CN102844544B - 热力发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种热力发动机及使用其的发电系统，该热力发动机能够不排出二氧化碳、氮氧化物并且使结构简化。为了解决上述课题，本发明所涉及的热力发动机是内燃机(1a(1b))，其具备：用于向燃烧室内取入氢氧气体(或者与现有燃料的混合气体)的燃料取入口；在规定的时机对燃烧室内的氢氧气体(混合气体)进行点火的火花塞；与点火前后的燃烧室内的压力变化对应地运动的活塞；将活塞的运动转换为输出轴(7)的旋转运动的运动转换机构。

Description

热力发动机
技术领域
本发明涉及热力发动机及使用该热力发动机的发电系统。 
背景技术
一般来说，2冲程引擎或4冲程引擎那样的内燃机使汽油、重油、轻油、天然气等化石燃料与空气的混合气体在燃烧室内燃烧，利用燃烧室内的压力变化而产生能量。即，由于现有的内燃机利用化石燃料与空气两者而产生能量，因此用于调整构成混合气体的化石燃料与空气的混合比、以及送入燃烧室内的混合气体的量的机构是不可缺少的。作为此类机构，例如具有汽化器、燃料喷射装置。 
另外，燃气轮机那样的外燃机使被压缩机压缩的空气与化石燃料的混合气体在燃烧室内燃烧，利用由此得到的高温气体从燃烧室强势排出时的能量而转动涡轮，从而从涡轮的旋转轴获取能量。即，与现有的内燃机同样，现有的外燃机也利用化石燃料与空气两者产生能量。 
在上述内燃机及外燃机(以下，通称“热力发动机”)中，当使混合气体燃烧时，产生不少二氧化碳(CO2)。例如，在化石燃料为汽油或天然气的情况下，如下述反应式所示，分别产生16CO2、3CO2的二氧化碳。 
2C8H18+25O2→18H2O+16CO2
C3H8+5O2→4H2O+3CO2
并且，由于空气的70％以上是氮气，因此当使混合气体燃烧时，在产生上述二氧化碳的同时也产生氮氧化物(NOX)。 
从热力发动机排出的二氧化碳是地球变暖的一个因素，给地球环境带来深刻的负面影响。并且，规定值以上的氮氧化物除了成为光化学烟雾、酸雨的原因之外，还对人体的呼吸系统造成不良影响。因此，特别是近年来，用于降低上述物质排出的研究、开发得以积极进行。 
此外，上述的现有技术是本申请的申请人所知晓的一般技术信息，在 提交本申请的时刻，申请人并不具有关于记载了上述现有技术及其他在先技术的在先技术文献的信息。 
发明要解决的问题 
根据经过上述研究、开发所得到的技术，能够在一定程度上减少产生的二氧化碳及氮氧化物的量。然而，在使用化石燃料作为燃料的条件下，不能完全不产生二氧化碳、氮氧化物。 
另外，如果将氢作为燃料来代替化石燃料，则能够完全不产生二氧化碳、氮氧化物。然而，与现有的热力发动机同样，此类热力发动机需要用于严格调整氢与空气的混合比、向燃烧室内取入空气的复杂机构。 
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其课题在于提供一种热力发动机及使用该热力发动机的发电系统，该热力发动机能够不排出二氧化碳、氮氧化物，并且省略用于向燃烧室内取入空气或调整燃料与空气的混合比的机构使结构简化。 
用于解决问题的方法 
本申请发明人为了解决上述课题而多次深入研究，其结果是发现如下情况，即，如将含有比例为2∶1的氢与氧的“氢氧气体(作为一例，列举出日本专利第3975467号公报所公开的氢-氧气体。氧原子与两个氢原子不是以水分子那样约105度(参照图1(A))结合、而是以180度(参照图1(B))结合)”作为燃料使用，则能够同时解决上述两个问题，从而完成了本发明。 
即，本发明的第一发明所涉及的热力发动机是内燃机，所述内燃机具备：燃料取入口，该燃料取入口用于向燃烧室内取入燃料；火花塞，该火花塞对燃烧室内的燃料进行点火；活塞，该活塞与点火前后的燃烧室内的压力变化对应地运动；运动转换机构，该运动转换机构将活塞的运动转换为输出轴的旋转运动，所述热力发动机的特征在于，所述燃料是通过由以180度结合的氧原子与两个氢原子构成的分子形成的氢氧气体，并且所述热力发动机不具备用于向燃烧室取入空气的机构及用于向燃烧室取入现有燃料的机构。 
