应)，引发无火焰冷燃烧放热，从而使燃烧室内具备烃油蒸汽裂解转化重整制氢的充分条件和必要条件，促成自热蒸汽裂解转化重整反应和变换反应形成以co、c02、ch4和h2为主的富氢合成气燃料，h2和co的产量都很高，与600-700℃时蒸汽裂解转化重整制氢反应相同，h2迅速参与燃烧，随之温度上升到1000℃左右，由此走出烃类蒸汽转化和变换反应制h2为核心技术关键的第一步。

　　3.以h2为主体的合成气燃料形成的热化学反应阶段、乳化柴油部分氧化、蒸汽自热催化裂解转化反应的主要内容：

　　3.1烃类热裂解：所有烃类的稳定性都随温度升高而下降，热裂解就是烃分子在高温下产生裂解反应，由于反应温度不同，反应程度不同，反应产物也不同。

　　在同一系列中随着c原子数增多，不稳定增加，热裂解反应能力越强，在高温下继续裂解成气体，在很高温度下裂解成c、h2，热裂解反应生成物与水蒸汽反应(水煤气反应)：

　　3.2催化裂解(蒸汽转化)：在有催化剂条件下，气体烃和液态烃转化为co、c02、h2，反应式如下：

　　3.3部分氧化：部分氧化主要是利用含氧物质蒸汽和氧作为氧化剂使燃料油与氧进行氧化反应，生成以h2为主体和co、c02、ch4组成的合成气燃料。

　　活塞2接近上止点，气缸容积变为最小，压力急剧升高，为了适当降低最高压力，把常规此时喷入燃油总量的40％-50％的一部分移至第三阶段缓燃期。

　　急燃期的特征是喷入的乳化柴油同时燃尽，即同步燃烧，同时以氢气为主体的合成气燃料的形成也进入急产期，并随着同步燃烧，膨胀做工，呈现乳化柴油的同步燃烧、膨胀做功与合成气燃料的形成，相互融合，合二为一的局面。乳化柴油的急剧燃烧、合成气燃料急剧形成，合成气燃料急剧燃烧，气缸压力急剧升高，控制系统控制缸内燃料喷射阀的乳化柴油喷入量适当减少、放热反应和吸热反应综合平衡的结果，最高压力和最高温度略有降低、并且平滑推迟最高压力点的到达位置。

　　第三阶段缓燃期：本机的急燃期将延续到传统内燃机的缓燃期，此时，活塞2下行加速，气缸容积增加，但由于气缸内压力和温度已接近最高值，此时的乳化柴油的喷入量为总量的15％-25％，包括再生蒸汽在内的蒸气裂解、转化重整。反应速率增至最佳，放热反应速率高，在多元协同高效催化的支撑下，乳化柴油高效燃烧、膨胀做功和合成气高效形成，高效率燃烧、膨胀做功相互融合，相互推动下，促使气缸内压力、温度仍然能平滑升高至最高点，发生位置由上止点后8°延伸至12°左右，最高温度略有降低，降至1500-1700℃，发生在最高压力点位置之后，nox产量能明显减少，在膨胀冲程内，由于氢气的燃烧特性，气缸内的压力维持较高水平，明显提高膨胀冲程的平均有效压力，在缓燃期结束，喷入的乳化柴油燃尽。

　　第四阶段后燃期：总燃料已全部燃尽，但仍有蒸汽转化和变化部分的热化学反应的延续，可燃合成气的形成、燃烧膨胀做功拖至膨胀后期，此时气缸内温度和总蒸汽量处在最高时期，有利于高碳烃类在高温时热裂解时析出的碳的清除变换和蒸汽转化反应。在第二催化剂和第一催化剂的共同作用下，析出碳的清除、变换反应和蒸汽转化反应：

　　还有可能伴随甲烷化反应，合成气燃料是此时唯一的化学放热反应，由于氢气的燃烧特性是：易快速均匀混合，易正常燃烧、滞燃期最短，最大燃烧度是烃类的三倍，在后燃期合成气的燃烧，膨胀做功能有效提高平均有效压力，而排气温度和排气压力不变，所以后燃期的合成气氢气燃烧能有效提高发动机的功率。

　　综上可知，本发明把纳米乳化柴油技术、催化燃烧蒸汽重整技术、传统内燃机技术综合结合，本机的原位燃料为纳米乳化柴油，它的基料为原油或其制品油和水纳米乳化配置合成的多元乳化柴油，水的质量比分高达50％左右，是烃类和蒸汽催化转化形成以h2为主体的合成气燃料的反应物，预先纳米乳化合成，由此把水引入燃料系统。在本机的燃烧室采用分段多床结构的催化剂反应床，其采用的催化剂为目前通用的烃类蒸汽转化制氢的fe系列和ti系列过渡金属高价氧化物，在所设计的催化剂反应床上烃油无火焰燃烧烃油气蒸汽发生自热转化重整的热化学转化反应是毫无争议的，反应所形成的以h2为主体的合成气燃料成为本机的主位能源。上述三项技术巧妙结合的实质就是在内燃机内由无火焰燃烧引发实现部分氧化自热蒸汽催化裂解转化(“氧解”利用含氧物质水蒸汽中的氧进行烃油类气碳氢键、碳碳键的断裂生成一氧化碳或者二氧化碳，水蒸汽被裂解脱出氢气重整)形成h2、co、c02、ch4，其组分以为h2主的合成气燃料，在膨胀冲程内实现乳化柴油的燃烧、燃烧膨胀做功相互融合，合二为一，把催化燃烧蒸汽自热催化裂解转化重整热化学转化反应与内燃机核心技术卡诺循环综合结合(完美耦合)，创新发展成低碳富氢清洁型内燃机，推动了内燃机氢燃料加工和燃烧新理念的发展。

　　以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。