CN108350741B - 氢发动机以及用于其动力供应的氢燃料生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种氢发动机以及用于其动力供应的氢燃料生产方法。发动机具有一对双室汽缸，双侧活塞位于双室汽缸中、成180°角地朝向相反、通过曲轴一起压缩。曲轴包括两个曲柄元件，曲柄元件通过间隔轴承以向后旋转的方式联接。曲轴的压缩功能通过使用两个连杆对实现，连杆对中的连杆在其一侧联接至一个曲柄元件，而连杆的第二端联接至轴之一，轴中的每一者通过阀杆与活塞中的一个活塞相连接。在每个汽缸的壁的中间存在压缩空气的出口通道以及燃烧产物与空气的出口通道。在每个汽缸的汽缸盖中以及在隔室中存在燃料注入器、水蒸气注入器和点火元件。水蒸气注入器附接至定量给送水蒸气装置，定量给送水蒸气装置由水蒸气产生器来供给。使用HHO产生器以供给发动机。

Description

氢发动机以及用于其动力供应的氢燃料生产方法
技术领域
本创新的目的是旨在用于驱动陆地交通工具、空中交通工具、水上交通工具、以及各种机械的一种氢发动机和用于其动力供应的氢燃料生产方法。
背景技术
从US 6854429专利说明书中已知的燃烧式发动机具有在其两侧运转的活塞，所述发动机包含至少一个汽缸，所述汽缸具有位于内部的双对称活塞，所述活塞将汽缸的自由空间分成两个燃烧室。汽缸的双侧封闭汽缸盖配备有燃料供应阀、排烟阀以及点火元件，所述点火元件呈火花塞或炽热塞形式。在双活塞中在其一侧牢固地嵌入推杆，所述推杆通过隔室中的密封槽缝移动到汽缸之外，所述隔室将汽缸与发动机外壳分开。这个推杆的末端连接有稳定器轭架，所述稳定器轭架连接有动力传送轭架，并且在这两个轭架相连接之处有稳定性限制器的摇臂，所述摇臂通过另一侧而联接至发动机外壳。动力传送轭架在其另一侧连接有曲轴，所述曲轴构成曲柄单元的一部分，在曲柄单元的一侧上有飞轮并且在另一侧上存在经由正时皮带与凸轮轴相连接的正时轮。在润滑系统中油循环系统的任务是将油供应到在活塞中间的圆柱形缩颈与汽缸的中心部分之间形成的空间，油随后经过位于活塞内部的适当的通道系统从所述空间朝油底壳移动，并且经过位于活塞杆的杆轴线上的凹槽移动得更远。嵌入在凸轮轴上的凸轮经由汽缸盖的气门挺杆相应地操纵，所述汽缸盖在火花塞工作时压缩而关闭汽缸。发动机按每180度的曲轴旋转对每个燃烧室运行四冲程交替循环。
此外，从专利说明书PL 212301中已知处于二冲程燃烧式发动机中的活塞和曲柄系统，所述燃烧式发动机包括具有内置式导承的外壳和附接到所述外壳上的汽缸。所述导承是具有位于其中的活塞的汽缸的底座，其运动是无接触的。导承(活塞不活动地附接到所述导承上)通过往复运动在导承中移动。密封的刮油环位于移动的导承上，所述刮油环防止油进入吸入室。另外，在已知的活塞和曲柄系统中，活塞导承通过滑动轴承与连接条的一部分相连接。连接条由可伸缩地相关联的两个部分组成。滑动套筒在连接条的另一侧上移动，所述滑动套筒以振荡方式通过滑动轴承联接到曲轴的连杆上并且所述滑动套筒也通过滑动轴承联接到偏心盘的连杆上。偏心盘通过驱动轮和链条传动由曲轴驱动。偏心盘的连杆以振荡方式附接到偏心盘上，所述连杆通过往复运动在连接条带上移动滑动套筒。
此外，从专利说明书US 6918382中已知由氢燃料供应动力的内燃发动机用于以受控量的氢驱动小型摩托车。应用于其中的氢燃料量控制系统通过考虑大量参数使燃料注入发动机节流阀，所述参数包括氢存储单元中的氢的量，所述氢的量是在位于板上的氢燃料测量系统的帮助下、并且通过使用微控制器和许多传感器来监测的。
通过使用HHO产生器来产生和使用氢燃料的方法是已知的，其中，在交流发电机递送电力供应之后，在汽车水箱中发生水电解。作为此过程的结果，出现了氢和氧的无爆炸性混合物。这种混合物与吸入的空气以及常规马达燃料一起被直接传送至发动机燃料系统。已知的技术限制燃烧式发动机中燃料使用，但并不排除燃料使用。