由于氢氧气体原本含有氧，因此在燃烧时无需与空气混合。并且，由于氢氧气体由氢与氧构成，因此通过燃烧产生的是水或者水蒸气。由此，根据该结构，能够完全不排出二氧化碳和氮氧化物，并且能够省略用于调节空气与燃料的混合比或向燃烧室内取入空气的机构，从而使结构得以简化。并且，由于该热力发动机不需要空气，因此即使在真空中或水中也能从输出轴获取能量。 
在此，本说明书中的“现有燃料”一词表示在现有的热力发动机中通常使用的燃料。例如，“现有燃料”除了汽油、重油、轻油、天然气、天然气、灯油(煤油)、喷射燃料、以及火箭燃料等化石燃料之外，还包含氢等。 
上述第一发明所涉及的热力发动机还可以具备供纳米级的雾状水向燃烧室内喷射的水喷射口。 
根据该结构，由于与氢氧气体一同燃烧的雾状水的体积通过水蒸气爆发而形成为约1700倍，因此点火前后的燃烧室内的压力变化变大而能够获取更大的能量，并且与同时采用现有燃料的情况同样，也能够抑制氢氧气体的使用量。 
上述第一发明中的燃料取入口将燃料以例如直接喷射方式直接喷射到燃烧室内，并且可以是起到止回阀及安全阀的作用的阀。 
上述第一发明所涉及的热力发动机优选构成为如下方式，即，在启动之后的固定期间内，燃料取入口不向燃烧室内取入燃料，或者火花塞不对燃料进行点火。 
根据该结构，能够防止因积存于燃烧室内的空气与新取入的氢氧气体的混合气体燃烧而引起刚启动之后的聚爆。 
另外，本发明的第二发明所涉及的发电系统的特征在于，所述发电系统具备上述第一发明所涉及的热力发动机、以及与该热力发动机的输出轴连接的发电机。 
根据该结构，通过使用第一发明所涉及的热力发动机，能够完全不排出二氧化碳、氮氧化物，或者能够抑制排出量，并且产生环保的电力。 
上述第二发明所涉及的发电系统还优选具备：电力转换装置，该电力 转换装置将发电机产生的第一电力转换为所期望的第二电力；控制单元，该控制单元对发电机或电力转换装置的输出电压或输出电流、或者输出电压与输出电压这两者进行检测，并基于检测的结果使燃料的量及火的时机变化。 
发明效果 
根据本发明，能够提供不排出二氧化碳、氮氧化物且简化现有结构的热力发动机及使用该热力发动机的发电系统。 
附图说明
图1中，(A)是示出水分子的结构的示意图，(B)是示出氢氧气体的结构的示意图。 
图2是本发明所涉及的内燃机的剖视图，(A)(B)分别是作为一例的2冲程引擎、4冲程引擎的剖视图。 
图3是示出图2的内燃机及其周边装置的一个实施方式的框图。 
图4是作为本发明所涉及的外燃机的一例的燃气轮机的示意图。 
图5是示出包含内燃机的本发明所涉及的发电系统及其周边装置的一个实施方式的框图。 
图6是示出包含外燃机的本发明所涉及的发电系统及其周边装置的一个实施方式的框图。 
具体实施方式
以下，结合附图对本发明所涉及的热力发动机及发电系统优选的实施方式进行说明。此外，以下，虽然举出2冲程引擎以及4冲程引擎作为内燃机的一例而进行说明，但内燃机的形式也可以使用被称作转子的回转式活塞的回转式发动机等其他形式来代替曲柄机构。并且，以下虽然举出燃气轮机作为外燃机的一例而进行说明，但外燃机的形式并不局限于此。 
[内燃机的结构] 
图2(A)是作为本发明所涉及的内燃机的一个实施方式的2冲程引擎。如图所示，内燃机1a具备：用于向燃烧室2内取入作为燃料的氢氧气体的燃料取入口3；在规定的时刻对燃烧室2内的氢氧气体进行点火的火花 塞4；与点火前后的燃烧室2内的压力变化对应地在上下方向进行往复运动的活塞5；由将活塞5的往复运动转换为输出轴7的旋转运动的曲轴等构成的运动转换机构6。 
燃料取入口3例如可以设置成向燃烧室2内直接喷射氢氧气体的直接喷射方式。并且，在将现有的汽油发动机、气体发动机作为本发明所涉及的内燃机利用的情况下，也可以将进气歧管(空气取入口)作为燃料取入口3，在燃烧室2内形成负压时所需量的氢氧气体被自然地取入到燃烧室2内。 
