CN1055516C - 氢气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢气发动机。目前由于氢的携带不便，尚无一种能实际应用的氢气发动机。本发明提供了一种氢气发动机，应用了“蒸汽氧化反应法”来产生氢气。它包括有水循环系和燃料供给系、水循环系包括水箱、水套和水泵，燃料供给系由氢供给系和启动燃料供给系构成，其中氢供给系包括含有海绵铁的氧化器、汽化器和排气管，氧化器位于排气管内，水循环系中产生的水蒸汽通过氧化器产生氢气供发动机燃烧，启动燃料供给系提供发动机启动燃料。

Description

氢气发动机

本发明涉及一种发动机，尤其涉及一种用氢作为燃料的发动机。

发动机是汽车的心脏部件。众所周知，目前在汽车上使用的发动机大都为燃油发动机，其存在的缺点是效率低，一般只有30％左右。汽油燃烧产生的能量中较大部分以热的形式随废气排放到空气中。

另一方面，随着社会对环境保护问题的重视，人们注意到了汽车排放的废气对环境所造成的污染的严重性，已经开始着手研究和开发使用无污染的燃料的发动机，尤其是氢气发动机。如德国的BMW汽车厂曾试验将发动机调整到(或设计成)可以燃烧“液态氢”。但把氢液化，得使温度降低至零下252℃，其代价超过生产等量汽油成本的4倍，在石油尚未告罄的情况下，显然不可行。然而使用氢这种取之不竭、燃烧无色无臭、全无污染的燃料始终是汽车工业的一个理想。

在申请号为93110383.5的中国发明专利申请中，揭示了一种汽车自制氢燃料的设备和方法，其方法是在汽车上配备一套制氢设备，然后，将制得的氢气提供给氢气发动机燃烧使用。这种方法和设备的缺点在于，在汽车上既上装备制氢设备，又在装备氢气发动机，因此，造成这种汽车结构复杂，成本提高。

本发明的目的在于提供一种氢气发动机，该发动机以氢作为燃料，其结构简单、成本较低。

本发明利用了“蒸汽氧化反应法”来制取氢气，以供发动机之用，这种方法如同美国的氢能源(H-POWER)公司提出的。其方法是：将水蒸汽与海绵铁(一种棕褐色铁粉)接触，发生氧化反应，释放出氢气。

因此，本发明的氢气发动机包括水循环系和燃料供给系，所述水循环系包括：

贮存水的水箱；

设置在气缸体上的水套，通过进水管和回水管与所述水箱相通，形成水循环通道；

和水泵，设置在所述水循环通道上，将所述水箱中的水泵入所述水套并使之在所述水循环通道上循环；

所述燃料供给系包括氢供给系和启动燃料供给系，所述氢供给系包含：

氧化器，在其内有海绵铁，通过蒸汽进管与所述水套相连通；

汽化器，其进气孔通过输氢管与所述氧化器相连通，其出气孔与气缸进气管相连通；

排气管，与各气缸相通，用于汇集各气缸的废气，所述氧化器位于所述排气管内；

所述启动燃料供给系通过输燃管与所述汽化器相连通；

所述氧化器包括一个与所述气缸内的所述水套连通将该水套中的蒸汽引入该氧化器中的进气孔，设置于该氧化器内用于将所述蒸汽氧化生成氢气的海绵铁，和一个与所述汽化器进气管连通将生成的氢气输入所述汽化器的出气孔，所述氧化器设置于发动机排气管内。

本发明的发动机开始由启动燃料供给系启动，发动机工作时产生的热量使水套中的水蒸发，水蒸气经蒸汽进管进入氧化器，由于氧化器位于排气管内，因此氧化器被发动机排出的高温废气加热到适合于氧化反应的温度，使水蒸汽与氧化器内的海绵铁迅速反应，产生的氢气经汽化器供发动机燃料使用。此时，可以基本断开启动燃料供给系，发动机完全或基本上由氧化器产生的氢供给燃料。