发明内容
根据本发明，发动机具有附接在发动机外壳上的一对双室汽缸，双侧往复式活塞位于所述汽缸中，并且汽缸连同活塞在位于外壳内的分隔式曲轴的旋转轴线所在的平面中成180°角地朝向相反、或者可以互成V形的互反位置，所述曲轴使汽缸以及活塞共轭。曲轴由两个相同的曲柄元件组成，所述曲柄元件沿其共同的轴彼此相反地指向、并且借助于间隔轴承以相反旋转的方式联接在一起。此外，曲轴在其两侧具有用于驱动传动的曲柄，所述曲柄处于外侧。曲轴的共轭功能是通过使用两对相同的连杆实现的，其中给定对中的每个连杆由其一端可旋转地联接至曲轴的相反旋转的曲柄元件，而这对连杆的另一端与两个横向轴中的一者相连接，其中每个横向轴通过垂直于每个轴的阀杆以振荡的方式牢固地连接到所述共轭活塞对中的一者上，压缩空气入口通道以及燃烧产物与空气的出口通道位于每个汽缸的壁的中间，所述壁的内表面有利地覆盖有防腐涂层。在每个汽缸的盖中以及在其下隔室中存在燃料注入器、水蒸气注入器和点火元件。在每个下隔室的中间嵌入线性滑动轴承，阀杆穿过所述滑动轴承。滑动轴承从下方配备有环形密封元件，在滑动轴承的其余部分的上方、在其壁与阀杆轴的表面之间形成有润滑微槽。指配给每个汽缸的水蒸气注入器是与将水蒸气经过其水蒸气缆线进行分配的装置相连接，并且此装置由适当的汽缸的安装在排气管上的水蒸气产生器供应。除此之外，在每个特定的排气管上安装有热电偶，并且根据其通道，装入涡轮发电机以及支持风机的涡轮。通过指配给相反汽缸的主风机，支持风机将扫气空气引导至此汽缸的压缩空气进气通道。所有发电机的电输出与所有热电偶的电输出并行地相连接、并且被引导至储能器，所述储能器协助交流发电机能量以对HHO产生器供应电力。这个产生器的带有氧的气体管道被引导至紫外线离子发生器，并且从此处其被进一步引导至三路气体开关的入口之一，带有氢的气体管道从HHO产生器被引导至所述三路气体开关的另一入口。气体开关的出口通过压缩机被并行地联接至所有独立燃料供料器的入口，而燃料供料器被联接至指配给其的所有燃料注入器。
根据本发明生产氢燃料的方法包括利用HHO产生器在电解过程中将水分解为氢和氧，随后获得的氧经过电离以便通过将原子的共价层补充最多至8个电子来增加原子的位能。电离的氧然后与来自HHO产生器的氢混合，而获得的气体混合物将被作为燃料传送至燃料系统。
根据本发明的发动机的主要开发优势是供水、以及与此相关的没有污染环境的排气、以及其开发的低成本。此外，在无阀门工作的系统中使用双室汽缸(具有朝向相反的活塞)，同时通过分隔式曲轴将活塞联接在一起，其结果消除了发动机组的振动并且还获得了有利的功率质量之比。其给出了具有有利开发参数的相对较轻的发动机。
在源于本创新的技术便利性中，是无阀门的发动机的两个正面特征与具有双活塞的发动机的已知解决方案的结合，所述双活塞将汽缸的自由空间分成两个燃烧室，其中两个工作循环发生在一整圈的曲轴转动过程中。另一个益处同样是将汽缸燃烧室与曲柄箱空间完全且有效地断开连接，这样防止油传送至排出的燃烧产物，并且防止剩余的水从燃烧室进入曲柄箱空间。就无需采用通常使用的共振排气系统而言，还进一步增加了曲柄系统的所有元件的持久性。
附图说明
本发明的目的被呈现在附图的实例中，其中图1示出了双缸氢发动机的理想方案，而图2示出了带有活塞的分隔式曲轴的说明图，同时出于说明的目的，在其余附图中，以一个汽缸中的活塞为例，展示了发动机的以下工作循环，即，在图3中，示出了上燃烧室的压缩循环以及下燃烧室的灌注，在图4中，示出了在冲程的工作部分结束时在上燃烧室中的汽缸，其中活塞在汽缸的中点并朝着下燃烧室运动，以及燃料注入下燃烧室，图5示出了下燃烧室的压缩循环以及上燃烧室的灌注，而图6展示了在冲程的工作部分结束时在下燃烧室中的汽缸，其中活塞在汽缸的中点并朝着上燃烧室运动，以及燃料注入上燃烧室。