在该内燃机1a中，在活塞5下降的状态下，从燃料取入口3向燃烧室2内取入氢氧气体，利用活塞5的上升压缩氢氧气体。然后，被压缩的氢氧气体被火花塞4点火而膨胀(压力升高)，从而活塞5被压下。然后，该活塞5的动作经运动转换机构6传递到输出轴7，从而输出轴7进行旋转。此外，膨胀的氢氧气体形成为水蒸气或水而从排出口8排出。 
图2(B)是作为本发明所涉及的内燃机的一个实施方式的4冲程引擎。与内燃机1a同样，内燃机1b具备：用于向燃烧室2内取入作为燃料的氢氧气体的燃料取入口3、火花塞4、活塞5、运动转换机构6、输出轴7、及排出口8。此外，内燃机1b还具备用于调节通过排出口8从燃烧室2排出的气体的量的排出阀9以及使活塞5的动作与排出阀9的开闭动作连动的同步带10。燃料取入口3例如可以设置成向燃烧室2内直接喷射氢氧气体的直接喷射方式。并且，在燃料取入口3与燃烧室2之间设置与活塞5的动作连动地进行开闭的未图示的燃料取入阀(图2(B)中与排出阀9对应的构件)，由此可以调节通过燃料取入口3向燃烧室2内取入的氢氧气体的量。 
在该内燃机1b中，当活塞5下降时，通过从燃料取入口3喷射向燃烧室2内取入氢氧气体，当活塞5上升时，压缩燃烧室2内的氢氧气体。被压缩的氢氧气体被火花塞4点火而膨胀(压力升高)，从而活塞5被压下。然后，当活塞5上升时，打开排出阀9而使燃烧室2内的氢氧气体成为水蒸气或水而排出。上述活塞5的动作经运动转换机构6而传递到输出轴7，从而输出轴7旋转。 
此外，对于图2(A)及图2(B)所示的内燃机1a、1b而言，活塞5 在动作停止时并不限于在上死点停止，有时在汽缸上部(燃烧室2)形成的空间内积存空气。因此，在启动时，新取入的氢氧气体与积存的空气的混合气体被压缩、点火，从而引起聚爆。当发生聚爆时，在发动机内产生爆发音，十分刺耳。为了防止该聚爆，到排出积存于燃烧室2内的空气之前，需要(1)停止氢氧气体的取入、或者(2)不点火而排出氢氧气体与空气的混合气体。 
在采用上述(1)的方案的情况下，只要将燃料取入口3设为根据燃料供给压力的大小而进行开闭的阀即可。当燃料供给压力超过规定的压力时打开该阀，并使被取入到燃烧室2内的燃料(氢氧气体)通过。另一方面，该阀被设置成针对燃烧室2的负压、爆发而不打开，从而起到止回阀及安全阀的作用。通过使用该阀在启动之后的固定期间内将燃料供给压力设定为较低，由此能够防止在排出空气之前取入氢氧气体而引起聚爆。当然，该阀也可以被计算机控制而进行开闭。 
另外，在采用上述(2)的方案的情况下，以在启动之后固定期间内不使火花塞4工作的方式进行控制即可。 
图3是示出本发明所涉及的内燃机及其周边装置的框图。如图3(A)所示，虽然向内燃机1a(1b)供给由氢氧气体生成装置20生成的氢氧气体，但可以在其间设置氢氧气体箱21，可以在该氢氧气体箱21内暂时储藏氢氧气体。为了在有限容积的氢氧气体箱21内尽可能多地储存氢氧气体，优选氢氧气体生成装置20能够生成即使被高气压压缩也不还原成水的氢氧气体。由于在研究初期阶段的氢氧气体之中有时在几个气压左右的条件下还原成水，因此对于这一点需要注意。 
如图3(B)所示，也可以在氢氧气体生成装置20(氢氧气体箱21)与内燃机1a(1b)之间设置汽化器等混合机22。由此，能够将来自氢氧气体生成装置20的氢氧气体与来自化石燃料箱23的化石燃料的混合气体作为燃料向内燃机1a(1b)取入。根据该实施方式，虽然对应于混合气体所包含的化石燃料的比率而产生二氧化碳、氮氧化物，但通过同时采用比较容易得到的化石燃料，能够抑制氢氧气体的使用量，并且提高氢氧气体的燃烧效率。并且，即使在化石燃料的混合比率高的情况下，也能够提高化石燃料的燃烧效率，从而实现油耗改善，减少所排出的二氧化碳及氮氧 化物。换句话说，根据图3(B)所示的实施方式，能够使内燃机1a(1b)稳定地运转。需要说明的是，化石燃料仅是现有燃料的一例。即便是使用氢来代替化石燃料，也能够抑制氢氧气体的使用量，提高氢氧气体的燃烧效率。 