本发明解决了传统的氢气汽车中需携带体积庞大的液态氢的问题。

下面结合附图，进一步描述本发明的实施例以及其它优点和效果。

图1是本发明的氢气发动机的俯视结构图；

图2是沿图1的A-A线的剖视结构图；

图3是沿图1的B-B线的剖视结构图；

图4是氧化器的一种结构示意图；

图5是排气管门的结构示意图；

图6是启动燃料供给系统的一个实施例的示意图；

图7是启动燃料供给系统的另一个实施例的示意图。

本发明的氢气发动机包括水循环系、氢供给系和启动燃料供给系。图1和图2示出了水循环系的结构。

参见图1和图2，图2主要示出了氢气发动机的水循环系，从图1中可以看出，水循环系位于发动机的前部。如图1图2所示，水循环系包括主水箱11a、副水箱11b、水泵12和水套13。主水箱11a和副水箱11b用于贮存水，水套13是气缸81中铸造出贮水的、连通的夹层空间。水套13和主水箱11a之间通过进水管14连通。水泵12安装在进水管14上，水泵12的作用是将主水箱11a中的水吸入并加压，使之经分水管15(在多缸发动机中有分水管)流入水套13，从气缸壁吸收热量。进入气缸的水因吸收了热量，水温升高，部分水蒸发成水蒸汽，供氧化之用(下文将详细描述)，其余部分的液态水(高温)经回水管16流回主水箱11a。主水箱11a、进水管14、水套13和回水管16构成水循环通道。本实施例中的副水箱11b通过输水管17与主水箱11a相通。一般副水箱11b的安装位置高于主水箱11a，以便水能从副水箱11b自动流入主水箱11a。如果副水箱11b的安装位置等于或低于主水箱11a，则在两者之间应安装一水泵(图中未示出)。副水箱11b的作用是在主水箱11a的水温度过高时向在水箱11a提供温度较低的水，以便有效地对发动机气缸体81进行冷却，同时还可以不断补充水源。因此，输水管17的一端最好连接至主水箱11a下部的进水管14附近，或者直接接至进水管14上。从副水箱11b的作用来看，只要主水箱11a中的水温度够低，则可省略副水箱11b。

如图1、图2中所示，在主水箱11a和副水箱11b上分别开设有灌水口18a、19b，在灌水口19a、19b上分别设置有主水箱盖。在主水箱11a底部设置有放水阀18。对于水泵12的结构，可采用传统的水冷式发动机中的水泵结构，水泵12的动力由曲轴机构21通过传动带22提供。

如图2中所示，本实施例还可以包括一水温表23和水温传感器24，水温传感器24设置于气缸体81内的水套13中，而水温表23装置于汽车仪表盘上，两者之间通过传感线25连接。这样，司机在驾驶过程中能随时掌握水套13中的水温。

参见图1、图3，图3主要示出了氢气发动机的氢供给系。从图1中可以看出，氢供给系位于发动机的后部。如图1、图3所示，氢供给系包括氧化器31、排气管32和汽化器33。排气管32与各气缸相通，其作用是汇集各气缸的废气。因此排气管32内的温度很高。氧化器31位于排气管32内。氧化器31是水蒸汽与海绵铁进行氧化反应产生氢气的地方。氧化器31可采用如图4所示的结构，它呈一容器状，在其内有多片栅格片41，栅格片41呈栅格状排列，栅格片41之间形成的通道相互连通。在栅格片41上粘附或覆盖有颗粒状或粉末状海绵铁。在氧化器31的两侧上开设有进气口42，在其中央处开设有出气口43。氧化器还可以采用其它结构，如栅格片41可制成波浪形等，以增加栅格片表面积；栅格片排列形成的在氧化器进气口和出气口之间的蒸汽通道可以呈迂徊状，以增加蒸汽与栅格片上的海绵铁之间接触反应的时间。

再参见图1和图3，氧化器31的进气口42通过蒸汽进管34连接至水套13，使氧化器31与水套13相通。水套13中的水经加热后产生的水蒸汽经蒸汽进管34进入氧化器31与氧化器31中的海绵铁进行氧化反应，产生氢气。为防止水套13中的水进入氧化器31，可以把蒸汽进管24中的一段设置成高于主水箱11a的水平面，以保证液态水全部流回主水箱11a。氧化器31的出气口43通过输气管35连接至汽化器33，因此氧化器31中产生的氢气经输气管35进入汽化器33，在汽化器33中与空气混合后进入各气缸燃烧。由于氧化器31在使用了一段时间之后，其内的海绵铁被氧化，需要更换氧化器。为便于更换氧化器，在蒸汽进管34和输氢管35上设置可拆卸式的连接装置。

在本实施例中，采用了夹箍36来连接，当然也可以采用双通连接头等可拆卸式连接装置连接。在气缸体81排气管32处设置有一方便取出氧化器31的门(见图5)，该门的形状与氧化器31相似。在调换氧化器31时，从气缸体81上取下该门，拆下夹箍36即可取出氧化器31，换上新的氧化器31，装上夹箍36和门即可。

为增加进入氧化器31中的蒸汽量，在主水箱11a上部和蒸汽进管42之间设置有蒸汽补充管37。主水箱11a中的水蒸汽经蒸汽补充管37补充进入氧化器31中以产生更多的氢气。

由于本发明的氢气发动机在启动之前，发动机不工作，无热量产生，无废气排出，一水循环系不产生水蒸汽，因此氧化器不会产生氢气。为使本发明的氢气发动机启动，需要一个启动燃料供给系，以向气缸提供启动必需的燃料。

请参见图6，图6示出了一种启动燃料供给系的一种构造。在该启动燃料供给系中，采用了在工厂内制造的氢气贮存器51作为启动燃料。因此在该实施例中，启动燃料供给系包括氢气贮存器51，输氢管52和氢气控制阀53。氢气贮存器51可以采用高压氢气钢瓶，通过输氢管52连通至发动机上的汽化器33。氢气控制阀53连接在输氢管52上。氢气控制阀53的通与断由一套控制机构控制，该套控制机构包括脚踏板54和一系列连接杆57a、57b、57c，脚踏板54安装在汽车驾驶室内。该套控制机构与传统汽车中的油门控制机构相似，通过踩下脚踏板54来控制氢气控制阀53的打开。本实施例的启动燃料供给系还可以包括一气压表55，设置在汽车驾驶室的仪表盘上，通过气管56与氢气贮存器51相连，以向驾驶员显示氢气贮存器51内的氢气量。