具体实施方式
发动机具有附接到外壳1上的一对双室汽缸2，双侧往复式活塞3位于所述汽缸中，同时带有活塞3的汽缸2在分隔式曲轴4的旋转轴线的平面内成180°角地朝向相反，所述曲轴位于外壳1中并且使汽缸以及活塞共轭。每个活塞3在其侧表面的整个回路上具有一个凹部3a。曲轴4包括两个相同的曲柄元件4a和4b，所述曲柄元件沿其共同的旋转轴线朝向相反、并且借助于间隔轴承5围绕此轴线以向后旋转的方式连接在一起。此外，曲轴4在两侧具有轴6a和6b，所述轴伸出其外并且传送驱动力。曲轴4的共轭功能是通过使用两个相同的连杆对7a和7b实现，其中给定对中的连杆7a和7b由其一端旋转地联接至曲轴4的反向旋转的曲柄元件4a和4b之一，而这对连杆的另一端以震荡的方式与两个横向轴8中的一个相连接，其中每个轴通过与之垂直的阀杆9与一对共轭活塞3牢固地连接。考虑以上，每个阀杆9(所述阀杆被连接至一对活塞3中的一个活塞上)被指配了两个连杆7a和7b，每个连杆沿相反方向对附接至其的轴元件4a或4b进行驱动。除此之外，在每个汽缸2的壁的中间存在压缩空气的出口通道10以及燃烧产物与空气的出口通道11，所述汽缸的壁的内表面覆盖有金刚石涂层。在每个汽缸2的汽缸盖12中以及在下隔室13的区域中，存在燃料注入器14、水蒸气注入器15、以及呈火花塞形式的点火元件16。每个下隔室13的中间嵌入线性滑动轴承17，呈抛光轴形式的阀杆9穿过所述滑动轴承。在滑动轴承17的下方配备有环形密封环18，在滑动轴承17剩余部分的上方、在其壁与阀杆轴9的表面之间形成润滑微槽19。指配给每个汽缸2的水蒸气注入器15通过其水蒸气缆线20连接至定量给送水蒸气装置21，同时，所述定量给送水蒸气装置由合适的汽缸2的安装在排气管22上的水蒸气产生器23驱动。此外，每个排气管22上安装有热电偶24，根据其通道，安装涡轮发电机25以及支持风机26的涡轮。通过指配给相反汽缸2的主风机27，支持风机26将扫气空气引导至此汽缸2的压缩空气进气通道8。所有涡轮机25的电力输出并行地联接至所有热电偶24的电力输出，并且被引导至储能器28，在由交流发电机(在附图中未示出)递送的能量的支持下，所述储能器对HHO产生器29提供电能。HHO产生器29的带有氧的气体管道被引导至紫外线离子发生器30，并且从此处其被进一步引导至三路气体连接器31的入口之一，带有氢的气体管道从HHO产生器29被传送至所述三路气体连接器的另一入口。气体连接器31的出口经由压缩机32而与所有单独的燃料供料器33的入口并行地连接。所有单独的燃料供料器的出口与指配给发动机14的所有燃料注入器相连接。
根据本发明的发动机被供应有氢和电离的氧的混合物，所述电离的氧是由发动机自主氢燃料生产系统中的氧产生的。所述系统的主要元件是HHO产生器29，其中发生水的电解，水是从水箱(附图中未示出)中提取的。此水被适当的调整以适应电解过程。电解所需要的电能是在所有热电偶24、发电机25、以及附图中未示出的交流发电机的互连的电力输出的帮助下由储能器28提供。从HHO产生器中得到了呈氢和氧形式的电解产物，氧被导向紫外线离子发生器30，而在电离之后，原子的位能增强，氧与氢在气体连接器31中混合，随后气体混合物在压缩机32中经历压缩，并且在非常高的压力下被传送至所有燃料供料器33。这些供料器(其操作由附图中不可见的控制器管理)在发动机工作的合适循环中将气体燃料引导至特定的燃料注入器14。
就两个共轭的活塞而言，发动机在其特定工作相位的操作是相同的，同时由于一对汽缸2相互倒置的构造特征，其工作循环在相位上移动180°角。因此，为了简化说明，关于其余协作的发动机子组件，关注汽缸2(具有指配给其的活塞3)中的一个单元就足够了。