另外，如图3(C)所示，进一步设置有水箱24及喷射装置25，也可以向燃烧室2内喷射纳米级的雾状水。雾状水在与氢氧气体的取入相同的时刻从设置于燃烧室2的水喷射口(未图示)喷射。根据该结构，由于雾状水与氢氧气体一同燃烧，利用水蒸气爆发而使水的体积形成为约1700倍，因此点火前后的燃烧室2内的压力变化变大而能够获取更大的能量，并且与同时采用化石燃料的情况相同，也能够抑制氢氧气体的使用量。 
[外燃机的结构] 
图4是作为本发明所涉及的外燃机的一个实施方式的燃气轮机。如图所示，外燃机1c具备：用于取入作为燃料的氢氧气体的燃料取入口11；通过绕输出轴18高速旋转对所取入的氢氧气体进行压缩并输送至燃烧室13的压缩机12；对燃烧室13内的被压缩的氢氧气体进行点火并使其高温气体化的火花塞14；通过使从燃烧室13排出的高温气体强势地碰撞叶片而绕输出轴18高速旋转的涡轮17。并且，外燃机1c还具备用于提高效率的再生器19。 
在该外燃机1c中，被压缩的氢氧气体在燃烧室13内形成为由水蒸气构成的高温气体，利用该高温气体的能量使涡轮17高速旋转。由此，经输出轴18与涡轮17同轴连接的压缩机12高速旋转，被压缩的氢氧气体被连续输送至燃烧室13。并且，被取入的氢氧气体最终作为水蒸气或者水排出。 
如图所示，外燃机1c还具备燃料喷射口15或水喷射口16。如果从燃料喷射口15喷射的现有燃料或从水喷射口16喷射的纳米级的雾状水、与被压缩的氢氧气体一同燃烧，则能够得到与内燃机1a、1b的情况相同的效果。 
需要说明的是，氢氧气体能够从例如图3所示的氢氧气体生成装置20或氢氧气体箱21供给，雾状水能够使用例如图3(C)所示的水箱24及喷射装置25而向燃烧室13内喷射。并且，现有燃料能够以在现有的燃气 轮机中使用的各种方式向燃烧室13内喷射。 
[发电系统的结构] 
图5(A)是使用本发明所涉及的内燃机的发电系统及其周边装置的框图。发电系统30a至少具备内燃机1a(1b)及与其输出轴7连接的发电机31。在该发电系统30a中，当通过供给氢氧气体而使内燃机1a(1b)的输出轴7旋转时，与此相对应，发电机31产生电力。 
如该图所示，也可以在发电机31的输出侧设置电力转换装置32，将来自发电机31的电力转换为所期望的电力而进行输出。作为电力转换装置32，例如使用将从发电机31输出的DC12V的直流电力转换为AC100V的交流电力的DC-AC变频器装置、包含用于使从发电机31输出的电力稳定化或与工业电源的频率匹配的变频器的装置等。 
另外，如图5(B)所示的发电系统30b那样，也可以向内燃机1a(1b)供给由混合机22混合的氢氧气体与化石燃料(现有燃料)的混合气体。混合机22用于将两种气体以所期望的比率进行混合，能够由压力调整器、遮蔽阀、无差调速器(zero governor)、搅拌机等构成。 
另外，本发明所涉及的发电系统如图5(C)所示的发电系统30c那样，优选具备由计算机及各种传感器构成的控制单元33。控制单元33对发电机31或电力转换装置32的输出电压、输出电流(电力负载的大小)进行检测，并基于检测结果使向燃烧室2内取入的氢氧气体或混合气体的量、点火的时机变化。虽然以始终成为最高转速的方式驱动内燃机1a(1b)是非高效的，但如果进行上述那样的控制而增减内燃机1a(1b)的转速，则能够节约氢氧气体、混合气体。 
图6(A)是使用本发明所涉及的外燃机的发电系统及其周边装置的框图。发电系统30d至少具备外燃机1c及与其输出轴18连接的发电机31。在该发电系统30d中，当外燃机1c的输出轴18旋转时，与之对应，发电机31产生电力。如图所示，发电系统30d也可以在发电机31的输出侧具备电力转换装置32。 
此外，作为使用本发明所涉及的外燃机的发电系统，被认为有：使用外燃机1c的发电系统30e，该外燃机1c构成为利用水箱24与喷射装置25向燃烧室13喷射雾状水；发电系统30f，该发电系统30f构成为利用控制 单元33控制所喷射的雾状水的量、点火的时机。 
另外，上述各发电系统30a～30f也可以在发电机31与电力转换装置32之间具备能够利用从发电机31输出的直流电压充电的充电电池(未图示)。由此，即使在向负载电路瞬间供给大电力且是提高内燃机1a(1b)或者外燃机1b的旋转速度来产生电力来不及的情况下，也能够稳定地供给电力。 