在本发明中，还可以用与传统的汽油发动机类似的机构。如图7所示，它可以包括一油箱61、油滤清器62和油泵63。三者之同通过油管64相连，并由油管64连接至汽化器33上。这套油型启动燃料供给系与传统的汽油发动的供给系相似，只是油箱可以相应缩小。因此在此不再赘述其具体结构和工作过程。

本发明的氢气发动机在启动之后，氧化器能连续不断产生氢气，供气缸燃料使用。这是因为氢气在气缸中燃烧产生的热量足以使氧化器正常工作而无需补充热量。氧化器中的氧化反应产生氢气供气缸燃烧使用和氢气在气缸中燃烧产生热量供氧化器使用形成一个自循环。

如果在自循环时，热量不够或因其它原因(如停车)出现循环中断，则驾驶员可以随时启动“启动燃料供给系”，补充能量。

在本发明中，控制水温是一关键。如果在水循环通道中的水的温度不够高，不足以产生足够量的水蒸汽，一方面可以不用副水箱，另一方面也可以对主水箱增设保温措施，如在主水箱外增设保温层。反之，如果水温过高，则水对气缸壁的冷却效果变差，会影响气缸的工作。此时，可以如传统的发动机中的水冷系一样，在水箱上增设散热片，在必要时还可以装置冷却风扇。

从上述描述可以看出，本发明的氢气发动机充分利用了发动机工作时产生的原来释放到空气中的大量热量，使之重新回收利用。因此本发明的氢气发动机效率高于传统的发动机。本发明还解决了传统的氢气发动机遇到的需要复杂的装置以携带液态氢或高压氢气瓶的问题。本发明以水和海绵铁作为氢的转换储存媒介，这两种物质在常温下性能稳定，携带无需特殊设备和装置，大大简化了发动机的结构，降低了成本。再者，海绵铁在被氧化之后的还原也较简单，只需向氧化器中通过一氧化碳或氢气即可还原出海绵铁，经还原后的氧化器可重复使用。

Claims (10)

1.一种氢气发动机，包括水循环系和燃料供给系，所述水循环系包括：

贮存水的水箱；

设置在气缸体上的水套，通过进水管和回水管与所述水箱相通，形成水循环通道；和

水泵，设置在所述水循环通道上，将所述水箱中的水泵入所述水套并使之在所述水循环通道上循环；

所述燃料供给系包括氢供给系和启动燃料供给系，所述氢供给系包含：

氧化器，在其内有海绵铁，通过蒸汽进管与所述水套相连通；

汽化器，其进气孔通过输氢管与所述氧化器相连通，其出气孔与气缸进气管相连通；

排气管，与各气缸相通，用于汇集各气缸的废气，所述氧气化器位于所述排气管内；

所述启动燃料供给系通过输燃管与所述汽化器相连通；

其特征在于，所述氧化器包括一个与所述气缸内的所述水套连通将该水套中的蒸汽引入该氧化器中的进气孔，设置于该氧化器内用于将所述蒸汽氧化生成氢气的海绵铁，和一个与所述汽化器进气管连通将生成的氢气输入所述汽化器的出气孔，所述氧化器设置于发动机排气管内。

2.如权利要求1所述的氢气发动机，其特征在于，所述水箱包括主水箱和副水箱，所述主水箱分别通过所述进水管和所述回水管与所述水套相通，所述副水箱安装成高于所述主水箱，两者之间通过输水管相通。

3.如权利要求1所述的氢气发动机，其特征在于，所述水箱包括主水箱和副水箱，所述主水箱分别通过所述进水管和所述回水管与所述水套相通，所述副水箱与所述主水箱之间通过输水管相连通，且在输水管上设置有泵。

4.如权利要求2或3所述的氢气发动机，其特征在于，所述输水管分别连接在所述副水箱底部和所述主水箱进水管附近。

5.如权利要求4所述的氢气发动机，其特征在于，在所述主水箱底部设置有放水阀。

6.如权利要求1所述的氢气发动机，其特征在于，连接所述氧化器和所述水套的蒸汽进管至少有一段高于所述水循环系的所述回水管。

7.如权利要求1或6所述的氢气发动机，其特征在于，在所述水箱和所述蒸汽进管之间还设置有蒸汽补充管。

8.如权利要求1或6所述的氢气发动机，其特征在于，所述蒸汽进管与所述氧化器和所述水套之间采用可拆卸式连接，所述输氢管与所述氧化器之间也采用可拆卸式连接。

9.如权利要求1所述的氢气发动机，其特征在于，所述启动燃料供给系包括氢气贮存器，所述氢气贮存器通过输氢管，接至所述汽化器。

10.如权利要求1所述的氢气发动机，其特征在于，所述启动燃料供给系包括：油箱、油滤清器和油泵，所述油箱、油滤清器、油泵和所述汽化器通过油管连通。

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