压缩的氢燃料被供应至活塞3之上的汽缸2空间，所述空间在燃料喷射器14的帮助下构成上燃烧室。图3中呈现了在上燃烧室中由火花塞16的火花进行的燃料点火。当上燃烧室达到最高温度(约7000℃)时，通过水蒸气注入器15发生水蒸气喷射，使燃烧室被冷却最多至3500℃，同时由于水蒸气的高温，水蒸气被分解成氢和氧。在上述方法中得到的燃烧室中额外燃料部分出现，致使其自燃并且增强了这个汽缸2的室空间内的压力。在所描述的燃烧过程中，当活塞3向下朝曲轴4运动时，其进行动力冲程。当活塞3处于压缩空气的出口通道10以及燃烧产物与空气的出口通道11的轴线上时，压缩空气清洗并且冷却所述活塞的凹部3a的内表面以及位于封闭环3b之间的汽缸2的表面。汽缸2的室中使用的以便清洗和洗涤所述室的压缩空气是从主风机27的附接至所述汽缸的压缩空气出口通道10中被递送，并且所述主风机是由支持风机26所传送的空气来供以动力，所述支持风机由出口气体的动能驱动，所述出口气体来自于联接至另一个压缩的汽缸2的排气管。另外，在发动机工作的此阶段，来自下燃料注入器14的燃料被供应至位于活塞3下方的汽缸2空间中，所述汽缸空间构成下燃烧室，如图4所呈现的。燃料在活塞3向曲轴4的进一步向下的运动中经历压缩。随后，活塞3为上部汽缸3的室打开压缩空气的出口通道10以及燃烧产物与空气的出口通道11，其结果是，被供应至汽缸2的这部分的空气将此处形成的剩余燃烧产物推出。如图5所示，当活塞3接近DMP时，被供应至此处的燃料由下火花塞引起的火花而发生点火，并且在水蒸气注入器15的帮助下，上述将水蒸气供应至下燃烧室的过程被重复，并且水蒸气分解为氢和氧以及由此方式产生的燃料的燃烧、以及活塞3朝向曲轴4的向上的动力冲程被重复。当活塞3向上运动至压缩空气的出口通道10以及燃烧产物与空气的出口通道11的轴线上时，压缩空气再次清洗并且冷却所述活塞的凹部3a的内表面以及位于封闭环3b之间的汽缸2的表面，而来自上燃料注入器14的燃料被供应至活塞3之上的汽缸2空间，如图6所展示的。在活塞3进一步向上运动的过程中，在汽缸2的上部发生燃料的压缩，并且同时，汽缸2的下部被压缩空气出口通道10提供的空气洗涤，如图3所描绘的，然后重复发动机的工作循环。用于发动机动力的水蒸气源是安装在排气管22上的水蒸气产生器23，水蒸气从此处通过定量给送水蒸气装置21而被供应至水蒸气注入器15，所述定量给送水蒸气装置在随后的发动机工作循环中被合适的控制器启动。应用安装在排气管22上的热电偶24以及由出口气体驱动的发电机25的目的是最大程度获得出口气体能量回收并且将其用于储能器28的电能，所述储能器的电能是基本的电流源，以用于在HHO产生器29中水的电解。
根据本发明的发动机在包含了空中交通工具和水上交通工具的交通工具驱动中具有广泛应用。获得的曲轴4的曲柄元件4a和4b以及轴6a和6b(与所述曲柄元件相连接的用于动力传输)反向旋转，可以尤其用于双叶轮直升机中。在这种情况下，可以将叶轮直接附接到曲柄元件的两个反向旋转的轴上，因此消除了叶轮的回转力矩，并且此外叶轮的驱动不需要使用传动装置，而传动装置会减少发动机的效率。
此外，考虑到在这种情况下水是无穷无尽的燃料源，根据本发明的发动机的一个预期的领域是可以用于驱动船和潜艇。特别的，它涉及海域上使用的无人机，由于其不需要燃料供应，其可以提供无限的服务范围。
根据本发明的发动机的另一个同样显著的经济优势是有机会在大型、小型热电厂(特别是在农村和城市化程度较低的地区)中，将其用于电力和热的生态生产。

Claims (5)