[实验结果] 
接着，对向堵塞了空气供给口的市场上销售的空冷4冲程OHV发动机(三菱重工制“GM82PN”)供给氢氧气体而进行发电的实验结果进行说明。实验条件如下所述。 
(1)点火时机 
点火时机由以活塞5位于上死点的状态为基准的曲轴(运动转换机构6)的旋转角度表示。当点火时机过早时，在活塞5到达上死点之前、即在氢氧气体被充分压缩之前进行燃烧而活塞5被压下，因此产生浪费。另一方面，当点火时机过迟时，由于活塞5开始下降然后氢氧气体燃烧，因此未能有效利用基于该膨胀产生的压力变化。从上述观点出发，本实验将点火时机固定为上死点前(BTDC)25°。此外，与汽油等化石燃料相比，由于氢氧气体的燃烧速度慢，因此优选点火时机设定为比使用化石燃料的情况早。 
(2)压缩压力 
在上述实验中，为了即使低速也正常旋转而设为5kgf/cm2以下。 
(3)燃料供给压力 
在上述实验中，将氢氧气体的供给压力设为0.2MPa。 
(4)电力转换装置 
在上述实验中，使用自励磁式的变频器。 
当在上述条件下使发动机运转时，以作为最高转速的3200rpm得到了850VA的输出。并且，即使以500rpm左右的低速也能够使发动机正常运转。但是，上述条件仅是一例，当然可以与发动机的排气量、气筒数等对应地改变最佳的点火时机、压缩压力及燃料供给压力。 
符号说明 
1a、1b    内燃机 
1c        外燃机 
2         燃烧室 
3         燃料取入口 
4         火花塞 
5         活塞 
6         运动转换机构 
7         输出轴 
8         排出口 
9         排出阀 
10        同步带 
11        燃料取入口 
12        压缩机 
13        燃烧室 
14        火花塞 
15        燃料喷射口 
16        水喷射口 
17        涡轮 
18        输出轴 
19        再生器 
20        氢氧气体生成装置 
21        氢氧气体箱 
22        混合机 
23        化石燃料箱 
24        水箱 
25        喷射装置 
30a～30f  发电系统 
31        发电机 
32        电力转换装置 
33        控制单元 

Claims (4)

1.一种热力发动机，其为内燃机且所述内燃机具备：
燃料取入口，其用于向燃烧室内取入燃料；
火花塞，其对所述燃烧室内的所述燃料进行点火；
活塞，其与点火前后的所述燃烧室内的压力变化对应地运动；
运动转换机构，其将所述活塞的运动转换为输出轴的旋转运动，
所述热力发动机的特征在于，
该热力发动机还具备氢氧气体箱，该氢氧气体箱与所述燃料取入口连接，用于储藏作为所述燃料的氢氧气体，并向所述燃烧室内供给作为所述燃料的氢氧气体，所述氢氧气体通过由以180度结合的氧原子与两个氢原子构成的分子形成，并且所述热力发动机不具备用于向所述燃烧室取入所述氢氧气体以外的气体的机构及用于向所述燃烧室取入现有燃料的机构。
2.根据权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，
所述热力发动机具备供纳米级的雾状水向所述燃烧室内喷射的水喷射口。
3.根据权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，
所述燃料取入口将所述燃料以直接喷射方式直接喷射到所述燃烧室内。
4.根据权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，
所述燃料取入口是起到止回阀及安全阀的作用的阀。
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