1.一种氢发动机，包括附接有连杆系统的外壳、以及汽缸，所述外壳由汽缸盖从顶部关闭，在每个汽缸内部有带有密封环的共轭活塞，所述活塞将汽缸的内部空间分成两个燃烧室，在所述活塞的一侧上安装有阀杆，所述阀杆的末端借助于处于所述汽缸的下隔室中的线性滑动轴承伸出所述汽缸的室，所述氢发动机包括点火元件以及用于将氢燃料注入所述燃烧室的元件，并且所述氢发动机还具有用于氢燃料注入的控制系统，其特征在于，所述氢发动机具有至少一对紧固至所述外壳(1)上的双室汽缸(2)，共轭活塞(3)位于所述汽缸内，所述汽缸(2)连同所述活塞(3)在将其压缩的、位于所述外壳(1)上的分隔式曲轴(4)的旋转轴线上成180°角朝向、或者互成V形的互反位置，所述曲轴(4)由两个相同的曲柄元件(4a，4b)组成，所述曲柄元件朝向相反，使得所述曲柄元件彼此相邻并沿其共同的旋转轴线反向旋转、并且通过间隔轴承(5)分开，所述曲轴(4)在两侧具有轴(6a，6b)，所述轴伸出其外并且传送驱动力，所述曲轴(4)的压缩功能是使用两个相同的连杆对实现的，其中给定连杆对中的连杆(7a，7b)由其一端旋转地联接至所述曲轴(4)的反向旋转的曲柄元件(4a，4b)，而此连杆对的另一端以震荡方式与两个横向轴(8)之一连接，其中每个横向轴通过与之垂直的阀杆(9)与共轭活塞(3)之一牢固地连接，压缩空气出口通道(10)以及至少一个燃烧产物及空气的出口通道(11)位于每个汽缸(2)的壁的中间，所述壁的内表面覆盖有防腐涂层，在每个汽缸(2)的汽缸盖(12)以及其下隔室(13)中，存在至少一个燃料注入器(14)、至少一个水蒸气注入器(15)以及至少一个点火元件(16)，在每个下隔室(13)的中间，安装有所述线性滑动轴承(17)，所述阀杆(9)穿过所述滑动轴承，所述滑动轴承(17)从下方配备有环形密封环(18)，在所述滑动轴承(17)的其余部分上方、在其壁与所述阀杆(9)的表面之间形成有润滑微槽(19)。
2.根据权利要求1所述的氢发动机，其特征在于，每个活塞(3)在其侧表面上、在上密封环和下密封环之间具有至少一个基本上凹形的凹部(3a)。
3.根据权利要求1或2所述的氢发动机，其特征在于，指配给每个汽缸(2)的水蒸气注入器(15)通过其水蒸气缆线(20)连接至定量给送水蒸气装置(21)，所述定量给送水蒸气装置由安装在此汽缸(2)的排气管(22)上的水蒸气产生器(23)驱动。
4.根据权利要求3所述的氢发动机，其特征在于，在每个伸出所述汽缸(2)之外的排气管(22)上安装有热电偶(24)，并且在所述热电偶(24)下游安装涡轮发电机(25)以及支持风机(26)的涡轮，所述支持风机(26)通过指配给相反汽缸(2)的主风机(27)将扫气空气引导至此汽缸(2)的压缩空气进气通道，所有发电机(25)的电力输出并行地联接至所有所述热电偶(24)的电力输出，并且被引导至储能器(28)，所述储能器向HHO产生器(29)提供电能，并且此产生器的带有氧的气体管道被引导至紫外线离子发生器(30)，并且从此处所述带有氧的气体管道被进一步引导至三路气体连接器(31)的入口之一，带有氢的气体管道从所述HHO产生器(29)被传送至所述三路气体连接器的另一入口，而所述气体连接器(31)的出口经由压缩机(32)并行地连接所有单独的燃料供料器(33)的入口，并且所有单独的燃料供料器(33)的出口与指配给其的所述氢发动机的所有燃料注入器(14)相连接。
5.根据权利要求4所述的氢发动机，其特征在于，使用所述HHO产生器产生氢燃料的方法为：在所述HHO产生器中由水电解得到的氧和氢在使氧原子穿过紫外线离子发生器以使氧原子位能增加之后被再次混合，所述氧原子位能增加是经历了紫外线辐射而对原子的外电子层产生影响的电离过程的结果，并且然后混合气体被传送至氢发动机的燃料系统。
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